Развитие атомной энергетики

Страница 6

Письмо А. Эйнштейна не сразу привело к действиям администрации США.

Рузвельт распорядился о созда­нии Консультативного комитета по урану в тот же день, когда ответил на письмо Эйнштейна, но решение о развертывании крупномасштабной программы создания ядерного ору­жия было принято только в октябре 1941 г., после получения сведений о работе англичан в этом направле­нии.

Нападение японских военно-воз­душных сил на Пирл-Харбор 8 де­кабря 1941 г. привело к тому, что США объявили войну Японии, Гер­мании и Италии. После вступления США в войну программа создания ядерной бомбы перешла из стадии научных исследований в стадию прак­тических разработок.

В середине 1942 г. администрация США поняла, что « .несколько ки­лограммов урана-235 или плутония-239 представляют собой взрывчатку, эквивалентную по своей мощи не­скольким тысячам тонн обычных взрывчатых веществ» (из доклада В. Буша 17 июня 1942 г. президенту США Ф. Д. Рузвельту).

В результате указаний президента США 13 августа 1942 г. был создан специальный округ инженерных войск под названием Манхэттенский в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, в пус­тыне, недалеко от Санта-Фэ. Руково­дителем Манхэттенского проекта был назначен бригадный генерал инже­нерных войск Л. Гровс, а научным руководителем – физик-теоретик Юлиус Роберт Оппенгеймер.

С этого времени началась работа огромного масштаба, поглотившая колоссальные средства, материаль­ные ресурсы, человеческие усилия и приведшая к созданию ядерной бом­бы невиданной мощи в июле 1945 г.

Но вернемся к истокам освоения нового источника энергии.

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871-1937) сделал в Манчестере доклад «Рассея­ние альфа- и бета-лучей и строение атома». X. Гейгер и Э. Марсден про­вели экспериментальную провер­ку идеи Резерфорда о строении ато­ма. Они подтвердили существование ядра атома как устойчивой его части, несущей в себе почти всю массу ато­ма и обладающей положительным зарядом.

В 1913 г. Н. Бор (1885-1962) опуб­ликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике. При­мерно в это же время начались, как известно, первые трудности электро­магнитной концепции микромира. Уже квантовая механика несла в себе совершенно новые взгляды на мик­ропроцессы. Так, в основу многих уравнений квантовой механики вхо­дило значение массы микрочастиц, а открытие спина (от английского spin – вращение), т. е. собственного мо­мента количества движения, у элек­трона С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком (1925 г.) и выдвижение принци­па запрета В. Паули (1925г.) противо­речили существовавшим представле­ниям в физике. Но наиболее важной оказалась гипотеза нейтрино, выдвинутая в 1931 г. Паули с целью объяс­нения кажущихся аномалий в энер­гетическом распределении электро­нов, вылетающих при бета-распаде. Нейтрино было четвертой элемен­тарной частицей (после электрона, фотона и протона), с которой столкнулась физика того времени.

В. Паули предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает не одна частица – электрон (как предполага­лось ранее), а две – электрон и час­тица, названная Паули нейтрино.

На основе опытов Дж. Аллена, выполненных 10 лет спустя, в 1942 г. было установлено, что нейтрино име­ет массу покоя, значительно мень­шую (1/30) массы электрона, и полностью лишено электрического за­ряда и магнитного момента.

Если природа трех ранее откры­тых элементарных частиц (электро­на, фотона и протона) могла считать­ся электромагнитной, то в отноше­нии нейтрино сказать это было почти невозможно. Однако до 1932 г. элек­тромагнитная теория господствова­ла. Решающим шагом в признании новой физической идеи стало откры­тие Чедвиком (1932 г.) пятой частицы - нейтрона.

История открытия нейтрона до­статочно поучительна. Еще в 1920 г. Резерфорд выдвинул предположение о существовании нейтральной час­тицы. В 1930 г. В. Боте и Г. Бекер сообщили о проникающем излуче­нии, появляющемся при бомбарди­ровке альфа-частицами ядер легких элементов. Особенно значительный эффект получался при бомбардиров­ке бериллия. В качестве детектора излучения был использован счетчик Гейгера. Боте и Бекер предположи­ли, что наблюдаемое излучение пред­ставляет собой поток гамма-квантов высокой энергии.

Почти одновременно с этими не­мецкими учеными Ирен и Фреде­рик Жолио-Кюри повторили их опыты, используя источник поло­ния большой активности. Детек­тором служила ионизационная ка­мера. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. Помещая на пути пото­ка частиц экраны из водородсодержащих веществ (парафина в том числе), они ожидали, что поток уменьшится, но он даже увели­чился. Ученые пришли к выводу, что столкнулись с каким-то новым явлением. Продолжая опыты, они убедились, что излучение Боте-Бекера способно выбивать ядра из ато­мов водорода, гелия и азота. Они установили, что выбитые частицы приобретали значительную энергию и что в пространство излучаются элек­троны высоких энергий. Жолио-Кюри опубликовали результаты сво­их опытов и выяснилось, что энер­гия излучения Боте-Бекера гораздо больше энергии гамма-излучения.

В феврале 1932 г. ученик Резерфорда Дж. Чедвик после ознакомле­ния с результатами опытов Жолио-Кюри измерил с помощью электрон­ного оборудования, пропорционального усилителя, отдельные импуль­сы, возникающие при прохождении ядер и электронов через счетчик, и разделил их. Оборудование, которым пользовался Чедвик, было более со­вершенным, и результаты его опытов показали, что первоначальное пред­положение Боте и Бекера, а также И. и Ф. Жолио-Кюри об электро­магнитной природе сверхпроникающего излучения неверно.

Чедвик установил, что это излуче­ние состоит из электрически ней­тральных частиц с массой, пример­но равной массе ядра протона. Это были нейтроны.

Открытие нейтрона является ре­зультатом работы ученых трех стран: Германии, Франции и Англии. Исто­рия открытия нейтрона лишний раз иллюстрирует, что путь к высотам науки изобилует сложностями и весь­ма тернист.

Открытие нейтрона указало на су­ществование в природе нового типа сил – ядерных. Значение этого откры­тия для развития ядерной физики необычайно велико, оно позволило пре­одолеть трудности, стоявшие на пути познания строения ядра атома. Нейт­рон – это «золотой ключик», открыв­ший двери в ядерную энергетику.

Открытие нейтрона стимулирова­ло появление фундаментальных направлений науки, таких как физика атомного ядра, физика элементар­ных частиц. Впоследствии самостоя­тельной областью физики стала ней­тронная физика.

При этом следует отметить, что открытие нейтрона не было случайным, на его существование указы­вало много сопутствующих фактов, и потому его обнаружение – зако­номерное следствие знаменитых опытов Резерфорда 1919 г. по ис­кусственному расщеплению ядер альфа-частиц, работ Боте и Бекера, И. и Ф. Жолио-Кюри. Но обнаружил нейтрон Дхеймс Чедвик. Свое от­крытие Чедвик опубликовал в статье «Возможное существование нейтро­на», которую он направил в печать 17 февраля 1932 г.

Этот день по праву считается днем открытия нейтрона.

О гениальном английском физике Эрнесте Резерфорде (1871-1937) говорилось уже не раз, но в связи с открытием нейтрона Дж. Чедвиком, его учеником и со­трудником Кавендишской лаборато­рии, следует сказать о нем и о его вкладе в физическую науку.

Э. Резерфорд заложил основы уче­ния о радиоактивности и строении атома. Он первым осуществил искусственное превращение элементов, установил, что корпуску­лярное излучение состоит из альфа- и бета-лучей.

В 1903 г. совместно с Ф. Содди Резерфорд объяснил радиоактивность как спонтанный распад атома вещес­тва, при котором он меняет свое место в периодической системе эле­ментов. Резерфорд доказал, что в центре атомов существует массивное положительно заряженное ядро, он же предложил планетарную модель атома, в центре которого находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электро­ны. (Здесь хочется на­помнить о гениальных догадках древ­негреческих философов, которые указывали, что атомы непрерывно движутся.) За 12 лет до открытия нейтрона Резерфорд высказал предположение о существовании нейтральной час­тицы - нейтрона, и в 1932 г. оно подтвердилось.