Под знаком кванта

Летом 1934 г. группа молодых итальянских физиков, из которых самому младшему — Бруно Понтекорво — было 20, а самому старшему — Ферми — всего 33, увлеченно экспериментировала. Их приборы были просты: радон-бериллиевый источник нейтронов и счетчики Гейгера — Мюллера. Постановка задачи предельно ясная: облучить различные элементы нейтронами и посмотреть, что при этом происходит. Поле деятельности обширное — вся периодическая система элементов, а сил и энтузиазма — не занимать: впоследствии понадобилось написать более десяти статей, чтобы описать свойства нескольких десятков новых радиоизотопов, которые они при этом получили.

Когда нейтрон поглощается каким-либо ядром /X с зарядом Z и массовым числом N, оно превращается в изотоп ^{N +} zX, который в свою очередь стремится избавиться от лишнего нейтрона. Самый простой путь — превратить нейтрон в протон, испустив при этом электрон и антинейтрино. При таком ^-распаде ядра образуется ядро нового элемента Y с зарядом ядра Z + 1 и массовым числом N+ 1, то есть происходит последовательность ядерных реакций:

_{n +} N_X —. n+i_x _Д n + >Y₊e ₊ v-.

Несмотря на внешнее сходство, этот процесс получения искусственных изотопов сильно отличается от схемы Жолио-Кюри, которую можно представить в следующем 253

виде:

В обоих случаях из элемента с зарядом ядра Z образуется элемент Y с зарядом ядра Z+1, но изотопы при этом получаются разные: в опытах Ферми — с массовым числом N-j-1, а в опытах Жолио-Кюри — с N+3. И, конечно, если у Жолио-Кюри облученная а-частицами мишень испускала позитроны, то у Ферми та же мишень, облученная нейтронами, испускала электроны.

Например, при облучении алюминия у Жолио-Кюри получалось:

а у Ферми:

(Земная кора на 28 % состоит из смеси изотопов кремния; из них uSi составляет 92,2 %, ilSi — 4,7 % и i2Si — 3,1 %.)

Достаточно очевидно, что способ Ферми получения новых изотопов предпочтительнее: он проще и универсальнее. В короткое время «мальчики» Ферми облучили 68 элементов и в 47 из них наблюдали искусственную радиоактивность, то есть синтезировали сразу полсотни новых изотопов.

Но главное их открытие состояло не в этом: 22 октября 1934 г. они вдруг с удивлением обнаружили, что нейтроны в сотни раз эффективнее захватываются ядрами атомов, если между мишенью и источником нейтронов поместить кусок парафина либо же опустить мишень под воду (благо, во дворе института в Риме был бассейн с золотыми рыбками). Их удивление длилось целых два часа — до тех пор, пока Ферми с присущим ему изяществом не набросал контуры нового физического явления. Суть его объяснения проста. Молекулы воды НгО состоят из кислорода и водорода, а масса нейтрона практически равна массе протона. Поэто-

му при столкновениях нейтрона с ядрами водорода он быстро замедляется — в десятки раз быстрее, чем при столкновении с тяжелыми ядрами,— а после этого легко вступает в ядер-ные реакции.

Удивление обычно является следствием столкновения неожиданных фактов с инерцией мышления. За много лет физики привыкли к мысли, что ядро — это хоть и неосязаемое, но весьма прочное нечто, и чтобы его изменить, необходимо как можно сильнее разогнать снаряд — будь то а-частица или протон. Для этой цели изобрели даже ускорители. А для нейтрона все оказалось строго наоборот: чем медленнее он двигался, тем охотнее поглощался ядрами. Причин тому две: во-первых, он не отталкивается, а притягивается ядрами, и, во-вторых, он подчиняется законам квантовой механики.

Открытие ядерных реакций, вызванных замедленными нейтронами, не выглядит столь эффектно, как открытие самого нейтрона или искусственной радиоактивности, однако именно ему суждено было великое будущее: без него нельзя ни запустить ядерный реактор, ни понять принцип его работы.

Участники этого исторического эксперимента безошибочно почувствовали его значительность: в тот же вечер 22 октября 1934 г. они-собрались на квартире Ферми и глубокой ночью закончили статью под названием «Влияние водородосодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами». В 1938 г. «за открытие искусственной радиоактивности, вызванной бомбардировкой медленными нейтронами», Энрико Ферми был удостоен Нобелевской премии.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

Среди множества элементов, которые «папа Ферми» (такой же непогрешимый в науке, как папа римский в вопросах веры) со своими «мальчиками» облучил медленными нейтронами в то памятное лето 1934 г., был и уран. Подобно большинству других элементов, после облучения нейтронами он становился p-активным, то есть испускал электроны. Это-то и было особенно интересным: ведь уран в то время занимал последнее место в таблице Д. И. Менделеева. Заряд его ядра равен 92, поэтому если ядро урана захватит нейтрон и затем испустит электрон, то его заряд увеличится на единицу, а уран превратится в следующий за ураном «трансурановый элемент» согласно схеме реакции

n+²92U ---► ²92U ---> ²93X-f-e4-V.