Экскурс в историю радиационной физики от открытия рентгеновских лучей в 1895 году до создания атомного оружия и использования его в военной области

Отсчет нелегкого пути по созданию ЯО надо вести с момента открытия ДМ. А это 1789 год, когда Клапротт (Германия) открывает элемент 92, уран. То, что этот элемент получит данный номер, узнает мир только в 1869 году, когда Д.И.Менделеев систематизировал известные элементы и представил их в виде периодической таблицы. Еще одна особая дата – 1895 год. Беккерель обнаруживает, что уран претерпевает радиационный распад, а Рентген открыл знаменитые Х-лучи.

1896 г. – Беккерель подтвердил существование таких лучей и назвал их «лучи урана»;

1898 г. – были открыты новые радиоактивные элементы (полоний, радий) супругами Кюри;

1911 г. – Резерфордом была предложена ядерная модель атома.

И все же началом современной ядерной физики считается 1932 год. В этом году Чедвиком открыт нейтрон, Андерсоном идентифицирован позитрон, впервые был использован ускоритель частиц для осуществления искусственного распада атомного ядра. После открытия нейтрона как незаряженной элементарной частицы ядро представлялось состоящим из нейтронов и протонов. Число протонов Z определяет электрический заряд ядра элемента, а массовое число А определяет изотоп. N – число нейтронов.

А = Z + N

Водород – Н¹_1-Z^-A, Дейтерий – Н²₁, Гелий-4 – Не⁴₂, Уран – U²³⁸₉₂

Уран имеет 2 стабильных изотопа – U-235 и U-238. Пример элементов и ядер приведен на рисунке 4.

 

Рис.4 – Элементы и ядра

Размер ядер элементов пропорционален А^1\3. Чем больше А, тем больше размер ядра элемента.

Открытие нейтрона пролило свет на вызываемые ими ядерные превращения. Резерфорд показал, что в результате бомбардировки ядер
α-частицами образуются продукты реакции, отличные от ядер мишени. Например:

N¹⁴₇ + He⁴₂ = O¹⁷₈ + p

α-частица поглощается азотом, при этом создается кратковременное неустойчивое состояние ядра, которое, испуская протон, быстро распадается с образованием кислорода-17. Протоны или α-частицы при этом должны обладать энергией, достаточной для преодоления кулоновского барьера отталкивания мишени. Нейтроны не обладают электрическим зарядом, вследствие чего они проникают в вещество и поглощаются ядрами легче.

Было показано, что при бомбардировке протоном атомов Li выделяется значительная энергия.

₁Н¹ + ₃Li⁷ + (0,15 Мэв) = ₂Н² + ₂Н² + (17 Мэв)

α-частицы рождаются с кинетической энергией существенно больше, чем приносит с собой протон.

Кроме того, распад ядер приводит к излучению того или иного характера

– излучение α-частицы

₈₈Ra²²⁶ → ₈₆Rn²²² + ₂He⁴

(радон)

– β- излучение

₈₂Pb²¹⁴ → ₈₃Bi²¹⁴ + _-1e⁰ + γ

(висмут)

– γ- излучение

₇₉Au¹⁹⁷ → ₇₉Au¹⁹⁷ + γ

(нестабильное ядро в возбужденном состоянии)

(стабильное состояние)

В 1934 году венгерский физик Лео Сцилард, ранее предположивший о возможности цепной реакции, вызываемой нейтронами, запатентовал возможность создания атомной бомбы. Самоподдерживающая цепная реакция (рисунок 5) может протекать в том случае, если поглощение одного нейтрона приводит к испусканию ядром нескольких нейтронов. При каждой такой реакции выделяется энергия, и количество выделенной энергии в единицу времени зависит от скорости, с которой повторно поглощаются испущенные нейтроны, вызывая новые реакции.

· Поглощение лишь одного нейтрона на ядерную реакцию приводит к поддержанию постоянной ядерной мощности.

Цепь линейная. Это концепция ядерного реактора, в котором число нейтронов намеренно ограничивается, чтобы цепная реакция оставалась управляемой.

· Поглощение нескольких нейтронов на ядерную реакцию может привести к экспоненциальному увеличению числа ядерных реакций и мощному взрыву.

При повторном поглощении в среднем нескольких нейтронов число ядерных реакций возрастает в геометрической прогрессии. Без управления каждая цепь увеличивается настолько быстро, а выделяемая энергия будет настолько велика, что произойдет мощный взрыв. При этом нейтроны должны вызывать реакции размножения нейтронов до вылета их из объема материала. Сцилард ввел понятие критической массы или минимального количества вещества, необходимого для поддержания цепной реакции.

В 1938 году Ганном и Штрассманом открыто деление ядер. Длительное время a-частицы были орудием исследования атома. Ими ученые бомбардировали ядро, имеющее такие «+» заряды. Поэтому, т.к. a-частица тоже имеет «+» заряд, для взаимодействия необходимо преодолевать взаимоотталкивание, что требует большой энергии. Опыту был нужен более мощный таран, который был найден англичанином Чедвиком (1932 г.).

 

Рис.5 – Ядерная цепная реакция

 

С появлением «тарана» стали подвергать бомбардировке атомы других элементов. Супруги Кюри бомбардировали атомы бора и алюминия и получили изотопы азота и фосфора (радиоактивность искусственная).

Это был первый успех атаки.

Из 60 элементов 40 стали радиоактивными.

Примеры облучения нейтронами.

1. Ядро водорода поглощает нейтрон и превращается в дейтерий

₀n¹ + ₁H¹ → ₁H²

2. Получение радиоактивного серебра медленными нейтронами

₀n¹ + ₄₇Ag¹⁰⁷ → ₄₇Ag¹⁰⁸

3. Получение натрия из алюминия

₀n¹ + ₁₃Al²⁷ → ₁₁Na²⁴ + ₂He⁴

4. Перевод ядра бора в литий с выделением Е = 2,8 Мэв

₀n¹ + ₅B¹⁰ → ₃Li⁷ + ₂He⁴

5. Радиоактивный углерод и «углеродные часы» – реакция используется в археологии для определения возраста находок. Измеряя содержание радиоактивного углерода в образце (ткань, дерево и т.д.), определяют возраст, исходя из того, что время полураспада радиоактивного углерода составляет 5600 лет.

₀n¹ + ₇N¹⁴ → ₆C¹⁴ + ₁He¹

₆C¹⁴ → ₇N¹⁴ + _-1e⁰

5600 лет

Так сбылась мечта алхимиков – получать из одних элементов другие (правда, они мечтали в конце концов получить золото).

При воздействии на уран медленными нейтронами получаются изотопы бария, тантала, церия. Эти элементы имеют атомный вес вдвое меньше, чем у урана. Перескочили из конца таблицы Менделеева в ее середину.

1938 – 1939 гг. – появился термин деления ядра.

Захват нейтрона U₉₂ → Ва₅₆ –тяжелый осколок + мгновенный нейтрон

Kr₃₆ – легкий осколок + мгновенный нейтрон

1. Распад U²³⁸

₉₂ U²³⁸ –(α, 4,5 10⁹ лет)→ ₉₀Th²³⁴ –(β,γ, 24,1 сут)→ ₉₁Ра²³⁴ –(β,γ, 1,22 мин)→ ₉₂ U²³⁴ –(α, γ, 2,35 10⁵ лет)→ ₉₀Th²³⁰ –(α, γ, 8,4 10⁴ лет)→ ₈₈Ra²³⁶ →….→ ₈₂Pb²⁰⁶

2. Распад U²³⁵

₉₂ U²³⁵ –(α, γ, 7,7 10⁸ лет)→ ₉₀Th²³¹ –(β,γ, 25,5 час)→ ₉₁Ра²³¹–(α, γ, 3,43 10⁹ лет)→ ₈₉As²²⁷ →….→ ₈₂Pb²⁰⁷

3. Образование U²³⁵

₉₂ U²³⁸ + ₀n¹ → ₉₂ U²³⁹ –(β,γ, 23,5 мин)→ ₉₃Np²³⁹ –(β,γ, 23,1сут)→ ₉₄Pu²³⁹ –(α, γ, 2,44 10⁴ лет)→ ₉₂ U²³⁵

4. Получение Pu в ТВЭЛах ЯР

₉₂ U²³⁸ + ₀n¹ → ₉₂ U²³⁹ + γ

₉₂ U²³⁹–(β,γ, 23,5 мин)→ ₉₃Np²³⁹ –(β,γ, 23,1сут)→ ₉₄Pu²³⁹

Предельное количество образующегося Pu зависит от сечений радиационного захвата тепловых нейтронов для ₉₂ U²³⁸ и сечений делений и радиационного захвата нейтронов для ₉₄Pu²³⁹. Предельное количество ₉₄Pu²³⁹ в стержнях соответствует равновесному состоянию, в котором число ядер ₉₄Pu²³⁹, образующихся при делении и превращающихся в изотопы с большим массовым числом по реакции

Pu²³⁹ –(n,γ)→ Pu²⁴⁰ –(n,γ)→ Pu²⁴¹

одинаково.

Соотношение предельного числа ядер Pu²³⁹ к числу ядер U²³⁸

N_пред/N₂₃₈ ≈ 0,00258.

Это означает, что в ТВЭЛах ЯР не может образоваться более 2,58 г Pu на 1 кг U²³⁸.

Время остановки распада – достижение оптимальной концентрации Pu, задолго до достижения предельного состояния Pu. Это делается для того, чтобы избежать нежелательного выгорания Pu²³⁹ и образование нежелательных изотопов с большими массовыми числами (Pu²⁴⁰, Pu²⁴¹ и Pu²⁴²).

5. Получение U²³³ в ТВЭЛах ЯР

₉₀Th²³² + ₀n¹ → ₉₀Th²³³ + γ

₉₀Th²³³ –(β, 23,5 мин)→ ₉₁Pa²³³ –(β,γ, 27,4 сут)→ ₉₂ U²³³

Примеры деления ядер показаны на рисунке 6.

 

Рис. 6 – Деление

Для объяснения деления использовали капельную модель ядра (рисунок 7). Ядро рассматривается как положительно заряженная капля жидкости, на которую действуют противоположно направленные силы. Сильное притяжение удерживает нуклоны вместе, что приводит к возникновению поверхностного натяжения, благодаря чему капля принимает форму компактного шара. Кулоновская сила пытается разбить каплю на части. По мере увеличения размера ядра поверхностное натяжение увеличивается медленнее по сравнению с силой кулонного взаимодействия. При поглощении нейтрона энергия возбуждения приводит к колебаниям ядра, вследствие чего Е превысит Е_БД. Ядро разрывается на части. Осколки деления уносят кинетическую энергию, в десятки миллионов раз превышающую энергию, выделяемую при разрыве химических связей.

 

 

Рис. 7 – Капельная модель ядра

 

Атомы элементов стали рассматривать как совокупность элементарных частиц: позитронов, нейтронов и электронов.

 

 

 

 

Рис. 8 – Атом дейтерия

Некоторые данные по элементарным частицам приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Масса элементарных частиц

Ядро	протон	1,61×10^-24
нейтрон	1,67×10^-24
Атом	электрон	9×10^-28 (» в 5 тыс. раз легче протона или нейтрона)

 

Определено, что при бомбардировке медленными нейтронами делиться может U-235, но не U-238. U-235 делится при нейтронах любой энергии, а U-238 – только при нейтронах с энергией более 1МэВ. Объяснение этому заключается в нечетном количестве нейтронов у U-235 и четном – у
U-238. При поглощении нейтрона U-235 создает пару с нечетным нейтроном, создавая дополнительную энергию возбуждения. Поэтому U-235 является делящимся материалом.

Т.о. был установлен цепной характер реакций деления, сопровождаемый огромным выделением энергии. Ядро урана распадается на осколки взрывообразно. Осколки деления с огромной скоростью разлетаются в стороны, и энергия постепенно распределяется между соседними ядрами.

И поэтому весь кусок урана нагревается. Если число делений велико, то и тепловая энергия будет большой. Это и есть атомная энергия.

Таким образом, ядро урана имеет малую стабильность и способно после захвата нейтрона распадаться на изотопы почти равной величины. Установлен факт, что в одном акте деления ядра испускается в среднем 2-3 нейтрона. Получается разветвленная цепная реакция.

Практически все вышеназванные ученые стали лауреатами Нобелевской премии.

Рентген первый получил Нобелевскую премию в 1901 году. Беккерель и супруги Кюри – в 1903 году.

Открытие первой элементарной частицы, входящей в состав атома – электрона, принадлежит Томпсону. Он был удостоен Нобелевской премии в 1906 году.

Бор создал модель атома и получил Нобелевскую премию в 1928 г.

Эйнштейн создал общую и специальную теорию относительности и формулировки закона для связи массы и энергии: Е=mс².

Январь 1939 года – рубеж, который пролег между двумя эпохами: безъядерной и ядерной.

До этого периода ученые работали в «одну копилку», обменивались открытиями. Так, Иоффе занимался в Мюнхенском университете у Рентгена. Мандельштам – воспитанник Страсбургского университета у Брауна. Капица и Харитон учились и работали в Кембриджском университете у Резерфорда. Ландау – ученик Копенгагенской школы теоретической физики, которую возглавлял Бор. Создатель отечественной физико-химической школы Семенов повышал квалификацию в Германии. Известный ученый Тамм учился в Англии и Германии.

Начиная с весны 1939 г. В госструктурах ряда стран были сделаны первые шаги в направлении формирования атомных проектов.

Примерно с этого времени ядерная физика и сами исследования в данной области приобретают следующую за ними «тень» – жесткий режим секретности.

В годы войны в США переехали: Эйнштейн, Ферми, Сциллард, Гетти, Гранд, Вагнер, Бор.

В США работы проводились на государственном уровне: «Манхэттенский атомный проект» – в Америке – колоссальный комплекс организационных научно-исследовательских, конструкторских и промышленных работ, направленных на создание атомного оружия.

Щедрое финансирование (государственное) позволяло широко вести дело (2 млрд. $ в год).

Американцы потратили на этот проект в 1000 раз больше, чем немцы, которые в свое время получали финансирование. К его осуществлению было привлечено больше людей, чем высадка на 2-ом фронте во Франции.