Деление атомного ядра

В первой трети XX в. физики стремились разобраться, что же происходит во время бомбардировки атомов субатомными частицами. Эксперименты показали, что бомбардировка приводит к делению атомного ядра с высвобождением огромной энергии, которую можно использовать для получения электричества. Так были созданы ядерные реакторы. По данным МАГАТЭ (Международного агентства по атомной энергии), на февраль 2011г. в мире насчитывалось уже 442 действующих реактора.

В 1932 г. английский физик Джон Кокрофт и ирландский физик Эрнест Уолтон создали каскадный генератор и осуществили ядерную реакцию с искусственно ускоренными протонами. Два года спустя французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности, вызванной быстрыми альфа-частицами, и получили ряд искусственных радиоактивных изотопов. В том же году итальянский физик Энрико Ферми впервые наблюдал искусственную радиоактивность при бомбардировке атомного ядра нейтронами (частицами, открытыми в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком).

Немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году открыли деление ядер урана под действием нейтронов. Правильную интерпретацию этого опыта дали австрийский физик Лиза Мейтнер и английский физик Отто Фриш. Согласно их интерпретации, ядро урана поглощает нейтрон, что вызывает мощную вибрацию, в результате которой ядро распадается на две части, высвобождая энергию около 200 млн электронвольт (=3,204х10'п Дж). Ган и Штрассман также обнаружили, что, помимо высвобождения большого количества энергии, деление ядра урана приводит к испусканию нейтронов, которые могут вызвать деление других ядер урана, что в свою очередь положит начало цепной реакции. Экспериментально это подтвердили супруги Жолио-Кюри и американский физик Лео Сцилард.

В природе встречается три типа изотопов урана, причем всегда в одном соотношении: уран-238 составляет 99,2745%, уран-235 -0,71%, уран-234 - 0,006%. Согласно расчетам датского физика Нильса Бора, деление должно более активно происходить в уране-235, чем в любом из остальных изотопов. Следовало найти способ разделения изотопов (сейчас этот способ называется обогащением). Бор также рассчитал, что деление будет проходить эффективнее, если нейтроны замедлить. Сцилард и Ферми решили окружить уран «замедлителем» - слоем вещества, например графита, ко-торое будет замедлять нейтроны.

Летом 1939 г. Бор и американский физик-теоретик Джон Уилер опубликовали полное описание процесса деления атомного ядра. В это же время французский физик Франсис Перрен  показал, что для поддержания цепной реакции требуется определенная «критическая масса» урана, обеспечивающая достаточный выход нейтронов для расщепления других ядер атомов урана. Чтобы контролировать активность деления, Перрен предложил использовать вещество, которое поглощало бы (а не замедляло) нейтроны. Развил эти идеи английский физик Рудольф Пайерлс.

Первый реактор, который Ферми создал в Чикагском университете и непочтительно назвал «кучей», был запущен 2 декабря 1942 г. В 1951 г. близ города Айдахо-Фолс (США) заработал экспериментальный реактор-размножитель, который впервые начал давать электричество.

Ученым давно стало ясно, что цепную ядерную реакцию можно использовать для создания невероятно мощной бомбы. Работы над атомной бомбой начинаются в Британии и Соединенных Штатах. В августе 1942 г. обе программы объединились в Манхэттенский проект. Первое успешное испытание бомбы произошло в пустыне Нью-Мексико 16 июля 1945 г.

Подобные исследования проводились и в СССР. К 1940 г. советские ученые тоже понимали принципы ядерного деления и видели возможность цепной реакции. Но Сталин далеко не сразу прислушался к их доводам. Работа группы ученых, возглавляемых физиком-атомщиком Игорем Курчатовым, началась лишь в 1942 г. Первый советский реактор заработал в 1946 г,, а первая советская атомная бомба была взорвана в 1949г.

Джон Кокрофт в 1932 г. сфотографировал каскадный генератор (ускоритель протонов), построенный им и Эрнестом Уолтоном в Кавендишской лаборатории (Кембридж). За проведенную работу ученые были удостоены Нобелевской премии по физике (1951).

Ученые наблюдают за ходом управляемой цепной реакции, осуществлявшейся в атомном реакторе Чикагского университета (1942). Поскольку из-за радиации фотографировать было невозможно, событие запечатлел на рисунке художник.