Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Эксперименты. Взгляды. Борьба за мир
страница №4
...ментов свидетельствовала о происходящих под действием бомбардировки ядерных реакциях. То, что это именно позитроны, а не другие частицы, подобные тем, что испускаются природными радиоактивными элементами, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показывали с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитном поле напряженностью 400 эрстед.Ирен и Фредерик Жолио-Кюри искусственно получили нестабильные бета-радиоактивные изотопы.
Новый научный термин "искусственная радиоактивность" родился в Париже, где почти за 40 лет до этого Мари и Пьер Кюри впервые произнесли слово "радиоактивность". Термин "искусственная радиоактивность" подчеркивал то обстоятельство, что в природе существует естественная радиоактивность, когда ядра тяжелых элементов (тяжелее свинца) самопроизвольно испускают альфа-частицы - ядра атомов гелия (Не), гамма-излучение - кванты света и бета-частицы - электроны и позитроны.
Но, как указывали Жолио-Кюри, термин "искусственная радиоактивность" не точно передает смысл их открытия: "В самом деле мы не делаем искусственно ядро радиоактивным, а превращаем это ядро в другое, которое является естественно неустойчивым. Вплоть до настоящего времени все попытки, делавшиеся с целью изменения устойчивости атомов либо у стабильных, либо у радиоактивных веществ, кончались неудачей".
Искусственные радиоактивные изотопы излучают не альфа-частицы и не гамма-кванты, а положительные электроны - позитроны. К.Андерсон, П.Блэкетт и Дж.Оккиалини обнаружили позитроны в космических лучах; это были первые известные ученым античастицы. Впоследствии к ним прибавились антипротоны, антинейтроны, антигипероны и многие другие антиподы частиц. До открытия искусственной радиоактивности позитроны в лабораторных экспериментах себя не обнаруживали.
С современной точки зрения методы идентификации продуктов ядерных реакций, использовавшиеся Ирен и Фредериком Жолио-Кюри, были довольно примитивными, хотя в свое время они поражали своей быстротой и наглядностью.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри смогли выделить первый искусственный радиоактивный изотоп в химически чистом виде. Они, конечно, немедленно продемонстрировали его Мари Кюри. Фредерик, описывая эту сцену, не скрывает своего восхищения перед великой исследовательницей радия: "Мари Кюри была свидетельницей наших поисков. Я никогда не забуду выражение радости на ее лице, появившееся, когда Ирен и я показали ей первый искусственный радиоактивный элемент в маленькой стеклянной трубочке. Я и сейчас вижу, как она берет пальцами, обожженными радием, маленькую трубочку, в которой находится искусственно созданный элемент, правда, с еще очень слабой радиоактивностью. Чтобы проверить правильность того, что мы сообщили ей, она подходит к счетчику Гейгера - Мюллера и слышит частые щелчки. Без сомнения, это было последнее большое удовлетворение, которое она испытала в своей жизни. Через несколько месяцев Мари Кюри скончалась от лейкемии".
После открытия искусственной радиоактивности к исследованию ее было привлечено внимание физиков многих стран, главным образом в Европе и Америке. Одним из важнейших результатов стало открытие плутония-239, которое позволило развить атомную энергетику и создать военную ядерную мощь современных государств.
Поразительным примером развития идей и опытов Жолио-Кюри было создание обширной области синтеза и практического применения радиоактивных изотопов. Это можно оценить как подлинный переворот в современной науке, технике и промышленности.
В своем докладе в Стокгольме в связи с получением Нобелевской премии по химии в 1935 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри уверенно предсказывали перспективы применения искусственных радиоактивных изотопов для лечения некоторых болезней, что позднее было подтверждено на практике. Они говорили также об использовании радиоактивных изотопов для точного определения мест скопления тех или иных химических элементов и соединений в организме человека, т.е. об их применении в целях диагностики. Не более чем через 20 лет после открытия искусственной радиоактивности применение искусственно получаемых на ускорителях и в ядерных реакторах самых различных радиоактивных изотопов стало одной из важнейших и массовых областей мирного применения атомной энергии. Для биологов и медиков радиоактивные изотопы открыли новые перспективы.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри с помощью разработанных ими методов получили большое количество бета-радиоактивных изотопов. Именно тогда они пришли к выводу, что природные радиоактивные элементы - радий, полоний, уран и другие - составляют теперь семью редких представителей радиоактивных элементов (с альфа-распадом), существовавших на Земле в большом количестве миллионы и миллиарды лет назад.
В 1935 году Фредерик Жолио-Кюри в своем Нобелевском докладе говорил: "Мы видим, что несколько сот различного рода атомов, составляющих нашу планету, не являются раз и навсегда созданными и существуют не вечные времена. Мы воспринимаем это именно так потому, что они существуют еще сейчас. Другие же, менее устойчивые атомы уже исчезли. Из этих последних некоторые, вероятно, будут вновь получены в лабораториях. До настоящего времени удалось получить лишь элементы с короткой продолжительностью жизни, от доли секунды до нескольких месяцев. Чтобы образовать достойные упоминания количества элемента со значительно большей продолжительностью жизни, необходимо располагать очень мощным источником излучений".
В то время ускоритель заряженных частиц имелся только в распоряжении Эрнеста Лоуренса в США. Однако дальнейшее развитие ускорительной техники за сравнительно короткий период времени достигло выдающихся успехов. Например, в Серпухове построен гигантский ускоритель на 70 миллиардов электрон-вольт; существуют проекты еще более крупных ускорителей на сотни и даже тысячу миллиардов электрон-вольт. Все это как раз и дает в руки исследователей тот "очень мощный источник излучений", о котором говорил Фредерик Жолио-Кюри.
Радиоактивный бета-распад открыл перед учеными новые возможности получить информацию о ядрах многих элементов периодической системы, у которых до этого были известны только стабильные изотопы. Стабильные изотопы не могли дать этой информации. Развитие работ по получению и идентификации новых радиоактивных изотопов потребовало создания принципиально новых методов экспериментальной физики, которые позволяют получать информацию о новом элементе, даже если он присутствует в количестве всего нескольких атомов. Мы уже видели, что искусственные радиоактивные изотопы успешно применялись для идентификации незначительных количеств трансурановых элементов.
Особо следует подчеркнуть выдающееся значение открытия искусственной радиоактивности для развития идей и методов, которые очень быстро привели к овладению атомной энергией и, в частности, к созданию высокоэффективного ядерного топлива. В Нобелевском докладе Фредерик Жолио-Кюри говорил: "Если, обратившись к прошлому, мы бросим взгляд на успехи, которые были достигнуты наукой во все убыстряющемся темпе, то мы вправе думать, что исследователи, конструируя или разрушая элементы по своему желанию, смогут осуществить ядерные превращения взрывного характера, настоящие химические цепные реакции". Дело в том, что в то время уже были известны цепные химические реакции, открытые академиком Н.Н.Семеновым, но, разумеется, не было цепных ядерных реакций: прилагательное "цепные" было добавлено к ядерным реакциям после открытия деления урана и теоретического расчета возможности выделения вторичных нейтронов. Говоря о ядерных реакциях взрывного характера, Жолио-Кюри, конечно, имели в виду не детонацию, а именно саморазвивающийся "цепной процесс" деления ядер. Именно так можно думать, исходя из последующих слов: "Если окажется, что такие превращения распространяются в веществе, то можно составить себе представления о том громадном освобождении энергии, которое будет иметь место".
Еще в начале века выдающийся английский химик Фредерик Содди, работавший вместе с Резерфордом в Мак-Гиллском университете Монреаля (Канада), выпустил небольшой труд под заглавием "Интерпретация радия". В нем Содди изложил свою гипотезу о существовании еще неизвестных изотопов химических элементов. Многие ученые того времени не приняли эту идею и называли ее фантастической. Но предвидения Содди произвели глубокое впечатление на английского писателя-фантаста Герберта Уэллса. На основе гипотезы Содди Уэллс в 1912 году написал фантастический роман "Освобожденный мир".
Герой романа ученый Холстен в 1933 году, т.е. через 20 лет после выхода в свет романа, открывает явление, подобное тому, которое было названо супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивностью. Любопытно, что предсказание Уэллса совпало с датой действительного открытия искусственной радиоактивности. Холстен произвел "атомную дезинтеграцию" мельчайшей частицы висмута (термин "дезинтеграция" заимствован у Содди). При этом частица висмута взорвалась, превратившись в газ с исключительно "сильной радиоактивностью", который распался в течение семи дней. В противоположность Жолио-Кюри Уэллс не выразил никаких предположений о возможностях мирного применения "атомной дезинтеграции" и весь роман построил на военном применении открытого Холстеном процесса. Уже тогда писатель высказал мысль о том, что среди искусственно созданных человеком радиоактивных изотопов некоторые будут обладать огромной взрывной силой. В романе Уэллса это вещество названо "каролиний", что несколько напоминает название "плутоний" - трансурановый элемент, примененный в атомных бомбах.
Осенью 1935 года Фредерик Жолио-Кюри решил приступить к некоторым экспериментам по применению бета-радиоактивных изотопов для биологических исследований и медицинской диагностики. Раньше он никогда не ставил таких опытов и вообще был далек от биологии и медицины. Можно напомнить, что многие замечательные открытия в физике побуждали их авторов использовать свои открытия в гуманных целях, в частности в медицине. Так было, например, с Вильгельмом Рентгеном, который, несмотря на то, что никогда не был связан с медициной, первый предложил использовать открытые им лучи для медицинских исследований. Мари Кюри создала целую область медицины, известную в ее время под названием кюри-терапии; она сделала первые, но весьма важные шаги в использовании радия для лечения рака.
Опыты Фредерика Жолио-Кюри в области биологии и медицины, как подтвердилось в дальнейшем, были чрезвычайно важными и плодотворными; они положили начало широчайшему применению радиоактивных изотопов для распознавания многих болезней и для лечения больных.
В наше время участие физиков в решении проблем биологии и медицины помогает продвижению вперед этих областей науки, когда-то казавшихся весьма далекими от физики и математики. Известно много случаев, когда крупные физики интересовались проблемами биологии (например Нильс Бор, И.Е.Тамм). Фредерик Жолио-Кюри был, пожалуй, первым известным физиком, непосредственно заинтересовавшимся проблемами медицинской диагностики с применением ядерной энергии. Теперь физики часто принимают участие в решении медицинских проблем как теоретических, так и практических.
Фредерик Жолио-Кюри написал несколько статей по вопросу практического применения искусственных радиоактивных изотопов. В одной из них, напечатанной в 1954 году под названием "Будущее ядерной физики во Франции", он высказал мысль о широком развитии радиоизотопных методов исследований в науке и технике и указывал на возможности конкретного использования изотопов в промышленности, например для просвечивания литья в целях обнаружения дефектов, для измерения толщины металлических изделий в процессе их производства, для устранения электростатического электричества, образующегося при изготовлении текстиля, для измерения расхода жидкостей, исследования механизма фотосинтеза и т.д. Он также подчеркивал возможность применения радиоактивных изотопов в энергетике.
Открытие искусственной радиоактивности Луи де Бройль с полным основанием назвал великим; история науки и техники, так же как и достижения сегодняшнего дня, подтвердили правильность этой оценки. На торжественном заседании Парижской академии наук в октябре 1959 года Луи де Бройль, один из двух самых выдающихся учеников Поля Ланжевена (вторым был Фредерик Жолио), сказал: "Оба они (Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. - Ф.К.) стали физиками с мировой известностью. Однако им не хватало великого открытия, которое было бы их вкладом в науку. И они сняли его с древа своих трудов, как снимают созревший плод. Этим великим открытием были искусственные радиоактивные элементы".
Вскоре после получения Нобелевской премии Фредерик Жолио-Кюри стал заведующим кафедрой ядерной химии в Сорбонне и руководителем работ группы французских и иностранных исследователей. К его обширным педагогическим обязанностям прибавилось много научно-организационной работы. Прекрасно понимая важность исследований в области ядерной физики, Фредерик намерен был прежде всего создать условия для развертывания ядерных исследований во Франции. В течение нескольких лет он строит ускоритель Ван де Граафа на 1 миллион электрон-вольт в строительном институте в Аркей-Кашан, заново оборудует Лабораторию Ампера, преобразуя ее в Лабораторию атомного синтеза; строит циклотрон на 7 миллионов электрон-вольт в Коллеж де Франс.
В то же самое время Ирен Жолио-Кюри проводит исследования трансурановых элементов и в этой работе у нее оказывается талантливый сотрудник - югославский физик Павле Савич, впоследствии руководитель крупнейшего в Югославии Института ядерных исследований "Борис Кидрич".
Можно полагать, что к этому времени Ирен и Фредерик Жолио-Кюри понимают, что их работы, как сотни и тысячи других работ по ядерной физике, проводимых во многих странах, приведут в конце концов к возможности практического использования атомной энергии главным образом в качестве энергетического источника. В своем сообщении об открытии искусственной радиоактивности ученые, говоря о возможности "внешней причиной" вызвать радиоактивность некоторых ядер, которая существует непродолжительное время и после удаления источника облучения, высказывали также предположение о существовании более "продолжительной радиоактивности", если облучать элементы другими частицами. Какими?
Супруги Жолио-Кюри утверждали, что более мощными частицами для облучения должны служить пучки протонов и дейтронов, разогнанные до значительных энергий в высоковольтных ускорителях. Этим и объясняется стремление Фредерика оборудовать в руководимых им лабораториях новейшие ускорители, которые в то время только что появились. После опытов Джона Кокрофта и Эрнеста Уолтона, построивших в Кевендишской лаборатории первый высоковольтный ускоритель, Эрнест Лоуренс, чьим именем теперь называется крупнейшая лаборатория по физике высоких энергий Калифорнийского университета, достиг наилучших результатов в создании ускорителя частиц - циклотрона.
С нынешней точки зрения даже примитивные по мощности ускорители того времени еще долго оставались редкостью в европейских лабораториях. Многие исследователи продолжали использовать для бомбардировки мишеней альфа-частицы, но открытие нейтронов изменило положение. Молодой итальянский ученый профессор Римского университета Энрико Ферми, как только узнал об опытах Жолио-Кюри, решил повторить их. Однако для бомбардировки он применил не альфа-частицы, как делали Жолио-Кюри, а нейтроны.
Его намерение можно понять, вспомнив слова Джеймса Чадвика из доклада, прочитанного в Стокгольме в 1933 году по случаю вручения ему Нобелевской премии. Большая эффективность нейтронов в получении ядерных реакций легко объясняется. При столкновении положительно заряженной частицы с ядром вероятность ее проникновения в ядро ограничена кулоновской силой их взаимодействия. Этим определяется минимальное расстояние, на которое может приблизиться частица. Расстояние возрастает с увеличением атомного номера ядра и вскоре достигает столь большой величины, что вероятность проникновения частицы в ядро становится очень малой. В случае же соударения нейтрона с ядром ограничений такого рода не существует. Сила взаимодействия нейтрона с ядром очень мала, только на очень малых расстояниях она начинает быстро расти и носит характер притяжения. Вместо потенциального барьера, как в случае заряженных частиц, нейтрон встречает "потенциальную яму". Поэтому даже нейтроны очень малой энергии могут проникнуть в ядро.
Ферми в статье, опубликованной в итальянском научном журнале, так охарактеризовал нейтроны как частицы для бомбардировки: "Применение нейтронов как бомбардирующих частиц страдает тем недостатком, что число нейтронов, которыми можно практически располагать, неизмеримо меньше числа альфа-частиц, которые можно получить от радиоактивных источников, или числа протонов или дейтронов, которые можно ускорить в высоковольтных устройствах. Но, с другой стороны, этот недостаток частично компенсируется большей эффективностью нейтронов при получении искусственных ядерных реакций. Нейтроны обладают также тем преимуществом, что им свойственна большая способность вызывать ядерные реакции в том смысле, что число элементов, которые могут быть активированы нейтронами, значительно больше числа активных элементов, которые можно получить с помощью других радиоактивных частиц".
Энрико Ферми использовал в своих опытах источник нейтронов в виде стеклянной трубочки, содержащей порошок бериллия и радий. Трубочка вводилась в цилиндрический образец какого-нибудь элемента, если это был, например, металл. Для газов использовалась другая методика. После того как элемент интенсивно облучался определенное время нейтронным потоком, его быстро переносили к счетчику Гейгера - Мюллера, расположенному в другой комнате, и регистрировали импульсы счетчика, определяя, радиоактивен элемент или нет. Ферми подверг бомбардировке нейтронами 68 элементов, в том числе фтор, аллюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро, йод. В первых опытах, естественно, он использовал те же элементы, что и Жолио-Кюри. У 37 элементов Ферми, и его сотрудники, которых он привлек к этим опытам (Э.Амальди, О.Д'Агостино, Ф.Разетти, Б.Понтекорво) надежно обнаружили явление искусственной радиоактивности.
Независимо от Жолио-Кюри Ферми обнаружил, что если па пути нейтронов находится парафин или вода, то, пройдя эти вещества, нейтроны становятся более эффективными "снарядами", и результат бомбардировки в некоторых случаях повышается в 100 раз. Обнаружив это явление, важность которого стала понятна несколько позже, Ферми провел серию опытов для более детального изучения замедления нейтронов. Опыты проводили так: в центре мишени, изготовленной в виде маленького цилиндрика, помещали на определенное время источник нейтронов. Затем мишень помещали у счетчика Гейгера - Мюллера и определяли интенсивность искусственной радиоактивности; этот же опыт повторяли, помещая источник нейтронов и мишень на время облучения в полость в центре парафинового блока. После измерения интенсивности искусственной радиоактивности мишени ученые убеждались, что она гораздо больше, чем в опытах без парафина. Таким образом, было сделано еще одно важное открытие на пути к овладению атомной энергией, а именно показано, что замедление нейтронов повышает их эффективность как бомбардирующих частиц.
Эффект замедления нейтронов часто называют "эффектом Ферми", хотя правильнее было бы называть его "эффектом Жолио - Ферми". Позже свойство парафина, воды, графита замедлять нейтроны сыграло исключительно важную роль в практическом использовании атомной энергии. В ядерных реакторах, построенных под руководством Ферми в США и И.В.Курчатова в СССР, использовался в качестве замедлителя нейтронов графит. В реакторе, созданном Жолио-Кюри, замедлителем нейтронов была тяжелая вода. Но от искусственной радиоактивности до постройки ядерных реакторов необходимо было пройти еще сложный путь, и Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были в числе лидеров.
Ферми объяснял эффект замедления нейтронов тем, что содержащиеся в парафине атомы водорода замедляют нейтроны значительно сильнее, чем атомы других элементов. Поскольку массы нейтрона и протона почти одинаковы, при каждом столкновении этих двух частиц их кинетическая энергия распределяется почти поровну. Ферми показал, что нейтрон с энергией 2 миллиона электрон-вольт после двадцати столкновений с атомами водорода теряет свою энергию почти до уровня теплового возбуждения. Поэтому медленные нейтроны называются также тепловыми нейтронами. Оставалось еще объяснить факт, казавшийся парадоксальным, а именно: почему тепловые нейтроны более эффективны для осуществления ядерных реакций, чем быстрые? Этот парадокс был объяснен с помощью квантовой механики.
Пользуясь замедленными нейтронами, Ферми и его сотрудники получили радиоактивные изотопы всех элементов, выбранных для опытов, причем в ряде случаев интенсивность излучения изотопов была больше, чем у радия.
Экспериментальные данные и теоретические соображения позволили Ферми прийти к выводу о существовании трех процессов образования искусственных радиоактивных элементов. Все они начинаются с захвата нейтрона ядром, после чего ядро испускает альфа-частицу или ничего не испускает, но во всех трех случаях образуется новый радиоактивный изотоп. Первые два процесса встречаются чаще при бомбардировке легких ядер, третий - при бомбардировке ядер тяжелых элементов.
В 1934 году в опытах, продолжавшихся в Римском университете, Ферми облучал нейтронами уран. В результате образовывалась смесь нескольких бета-радиоактивных изотопов. Среди них, по мнению Ферми, Разетти и Д'Агостино, должны были находиться элементы с атомными номерами 93 и 94. Они даже назвали эти элементы аусонием и эсперием. Позднее стало ясно, что хотя при бомбардировке урана и тория действительно образуются трансурановые элементы, сообщение Ферми об открытом им первом трансурановом элементе 93 было неверно. По словам Бруно Понтекорво, это была единственная ошибка Ферми в течение его долгой и блестящей исследовательской деятельности.
Объясняя образование нового элемента, принятого за трансурановый, Ферми исходил из классического рсзерфордовского механизма искусственных ядерных реакций, известного в то время. В ядерных реакциях, осуществленных Резерфордом в течение нескольких лет (с 1919 года), ядра при столкновении с альфа-частицами испускали одну или несколько частиц и превращались в ядра других элементов, находящихся в соседних клетках таблицы Д.И.Менделеева. Ферми считал, что при бомбардировке нейтронами ядро урана поглощает медленный нейтрон и становится сверхтяжелым неустойчивым ядром изотопа урана, ранее неизвестного в природе. Это неустойчивое ядро изотопа урана испускает бета-частицу и в соответствии с законом Содди и Фаянса превращается в новый элемент с порядковым номером 93.
Как ни парадоксально, но ошибка Ферми сыграла положительную роль в дальнейшем развитии ядерной физики, которое в конце концов привело к открытию реакции деления урана и, следовательно, вплотную приблизило физиков к овладению атомной энергией.
Ирен Жолио-Кюри решила проверить правильность утверждения Ферми об открытии им 93-го элемента. Вместе с Павле Савичем она исследовала вещество, принятое Ферми за новый трансурановый элемент, и показала, что оно обладает свойствами лантана. Это открытие предвещало сенсацию в физике, а именно установление того факта, что существуют ядерные реакции, при которых ядро "раскалывается" на два приблизительно равных по массе осколка. Теперь каждый знает, что такая реакция называется реакцией деления и именно она лежит в основе использования атомной энергии.
В 1938 году на конгрессе Национального химического объединения в Риме Фредерик Жолио-Кюри встретил немецкого ученого Отто Гана и рассказал ему об опытах Ирен и Павле Савича. По этому поводу профессор Ган сказал Фредерику примерно следующее: "Я очень восхищен вашей женой и очень дружелюбно отношусь к ней. И все же я решил повторить ее опыты и надеюсь в скором времени показать, что она ошиблась". Знаменитому немецкому радиохимику, ученику Резерфорда, казалось маловероятным, что при бомбардировке нейтронами урана в результате ядерной реакции получается лантан.
Возвратившись в Берлин, Отто Ган вместе с Лизе Мейтнер, а позднее с Фрицем Штрассманом занялся проверкой опытов Ирен Жолио-Кюри. Пользуясь методикой Ферми и Жолио-Кюри, Отто Ган с сотрудниками Института химии Кайзера Вильгельма в Берлине облучал уран потоком нейтронов и исследовал продукты, получающиеся при ядерной реакции. Исследователи с удивлением обнаружили среди этих продуктов не только лантан, подмеченный Ирен Жолио-Кюри, но и барий, т.е. другой элемент средней части таблицы Д.И.Менделеева.
Но прежде чем рассказать о последствиях экспериментов Ирен Жолио-Кюри, которые привели к открытию цепной реакции деления урана и значительно приблизили возможность создания ядерного реактора, напомним о том, что в продуктах деления урана действительно были также и трансурановые элементы; однако их обнаружили через несколько лет после опытов Ферми, о которых шла речь. В 1940 и 1941 годах были получены первые трансурановые элементы: нептуний и плутоний с порядковыми номерами 93 и 94. В течение последующих лет физики и радиохимики открыли еще около десятка других трансуранов - америций, кюрий, берклий, калифорний и другие. Методы выделения новых трансурановых элементов основаны на бомбардировке мишеней различными частицами. Так, кюрий и калифорнии получали облучением нейтронами плутония и америция в ядерном реакторе.
Отто Ган и Фриц Штрассман вскоре после своих опытов, проведенных для проверки открытия Ирен Жолио-Кюри и Павле Савича, высказали предположение о том, что ядро урана при бомбардировке нейтронами может раскалываться на два радиоактивных осколка, примерно одинаковых по массе.
Статья Гана и Штрассмана была в январе 1939 года получена Жолио-Кю...