16.6. Нейтрон вступает в действие. Деление урана. Плутоний

До сих пор ядерными снарядами для превращения элементов служили заряженные частицы –α-частицы и протоны. После открытия нейтрона и установления строения атомных ядер стало ясно, что нейтроны могут проникнуть в ядро атома значительно легче, так как они не имеют заряда, а их масса сосредоточена в значительно меньшем объеме, чем в протоне. Поглощение нейтронов веществом происходит при соударении нейтронов с ядрами атомов материала поглотителя, поэтому оно очень мало и одинаково во всех направлениях.

В том же 1932 г. Н. Фезер, бомбардируя азот излучением бериллий-полониевого источника, обнаружил с помощью камеры Вильсона расщепление ядра азота. Ему удалось различить два разных процесса расщепления: один сопровождался захватом бомбардирующего нейтрона, другой протекал без захвата.

В этом же году Лиза Мейтнер и К. Филипп добились расщепления ядра атома кислорода нейтронами.

Нейтроны оказались особенно эффективным средством для расщепления атомов.

«Большая эффективность в получении ядерных реакций, – говорит Чедвик в своей Нобелевской лекции в 1935 г., – легко объясняется. При столкновении заряженной частицы с ядром атома вероятность ее проникновения в ядро ограничена кулоновской силой взаимодействия частицы с ядром, что определяет минимальное расстояние, на которое может приблизиться частица и которое возрастает с ростом атомного номера ядра и вскоре становится столь большим, что вероятность проникновения частицы в ядро становится очень малой. В случае соударения нейтрона с ядром ограничения такого типа не существует. Сила взаимодействия нейтрона с ядром очень мала, только на очень малых расстояниях она начинает быстро расти и носит характер притяжения. Вместо потенциального барьера, как в случае заряженных частиц, нейтрон встречает «потенциальную яму». Поэтому нейтроны даже очень малой энергии могут проникнуть в ядро».

Лиза Мейтнер (1878–1968) – известный австрийский физик. Ее роль в процессе становления ядерной физики как самостоятельной отрасли науки трудно переоценить. После окончания Венского университета (1906 г.) с 1907 года начала свою научную деятельность в лаборатории Отто Гана в Берлине в качестве приглашенного исследователя. В 1912–1915 гг. Л.Мейтнер работала в Институте теоретической физики Берлинского университета, а в 1917–1933 гг. руководила физическим отделом Института кайзера Вильгельма в Берлине, одновременно занимаясь преподавательской деятельностью в Берлинском университете (с 1926 г. – в должности профессора). После прихода к власти нацистов Мейтнер эмигрировала в Данию, а в 1938 году переехала в Швецию и с этого года началась ее работа в Нобелевском институте в Стокгольме. В 1947 г. стала профессором Высшей технической школы в Стокгольме. Делом жизни Л. Мейтнер стали исследования радиоактивности и получение радиоактивных химических элементов. В 1939 году (совместно с О. Фришем) дала теоретическое объяснение опытов Гана и Штрассмана. Мейтнер объяснила наблюдаемое явление как новый тип расщепления атома – деление ядра урана на два осколка, введя тем самым термин «деление» в ядерную физику, и предсказала существование цепной ядерной реакции деления.

 

Энрико Ферми (1901–1954) – выдающийся итальянский физик, занимавшийся теоретической и экспериментальной физикой, астрономией, атомной физикой, лауреат Нобелевской премии. После окончания в 1922 году Пизанского университета учился в Германии и Нидерландах. В 1926–1938 гг. – профессор Римского университета, после эмиграции в 1938 г. из фашистской Италии в 1939– 1945 гг. – профессор Колумбийского университета, руководил исследовательскими работами в США в области использования ядерной энергии, а с 1946 года – профессор Чикагского университета. «Если можно говорить о призвании, то, без сомнения, Ферми рожден физиком», – писал о нем известный ученый Б. Понтекорво. 

Открытие нейтрона привело к современному представлению о строении атомного ядра из протонов и нейтронов. Эту гипотезу предложил Д.Д. Иваненко, а В.Гейзенберг создал теорию устойчивости атомного ядра и законы радиоактивного распада. После принятия этой теории строения ядра сразу определилось число нейтронов и протонов в ядре: число нейтронов примерно равно числу протонов; исключение составляют ядра тяжелых элементов, в которых избыточное число нейтронов. Проблема ядерных сил, обеспечивающих устойчивость таких ядер, не решена до сих пор. В марте 1934 г. вскоре после публикаций Ирен и Фредерика Жолио-Кюри об искусственной радиоактивности Энрико Ферми в Риме решил провести аналогичные эксперименты, используя в качестве бомбардирующих частиц нейтроны и применяя для этого бериллий-полониевый источник.

Методика проводимых Э. Ферми экспериментов была простой. Источник нейтронов в виде цилиндрической ампулы, содержащей порошок бериллия и эманацию радия, помещался внутрь цилиндрических образцов из исследуемых веществ. После облучения в течение некоторого времени образец переносился к счетчику Гейгера–Мюллера, регистрирующему излучение. Таким способом было изучено взаимодействие нейтронов с фтором, алюминием, кремнием, фосфором, хлором, железом, кобальтом, серебром, йодом: все эти элементы активировались.

Результаты этих исследований и их интерпретация были изложены в письме в журнал «Ricerca scientifica» от 25 марта 1934 г., опубликованном под названием «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой».

Для дальнейшего развития исследований Э. Ферми привлекает молодых ученых Э. Амальди, Э. Сегре, О. Д'Агостино, Ф. Розетти, Б. Понтекорво. Интенсивному облучению нейтронами были подвергнуты 63 элемента, для 37 из них надежно установлено явление искусственной радиоактивности. В процессе этих исследований было обнаружено, что размещение образца с источником внутри парафинового блока увеличивает скорость активации образцов иногда в 100 раз. Это явление было неожиданным для всех. Вскоре Э. Ферми установил, что вещество, содержащее водород, значительно сильнее замедляет нейтроны, чем другие вещества, не содержащие его. Это объяснялось тем, что массы нейтрона и протона практически одинаковы и при каждом соударении их кинетическая энергия перераспределяется почти поровну: Ферми легко показал, что нейтрон с энергией 1 МэВ после 20 соударений с атомами водорода теряет свою энергию почти до уровня, соответствующего тепловому возбуждению. Отсюда следует, что, проходя слой вещества, богатого водородом, нейтроны быстро теряют свою энергию, превращаясь в медленные нейтроны, скорость которых определяется тепловым возбуждением, т.е. температурой замедлителя.

К декабрю 1934 г. исследования замедления нейтронов различными веществами были завершены. Они показали, что замедление нейтронов влияет на процесс их радиационного захвата. Попутно был обнаружен эффект неупругого столкновения нейтронов с атомными ядрами. Эффект замедления нейтронов водородосодержащими веществами (парафин, вода и т.д.) был запатентован в 1935 г.

В связи с этим группа Ферми приступила к систематическому изучению поглощения и диффузии нейтронов различных энергетических групп. Обнаружилось, что нейтроны, сильно поглощаемые кадмием (т.е. тепловые нейтроны), по своим свойствам резко отличаются от нейтронов, проходящих через фильтр из кадмия: их альбедо (коэффициент отражения) было равно 0,83 и ничтожно для остальных нейтронов. Длина диффузии этих нейтронов в парафине составляла 3 см, для нейтронов остальных энергий она была в 6 раз меньше. Длина диффузии нейтронов выводилась из диффузионного уравнения с учетом утечки нейтронов из замедлителя. Было установлено, что нейтроны высоких энергий при замедлении трансформируются в тепловые нейтроны, имеющие, как выяснилось с помощью селектора скоростей, максвелловское распределение. Эта работа была проведена в 1935 г. Хальбаном и Прайсверком (США).

Облучение элементов медленными нейтронами превзошло все ожидания: почти во всех случаях образовывались радиоактивные изотопы. Как показали эксперименты, наибольший эффект возникает при вполне определенной энергии нейтронов, различной для разных веществ. Нильс Бор объяснил это явление наличием резонанса в этой области энергии нейтронов.

В 1935 г. были опубликованы результаты экспериментов Бьерга и Весткотта, а также Муна и Тилмана, которые свидетельствовали, что поглощение медленных нейтронов различными элементами происходит неодинаково и зависит от их природы. Существовавшая тогда теория захвата нейтронов атомными ядрами не объясняла этого факта, считая сечение (вероятность) поглощения обратно пропорциональным скорости нейтрона. Предполагалось, что эта энергетическая зависимость справедлива в широком диапазоне энергий, включая и медленные нейтроны. Шагом вперед в разрешении этой проблемы была публикация статей Брейта и Вигнера в журнале «Physical Review» и Бора в журнале «Nature» в 1936 г. Авторы первой статьи предположили, что нейтрон, проникнув в атомное ядро, может отдать часть своей энергии одному из ядерных компонентов и привести ядро в возбужденное метастабильное состояние, среднее время жизни которого достаточно для создания малой ширины энергетического уровня. Они получили формулу сечения радиационного захвата, справедливую, когда нейтрон захватывается одним единственным резонансным уровнем. Эта формула называется одноуровневой формулой Брейта–Вигнера.

Бор развил новую концепцию ядерных процессов, согласно которой всякий ядерный процесс проходит через два независимых этапа: образования возбужденного промежуточного ядра вследствие захвата нейтрона и распада промежуточного ядра с испусканием частиц или фотонов.

Полученных результатов было вполне достаточно, чтобы приступить к систематической классификации ядерных реакций, вызываемых нейтронами. Было установлено, что все элементы независимо от их атомного веса могут быть активированы нейтронами. Полученный в результате ядерной реакции элемент иногда оказывается изотопом облучаемого ядра-мишени, в других случаях его атомный номер на одну или две единицы меньше. С этой точки зрения было выявлено заметное различие в поведении легких и тяжелых элементов: атомный номер радиоактивных продуктов легких элементов обычно меньше атомного номера ядра-мишени, а радиоактивные продукты тяжелых элементов всегда оказываются изотопами облучаемых нейтронами ядер. В общем результаты, полученные при исследовании легких элементов, можно объяснить протеканием реакций (n, p) и (n,α), при которых заряд ядра-мишени уменьшается соответственно на одну или две единицы из-за вылета протона и α-частицы. В этих процессах вылетающей частице приходится преодолевать электростатический потенциальный барьер, а он тем выше, чем тяжелее остаточное ядро. Это соображение, справедливое для любой бомбардирующей частицы, объясняет, почему супруги Жолио Кюри могли наблюдать искусственную радиоактивность только у легких атомных ядер. Объяснение ядерных реакций, в которых атомный номер полученных элементов остается прежним, столкнулось с затруднениями, решение которых потребовало некоторого времени.

Продолжая эксперименты с элементами возрастающего атомного номера в первой половине 1934 г., в группе Э.Ферми облучили уран нейтронами.

Ожидая получить следующие за ураном элементы в периодической системе (трансурановые элементы), Ферми неожиданно обнаружил четыре носителя радиоактивного излучения с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин. и 90 мин. Полагая, что происходит следующая цепочка превращений

Ферми считал выделенными элементы 93 (Аузовий, Ao) и 94 (Гасперий, Hs). Метод идентификации этих элементов в экспериментах Ферми не выдерживал критики. С диоксидом марганца могли выделяться путем адсорбции многие другие элементы. Возможность деления ядра урана при его облучении нейтронами, предполагаемую немецким химиком Идой Ноддак в опубликованной ею в 1934 г. статье в «Журнале прикладной химии», ученые группы Ферми почему-то не восприняли и впоследствии не могли понять почему.

Считая гипотезу Ферми правильной, О.Ган, Л.Мейтнер и Ф.Штрассман в Германии повторили эксперименты по облучению урана нейтронами в 1935–1936 гг. Полагая элементы 93 и 94 аналогами элементов VII и VIII групп периодической системы, они представили следующую возможную схему превращений:

 

 

где Eka Ir, Eka Pt, Eka Au – экаэлементы (иридий, платина, золото).

Эта схема подтверждалась некоторыми результатами, но однозначный результат получен не был.

Э.Ферми, получивший при облучении урана, а затем и тория нейтронами сложную смесь радиоактивных продуктов, которые испытывали множество последовательных β−-распадов, интерпретировал полученные результаты, руководствуясь установленным ранее правилом. описывающим такое превращение: испускание ядром атома β−-частицы (т. е. электрона) образует элемент следующего номера в периодической системе, что указывало на существование целого ряда новых элементов, расположенных в периодической системе за последним из известных элементов – ураном. Ферми назвал эти элементы трансурановыми:

трансурановые элементы.

В 1938 г. Ирен Жолио-Кюри и П.Савич заметили, что в уране, облученном нейтронами по методу Ферми, присутствует элемент, сходный с лантаном. Эти опыты были повторены в том же году О. Ганом и Ф. Штрассманом в Германии. Они подтвердили результаты французских коллег и установили, что новый замеченный элемент действительно обладает свойствами лантана – элемента 57 третьей группы периодической системы. Но этот элемент не мог быть получен по предложенной Ферми схеме превращений. Ближе к истине, как казалось тогда, была возможность получить элемент актиний (89), ближе расположенный к урану. Но полученный лантан по своим свойствам отличался от актиния – элемента из этой же группы периодической системы. В процессе экспериментов О. Ган обнаружил еще один продукт реакции, принятый за изотоп радия (88), который явно отличался от радия, но не отличался от бария (56), принадлежащего к той же II группе периодической системы. Были попытки объяснить возможность появления актиния и радия при облучении урана нейтронами последующим ступенчатымα-распадом продукта этой реакции изотопа урана-239:

Однако сотрудник О.Гана фон Дросте не обнаружил излученияα-частиц. Вызывала сомнение и способность медленных нейтронов отщеплять от ядра урана двеα-частицы. Нильс Бор, поставленный О.Ганом в известность, также сомневался в такой возможности, по его словам, он скорее бы признал образование трансуранов и парижского лантана. С большим трудом и постепенно Ган и Штрассман уточняли и расширяли представления о последствиях облучения урана нейтронами, выявляя радиохимическими и физическими методами возникновение одного β−-излучателя за другим. Исследования осложнялись тремя обстоятельствами: 1) неизвестным видом первичной ядерной реакции нейтрона с ядром урана, атомный вес которого всегда считался равным 238; 2) множеством β−-излучателей – продуктов этой реакции; 3) неопределенностью суждений о химических свойствах трансурановых элементов. Открытым оставался принципиальный вопрос, продолжают ли трансурановые элементы последний ряд периодической системы: радий (88), актиний (89), торий (90), протактиний (91), уран (92), трансуран 93 располагается под рением, трансураны 94, 95 и 96 – соответственно под осмием, иридием и платиной; с элемента 97 начинается новый ряд периодической системы, как с золота, серебра и других, или в согласии со старой гипотезой Бора уже с актиния начинается второе семейство «редких земель»–актинидов, по типу лантанидов, трудно разделимых химически.

Возник вопрос, как же получаются из урана изотопы элементов, массы атомов которых почти вдвое меньше массы атомов урана? В письме О.Гану 3 января 1939 г. Лиза Мейтнер пишет: «Теперь я почти убеждена, что Вы действительно открыли распад в барий, и считаю это действительно прекрасным результатом, с которым сердечно поздравляю тебя и Штрассмана». Лиза Мейтнер и Отто Фриш выступили в английском журнале «Nature» с общей заметкой, в которой расщепление ядра назвали «fission» (деление), и это стало затем общепринятым. В письме, написанном по-немецки, оно определялось как «разделение ядра на два примерно одинаковых осколка, причем каждый содержит большее или меньшее число нейтронов». Отметим, что это объяснение относилось к продуктам реакции, которые включались в схему в виде радия, актиния и тория. Что же касается трансуранов, то вопрос о них по-прежнему оставался открытым. 10 января 1939 г. О.Ган обращается в письме к О.Фришу: «Трансураны, судя по всему, могут остаться на своих местах!… Нужны несколько более быстрые нейтроны, чтобы взорвать ядро тория».

14 января Лизае Мейтнер ответила О.Гану:

«То, что и в ряду тория – радия есть барий, этого следовало ожидать». Далее в заметке в журнал «Nature» она пишет: «Отщепление одной или несколькихα-частиц от урана под действием нейтрона энергетически невозможно, тогда как распад на два легких ядра изза глубокого спада в кривой дефекта масс в области отZ=40 доZ=60 энергетически возможен и может быть понят с точки зрения капельной модели ядра»; энергия осколков должна при этом достигать 200 МэВ (Z– атомный номер, т.е. порядковый номер элемента в периодической системе).

Отто Ган и Фриц Штрассман. Фото 1967 г.

Это следствие того, что дефект массы атома урана существенно меньше, чем дефект массы атомов средней части периодической системы. Если, таким образом, подобный переход происходит, то разница дефектов масс проявляется в виде ядерной энергии.

В качестве возможных пар деления, порядковые номера которых в сумме дают 92, в заметке Мейтнер и Фриша предполагались барий (56) и криптон (36), а также стронций (38) и ксенон (54). Сообщалось также об успешном опыте Фриша по изучению атомов отдачи при делении. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью, как было установлено по величине производимой ионизации в воздухе в условиях, когда все ионизирующие заряженные частицы меньшей скорости, создававшие при ионизации менее чем 500000 ионов, устранялись с помощью внешнего поля.

Дальнейшие исследования показали, что добрая половина элементов периодической системы встречается среди осколков деления (рис.16.3).

Сразу же после первых публикаций Гана и Штрассмана о делении ядра урана нейтронами опыты с расщеплением ядер были повторены и продолжены во многих институтах мира. Почти всюду имелись более сильные источники нейтронов, чем в Институте радиохимии Гана. В связи с некоторыми публикациями возникали жаркие споры о приоритете, однако они быстро разрешались.

Существенным моментом открытия Гана и Штрассмана было расщепление урана медленными нейтронами.

Три факта сегодня не вызывают возражений: 1) никто до Гана и Штрассмана не принимал во внимание такой своеобразной ядерной реакции, как деление ядер; 2) Ган и Штрассман дали окончательное доказательство деления своими радиохимическими методами; 3) Мейтнер и Фриш предложили первое физическое объяснение и дали экспериментальное доказательство взрывного ядерного процесса, связанного с освобождением больших количеств энергии. Очень большое значение имело окончательное доказательство впервые замеченного Ганом, Штрассманом и другими того факта, что процессы деления стимулируются замедленными свободными нейтронами (четверть года спустя группой Жолио-Кюри).

Как уже отмечалось ранее, радиоактивные вещества, образовавшиеся при облучении урана медленными нейтронами, приписывались вначале трансурановым элементам. На самом деле, как было установлено позднее, эти вещества являлись продуктами реакции деления урана. И, несмотря на то, что элементы с атомным номером более 92 присутствовали в продуктах реакции, их не удавалось идентифицировать до тех пор, пока ситуация не стала яснее после открытия реакции деления ядер урана. Среди различных носителей радиоактивности в продуктах взаимодействия урана с нейтронами наблюдалась активность с периодом полураспада 23 мин. Эту активность нельзя было отделить от исходного урана, и в 1936 г. Ган, Мейтнер и Штрассман приписали её изотопу урана – урану-239, который образуется в реакции радиационного захвата медленных нейтронов (n,λ):

 

Рис. 16.3. Кривая выхода продуктов деления урана-235 под действием медленных нейтронов

Испустив β-частицу (электрон), уран-239 должен образовать элемент 93:

но обнаружить его не удавалось.

В начале 1939 г. Э. Макмиллан при экспериментальной проверке процесса деления урана обнаружил в продуктах взаимодействия медленных нейтронов с окисью урана активности с периодами полураспада 23 мин и 2,3 дня. Активность с периодом полураспада 2,3 дня по химическим свойствам соответствовала редкоземельным элементам, что было установлено при добавлении редкоземельного элемента в раствор продуктов реакции в качестве носителя и последующего осаждения: осадок уносил с собой эту активность.

В конце 1934 г. известный физико-химик Ида Ноддак выступила в «Журнале прикладной химии» с общим тезисом: «Допустимо, что при бомбардировке тяжелых ядер нейтронами эти ядра распадаются на несколько больших осколков, которые являются изотопами известных элементов, хотя и не соседних с облученными». Это пророчество Ноддак тогда казалось не заслуживающим внимания: оно игнорировало тот факт, что во всех без исключения известных случаях превращение ядер приводило к образованию ядер атомов соседних элементов. Лиза Мейтнер в то время отказалась обсуждать гипотезу Иды Ноддак. У этой гипотезы не было физической основы, в то время как против образования трансуранов в тот период не свидетельствовали ни один факт и ни одно теоретическое соображение. Сама Ида Ноддак не настаивала на своей гипотезе, но заявила о своем приоритете, когда Ган и Штрассман произвели расщепление урана. Однако Ида Ноддак предполагала, что тяжелые ядра распадаются при обстреле быстрыми нейтронами, так как нейтроны из бериллиево-полониевого источника имели энергию несколько МэВ и таковыми были все нейтронные источники того времени. (Замедление нейтронов Ферми начал изучать в 1935–1936 гг.).

Вначале полагали, что эта активность принадлежит редкоземельному изотопу, но впоследствии было показано, что это не так. В 1940 г. при дальнейших исследованиях Э. Макмиллан и Ф. Абельсон показали, что радиоактивный продукт с периодом полураспада 2,3 дня образуется при β-распаде урана239, так как скорость его образования точно соответствовала периоду полураспада урана-239 (т. е. 23 мин.). Следовательно, период полураспада 2,3 дня принадлежит элементу с номером 93, имеющему массовое число 239:

Открытый таким образом первый трансурановый элемент был позднее назван нептунием (Np). В связи с тем, что открытый элемент оказался короткоживущим (2,3 дня), изучение его химических свойств было затруднительным. Поэтому сложно было определить местоположение нептуния в периодической системе. Если следовать последовательности элементов актиний, торий, протактиний и уран, свойства которых соответствуют их гомологам (иттрий, гафний, тантал и вольфрам), то нептуний по своим свойствам должен соответствовать рению. Но исследования Макмиллана и Абельсона этого не подтвердили.

При изучении нептуния-239 Макмиллан и Абельсон не обнаружили какой-либо другой активности, несмотря на то, что β-распад нептуния-239 должен был привести к образованию элемента под номером 94. Они решили,

что дочерний элемент²³⁹94 является α-излучателем с большим периодом полураспада (что соответствует низкой активности), что и подтвердилось впоследствии.

Первым изотопом элемента под номером 94, который удалось надежно идентифицировать, был изотоп с массовым числом 238, так как он имел значительно меньший период полураспада и, следовательно, более высокую активность. Этот изотоп был получен в 1940 г.

Сиборгом, Макмилланом, Кеннеди и Уолом на циклотроне в Беркли (США) при облучении окиси урана дейтронами:

Они обнаружили, что в облученном образце имеется активность, которая была выделена из смеси урана и нептуния химическим путем, приписана элементу с номером 94 и названа плутонием. Таким образом, плутоний-238 с периодом полураспада 90 лет образуется в результате β-распада нептуния-238:

С этим образцом в течение 1941 г. был разработан метод отделения плутония от урана и нептуния с использованием изотопных индикаторов, а также определены многие химические его свойства.

Наиболее важный делящийся изотоп – плутоний-239 – был получен Сиборгом, Кеннеди, Сегре и Уолом в марте 1941 г. как продукт распада нептуния-239:

Как и ожидалось, плутоний-239 былα-излучателем с периодом полураспада 24400 лет. Оказалось, что изотоп плутоний-239 способен делиться под действием медленных нейтронов, поэтому дальнейшее его излучение приобрело особый интерес. Было принято решение о производстве плутония в больших количествах в ядерных реакторах по схеме:

В 1942 г. в США был подготовлен план исследований, в задачу которых входило дать ответ на вопрос: возможно ли выделить в заметных количествах плутоний из реактора, содержащего обычный уран и замедлитель? В связи с этим, используя микроколичества плутония, были разработаны четыре различных метода промышленного извлечения плутония из продуктов деления урана.