Наука

  ▪   Олег Фея

Відлік ядерної ери

Історія відкриття реакції, що призвела до Хіросіми та Чорнобиля
Матеріал друкованого видання
№ 23 (603)
від 6 червня

Персонаж серіалу «Чорнобиль» фізик Валєрій Лєґасов пояснює партійному функціонерові Борису Щербині, як працює ядерний реактор. Від пояснень Лєґасова багато залежить: партія не розуміє, наскільки серйозною є проблема з вибухом на станції. Лєґасов малює схему ланцюгової ядерної реакції на такому рівні, щоб навіть радянський чиновник зрозумів. Чорнобильська катастрофа — одна з найдраматичніших подій, пов’язаних із ядерною фізикою. Та й сама історія цієї науки пронизана драматичними історіями. Відкриття ланцюгової реакції — якраз одна з таких. 


До 30-х років минулого століття ядерна фізика не мала широкого використання. Хіба що рентгенівські промені знайшли місце в медицині, починаючи з Першої світової, коли Марія Кюрі придумала за їхньою допомогою шукати шрапнель у тілах поранених солдатів (див. «Фізика, хімія й Перша світова», Тиждень, № 46/2018). Були й курйозні випадки: радіоактивні елементи додавали до складу зубної пасти, пудри, «лікувальної» води Radithor, навіть презервативи й свічки від геморою випускали з радієм. Променева хвороба була невідома, ніхто не турбувався про наслідки для здоров’я, незважаючи на тривожний дослід П’єра Кюрі. Він добу носив кілька міліграмів радію на грудях й дістав виразку, що не загоювалася кілька тижнів. Сам Кюрі помер не від небезпечних ігор із радіацією: у 1906-му на паризькій вулиці його збив кінний екіпаж. Усе змінилося 1932 року, коли Джеймс Чедвік відкрив нейтрон. У його дослідженні під час бомбардування берилію альфа-частинками (ядрами гелію) виникало випромінювання з важких частинок, що не відхилялися в електричному полі. Модель атома набула сучасної форми: ядро з позитивно зарядженими протонами, нейтронами з нульовим електричним зарядом та негативні електрони, що «розмазані» атомними орбіталями. Нульовий заряд відкривав неабиякі можливості використання нейтронів для бомбардування атомних ядер. Усі ядра заряджені позитивно, тому зіштовхнути їх майже неможливо (через кулонівське відштовхування). Але нейтрон може проникнути в ядро й напряму взаємодіяти з ним. 

 

Читайте також: Фізика, хімія й Перша світова


Дослід із бомбардування нейтронами ядер урану й поставили в 1938-му німці Отто Ган та Фріц Штрассманн. Від їхнього експерименту можна починати відлік ядерної ери в історії людства. Отто Ган у Першу світову працював на хіміка Фріца Габера, ідеолога використання отруйних газів на полі бою. Відтоді він зненавидів війну, та за іронією долі його досліди привели до створення найнебезпечнішої зброї. У 1938 році думка, що з ядер може вилітати щось масивніше за альфа-частинку, була занадто сміливою. Тому коли Ган і Штрассманн детектували барій як продукт реакції, то вирішили притримати дослід у таємниці. Розгублений Ган пише листа своїй подрузі та колишній колезі Лізі Мейтнер із проханням допомогти з інтерпретацією чудернацьких результатів. 


Саме Ліза Мейтнер — головна героїня історії з відкриттям ланцюгової реакції. Ідейну пацифістку згодом прозвуть матір’ю ядерної бомби. Її доля ілюструє, як важко було жінкам наприкінці XIX століття пробитися у велику науку. Заможна сім’я Мейтнер дотримувалася ліберальних поглядів, тому талановитій дівчині дозволили вступити до Віденського університету. Там вона, будучи не в змозі вибрати, що їй подобається більше, узяла подвійне навантаження: курси з математики та фізики. Ліза стала другою випускницею Віденського університету в історії та, маючи рекомендації провідних учених і сильну випускну роботу, у 1907-му змогла влаштуватися в Інститут кайзера Вільгельма до групи Макса Планка. У консервативнішому Берліні Мейтнер відмовили в науковій позиції. Але Планк, не бажаючи втрачати талановиту співробітницю, пропонує облаштувати лабораторію в підвалі університету за умови, що Мейтнер не підніматиметься вище другого поверху й не зможе отримувати зарплату. Колегою Лізи став молодий хімік Отто Ган, вони працювали разом кілька десятиліть і підтримували зв’язок до кінця життя. 


Уже в 1920-х роках їх обох почали номінувати на Нобелівські премії. Коли Ган повернувся з фронту, вони відкрили ізотоп Протактинію-231. У 1949-му новий елемент додали до таблиці  Мєн­дєлєєва, визнавши пріоритет Гана й Мейтнер у відкритті. У 1922 році Мейт­нер опублікувала статтю про ефект, що нині носить ім’я П’єра Оже, хоча той зробив відкриття на рік пізніше. Ефект Оже схожий на більярд, у якому замість кийка фотони, а замість шарів електрони. Фотон вибиває електрон із внутрішньої оболонки атома, це місце займає інший електрон, що випромінює фотон, який, своєю чергою, збуджує електрон на верхній оболонці та вириває його з атома. Енергії електронів, що вилітають, унікальні для кожного хімічного елемента, тому цей ефект надійно показує, які речовини є в суміші. 

 

Читайте також: Ядерна зброя в руках російських вождів


Та все ж таки головне відкриття Мейтнер і Гана — ядерна ланцюгова реакція. Лист Гана про дивні результати експерименту застає Лізу у Швеції. 1938 року, після анексії Австрії Третім Райхом, науковиця втратила останній захист від нацистів — австрійське громадянство. Її, як єврейку, спіткала б страшна доля, та Ган допоміг їй утекти з країни. Лізі пощастило, адже свого колегу Вільгельма Траубе, професора органічної хімії, Ган не зміг урятувати, той загинув 1942-го від рук гестапо. 


Мейтнер проводила різдвяні канікули у шведському селищі, куди до неї завітав її племінник Отто Фріш, фізик із лабораторії Нільса Бора в Копенгагені. Отримавши листа від Гана, вони сіли за розрахунки. Науковці зробили припущення, що нейтрон не розбиває ядро, мов скляну кулю, а на коротку мить зливається з ним, ніби краплина. Вони застосували краплинну модель ядра, запропоновану Бором у 1936 році. У цій моделі сила поверхневого натягу ядра компенсувала кулонівське відштовхування, тому нейтрони й протони трималися вкупі. Нейтрон, захоплений ядром урану, збільшує його розмір, зменшує поверхневий натяг, ядро стає нестабільним і розвалюється. Згідно із сучасною моделлю, протони та нейтрони складаються з кварків, що тримаються разом за допомогою сильної взаємодії. Та на той час краплинна модель добре пояснювала наявні експериментальні дані. 

 

Перший у світі атомний реактор, пікова потужність якого 200 Вт


1 січня 1939-го Фріш повернувся до Копенгагена, розповів деталі розрахунків Бору, який підключився до роботи, і вже в лютому в Nature вийшла стаття Мейтнер і Фріша з фізичними основами ядерної ланцюгової реакції. Нейтрон влучає в ізотоп урану-235, на короткий час із ним зливається. Ізотоп розпадається на менші ядра та на три нейтрони. При цьому виділяється енергія. Якщо ці нейтрони знайдуть мішень, ізотопи урану-235, процес повториться, кількість нейтронів зростатиме в геометричній прогресії і виділена енергія призведе до вибуху. Бор зрозумів, як реакцію можна використати для створення руйнівної зброї, і поїхав до США, щоб зробити доповідь на конференції. Ще під час конференції надійшли дані з лабораторії — розрахунки Мейтнер і Фріша підтвердили. 


Над рідною для Бора Данією навис­ла хмара нацистської Німеччини, науковець боявся, що німці використають результати Гана та Штрассмана у воєнних цілях. Тому важливо, щоб інша країна, що має необхідні ресурси, створила таку зброю першою. Він говорить з угорськими науковцями Лео Сцілардом та Юджином Віґнером. Емігранти знали, що таке нацизм, і написали листа президентові Рузвельту. Підписати його попросили Альберта Айнштайна, адже він єдиний мав достатньо впливу, щоб влада прислухалася. У листі пропонувалося негайно скликати комітет для розгляду можливості побудови ядерної зброї. З огляду на те що німці заборонили експортувати уран із родовища в Чехословаччині вони також готувалися. Чотири роки по тому  стартував Манхеттенський проект, що залучив тисячі науковців, військових, десятки тисяч будівельників і завершився вибухами над Хіросімою та Нагасакі. 

 

Читайте також: Псевдонаука в СРСР


У 1942-му Енріко Фермі будує перший атомний реактор у Чикаго, який генерував лише 200 Вт електроенергії (можна живити, наприклад, ноутбук). Він показав, що ланцюгову реакцію можна використати й у мирних цілях, усе залежить від кількості нейтронів на кожному кроці. Якщо на один нейтрон, що розщепив атом урану, припадає один «народжений» нейтрон, що влучив у наступну ціль, реакція контрольована — це шлях до атомної енергетики. Більше як один — усе вибухає. Менше — реакція затухає. Для контролю реакції використали графіт, що зменшує швидкість нейтронів, поглинаючи надлишкову енергію. Реактор складався з бляшаних ємностей із оксидом урану, оточених графітовими брусками, і зовні мав вигляд акуратно складених дров, за що дістав назву «Чиказька дровітня-1».


У Німеччині замість графіту для реа­ктора використали важку воду. Вона також годиться, проте виробництво такої води дорожче. Єдиний завод розташований у Норвегії, та його знищила британська диверсійна група, назавжди поховавши надії Райху на ядерну зброю. Радянська влада без зацікавлення ставилася до новин про американський ядерний проект аж до бомбардування Хіросіми й Нагасакі. Після того до ядерної гонки приєднався й СРСР. Лише 13 років минуло з часу відкриття нейтрона Чедвіком і шість від експерименту Гана й Штрассманна, як світ змінився назавжди. Ядерна фізика із суто лабораторної науки стала рушієм геополітики XX століття. 


Отто Ган став лауреатом Нобелівської премії з хімії за 1944-й за «відкриття розщеплення важких ядер». Премію він отримав не одразу: 1945 року науковця заарештували американські спецпризначенці й інтернували в табір для німецьких фізиків під Кембриджем. Таким чином він повторив долю свого колишнього шефа Фріца Габера, що отримав премію 1918-го, коли розшукувався британськими військами за воєнні злочини. Лізу Мейтнер номінували на премію 48 разів, і рішення Нобелівського комітету про преміювання тільки Гана багато хто сприйняв як несправедливість. До кінця життя Ган і Мейтнер листувалися, та колишні дружні стосунки не відновили, вона не змогла йому пробачити роботу на нацистів. 1997 року іменем Лізи Мейтнер назвали 109-й елемент періодичної таблиці Мейтнерій. Елемент ганій так і не з’явився, 105-й елемент, що мали так назвати, назвали Дубнієм. 

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакцію.