П

Развитие представлений об источниках энергии излучения звезд

роблема происхождения солнечной и звездной энергии издавна волновала ученых. Но по естественным причинам все попытки ее решения вплоть до 30-х годов XX века носили умозрительный характер. В 1929 году студенты-старшекурсники Геттингенского университета Р. Аткинсон и Ф. Хоутерманс высказали предположение, что источником солнечной энергии являются реакции слияния ядер легких элементов, происходящие при очень высоких температурах, характерных для внутренних областей звезд.

Эта идея получила развитие и количественное воплощение в работах Г. Бете и К. Критчфильда (1938), а также Г. Бете и К. Вайцзеккера (1938 – 39 гг.). Согласно их результатам, главным итогом термоядерного синтеза, ответственного за выделение энергии, является превращение четырех протонов в ядро гелия с испусканием двух позитронов, фотонов и нейтрино. В указанных работах было установлено, что конечный результат может быть достигнут двумя различными способами: в протон-протонном (водородном) цикле и в углеродно-азотном цикле термоядерных реакций.

Водородный цикл по Бете и Критчфильду включает три элементарных превращения:

;

; (19.55)

.

Итого:

Углеродно-азотный цикл, рассчитанный Бете и Вайцзеккером в работах 1938 – 39 гг., состоит из шести реакций:

;

;

;

; (19.56)

;

.

Итого:

Как видно из этих реакций, углерод в углеродно-азотном цикле играет роль катализатора. Возникал естественный вопрос: откуда в недрах Солнца взялся этот элемент? Однако для ответа на него требовалось разрешение более общей проблемы происхождения химических элементов.

О

Открытие деления ядер

ткрытие деления ядер явилось логическим продолжением опытов Э. Ферми по изучению искусственной радиоактивности, возникающей под действием нейтронов. В 1934 году Ферми с сотрудниками, облучая нейтронами торий и уран, обнаружил у образующихся радиоактивных продуктов несколько различных периодов полураспада. В частности, при облучении урана было найдено три радиоактивных продукта с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и два – с периодами от 40 мин до 1 суток.

Естественной казалась следующая интерпретация этих результатов. При захвате нейтрона ядром урана образуется более тяжелый изотоп урана, который, будучи нейтронноизбыточным, является ^активным и в итоге, испуская электрон, превращается в еще неизвестный к тому времени 93-й элемент. В свою очередь этот элемент, испустив электрон, может превратиться в 94-й элемент и т.д. Так возникла гипотеза трансурановых элементов.

Вскоре после сообщения Ферми о трансурановых элементах немецкий химик Ида Ноддак опубликовала статью, в которой утверждала, что при облучении нейтронами ядра урана распадаются на элементы, отнюдь не являющиеся соседями урана в таблице Менделеева. Э. Ферми, О. Ган и другие физики сочли утверждение Ноддак абсурдным. В 1937 году О. Ган, Л. Мейтнер и Ф. Штрассман продолжили опыты Ферми и, как им вначале казалось, подтвердили его выводы о трансурановых элементах.

Однако в 1938 году Ирен Кюри в сотрудничестве с югославом Павлом Савичем обнаружила среди продуктов облучения урана нейтронами радиоактивный элемент с химическими свойствами лантана. Радиоактивность лантана к тому времени еще не наблюдалась, поэтому они отождествили этот элемент с изотопом актиния, являющегося химическим аналогом лантана. В то же время они установили, что этот элемент химически отделяется от актиния, но не отделяется от лантана. Однако решающих выводов сделано не было.

О. Ган, работавший в то время с Ф. Штрассманом (Л. Мейтнер после захвата Австрии Германией эмигрировала в Стокгольм), встретил сообщение И. Кюри и П. Савича с недоверием и решил тщательно проверить их результаты. В том же 1938 году Ган и Штрассман точным радиохимическим анализом установили, что при облучении урана нейтронами образуется не только химический аналог актиния – лантан, но и химический аналог радия – барий. Появление среди продуктов облучения урана нейтронами элементов из середины таблицы Менделеева противоречило всем существовавшим представлениям о радиоактивных превращениях ядер. «Как химики, – писали Ган и Штрассман, – мы должны из этих … опытов существенно изменить приведенную выше схему и вместо символов Ra, Ac, Th вставить символы Ba, La, Ce. Как «ядерные химики», тесно связанные с физикой, мы не можем решиться на этот шаг, противоречащий всем предыдущим экспериментам».

Статья Гана и Штрассмана «О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах» была опубликована в январе 1939 года. Но еще до публикации О. Ган послал Л. Мейтнер письмо с изложением полученных результатов.

16 января 1939 года Л. Мейтнер и О. Фриш опубликовали статью, в которой объяснили результат Гана и Штрассмана тем, что при захвате нейтрона ядро урана делится на два сравнимых по массе осколка. Именно в этой статье Мейтнер впервые ввела термин «деление ядра». Мейтнер и Фриш высказали гипотезу о неустойчивости тяжелых ядер по отношению к изменению их формы, вследствие чего возбужденное при захвате нейтрона ядро урана под действием сил электростатического отталкивания может разделиться на два осколка, между которыми распределяются нуклоны исходного ядра. Мейтнер и Фриш произвели также и оценку энергии, выделяющейся при делении тяжелого ядра, и получили величину около 200 МэВ.

Наиболее простым способом регистрации явления деления ядер было наблюдение большой кинетической энергии осколков деления. Для этого О. Фриш использовал специально изготовленную ионизационную камеру деления, отличающуюся от обычной ионизационной камеры тем, что на ее электрод был нанесен тонкий слой урановой соли. Опыт показал, что в отсутствие нейтронов в ионизационной камере возникали небольшие по амплитуде импульсы, обусловленные частицами урана с энергией 4,5 МэВ. При облучении же камеры нейтронами было отмечено появление мощных ионизационных импульсов, вызванных осколками деления.

26 января 1939 года в Вашингтоне на конференции по теоретической физике Н. Бор сообщил об открытии деления урана. Сообщение вызвало лавинообразный рост числа экспериментов по проверке и более глубокому изучению явления. 30 января Ф. Жолио-Кюри сообщил Парижской Академии наук об экспериментальном доказательстве деления ядер урана и тория под воздействием нейтронов. 20 февраля он смог получить фотографию деления ядер урана в камере Вильсона.

Изучение явления деления с помощью ионизационной камеры показало, что размещение парафина вокруг источника нейтронов и ионизационной камеры усиливает эффект воздействия нейтронов на уран, в то время как интенсивность деления ядер тория и протактиния меняется очень слабо. Отсюда был сделан вывод, что уран делится как быстрыми, так и тепловыми нейтронами, а торий и протактиний – только быстрыми. В 1940 году при помощи масс-спектрометра удалось разделить изотопы урана и . Тогда и было показано, что тепловыми нейтронами делится изотоп , а порог деления равен примерно 1 МэВ.

8 марта 1939 года Ф. Жолио-Кюри совместно с Х. Халбаном и Л. Коварским опубликовал в «Nature» сообщение об обнаружении вторичных нейтронов, испускаемых при делении ядер урана (нейтронов деления). «Наблюдаемое явление, – писали они, – представляет интерес с точки зрения осуществления экзоэнергетических цепных реакций». Испускание нейтронов деления было подтверждено также Э. Ферми, Л. Сцилардом, Г. Андерсоном и В. Зинном.

В одном из опытов по регистрации вторичных нейтронов, образующихся при делении ядер урана нейтронами, Р. Робертс, Р. Майер и П. Вонг обнаружили, что испускание вторичных нейтронов продолжается в течение некоторого времени после прекращения облучения урана пучком первичных нейтронов. Более подробное исследование этого явления показало, что около 1% вторичных нейтронов испускается не в момент деления, а спустя некоторое время после деления. Эти нейтроны были названы запаздывающими.

Теория деления тяжелых ядер была развита в работах Н. Бора и Я. И. Френкеля, опубликованных соответственно в феврале и апреле 1939 года, а также в совместной работе Н. Бора и Дж. Уилера от 28 июля 1940 года. Они проанализировали гипотезу Л. Мейтнер и О. Фриша о неустойчивости тяжелых ядер по отношению к изменению их формы в рамках гидродинамической модели ядра и показали, что деление ядер можно описать как разрыв капли заряженной ядерной жидкости, происходящий под влиянием поверхностных колебаний капли. При этом поверхностное натяжение, обусловленное сильным взаимодействием между нуклонами, стремится сохранить ядро, а колебания поверхности и электростатическое отталкивание между протонами – разрушить его. Созданная Бором, Френкелем и Уилером теория деления правильно описывала общую картину деления наиболее тяжелых ядер и позволила предсказать спонтанное деление, открытое для ядер Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 году. Кроме того, в упомянутой работе «Механизм деления ядер», опубликованной 28 июля 1940 года, Н. Бор и Дж. Уилер показали, что запаздывающие нейтроны испускаются не в момент деления тяжелых ядер, а в процессе радиоактивных превращений (распада) более легких ядер – осколков деления.

Вместе с тем теория деления, основанная исключительно на гидродинамической модели ядра, имела существенные недостатки. Так, она не могла объяснить одну из главных особенностей деления – резкую асимметрию осколков по массам, которая получила удовлетворительное объяснение значительно позже, после создания оболочечной модели ядра.