2
Физика и научно-технический прогресс
Академик И. К. КИКОИН
Первая часть этой статьи, посвященная влиянию физических открытий на развитие техники в XIX веке, была опубликована в 3-м номере нашего журнала.
В 1896 году французский физик Анис Беккерель, узнал об открытии Рентгена, предложил, что источникомRENTGENA, представляет лучший случай флуоресцирующие вещества*. У Беккерель была целая коллекция таких веществ, среди которых наиболее интенсивно флуоресцировала уравновая соль. Он провел ряд экспериментов. В опытах Беккереля флуоресцирующая уравновая соль действительно засвечивала фотопластику, заключую черной бумагиой. Но однажды он случайно оставил не освещенную предварительную уравновую соль около фотопластики. Оказалось, что и в этих условиях, в отсутствие флуоресценции, уравновая соль засвечивала зашищенную черной бумагиой фотопластику. Беккерель решил, что уравновая соль испускает лучи, подобныеRENTGENA. Так было открыто явление, получшее название предактивности (от латинского слова радиус — луч).
Этим явлением заинтересовались французские физики супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри.
*) Флуоресценция — свечение некоторых веществ, возникших после облучения их светом. Флуоресценция имеет конечную длительность.
Онни занялись детальным изучением урана и отходов от его фабричного производства и впервые обнаружили, что эти отходы дают излучение, которое по интенсивности намного превосходит излучение самого урана. В результате огромной работы Мария и Пьер Кюри впервые в мире выделили из этих отходов два новых доселе неизвестных элемента — положий и радиий.
Интенсивность излучения радия (в действительности это был хлопид радия) оказалась в миллион раз выше, чем интенсивность излучения урана. Вяя снилось что каждый грамм радия в течение часа излучает около 580 джойлей. Непрерывное излучение химического элемента энергии было совершено непонятно и на первый взгляд, казалось, противоречило закону сохранения энергии.
Способность радия испускать, хотя и очень медленно, значительные количества энергии больше всего заинтересовала физиков. Что заставляет радиоактивные вещества испускать лучи? Какова природа этих лучей? Откуда радиоактивные вещества берет энергию, которое они отдают в форме своих танистенных лучей? Такие вопросы волновали физиков. Это была загадка радия. Многие физики ломали голову над ее решением.
Экспериментальные исследования излучения радия продолжили Мария и Пьер Кюри. Они помещали радий в магнитное поле (между полосами электромагнита) и заметили удивительное явление — излучение радия заметно ослабло. Супруги Кюри договорались, что ослабление излучения радия в магнитном поле связано с отклонением в этом поле каких-то загруженных частиц. Эти частицы назвали β-частицами. Тепер извесно, что β-частицы — это электроны.
Резерфорд обнаружил, что кроме β-частицы радия испускает еще и положительное заряжение частицы. Они получили название α-частиц. И наконец, часть излучения радия, на которой магнитное поле вовсе не влияет, получила название γ-частиц.
4
Если в Солнечной системе планеты движутся под действием gravитационных ньютоновских сил, то в атоме электrons движутся вокруг заряда под действием электрических, кулоновских сил.
«Солнце» было назван ядром атома, которое имеет положительный заряд, равный сумме зарядоввращающихся вокруг электронов (что бы atom оставался электрическим нейтральным). Это так называемая планетная модель атома Резерфорда. Размер ядра при этом не превышает 10-тысячной доли разметра самого атома (так же как размер Солнца много меньше разметров всей Солнечной системы). Так на свет появился новый термин, характеризующий atom, — atomное ядро. Открытие ядра положило начало новой отрасли физики, которая теперь называется ядерной физикой.
Исследования рассеяния α-частица на различных элементах таблицы Менделеева привели к важному открытию: положительный заряд ядра численно равен произведению порядкового номера данного элемента в таблице Менделеева на заряд электрона. Это прошло новый свет на величий закон Менделеева, придав ему глубокий физический смысл. Оказалось, что номер химического элемента в его значению таблице равен числу электронов,вращающихся вокруг ядра. Было выясено также, что в состав ядра входят положительное заряжение частицы — протоны, заряд которых равен заряду электрона, а масса примерно в 1800 раз больше массы электрона.
Вначале изучением atomного ядра занимались лишь в очень небольшом числе laboratorий мира. Это laboratorия Резерфорда в Кембридже, laboratorия мадам Кюри в Париже и laboratorия Д. В. Скобельна в Ленинграде. Однако к концу давались — началу тридцатых годов основные свойства самих атомов были хорошо исследованы, и многие физики мира обратили свой взор на atomное ядро.
В 1932 году было сделано одно из крупнейших открытий в ядерной физике XX века: был открыт нейтрон — электрический нейтральная частица, масса которой приблизительно равна массе протона. Стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов.
Действительно, к тому времени было известно, что atoms, имеющие один и тот же номер в таблице Менделеева, могут обладают разными массами. Такие atoms называют изотопами данного элемента. Ядра atoms изотопов содержат таким образом, одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
В 1934 году супруги Ирен и Фредерик Жолно-Кюри сделали не менее важное открытие искусственного радиоактивности. Она заключалась в том, что легкие элементы (например, берилли) при облучении α-частицами сами становились радиоактивными, испуская при этом нейтроны.
При облучении тяжелых элементов таких ядерней не наблюдаются. Знаментийный инталянский физик Ферми договорался, что у тяжелых элементов сликом велика заряд ядра, и α-частица, имеющая заряд того же знака, не может к нему достагоно близко подойти. На нейтрон, не имеющий заряд, положительный заряд не будет действовать кулоновскими силами. Ферми выполнил цель ряд оптового по облучению различных элементов нейтронами и обнаружил, что практические все элементы после облучения становятся искусственно радиоактивными. После облучения большим источником испускагоно α- и β-частицы, γ-лучи, нейтроны. При испускании α- и β-частиц образовывались новые химические элементы.
Вскоре Ферми опубликовал большую работу, в которой приведены результаты своих исследований почти всех элементов таблицы Менделеева, которые после облучения нейтронами становились радиоактивными. При этом он дал практические полную характеристику искусственного радиоактивности каждой элемента. Тем самым открылась новая энсусквеного превращения элементов при соответствующем облучении.
6
Если бы удалось выделить практические в чистом виде , то, обеспечив его критическую массу, можно было бы получить огромное количество энергии. Как показали расчеты, процесс распределения практических чистого под действием нейтронов происходит очень быстро и носит характер взрыва (такие расчеты проводили Я. Б. Зельдович, Ю. Б. Харитон в СССР и ряд зарубежных физиков). Большое того, для этой цели даже не требуется специального источника нейтронов, потому что в атмосфере Земли всегда имеет небольшое количество нейтронов космического проискождения, которое достаточно для возникления взрывной реакции, если уран доступ к критической массы. Стало ясно, что таким образом можно создать грозное оружие — atomную бомбу.
Многие физики во всем мире занялиись детальным исследованием процесса деления ядер урана. Почти в каждом номере физических журналов во всем мире публикались научные статьи или заметки, выясняющие детали, касающиеся распределения ядер урана. Но получение чистого в нужных количествах, порядка десятиков килogramмов, казалось тогда фантастическим.
Однако вскоре стало ясно, что и естественная смесь изотопов урана может подвергаться цепной ядерной реакции. Для этого надо только как-то сизить энергию нейтронов, вылетающих при делении ядра . К счастью, оказалось, что скорость нейтронов можно регулировать в стороны ее уменшения очень простым путем. Для этого достаточно пропустить нейтроны через вещество, состоящее из атомов, масса которых мало отличается от массы самих нейтронов. Тогда при стольновении нейтронов с таким атомами они довольно быстро передают часть своей энергии этим атомам, тем самым уменшая свою скорость до уровня скорости теплового движения атомов.
Для заменения нейтронов пригодны вещества, масса атомов которых не слишком велика. Надо только, чтобы эти вещества не поглощали нейтронов, лишь их возможность заменить и распределить соответствующие ядра урана. Свойством малого поглощать нейтроны обладает тяжелая вода, в состав которого вместе двух атомов обчч-