Тем временем с радием продолжали проводить разные эксперименты. Учёные определили, что под воздействием радия большинство органических веществ испытывают всевозможные изменения. Так, сахар становится бурым, а бумага чернеет и распадается. Подобное же превращение испытывают и листья растений: под действием исходящего от радия излучения они желтеют.
Проводился и такой эксперимент.
Трубку, содержавшую соль радия, прикладывали к коже, и через какое-то время кожа краснела как после ожога. При более длительном воздействии радия на коже появлялись глубокие раны, которые не вылечивались потом в течение нескольких месяцев.
Также было изучено действие испускаемого радием излучения на нервную систему. Один из учёных того времени описывал подобный эксперимент так: «…если мы закроем глаза и приблизим соль радия к векам или даже вискам, то мы получим ощущение света. Интересно, что это ощущение получают и слепые». Как только стали известны эти физиологические действия радия, сразу последовал ряд попыток применения его для лечебных целей. Так зарождалась радиотерапия, которую стали применять при лечении некоторых кожных болезней, в особенности рака кожи и волчанки.
Однако было установлено, что действие радия на внутренние органы слишком опасно. Были проведены опыты, которые показали, что действие радия на головной и спинной мозг животных за час приводит к полному параличу.
Полученный впервые супругами Кюри чистый хлорид радия светился в темноте, и его температура всегда была выше температуры окружающего воздуха. Стало очевидно, что процесс радиоактивного распада сопровождается выделением энергии. В 1904 году английский радиохимик Фредерик Содди писал, что если бы нашёлся способ высвобождения этой энергии, то возможно стало бы создание атомного оружия. В 1906 году в своей лекции «О внутренней энергии элементов» он отмечал, что одна тонна урана, стоившая менее 1000 фунтов стерлингов, может дать больше энергии, чем все электростанции Лондона. Английский писатель Герберт Уэллс в романе «Освобождённый мир» (1914) описал мировую войну 1956 года, во время которой крупные города мира были разрушены атомными бомбами.
Техника рентгенотерапии для лечения эпителиомы лица
Лечение ракового больного рентгеновским облучением в Берлинском научно-исследовательском институте рака
Изучение явления радиоактивности привело учёных к пониманию устройства атомов элементов, были открыты альфа- и бета-частицы, а также гамма-излучение. К тому же, изучая радиоактивные элементы, было установлено, что при радиоактивном распаде образуется новый химический элемент. Так была доказана возможность трансмутации, то есть превращения одного элемента в другой. То, что когда-то алхимикам казалось несбыточной мечтой, стало явью.
Учёные установили, что никакое изменение свойств окружающей среды (температура, давление, химические реакции) не влияет на скорость радиоактивного распада — она постоянна. Поэтому некоторые говорили: «Радиоактивный элемент — это часы Вселенной».
Вернёмся, однако, к урану, практический интерес к которому изменился после ряда открытий, сделанных в физике в 30 — е годы XX века.
В 1932 году английский физик Д. Чедвик открыл нейтрон, ранее теоретически предсказанный физиками Г. Мозли и Э. Резерфордом. В том же 1932 году российский физик — теоретик Д. Д. Иваненко предложил модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.
В 1934 году французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, то есть получили радиоактивные изотопы элементов, не обнаруженные до того времени в природе.
Для справки: ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество протонов говорит о том, каким химическим элементом является данный атом. Если в ядре 1 протон, то это водород, если 92, то уран. А вот количество нейтронов может быть разным даже для одного элемента. Например, в ядре атома урана может быть как 143 нейтрона, так и 146 нейтронов. И всё равно это будет атом урана. Такие атомы, имеющие разное количество нейтронов в ядре, называются изотопами.
Изображение путей альфа-, бета- и гамма-частиц из образца радия, помещённого между полюсами электромагнита в эксперименте, проведённом в лаборатории Мари и Пьера Кюри
В 1936 году Энрико Ферми (1901–1954), занимавший пост профессора теоретической физики в Римском университете, с целью получения трансурановых элементов приступил к экспериментам по облучению элементов нейтронами. Ещё в 1934 году он обнаружил, что при бомбардировке (облучении) нейтронами какого-либо вещества происходят различные эффекты, зависящие от скорости (то есть энергии) нейтронов. Также он обнаружил, что вещества, подобные парафину, снижают скорость нейтронов, то есть способствуют замедлению процесса облучения. Кроме того, Ферми заметил, что нейтроны иногда отражаются ядрами элементов (как при столкновении шаров в бильярде), а иногда — поглощаются ими. Исследуя продукты облучения урана нейтронами, Ферми пришёл к выводу, что при этом происходит образование трансурановых элементов. За свои исследования он в 1938 году получил Нобелевскую премию по физике, однако уже в 1939 году его выводы признали ошибочными.
Энрико Ферми
Правильное объяснение результатам опытов Ферми дали двое немецких учёных, Отто Ган и Фриц Штрассман, и двое австрийцев — Лиза Мейтнер и её племянник Отто Фриш.
Как и Ферми, они обнаружили в облучённом уране различные радиоактивные продукты и сначала тоже решили, что часть из них могут быть трансурановыми элементами.
Однако в декабре 1938 года Ган и Штрассман экспериментально доказали, что одним из продуктов является барий. Так было открыто расщепление ядра урана. Результаты работы Гана и Штрассмана были опубликованы 6 января 1939 года, а уже 11 февраля 1939 года Мейтнер и Фриш опубликовали теоретическое обоснование расщепления ядра, объяснив его с точки зрения капельной модели строения ядра, предложенной ранее Нильсом Бором. Да, да, теория о строении атома не так уж и стара. Ей ещё и ста лет нет.
Отто Ган
Стоит отметить, что в конце 1930-х годов идея расщепления атома буквально витала в воздухе, о чём, к примеру, свидетельствует карикатура из британского еженедельного сатирического журнала «Панч» (1937).
Отто Ган и Лиза Мейтнер в лаборатории
Отто Фриш, который и ввёл в науку термин «расщепление ядра», обнаружил также, что при делении урана высвобождается значительное количество энергии. Другие исследователи позднее выяснили, что в процессе деления ядра урана, вызванного одним нейтроном, происходит образование большего числа нейтронов; эти нейтроны назвали «вторичными». Поскольку при каждом акте деления ядра урана образовывалось от двух до трёх вторичных нейтронов, реализация цепной реакции деления и, как следствие, практическое использование атомной энергии становились реальностью. За время реакции один нейтрон мог привести к делению огромного числа атомов урана и, следовательно, к высвобождению громадного количества энергии, ведь число последовательных делений, вызванных вторичными нейтронами, возрастало в геометрической прогрессии — от 1 к 3, затем к 9, 27, 81, 243, 729, 2187, 6561, 19 683 и т. д.
Расчёт цепной ядерной реакции был произведён в 1939 году советскими учёными Ю. Б. Харитоном и Я. Б. Зельдовичем. В 1940 году молодые советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флёров открыли явление спонтанного деления ядер урана. В том же году американские учёные Э. Макмиллан и Ф. Абельсон, облучая уран нейтронами на циклотроне (ускорителе частиц), созданном Эрнестом Лоуренсом, впервые получили нептуний и плутоний, а также открыли деление плутония при реакции Pu239 + n1. Однако всё было не так радужно, как казалось поначалу.
Эрнест Лоуренс
Нильс Бор показал, что два основных природных изотопа урана взаимодействуют с нейтронами по — разному: уран-235 хорошо делится под действием потока быстрых нейтронов, а уран-238 — нет. И это при том, что последний является основным природным изотопом урана. Надежды учёных рушились. А тут ещё грянула война. Беспощадная ко всему и всем.
Схема циклотрона, ускорителя частиц, изобретённого Эрнестом О. Лоуренсом в 1932 году и широко используемого с 1930 — х по 1950-е годы
С началом Второй мировой войны учёные разных стран стали предпринимать попытки реализации цепной реакции деления урана, но быстро обнаружили, что для замедления нейтронов эффективны только тяжёлая вода и особо чистый графит. Поэтому остро встала задача: либо достать где-то много сверхдорогой тяжёлой воды и особо чистого графита, либо срочно научиться отделять изотопы урана друг от друга.
Работавшие в Великобритании Отто Фриш и Рудольф Пиерлс первыми предприняли попытку разделить изотопы урана, после чего представили британскому правительству два доклада: «О создании супербомбы, основанной на ядерной цепной реакции в уране» и «Меморандум о свойствах радиоактивной супербомбы». В первом докладе они сделали вывод, что 5-килограммовая бомба из урана-235 по мощности будет эквивалентна нескольким тысячам тонн динамита и что конструктивно она может состоять из двух кусков U-235, каждый менее критического размера. Для создания куска больше критического размера их просто надо будет привести в контакт, что и приведёт к взрыву. В докладе отмечалось также, что защититься от такой бомбы будет практически невозможно и что побочным продуктом станет радиация, «смертельная для живых организмов даже в течение длительного времени после взрыва».
Во втором докладе отмечалось, что «вследствие распространения радиоактивных веществ за счёт ветра, бомба не может быть использована без того, чтобы не вызвать большие жертвы среди мирного населения». Британская комиссия по военному использованию урана в своём итоговом отчёте от 15 июля 1941 года пришла к заключению, что создание атомной бомбы возможно и что строительство завода, способного произвести необходимое количество урана-235 для создания трёх бомб к концу 1943 года, обойдётся казне в сумму около 5 миллионов фунтов стерлингов. Однако на практике строительство такого предприятия в Великобритании в условиях постоянных бомбардировок со стороны Германии оказалось невозможным.