 |
|
|
|
VIVOS VOCO!
20-26 ноября 1940 г. в Москве состоялось совещание по проблемам физики атомного ядра. По счету - это уже пятое совещание по атомному ядру, созванное Академией наук СССР. Начиная с 1937 г. такие совещания созываются ежегодно. В совещании 1940 г. приняло участие более 200 научных работников - физиков и химиков, - с'ехавшихся в Москву из разных городов Советского Союза. Впервые приняли участие представители вузов Советской Прибалтики и Молдавии.
На совещании было заслушано свыше 40 докладов о наиболее важных научных работах по атомному ядру и космическим лучам, выполненных у нас в Союзе за последний год. Столь большое число докладов, несомненно, свидетельствует о широком размахе, который приобрела у нас научная работа даже в этой, пока еще в основном лишь теоретической области. Вместе с тем большое число докладов ставит попрос о некотором изменении формы совещаний по атомному ядру в сторону увеличения числа вводных докладов, поднимающих наиболее принципиальные и дискуссионные вопросы за счет сокращения числа докладов об отдельных конкретных работах. Это дало бы возможность шире проводить весьма детальный разбор наиболее интересных работ на узких заседаниях среди заинтересованных участников совещания.
Как и на предыдущих совещаниях, заслушанные доклады были сгруппированы вокруг нескольких проблем: 1) космические лучи, 2) взаимодействие быстро движущихся электронов и жестких фотонов с веществом, 3) явление ядерной изомерии, 4) деление ядер урана и других тяжелых элементов, 5) взаимодействие нейтронов с веществом, 6) ядерные реакции внутри звезд, 7) применение искусственно-радиоактивных веществ и ядерных реакций и 8) техника получения быстрых частиц.
Не имея возможности охватить в рамках настоящей статьи все доложенные на совещании работы, ограничимся рассмотрением нескольких, наиболее интересных вопросов.
В области изучения космических лучей самой актуальной проблемой в настоящее время является проблема мезотрона. Как известно, в 1937 г. американскими физиками Андерсоном и Ниддермейером было установлено, что в космических лучах имеются частицы, у которых масса покоя приблизительно в 150-200 раз превышает массу покоя электрона и, следовательно, примерно в 10 раз меньше массы покоя протона (ядро я тома водорода) и нейтрона. Тем самым, открытие Андерсона и Ниддермейера показало, что в природе существуют не только "легкие" (электроны, позитроны и, возможно, нейтрино) и "тяжелые" (протоны и нейтроны) частицы, но и частицы с промежуточной массой - мезотроны, или мезоны, как их теперь часто называют. По общепринятым сейчас представлениям, проникающая часть космического излучения, составляющая на уровне моря около 70% всех частиц космических лучей, образована мезотронами. Как подчеркнул в своем вводном докладе по космическим лучам И.Е. Тамм, изучение взаимодействия космиче ского излучения с веществом упирается в изучение свойств мезотронов. К сожалению, несмотря на то что со времени открытия мезотронов прошло уже около 3 лет и за это время появилось много десятков работ, посвященных исследованию проникающей компоненты, мы еще очень мало знаем о свойствах мезотронов. Непосредственное измерение величины заряда мезотрона до сих пор не произведено. Но, поскольку быстрые мезотроны при своем прохождении через вещество, например воздух, образуют такое же число пар ионов, как и быстрые протоны, электроны и позитроны, то весьма вероятно, что заряд мезотронов по абсолютной величине в точности равен заряду этих частиц. Опыты, в которых мезотроны отклонялись от своего первоначального направления движения магнитным полем, показывают, что примерно половина мезотронов имеет положительный заряд и половина - отрицательный.
Чрезвычайно важным является установленный сейчас многочисленными исследованиями факт самопроизвольного распада мезотронов. Опыты, впервые выполненные французским физиком П. Оже и его сотрудниками, показали, что поглощение мезотронов зависит не только от массы и природы вещества, через которое они проходят, но и от того, в разреженном или конденсированном состоянии находится это вещество. Оказывается, что при одинаковой массе поглощающего слоя разреженное вещество поглощает мезотроны значительно сильнее, чем то же самое вещество, но сжатое до больших плотностей.
Правда, как указал недавно итальянский теоретик Ферми, некоторую роль здесь будет играть зависимость потери энергии на ионизацию от плотности вещества. Расчет показывает, что в газах, где взаимодействие между молекулами среды несравненно меньше, чем в твердом и жидком теле, быстро движущаяся частица (в частности мезотрон) при прохождении данной массы вещества будет расходовать на ионизацию молекул среды больше энергии, чем в твердом теле. Но поправка Ферми недостаточна для того, чтобы об'яснить разницу в поглощении мезотронов в слое воздуха и плотного вещества (например угля, который по своему атомному номеру и, следовательно, по своим свойствам в отношении поглощения очень близок к воздуху), установленную целым рядом физиков. Для тех же опытов, в которых сравнивается поглощение мезотронов в одинаковых по массе слоях воздуха, один из которых расположен на большой высоте, а другой на малой, эта поправка вообще не играет никакой роли.
Как раз такая работа была доложена на совещании сотрудниками Ленинградского физико-технического института С.Я. Никитиным и Н.В. Федоренко. Они измерили число мезотронов на уровне моря в вертикальном направлении и с той же самой установкой - на склоне Эльбруса на высоте 3 тысяч м, тоже по вертикальному направлению и кроме того под углом 45°. Из полученных ими данных следует, что более толстый слой воздуха при малом давлении поглощает мезотроны сильнее, чем слой воздуха с той же массой, но находящийся под большим давлением и потому менее толстый. Этот результат может быть понят лишь в том случае, если принять, что поглощение мезотронов определяется не только взаимодействием с веществом, но и тем временем, которое необходимо мезотронам для прохождения данного слоя вещества. Чем дольше мезотроны движутся через вещество, тем сильнее они поглощаются. Это означает, что если бы мезотроны двигались в пустоте, то число их уменьшалось бы и в этом случае. Таким образом, измерения Никитина и Федоренко и работы других авторов по поглощению мезотронов показывают, что мезотрон представляет собой неустойчивую, радиоактивную, самопроизвольно распадающуюся частицу. Из данных Никитина и Федоренко, в хорошем согласии с результатами других авторов, следует, что среднее время существования мезотрона составляет 3.10-6 секунды. Из столь малого значения для средней продолжительности существования мезотрона вытекает, что мезотроны не могут образовывать первичную компоненту космических лучей, приходящую к нам из мирового пространства. Надо иметь в виду, что при вычислении с помощью среднего времени существования мезотрона того пути, который проходит мезотрон от своего образования до распада, необходимо учитывать требования теории относительности. Время в 3.10-6 сек. относится к той системе координат, э которой мезотрон покоится. Переход ко времени, отсчитанному в системе координат наблюдателя, должен быть выполнен по формуле теории относительности. Так как мезотроны, образующие жесткую компоненту космического излучения, движутся со скоростями весьма близкими к скорости света, то разница во времени существования мезотрона в обеих координатных системах оказывается весьма большой. Подсчет показывает, что средний путь мезотрона составляет не 1 км, как мы должны были бы принять, если бы мы не учитывали поправку, требуемую теорией относительности, а 20-40 км. Но тем не менее ясно, что мезотроны образуются в земной атмосфере под действием других частиц космических лучей.
Как подчеркнул в своем докладе И.Е. Тамм, вопрос, об образовании мезотронов является в настоящий момент центральной проблемой физики космических лучей. К сожалению, до сих пор у нас нет экспериментальных данных об этом процессе. В литературе дискутируются следующие возможности: фотон с очень большой энергией (безразлично, первичный или образованный уже в атмосфере под действием элек-тронои или позитронов) вступает во взаимодействие или с протоном или с нейтроном в ядрах атомов атмосферы. В первом случае фотон вызывает превращение протона в нейтрон и образование положительно заряженного мезотрона; во втором случае фотон вызывает превращение нейтрона в протон и образование отрицательного мезотрона. Символически оба эти процесса могут быть записаны в следующей форме:
hn + p Ю n + m+
hn + n Ю p + m-Здесь hn означает фотон; р - протон; n - нейтрон и m+ и m- - соответственно положительно и отрицательно заряженные мезотроны.
Однако против предположения об образовании мезотронов за счет этих процессов можно выставить следующее возражение. Если исходить из приближенно известного нам числа фотонов с. большой энергией, имеющихся на больших высотах, и числа протонов и нейтронов, то можно вычислить вероятность этих oбоих процессов. Зная эту величину и принимая во внимание, что все подобные процессы должны быть обратимыми, можно вычислить и вероятность обратных процессов, т.е. поглощения мезотронов нейтронами и протонами с образованием фотонов. Оказывается, что вероятность для этих обратных процессов получается настолько большой, что она не может быть согласована с экспериментальными данными о поглощении мезотронов.
Второй дискутирующийся сейчас процесс образования мезотронов подобен уже изученному явлению возникновения пар. Как известно, фотоны с энергией, большей одного миллиона электрон-вольт, при взаимодействии с ядрами атомов могут образовывать пару частиц - электрон и позитрон. Можно предположить, что фотоны с очень большой энергией в верхних слоях атмосферы будут образовывать пары из положительного и отрицательного мезотрона. И.Я. Померанчук теоретически рассмотрел возможность образования пар мезотронов непосредственно при соединении позитрона с очень большой энергией с электроном без промежуточного фотона. Однако экспериментальных данных о всех этих явлениях у нас нет, и поэтому вопрос о процессе образования мезотронов следует пока считать открытым.
Второй чрезвычайно важной проблемой в области космических лучей является вопрос о происхождении мягкой, наиболее поглощаемой части космического излучения, имеющейся на небольших высотах и на уровне моря. В настоящее время у нас нет оснований подвергать сомнению те представления, которые лежат в основе теории прохождения электронов и позитронов с большими энергиями через вещество. Напротив, экспериментальный материал, доложенный на совещании С.Н. Верновым, и теоретические представления, развиваемые и доложенные Л.Д. Ландау и С.3. Беленьким, показывают, что так называемая каскадная или лавинная теория, описывающая те явления, которые происходят при прохождении электронов, позитронов и жестких фотонов через вещество, в основных чертах правильна. Это обстоятельство позволяет утверждать, что основная часть электронов и позитронов, попадающих на границу земной атмосферы, не может пройти через атмосферу и достичь поверхности земли. Поэтому мягкая компонента космического излучения, состоящая из электронов, позитронов и фотонов и наблюдающаяся на уровне моря, несомненно, в основном создана мезотронами уже в атмосфере.
Обычно принимается, что мезотрон распадается на электрон (или позитрон) и нейтрино. Если это действительно так, то большую часть мягкой компоненты на уровне моря следует отнести за счет этих продуктов распада мезотронов. К аналогичным выводам на основании своей работы пришли также Никитин и Федоренко. Однако возникшая на совещании оживленная дискуссия показала, что этот вопрос, несмотря на всю его важность, еще нельзя считать окончательно решенным. Еще в меньшей степени надежен имеющийся экспериментальный материал относительно мягкой компоненты, наблюдающейся ниже уровня моря под землей, в шахтах. Между тем получение надежных данных в этой области имеет особенный интерес, так как они должны дать возможность высказать известные заключения о так называемом спине мезотрона.
Согласно квантовой механике, частицы характеризуются не только их зарядом и массой, но и собственным моментом количества движения - спином. Одно время предполагали, что спин характеризует вращение частицы вокруг собственной оси (отсюда название "спин", что в переводе с английского на русский означает "веретено"). Однако в дальнейшем выяснилось, что такое представление является неправильным и что спин есть чисто квантовая величина. В квантово-механическом уравнении движения частицы, учитывающем требования теории относительности, спин частицы играет весьма существенную роль. Но физический смысл этой величины остается пока не выясненным
Численное значение спина протона, нейтрона, электрона и позитрона есть1/2 (т.е. (1/2)(h/2p) , где h есть постоянная Планка). На основании
ряда теоретических соображений обычно принимается, что спин мезотрона в отличие от других, так называемых "элементарных" частиц равен 1 (т.е. h/2p). Но сколько-нибудь надежных экспериментальных данных о спине мезотрона у нас пока нет. Между тем для понимания свойств этой частицы определение спина является крайне существенным. Как указал в своем докладе И.Е. Тамм, характерной особенностью частиц со спином, равным 1, является их способность передавать в одном акте значительную долю своей энергии частицам с малой массой. Поэтому экспериментальное изучение таких процессов, может быть, даст нам возможность решить вопрос о спине мезотрона.
Для физики атомного ядра вопрос о мезотроне и, в частности, о его спине играет не меньшую роль, чем для физики космических лучей. Как известно, в настоящее время считается, что ядра всех элементов состоят из протонов и нейтронов. В теории строения ядра, развитой Н. Бором, ядро до известной степени уподобляется капле жидкости. Это дает возможность рассматривать ядро, как такую совокупность частиц, к которой можно подойти со статистической и термодинамической точек зрения. Уже на ядерном совещании 1937 г. было ясно, что подобная статистическая теория ядер дает возможность понять целый ряд закономерностей ядерной физики. Несмотря на большие успехи, достигнутые теорией строения ядра Бора, постепенно стал накопляться экспериментальный материал, для об'яснения которого столь грубая схема является недостаточной. В частности на совещании А.И. Лейпунский указал на ряд фактов, для понимания которых, повидимому, необходимо учитывать индивидуальные свойства ядер.
Для всякой теории строения ядер основную роль играет вопрос о взаимодействии между ядерными частицами. Как известно, взаимодействие между заряженными частицами, выражаемое известным законом Кулона, может быть формально описано как результат испускания и поглощения заряженными частицами фотонов. Пытаясь описать подобным же путем взаимодействие между протонами и нейтронами в ядрах, японский физик Юкава в 1935 г., т.е. еще до экспериментального открытия мезотронов, пришел к заключению, что это взаимодействие может осуществляться за счет испускания и поглощения заряженной частицы с массой, примерно в 100 раз превышающей массу электрона, и со спином, равным 1. Таким образом, можно сказать, что теория ядерных сил Юкава до известной степени предсказала открытие мезотрона. По Юкава, взаимодействие протонов с нейтронами в ядрах связано с рядом последовательных превращений нейтронов в протоны и обратно: протон, испуская положительный или захватывая отрицательный мезотрон, превращается в нейтрон и обратно. Однако, как со всей силой подчеркнул в своем докладе И. Е. Тамм, теория Юкава, давая весьма ценные качественные результаты, в количественном отношении является совершенно неудовлетворительной. В связи с этим за последние годы целый ряд авторов делал попытки за счет различных специально придуманных добавочных гипотез устранить эти затруднения. Но уже самый характер этих гипотез свидетельствует о полном неблагополучии в теории. Так например Бете предлагает об'яснять взаимодействие между ядерными частицами с помощью нейтральных мезотронов, не имеющих ничего общего с заряженными; Гейтлер предлагает постулировать существование нескольких сортов протонов и т.п.
И. Е. Тамм считает, что эти трудности имеют своим источником специфические свойства частиц со спином 1. Поэтому он поставил себе цель - теоретически исследовать свойства подобных частиц. Ему удалось найти точное решение уравнения движения частицы со спином 1 (так называемое уравнение Прока) в поле, создаваемом обычным электрическим зарядом, т.е. решить задачу, аналогичную задаче о движении электрона в атоме водорода. При этом оказалось, что движение мезотрона в поле другого электрического заряда существенным образом отличается от движения в том же поле частиц со спином 1/2. Это дало возможность Л. Д. Ландау и И. Е. Тамму высказать новую гипотезу о природе ядерных частиц и ядерных взаимодействий. Согласно этой гипотезе, протон и отрицательный мезотрон могут образовывать подобие нейтрального водородного атома с весьма малым радиусом. Такой "квазиводородный атом" отождествляется с нейтроном. Таким образом, в отличие от старых взглядов эта теория рассматривает нейтрон как сложное образование, состоящее из протона и отрицательного мезотрона.
На первый взгляд новая гипотеза о строении нейтрона противоречит имеющимся сейчас экспериментальным данным о том, что взаимодействие между двумя протонами приближенно равно взаимодействию между нейтроном и протоном. Однако в энергетическом отношении образование нейтрона из протона и отрицательного мезотрона эквивалентно образованию протона из нейтрона и положительного мезотрона. Это дает основание рассчитывать, что последовательная теория, развитая на основе гипотезы Ландау и Тамма и учитывающая требования, теории относительности, сможет об'яснить приближенную равноправность нейтронов и протонов в ядрах. Весьма существенно, что эта точка зрения дает возможность совершенно иначе подойти и к вопросу о взаимодействиях между ядерными частицами. До сих пор считалось, что ядерное взаимодействие по своей природе в корне отлично от обычного электромагнитного взаимодействия. Поэтому принято было считать, что в природе существуют три типа взаимодействий: электромагнитное, гравитационное и ядерное. Если же рассматривать нейтрон, как комбинацию протона и отрицательного мезотрона, то взаимодействие между протоном и нейтроном можно понять на основе обычного взаимодействия между электрическими зарядами. С точки зрения этой гипотезы, можно провести аналогию между взаимодействием протона и нейтрона, с одной стороны, и протона и атома водорода - с другой.
Следует отметить, что к превращению этих взглядов в количественную теорию, которую можно было бы сравнивать с опытом, имеются очень серьезные трудности. Поэтому в настоящее время давать оценку гипотезе Ландау и Тамма еще преждевременно. Несомненно, однако, что если работа в этом направлении увенчается успехом, то это будет иметь большое значение для всей ядерной физики.
Весьма большой интерес совещания вызвали доклады, посвященные новому явлению - делению ядер урана и других тяжелых элементов. Как известно, в 1934 г. Ферми и его сотрудники обнаружили, что при облучении урана нейтронами возникает целый ряд искусственно-радиоактивных элементов с различными периодами распада. Аналогичное явление было найдено и при облучении нейтронами тория. Исследование химической природы этих веществ методами радиохимии показало, что получающиеся искусственно-радиоактивные вещества не являются изотопами ни одного из известных тяжелых элементов. При об'яснении этого факта Ферми обратил внимание на то, что искусственно-радиоактивные вещества, образующиеся из урана и тория, испускают при своем распаде отрицательные электроны. Испускание же одного отрицательного электрона ядром атома приводит к увеличению на одну единицу положительного заряда ядра. Поэтому элемент, получившийся в результате b-распада (испускания электрона), сдвинут в периодической системе элементов на одну клетку вправо (в сторону более тяжелых элементов).
Если считать, что искусственно-радиоактивное вещество в уране образуется при простом прилипании нейтрона к ядру урана, то применение этого "правила сдвига" (справедливость его проверена на большом материале естественной радиоактивности) к интересующему нас случаю приводило к заключению об образовании заурановых элементов с атомным номером большим атомного номера урана (вплоть до Z = 96) Однако несмотря на целый ряд попыток до конца 1938 г. не удалось создать общую схему этих явлений. Одна из встретившихся здесь трудностей заключалась в том, что наличие ряда последовательных превращений с испусканием электронов, не прерываемого превращением с испусканием a-частиц, противоречило существующим представлениям об устойчивости атомных ядер. С другой стороны, эти соображения об устойчивости ядер прямо указывали на возможность другого об'яснения явлений, наблюдающихся при бомбардировке урана и тория нейтронами.
Точное измерение масс атомных ядер показывает, что разделение ядра тяжелого элемента на две примерно одинаковые части с образованием изотопов элементов, расположенных в средней части периодической системы, есть экзотермическая реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Поэтому, с точки зрения устойчивости элементов, такая реакция является вполне возможной. Еще в 1934 г. И. Ноддак указывала, что выводы Ферми об образовании трансуранов не являются достаточно убедительными, так как нейтроны могут вызывать в уране ядерные реакции, отличающиеся от реакций в легких элементах. Но это замечание не было учтено, и никто не попытался проверить гипотезу Ноддак.
В конце 1938 г. Хан и Штрассман произвели тщательный радиохимический анализ продуктов, образующихся в уране. При этом оказалось, что радиоактивное вещество, сходное по своим свойствам с радием, в действительности является радиоактивным изотопом бария - элемента с порядковым номером 56. Таким образом, впервые было показано, что при бомбардировке урана нейтронами могут образовываться элементы, приходящиеся на середину периодической системы. Это обстоятельство сразу указало, что здесь мы имеем дело с делением ядра на примерно одинаковые части, а искусственно-радиоактивные вещества образуются уже в получившихся осколках. Доказательство этого факта физическими методами было дано Жолио. Он наносил тонкий слой окиси урана на наружную поверхность латунного цилиндрика диаметром 20 мм. Источник нейтронов (ампулка с эманацией радия и бериллием) помещался внутри цилиндра. На латунный цилиндр надевался цилиндр из бакелита таким образом, что между ними оставался зазор примерно в 3 мм. Оказалось, что искусственно-радиоактивные вещества переносились через этот зазор и осаждались на внутренней поверхности бакелитового цилиндра. Вставляя между цилиндрами слои слюды различной толщины, Жолио показал, что радиоактивные осколки могут пройти слой слюды, эквивалентный по поглощающей способности примерно 3 см воздуха. Таким образом Жолио доказал, что радиоактивными являются сами осколки, вылетающие из урана. В дальнейшем некоторым экспериментаторам (в частности сотруднику Ленинградского радиевого института Н.А. Перфилову) удалось с. помощью камеры Вильсона получить фотографии следов этих осколков. Как и следовало ожидать, осколки обладают большим эффективным электрическим зарядом и поэтому ионизуют молекулы газа, через который они проходят, гораздо сильнее, чем, например, a-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Это приводит к тому, что на фотографии след осколка получается более "жирным", чем след a-частицы. Полученные фотографии наглядно показали, что ядро урана делится на два осколка, летящие в противоположные стороны.
Механизм деления ядер, с точки зрения современной теории строения ядра, развитой Н. Бором, таков: ядро урана, захватившее нейтрон, приходит в возбужденное состояние. В результате этого ядро начинает совершать колебания, приводящие к деформации ядра. При этом ядро может принять столь вытянутую форму, что электростатическое отталкивание будет превалировать над притяжением за счет ядерного взаимодействия и ядро разорвется подобно тому, как из одной капли жидкости образуются две капли.
Этому весьма интересному явлению на совещании был посвящен большой доклад И. В. Курчатова и ряд других докладов.
В своем докладе И. В. Курчатов отметил, что работы последнего года не изменили наших основных представлений о механизме деления тяжелых ядер. Главное внимание исследователей, работающих в этой области, было обращено на получение более точных данных о вероятностях для различных процессов, связанных с делением, и на отыскание новых методов, вызывающих деление ядер. Было обнаружено, что деление ядер урана можно вызывать бомбардировкой быстрыми дейтронами (ядро так называемого тяжелого водорода). и облучением жесткими g-лучами. В мае 1940 г. было найдено, что быстрые нейтроны вызывают деление ядер иония (элемент с порядковым номером 90; изотоп тория). Наконец, молодые ленинградские физики К. Петржак и Г. Флеров обнаружили очень важное явление самопроизвольного деления ядер урана.
В своем докладе на совещании, посвященном этому открытию, Флеров указал, что возможность самопроизвольного деления ядер урана обсуждалась Бором и Уиллером в их основной теоретической статье. Но на основании своих вычислений Бор и Уиллер пришли к неправильной величине вероятности самопроизвольного деления ядер урана. Если принять вычисленные Бором и Уиллером вероятности, то время, в течение которого произошло бы деление половины всех атомов урана, должно было бы достигать колоссальней цифры в 1022 лет (для сравнения укажем, что время полураспада урана за счет испускания a-частиц составляет всего 5.109 лет). Разумеется, наблюдать экспериментально это явление, если бы оно действительно происходило со столь малой вероятностью, по крайней мере в настоящее время, было бы совершенно невозможно. Петржак и Флеров, усовершенствовав методику изучения деления ядер урана, установили ошибочность этих выводов Бора и Уиллера; оказалось, что если бы не было обычного распада урана с испусканием a-частиц, то за счет самопроизвольного деления половина атомов урана распадалась бы в миллион раз быстрее, чем считали Бор и Уиллер.
Теоретики В. Берестецкий и А. Мигдал доложили свои соображения о причинах ошибки Бора и Уиллера. Они выяснили, что тот приближенный метод вычисления, которым пользовались Бор и Уиллер, непригоден для рассмотрения данного вопроса и последовательное его применение приводит к абсурдным результатам. Работа Петржака и Флерова привела, таким образом, к открытию нового вида радиоактивности. Для урана, как видно из приведенных выше цифр, самопроизвольное деление играет значительно меньшую роль, чем обычный a-раопад. Но по мере увеличения атомного номера элемента самопроизвольное деление должно играть все большую роль. Поэтому возможно, что именно спонтанное деление ядер является тем фактором, который ограничивает периодическую систему элементов на уране.
Большое значение имеет уточнение количественных характеристик явления деления, произведенное за последнее время различными авторами. Американский физик Гендерсон калориметрическим способом измерил энергию, выделяющуюся при одном акте деления. Оказалось, что эта энергия составляет величину в 175 млн. электрон-вольт, т.е. в 20 с лишним раз больше, чем энергия, выделяющаяся при распаде одного атома радия. Обычный уран представляет собой смесь атомов с атомным весом 238 (99% всех атомов), атомов с атомным весом 235 (~ 1%) и очень небольшого количества более легких атомов. На основании косвенных данных предполагалось, что наиболее медленные нейтроны вызывают деление урана 235, а быстрые - урана 238. Кроме того ураном весьма сильно поглощаются нейтроны, скорость которых соответствует небольшой энергии в 5 электрон-вольт. Предполагалось, что это селективное поглощение нейтронов, приводящее не к делению, а к действительному образованию заурановых элементов с атомным номером большим 92, также обусловлено ураном 238. Но прямых доказательств этого не было; поэтому большое значение имеет работа американца Деннинга и его сотрудников,, которым удалось с помощью масс-спектрографа (отклонения ионов в электрическом и магнитном поле) произвести разделение изотопов урана. Правда, количество урана с атомным весом 235, полученное ими, составляло всего лишь несколько миллионных долей грамма, но этого оказалось достаточным для того, чтобы доказать правильность высказанных ранее предположений. В ряде других работ были уточнены и данные о вероятностях захвата ядрами урана нейтронов различных скоростей.
Все эти успехи дали возможность И.В. Курчатову провести в своем докладе анализ условий и возможностей осуществления в уране так называемой цепной ядерной реакции. Как уже отмечалось в обзоре совещания 1939 г., открытие деления урана совершенно по-новому поставило вопрос об использовании внутриядерной энергии. Дело в том, что при каждом акте деления ядра урана происходит выбрасывание, по крайней мере, двух нейтронов. Если бы каждый из вновь образовавшихся нейтронов мог в свою очередь вызвать деление и появление двух новых нейтронов и т. д., то число делений непрерывно увеличивалось бы и вместе с тем росло бы и количество выделившейся энергии. Вскоре после открытия явления деления урана было высказано даже мнение о том, что задача практического использования внутриядерной энергии решена.
Но уже к моменту совещания 1939 г. было ясно, что таким простым способом цепную реакцию осуществить нельзя. Это об'ясняется тем, что в уране нейтроны с энергией около 5 электрон-вольт захватываются, но не вызывают деления. Из быстрых нейтронов, получающихся при делении, только сравнительно небольшая часть может вызвать деление, остальные же замедляются при столкновении с ядрами урана и примесей к нему и попадают в ту область энергий, в которой особенно велика вероятность захвата, не приводящего к делению. И только когда нейтроны замедлятся до очень малых скоростей, сравнимых со скоростями теплового движения, вероятность захвата с делением будет снова превышать вероятность захвата, не приводящего к делению. Поэтому чем скорее нейтроны пройдут "опасную" для них область скоростей, тем большая доля их будет вызывать деление. Для того чтобы нейтроны скорее проходили "опасную" зону, надо к урану подмешать такой элемент, при столкновении с ядрами которого нейтроны замедлялись бы особенно сильно. Таким элементом является водород. Но подмешивание к урану водорода или вещества, богатого водородом (вода, парафин и т, п.), приводит к другой трудности. Оказывается, что медленные нейтроны могут прилипать к ядрам атомов водорода (протонам) и "выбывать из игры". Это обстоятельство приводит к тому, что даже при наивыгоднейшей концентрации атомов водорода в уране (по расчетам ленинградских физиков Зельдовича и Харитона, выгоднее всего брать 4 протона на 1 ядро урана) осуществление цепной реакции в такой смеси невозможно.
Но, разумеется, это не означает, что надо отказаться от использования деления урана для выделения больших количеств внутриядерной энергии. Уже сейчас намечаются три пути для этого. Первый и, по-видимому, наиболее надежный путь состоит в увеличении концентрации более легких ядер урана в смеси. Как мы уже указывали, захват нейтронов, не приводящий к делению, обусловлен прилипанием нейтронов к более тяжелым ядрам урана (с атомным весом 238). Поэтому, если мы уменьшим долю этих более тяжелых ядер в общей смеси, то тем самым мы увеличим долю тех нейтронов, которые будут вызывать деления. Расчеты, выполненные Зельдовичем и Харитоном, показывают, что если бы удалось довести содержание ядер урана с атомным весом 235 примерно до 2% (вместо 1% в естественном уране), то при смешивании больших количеств такого обогащенного урана с соответствующим количеством воды или парафина цепная реакция оказалась бы возможной. К сожалению, для этого надо обладать большими количествами обогащенного урана, так.как в противном случае много нейтронов будет "выбывать из игры" за счет вылета наружу из смеси урана с водой.
В ничтожных количествах разделение изотопов урана уже осуществлено в масс-спектрографе. Но получить этим путем килограммы и даже тонны урана, нужные для осуществления цепной реакции, невозможно. В легких элементах (неон, хлор) разделение изотопов в больших количествах можно получить путем многократного применения диффузии. Непосредственное перенесение этой методики на случай урана также не дает желаемого результата. Поэтому нужно признать, что в настоящее время задача разделения изотопов урана или даже обогащения легким изотопом далеко выходит за рамки наших возможностей. Но, делая это заключение, не следует забывать, что до последнего времени задача разделения тяжелых изотопов не имела и сотой доли того значения, которое она приобрела сейчас. Поэтому можно надеяться, что в будущем физикам удастся изыскать такие методы, которые дадут возможность эту задачу решить.
Второй путь для осуществления цепной реакции в уране заключается в замене водорода, применяемого в этой схеме для замедления нейтронов, другим веществом. Благодаря тому, что масса протона практически равна массе нейтрона, водород является таким веществом, которое наиболее быстро замедляет нейтроны, и, следовательно, в смеси с водородом нейтроны скорее всего проходят через "опасную" область энергий в 5 электрон-вольт, в которой они поглощаются, не вызывая деления. Но, к сожалению, протоны сами способны захватывать нейтроны. Поэтому возникает вопрос: нельзя ли заменить протоны другими легкими ядрами, для которых несколько худшие условия для замедления нейтронов компенсировались бы отсутствием поглощения? Имеющиеся сейчас данные как будто показывают, что ядра так называемого тяжелого водорода - дейтроны - удовлетворяют этим условиям. Поэтому, если эти данные подтвердятся, то, смешав достаточное количество обычного урана с тяжелым водородом, мы получим условия, в которых цепная реакция станет возможной. Практически, конечно, смешивать уран надо не с тяжелым водородом, а с каким-нибудь его соединением ("тяжелой водой", соединением с углеродом и т.п.). К сожалению, сейчас еще нет точных данных о поглощении нейтронов кислородом и углеродом. Поэтому мы не можем сказать, не помешает ли это поглощение осуществлению цепной реакции. Следует, однако, подчеркнуть, что даже при благоприятном решении этого вопроса использование тяжелого водорода для осуществления цепной реакции также представляет колоссальные трудности. Дело в том, что количество тяжелого водорода, необходимое для осуществления цепной реакции этим путем, во много раз .превосходит количество тяжелого водорода, добытого во всем мире.
И.В. Курчатов в своем докладе привел данные, которые показывают, что существует и третий путь для осуществления цепной реакции. Оказывается, что в протактинии (элемент о порядковым номером 91 и атомным весом 231) практически отсутствует поглощение, не приводящее к делению ядер протактиния. Активными здесь являются быстрые нейтроны. Вероятность для деления оказывается при этом настолько большой, что при достаточных количествах протактиния, без всякого разделения изотопов, цепная реакция будет возможной. Но полученное во всем мире в настоящее время количество протактиния также оказывается несравненно меньше, чем это нужно для осуществления цепной реакции. Весьма показательной в этом отношении является таблица, приведенная в докладе И.В. Курчатовым:
Метод осуществления цепной реакции Кол-во вещества, необходимое для реакции Имеющееся в мире кол-во вещества Отношение имеющегося кол-ва
к необходимомуУран, обогащенный легким изотопом,
в смеси с обычной водой0.5 тонны обогащенного урана 2.10-12 тонны обогащенного урана 4.10-12 Обычный уран в смеси с дейтерием 15 тонн тяжелой воды 0,5 тонны 1/30 Протактиний 0,2 тонны 1.10-6 тонны 5.10-9 Остальные ядра, в которых мы сейчас можем вызвать деление, не открывают и таких перспектив в отношении осуществления цепной реакции.
Приведенная таблица показывает, что хотя принципиально вопрос об осуществлении цепной реакции и, следовательно, о получении больших количеств внутриядерной энергии и решен, но на пути практической реализации этой реакции встают огромные трудности. Для преодоления их необходимо значительное усовершенствование существующих сейчас методов разделения изотопов или получения больших количеств протактиния. Но вместе с тем ясно, что сейчас положение с практическим использованием внутриядерной энергии совершенно иное, чем это было всего два года тому назад. Если в 1938 г. нам приходилось говорить, что хотя внутриядерная энергия и существует, но для того, чтобы найти путь к ее использованию, необходимо открыть какое-то принципиально совершенно новое явление, то сейчас мы можем сказать, что это открытие уже сделано. И если даже не будут открыты другие пути решения задачи, то и в этом случае проблема использования внутриядерной энергии будет решена.
Сейчас еще преждевременно обсуждать те экономические и технические возможности, которые откроются после практического осуществления цепной реакции. Можно, однако, указать, что количества энергии, выделяемое при делении всех ядер, содержащихся в одном грамме урана, примерно в 2 млн. раз превышает энергию, получающуюся при сгорании грамма лучшего угля. Весьма важно, что уран представляет собой очень компактный источник энергии. Кроме того следует указать, что если получить большое количество радиоактивных осколков, то они сами, за счет своего радиоактивного распада, в течение целого ряда часов будут выделять энергию. Один грамм таких осколков в течение дня отдаст почти столько же энергии, сколько тонна угля (правда, выделение энергии будет идти весьма неравномерно: быстро в начале и медленно в конце).
Неоднократно высказывались опасения, что если цепная ядерная реакция начнется, то она приведет к такому взрыву, который может начать аналогичную цепную реакцию во всем окружающем веществе. Но, насколько мы можем сейчас судить, такое представление является неправильным. Деление с выделением новых нейтронов может быть осуществлено только в самых тяжелых элементах, а цепная реакция без специальных примесей, не встречающихся в природе, - лишь в большом количестве протактиния с высокой концентрацией, чего в естественных условиях также не может быть. Но даже и в самом уране цепная реакция, повидимому, будет более сходна с горением, чем со взрывом. Расчеты показывают, что по мере увеличения выделения энергии вся система будет разогреваться и расширяться, что будет приводить к замедлению протекания реакции. Как указывают Зельдович и Харитон, цепная реакция в уране будет обладать свойством саморегулируемости.
Подводя итоги, можно сказать, что несмотря на громадные трудности, встающие на пути практического осуществления цепной ядерной реакции, деление урана открывает нам определенные перспективы в отношении использования ядерной энергии. Но, конечно, дальнейшая проверка этого заключения и кропотливое и тщательное изучение всех явлений, происходящих в уране и в соответствующих примесях, необходимы.
Так же как и в 1939 г., совещание много внимания уделило вопросам различных применений искусственно- и естественно-радиоактивных веществ. В этом году особенно подробному обсуждению были подвергнуты применения в области медицины и биологии. В своем обзорном докладе по этому вопросу Г.М. Франк указал, что если число научных работ по применению радиоактивности в биологии и медицине до 1937 г. исчислялось единицами или, в лучшем случае, немногими десятками, то за последние годы их опубликовано несколько сот.
Используя искусственно-радиоактивные вещества, врач получает новые методы диагностики, а в перспективе и новые методы терапии. Действительно, радиоактивное вещество, например искусственно-радиоактивный фосфор, не отличается по своим химическим свойствам от обычного фосфора. Вместе с тем атомы радиоактивного фосфора именно благодаря их радиоактивности можно отличить от атомов неактивного фосфора. Поэтому, используя атомы "меченые" радиоактивностью, мы можем проследить за протеканием различных процессов даже в тех случаях, когда общее количество данного вещества в организме или отдельном органе остается неизменным. Используя искусственно-радиоактивный фосфор, мы можем, например, выяснить, как быстро происходит усвоение фосфора организмом. Произведенные этим методом исследования показали, что 80% фосфора, введенного в кровь животному, уходит из крови уже через 3 минуты. А через 30 минут 20% введенного фосфора находится уже в составе фосфорно-кальциевой основы костей скелета. Метод "меченых" атомов позволил обнаружить и необычайно быстрое вхождение железа в состав гемоглобина красных кровяных шариков крови. Уже через полчаса после введения радиоактивного железа (в виде соляно-кислой соли) в желудок вместе с пищей заметные количества его были найдены в красных кровяных шариках.
Искусственно-радиоактивные вещества могут с успехом использоваться и для исследования распространения в организме сильнодействующих лекарств и ядов. Высокая чувствительность методов, применяемых для изучения радиоактивности, дает возможность пользоваться достаточно малыми дозами изучаемых веществ. Так например до сих пор физиологи для изучения секреции кислоты в желудке вводили в организм бром и химическими методами определяли количество бромисто-водородной кислоты, выделяющейся железами желудка. Однако при работе этим методом в организм приходится вводить целые граммы брома, и этот бром существенным образом меняет нормальную секрецию желудка. С помощью же искусственно-радиоактивного изотопа брома удается проделать те же опыты, но с введением всего нескольких миллиграммов брома.
Наконец, в ряде случаев можно выяснить поведение различных препаратов, не нарушая целостности организма животного и человека. Так например Гамильтону удалось определить содержание искусственно-радиоактивного иода в щитовидной железе человека, измеряя с помощью счетчика Гейгер-Мюллера интенсивность улучей, испускаемых этим радио-иодом, просто прикладывая счетчик к шее испытуемого в области щитовидной железы.
Получение количественных данных о скорости обмена и усвоения различных веществ организмом дает возможность сравнительно легко вскрывать нарушения этих процессов при различных заболеваниях и тем самым открывает совершенно новые возможности для диагностики. Полученные данные показывают, что у здоровых и анемичных животных процессы поглощения железа кровью протекают совершенно по-разному. У анемичных животных количество радиоактивного железа в крови через 4 часа после его введения в кровь оказывается в 40-50 раз больше, чем у здоровых. Подобным же образом заболевания щитовидной железы резко сказываются на концентрации в ней вводимого в организм радиоиода.
Существенно отметить, что резкое различие между накоплением иода в нормальной щитовидной железе и в железе с повышенной функциональной деятельностью может быть обнаружено лишь в том случае, если в организм вводятся очень малые количества иода. При увеличении же количеств вводимого иода различие в поведении между нормальной и ненормальной железами сглаживается. Это обстоятельство еще более подчеркивает преимущества метода радиоактивных индикаторов. Избирательное поглощение радиоактивных веществ в различных органах может совершенно изменить и методы радиотерапии. В настоящее время радиотерапия, как и терапия рентгеновскими лучами, основана на том, что клетки, например, раковой опухоли менее устойчивы по отношению к ионизующим излучениям, чем здоровые клетки. Большой набор искусственно-радиоактивных веществ, который физика предоставляет р.рачу, открывает возможность подобрать радиоактивные вещества, отлагающиеся преимущественно в заболевшем органе (как например это имеет место в отношении отложения радио-иода в щитовидной железе). В результате облучению подвергнутся только те ткани, которые врач желает облучить. Особенно большое значение должен приобрести этот метод для радиотерапии внутренних органов. Большие перспективы, правда, еще очень мало изученные, открывает и непосредственное облучение нейтронами.
Уже одно перечисление всех этих возможностей показывает, что открытие искусственной радиоактивности дает врачу, физиологу и биологу чрезвычайно сильный метод, с помощью которого можно решить целый ряд очень важных вопросов. Следует подчеркнуть, что использование этого метода еще только начинается и дальнейшая его разработка, может быть, приведет к открытию и совершенно новых возможностей. Но уже сейчас есть все основания считать, что применение искусственно-радиоактивных веществ в ближайшие же годы займет в клиниках внутренних болезней почетное место среди различных методов диагностики и терапии.
В настоящее время применение искусственной радиоактивности в биологии и медицине разрабатывается главным образом в США. У нас в СССР развитие этих работ лимитируется недостатком установок для получения искусственно-радиоактивных веществ. В частности, во Всесоюзном институте экспериментальной медицины имени М. Горького в Москве для создания источника нейтронов: приходилось пользоваться препаратами радия. Для сравнения укажем, что даже небольшая установка для ускорения заряженных частиц дает выход искусственно-радиоактивных веществ, соответствующий килограммам радия. А количество добытого радия во всем мире не достигает и одного килограмма. Можно надеяться, что в СССР в 1941 г. в этом отношении будет достигнут перелом, так как сейчас в добавление к единственному действующему у нас циклотрону в Ленинградском радиевом институте заканчивается строительство более мощного циклотрона в Ленинградском физико-техническом институте и начинается строительство еще более мощного циклотрона в Московском физическом институте Академии наук. В этом же году должна быть пущена небольшая высоковольтная установка в ВИЭМ специально для получения искусственно-радиоактивных веществ. Можно думать, что в результате этого, особенно после окончания строительства большого московского циклотрона, советские исследования по разработке и внедрению новых методов в медицину и биологию развернутся в должном масштабе.
Подводя итоги работ совещания, следует подчеркнуть, что совещание со всей наглядностью показало, какой большой шаг по пути к лидерству в мировой науке сделала советская ядерная физика за истекший год. В то время как в капиталистической Европе научная работа в теоретических областях резко сокращена, в Советском Союзе, наоборот, ядерная физика с каждым годом развивается все более быстрыми темпами. Многие из работ, доложенных на совещании, свидетельствуют о ярком успехе советских ученых. Проводимая сейчас реконструкция экспериментальной базы нашей ядерной физики - постройка новых установок для создания мощных пучков частиц с очень большими энергиями - даст нашим ученым все возможности для того, чтобы уже в ближайшие годы занять ведущее место в мировой науке.
