Читаем Химия — просто полностью

Учёные установили, что никакое изменение свойств окружающей среды (температура, давление, химические реакции) не влияет на скорость радиоактивного распада — она постоянна. Поэтому некоторые говорили: «Радиоактивный элемент — это часы Вселенной».

Вернёмся, однако, к урану, практический интерес к которому изменился после ряда открытий, сделанных в физике в 30 — е годы XX века.

В 1932 году английский физик Д. Чедвик открыл нейтрон, ранее теоретически предсказанный физиками Г. Мозли и Э. Резерфордом. В том же 1932 году российский физик — теоретик Д. Д. Иваненко предложил модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.

В 1934 году французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, то есть получили радиоактивные изотопы элементов, не обнаруженные до того времени в природе.

Для справки: ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество протонов говорит о том, каким химическим элементом является данный атом. Если в ядре 1 протон, то это водород, если 92, то уран. А вот количество нейтронов может быть разным даже для одного элемента. Например, в ядре атома урана может быть как 143 нейтрона, так и 146 нейтронов. И всё равно это будет атом урана. Такие атомы, имеющие разное количество нейтронов в ядре, называются изотопами.

Изображение путей альфа-, бета- и гамма-частиц из образца радия, помещённого между полюсами электромагнита в эксперименте, проведённом в лаборатории Мари и Пьера Кюри

В 1936 году Энрико Ферми (1901–1954), занимавший пост профессора теоретической физики в Римском университете, с целью получения трансурановых элементов приступил к экспериментам по облучению элементов нейтронами. Ещё в 1934 году он обнаружил, что при бомбардировке (облучении) нейтронами какого-либо вещества происходят различные эффекты, зависящие от скорости (то есть энергии) нейтронов. Также он обнаружил, что вещества, подобные парафину, снижают скорость нейтронов, то есть способствуют замедлению процесса облучения. Кроме того, Ферми заметил, что нейтроны иногда отражаются ядрами элементов (как при столкновении шаров в бильярде), а иногда — поглощаются ими. Исследуя продукты облучения урана нейтронами, Ферми пришёл к выводу, что при этом происходит образование трансурановых элементов. За свои исследования он в 1938 году получил Нобелевскую премию по физике, однако уже в 1939 году его выводы признали ошибочными.

Энрико Ферми

Правильное объяснение результатам опытов Ферми дали двое немецких учёных, Отто Ган и Фриц Штрассман, и двое австрийцев — Лиза Мейтнер и её племянник Отто Фриш.

Как и Ферми, они обнаружили в облучённом уране различные радиоактивные продукты и сначала тоже решили, что часть из них могут быть трансурановыми элементами.

Однако в декабре 1938 года Ган и Штрассман экспериментально доказали, что одним из продуктов является барий. Так было открыто расщепление ядра урана. Результаты работы Гана и Штрассмана были опубликованы 6 января 1939 года, а уже 11 февраля 1939 года Мейтнер и Фриш опубликовали теоретическое обоснование расщепления ядра, объяснив его с точки зрения капельной модели строения ядра, предложенной ранее Нильсом Бором. Да, да, теория о строении атома не так уж и стара. Ей ещё и ста лет нет.

Отто Ган

Стоит отметить, что в конце 1930-х годов идея расщепления атома буквально витала в воздухе, о чём, к примеру, свидетельствует карикатура из британского еженедельного сатирического журнала «Панч» (1937).

Отто Ган и Лиза Мейтнер в лаборатории

Отто Фриш, который и ввёл в науку термин «расщепление ядра», обнаружил также, что при делении урана высвобождается значительное количество энергии. Другие исследователи позднее выяснили, что в процессе деления ядра урана, вызванного одним нейтроном, происходит образование большего числа нейтронов; эти нейтроны назвали «вторичными». Поскольку при каждом акте деления ядра урана образовывалось от двух до трёх вторичных нейтронов, реализация цепной реакции деления и, как следствие, практическое использование атомной энергии становились реальностью. За время реакции один нейтрон мог привести к делению огромного числа атомов урана и, следовательно, к высвобождению громадного количества энергии, ведь число последовательных делений, вызванных вторичными нейтронами, возрастало в геометрической прогрессии — от 1 к 3, затем к 9, 27, 81, 243, 729, 2187, 6561, 19 683 и т. д.