Деление ядер
В 1930-х физика соединилась с политикой. А наука, научившись делить атомы, нашла средство превратить материю в энергию. И началось все с открытия нейтрона…
Итальянский физик Энрико Ферми выбрал нейтрон в качестве средства исследования атома, как в свое время Резерфорд использовал для этого альфачастицы. Однако нейтроны не несут электрического заряда и не отклоняются присутствующими в атомах заряженными частицами. Работавшая в Риме команда Ферми разработала принципиально новое оборудование для нейтронной бомбардировки атомов разных элементов, и в 1934 году ученые объявили об открытии элемента с атомным номером 94, который был получен при бомбардировке ядер урана. Сегодня он называется плутонием, а сам Ферми назвал его гесперий, или эсперий.
Немецкий физик Отто Ганн повторил этот эксперимент с бомбардировкой урана медленными нейтронами и неожиданно обнаружил в образце барий. Только его коллеги Отто Фриш и Лиза Мейтнер смогли понять, что барий получается по принципиально новому механизму. Ядро урана захватывает медленный (его еще называют тепловым) нейтрон и переходит в нестабильное состояние. Оно получается при этом столь возбужденным, что радиоактивного распада не происходит: ядро делится, разваливаясь на два других ядра с меньшими номерами.
Цепная реакция
Как видно из формулы Эйнштейна, связывающей энергию и массу (E=mc2), в реакции деления выделяется огромная энергия. Американский физик венгерского происхождения Лео Силард рассчитал, что при делении ядра в случае высвобождения двух и более нейтронов можно получить самоподдерживающуюся цепную реакцию. Каждый делящийся атом вызывает как минимум два новых деления до тех пор, пока не будут использованы все атомы. Если такую реакцию не контролировать, она вызовет взрывное выделение энергии и может быть использована в супермощной бомбе. В Европе назревала война, потому Силард и Ферми, на тот момент уже сбежавшие в Нью-Йорк от фашистов, решили держать в тайне свои исследования ядер. Однако Фредерик Жолио-Кюри (зять Марии Склодовской-Кюри), исследовавший ту же область, в 1939 году сообщил в докладе, что ядра урана-235 при делении дают как минимум три нейтрона.
Когда началась война, ученые сосредоточились на изучении контролируемой цепной реакции, рассматривая возможность создания супероружия. В 1942 году Энрико Ферми построил свою «Чикагскую поленницу-1» — первый в мире исследовательский ядерный реактор — на территории Чикагского университета. Для замедления быстрых нейтронов и удержания их внутри активной зоны использовались графитовые блоки, поскольку реактор был на тепловых нейтронах.
Поздние исследования Энрико Ферми легли в основу Манхэттенского проекта, а сам ученый сконцентрировался на обогащении урана — увеличении доли U-235 от природного значения 0,7%. Высокое содержание урана-235 необходимо для получения ядерного оружия. Атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки в 1945 году, доказали, что ядерное оружие это сила, с которой нельзя не считаться.