Шаги атомной науки до второй мировой войны

Шаги атомной науки до второй мировой войны

Первые шаги атомной науки были робкими, часто случайными, никто из ученых не представлял тогда последствий, значимости своих работ, носивших отвлеченный характер, не связанный с практическим применением. Только в конце тридцатых годов стало прорисовываться то страшное будущее, к которому приведут их открытия.

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель исследовал соли урана, что было обычной повседневной работой. Обнаруженные неизвестные свойства тщательно проверялись, а затем публиковались в научных журналах, о наиболее важных делались сообщения в Академии.

Однажды после своих занятий в лаборатории Беккерель совершенно случайно оставил образец урановой соли на фотографической пластинке, завернутой в светонепроницаемую бумагу. Каково же было его удивление, когда, проявив пластинку, он обнаружил на ней темное пятно. Он повторил опыт и получил тот же результат там, где лежала соль урана, пластинка оказалась засвеченной. Неведомые лучи проникали сквозь непрозрачную бумагу наподобие лучей, открытых немецким ученым Вильгельмом Рентгеном годом ранее. Но лучи рентгена испускал специальный аппарат с помощью электрического тока, а здесь нечто подобное исходило от химического вещества.

Сообщение в Академии наук о своем открытии Беккерель сделал 23 ноября 1896 года. Оно чрезвычайно заинтересовало ученых и многие из них, повторив опыт, начали собственные исследования непонятного явления, которое впоследствии Мария Кюри назовет радиоактивностью.

Мария Склодовская родилась в Варшаве в 1867 году, окончила там гимназию, а в 1891 году уехала в Париж и стала студенткой Сорбонны. В 1895 году она выходит замуж за молодого французского ученого Пьера Кюри и начинает работать в его лаборатории в институте Физики и Химии. Начав с опыта Беккереля, талантливая ученая устанавливает, что излучение урановых солей это проявление неизвестных пока свойств урана. Затем она замечает, что радиоактивность разнообразных соединений урана значительно отличаются по интенсивности. Она полагает, что некоторые соединения урана могут содержать примеси неизвестного элемента, отличного от урана. Супруги Кюри начинают напряженную совместную работу в поисках незнакомца. Их труд увенчался блестящим успехом. В декабре 1898 года они открыли неизвестный элемент радий почти в 1000 раз более радиоактивный, чем уран.

В 1900 году Пьер Кюри опубликовал работу о влиянии магнитного поля на излучение радия. Оказалось, что в магнитном поле излучение расщепляется на три луча: с положительным электрическим зарядом, отрицательным зарядом, третий луч нейтрален. Позднее их назвали альфа, бета и гамма-лучи. Альфа-лучи оказались потоком положительно заряженных ядер гелия, называемых иначе альфа-частицами, бета-лучи явились потоком электронов, а гамма-лучи представляли собою электромагнитные колебания наподобие рентгеновских лучей, именно они были способны проникать через слои различных материалов, в том числе через металлы.

Большим успехом Марии Кюри было выделение чистого радия в количистве достаточном для определения атомного веса. В дальнейшем радия стало хватать не только для своих опытов, но и для передачи другим ученым.

В 1906 году в дорожном происшествии погиб Пьер Кюри. После смерти мужа Мария продолжала дальнейшие исследования радия, вела широкую общественную жизнь. В 1926 году она становится почетным членом академии наук СССР. Радием она занималась до последних дней и умерла от его излучений.

А теперь заглянем в Англию, в лабораторию выдающегося физика Эрнста Розерфорда. В 1911 году ученый предложил свою модель устройства атома, которая напоминала солнечную систему. В центре атома он представил ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются легкие по сравнению с ядром частицы. Эта модель еще не была подтверждена опытом, являлась гипотезой, но она помогла ученым более правильно направить свои исследования, быстрее добиваться результатов.

В 1919 году Эрнст Розерфорд осуществил первую в мире ядерную реакцию. Он бомбардировал ядра азота альфа-частицами и превратил их в ядра кислорода, при этом альфа-частица (ядро гелия) расщепилась, половина ее была захвачена ядром азота, а другая половина стала ядром водорода. Этот блестящий эксперимент впервые показал, что атом делим, более того, атомы могут в определенных условиях разрушаться, превращаться в другие атомы. Ученые многих стран старались повторить и расширить результаты добытые Резерфордом, но прошло долгих 13 лет, прежде чем в физике атомного ядра произошло следующее выдающееся открытие.

27 февраля 1932 года английский физик Джеймс Чедвик, работая в Кембридже в лаборатории Резерфорда, открыл нейтрон, существование которого давно предсказывал Резерфорд. Чедвик работал на самой совершенной аппаратуре. Лаборатории Резерфорда оказывали значительную финансовую поддержку крупные английские и иностранные фирмы. Большинство других ученых обходились самодельными приборами и аппаратурой или заказывали их ремесленникам.

Нейтроны стали новым объектом всестороннего изучения, они позволили предсказать, обосновать, а затем и осуществить цепную ядерную реакцию.

Крупный успех выпал в 1934 году на долю итальянского ученого Энрико Ферми в Риме. Бомбардируя различные мишени нейтронами, он открыл явление состоящее в том, что нейтроны с большей вероятностью вступают в ядерную реакцию, если они предварительно замедляют скорость своего движения, проходя через слой воды или парафина. В дальнейшем это открытие использовалось при осуществлении управляемых ядерных реакций в реакторах целевого и ядерного назначения.

В том же 1934 году французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искуственную (наведенную) радиоактивность. Они облучали алюминиевую фольгу радием и заметили, что после облучения, фальга становится радиоактивной. Это сулило большие сложности в освоении и использовании атомной энергии: конструктивные материалы, из которых создавались ядерные установки, после облучения, особенно нейтронного, становились радиоактивными, что затрудняло дальнейшие работы по ремонту и обслуживанию оборудования, ибо люди в таких случаях нуждались в надежной биологической защите.

В 1935 году канадский доктор наук Артур Демпстер обнаружил наличие двух изотопов урана: уран-235 и уран-238. Оказалось, что в природном уране большинство составляет уран-238, а урана-235 содержится всего около 0,7 %.

Следующий крупный шаг к секретам атомного ядра сделали в декабре 1938 года немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман. Бомбардируя ядра урана нейтронами, они открыли, что ядра урана расщепляются на ядра элементов бария, который имеет массу ядра равную почти половине массы ядра урана. Ожидая совсем иного результата — получения нового элемента с большей массой ядра, ученые долго не могли поверить в свое открытие. Позже Ган вспоминал: «После того как статья была отправлена по почте, все это показалось мне столь невероятным, что захотлось вернуть статью из почтового ящика.» Открытие Гана и Штрассмана прямо указывало на возможность использования ядерной энергии, которая оказалась столь велика, что во много крат превосходила энергию всех извстных химических реакций.

10 апреля 1939 года советские ученые Георгий Флеров и Лев Русинов сделали сообщение о том, что при расщеплении ядра урана испускается от одного до трех нейтронов. Через 12 дней подобное сообщение сделал Жолио-Кюри, но он оценил среднее число испускаемых нейтронов в 3,5. В настоящее время эта цифра определена как 2,5. Эти сообщения подтвердили возмозжность осуществления цепной ядерной реакции в уране.

В начле 1940 года советские ученые Г.Флеров и Константин Петржак открыли спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана. Чтобы исключить влияние космических лучей на резльтаты экспериментов, ученые проводили их глубоко под землей в московском метро. Это открытие было важным для конструирования ядерных бомб и атомных реакторов, так как нейтроны спонтанного деления вносили заметный вклад в развитие цепной ядерной реакции.

Таким образом, к концу тридцатых годов мировая наука приблизилась к пониманию многих самых существенных явлений необходимых для осуществления цепной ядерной реакции в уране. Большинство ученых сходились в следующем:

— Если реакция мгновенная (взрыв), то должна быть обеспечена критическая масса урана-235 и достаточно интенсивный источник нейтронов. Нейтроны вызовут расщепление части ядер урана, те, в свою очередь, испустят более чем по одному нейтрону и расщепят еще большее количество ядер, реакция будет нарастать и закончится взрывом.

— Для мирного использования атомной энергии в реакторе необходим природный или слегка обогащенный изотопом 235 уран в виде стержней, между которыми находится замедлитель нейтронов, например, тяжелая вода. Между урановыми стержнями должны располагаться стержни из материала, хорошо поглащающего нейтроны, чтобы с их помощью можно было поддерживать цепную реакцию на заданном уровне. Если в реактор внести источник нейтронов, то они будут замедлены слоем замедлителя, что увеличит их эффективность в ядерной реакции, при делении ядер урана возникнут новые нейтроны, но их число будет контролироваться регулирующими стержнями, так что выделение энергии в реакторе можно удержать на заданном уровне.

Эти представления были довольно близки к действительности, но оставалось множество сложных проблем, решение которых требовало длительного времени, очень дорогого оборудования, огромных финансовых, материальных и людских ресурсов, о которых большинство ученых еще не имели достаточного представления.

C началом второй мировой войны во всех западных странах работы по урановой проблеме засекретили, однако, сами работы продолжались в Германии, Англии, США и Советском Союзе.

Нельзя не отметить весьма скромный вклад в атомную науку ученых США в довоенный, более чем сорокалетний период.