Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

МЕДЛЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ

Осенью 1934 года Ферми поручил Амальди и Бруно Понтекорво подсчитать количество радиации, излучаемой каждым бомбардируемым элементом. Амальди тем летом был вместе с Сегре в Кембридже и опубликовал там в журнале Proceedings of the Royal Society анализ на тему «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой». Амальди знал, что условия эксперимента оказывали значительное влияние на количество испускаемой радиации.

Между 18 и 22 октября того же года Амальди и Понтекорво изучили поглощающие свойства таких материалов, как свинец, в зависимости от величины вещества и условий эксперимента. В свинцовую коробку они поставили цилиндр из серебра, а счетчик Гейгера разместили позади источника нейтронов радона-бериллия (см. рисунок на следующей странице). Ученые провели несколько опытов с цилиндрами одинаковых размеров, но из разных материалов, меняя их положение в коробке. Измеряемая радиоактивность менялась в зависимости от положения цилиндров, и ученые не понимали причин этого.

Амальди и Понтекорво поделились трудностями с Ферми и Разетти. Те изменили эксперименты так, чтобы устранить возможные причины ошибок: Разетти был уверен (и совершенно справедливо), что для уменьшения статистических ошибок нужна большая точность. Амальди вместе с Понтекорво поняли, что радиоактивность менялась в зависимости от того, проводились опыты на деревянном или мраморном столе. Тогда Ферми предложил проделать все то же самое вне свинцовой коробки: радиоактивность менялась даже при приближении металлических или других предметов. Тогда он посоветовал поместить между нейтронным источником и серебряным цилиндром различные материалы. Несколько дней все «ребята с улицы Панисперна» участвовали в опытах.

Некоторые свинцовые плиты, помещенные между источником и цилиндром, увеличивали радиоактивность. Тогда Ферми решил попробовать то же самое с блоком парафина, и радиоактивность выросла в огромное количество раз. Медленные нейтроны могли увеличивать радиоактивность.

Схема бомбардировки в эксперименте Ферми.

Объяснялось это так: при столкновении с легкими атомами, такими как атомы воды или парафина, некоторые нейтроны отдавали им часть своей энергии, не будучи при этом поглощенными, а затем, после нескольких столкновений, приобретали скорость, свойственную материалу, становясь так называемыми термическими нейтронами, которые увеличивали свою эффективность при столкновениях с цилиндром, так как с большей легкостью вступали в резонанс с ядрами атомов серебра. Поэтому деревянные столы способствовали небольшому увеличению радиации по сравнению с мрамором: они сильнее сдерживали нейтроны. В структуре парафина и дерева находятся ядра водорода, которые содержат протон с массой, близкой к массе нейтрона, поэтому торможение нейтронов облегчало их взаимодействие с ядрами атомов серебра.

Ферми предложил провести опыт с большим количеством воды. Если его теория была верна, то большое количество водорода в воде произвело бы такой же эффект, что и парафин. Исследователи решили пойти к фонтану в частном саду сенатора Корбино, который, будучи начальником отделения, жил на четвертом этаже здания на улице Панисперна. Погрузив нейтронный источник и серебряный цилиндр в воду, они увидели, что, как и ожидалось, радиоактивность значительно увеличилась. Ферми был прав. В ту же ночь ученые написали статью для La ricerca scientifica под названием «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», за которой последовали еще несколько работ, дополняющих ее.

Через пару дней после этого вторжения Корбино увиделся с исследователями в лаборатории и попытался убедить их больше ничего не публиковать о медленных нейтронах. Сначала Ферми был очень удивлен, но прагматичный Корбино объяснил ему свою позицию: их открытие могло быть использовано в промышленных целях, а потому его надо запатентовать. Он сразу понял, что радиоактивные изотопы можно применять, например, в медицине как маркеры, а также в ядерных технологиях. В декабре того же года ученые начали готовить документы, и 26 октября 1935 года Ферми, Разетти, Сегре, Амальди, Д’Агостино, Понтекорво и Трабакки (химический поставщик) получили первый патент (под номером 324458). В 1953 году после нескольких лет разбирательств правительство США выплатило 400 тысяч долларов за права на этот патент, по 24 тысячи долларов Ферми и каждому из членов группы, а также покрыло все судебные издержки.

К сожалению, когда в ходе бомбардировки урана Ферми увидел, что радиоактивность превышала предполагаемую, он не понял, что речь шла о делении ядра, о котором писала немецкий химик Ида Ноддак. Это была «большая ошибка Ферми», как он сам смиренно признавал, но именно благодаря ей ни у США, ни у Германии не оказалось перед началом Второй мировой войны готовой ядерной бомбы.

В диаграмме Сегре представлено число нейтронов (АО по сравнению с протонами (2) в каждом ядре. Стабильность ядер увеличивалась больше от нейтронов, чем от протонов. Серым обозначен период полураспада изотопов, а черным — зона стабильных ядер.

РАСПАД ГРУППЫ С УЛИЦЫ ПАНИСПЕРНА

Скорость частиц, с помощью которых осуществлялась бомбардировка, имела решающее значение для получения радиоактивных материалов. Получив финансирование от фонда Алессандро Вольты, Ферми между 1935 и 1936 годами отправил Разетти на стажировку в лабораторию Милликена в Пасадину и в Беркли (где Лоуренс разработал ускоритель частиц), Понтекорво — в Париж в лабораторию Жолио-Кюри, а д’Агостино — в Национальный химический институт. Тем временем Сегре в 1935 году женился и получил место заведующего кафедрой экспериментальной физики в Палермо. Вскоре Амальди и Ферми остались в Риме единственными, кто продолжал исследования, начатые с бомбардировок медленными нейтронами и с создания радиоактивных изотопов. Вместе они открыли, что процесс захвата нейтрона ядром обратно пропорционален скорости самого нейтрона. Ферми разработал уравнение диффузии, которое объясняло и поглощение нейтронов ядрами, и диффузию медленных нейтронов. В нем ученый анализировал время жизни нейтрона с момента его создания в источнике до того, как он становился частью материала, с которым сталкивался (то, что сегодня называется временем Ферми). Ферми и Амальди написали несколько статей для La ricerca scientifica и летом 1936 года, воспользовавшись пребыванием в Колумбийском университете, опубликовали полученные результаты в журнале The Physical Review в статье «О поглощении и диффузии медленных нейтронов» Амальди задержался в США на месяц и принял участие в создании линейного ускорителя протонов. Позже Сегре предложил графическое изображение различной способности ядер поглощать нейтроны, известное сегодня как диаграммы Сегре (см. рисунок на предыдущей странице).

Тем временем ситуация в Италии становилась все сложнее из-за радикализации фашизма. Муссолини захватил Эфиопию, что привело к международному кризису. Девятого мая 1936 года он провозгласил Италию империей, а Виктора Имануила III — императором. В октябре — создал ось Рим — Берлин, подписав с нацистской Германией пакт, по которому эти страны становили внешнеполитическими союзниками.