16.4. Первые ядерные реакции. Открытие нейтрона

Радиоактивность, являясь свойством радиоактивных атомов, не зависит от их химических свойств и связи с другими атомами и не подвержена влиянию различных внешних факторов независимо от их количества и качества. Исследования радиоактивности подобны исследованиям в астрономии, фиксирующим параметры свойств явления.

Ионизирующее действие излучений радиоактивных атомов позволило установить природу излучения и тип частиц с помощью воздействия на излучения электрических и магнитных полей на основе созданной Томсоном и Резерфордом теории ионизации (1897–1899 гг.). Для проведения различных экспериментов начинают использовать радиоактивные атомы как источники излучений. В основном это источникиα-частиц, испускаемых радием и полонием. Проблемой их использования была малая интенсивность излучения, так как количество радия и полония было небольшим и эти вещества находились в различных лабораториях.

В 1906 г. при изучении прохожденияα-частиц через тонкие слои материалов Э. Резерфорд установил, что они рассеиваются атомами этих материалов. Это было первым исследованием ядерного взаимодействия – упругого рассеяния. На основании этого эксперимента был сделан вывод о положительном заряде ядра атома. Аналогичные эксперименты были продолжены в 1908 г. Гейгером и Марденом с тонкими фольгами из золота и других металлов.

В 1919 г. Э. Резерфорд подвергает облучениюα-частицами азот и обнаруживает его превращение в изотоп кислорода с массой 17 и атом водорода (т.е. протон, ион атома водорода):

¹⁴₇N +₂He   >¹⁷₈O +₁H.

Таким образом, впервые было осуществлено искусственное превращение элементов.

Положительный заряд ядра атома создает вокруг себя сильный потенциал: ядро окружено, образно говоря, потенциальным барьером. Для преодоления этого барьера изнутри или снаружи частица должна обладать определенной энергией. Энергия вылетающей из ядра атомаα-частицы при его радиоактивном распаде была измерена еще в начале ХХ века. Наиболее быстрыеα-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, имеют энергию не более 8 МэВ. В 1925 г. наиболее мощные индукционные катушки, используемые для получения рентгеновских лучей, давали разность потенциалов 100000 В. Это означает, что ускоренный в поле такой катушки электрон или протон мог иметь энергию не выше 100000 эВ (или 0,1 МэВ), т.е. намного меньше энергииα-частиц. Сформулированная Г.А. Гамовым в 1928 году теория туннелированияα-частиц зародила надежду: она предсказывала, что протоны с энергией 1 МэВ будут иметь такую же эффективность, какα-частицы с энергией 32 МэВ. Гамов в созданной им теории показал, что волновая природа частиц позволяет им преодолевать потенциальный барьер («туннельный эффект»). Теория предсказывает, что при одинаковой энергии бомбардирующих частиц вероятность проникнуть через потенциальный барьер ядра атома тем больше, чем меньше масса частицы.

Для ускорения протонов необходимо было увеличить достигнутые напряжения в 5–7 раз. Теория Гамова дала стимул для получения искусственно ускоренных частиц. В этой области работали многие ученые, но наилучших результатов достигли Ван де Грааф и Кокрофт и Уолтон. В 1932 г. в лаборатории Э. Резерфорда Кокрофт и Уолтон создали установку на 700000 В. Это напряжение было приложено к ускоряющей трубке и получен ток протонов в 100 мкА (≈1015 протонов/с) с энергией 0,7 МэВ. В том же 1932 г. Лоуренс в США создал циклотрон, позволивший получить протоны с энергией 1,25 МэВ. В мае 1932 г. Кокрофт и Уолтон в лаборатории Резерфорда и в октябре 1932 года Синельников, Вальтер, Лейпунский и Латышев в Харькове в Украинском физико-техническом институте (УФТИ) на электростатическом ускорителе типа генератора Ван де Граафа подвергли бомбардировке протонами литий и расщепили его ядро на двеα-частицы:

 

Группа сотрудников Харьковского физико-технического института во время приезда в Харьков П. Эренфеста в начале 30-х годов ХХ века (во втором ряду третий слева А.И. Лейпунский)Торжественное открытие в Харькове Украинского физико-технического института (сейчас Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт») состоялось 7 ноября 1930 года. Первых 23 научных сотрудника в Харьков делегировал Ленинградский физико-технический институт. Планировалось развивать исследования, требующие создания высоковольтных источников энергии для испытания изоляторов и создания мощных рентгеновских установок. Однако заместитель директора института А.И. Лейпунский настоял на том, чтобы уже на стадии становления институт частично был сориентирован на развитие ядерных физических исследований, так как считал, что будущее ядерной физики будет определяться развитием техники высоких напряжений. Кроме того, К.Д. Синельников, прибывший в Харьков 2 июня 1930 года, до этого два года работал в Кавендишской лаборатории у Э. Резерфорда, где проводилась подготовка к исследованию ядерных реакций, вызываемых протонами, ускоренными с помощью электрических полей высокого напряжения. В начале 1931 года институт посетил сотрудник и ученик Резерфорда Кокрофт, а в августе 1931 года – известный физик-теоретик Гамов. Это позволяет считать, что ядерная тематика исследований пришла в Украину непосредственно от Резерфорда из Кембриджа – колыбели ядерной физики.

Достигнутые успехи поспособствовали принятию правительством решения о финансировании сооружения в УФТИ экспериментального генератора Ван де Граафа напряжением 7 млн. вольт. В результате этого УФТИ занял ведущие позиции в области ядерной физики в СССР.

Физику атомного ядра в СССР одним из первых с 1932 года стал изучать И.В. Курчатов. Сейчас даже трудно представить, в какой непростой общественной атмосфере приходилось тогда ему работать. Многие в Ленинградском физико-техническим институте, сотрудником которого был Курчатов, считали исследования в области ядерной физики слишком отвлеченными, оторванными от жизни, настаивали, что этими исследованиями заниматься не стоит, так как ядерная физика очень далека от практического применения. Курчатов же был в числе тех, кто уже тогда понимал перспективу использования ядерной энергии. Об этом, в частности, говорят его письма предвоенных лет в Академию наук СССР и в правительство.

 

Было установлено, чтоα-частицы в процессе расщепления ядра лития испускаются с энергией 8,76 МэВ. Возник вопрос о происхождении этой энергии, так как энергия протона составляет всего 1/7 часть энергииα-частицы. Однако, если сложить массу ядра лития с массой протона, то полученная сумма будет превышать массу двух α-частиц.

Возникает так называемый дефект массы: если бы можно было расщепить 7 г лития, то исчезло бы чуть более 18 мг массы, это количество вещества перешло бы в энергиюα-частиц. Таким образом, этот эксперимент был не только примером искусственного превращения элементов, но и первым экспериментальным доказательством превращения вещества в энергию.

После лития Кокрофт и Уолтон подвергли облучению протонами бериллий, бор, углерод, кислород, фтор, натрий, алюминий, калий, кальций, железо, кобальт, никель, медь, серебро, свинец, уран и наблюдали экспериментально превращения этих элементов. По образному выражению Э. Резерфорда, возникла современная алхимия.

Системно исследованиями в области ядерной физики в Украине стали заниматься в Институте физики Академии наук УССР, основанном в Киеве в 1929 году, только после второй мировой войны.

При рассмотрении возможного строения ядер элементов предполагалось, что они состоят из ядер атомов водорода и электронов. Следовательно, ядро атома гелия (т.е. α-частица) состоит из четырех атомов водорода и двух отрицательно заряженных электронов, так что результирующий заряд ядра гелия равен двум единицам. А. Зоммерфельд подчеркнул, чтоα-частица должна обладать устойчивой структурой, чтобы разрушить ядро атома азота в опыте Резерфорда. Решающее доказательство существования протона и, следовательно, истолкования опытов как превращения атомов было получено в 1925 г. учеником Резерфорда П.М.С. Блэккетом.

Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) – выдающийся советский ученый, академик АН СССР, трижды Герой Социалистического Труда, основатель и первый директор Института атомной энергии (1943). Он прожил короткую, но необыкновенно яркую жизнь. Под его руководством созданы первый в Европе ядерный реактор (1946), первая в СССР атомная бомба (1949), первая в мире термоядерная бомба (1953), построена первая в мире атомная электростанция (1954). В конце жизни Игорь Васильевич вспоминал:«В начале 30-х годов мне довелось быть у истоков зарождавшейся атомной физики на Украине. В то время я часто приезжал в молодой физико-технический институт, созданный в Харькове по решению правительства в октябре 1928 года, и работал в нем со своими старыми друзьями: К.Д. Синельниковым, А.К. Вальтером и А.И. Лейпунским, вместе с которыми начинал свою научную деятельность в Ленинграде».

Блэккету удалось получить в камере Вильсона фотографии протона, вылетающего в результате столкновенияα-частицы с ядром азота. Во всех этих случаяхα-частица, по-видимому, поглощалась атомом, с которым она сталкивалась, поскольку ее следа после соударения не обнаруживалось. Это позволило Э. Резерфорду в том же 1925 г. дать этому явлению следующее объяснение: ядро азота захватываетα-частицу и испускает протон.

Повторение этих экспериментов в разных вариантах многими физиками (Позе, Мейтнер, Боте, де Бройль, Ренге, Констабль) неопровержимо доказало, что протон испускается ядром, подвергнувшимся соударению в процессе его «расщепления». Это стало первым твердо установленным примером искусственного превращения элементов.

Еще в 1920 г. Резерфорд в своей бейкерианской лекции высказал гипотезу о возможности существования ядра с массой, равной единице, и нулевым зарядом.

«Подобная структура представляется вполне возможной. Нейтральный атом водорода обладал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду за исключением области, примыкающей непосредственно к ядру, благодаря чему он мог бы проходить свободно через вещество. Существование таких атомов, вероятно, трудно было бы обнаружить с помощью электроскопа, и их невозможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде. С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединяться с ядром, либо распадаться под действием интенсивного поля ядра, результатом чего будет испускание либо водородного атома, либо электрона, либо обоих вместе».

События, которые привели к открытию нейтрона, начали разворачиваться в Берлине в Шарлоттенбурге, где в 1930 г. В. Боте и Г. Беккер обнаружили весьма проникающее излучение при бомбардировке бериллия α-частицами. Первое указание на существование нейтрона появилось в работе Г. Вебстера, в которой сообщалось о возникновенииγ-излучения при облучении бериллияα-частицами. Но источникα-частиц был слабым (полоний), а средства регистрации малочувствительными. В июне 1931 г. Вебстер установил, что излучение бериллия в направлении паденияα-частиц на мишень более проникающее, чем излучение в обратном направлении. Это можно было легко объяснить, предположив, что излучение состоит из нейтральных частиц. В том же году в журнале «Comptes renduce» Ирен и Фредерик Жолио-Кюри опубликовали сообщение о способности излучения бериллия выбивать протоны из водородосодержащих веществ. Наконец, в 1932 г. в Манчестере в лаборатории Резерфорда его сотрудником Чедвиком было получено достаточно полония для источникаα-частиц, чтобы уверенно провести эксперимент и обнаружить новую частицу – нейтрон – по ядерной реакции

2 Be+4 He→12C+1n.

4                 2                      6         0

Определение массы нейтрона подтвердило гипотезу Резерфорда.

В 1970 г. на базе выделившихся из Института физики АН УССР лабораторий и отделов был организован новый физический центр – Институт ядерных исследований АН УССР.

Институт ядерных исследований АН Украины располагает циклотроном У-120, изохронным циклотроном У-240, электростатическим генератором ЭГ-5, ядерным реактором ВВР-М на 10000 кВт. Основными направлениями научной деятельности института являются исследования структуры атомных ядер, механизмов ядерных реакций заряженных частиц различной природы (протонов, дейтронов,α-частиц) и нейтронов с ядрами атомов различных элементов в широком диапазоне энергий. В области ядерной энергетики исследования направлены на определение нейтронных констант, необходимых для теоретических расчётов ядерных реакторов. Так, определены нейтронные константы наиболее перспективных поглотителей для регулирования мощности ядерных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, а также нейтронные константы делящихся и воспроизводящихся топливных материалов ядерных реакторов, необходимых для проектирования и расчетов конструкций реакторов на тепловых нейтронах. Исследуется поведение материалов элементов конструкций активных зон ядерных реакторов в условиях облучения нейтронами.