История развития ядерной физики кратко
Обновлено: 03.07.2024
Я́дерная фи́зика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).
Содержание
Задачи, возникающие в ядерной физике, — это типичный пример задач нескольких тел. Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но всё же слишком мало́ для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.
Общие сведения
Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов — через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (т. е. атомы одного и того же элемента), но различными N называются изотопами, с одинаковыми A, но различными Z — изобарами, с одинаковыми N, но различными Z — изотонами.
Основное отличие между протоном и нейтроном состоит в том, что протон — заряженная частица, заряд которой e = 4,803·10 −10 ед. СГСЭ = 1,602·10 −19 Кл. Это элементарный заряд, по модулю равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, электрически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, т. е. 1/2 (в единицах , постоянной Планка). Массы протона и нейтрона почти равны: 1836,15 и 1838,68 масс электрона соответственно.
Протон и нейтрон не являются фундаментальными частицами. Они состоят из двух типов кварков — d-кварка с зарядом —1/3 и u-кварка с зарядом +2/3 от элементарного заряда е. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (суммарный заряд +1), а нейтрон из одного u-кварка и двух d-кварков (суммарный заряд — 0). Свободный нейтрон — частица нестабильная. Он распадается через 885 секунд после своего возникновения на протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона). В ядре нейтрон находится в глубокой потенциальной яме, поэтому его распад может быть запрещён законами сохранения.
Ядерная физика имеет принципиальное значение для многих разделов астрофизики (первичный нуклеосинтез, термоядерные реакции в звёздах как во время жизни на главной последовательности, так и при сходе с неё), и, очевидно, для ядерной и, в перспективе, термоядерной энергетики.
История
Первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.
Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения состоят из трех типов лучей, названных, соответственно, α-, β- и γ-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.
Ядерная природа радиоактивности была понята Резерфордом после того, как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.
Долгое время предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Однако такая модель находилась в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы получили общее наименование нуклонов.
В последние годы вырисовывается шанс описать свойства по крайней мере лёгких ядер в строгой картине киральной квантовой теории поля.
Атомная физика – это раздел физики, который изучает строение и свойства атомов. Атомная физика возникла еще в конце XIX - начале XX столетия, когда было установлено, что атом состоит из электронов и ядра, которые связаны электрическими силами.
Атомная физика на начальных этапах своего развития охватывала вопросы, которые связаны со строением атомного ядра. Уже в 30-е гг. стало известно, что природа взаимодействий в атомном ядре не такая, как во внешней оболочке атома. В 40-е гг. атомная физика стала отдельной областью физической науки, а в 50-е гг. от нее образовалось новое направление – физика высоких энергий или физика элементарных частиц.
Предыстория атомной физики: учение об атомах XVII-XIX столетий
Мысль о существовании атомов как о неделимых частицах сформировалась еще в глубокой древности. Идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Эпикуром и Демокритом. В XVII столетии они возродились при участии П. Гассенди и английского химика Р. Бойля. Представления об атомах, которые были в XVII - XVIII столетии, были мало определенными.
Тогда атомы считались неизменными и неделимыми частицами, которые отличались друг от друга лишь размером и формой. Сочетание атомов в том или ином порядке образовали различные тела, а движение атомов были обусловлены теми процессами, что происходили внутри них. Многие ученые полагали, что атомы могут сцепляться в сложные частицы, что называются корпускулы. Но атомам не приписывали определенные химические и физические свойства. Атомистика того времени носила абстрактный характер.
В конце XVIII столетия из-за стремительного развития химии был создан фундамент для количественной разработки атомной физики. В 1803 году Дж. Дальтон, который был английским ученым, впервые стал рассматривать атом как наименьшую частицу химических элементов, который отличался от других атомов своей массой. Дальтон считал, что атомная масса является основной характеристикой атома. Он полагал, что все химические соединения представляют собой совокупность составных атомов, которые содержат определенное число атомов каждого элемента.
Готовые работы на аналогичную тему
Все химические реакции – это лишь перегруппировка атомов в новые, более сложные отношения. Итальянские учение в процессе проведения многочисленных исследований провели четкую грань между молекулой и атомом.
В XIX столетии вместе с химическими свойствами атомов изучались их оптические свойства. Именно тогда было установлено, что каждый элемент имеет свой оптический спектр. Поэтому в 1860 году немецкими физиками Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном был открыт спектральный анализ.
Атом тогда выступал в качестве частицы, что имеет определенные химические и физические свойства. Однако свойства атома считались необъяснимыми. Тогда считалось, что число видов атомов случайно и между ними не существует связи.
Однако со временем выяснялось, что есть определенные групп элементов, которые обладают идентичными химическими свойствами:
- одинаковой валентностью;
- похожими законами изменения их физических свойств: сжимаемость, температура плавления и прочие.
Д. И. Менделеев в 1869 году разработал и создал периодическую систему элементов. Он утверждал, что с увеличением атомной массы элемента, его физические и химические свойства повторяются.
Именно периодическая система элементов Менделеева доказала наличие связи между различными типами атомов. Отсюда следует вывод, что атомы имеют сложное строение, которое может меняться вместе с изменением атомной массы. Раскрытие структуры атома – это ключевая проблема в физике и химии.
Рисунок 1. Краткая история развития атомной физики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
История возникновения атомной физики
Важным событием в науке, от которого берет свое начало атомная физика, стало открытие радиоактивности и электрона. В процессе исследования появления электрического тока сквозь разреженные газы были лучи, что испускались катодом разрядной трубки.
Было обнаружено, что данные катодные лучи состояли из отрицательно заряженных частиц, которые названы электронами. В 1897 году физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда данных частиц к их массе. Также было обнаружено, что металлы при сильном нагревании испускали электроны.
Исходя из этого был сделан вывод, что электроны являются неотъемлемой частью всех атомов. Нейтральные атомы также должны содержать и положительно заряженные частицы.
Положительно заряженные атомы были обнаружены при исследовании электрических зарядов. Теория голландского физика Х. Лоренца объясняла представление об атоме как о системе заряженных частиц: в процессе колебания внутриатомных зарядов возникает электромагнитное излучение. Подтверждение это получило при исследовании действия магнитного поля на спектры атома.
Французские ученые М. Склодовская-Кюри и П. Кюри окончательно опровергли представления о неделимости атома. В процессе изучения радиоактивности было установлено, что атомы испытывают превращения двух видов:
- Когда испускается $a$-частица, атом элемента трансформируется в атом другого радиоактивного химического элемента, который располагается в периодической системе Менделеева на две клетки левее. Например, атом водорода превращается в атом свинца.
- Когда испускается $b$-частица, атом радиоактивного химического элемента трансформируется в атом, который располагается на одну клетку правее. Например, атом висмута превращается в атом полония.
Благодаря результатам исследования свойств и радиоактивности атома, были построены его конкретные модели. В 1903 году Томсоном была предложена модель, в которой атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую были вкраплены электроны.
Однако планетарная модель столкнулась с некоторыми сложностями. В соответствии с классической электродинамикой, заряженная частица непрерывно излучала электромагнитную энергию. Поэтому электроны, которые двигались вокруг ядра, должны были постоянно тратить свою энергию на излучение. На основе модели Резерфорда можно объяснить законы фотоэлектрических явлений и законы теплового излучения, которые возникают при взаимодействии излучения с химическим веществом. Однако история атомной физики на этих примерах не заканчивается, поскольку она находится на этапе развития и по сегодняшний день.
Ядерная физика изучает структуру атомных ядер, свойства ядернъга; сил, законы изменения и превращения ядер при распаде и ядерных реакциях, взаимодействие ядерного излучения с веществом и элементарные частицы. Трудно указать другую область естествознания, столь же быстро развившуюся и получившую столь широкое применение в медицине, биологии, технике и энергетике, как ядерная физика. Многие ее новые открытия немедленно находят практическое приложение.
Изучение элементарных частиц непрерывно меняет и обогащает наши представления о свойствах материи. Все это определяет исключительно быстрое развитие ядерной физики.
Ее предыстория начинается в 1896 г., когда французский ученый Беккерель открыл, что соединения урана, независимо от их химического строения, самопроизвольно испускают лучи высокой проникающей способности. Тот же эффект наблюдался у открытого вскоре супругами Кюри элемента — радия.
Исследуя характер отклонения этих лучей в магнитном поле, Резерфорд показал, что они состоят из трех различных компонент: -лучей — потока положительно заряженных частиц; -лучей — потока частиц, заряженных отрицательно, и у-лучей, не отклоняющихся в магнитном поле. Далее выяснилось, что -лучи состоят из частиц, несущих двойной элементарный заряд и обладающих массой, приближенно равной массе атома гелия, в то время как -лучи являются потоком быстродвижущихся электронов, -лучи ведут себя, как рентгеновские лучи большей жестокости.
Изучая рассеяние -частиц в веществе, Резерфорд пришел к выводу, что в атоме, имеющем, как было ранее выяснено, размеры порядка см, а масса сосредоточена в небольшой положительно заряженной сердцевине — в атомном ядре, поперечник которого имеет величину порядка всего см, т. е. во много раз меньше размеров всего атома.
На основании этих опытов в 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель атома (в противовес существовавшей в то время модели Томсона, согласно которой атом рассматривался как положительно заряженный сплошной шар со взвешенными внутри него электронами). По этой ядерной модели атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и в тысячи раз более легкой оболочки, образованной электронами. Электроны вращаются вокруг ядра и удерживаются вблизи него электрическими силами на расстояниях, которыми и определяется размер всего атома. Так как атомы электрически нейтральны, то атомный номер определяющий заряд ядра и химические свойства элементов, равен числу электронов внешней оболочки.
Однако с точки зрения классической физики нельзя было объяснить существование стабильных атомов такой структуры, так как в соответствии с законами электродинамики всякий электрон, движущийся по окружности вокруг ядра, должен терять свою энергию на излучение, постепенно приближаться к ядру и в конце концов упасть на него. При этом должна непрерывно меняться частота обращения электрона вокруг ядра и, следовательно, частота испускаемого атомом излучения. В то же время было известно, что атомные спектры имеют строго определенный дискретный и стационарный характер.
Для устранения этих противоречий в 1913 г. Бором была предложена модель атома, принципиально новым элементом которой по сравнению с моделью Резерфорда явилось наличие особых стационарных электронных орбит. По предположению Бора, их особенность заключается в том, что находящиеся на них электроны по некоторым неизвестным причинам не теряют энергию на излучение и обладают строго определенным моментом количества движения, кратным постоянной Планка —
где масса электрона, скорость электрона, радиус орбиты, целое число, называемое главным квантовым числом и принимающее значения эрг-сек.
Переход же электрона с одной стационарной орбиты на другую (по Бору) должен сопровождаться поглощением или испусканием порции электромагнитной энергии в виде кванта света частоты и энергии
где энергии электрона на устойчивой орбите (в принципе возможно испускание и нескольких квантов той же суммарной энергии).
Эти два условия были введены в виде постулатов и на их основании были объяснены многие экспериментальные результаты. Однако в самой основе теории Бора была заложена непоследовательность. С одной стороны, он предполагал, что классические
принципы механики и электродинамики в общем правильны и электрон обладает обычными свойствами заряженной корпускулы. С другой стороны, утверждалось, что для электрона в атоме существуют некоторые исключения, необъяснимо противоречащие классическим представлениям.
Эта трудность была преодолена только после создания в 1926 г. Гейзенбергом и Шредннгером последовательной теории — квантовой механики, основывающейся на более общих законах материи, которые в макромире сводятся к законам классической физики, но в микромире соответствуют совершенно новым свойствам частиц.
В частности, соответственно новым, волновым свойствам электрона, как показывает квантовая механика, не существует таких состояний частицы, в которых она обладала бы одновременно точно определенным положением и скоростью.
В таких условиях, когда отличие законов квантовой механики от законов классической физики становится существенным, например, для электрона в атоме, состояние его уже нельзя представлять как движение по определенной траектории — физические свойства частицы делают такое описание неадекватным. Вместо этого состояние следует описывать так называемой волновой функцией.
Квантовая механика не только подтвердила ряд результатов теории Бора, но и сумела объяснить другие экспериментальные данные.
В 1919 г. Резерфорд наблюдал расщепление ядер различных веществ при бомбардировке их -частицами. При этом из ядер вылетали однократно положительно заряженные частицы с массой, равной массе ядра атома водорода, в 1836 раз превышающей массу электрона. Этим было доказано, что в составе различных ядер содержатся ядра водорода; их называют протонами и обозначают символом
После открытия протонов физикам представлялось, что ядро построено из А протонов и злектронрв. Протоны заряжены
положительно, следовательно, в единицах электронного заряда (взятого по абсолютной величине) заряд ядра равен Вокруг ядра вращается электронов в пределах расстояния порядка
Но представление о том, что электроны входят в состав ядра, противоречило многим экспериментальным фактам.
В 1930 г. Боте и Беккер, подвергая бериллий воздействию -частиц, излучаемых полонием, наблюдали излучение с большой лроникающей способностью. Казалось, что это были у-лучи.
Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио нашли, что если поместить на пути излучения парафин, то из парафина вылетают протоны большой энергии. Такой вид взаимодействия у-излучения с веществом не был известен. Чтобы он мог существовать надо было бы приписать у-лучам энергию, значительно большую, чем они могли иметь при подобных реакциях.
Только в 1932 г. Чадвик доказал существование электрически нейтральной частицы с массой, почти такой же, как у протона. Эта частица была названа нейтроном и обозначается символом
Сразу же после этого открытия независимо Гейзенбергом и Иваненко была высказана естественная гипотеза о том, что ядро построено из протонов и нейтронов, причем полное их число определяет массу ядра А, число одних протонов — заряд ядра Возник вопрос, какие силы удерживают протоны и нейтроны в ядре, какова их природа.
Так как нейтрон не имеет заряда, эти силы не могут быть электрическими. Стало ясно, что кроме известных ранее кулонов-ских и гравитационных сил, должны существовать новые — ядерные силы. Возник вопрос о природе этих сил. С открытием нейтрона по существу начался новый этап в развитии науки о ядре.
В конце 1932 г. в космических лучах Андерсоном и Милли-кеном был открыт позитрон — частица с массой электрона, но положительно заряженная Ее существование было предсказано Дираком из чисто теоретических представлений и обнаруженные свойства позитрона оказались точно соответствующими предсказанным.
По мере изучения -распада атомных ядер выяснились странности и нарушения в балансе энергии. Получалось видимое противоречие с наиболее общими законами природы — законом сохранения энергии и законом сохранения момента количества движения.
Было показано, что спектр излучаемых электронов имеет непрерывный характер, а их средняя энергия значительно меньше энергии, теряемой ядром при распаде. Выход был найден Паули, предложившим гипотезу о существовании еще одной нейтральной частицы с высокой проникающей способностью — нейтрино (символ Такая частица, вылетая из ядра при -распаде вместе с электроном, уносит дополнительную энергию, но из-за отсутствия заряда остается незамеченной. Эта гипотеза была принята всеми
и вошла в теорию, но существование нейтрино в свободном состоянии было обнаружено на опыте более чем через двадцать лет.
Для того чтобы на основе гипотезы о нейтрино построить последовательную теорию -распада, Ферми предположил наличие нового типа взаимодействия частиц — так называемого -взаимодействия (слабое взаимодействие).
Это взаимодействие согласно его теории обусловливало р-распад, т. е. распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино
В 1934 г. советский физик И. Тамм показал, что из факта существования такого распадного -взаимодействия должно вытекать и существование некоторого потенциала сил между нейтроном и протоном. Механизм его заключается в том, что нуклоны обмениваются парами частиц (электрон — нейтрино и т. п.). Отсюда возникла возможность объяснить природу ядерных сил. Однако, как показал сам Тамм, эти силы чрезвычайно слабы и не могут быть теми основными ядерными силами, которые обеспечивают устойчивость ядер.
В 1935 г. японский физик Юкава, развивая эти идеи, показал, что ядерные силы могут иметь в своей основе обмен какими-то другими частицами — квантами поля ядерных сил. Принтом для объяснения малого радиуса ядерных сил нужно было предположить, что они должны иметь массу порядка 200—300 электронных масс.
В 1938 г. подобные частицы были открыты в космических лучах и получили название -мезонов. Однако изучение их свойств показало, что и они не могут быть переносчиками ядерного взаимодействия, так как сами слабо взаимодействуют с ядерными частицами.
Только в 1947 г. Пауэллом в космических лучах были обнаружены ядерно активные частицы — -мезоны с массой порядка , которые и являются квантами поля ядерных сил. Таким образом, было установлено, что в основе существования ядерных сил между нуклонами лежит взаимодействие через поле ядерных сил, квантами которого являются -мезоны и некоторые другие, позже открытые виды мезонов.
Работы по изучению взаимодействий между нуклонами и ядрами развивались особенно интенсивно после открытия методов искусственного ускорения частиц, В 1932 г. Кокрофт и Уолтон построили установку, в которой получили пучок быстрых протонов. Бомбардируя такими ускоренными протонами мишени из различного вещества можно было наблюдать процессы расщепления ядер. Дальнейшее развитие ускорительной техники дало возможность получать также быстрые электроны дейтоны, -частицы и другие частицы. В руках физиков появилось мощное средство воздействия на атомное ядро.
С открытием в 1944 г. В. И. Векслером (СССР) и в 1945 г. Макмиллаиом (США) принципа автофазировки была начата разработка новых циклических ускорителей. В Советском Союзе с 1958 г. работает ускоритель с энергией частиц 10 Гэв. В 1960 г. в США получены на ускорителе частицы с энергией порядка 30 Гэв. Недавно (1968 г.) в СССР введен в строй новый ускоритель в Серпухове, в котором протоны ускоряются до энергий
В различных странах запланировано строительство еще более мощных ускорителей. Европейским центром научных исследований в Швейцарии (CERN) намечено строительство ускорителя на 300 Гэв. В США сооружается кольцевой ускоритель на 200 Гэв с возможностью в дальнейшем удвоения энергии. В СССР успешно прошла испытание модель ускорителя на 1000 Гэв. Для представления о размерах этой уникальной установки достаточно сказать, что периметр ускорительной камеры будет равен 20 км.
В 1939 г. Ган и Штрассмаи, облучая уран нейтронами, наблюдали образование нескольких более легких элементов. Мейтнер и Фриш предложили правильную интерпретацию результатов, полученных Ганом и Штрассманом и показали, что тяжелое ядро под действием нейтронов может разделиться на две примерно равные части. В дальнейшем было показано, что процесс деления сопровождается испусканием вторичных нейтронов и освобождением большого количества энергии. Так как отношение среднего числа вторичных нейтронов к числу первичных превышает единицу, появилась возможность реализовать цепную реакцию, т. е. повторять процесс деления на новых ядрах урана с экспоненциальным нарастанием потока нейтронов. Первый ядерный реактор, в котором получалась энергия за счет деления ядер, был построен Ферми в США в 1942 г. Темпы развития этой отрасли науки таковы, что уже через 12 лет (в 1954 г.) в СССР была запущена первая в мире промышленная атомная электростанция.
За последние 25 лет развитие наших представлений о структуре ядер, об элементарных частицах, о свойствах ядерных сил происходило весьма быстро.
Эксперименты были направлены на наблюдение ядерных процессов при все больших энергиях путем использования мощных ускорителей и усовершенствования методов изучения космических лучей, в составе которых имеются частицы огромной энергии вплоть до Так, в подтверждение теории Дирака были найдены античастицы, соответствующие известным элементарным частицам: в 1955 г. — антипротон, а в 1956 г. — антинейтрон.
Мир элементарных частиц непрерывно расширял свои границы: были открыты гипероны — частицы с массой, большей массы протона; было обнаружено существование двух различных типов нейтрино: нейтрино электронных и нейтрино мюонных. Огромное значение для науки имело открытие несохранения четности в слабых взаимодействиях и спиральности нейтрино.
В настоящее время обнаруживаются все новые и новые частицы, относящиеся к классу так называемых резонансов, со временем жизни порядка сек, распадающихся на несколько известных ранее частиц с гораздо большим временем жизни.
В последние годы произошел качественный сдвиг в понимании того, что такое элементарная частица. Опыты развеяли старое представление об элементарной частице, как о чем-то вечном, неизменном и неразделимом. Оказалось, что все элементарные частицы могут рождаться и умирать, превращаясь в другие элементарные частицы. Частицы могут превращаться в излучение, и, наоборот, световые кванты могут порождать частицы. Оказалось, что элементарные частицы сами обладают сложной структурой.
Таким образом, родилась физика элементарных частиц. В настоящее время их известно уже более 200. Пока еще не существует строгой единой теории элементарных частиц, хотя накоплено много экспериментальных фактов. Каждый день приносит новые сведения и расширяет наши познания о природе явлений в мире атомных ядер и элементарных частиц.
Мы начнем лекцию с 1932 года, который условно считается годом рождения ядерной физики. На самом деле ядерная физика в смысле существовала и до 1932 года: за 20 лет до того уже было известно, что внутри атома имеется ядро, что есть радиоактивные излучения — альфа-, бета- и гамма-частицы, что происходят ядерные реакции и что в ходе этих ядерных реакций одни атомы могут превращаться в другие.
До 1932 года ядерная физика все-таки была относительно маргинальной, но не самой важной из областей физики. Главной областью на тот момент были атомная физика, где изучали не ядро, а уровень электронов в атоме, и квантовая механика. Ядерная физика была немножко в стороне. Она была более непонятной, потому что еще с самого открытия радиоактивности не было ясно, что же является источником энергии, которая выходила из атома в виде радиоактивных излучений. По атомным масштабам это была очень большая энергия, но откуда она возникает и почему может поддерживаться такое долгое время, практически не убывая, тоже было совершенно непонятно.
1932 год изменил статус ядерной физики. Связано это было с целым рядом экспериментальных открытий, среди которых самым важным было открытие нейтрона. В Кембриджской лаборатории Джеймс Чедвик объявил о том, что в числе радиоактивных излучений, которые испускают различные радиоактивные атомы, было излучение, состоявшее из массивной, но электрически нейтральной частицы. Он назвал эту частицу нейтроном.
Появился ряд других открытий, связанных с нейтроном, например тритий — тяжелая вода. Весь этот набор экспериментальных открытий сразу выдвинул ядерную физику на первое место среди самых важных, активно развивающихся и продуктивных областей физики, и начиная с 1932 года она остается такой на протяжении примерно 15–20 лет.
Обнаружение нейтрона открыло перед экспериментаторами очень большие перспективы. До этого существовала возможность производить ядерные реакции, направляя на ядра атомов быстро двигающиеся частицы, такие как протон или альфа-частицы. Если протон, быстрый протон или альфа-частица попадали в ядро, оно могло расколоться или в нем могли произойти другие ядерные реакции, приводящие к возникновению новых элементов.
Но сложность состояла в том, что и протоны, и альфа-частицы электрически заряжены и ими трудно было попасть в то же позитивно электрически заряженное ядро атома. Нейтрон же был частицей нейтральной, и он сразу дал возможность производить огромное количество новых реакций.
Группой ученых, которые наиболее успешно занималась этой деятельностью начиная с 1934 года, была римская группа во главе с Энрико Ферми. Они практически поставили дело на конвейер. Буквально любой химический элемент периодической таблицы Менделеева был использован ими как мишень для потока нейтронов. Не то чтобы целью, но, может быть, главным призом всей этой активности была надежда открыть трансурановые элементы.
Одна из наиболее важных ядерных реакций, которая могла происходить с атомом, — это поглощение нейтрона атомом. Потом атом испускал электрон, или бета-частицу. При такой реакции заряд атома увеличивался на один, и из одного атома можно было получить другой атом следующей клеточки периодической таблицы Менделеева. Перебирая элементы таким образом, можно было дойти до самого последнего атома в таблице на тот момент — это был уран, о новых атомах за которым ничего известно не было. Они не могут существовать в естественном виде в природе, потому что сильно радиоактивны и быстро распадаются. Одной из надежд группы Ферми была как раз попытка, облучая нейтронами уран, вызвать такую реакцию, чтобы в итоге получился следующий, еще не открытый и не существующий в природе элемент.
Открытие любого нового химического элемента по меркам того времени практически гарантировало Нобелевскую премию. И в начале 1938 года Ферми смог объявить положительный результат. В числе полученных продуктов разных атомных реакций были новые типы излучений, новые варианты атомного распада, которые они не могли отождествить ни с каким из близких к урану атомов. Это позволило им заключить, что в числе продуктов реакции появляется новое — доселе неизвестный атом, который вполне естественно было считать первым трансурановым элементом.
Авторитет Ферми тогда был очень высок: он уже сделал очень много важных открытий — и за это открытие в конце 1938 года ему была присуждена Нобелевская премия. По иронии судьбы, это была одна из тех Нобелевских премий, которая практически сразу была опровергнута, и другие исследователи показали, что премию присудили неправильно.
Но это было не совсем так: доказали, что те продукты реакции, которые Ферми получил в результате, были вовсе не трансурановым элементом, а уже более-менее известными и существовавшими изотопами. Теми, кто указал на эту ошибку и объяснил, в чем дело, была конкурирующая группа ученых, работавшая в Берлине. Ее главными представителями были химик Отто Хан и радиофизик Лиза Мейтнер.
Они изучали ядерные реакции примерно в том же ключе, что и Ферми, но результат Ферми с самого начала вызвал у них некие подозрения. Ученым казалось, что происходит не так, и к концу года Отто Хан смог сделать другое заключение — это произошло буквально в течение месяца после присуждения Нобелевской премии Ферми. Хан пришел к выводу, что среди продуктов распада находится не трансурановый элемент, а элемент барий, ничем не примечательный элемент в середине таблицы Менделеева. При этом было не совсем понятно, откуда он взялся.
Правильную аргументацию довольно быстро дала Мейтнер, но к тому времени ее положение оказалось довольно сложным. Группа в течение многих лет работала в Берлине; Хан был немцем, а Лиза Мейтнер происходила из еврейской семьи и родилась в Вене. Она работала в Германии уже довольно давно, но ее положение сильно осложнилось в 1933 году, после прихода к власти нацистского правительства. В 1938 году коллеги поторопились вывезти ее из страны. Отто Хан сумел вывезти Мейтнер в Голландию, откуда она переправилась в нейтральную Швецию. Там она смогла выжить во время войны как беженец, имея временную научную работу.
К тому моменту, когда в конце 1938 года Хан и другой его сотрудник, Фриц Штрассман, пришли к заключению, что в среде продуктов распада ядерной реакции был барий, Лиза Мейтнер жила в Швеции и не могла принимать непосредственное участие в этой работе. Поэтому она не упоминается в качестве автора знаменитой работы, известной как открытие реакции деления урана нейтронами, — формальными авторами были двое ее немецких коллег. В итоге в 1945 году Отто Хану за это открытие была присуждена Нобелевская премия, а Лизу Мейтнер Нобелевский комитет решил обойти вниманием. За свою историю Нобелевский комитет вынес много несправедливых решений, но это, пожалуй, было одним из самых несправедливых.
Буквально с первых дней 1939 года реакция деления урана стала сенсацией для физиков всего мира и практически сразу вызвала не только огромный интерес, но и большую тревогу. Нельзя даже сказать, чья конкретно это была идея. Почти сразу во многих головах возникло понимание, что из этой реакции деления теоретически можно получить атомную энергию: возможно — как источник энергии, а возможно — как взрывное устройство, похожее на бомбу или еще очень опасное.
До открытия деления урана можно было спекулировать на тему атомной энергии. Были известны ядерные реакции, в которых выделялась достаточно большая по масштабам атома энергия. Но для каждой атомной реакции необходимо было затратить намного большее количество энергии и материалов просто для того, чтобы создать условия для реакции.
Реакция деления показала, что теоретически появилась возможность цепных реакций. При делении урана на две половинки среди продуктов также возникали нейтроны, и если их число было больше единицы — а в действительности иногда образовывалось два или три новых нейтрона, — появлялась возможность устроить цепную реакцию. Запустив эту реакцию, дальше физик теоретически мог сидеть и смотреть, как лавина развивается и как большое количество ядерных реакций добавляет новую энергию в результат. В теории появлялась надежда, что из этого выйдет практически значимое в смысле источника энергии.
Интересно, что на тот момент как раз это условие в смысле спасло ядерную физику в Советском Союзе. В СССР ядерная физика тоже довольно активно развивалась после 1932 года, и были лаборатории, в частности лаборатория Курчатова, которые занимались экспериментами, похожими на эксперименты лаборатории Ферми. Это дело финансировалось Наркоматом тяжелой промышленности, и ядерная физика становилась все более и более масштабной областью изучения.
Но Наркомат как экономическое министерство в момент начал задаваться вопросом, какой из этого будет выход. Для советских министерств было очень важно, чтобы ученые могли пообещать практический выход. И с 1939 года риск отмены финансирования ядерной физики в Советском Союзе отпал: эта область исследования у советских ученых тоже стала одной из самых популярных и очень важных.
Во всех странах, где на тот момент развивалась ядерная физика, большое число ученых сразу переключилось на исследования урана. Важный результат получила лаборатория в Париже. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри первыми оценили критическую массу — то, какой минимальный запас урана должен быть, чтобы теоретически надеяться на цепную реакцию, которая не угасала бы, а продолжала развиваться. По их оценкам, выходило десять тонн, что, в показывало, что бомба практически нереальна. На тот момент никакой самолет не мог перевозить и использовать бомбы такого размера, но практически во всех странах были физики или инженеры, которые почти сразу же написали письма своим военным или экономическим начальникам, утверждая, что шанс сделать бомбу все-таки есть. С 1939–1940 годов в разных странах существовали группы, которые пытались выяснить, можно ли произвести из этого оружие.
Тут нужно пояснить: не каждая цепная реакция — это взрыв. Есть цепные реакции, которые происходят стабильно. Скажем, костер, в котором горят веточки и куда эти веточки подкладывают, — это тоже цепная реакция. Но ничего не взрывается — просто происходит постоянное и стабильное выделение энергии. Эта энергия тоже может выйти из-под контроля, возникнет пожар, и тогда это будет цепная реакция, в которой выделение энергии развивается неконтролируемо, но пожар не является взрывной реакцией.
Следующим вариантом для сравнения может быть авария в Чернобыле. Иногда она называется взрывом, хотя в реальности взрыв был сравнительно небольшой. Он уничтожил сам реактор и разрушил оболочку, стену здания, потому что ядерный реактор на станции сильно перегрелся. Но это тоже взрыв, который для военных целей взрывом не считается, и по уровню он не сравним с бомбой, уничтожившей Хиросиму. В этом смысле можно сравнить взрыв в Хиросиме, который уничтожил город и привел к жертвам нескольких сотен тысяч человек, и локальный взрыв в Чернобыле, который только разрушил сам реактор, а близко существующий город от взрыва не пострадал.
И в этом смысле разницу между тем и другим взрывом скорее можно объяснить как скорость реакции. И в том, и в другом случае цепная реакция приводит к перегреву и выделению неконтролируемого количества энергии. Но в чернобыльской реакции, когда произошло это неконтролируемое выделение энергии, оно усиливалось настолько, пока сам реактор не был разрушен. После чего цепная реакция стала потихоньку затухать и сходить на нет.
В атомной бомбе реакция должна происходить на несколько порядков быстрее, то есть до того момента, как сам объект, в котором происходит реакция, реактор или бомба, разрушится, энергии должно выделиться настолько много, чтобы ее хватило на разрушение целого города. Это означало, что выделение энергии должно было быть намного более быстрым.
Весной 1940 года произошло событие, которое довольно сильно повлияло на ход работ. Важным событием для возможности создания именно атомного оружия был короткий меморандум, написанный в Англии двумя физиками, которые были беженцами из нацистской Европы. Одним из них был Рудольф Пайерлс, а другой физик происходил из Австрии: это был племянник Лизы Мейтнер — Отто Фриш. Оба на тот момент работали в Англии.
На 1940 год Англия была в полной мере вовлечена в войну с нацистской Германией и практически все ее собственные силы и кадры физиков были мобилизованы для различного рода военных исследований, самым главным из которых было исследование противовоздушной обороны и радиолокации. К этим секретным исследованиям Фриш и Пайерлс допущены не были: в смысле они стали заниматься проблемой урана именно потому, что их не допустили к более важным на тот момент военным работам и у них было время заниматься, скажем так, теоретическими спекуляциями.
В начале 1940 года они написали короткую работу и сразу поняли, что публиковать ее нельзя. Они показали работу своим английским коллегам, которые сразу ее засекретили. Это стало началом первого в истории проекта по созданию атомной бомбы.
Фриш и Пайерлс попытались рассчитать, как будет происходить цепная реакция, если суметь отделить изотоп уран-235, который в естественном уране существует в количестве меньшем, чем 2 %, от урана-238, намного более распространенного в естественном уране изотопа. К своему собственному удивлению, они обнаружили, что в этом случае цепная реакция происходит намного быстрее, чем в естественном уране, который состоит из смеси изотопов.
После года работы, примерно к середине 1941 года, англичане поняли, что они не смогут сделать атомную бомбу. Стало понятно, что, как и любая другая страна, которая находилась в состоянии войны и в которой вся экономика была подчинена нуждам идущей войны, они не могут решиться выделить огромное количество ресурсов и времени на непонятный проект с непонятным результатом. Поэтому летом 1941 года англичане перебазировали часть своего проекта в Канаду, подальше от театра боевых действий, — туда, где его по крайней мере не могли разбомбить.
Нельзя сказать, что это было сознательным обманом, но с точки зрения англичан, можно считать, что они готовы были рисковать незадействованными индустриальными ресурсами Америки и поделиться этим проектом с американцами, чтобы использовать мощность американской индустрии. В случае успеха они надеялись, что результат будет принадлежать двум странам, а если бы проект был неудачным, то основные ресурсы были бы потрачены именно американской, а не английской стороной, которая в тот момент направляла все свои ресурсы на войну.
Одной из главных стратегий риска, которые маршал Берия тоже потом будет применять в советском проекте, стала работа по всем возможным направлениям сразу. Были разные варианты разработок и разные технические, инженерные и научные возможности, и заранее не было понятно, какой вариант будет более эффективным и сработает. Поэтому вместо того, чтобы выяснить, делать плутониевую бомбу или урановую, делать атомный реактор на уране с графитом или атомный реактор на уране с тяжелой водой в качестве замедлителя, Гровс в качестве главного организационного принципа выбрал принцип делать сразу все.
Для Берии, как и для Гровса, фактор времени был одним из самых важных. Для Советского Союза проблема, которую создала монополия американцев на атомное вооружение, была даже не столько военной. В первые несколько лет, до 1950 года, количество атомных бомб, которые находились в распоряжении Соединенных Штатов, еще было относительно незначительным. Пока Советский Союз не обладал своей собственной бомбой, вероятность атомной атаки со стороны Америки оценивалась как сравнительно низкая. И даже если бы она произошла, количества атомных бомб не хватало на то, чтобы это оружие действительно стало решающим. Советский Союз уже знал, к каким уровням разрушения приводят современные войны, и по масштабам уже пережитых разрушений несколько атомных бомб не казались настолько уж опасными по крайней мере в ближайшее время.
Сейчас совершенно естественно считать, что ядерное оружие — это оружие массового поражения и, по сути, средство геноцида. Практически нет военных объектов, которые могут стать целью атомного оружия. Единственное, для чего атомная бомба реально существует и может применяться, — это для уничтожения города с миллионным населением.
Поэтому было понятно, что в 1945 году, после первого использования атомного оружия, история войны и вооружения перешла на совершенно новый уровень, но с чисто военной точки зрения у этого явления есть определенная сложность. Военные генералы того времени не были сильно воодушевлены атомной бомбой, и для них ее ценность была не настолько большой, как это представляется сейчас.
Связано это было с тем, что к концу Второй мировой войны генералы научились уничтожать население настолько эффективно, что могли делать это и без атомного оружия. Так называемые стратегические бомбардировки могли уничтожить город с миллионным населением — и уничтожали. Наиболее известна бомбардировка Дрездена в Германии в феврале 1945 года, где, по разным оценкам, хотя в данных случаях они всегда приблизительные, количество жертв соотносилось с жертвами атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки.
С точки зрения военных, циников и убийц, атомная бомба не давала им больше того, что уже было у них в руках. Разницу видели скорее в том, что без атомной бомбы надо было бы использовать несколько сотен бомбардировщиков и тысячи обычных и зажигательных бомб и бомбить в течение целого дня, а количество жертв среди пилотов и потерь бомбардировщиков тоже было бы заметным и значительным. В случае атомной бомбардировки примерно такого же результата можно было добиться с помощью одного или двух бомбардировщиков и одного успешного бомбометания. В этом смысле нельзя сказать, что атомные бомбардировки очень сильно повысили бы криминальность того, что и так происходило на Земле в тот момент.
Но очень важно было символическое значение атомного оружия. По крайней мере, в 1945 году главной проблемой для Советского Союза было то, что американцы будут использовать свою монополию на атомную бомбу в дипло-матических целях. Наличие атомного оружия у Америки довольно сильно повлияло на невозможность переговоров после окончания Второй мировой и в этом смысле способствовало быстрому переходу к состоянию холодной войны.
Читайте также: