Путешествие в страну РАИ - Дмитрий Николаевич Трифонов

Окончательно решила проблему трансурановых элементов ядерная физика. Большую роль сыграло открытие английским ученым Чедвиком нейтрона. Это случилось в 1932 году — дата, которая навсегда будет запечатлена в истории радиоактивных изотопов.

Располагая нейтроном, ученые повели яростный штурм атомного ядра. Среди всех химических элементов не оказалось, пожалуй, ни одного, который не подвергся бы нейтронной бомбардировке. Не избежал этой участи и уран.

И вот в 1934 году Энрико Ферми сообщил о поразительных результатах. Он бомбардировал уран медленными нейтронами. Продукты, полученные в результате этого эксперимента, были изучены химическими методами. Выяснилось, что среди них нет ни одного, похожего по своим химическим свойствам на элементы между свинцом (порядковый номер 82) и ураном. Вывод напрашивался сам собой: продукты бомбардировки суть трансурановые элементы.

Но первые обнадеживающие результаты нуждались еще в проверке и новых доказательствах. Десятки ученых разных стран включились в эту работу. Среди них были француз Жолио-Кюри и серб Савич, немцы Хан, Мейтнер, Штрассманн и другие — словом, все звезды ядерной физики занялись проверкой результатов Ферми.

Новые открытия не заставили себя ждать. Изучая продукты бомбардировки урана, ученые обнаружили интересный факт. Некоторые радиоактивные изотопы возникали не в момент нейтронной бомбардировки, а позднее. Следовательно, здесь происходил радиоактивный распад, в результате которого образуется новое вещество. Предположим, что ядро изотопа урана U238 присоединило к себе нейтрон, то есть произошла ядерная реакция:

92U238 + 0n1→92U239.

Получился изотоп урана U239. Этот изотоп также радиоактивен и, выбрасывая бета-частицу, превращается в изотоп элемента 93, поскольку при бета-распаде заряд ядра увеличивается на единицу.

Такое объяснение казалось весьма логичным. Ученые составили даже последовательную цепь образования трансурановых элементов вплоть до элемента № 97.

На основании периодической системы можно было предположить, что трансурановые элементы являются химическими аналогами соответствующих элементов шестого периода менделеевской таблицы: 93 — аналогом рения, 94 — аналогом осмия и так далее.

Оставалось химически выделить и изучить эти элементы, и периодическая система расширила бы свои рамки. Однако выделение оказалось отнюдь не простой задачей и привело к таким неожиданностям, которые как будто перечеркивали результаты предыдущих опытов.

В 1938 году Фредерик Жолио-Кюри и Савич пытались извлечь из продуктов бомбардировки урана трансурановые элементы, но… (известное скептическое «но», которое столько раз ставило под сомнение даже самые выдающиеся открытия человечества и так часто знаменовало начало нового, высшего этапа исследований!), но они обнаружили элемент, который по свойствам очень напомнил редкоземельные. А годом позже Хан и Штрассманн определили в облученном уране барий и лантан — элементы середины периодической системы.

Это казалось бессмыслицей: искали элементы тяжелее урана, а нашли куда более легкие, отстоящие от урана очень далеко. Как объяснить подобное явление? Неужели нужно признать выводы Ферми и других целиком и полностью ошибочными?

Откуда взяться в облученном уране лантану и барию? Ведь для опытов брался чистейший уран. Значит, они образовались в процессе бомбардировки. Вероятнее всего, нейтрон, попадая в ядро урана, как бы раскалывает его на две приблизительно равные части, на два «осколка», каковыми и являются лантан и барий.

Так рассуждали Мейтнер и Фриш, впервые предположившие возможность деления урана. Это явление легло в основу последующих блестящих открытий, приведших к овладению энергией атома.

Как настоящий докладчик, я попросил воды. Наташа, тихо ступая по расшатанным половицам, зачерпнула из ведра кружку мутной жижи. Я сделал глоток и поморщился. Илья последовал моему примеру.

— Упрек вчерашним дежурным — плохо ведро вымыли. Не разберешь, вода или нет… Идея! — хохотнул он. — Вот, Толя, чудесный прием популяризации! Ты можешь сравнить положение в ядерной физике после первых работ по получению трансуранов с подобной мутной водицей, где что-то непонятное плавает.

— Ты вульгаризатор! — рассердилась Майка. — Очень уж ты непоэтичный человек, Илья.

— Ну, будет, — махнул я рукой. — Пошли дальше.

Итак, при бомбардировке урана медленными нейтронами никакие трансурановые элементы не образуются, а все «загадочные» продукты — осколки деления, элементы середины периодической системы.

Но можно ли считать окончательным этот вывод.

Первое веское «нет» сказали советские ученые. Академик В. Г. Хлопин и его сотрудники привели несколько весьма убедительных доказательств в пользу того, что наряду с осколками деления должны получаться (правда, в весьма небольших количествах) трансурановые элементы.

Значит, все заключается в совершенствовании методов выделения продуктов бомбардировки. Химия ядерная ставила перед химией классической, химией электронных оболочек, интересную и трудную задачу: выделить следы новых элементов и изучить их химические и физические свойства.

И вот, наконец, наступил момент, когда можно было с уверенностью заявить об открытии первого трансуранового элемента. Эта честь принадлежит американским ученым Макмиллану и Эйбельсону.

Ход их рассуждений таков: когда нейтроны попадают в ядра урана, образуются осколки, которые благодаря значительной кинетической энергии разлетаются из исходных ядер на относительно большие расстояния. Но часть ядер урана, поглотивших нейтроны, не делится и в отличие от осколков как бы остается на месте. Если отделить осколочные ядра от неразделившихся, среди последних можно с большой вероятностью обнаружить изотопы трансурановых элементов.

Действительно, в 1940 году Макмиллану и Эйбельсону удалось подтвердить образование изотопа элемента 93 среди неразделившихся ядер урана.

Вот она, эта ядерная реакция. Она послужила началом блестящих исследований, приведших в итоге к получению десятков радиоактивных изотопов трансурановых элементов:

92U238 + 0n1→92U239.

Получается радиоизотоп урана с периодом полураспада 23 минуты. Он и превращается в ядро элемента с зарядом 93: 92U239 – β→93U239.

Элемент 93 получил название «нептуний» (символ Np) в честь планеты Нептун, расположенной в солнечной системе за Ураном. В том же году был синтезирован следующий трансурановый элемент, плутоний (Pu).

Роль бомбардирующих частиц в данном случае играли дейтроны, мишенью служил уран 238. Авторами открытия явилась группа американских ученых, возглавляемая будущим нобелевским лауреатом Гленном Сиборгом.

Год спустя был получен другой изотоп плутония — Pu239, который вскоре приковал к себе внимание не одних только физиков-теоретиков. Оказалось, что плутоний 239 способен делиться, подобно урану, под действием медленных нейтронов, с выделением огромного количества энергии. В руках человечества оказалась перспектива использования нового ядерного горючего наряду с ураном. Так как в те суровые военные годы в США интенсивно разрабатывалась проблема атомной бомбы, то на решение задачи получения плутония в значительных количествах были брошены большие силы и средства. В Чикаго уже в 1942 году вступил в действие ядерный реактор. В нем уран 238 облучали нейтронами. В результате последующей цепочки радиоактивных превращений образовался Pu239.

К этому времени свойства плутония и нептуния