"Курчатов" - читать интересную книгу автора (Асташенков Петр Тимофеевич)

Если «затормозить» нейтроны...

Вскоре после открытия наведенной радиоактивности Энрико Ферми начал исследования взаимодействий нейтронов с веществом не только на той большой скорости, с которой вылетали нейтроны из радон-бериллиевого источника, а и на других, меньших скоростях. Было известно, что нейтроны вылетают из бериллия со скоростью 30 тысяч километров в секунду. Если их «затормозить», то как они будут взаимодействовать с ядрами?

В 1934 году к подобным же исследованиям приступил и Курчатов. Он писал:

Чтобы проверить это утверждение практически, следовало найти замедлители нейтронов.

И первое, что пришло в голову исследователям, применить воду.

Игорь Васильевич так рисовал механизм замедления нейтронов в воде: «Нейтроны, проходя через воду, испытывают время от времени столкновения с протонами, и ввиду того что масса обеих частиц примерно одинакова, при каждом столкновении энергия нейтрона... уменьшается. Вместо быстрых нейтронов мы получим, таким образом, медленные, со скоростью в 1000 километров в секунду».

Опыты подтвердили предположения, но кое-что и уточнили:

Ну хорошо, медленные нейтроны получены. Как они взаимодействуют с ядрами? Результат исследования искусственной радиоактивности, возбуждаемой замедленными нейтронами, полученный Э. Ферми, оказался совершенно неожиданным: медленные нейтроны вызывали искусственную радиоактивность в еще большей степени, чем быстрые. В этом немедленно убедился и Игорь Васильевич.

«Полученные с медленными нейтронами результаты настолько поразительны, — писал в те годы И. В. Курчатов, — что первое время казалось, будто мы имеем дело вовсе не с нейтронами, а с какими-то новыми частицами».

Потребовалось пересмотреть прежние взгляды. Игорь Васильевич отмечал: «Мы видим, что основные условия возможности ядерных реакций, которые мы ранее указывали (наличие большой скорости у взаимодействующих частиц), не всегда обязательны. Оказывается, что наоборот — при малых скоростях нейтронов ядерные расщепления проходят с максимальной интенсивностью».

Но со всеми ли ядрами происходит такое? Выяснению характера взаимодействия медленных нейтронов с ядрами разных элементов и были посвящены эксперименты 1935 года.

Работы велись и в физтехе и в радиевом институте. Много сил отнимало налаживание приборов. Нередко они все же подводили в самый горячий момент. Борис Васильевич Курчатов вспоминает, как Игорь Васильевич выручил однажды из «беды» академика Хлопина и его супругу, экспериментировавших в одной из лабораторий радиевого института. У них уже все было готово к опыту, как вдруг... щелкнули переключатели, а приборы молчат.

— Проклятый счетчик! — с досадой произнес женский голос.

Курчатову, находившемуся в соседней комнате, стало ясно — счетчик Гейгера «закапризничал». Игорь Васильевич с лаборантом отключили свой исправный счетчик и внесли в комнату, где работали Хлопины.

— Вот спасибо, — благодарили супруги, — сами ведь знаете, как тяжело откладывать уже готовый эксперимент!

Игорь Васильевич понимающе кивнул — тем более что свой эксперимент он вынужден был действительно отложить...

...От эксперимента к эксперименту, как по своеобразным ступеням, Курчатов шел к более полному познанию взаимодействия ядер с нейтронами. Будет ли расщепляться литий медленными нейтронами? Игорь Васильевич вместе с ленинградскими и харьковскими учеными ставит опыты. Замедлителем служит вода. Ампулу, излучающую нейтроны, опускают в бак, а сверху, на крышке бака, помещают мишень — пластинку лития, запаянную в алюминиевую коробочку. Сравнивать эффективность воздействия быстрых и медленных нейтронов можно, выпуская воду из бака и впуская ее. Когда воды между ампулкой и мишенью нет — действуют быстрые нейтроны, когда они разделены водой — медленные. «Мы убедились, — записали авторы в отчете, — что активность мишени обусловлена главным образом действием замедленных нейтронов».

Но мало установить этот факт. Надо определить, что за реакция происходит. Камеры отметили: вылетают две частицы. Одна из них — ядро трития, сверхтяжелого изотопа водорода с массовым числом 3. Итог определился так: поглощение ядром лития нейтрона приводит к образованию ядра трития и альфа-частицы.

Но это, так сказать, качественная сторона явления. А нельзя ли дать количественную оценку взаимодействия ядра лития с нейтроном? Нельзя ли, например, определить площадь круга, пролетая через который нейтрон будет захвачен ядром, расположенным в центре этого круга?

Произведя расчеты, Курчатов и его сотрудники установили, что «сечение захвата» (так именуется площадь этого воображаемого круга) у лития тем больше, чем медленнее пролетает нейтрон.

Но в дальнейшем обнаружились и аномалии. При определенной скорости нейтронов поглощение их вдруг резко возрастало, а при дальнейшем уменьшении скорости — опять падало. Испробовав в качестве мишени множество веществ, Курчатов пришел к выводу: некоторые из них способны резко увеличить поглощение нейтронов со строго определенными скоростями. Такое «резонансное поглощение», как его стали называть, оказалось особенно велико у лития, бора, кадмия, редкоземельных элементов и некоторых других веществ.

Обсуждение этих экспериментов вызывало в лаборатории оживленные споры.

«Я припоминаю драматическую ситуацию, — рассказывает академик А. И. Алиханов, — которая возникла в связи с обнаружением резонансного поглощения нейтронов. Явление заключалось в резком возрастании поглощения нейтронов в веществе в определенной, узкоограниченной области скоростей нейтронов. В этой работе участвовал и Л. А. Арцимович.

Он взял на себя роль «адвоката дьявола». Он упорно настаивал, что их опыты еще не доказывают с полной уверенностью существование резонансного поглощения нейтронов. Мы стали невольными свидетелями этих споров между Л. А. Арцимовичем и И. В. Курчатовым, так как хорошо слышали их голоса через стену.

Обычно спор кончался на том, что «противники» приходили к соглашению: провести еще один, решающий опыт. И так было несколько раз, пока, наконец, не появилась статья Э. Ферми и его сотрудников, в которой сообщалось о существо вании резонансного поглощения нейтронов».

Ядерные исследования велись одновременно в ряде стран. Каждый новый шаг одних ученых воодушевлял других. Идею итальянца Э. Ферми развивал француз Ф. Жолио-Кюри, а его предположение уточняли немцы О. Ган и Ф. Штрасман. Иногда одно и то же открытие рождалось в разных лабораториях.

Статья Ферми и его сотрудников вызвала, конечно, досаду у советских экспериментаторов, «выпустивших» из рук крупнейшее открытие. Но она же говорила и о другом: о том, что советские ядерщики стоят на верном пути, правильно оценивают происходящие на их глазах события и ни в чем не отстают от самых передовых лабораторий мира, штурмующих в одном строю с ними атомное ядро.

Работы И. В. Курчатова, выполненные совместно с Л. А. Арцимовичем и другими нашими учеными, не только подтверждали открытие Ферми, но и помогли доказать ошибочность некоторых выводов. Считалось, что вещества, жадно поглощающие нейтроны, должны сильно рассеивать их. И. В. Курчатов на примере серебра показал, что эффективное сечение рассеяния медленных нейтронов по крайней мере в двадцать раз меньше сечения захвата. Был обнаружен и другой важнейший факт. Коэффициент поглощения нейтронов при измерениях получается наибольшим, когда в качестве индикатора и поглотителя берется одно и то же вещество. Этот любопытный опыт также подтвердил так называемую селективность поглощения нейтронов.

В том же 1935 году И. В. Курчатов и Л. И. Арцимович открыли захват нейтрона протоном и определили первое значение сечения захвата. Эта работа сыграла важную роль для построения теории строения ядра дейтерия.

Подробно изучал Игорь Васильевич рассеяние нейтронов различными веществами, измерял сечения рассеяния. И в этих работах участвовали представители трех институтов — радиевого и двух физико-технических (Ленинградского и Украинского).

В отчетах об исследовании Игорем Васильевичем сечений захвата и рассеяния нейтронов фигурируют такие вещества, как кадмий, вода, свинец. Какое же давнее знакомство у. него с этими веществами, которые буквально незаменимы для нынешней атомной техники!

Очень симптоматично в связи с этим звучат разделы одной из работ И. В. Курчатова:

При обсуждении результатов Игорь Васильевич анализирует «упругие» и «неупругие» соударения. Это на современном языке физиков ядра означает упругое и неупругое рассеяние нейтронов. Упругое рассеяние, как это выяснилось уже в то время, состоит в том, что «столкнувшееся» с нейтроном ядро остается в прежнем состоянии, а «отлетевший» нейтрон сохраняет свою кинетическую энергию. В случае неупругого рассеяния ядро переходит в возбужденное состояние, и из него вылетает нейтрон, причем не обязательно тот, который попал в него.

То, что уже тогда, в 1935 году, И. В. Курчатов занимался вопросами рассеяния нейтронов ядрами, — исключительно важно. Ведь, например, упругое рассеяние лежит в основе замедления быстрых нейтронов, а само замедление — один из важнейших процессов, протекающих в ядерных реакторах.

Так камень за камнем складывалось под руководством Игоря Васильевича основание отечественной нейтронной физики.