Искусственная радиоактивность
В начале 30-х годов казалось, что любимое занятие многих исследователей атома -- поиски новых продуктов распада -- уже не может дать ничего нового. Такие исследования проводились с чисто криминалистическим чутьем. Теперь ряд естественных радиоактивных элементов оказался полным. Ничего не меняло и то обстоятельство, что существование первого члена ряда актиния, актиноурана было до сих пор лишь гипотетическим. Исследователям атома и не снилось, что можно будет отыскать еще неизвестные радиоактивные элементы.
В это время между специалистами возникли очень интересные споры, а именно по поводу элемента с порядковым номером 93. Такого элемента вообще не должно было существовать на Земле. Уран, после того как он был помещен Менделеевым в периодическую систему, был признан самым последним из 92-х элементов. Так полагали все.
Однако некоторые ученые не могли расстаться с мыслью, что число элементов, возможно, превышает 92. Когда-то, в 1922 году, Нильс Бор размышлял о возможности существования благородного газа с порядковым номером 118 -- как это вытекало из его теории спектров и строения атома. Многим специалистам такие представления казались пустым теоретизированием.
В апреле 1934 года Ида Ноддак большим сообщением "Периодическая система элементов и ее пустые клетки" пробудила новый интерес к этой проблеме. В докладе, который был опубликован в журнале "Ангевандте хеми" 19 мая 1934 года, она ставила провокационный вопрос: почему периодическая система вдруг обрывается после урана? В составленной ею таблице она демонстративно оставляла незанятые места от 93 до 96 для элементов, которые еще предстояло открыть. Такой шаг она обосновывала весьма оптимистично: "Нам кажется возможным, что элементы, следующие за ураном, так называемые трансураны, с возрастанием порядкового номера становятся все менее жизнеспособными, а потому все более редкими. Однако стоящие за ураном четные элементы 94 и 96 могли бы быть получены сегодняшними средствами...; следует ожидать, что как раз в этом месте системы появятся некоторые неожиданности".
Действительно, такие неожиданности не заставили себя долго ждать. Уже в начале 1934 года Ирэн Кюри, дочь Марии Кюри, вместе со своим супругом. Фредериком Жолио, сделала открытие, поразившее специалистов. Им удалось обнаружить "новый тип радиоактивности". Так называлось их сообщение в "Отчетах Парижской академии наук" от 15 января. Что же крылось за этим заголовком?
Оба исследователя бомбардировали алюминиевую фольгу альфа-частицами; при этом обнаружилась отчетливая радиоактивность алюминия, которая сохранялась также после удаления источника излучения. Такой эффект никто никогда не наблюдал. Отдельные атомы алюминия после воздействия альфа-частиц превратились в радиоактивный фосфор (Р*). Этим новым методом можно было искусственно вызвать радиоактивность. То, что Стефания Марацинеану ошибочно искала на свинцовых крышах, стало фактом: для легких элементов -- пока только для них -- можно искусственно индуцировать радиоактивность:
[27]Al + [4]He [30]P + n
Радиоактивный фосфор распадается до устойчивого изотопа кремния с выделением позитрона:
[30]P [30]Si + e[+]
Исследователям атома, этим "алхимикам XX века", вновь удалось осуществить поразительное превращение элементов. Искусственным путем принудить вещества к радиоактивному распаду -- это было, безусловно, новым большим шагом на пути к гигантским запасам энергии атомного ядра.
Энрико Ферми из Физического института Римского университета, новая звезда в международном семействе исследователей атома, заинтересовался открытием искусственной радиоактивности и начал систематически обстреливать нейтронами один элемент за другим. Молодой физик надеялся, что таким путем, а не только с помощью альфа-частиц ему удастся вызвать искусственную радиоактивность.
Ферми и его коллеги д'Агостино, Сегре, Амальди и Розетти подошли к этим опытам строго методически. Они начали с элемента 1, водорода, и подвергли его воздействию потока нейтронов. После того как был убран источник нейтронов -- запаянная трубка с эманацией радия и порошком бериллия, ученые испытали облученный элемент на радиоактивность. Для этого был использован счетчик их собственной конструкции, работавший по принципу счетчика Гейгера -- Мюллера, известного с 1928 года. Ферми вбил себе в голову испытать все элементы периодической системы вплоть до урана. Откуда же взять нужные вещества? Физикам потребовалось некоторое время для того, чтобы обыскать запылившиеся полки институтов, химических магазинов и аптек и найти все, что им требовалось.
Многие сотрудники Римского университета находили поведение молодых физиков очень забавным: Ферми и его друзья по окончании облучения мчались, как одержимые, по длинным коридорам института, чтобы испытать свои препараты в помещении, не зараженном радиоактивностью. Ведь могло так случиться, что образовался короткоживущий радиоактивный элемент с периодом полураспада в несколько секунд. Потом обычно можно было видеть, как они медленно возвращались с разочарованными лицами. Для первых восьми элементов физики не смогли обнаружить никакой искусственной радиоактивности. Однако на девятом элементе, фторе, счетчик вдруг защелкал. Вскоре итальянцы установили, что облучение нейтронами активизирует многие элементы. Чаще всего последние излучали бета-лучи и превращались при этом в атомы следующего элемента. Ферми открыл "радиоактивность, индуцированную бомбардировкой нейтронами". Так назвал он статью, написанную 10 апреля и опубликованную в мае 1934 года в журнале "Нейчур",
Спор вокруг девяносто третьего элемента
Интересных результатов Энрико Ферми ожидал для последнего элемента периодической системы. Уран является самым тяжелым элементом, встречающимся на Земле. Ядро этого атома состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Относительная атомная масса в результате составляет 238, точнее, для изотопа [238]U. Уже тогда предполагали, что уран состоит не только из этого изотопа. Например, гипотетический актиноуран должен был быть легче. Однако с помощью масс-спектрографа Астона в то время не удавалось найти другие изотопы урана, кроме [238]U.
Вопрос об актиноуране был разрешен однозначно только тогда, когда американский физик Артур Демпстер из Чикагского университета в декабре 1934 года использовал новый источник ионов для масс-спектрографа повышенной разрешающей способности. В 1935 году Демпстер внес ясность в вопрос об изотопном составе урана: кроме известной четкой линии, для [238]U он нашел еще слабую линию для [235]U -- искомого актиноурана. Сегодня мы знаем, что природный уран на 99,27 % состоит из [238]U, на 0,72 % -- из [235]U и на 0,005 % -- из [234]U.
Когда в Физическом институте Римского университета в середине 1934 года молодой Ферми начал бомбардировать уран нейтронами, он, конечно, исходил только из существования [238]U. Если бы, как полагал Ферми, удалось внедрить в ядро еще один нейтрон, то по уравнению
[238]U + n [239]U
образовался бы радиоактивный изотоп с массовым числом 239 и -- в случае его дальнейшего бета-распада -- элемент с зарядом ядра 93:
[239]U [239]X + e
Такого вещества на Земле еще не было! Перспектива открытия этого элемента воодушевляла. Она означала проникновение в неизвестную область материи, до тех пор полностью сокрытую от человеческих представлений. Сходное чувство должно было в прежние времена охватывать кругосветных мореплавателей, когда они пускались в экспедиции для открытия новых стран и континентов и обнаружения их богатств.
Воодушевлению итальянцев не было границ, когда с первым же опытом пришла удача: облученный уран оказался сильно радиоактивным и, как предполагалось, испускал бета-лучи. Исследования показали, что продукты радиоактивного распада не идентичны с соседними элементами урана. Такое обнаружение можно было провести очень изящно. При химическом анализе требовалось только добавить соединение предполагаемого элемента, скажем, соли тория. После обычной химической переработки и разделения активность неизвестного продукта превращения либо обнаруживалась снова в ториевой фракции -- и тогда это был изотоп тория,-- либо ее не было. В последнем случае разъяснения могли дать дальнейшие химические опыты с добавлением других элементов или их соединений. Такие химические идентификации часто и с большой точностью проводили в то время Отто Хан, Лиза Мейтнер и Фриц Штрасман.
При повторении своих опытов Ферми не нашел никаких указаний на то, что из урана, облученного нейтронами, образовались какие-либо изотопы известных соседних элементов, такие, как протактиний, торий, актиний, радий. Исходя из этого, новый вид радиоактивных атомов должен был принадлежать элементам, находящимся по другую сторону урана -- трансуранам! По мнению Ферми, особенно правомерным было приписать образовавшийся радиоактивный осадок с периодом полураспада 13 мин новому, 93-му, элементу. Несмотря на это, Ферми дал очень осторожное название своему отчету, опубликованному в журнале "Нейчур" 16 июня 1934 года: "Возможное получение элементов с атомным номером, превышающим 92". Поэтому, когда итальянская печать начала во все горло кричать о доказанном получении 93-го элемента и громогласно причислила эти успехи к "победам фашистов в области культуры", это не могло не задеть Ферми и его коллег.
Итальянские физики открыли в своих работах поразительный эффект: радиоактивность, индуцированная нейтронами, вдруг усиливалась во много раз, если нейтроны предварительно пропускали через слой парафина. Парафин является смесью углеводородов. На своем пути через кусок парафина нейтроны встречали большое число атомов водорода той же массы. В результате столкновений нейтроны передавали атомам водорода часть энергии, отклонялись от прямолинейного пути и приобретали зигзагообразную траекторию. Передавая часть энергии, они тормозились. Таким образом, нейтроны покидали парафин со значительно меньшими скоростями, чем входили него. Такие замедленные, или тепловые, нейтроны вызывают превращения атомов с гораздо большей вероятностью, чем быстрые, которые часто проскакивают мимо цели.