В реакции, исследованной Жолио-Кюри, алюминий превращался в фосфор при воздействии альфа-частицы с испусканием нейтрона. Получившийся изотоп фосфора был нестабилен, его средняя жизнь продолжалась три минуты, далее происходил распад, испускался позитрон и образовывался кремний. Как утверждала Мейтнер, «масштаб этих исключительных и прекрасных результатов невероятно велик». Лизе удалось повторить эти опыты в своей лаборатории, она смогла зафиксировать в туманной камере позитроны (см. рисунок 4), которые были конечным продуктом процесса, индуцированного бомбардировкой алюминия альфа-лучами.
РИС. 4
С помощью туманной камеры можно наблюдать, что траектория позитрона в магнитном поле отклоняется с тем же радиусом кривизны, что и у электрона, но в противоположную сторону.
ПРОЕКТ ФЕРМИ
Жолио-Кюри смогли получить нестабильные элементы, которые по этой причине были радиоактивными (искусственная радиоактивность). Однако в атомах с большим атомным числом концентрация положительного электрического заряда из-за закона Кулона не позволяла альфа-частицам, используемым для возбуждения радиоактивных процессов, приблизиться к ядру и столкнуться с ним. Итальянский физик Энрико Ферми при-
ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Процесс, открытый Жолио-Кюри, можно представить следующим образом. На входе алюминий (AI), состоящий из 13 протонов, поглощает два протона альфа-частицы, то есть ядро гелия, обозначаемого как Не. Формируется новое ядро с 15 протонами, соответствующее фосфору (Р) (см. рисунок), а также происходит высвобождение нейтрона. Данную реакцию можно представить в следующем виде с указанием атомного и массового чисел элементов:
В реакции указано атомное число — внизу слева от символа элемента, обычно его обозначают буквой Z. Оно соответствует числу протонов. Массовое число, указанное вверху слева от элемента (буква А), соответствует сумме протонов и нейтронов. Фосфор при бета-распаде β+ превращается в кремний (Si), что сопровождается испусканием позитрона (е+):
Количество ядерных частиц — протонов и нейтронов — в процессе распада сохраняется.
думал, что можно избежать экранирования траектории, если в качестве зарядов для бомбардировки тяжелых атомов использовать нейтроны. Ферми совершенно справедливо предполагал, что нейтроны, не имеющие заряда, достигнут ядер элемента-цели, особенно атомов с большим атомным числом. Таким образом, эффективность нейтронов будет выше, чем у альфа-частиц (см. рисунок 5). Мейтнер писала об этом:
«Ферми считал, что нейтроны из-за отсутствия заряда могут проникать в тяжелые элементы, то есть такие элементы, которые занимают крайнее положение в периодической таблице, также они могут спровоцировать ядерные реакции».
РИС. 5
Если протон или пара протонов в альфа-частице испытывает отклонение из-за одноименности зарядов, нейтрон может достичь атомного ядра и столкнуться с ним с большей вероятностью.
Ферми и его замечательная команда исследователей, в которой работали Этторе Майорана и Эмилио Сегре, начали с поиска источника нейтронов для опыта. Они использовали благородный газ радон, продукт распада радия, в смеси с порошком бериллия, так как этот элемент при реакции испускал нейтроны. Также исследователи сконструировали устройство для обнаружения продуктов распада (подобный прибор мы называем счетчиком Гейгера), чтобы точно устанавливать радиоактивность, генерируемую в элементах.
Ферми начал изучать результаты бомбардировки всех элементов периодической таблицы. Результаты его исследований были систематизированы в трех статьях, напечатанных в итальянской газете Nuovo Cimento, которую он выбрал из-за возможности быстрой публикации, а также в престижном британском журнале Nature. Первая статья была опубликована в марте 1934 года, а последняя — в мае того же года. Так как этих статей ждала вся Европа, экземпляры Nuovo Cimento на итальянском были отправлены главным ученым эпохи, среди которых была и Мейтнер. Она с самого начала следила за ходом исследований в Италии и смогла воспроизвести некоторые опыты для проверки.
Поздравляю тебя с тем, что ты смог сбежать из области теоретической физики.
Эрнест Резерфорд — Энрико Ферми
ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАХ С НЕЙТРОНАМИ
Племянник Мейтнер Отто Роберт Фриш, уже работавший в Стокгольме с Бором, тоже был подписан на Nuovo Cimento и ожидал газеты с большим нетерпением. Так как он единственный понимал итальянский язык, с поступлением нового номера вокруг Фриша собирались толпы желающих узнать научные новости. Это были годы восторженного ожидания и удивительных открытий.
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
После экспериментальной бомбардировки нейтронами всех известных элементов периодической таблицы Ферми получил три разных типа реакции. У легких элементов после воздействия были возможны два варианта: элемент испускал один протон или альфа-частицу. У тяжелых элементов, как правило, происходил бета-распад с испусканием электронов. При любом виде наблюдаемой реакции воздействие нейтрона вызывало трансмутацию — появление элемента с атомным числом, слегка отличавшимся от первоначального. Максимально элемент мог отличаться на две позиции по периодической таблице.
Команда Ферми убедилась, что все искусственно полученные под действием нейтронов элементы радиоактивные и испускают бета-излучение, при этом химический элемент подвергается трансмутации. Самым тяжелым элементом, изученным Ферми, был уран. В его ядре содержится 92 протона, и это было самое большое известное в ту эпоху атомное число.
Ферми был по-прежнему уверен, что нейтрон будет поглощен ядром и начнется бета-распад, при котором из ядра будет испущен электрон — бета-излучение. Изменение количества протонов предполагало трансформацию химического элемента. У урана было 92 протона, после бета-распада у него становилось 93 протона, таким образом, образовывался новый элемент. Эксперимент имел своей целью доказать существование трансурановых элементов. Впервые в истории у человечества появилась возможность синтеза новых элементов, более тяжелых, и эта новость была воспринята научным сообществом с энтузиазмом.
Что бы ни готовила природа человечеству, каким бы неприятным это ни было, люди должны понять, что невежество хуже знания.
Энрико Ферми
Мейтнер так писала об экспериментах Энрико Ферми:
«Вместе с группой молодых исследователей, часть которых были его учениками, Ферми облучил все возможные элементы нейтронами и получил из тяжелых элементов ряд новых радиоактивных изотопов. Наиболее интересные результаты дал эксперимент с ураном, самым тяжелым элементом. Ферми полагал, что это должно привести с получению элементов с более высокими атомными числами, чем 93 и 94, то есть транс (сверх) урановых».
В конце концов Ферми перестал заниматься изучением трансурановых элементов и обратил свое внимание на другие объекты. По итогам своей работы он получил Нобелевскую премию 1938 года за «доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».
ЭНРИКО ФЕРМИ
Вклад Энрико Ферми в развитие ядерной эры трудно переоценить. Он провел опыты, используя нейтроны в качестве технического средства для изучения искусственной радиации, он смог запустить
