12.6.Ядерные реакции. Теоретическое обоснование ядерных реакций

В дальнейшем необходимо было объяснить природу сил, столь прочно связывающих положительно заряженный протон и нейтральный нейтрон в ядре. Это были силы не гравитационного (слишком малы массы) и не электромагнитного (кулоновского) характера (нейтрон не заряжен). В дальнейшем их назвали ядер-ными взаимодействиями.

Впервые деление ядра было проведено на ядрах урана. Первым наиболее близко к реакции деления урана подошёл Э. Ферми. Повторяя опыты супругов Жолио, Э. Ферми использовал для бомбардировки ядер урана не альфа-частицы, а нейтроны. Было известно, что интенсивность радиоактивного излучения существенно возрастала, если перед попаданием в ядро урана они проходили через воду или парафин. Возможности создавать спе-циальную установку для постановки опытов не было, поэтому Э. Ферми использовал бассейн во дворе университета. В воде была установлена мишень из урановой руды, недалеко расположен ис-точник нейтронов и измерительная аппаратура. В качестве гипо-тезы происходящего процесса было выдвинуто химическое пре-вращение элементов, поэтому опыты сопровождались химиче-ским анализом возникшего вещества. Э. Ферми считал, что он нашёл новый элемент с номером «93». И хотя открытие транс-уранового элемента с атомным номером «93» (сейчас он называ-ется нептуний) состоялось позже, первая в истории реакция деле-ния ядра урана была проведена. Это означало поворот в физике. Многочисленные опыты М. Кюри и О. Ганна по бомбардировке ядер урана нейтронами выявили и другие закономерности: деле-ние урана сопровождается выделением значительной энергии, появлением (освобождением) дополнительных нейтронов, при-водит к тому, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра с атомными номерами, заметно меньшими, чем у урана.

Вывод о появлении в процессе деления дополнительных нейтронов был основанием для возможности осуществления цеп-ной реакции.

Откуда берётся энергия, выделяющаяся при делении ядра урана? Масса исходного ядра урана при детальном изучении ока-залась меньше, чем сумма масс осколков, образовавшихся в ре-зультате реакции. Разница масс была названа дефектом массы ( ). Дефект масс явился ещё одним подтверждением знамени-того уравнения А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энер-гии. Энергия, которая выделялась при делении ядра урана, оказа-лась равной . А. Эйнштейн не считал себя творцом квантовой физики, он только использовал идею М. Планка о квантах света для объяснения внешнего фотоэффекта, но «не-ожиданно» теория относительности и зарождающаяся квантовая теория оказались тесно связаны. «Я не считаю себя отцом атом-ной энергии, - писал А. Эйнштейн, – моё участие было весьма косвенным. В действительности, я не верил, что она будет высво-бождена в моё время. Такая возможность мне казалась теорети-ческой … Это было открыто Ганном в Берлине … Правильно объяснила (это явление) … Лиза Мейтнер …».

Об испускании нейтронов расколовшимся ядром урана стало известно из публикаций 1939 г. Ф. Жолио и его сотрудни-ков, а также А. Хэнни и М. Розенберга. Вывод из этих опытов был очевиден многим: если бомбардировать ядро урана протона-ми или альфа-частицами, то можно ядро расколоть, но чтобы расколоть ещё одно ядро, необходимо опять облучить вещество потоком протонов или альфа-частиц. Но если ядро раскалывается нейтронами, то испускающиеся в реакции в возрастающем коли-честве дополнительные нейтроны могли бы расколоть и соседние ядра, лишь бы эти ядра находились поблизости. При делении следующих ядер опять будут испущены нейтроны, что вызовет реакцию в следующем слое ядер и т.д. Начнётся цепная реакция деления ядер. При каждом делении ядра испускается заметная энергия.

6 января 1939 г. в журнале «Натурвиссеншафтен» появи-лась статья О. Ганна и Ф. Штрассмана о наблюдавшихся ядерных превращениях. 11 февраля 1939 г. в журнале «Нейчур» появилась статья Л. Мейтнер и О. Фриша с объяснением этих результатов. Именно это объяснение и упоминает А. Эйнштейн. Счёт по-прежнему шёл на дни.

Цепная реакция предвещала переворот не только в физике и технологии энергетики, ведь быстро протекающая реакция с выделением большого количества энергии – это взрыв. А взрыв-ных устройств подобного масштаба никогда не было. Шёл 1939 г. Опасность была настолько велика, что многие учёные предлагали прекратить исследования в этой области. Когда в беседе кто-то стал развивать перспективы применения ядерных превращений в области вооружений, О. Ганн закричал: «Бог этого не допустит!». Л. Сциллард писал в письме Ф. Жолио: «Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нулю, либо не-достаточно и что нам не придётся больше беспокоиться по этому поводу». Но письмо было позже, а первая реакция на сообщение об осуществлении цепной реакции была почти панической: Л. Сциллард и В. Вайскопф послали телеграмму коллективу Ф. Жо-лио с предложением отказаться от каких бы то ни было публика-ций, связанных с этими исследованиями. Идея о самоцензуре об-суждалась практически во всех научных коллективах. Провести её в жизнь было не так просто. «Молчание учёных» могло бы оказаться эффективным, только если все научные коллективы, занимающиеся подобными исследованиями, приняли бы это предложение и согласились с этим. Основные причины, по кото-рым подобное молчание в масштабах мира осуществить оказа-лось невозможно, были следующими: во-первых, каждое откры-тие в данной области в ближайшей перспективе могло иметь практическое применение, а, значит, должно было быть запатен-товано (вопрос о приоритете являлся основным); во-вторых, за-крытость научных результатов всегда была осуждаема и пред-ставлялась, по крайней мере, до сих пор, аморальным актом; в-третьих, исследования в области атомной и ядерной физики были очень дорогими, постоянно требовалось финансирование в очень крупных масштабах, а получить подобное финансирование от государства или частных компаний было легче, если об успехах сообщалось регулярно и широко. Поэтому статьи и выступления на конференциях продолжались. Часто речь шла о разнице в не-сколько дней в опубликовании похожих результатов разными коллективами. Но причиной спешки была не погоня за приорите-том, а понимание важности открытий и неограниченные перспек-тивы дальнейших исследований. Например, после сообщения Н. Бора на конференции Американского физического общества об осуществлении цепной ядерной реакции и теоретическом обос-новании её протекания исследования сразу перешли из теорети-ческой области в прикладную. Практически все участники кон-ференции повторили опыты и пошли дальше в ближайшие дни после сообщения. В воспоминаниях Н. Бора неоднократно упо-минается об «американцах, помчавшихся в свои лаборатории» после этого сообщения.