Истоки атома

Этот август у нас проходит под эгидой атомной энергии. Какое-то атомное лето получилось. Наш друг, коллекционер Антон Лунев, живет в подмосковном Обнинске - городе, который считают колыбелью мирного атома. Антон ведет переписку с участниками «атомных» событий, с филателистами, собирающими марки на эту тему и представляет на ваш суд свою очередную статью.

*  *  *

Ты помнишь, как все начиналось. Все было впервые и вновь. А. Макаревич

Вся начальная история атомной физики, есть непрерывная цепь научных открытий, которые делали своих авторов одними из самых популярных людей своей эпохи на ряду с политиками, ведущими предпринимателями и людьми из мира искусства. Это цепочка открытий, которые либо цепляясь одно за другое, либо идя параллельными путями и дополняли дуг друга. Все эти открытия легли в разработку фашистской Германией "оружия возмездия", именно эти открытия лежали в основе создания атомного оружия и в США и в СССР, да и в других странах позднее. И именно эти же открытия легли в основу разработки первого реактора, первой АЭС и первого ледокола.

Родоначальником этой цепочки принято считать Вильгельма Конрада Рентгена, хотя, лично я склонен отдать пальму первенства химикам, впервые получившим сначала окислы урана, а затем и сам уран и давшим ему это имя.

Но обо всем по порядку.

В 1796 году, практически за два столетия до открытия Рентгена, немецкий химик Мартин Генрих Клапрот, бывший аптекарь из города Данциг, извлек из руды добываемой в Саксонии черное металлоподобное вещество. Клапрот считал извлеченную субстанцию элементом, и дал ей название Уран, в честь недавно открытой планеты Солнечной системы — Уран.

Мартин Генрих Клапрот

Сам Клапрот описывал открытую им субстанцию, как «полуметалл», и был прав, поскольку сам не подозревая того, открыл один из окислов урана. Уран же в чистом виде, был получен и досконально описан спустя почти пол века другим химиком, французом Эженом Пелиго. Пелиго был профессором аналитической химии в одном из парижских университетов. Это позволило ему провести большое количество опытов и отработал схему получения, чистого металлического урана.

Эженом Пелиго

Однако француз ошибся в определении атомной массы урана и определил ее равной 120. Исправил эту ошибку наш русский ученый — химик Дмитрий Иванович Менделеев.

Дмитрий Иванович Менделеев

К середине XIX века уже было открыто и более менее описано почти семь десятков химических элементов, и ученые всего мира предпринимали попытки хоть как то систематизировать их. Ближе всех к решению поставленной задачи подошел английский химик и музыкант Джон Александр Ньюлендс.

Однако его работа не была принята всерьез его коллегами химиками, поскольку сам Ньюлендс от систематизации плавно перешел к поиску гармонии и связи химических элементов с музыкой. И вот в 1869 году году Дмитрий Иванович Менделеев в журнале Русского химического общества, опубликовал свое видение периодической таблицы. Вслед за этим он рассылает всем ведущим ученым — химикам уведомление о своем открытии.

Далее в течении двух лет Менделеев дорабатывал свою таблицу, пока она в 1871 году не приобрела привычный нам вид, с той лишь разницей, что элементов в ней было заметно меньше чем сейчас. И вот в 1871 году Менделеев окончательно формулирует свой периодический закон и полную на тот момент таблицу химических элементов. Сформулированный Менделеевым закон, позволил исправить ошибку в атомной массе урана. Менделеев утверждал, что атомная масса урана должна быть равна 240.

Сегодня это значение применяют равным 238.07. На этом интерес к урану в мире закончился на ближайшую четверт века. Однако наука не стояла на месте, и следующее событие в нашей цепочке открытий, это работа будущего нобелевского лауреата Вильгельма Конрада Рентгена.

Вильгельм Конрад Рентген

В 1895 году, ставя эксперименты с катодной трубкой Рентген совершил свое открытие «всепроникающих» лучей, о котором в местном научном журнале позже писал: «Вскоре мы обнаружили, что все тела прозрачны для этих лучей, хотя и в весьма различной степени». Статья сопровождалась фотографией кисти его жены Анны с обручальным кольцом, сделанной в этих лучах.

Эксперименты с успехом были повторены и подтверждены другим учеными всего мира, а лучи получили имя ученого и теперь носят название рентгеновских лучей. Сам же Рентген полагал, что ничего выдающегося не совершил. Однако, это было по истине выдающееся открытие, которое впоследствии позволило сделать огромный шаг в хирургии, травматологии и других отраслях медицины. И наступило это «впоследствии» чуть менее чем через месяц, когда американские врачи впервые применили открытие Рентгена для работы с реальным пациентом.

Однако нам пора вернуться к к уже открытому, систематизированному и незаслуженно временно забытому урану. Уже наступил 1896 год. И вот на одном из заседаний Парижской академии наук обсуждалась статья Рентгена, и Анри Пуанкаре(французский физик и математик) сделал предположение, что новые лучи испускаются в результате фосфоресценции. Проверить эту гипотезу вызвался еще один член академии, физик, Антуан Анри Беккерель.

Антуан Анри Беккерель

Приступив к многочисленным опытам, Беккерель изначально стал получать результаты, вроде бы подтверждающие гипотезу Пуанкаре, однако тут в дело вмешался случай. Державшаяся несколько дней пасмурная погода, не позволяла Беккерелю проводить эксперименты и все материалы для хранения были убраны в темную комнату.

За то, что случилось дальше, можно благодарить случай, а можно интуицию большого мастера эксперимента Беккереля, но он почему то решил проявить еще не использованную для эксперимента пластинку, которая несколько дней пролежала в темной комнате. Результат превзошел все ожидания, хотя и полностью и окончательно разрушил гипотезу Пуанкаре. Беккерель еще несколько раз повторял этот эксперимент с одинаковым результатом.

И вот на очередном заседании Парижской академии наук он выступает с сообщением, в котором на результатах своих экспериментов доказывает существование «еще одних лучей», которые он предложил назвать урановыми. Позже эти лучи предлагали назвать беккерелевскими, однако сегодня это явление известно всему миру под именем радиоактивность. А термин этот был введен в обращение с легкой руки Марии Кюри-Склодовской. Ее муж, Пьер Кюри был хорошо знаком с Беккерелем и именно к нему обратился тот для помощи в подтверждении своего открытия. Пьер с радостью согласился и тут же переадресовал просьбу своей жене, для которой эта работа стала основой докторской диссертации.

Пьер и Мария Кюри

Мария Кюри весьма основательно подошла к работе. Ею было проверено более полусотни образцов, и установлено, что подобный эффект наблюдается не только с урановыми рудами, но и с некоторыми другими, и именно поэтому она и предложила новый термин «радиоактивность».

Дальнейшая работа позволила не только защитить докторскую диссертацию, но и совместно с первооткрывателем явления(Беккерелем), претендовать и в итоге получить Нобелевскую премию по физике. Случилось это в 1903 году. В этот же году, Дмитрий Иванович Менделеев, который всегда был в курсе всех самых передовых теорий, исследований и их результатов, сказал: «Убежденный в том, что исследования урана, начиная с его природных источников, поведут еще ко многим новым открытиям, смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями…».

И слова Его стали пророческими. В это же время многие физики работали над столь перспективным направлением как радиоактивность. Среди всех особо выделялся молодой английский физик Эрнест Резерфорд. Результатом его трудов стала вышедшая в 1904 году фундаментальная работа «Радиоактивные вещества и их излучения». Эта работа стала настольной книгой для всех физиков-ядерщиков. За исследование радиоактивных элементов В 1908 году Резерфорд тоже стал Нобелевским лауреатом.

Далее работая в лаборатории Манчестерского университета вместе со своими учениками он продолжил исследование радиоактивных элементов. Будучи прекрасным педагогом, Резерфорд сумел создать прекрасную школу физиков-ядерщиков. В 1911 году, исследуя вместе с учениками атом и его строение, Резерфорд формулирует теорию «планетарного строения атома».

Эрнест Резерфорд

Далее эстафету открытий перехватывает один из учеников Резерфорда, Джеймс Чедвик.

Джеймс Чедвик

Будучи учеником Резерфорда, Чедвик работал в области ядерной физики. В основном он изучал гамма-излучение и рассеяние альфа-частиц. В 1932 году Чедвик исследовал излучение, возникающее в результате бомбардировки альфа-частицами бериллиевой пластинки. В результате экспериментов было выяснено, что возникающее излучение представляет собой не что иное, как поток нейтральных частиц — нейтронов. Далее он занимался уже только изучением нейтронов. За свое открытие нейтрона и работы в этой области, Чедвик получает Нобелевскую премию по физике. В это же время свои работы в области радиации проводили супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри.

Фредерик и Ирен Жолио-Кюри

Ирен, дочь Пьера и Марии Кюри, вместе с супругом продолжила работу родителей в области природной радиоактивности. Кроме того, они провели огромную работу, вплотную подведшую Чедвика к его открытию нейтрона. Главным же открытием, сделанным самими Ирен и Фредериком, была искусственная радиоактивность. Бомбардируя алюминиевую фольгу альфа-частицами, они получили радиоактивные атомы фосфора, которые распадались с выделением позитрона. За это открытие Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были удостоены в 1935 году Нобелевской премии в области химии.

Стоит отметить, что работы в области радиоактивности велись не только в Европе, но и в Советской России. Так в в Петрограде к концу 1921 года работало несколько лабораторий по данной тематике. И вот в январе 1922 года под руководством русского, украинского, советского ученого Владимира Ивановича Вернадского был создан «Радиевый институт».

В его состав вошли:

Радиевая лаборатория Академии наук;

Радиевое отделение Государственного рентгенологического и радиологического института;

Радиохимическая лаборатория;

Коллегия по организации радиевого завода;

И радиевый рудник в городе Бандюге(Татарстан).

Сам Владимир Иванович Вернадский руководил этим институтом с момента создания до 1939 года.

Владимир Иванович Вернадский

В Радиевом институте зарождалась будущая советская атомная наука. Именно здесь начинались первые в Советском Союзе работы по изучению радиоактивности. Именно здесь зарождалась советская атомная школа. Но вернемся в Европу. На этот раз в Италию. В 1934 году эстафету работ в области искусственной радиоактивности принимает итальянский физик Энрико Ферми и его команда.

Энрико Ферми

Группа Ферми использовала нейтроны для бомбардировки различных элементов. Результатом их работы стало открытие существования трансурановых элементов. Трансурановые это элементы, которые в таблице Менделеева расположены после самого Урана. Однако, немецкий химик Ида Ноддак, высказала предположение, что Ферми и его команда ошиблись, и при бомбардировке уран может распасться на элементы из середины таблицы Менделеева.

Однако на ее предположение не обратили внимания. И как показал ход истории, зря. Все по своим местам расставил немецкий физик Отто Гаг, в декабре 1938 года. Вместе с Фрицам Штрассманом они открыли, что при бомбардировке урана нейтронами, уран распадается на элементы находящиеся в середине таблицы, а не образуют новый тяжелый трансурановый элемент, чем полностью подтвердили гипотезу Иды Ноддак.

Параллельно с Отто Ганом, свои исследования в этой же области вела Лиза Мейтнер.

Мейтнер пришла к выводу, что ядро урана представляет собой не стабильную каплю, готовую при воздействии нейтрона расщепиться на части. Этот процесс Лиза предложила назвать процессом деления ядра урана. Последним в нашей цепочке открытий, но не последнее по значению, стоит работа советского физика-ядерщика Георгия Николаевича Флерова.

Георгий Николаевич Флеров

В своей работе Флеров доказал, что при делении урана испускается более двух вторичных нейтронов. А уже в 1940 году Флеров совместно с группой других ученых открыл спонтанное деление ядер урана. Однако с началом войны Флеров уходит в ополчение, а потом направляется в военно-воздушную академию, и после ее окончания на фронт.

В 1942 году Флеров обращается с письмом в Игорю Васильевичу Курчатову и Иосифу Виссарионовичу Сталину. В этом письме он доказывает необходимость возобновления работ по урановому проекту, которые пришлось свернуть в связи с войной. В 1943 году Флерова отзывают с фронта и он вступает в группу, работающую над созданием советской атомной бомбы.

Но это уже совсем другая история.

Антон Лунев