Познать атом. Как провели первую в мире контролируемую ядерную реакцию

Во время рождественских каникул 1938 года физики Лиза Мейтнер и Отто Фриш получили странное письмо от химика-ядерщика Отто Гана. В нем шла речь об открытии Гана, которое противоречило всему, что было известно об атомах. Он писал, что ядро урана может расщепляться и создавать два новых, при этом во время деления выделяется большое количество энергии. Мейтнер и Фриш поняли, что это открытие произведет революцию в ядерной физике.

Когда о нем узнали в научных кругах, многие ученые-ядерщики вдохновились на дальнейшее исследование ядерного деления. Вскоре физик Лео Силард сделал важное открытие: во время деления атома возникают нейтроны, способные давить на другие атомы и разделять их. Также атомы могут последовательно соединяться в самоподдерживающемся цепном процессе, больше известном как цепная ядерная реакция. Так ученые открыли человечеству двери в мир ядерной эпохи.

Военный заказ

Уже в 1942 году в рамках чикагских исследований ученые Лео Силард, Энрико Ферми, а также их коллеги из Чикагского университета начали разрабатывать экспериментальный ядерный реактор. Проблема состояла в том, чтобы создать контролируемую цепную реакцию, при которой одно деление провоцировало бы другое, но не приводило бы к переизбытку таких делений, из-за чего происходит взрыв. Одновременно ученые бились над тем, чтобы процесс деления ядер не останавливался из-за малого количества таких реакций.

В своих ранних исследованиях Энрико Ферми обнаружил, что ядра урана легче поглощают нейтроны, если те движутся относительно медленно. Но выделяемые при делении атомов нейтроны — быстрые. Ученые выяснили, что замедлить процесс рассеивания атомов способен графит. Чтобы взять под контроль цепную реакцию, они создали механизм управления графитовыми либо кадмиевыми стержнями, которые отлично поглощали нейтроны. Если что-то шло не так, исследователи быстро вставляли в центр реактора такие стержни.

2 декабря 1942 года ученые добились первой в мире успешной контролируемой цепной ядерной реакции. Этот успех стал ключом к созданию двух атомных бомб во время Второй мировой войны. Их разработкой занялись в 1943 году в рамках Манхэттенского проекта, которым руководили американский физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс. Их работа завершилась летом 1945-го созданием атомных бомб "Малыш" и "Толстяк". Первую американцы сбросили на японский город Хиросима 6 августа, вторую — 9 августа на Нагасаки. Эти бомбардировки стали единственным в истории человечества случаем использования ядерного оружия в военных целях.

Мирный атом

Сегодня в лабораториях ядерной физики по всему миру продолжаются исследования, во время которых ученые пытаются лучше понять, как замедлить деление атомов. Эти эксперименты предназначены в первую очередь для изучения основных свойств ядер путем тесного взаимодействия между теорией и практическими опытами.

Несмотря на то, что с момента успешной контролируемой цепной ядерной реакции прошло 75 лет, ученые по-прежнему не до конца понимают принцип деления ядер атома. Хотя бы потому, что под контролем делиться могут только искусственно созданные ядра, а они существуют лишь определенный промежуток времени. Кроме того, ученые работают над тем, чтобы научится определять новые типы ядер, где их деление будет возможным.

• Читайте также: Размер не главное. Как США и СССР мерялись спутниками

Новые эксперименты позволят лучше представлять процесс деления ядер, что поможет улучшить производительность и безопасность ядерных реакторов. С момента открытий Ферми и Силарда наука прошла долгий путь в области ядерной физики, но впереди еще множество открытий, главное из которых — понимание, как деление ядер атомов происходит в естественных условиях на нашей Земле и во Вселенной.

По материалам Newsweek
Перевод Даниила Непочатова