Отсчет ядерной эры

Відлік ядерної ери

История открытия реакции, которая привела к Хиросимы и Чернобыля

Персонаж сериала «Чернобыль» физик Валерий Лєґасов объясняет партийному функционеру Борису Щербине, как работает ядерный реактор. От объяснений Лєґасова много зависит: партия не понимает, насколько серьезной является проблема с взрывом на станции. Лєґасов рисует схему цепной ядерной реакции на таком уровне, чтобы даже советский чиновник понял. Чернобыльская катастрофа — одна из самых драматичных событий, связанных с ядерной физикой. Да и сама история этой науки пронизана драматическими историями. Открытие цепной реакции — как раз одна из таких.

До 30-х годов прошлого века ядерная физика не имела широкого использования. Разве что рентгеновские лучи нашли в медицине, начиная с Первой мировой, когда Мария Кюри придумала с их помощью искать шрапнель в телах раненых солдат (см. «Физика, химия и Первая мировая», Неделя, № 46/2018). Были и курьезные случаи: радиоактивные элементы добавляли в состав зубной пасты, пудры, «лечебной» воды Radithor, даже презервативы и свечи от геморроя выпускали с радием. Лучевая болезнь была неизвестна, никто не беспокоился о последствиях для здоровья, несмотря на тревожный опыт Пьера Кюри. Он сутки носил несколько миллиграммов радия на груди и получил язву, что не загоювалася несколько недель. Сам Кюри умер не от опасных игр с радиацией: в 1906-м на парижской улице его сбил конный экипаж. Все изменилось в 1932 году, когда Джеймс Чедвик открыл нейтрон. В его исследовании во время бомбардировки бериллия альфа-частицами (ядрами гелия) возникало излучение тяжелых частиц, не отклонялись в электрическом поле. Модель атома получила современной формы: ядро с положительно заряженными протонами, нейтронами с нулевым электрическим зарядом и отрицательные электроны, которые «размазаны» атомными орбіталями. Нулевой заряд открывал большие возможности использования нейтронов для бомбардировки атомных ядер. Все ядра заряжены положительно, поэтому столкнуть их почти невозможно (через кулоновское отталкивание). Но нейтрон может проникнуть в ядро и напрямую взаимодействовать с ним.

Опыт бомбардировки нейтронами ядер урана и поставили в 1938-м немцы Отто Ган и Фриц Штрассманн. От их эксперимента можно начинать отсчет ядерной эры в истории человечества. Отто Ган в Первую мировую работал на химика Фрица Габера, идеолога использование отравляющих газов на поле боя. С тех пор он возненавидел войну, и по иронии судьбы его опыты привели к созданию самого опасного оружия. В 1938 году мысль, что из ядер может вылетать что-то массивнее альфа-частицу, была слишком смелой. Поэтому когда Ган и Штрассманн детектували барий как продукт реакции, то решили придержать опыт в тайне. Растерянный Ган пишет письмо своей подруге и бывшей коллеге Лизе Мейтнер с просьбой помочь с интерпретацией причудливых результатов.

Именно Лиза Мейтнер — главная героиня истории с открытием цепной реакции. Идейную пацифістку впоследствии прозовут матерью ядерной бомбы. Ее судьба иллюстрирует, как трудно было женщинам в конце XIX века пробиться в большую науку. Состоятельная семья Мейтнер придерживалась либеральных взглядов, поэтому талантливой девушке разрешили поступить в университет. Там она, будучи не в состоянии выбрать, что ей нравится больше, взяла двойную нагрузку: курсы по математике и физике. Лиза стала второй выпускницей Венского университета в истории и, имея рекомендации ведущих ученых и сильную выпускную работу, в 1907-м смогла устроиться в Институт кайзера Вильгельма в группу Макса Планка. В более консервативный Берлине Мейтнер отказали в научной позиции. Но Планк, не желая терять талантливую сотрудницу, предлагает обустроить лабораторию в подвале университета при условии, что Мейтнер не будет подниматься выше второго этажа и не сможет получать зарплату. Коллегой Лизы стал молодой химик Отто Ган, они работали вместе несколько десятилетий и поддерживали связь до конца жизни.

Уже в 1920-х годах их обоих начали номинировать на Нобелевские премии. Когда Ган вернулся с фронта, они открыли изотоп Протактинію-231. В 1949-м добавили новый элемент в таблице Менделеева, признав приоритет Гана и Мейтнер в открытии. В 1922 году Мейтнер опубликовала статью об эффекте, который ныне носит имя Пьера Оже, хотя тот сделал открытие на год позже. Эффект Оже похож на бильярд, в котором вместо дубинки фотоны, а вместо слоев электроны. Фотон выбивает электрон с внутренней оболочки атома, это место занимает другой электрон, излучает фотон, который, в свою очередь, возбуждает электрон на верхней оболочке и вырывает его из атома. Энергии электронов, вылетающих, уникальные для каждого химического элемента, поэтому этот эффект надежно показывает, какие вещества есть в смеси.

И все же главное открытие Мейтнер и Гана — ядерная цепная реакция. Письмо Гана о странные результаты эксперимента застает Лизу в Швеции. В 1938 году, после аннексии Австрии Третьим Райхом, науковиця потеряла последнюю защиту от нацистов — австрийское гражданство. Ее, как еврейку, постигла бы страшная участь, и Ган помог ей сбежать из страны. Лизе повезло, ведь своего коллегу Вильгельма Траубе, профессора органической химии, Ган не смог спасти, тот погиб 1942-го от рук гестапо.

Мейтнер проводила рождественские каникулы в шведском поселке, куда к ней пришел ее племянник Отто Фриш, физик из лаборатории Нильса Бора в Копенгагене. Получив письмо от Гана, они сели за расчеты. Ученые сделали предположение, что нейтрон не разбивает ядро, словно стеклянный шар, а на короткое мгновение сливается с ним, будто капля. Они применили капельную модель ядра, предложенную Бором в 1936 году. В этой модели сила поверхностного натяжения ядра компенсировала кулоновское отталкивание, поэтому нейтроны и протоны держались вкупе. Нейтрон, захваченный ядром урана, увеличивает его размер, уменьшает поверхностное натяжение, ядро становится нестабильным и разваливается. Согласно современной модели, протоны и нейтроны состоят из кварков, которые удерживаются вместе с помощью сильного взаимодействия. И на то время капельная модель хорошо объясняла имеющиеся экспериментальные данные.

Відлік ядерної ери

Первый в мире атомный реактор, пиковая мощность которого 200 Вт

1 января 1939-го Фриш вернулся в Копенгаген, рассказал детали расчетов Бора, который подключился к работе, и уже в феврале в Nature вышла статья Мейтнер и Фриша с физическими основами ядерной цепной реакции. Нейтрон попадает в изотоп урана-235, на короткое время с ним сливается. Изотоп распадается на меньшие ядра и на три нейтроны. При этом выделяется энергия. Если эти нейтроны найдут мишень, изотопы урана-235, процесс повторится, число нейтронов будет возрастать в геометрической прогрессии и выделенная энергия приведет к взрыву. Бор понял, как реакцию можно использовать для создания разрушительного оружия, и поехал в США, чтобы сделать доклад на конференции. Еще во время конференции поступили данные из лаборатории — расчеты Мейтнер и Фриша подтвердили.

Над родным для Бора Данией нависла туча нацистской Германии, ученый боялся, что немцы используют результаты Гана и Штрассмана в военных целях. Поэтому важно, чтобы другая страна, имеет необходимые ресурсы, создала такое оружие первой. Он говорит с венгерскими учеными Лео Сцілардом и Юджином Віґнером. Эмигранты знали, что такое нацизм, и написали письмо президенту Рузвельту. Подписать его попросили Альберта Айнштайна, ведь он единственный имел достаточно влияния, чтобы власть прислушивалась. В письме предлагалось немедленно созвать комитет для рассмотрения возможности построения ядерного оружия. Учитывая то что немцы запретили экспортировать уран с месторождения в Чехословакии они также готовились. Четыре года назад стартовал Манхэттенский проект, который привлек тысячи ученых, военных, десятки тысяч строителей и завершился взрывами над Хиросимой и Нагасаки.

В 1942 году Энрико Ферми строит первый атомный реактор в Чикаго, который генерировал всего 200 Вт электроэнергии (можно запитать, например, ноутбук). Он показал, что цепную реакцию можно использовать и в мирных целях, все зависит от количества нейтронов на каждом шагу. Если на один нейтрон, розщепив атом урана, приходится один «рожденный» нейтрон, что попал в следующую цель, реакция контролируемая — это путь к атомной энергетике. Больше как один — все взрывается. Меньше — реакция затухает. Для контроля реакции использовали графит, что уменьшает скорость нейтронов, поглощая избыточную энергию. Реактор состоял из жестяных емкостей с оксидом урана, окруженных графитовыми брусками, и внешне имел вид аккуратно сложенных дров, за что получил название «Чикагская поленницы-1».

В Германии вместо графита для реактора использовали тяжелую воду. Она также годится, однако производство такой воды дороже. Единственный завод расположен в Норвегии, и его уничтожила британская диверсионная группа, навсегда похоронив надежды Рейха на ядерное оружие. Советская власть без интереса относилась к новостям о американский ядерный проект вплоть до бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. После того к ядерной гонки присоединился и СССР. Всего 13 лет прошло со времени открытия нейтрона Чедвіком и шесть от эксперимента Гана и Штрассманна, как мир изменился навсегда. Ядерная физика с чисто лабораторной науки стала движущей силой геополитики XX века.

Отто Ган стал лауреатом Нобелевской премии по химии за 1944-й за «открытие расщепления тяжелых ядер». Премию он получил не сразу: 1945 года ученого арестовали американские спецназовцы и интернировали в лагерь для немецких физиков под Кембриджем. Таким образом он повторил судьбу своего бывшего шефа Фрица Габера, что получил премию 1918-го, когда разыскивался британскими войсками за военные преступления. Лизу Мейтнер номинировали на премию 48 раз, и решение Нобелевского комитета о премировании только Гана многие восприняли как несправедливость. До конца жизни Ган и Мейтнер переписывались, и прежние дружеские отношения не восстановили, она не смогла ему простить работу на нацистов. В 1997 году именем Лизы Мейтнер назвали 109-й элемент периодической таблицы Мейтнерій. Элемент ганій так и не появился, 105-й элемент, что было так назвать, назвали Дубнієм.

Share