Розділ 7. Вугілля

Радіоактивність, як властивість радіоактивних атомів, не залежить від їх хімічних властивостей і зв'язку з іншими атомами і не підпадає під вплив різних зовнішніх чинників незалежно від їх кількості та якості. Дослідження радіоактивності подібні до досліджень в астрономії, що фіксують параметри властивостей явища.

Іонізуюча дія випромінювань радіоактивних атомів дозволила встановити природу випромінювання і тип частинок за допомогою впливу на випромінювання електричних і магнітних полів на основі створеної Томсоном і Резерфордом теорії іонізації (1897– 1899 рр.). Для проведення різних експериментів починають використовувати радіоактивні атоми як джерела випромінювань. Переважно це джерела α-частинок, що випромінюються радієм і полонієм. Проблемою їх використання була мала інтенсивність випромінювання, оскільки кількість радію і полонію була невеликою і ці речовини знаходилися в різних лабораторіях.

У 1906 р. при вивченні проходження α-частинок через тонкі шари матеріалів Е. Резерфорд встановив, що вони розсіюються атомами цих матеріалів. Це було першим дослідженням ядерної взаємодії – пружного розсіювання. На підставі цього експерименту було зроблено висновок про позитивний заряд ядра атому. Аналогічні експерименти були продовжені в 1908 р. Гейгером і Марденом з тонкою фольгою із золота та інших металів.

У 1919 р. Е. Резерфорд піддає опромінюванню α-частинками азот і виявляє його перетворення на ізотоп кисню з масою 17 і атом водню (тобто протон, іон атома водню):

147N + 2He   > 178O + 1H.

Таким чином, вперше було здійснено штучне перетворення елементів.

Позитивний заряд ядра атома створює навколо себе сильний потенціал: ядро оточене, образно кажучи, потенціальним бар'єром. Для подолання цього бар'єру зсередини або ззовні частинка повинна володіти певною енергією. Енергія α-частинки, що вилітає з ядра атома при його радіоактивному розпаді, була виміряна ще на початку ХХ століття. Найбільш швидкі α-частинки, що випромінюються радіоактивними речовинами, мають енергію не більше 8 МеВ. У 1925 р. найбільш потужні індукційні котушки, використовувані для отримання рентгенівських променів, давали різницю потенціалів 100000 В. Це означає, що прискорений в полі такої котушки електрон або протон міг мати енергію не вище 100000 еВ (або 0,1 МеВ), тобто набагато менше енергії ?-частинок. Сформульована Г.А. Гамовим у 1928 році теорія тунелювання α-частинок породила надію: вона передбачала, що протони з енергією 1 МеВ матимуть таку ж ефективність, як α-частинки з енергією 32 МеВ. Гамов у створеній ним теорії показав, що хвильова природа частинок дозволяє їм долати потенціальний бар'єр («тунельний ефект»). Теорія передбачає, що при однаковій енергії бомбардуючих частинок вірогідність проникнути через потенціальний бар'єр ядра атому тим більша, чим менша маса частинки.

Для прискорення протонів необхідно було збільшити досягнуту напругу в 5–7 разів. Теорія Гамова дала стимул для отримання штучно прискорених частинок. У цій галузі працювало багато вчених, але найкращих результатів досягли Ван де Грааф і Кокрофт та Уолтон. У 1932 р. в лабораторії Е. Резерфорда Кокрофт і Уолтон створили установку на 700000 В. Цю напругу було прикладено до прискорюючої трубки і отримано струм протонів у 100 мкА (≈ 1015 протонов/с) з енергією 0,7 МеВ. У тому 1932 р. Лоуренс у США створив циклотрон, що дозволило отримати протони з енергією 1,25 МеВ. У травні 1932 р. Кокрофт і Уолтон в лабораторії Резерфорда та у жовтні 1932 року Синельников, Вальтер, Лейпунський і Латишев у Харкові в Українському фізико-технічному інституті (УФТІ) на електростатичному прискорювачі типу генератора Ван де Граафа бомбардували протонами літій і розщепили його ядро на дві α-частинки:

Група співробітників Українського фізико технічного інституту під час приїзду в Харків П. Еренфеста на початку 30 х років ХХ століття (в другому ряду третій зліва О.І. Лейпунський)Урочисте відкриття у Харкові Українського фізико-технічного інституту (зараз Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут») відбулося 7 листопада 1930 року. Перших 23 наукових співробітники до Харкова делегував Ленінградський фізико-технічний інститут. Планувалося розвивати дослідження, що вимагають створення високовольтних джерел енергії для випробування ізоляторів і розробки потужних рентгенівських установок. Проте заступник директора інституту О.І. Лейпунський наполіг на тому, щоб вже на стадії становлення інститут частково був зорієнтований на розвиток ядерних фізичних досліджень, оскільки вважав, що майбутнє ядерної фізики визначатиметься розвитком техніки високих напруг. Крім того, К.Д. Синельников, який прибув до Харкова 2 червня 1930 року, два роки до цього працював в Кавендішській лабораторії у Е. Резерфорда, де проводилася підготовка до дослідження ядерних реакцій, що викликаються протонами, прискорюваними за допомогою електричних полів високої напруги. На початку 1931 року інститут відвідав співробітник і учень Резерфорда Кокрофт, а в серпні 1931 року – відомий фізик-теоретик Гамов. Це дозволяє припускати, що ядерна тематика досліджень прийшла до України безпосередньо від Резерфорда з Кембриджа – колиски ядерної фізики.

Досягнуті успіхи посприяли ухваленню урядом рішення про фінансування спорудження в УФТІ експериментального генератора Ван де Граафа напругою 7 млн. вольт. У результаті цього УФТІ зайняв провідні позиції в галузі ядерної фізики в СРСР.

Фізику атомного ядра в СРСР одним з перших з 1932 року почав вивчати І.В. Курчатов. Зараз навіть важко уявити, в якій непростій суспільній атмосфері доводилося тоді йому працювати. Багато хто в Ленінградському фізико-технічному інституті, співробітником якого був Курчатов, вважали дослідження в галузі ядерної фізики дуже відірваними від життя, наполягали, що цими дослідженнями займатися не варто, оскільки ядерна фізика дуже далека від практичного застосування. Курчатов же був серед тих, хто вже тоді розумів перспективу використання ядерної енергії. Про це, зокрема, говорять його листи передвоєнних років в Академію наук СРСР і в уряд.

Було встановлено, що α-частинки в процесі розщеплення ядра літію випромінюються з енергією 8,76 МеВ. Виникло питання про походження цієї енергії, оскільки енергія протона складає всього 1/7 частину енергії α-частинки. Проте, якщо скласти масу ядра літію з масою протона, то отримана сума перевищуватиме масу двох α-частинок. Виникає так званий дефект маси: якби можна було розщепити 7 г літію, то зникло б трохи більше 18 міліграмів маси, ця кількість речовини перейшла б в енергію α-частинок. Таким чином, цей експеримент був не тільки прикладом штучного перетворення елементів, але й першим експериментальним доказом перетворення речовини в енергію.

Системно дослідженнями у галузі ядерної фізики в Україні стали займатися в Інституті фізики Академії наук УРСР, заснованому у Києві в 1929 році, тільки після другої світової війни.

Після літію Кокрофт і Уолтон піддали опромінюванню протонами берилій, бор, вуглець, кисень, фтор, натрій, алюміній, калій, кальцій, залізо, кобальт, нікель, мідь, срібло, свинець, уран і спостерігали експериментально перетворення цих елементів. За образним висловом Е. Резерфорда, виникла сучасна алхімія.

Ігор Васильович Курчатов (1903–1960) – видатний радянський учений, академік АН СРСР, тричі Герой Соціалістичної Праці, засновник і перший директор Інституту атомної енергії (1943). Він прожив коротке, але надзвичайно яскраве життя. Під його керівництвом створено перший в Європі ядерний реактор (1946), першу в СРСР атомну бомбу (1949), першу в світі термоядерну бомбу (1953), побудовано першу в світі атомну електростанцію (1954). Наприкінці життя Ігор Васильович згадував:
«На початку 30 х років мені довелося бути біля витоків атомної фізики, що зароджувалася в Україні. У той час я часто приїжджав в молодий фізико-технічний інститут, створений в Харкові за рішенням уряду в жовтні 1928 року, і працював у ньому зі своїми старими друзями: К.Д. Синель никовим, А.К. Вальтером і О.І. Лейпунським, разом з якими починав свою наукову діяльність у Ленінграді».

При розгляді можливої будови ядер елементів передбачалося, що вони складаються з ядер атомів водню і електронів. Таким чином, ядро атома гелію (тобто α-частинка) складається з чотирьох атомів водню і двох негативно заряджених електронів, так що результуючий заряд ядра гелію дорівнює двом одиницям. А. Зоммерфельд підкреслив, що α-частинка повинна володіти стійкою структурою, щоб зруйнувати ядро атома азоту в досліді Резерфорда. Вирішальний доказ існування протону і, отже, тлумачення дослідів як перетворення атомів було отримано у 1925 р. учнем Резерфорда П.М.С. Блеккетом.

Блеккету вдалося отримати у камері Вільсона фотографії протона, що вилітає у результаті зіткнення α-частинки з ядром азоту. У всіх цих випадках α-частинка, мабуть, поглиналася атомом, з яким вона стикалася, оскільки її сліду після зіткнення не виявлялося. Це дозволило Е. Резерфорду у тому ж 1925 р. дати цьому явищу наступне пояснення: ядро азоту захоплює α-частинку і випромінює протон.

Повторення цих експериментів у різних варіантах багатьма фізиками (Позе, Мейтнер, Боте, де Бройль, Ренге, Констабль) неспростовно довело, що протон випромінюється ядром, котре піддалося зіткненню в процесі його «розщеплення». Це стало першим твердо встановленим прикладом штучного перетворення елементів.

Ще в 1920 р. Резерфорд у своїй бейкеріанській лекції висловив гіпотезу про можливість існування ядра з масою, яка дорівнює одиниці, та нульовим зарядом.

«Подібна структура уявляється цілком можливою. Нейтральний атом водню мав би би вельми своєрідні властивості. Його зовнішнє поле практично дорівнювало б нулю всюди за винятком частини, що приєднується безпосередньо до ядра, завдяки чому він міг би проходити вільно через речовину. Існування таких атомів, ймовірно, важко було б виявити за допомогою електроскопа, і їх неможливо було б зберігати в герметично закритій посудині. З іншого боку, вони мають легко проникати у надра атома і можуть або з'єднуватися з ядром, або розпадатися під дією інтенсивного поля ядра, результатом чого буде випромінювання або водневого атома, або електрона, або обох разом».

Події, які привели до відкриття нейтрона, почали розгортатися у Берліні – в Шарлоттенбурзі, де у 1930 р. В. Боте і Г. Беккер виявили сильно проникаюче випромінювання при бомбардуванні берилію α-частинками.

Перша вказівка на існування нейтрона з'явилася в роботі Г.Вебстера, в якій повідомлялося про виникнення α-випромінювання при опроміненні берилію α-частинками. Але джерело α-частинок було слабким (полоній), а засоби реєстрації малочутливими. У червні 1931 р. Вебстер встановив, що випромінювання берилію у напрямі падіння α-частинок на мішень більш проникаюче, ніж випромінювання у зворотному напрямі. Це можна було легко пояснити, припустивши, що випромінювання складається з нейтральних частинок. У тому ж році у журналі «Comptes Renduce» Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі опублікували повідомлення про здатність випромінювання берилію вибивати протони з водневмісних речовин. Зрештою, у 1932 р. в Манчестері в лабораторії Резерфорда його співробітником Чедвіком було отримано достатньо полонію для джерела α-частинок, щоб упевнено провести експеримент і виявити нову частинку – нейтрон – за ядерною реакцією

2 Be + 4 He → 12 C + 1 n.

4                  2                       6               0

Визначення маси нейтрону підтвердило гіпотезу Резерфорда.

У 1970 р. на базі лабораторій і відділів, що виділилися з Інституту фізики АН УРСР, був організований новий фізичний центр – Інститут ядерних досліджень АН УРСР.
Інститут ядерних досліджень АН України має в своєму розпорядженні циклотрон У-120, ізохронний циклотрон У-240, електростатичний генератор ЕГ-5, ядерний реактор ВВР-М на 10000 кВт. Основними напрямами наукової діяльності інституту є дослідження структури атомних ядер, механізмів ядерних реакцій заряджених частинок різної природи (протонів, дейтронів, α-частинок) і нейтронів з ядрами атомів різних елементів в широкому діапазоні енергій. У галузі ядерної енергетики дослідження спрямовані на визначення нейтронних констант, необхідних для теоретичних розрахунків ядерних реакторів. Так, визначено нейтронні константи найбільш перспективних поглиначів для регулювання потужності ядерних реакторів на теплових і швидких нейтронах, а також нейтронні константи подільних і відтворювальних паливних матеріалів ядерних реакторів, необхідних для проектування і розрахунків конструкцій реакторів на теплових нейтронах. Досліджується поведінка матеріалів елементів конструкцій активних зон ядерних реакторів в умовах опромінювання нейтронами.