М. Рузе - Роберт Оппенгеймер и атомная бомба
Однако через несколько недель решающий эксперимент, проведенный группой Жолио, разрушил отчаянные надежды Сцилларда: на 100 делящихся ядер урана французские физики насчитали от 280 до 420 вторичных нейтронов. Возможность цепной реакции оказалась, таким образом, подтвержденной цифрами.
Изотоп 235 и условия цепной реакцииОднако до практического осуществления реакции было еще далеко. Для того чтобы научиться управлять цепной реакцией, необходимо было лучше понять особенности этого нового явления, а следовательно, снова направить теоретические исследования к познанию атомного ядра. И тогда Нильс Бор, который находился еще в Копенгагене, но тоже собирался переехать в Америку, еще раз внес важный вклад в решение этой проблемы.
Почему в некоторых случаях ядро урана под ударом нейтрона раскалывается на множество осколков (как будто в результате потери внутреннего равновесия) вместо того, чтобы совершать такое же простое ядерное превращение, какое происходит с другими элементами, которые переходят при этом из одной клетки таблицы Менделеева в соседнюю? Чтобы это объяснить, представим себе ядро урана в виде капли жидкости: эта капля довольно тяжела, а когда ее утяжеляют еще больше, то она делится на две более мелких капельки. Такое представление помогает понять, что именно ядро урана, самого тяжелого элемента в природе, может стать предметом деления, если увеличивать его заряд. «Модель» ядра в виде капли жидкости позволила предпринять первую попытку дать математическое описание ядерного деления.
Однако природа сил, играющих основную роль в сцеплении и расщеплении атомного ядра, гораздо сложнее физического механизма сцепления молекул в капле жидкости. Для того чтобы рассчитать их действие, необходимо прибегнуть к волновой механике. Если бы нейтрон был только мельчайшим кусочком вещества, имеющим сферическую форму и подчиняющимся законам классической механики, то вероятность его столкновения с атомным ядром была бы настолько мала, что ядерную реакцию можно было бы считать невозможной. Диаметры нейтрона и ядра очень малы по сравнению с пространством, в котором они перемещаются. Вещество, кажущееся нам таким плотным – кусок урана, – в действительности представляет собой пустоту, где находятся частицы, разделенные громадными по сравнению с их размерами расстояниями. У нейтрона, направленного в толщу вещества, столько же шансов попасть в ядро, сколько у одного бильярдного шара попасть в другой, находящийся на расстоянии нескольких километров.
Но частицы в отличие от бильярдных шаров обладают не только свойствами массы и количества движения; их необходимо рассматривать также в сочетании с волной определенной длины. Роберт Оппенгеймер в одной из своих лекций говорил: «Волновая природа, присущая всей материи, проявляется в условиях бомбардировки одних материальных частиц, другими (медленными, с очень большой длиной волны) таким образом, что бомбардирующие частицы могут воздействовать на свои мишени гораздо чаще, чем это было бы возможно только в процессе столкновений. И даже сама невозможность точного определения относительного положения частиц заключает в себе скрытую возможность их взаимодействия на расстояниях, характеризуемых подчас длиной волны, а не физическими размерами частиц. Это обстоятельство является одной из причин того, что следы урана-235, присутствующие в естественном уране, могут захватывать достаточное количество пролетающих по соседству нейтронов; это позволяет поддерживать цепную реакцию в атомном реакторе». Оппенгеймер, таким образом, объясняет, почему нейтронные шарики наталкиваются на ядра, разбросанные в пространстве, а также почему медленные шарики (речь идет, конечно, об относительной медлительности) достигают своей цели лучше, чем быстрые: они имеют большую длину волны, соизмеримую с радиусом ядра.
Исходя из наших предположений, на основании принципов квантовой механики довольно трудно предсказать, что же произойдет после захвата нейтрона ядром. Внедрение дополнительного нейтрона, обладающего определенной энергией, в сложную структуру атомного ядра может повлечь за собой различные явления: увеличение массы ядра на единицу без изменения числа протонов и без ядерного превращения; процесс ядерного превращения с испусканием отрицательных бета-лучей и превращением нейтрона в протон; деление ядра, сопровождающееся выделением нейтронов… Вероятность того или иного явления зависит от уровня энергии бомбардирующего нейтрона и от уровней энергии внутри ядра. Таким образом, соответствие уровня энергии бомбардирующего нейтрона одному из уровней энергии внутри ядра в какой-то мере обусловливает вероятность именно данного явления, нежели какого-либо иного.
С одной стороны, чтобы из всех возможных процессов получить именно деление ядра, надо было определить теоретически и экспериментально оптимальную энергию, которую необходимо сообщить нейтронам. При этом надо было знать весь спектр энергий нейтронов, испускаемых в процессе деления, уменьшать их энергию путем торможения до определенной величины и тем самым добиться того, чтобы наибольшее возможное число их обладало бы оптимальным уровнем энергии.
С другой стороны, вероятность того или иного ядерного события, происходящего после захвата нейтрона, зависит также от энергетических уровней ядра. Если речь идет об одном и том же элементе, то энергетические уровни оказываются различными для его изотопов. Природный уран представляет собой смесь изотопов 238 (92 протона, 146 нейтронов) и 235 (92 протона, 143 нейтрона), находящихся в весьма неравном соотношении. Еще Бору путем расчета удалось установить, что под действием медленных нейтронов происходит деление более редкого изотопа 235, который входит в состав природной смеси всего лишь в пропорции 1/140. Таким образом, выяснилось, что возникновению цепной реакции в массе урана способствуют следующие три обстоятельства:
1) в природном уране содержится 1/140 делящегося изотопа (U235);
2) уран-238, захватывающий медленные нейтроны без деления, ведет себя более сложно по отношению к быстрым нейтронам, испускаемым в результате деления соседних ядер: в некоторых случаях происходит деление;
3) простой захват одного нейтрона ядром урана-238 приводит к образованию урана-239, радиоактивного изотопа с коротким периодом распада, который в результате ядерного превращения образует элемент 93 (нептуний), превращающийся, в свою очередь, в элемент 94 (плутоний). А полученный таким образом плутоний сам делится (так же как и уран-235) под действием медленных нейтронов.
