4. Открытие ядерной изомерии

В 1935 г. советские физики И.В.Курчатов, Б.В.Курчатов, Л.И.Русинов, Л.В.Мысовский открыли явление ядерной изомерии для радиоактивного брома. В этом же году И.В.Курчатов работал с реакциями на медленных нейтронах. При этом была выяснена сложная зависимость поглощения нейтронов от скорости, и в частности факт резонансного поглощения нейтронов. Факт резонансного поглощения нейтронов был установлен Ферми. Курчатов обобщил результаты исследований по расщеплению ядра в вышедшей в 1935 г. книге «Расщепление атомного ядра». Э.Ферми продолжая исследования радиоактивности, возбужденной нейтронной бомбардировкой, подтвердил существование ядерной изомерии, открытый Курчатовым. В работе «О поглощении и диффузии медленных нейтронов», написанной совместно с Э.Амальди, Э.Ферми также подтвердил открытое И.В.Курчатовым, Л.А.Арцимовичем, Л.В.Мысовским резонансное поглощение нейтронов. Закон зависимости поглощения нейтронов, согласно которому сечение захвата обратно пропорционально скорости нейтронов, нарушается в ряде случаев. Для определенных скоростей некоторые элементы особенно сильно поглощают нейтроны. Но наиболее волнующим оставался вопрос о трансурановых элементах. Говоря об активных носителях, полученных из урана при бомбардировке их нейтронами, Ферми заключает: «Мы пришли к выводу, что носителем был один и более элементов, с атомным номером большим 92. Элементы 93, 94 у себя в Риме мы назвали авсонием и гесперием соответственно. О.Ган и Л.Мейтнер провели очень тщательное и обширное изучение продуктов распада облученного урана и сумели отыскать среди них элементы вплоть до атомного номера 96».

5. Деление урана

Остановимся на истории открытия деления урана. Это открытие явилось завершением целого ряда поисков и ошибок. Вскоре после сообщения Ферми о трансурановых элементах немецкий химик Ида Ноддак опубликовала в химическом журнале статью, в которой указывала, что под воздействием нейтронов ядра распадаются на изотопы, отнюдь не являющиеся соседями бомбардирующих элементов. Ферми, Ган и другие физики сочли предположение Ноддак абсурдным.

Анализируя данные полученные Ферми и его сотрудниками по искусственной радиоактивности, Н.Бор пришел к выводу, что процесс ядерной реакции, обусловленный захватом нейтрона, следует разделить на два не зависящие друг от друга стадии. Первая стадия заключается в том, что захват нейтрона ядром приводит «к образованию составной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью». Это «компаунд-ядро» находится в возбужденном состоянии, причем энергия распределяется между всеми частицами ядра. Затем эта энергия может освобождаться в виде гамма-излучения либо «может опять концентрироваться на какой-то частице на поверхности ядра», так что эта частица может покинуть ядро. Самым существенным моментом в теории Бора было представление о ядре как о сложной системе. Нейтрон взаимодействует не с какой-либо отдельной частицей ядра, а отдает энергию всему коллективу частиц, образующих ядро.

О теории Бора рассказывал на сессии физико-математического отделения Академии наук СССР в марте 1936 г. И.Е.Тамм в докладе о проблеме атомного ядра. Я.И.Френкель выступая по докладу говорил о том, что сложное ядро до некоторой степени подобно твердому или жидкому телу, состоящему из большого числа частиц, сильно связанных друг с другом. Нейтрон передает свою энергию ядру, которая состоит из совокупности частиц. Эту энергию можно рассматривать как тепловую энергию. Тогда состояние системы будет характеризоваться некоторой температурой соответствующей этой энергии и числу частиц. Нагретое ядро имеет некоторые шансы испариться и это испарение воспринимается нами в виде вылетающего из ядра нейтрона или протона или α-частицы.

Однако ни Бор, ни Френкель не стали развивать идею о ядре как о жидкой капле, они остановились на «твердой» модели. Как экспериментаторы, так и теоретики очень близко подходили к явлению деления, но, загипнозированные всей совокупностью представления о ядерных реакциях, не могли увидеть сути дела.

В 1938 г. наступила развязка сложной ситуации, вызванной результатами, полученными Ферми. Сложность ситуаации объяснялась обилием радиоактивных изотопов. Распутать цепочку продуктов, получающихся в результате бомбардировки урана нейтронами, было непросто.

Наблюдаемый Ганом и Штрассманом мнимый радий, действительно обладал всеми свойствами радия. 20 декабря 1938 г. в результате многих опытов по индентификации нового элемента они установили окончательно, что в числе продуктов бомбардировки имеется барий. Статья Гана и Штрассмана была опубликована в январе 1939 г. под заглавием «О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах». Но еще до публикации статьи Ган прислал Л.Мейтнер письмо с изложением своих результатов. К Мейтнер в это время на рождественские каникулы приехал ее племянник Отто Фриш, работавший у Бора. Мейтнер показала ему письмо Гана и на скептическое отношение Фриша к содержанию письма сказала, что дело очень важное и необходимо объяснить получение бария из урана. Во время лыжной прогулки они решили задачу: ядро делится на осколки, приобретающие под действием электростатического отталкивания энергию около 200 МэВ, что как раз составляло энергию, связанную с дефектом массы.

Вернувшись в Копенгаген, Фриш сообщил об этой интерпретации открытия Гана и Штрассмана Бору, уезжавшему в Америку. Едва Фриш начал говорить как Бор воскликнул: «О какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Фриш провел соответствующий эксперимент с ионизированной камерой, «с помощью которой можно было без труда наблюдать большие импульсы, возникающие от ионизации, производимой осколками деления». 16 января Фриш и Мейтнер опубликовали статью, в которой был впервые употреблен термин «деление», подсказанный Фришу американским биологом Арнольдом.

26 января 1939 г. в Вашингтоне на конференции по теоретической физике Бор сообщил об открытии деления урана. Не дожидаясь конца доклада, физики один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях. Изучение деления проводил Ф.Жолио. 30 января 1939 г. он сообщил Парижской Академии наук об экспериментальном доказательстве расщепления ядер урана и тория под нействием нейтронов. 20 февраля 1939 г. он продемонстрировал деление ядер урана методом камеры Вильсона, получив фотографию деления. 8 марта того же года Ф.Жолио совместно с Хальбоном и Коварским опубликовал в «Nature» заметку, в которой сообщал об испускании нейтронов при ядерном взрыве урана.

28 июля 1940 г. Н.Бор и Дж.Уиллер представили статью «Механизм деления ядер», в котором было дано «объяснение механизма деления на основе модели ядра как жидкой капли». Они показали, что под действием медленных нейтронов делятся изотопы урана-235.