Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

Образовавшийся изотоп урана немедленно переходит в основное состояние, испуская γ-квант, то есть в действительности реакция протекает по схеме

Это — наиболее частая реакция, так называемая (n, γ)-реакция, которая впоследствии, при постройке атомного котла, доставит много хлопот.

При энергиях Е<1 эВ резонансы в нейтронных сечениях исчезают, но сами сечения с уменьшением энергии нейтронов продолжают расти, как это и можно было ожидать, глядя на формулу

В действительности, как показывает строгий квантовомеханический расчет, обычно сечения растут не так быстро, а именно согласно знаменитому «закону 1/υ», то есть

σ=C/υ,

где υ — скорость нейтрона, а C — некоторая постоянная величина. Теперь мы, наконец, можем понять эффект, который наблюдал Ферми в тот солнечный день октября 1934 г., поместив источник нейтронов в бассейн с золотыми рыбками: сталкиваясь с ядрами водорода, нейтроны из радон-бериллиевого источника замедлялись и поэтому с большой вероятностью поглощались ядрами элементов.

Просто, не правда ли? Особенно если вспомнить, что речь идет о процессах внутри ядер атомов, то есть микрообъектов с размерами 10^-12 см, структуру и свойства которых мы, по существу, сами воссоздали силой своего воображения. Конечно, созданная нами картина не произвольна — она опирается на данные опытов, но от этого удивление силой человеческого воображения не становится меньше.

В 1936 г., за два года до открытия деления урана, Нильс Бор развивал «капельную модель ядра». Эта умозрительная попытка проникнуть в существо внутриядерных процессов требовала от автора известной научной смелости. В самом деле, к тому времени все уже успели убедиться, что ядро — это хоть и непонятное, но очень прочное нечто, а Бор предлагал его мыслить в виде жидкой капли, состоящей из

протонов и нейтронов. Основой его концепции было представление о составном ядре, которое возникает при захвате нейтрона, протона, α-частицы обычным ядром. При этом, утверждал Бор, новые частицы теряют свою индивидуальность, «растворяются» в ядре, а энергия, которую они с собой принесли, распределяется между всеми нуклонами ядра. Ядро возбуждается и, чтобы освободиться от избыточной энергии, может поступить по-разному: испустить γ-квант, выбросить электрон и антинейтрино или же α-частицу. Развивая эти представления, Бор смог связать воедино разрозненные факты из физики ядерных реакций и даже вывести формулу для энергии связи ядер, которая довольно хорошо совпала с опытом.

Узнав об открытии деления урана, Бор сразу же понял, что оно наиболее естественно объясняется в рамках капельной модели ядра. В самом деле, возбужденное ядро деформируется, иногда настолько сильно, что ему проще разделиться на две части, чтобы избавиться от энергии возбуждения, чем испустить несколько частиц. Совместно со своим учеником Джоном Арчибальдом Уилером (р. 1911 г.) Нильс Бор развил теорию деления ядер. (Ту же задачу независимо решил советский физик Яков Ильич Френкель (1894—1952).)

Сейчас о процессе деления урана известно очень много. Точно измерено сечение деления ²³⁵₉₂U тепловыми нейтронами — оно оказалось довольно большим, 582 барн. Известно, что ядро урана делится не одним, а примерно 50 различными способами, причем вероятности их сильно различаются, но не превышают 8% каждый. Например, барий, который впервые обнаружили Ган и Штрассман в осколках деления урана, образуется при следующих способах деления (их вероятности около 6%):

В одном из каналов деления образуется также ¹⁴¹₅₇La с периодом полураспада 3,7 ч, который впервые наблюдали Ирэн Кюри и Павле Савич. Любопытно, что ядро урана почти никогда не делится на две равные части: вероятность такого способа деления меньше 0,01 %. (Как правило, массы осколков распределены в отношении 3:2.) В осколках деления содержится свыше сотни различных радиоактивных изотопов, с разными химическими свойствами и периодами полураспада. Эти изотопы выделяют, сортируют и затем используют как «меченые атомы» в разнообразных исследованиях.

При делении ядра урана кроме осколков вылетают еще 2 или 3 нейтрона — в зависимости от способа деления. Если усреднить их число по всем способам деления, то на каждое деление приходится ν_f = 2,42 нейтрона с энергией около 1,3 МэВ. И если бы это число ν_f оказалось всего на 10 % меньше, то ядерный реактор на естественном уране был бы невозможен.

Уже в своей итоговой работе 1903 г. Резерфорд и Содди в явлении радиоактивности увидели не только объект, но и средство исследования: «...радиоактивность может быть использована для наблюдения за химическими превращениями, происходящими в веществе»,— писали они и сравнивали такой метод исследования со спектральным анализом.

Восемь лет спустя Резерфорд встретил в пивном баре Манчестера Дьёрдя Хевеши (1885—1966), молодого химика из Венгрии, проходившего у него стажировку, и предложил ему отделить радий D от свинца. Теперь-тο ясно, что задача эта неразрешима химическими методами, поскольку радий D — это попросту радиоактивный изотоп свинца ²¹⁰Pb. Но в то время лишь после безуспешных попыток решить ее Хевеши совместно с австрийским радиохимиком Фришем Адольфом Панетом (1887—1958) догадались обратить задачу, а именно: принимая факт неразделимости свинца и радия D, использовать последний для изучения химических реакций свинца.

Этот метод, который впоследствии назвали «методом радиоактивных индикаторов» или «меченых атомов» (Нобелевская премия 1943 г.), оказался чрезвычайно эффективным при исследовании химических реакций и структуры вещества. Сейчас он используется повсеместно: в физике и биологии, в медицине и металлургии, в археологии и криминалистике.

Открытие искусственной радиоактивности позволило получить десятки новых радиоактивных изотопов, а из осколков деления урана в современных ядерных реакторах выделяют свыше сотни разнообразных радиоизотопов. С их помощью человек узнал удивительные факты даже о себе самом: объем крови, циркулирующей по всему телу, механизм функционирования внутренних органов, скорость миграции веществ в организме и многое другое. Например, если выпить глоток соленой воды, в которую добавлен радиоактивный изотоп натрия ²⁴Na, то уже через 2 минуты с помощью счетчика Гейгера — Мюллера его можно обнаружить в пальце руки, через час он распределится по всему телу, а еще спустя 3 часа начнет выводиться из организма. Оказалось, что полный круг кровообращения занимает всего 23 секунды, что атомы человеческого тела непрерывно заменяются новыми, поступающими в организм с пищей, и что весь цикл такой замены атомов занимает около года, то есть каждый год человек