Реакція поділу. Історія та суть наукового відкриття

ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Реакція поділу. Історія та суть наукового відкриття

Найважливіші наукові відкриття

Довідник / Найважливіші наукові відкриття

У 1938 році І. Жоліо-Кюрі та П. Савич помітили, що в урані, активізованому за методом Фермі, присутній елемент, подібний до лантану. Ці досліди були повторені того ж року О. Ганом і Ф. Штрассманом, які підтвердили результати своїх французьких колег і встановили, що новий помічений ними елемент є саме лантаном.

Разом із Ганом та Штрассманом в Інституті кайзера Вільгельма у Берліні працювала Ліза Мейтнер – вихованка Віденського університету, талановитий теоретик та фахівець у галузі атомної фізики. Але, будучи єврейкою німецького походження, вона змушена була бігти до Данії в Копенгаген до Нільса Бора та Отто Фріша - іншого німецького фізика.

А далі події докладно описані у книзі "Світ атома": "У спокійній творчій атмосфері Інституту теоретичної фізики вона швидко забула тривоги та побоювання минулих днів. Тепер для неї головною знову стала проблема атомного ядра.

За два дні до свого від'їзду Ліза Мейтнер отримала листа Отто Гана, в якому той писав про дослідження радіоактивного барію. Прочитавши листа, вона інстинктивно стиснула кулаки. Їй хотілося зім'яти його та викинути. Усередині все кипіло: "Нісенітниця! Яка нісенітниця!"

Коли пройшло перше хвилювання, вона задумалася: "Якщо Ган стверджує, що уран перетворюється на барій, може, це справді так. Він не може помилитися. Мабуть, і Ірен Кюрі мала рацію..." У роботі інших Мейтнер могла сумніватися, але в результати Гана – ні. Отже, нейтрони викликають якийсь новий вид перетворення уранового ядра. Вона взяла олівець і почала швидко писати. Математичні символи, якими вона заповнювала лист, для звичайної людини виглядали б незрозуміло. Ядро атома урану розпалося приблизно дві частини. У листі Ган ужив слово "розкололося". Тепер це не так важливо, важливим є сам факт. Чи можна зрозуміти з урахуванням відомих законів фізики можливість такого розщеплення? Перші обчислення, які вона зробила, дали позитивну відповідь. Мейтнер відчула невпевненість - що, якщо вона помиляється?

Ліза просить перевірити розрахунки Отто Фріша. "Він швидко переглянув зім'яті листи, потім вийняв олівець, присів навпочіпки і почав швидко робити розрахунки.

- А це чудово і неймовірно. Ти дійсно маєш рацію! - Фріш засунув лист у кишеню. - Ми повертаємося. Треба негайно перевірити все.

Так їхні канікули й завершились, не розпочавшись. Свята обіцяли бути винятково веселими, але зараз їх це не цікавило. Вони замкнулися в кімнаті, де й почалося одне з найчудовіших теоретичних досліджень. На них чекали величезні труднощі. Нескінченні обчислення, складні та трудомісткі висновки, перевірка отриманих результатів, порівняння з виведеними формулами та закономірностями... Вони не помітили, як минули сім днів і як настав 1939 рік. Новий рік приніс нову теорію. Мейтнер і Фріш вперше дали теоретичне пояснення результатів, отриманих Ганом та Штрассманом. Якщо їхні висновки підтвердяться і все виявиться правильним, людство піде новим шляхом, матиме нове джерело енергії. Вони цілком усвідомлювали, що зробили епохальне відкриття, тому поспішали підготувати статті.

Стаття Лізи Мейтнер і Отто Фріша, озаглавлена "Поділ урану за допомогою нейтронів: новий тип ядерної реакції", була відправлена до друку 16 січня 1939 і з'явилася в журналі "Природа" через місяць. Тут же незабаром було надруковано ще одну їх статтю - "Продукти поділу уранового ядра" і потім робота Фріша про результати експериментів, проведених у Данії.

Фактично це явище було пояснено майже одночасно наприкінці 1938 – на початку 1939 року кількома фізиками. Менше ніж за місяць у чотирьох лабораторіях світу – у Копенгагені, Нью-Йорку, Вашингтоні та Парижі.

Про Гана і Штрассмана, Мейтнер і Фріша вже говорилося. У підземеллі Колумбійського університету Джон Даннінг із двома помічниками також здійснюють поділ уранового ядра. Крім них у лабораторії Колеж де Франс у Парижі подружжя Ірен та Фредерік Жоліо-Кюрі зі співробітниками Павле Савичем, Гансом Халбаном та Левом Коварськи прийшли до того ж відкриття.

Відповідно до цього пояснення, атом урану, схильний до бомбардування нейтронами, відчуває новий тип розщеплення, причому атом, в який потрапив нейтрон, розколюється на дві більш менш рівні частини. Цьому явищу незабаром було дано назву розподілу.

Жоліо-Кюрі одразу зрозумів надзвичайну важливість цього нового типу атомного розпаду. У ядрах легких елементів число протонів і нейтронів приблизно однаково, і зі збільшенням атомного номера відносне число нейтронів збільшується. Якщо в ядрі урану відношення числа нейтронів до протонів дорівнює 1,59, то для елементів середини періодичної системи воно коливається між 1,2 і 1,4. Значить, якщо атом урану розпадається на дві частини, то загальна кількість нейтронів в осколках поділу повинна для досягнення стійкості самих осколків поділу стати меншою за кількість нейтронів, що містилися у вихідному ядрі. При розподілі атома урану звільняються нейтрони, які можуть викликати поділ інших атомів.

Таким чином, з'являється можливість ланцюгової реакції, аналогічної хімічним ланцюговим реакціям вибуху. Ф. Перрен в тому ж 1939 зробив і опублікував перший розрахунок "критичної маси", необхідної для того, щоб почалася ланцюгова реакція. Щоправда, це була лише попередня оцінка.

Сьогодні відомо, що за жодної кількості звичайного урану ланцюгова реакція початися не може. Нейтрони, що виходять при розподілі атомів урану-235, поглинаються за рахунок так званого "резонансного захоплення" атомами урану-238 з утворенням урану-239. Останній у результаті двох послідовних розпадів перетворюється на нептуній і плутоній. Тільки для таких речовин, що діляться, як уран-235 і плутоній, існує критична маса.

Розрахунок втрати маси при розподілі атома урану дозволив, крім того, передбачати, що процес поділу повинен супроводжуватися виділенням величезної енергії 165 МеВ.

Ідеї Жоліо-Кюрі вдалося незабаром підтвердити експериментально. Було доведено, що ядро урану захоплює повільні нейтрони, а потім ділиться. Нільс Бор після теоретичного розгляду дійшов висновку, що поділу піддається не звичайний уран із масою 238, яке ізотоп із масою 235. У 1940 року А.О. Нір підтвердив експериментально це передбачення Бора, виявивши також, що іншим атомом, що легко ділиться, є атом плутонію.

Ідея використання атомної енергії у військових цілях була висунута групою іноземних вчених, що втекли від фашизму до Сполучених Штатів, з яких у звіті називаються Л. Сцілард, Е. Вігнер, Е. Теллер, В. Р. Вайсскопф, Е. Фермі. Цій групі вдалося зацікавити президента Сполучених Штатів Рузвельта. Ці вчені скористалися допомогою Ейнштейна, який написав президентові листа. У результаті Рузвельт ухвалив рішення надати державну підтримку цим дослідженням, і вони відразу ж засекречені.

"Зусилля щодо отримання атомної енергії у великих кількостях мали дві різні цілі: кероване повільне звільнення енергії для промислових потреб та створення надпотужної вибухової речовини, - пише Льоцци. - Друга мета була абсолютно невідкладною в той трагічний період світової історії. Проте дуже скоро вчені зрозуміли, що найшвидшим способом досягнення другої мети є здійснення першої.Як ми вже говорили, поділу схильні атоми плутонію та урану-235, якого в природному урані лише 0,7 відсотка.Атомна бомба вимагала величезних кількостей урану-235, який дуже важко відокремлювати. повільному отриманні енергії не потрібно попереднього поділу, необхідні лише великі кількості урану, і як побічний продукт виходить плутоній.Звідси виникла ідея "атомного котла", названого так, можливо, через простоту його конструкції.Ця назва тепер має лише історичний інтерес, оскільки воно витіснене більш відповідною назвою "ядерний реа ктор". Початковим призначенням атомного котла було отримання енергії, а виробництво плутонію у кількостях, необхідні створення атомної бомби.

Важливою проблемою було зменшення числа нейтронів, які захоплювали ураном-238 за рахунок резонансу; вони випадають з ланцюгової реакції, хоча і корисні як збагачувачі, тобто при отриманні урану-239, що потім перетворюється на нептуній і плутоній. Тому потрібно було якнайшвидше виводити швидкі нейтрони з маси урану, забирати у них кінетичну енергію і знову направляти в уран у вигляді теплових нейтронів, щоб викликати поділ урану-235. Цю функцію уповільнювачів могли виконувати атоми тих легких елементів, у зіткненні з якими нейтрони втрачають значну частину своєї енергії, не викликаючи водночас зміни цих атомів. До цього часу виявлено лише дві речовини, придатних для цих цілей: важкий водень (у вигляді важкої води) і вуглець. Тяжка вода дуже дорога, тому зупинилися на вуглеці у формі графіту.

Перший атомний котел, або ядерний реактор, з шарів урану і графіту, що чергуються, спроектований і сконструйований Фермі у співпраці з Андерсоном, Цинном, Л. Вудзом і Г. Вейлем, почав працювати 2 грудня 1942 року на тенісному корті університету Чикаго. Його потужність складала 0,5 Вт. Через десять днів її було доведено до 200 вт. Це була перша установка ядерної енергетики, яка стала однією з найрозвиненіших галузей сучасної промисловості».

На зовнішній стіні тенісного корту університету Чикаго встановлено меморіальну дошку. Напис на дошці говорить:

"Тут 2 грудня 1942 р. людина вперше здійснила ланцюгову реакцію і цим започаткувала оволодіння звільненою ядерною енергією".

Перша дослідна установка дозволила провести точне експериментальне дослідження процесу одержання плутонію. Воно привело до висновку, що цей спосіб дає реальну можливість виготовлення плутонію в кількостях, достатніх виготовлення атомної бомби. Наприкінці 1943 року проект створення атомної бомби увійшов до стадії реалізації. Перший експериментальний вибух був успішно зроблений о 17 годині 30 хвилин 16 липня 1945 року на повітряній базі Аламогордо, приблизно за 200 кілометрів від Альбукерке, в пустелі штату Нью-Мексико.

Автор: Самін Д.К.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Найважливіші наукові відкриття:

▪ періодичний закон

▪ Неєвклідова геометрія

▪ Пеніцилін

Дивіться інші статті розділу Найважливіші наукові відкриття.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Біорозкладний пластик з бавовняних відходів 21.06.2019

Вчені з австралійського Університету Дікін знайшли спосіб використовувати відходи від бавовни для виготовлення біорозкладного пластику.

Коли бавовна використовується для відокремлення бавовняних волокон від їхнього насіння, як непотрібний продукт утворюється багато пуху. В даний час більша частина бавовняного волокна просто спалюється або викидається на звалища. Однак, завдяки недавнім дослідженням за межами Австралії, він може незабаром перетворитися на біорозкладний пластик.

За словами доктора Мар'ям Наебе з Університету Дікін, щорічно виробляється близько 29 мільйонів тонн бавовняного лінту, причому близько третини цього обсягу просто викидається.

Фахівці хотіли скоротити ці відходи, одночасно пропонуючи фермерам, які вирощують бавовну, додаткове джерело доходу та створюючи "стійку альтернативу шкідливим синтетичним пластмасам". Це і спонукало їх розробити механізм, в якому недорогі екологічно чисті хімікати використовуються для розчинення ворсових волокон, поряд з іншими відходами бавовни, такими як насіння і стебла. Отриманий рідкий органічний полімер використовується для створення пластикової плівки.

Новий матеріал нешкідливо біодеградує після приміщення в землю і може бути використаний у бавовни для, наприклад, обмотки тюків або упаковки насіння та добрив.

Інші цікаві новини:

▪ Металева піна для теплоізоляції

▪ Знайдено найхолоднішу зірку, що випромінює радіохвилі

▪ 72-шарова флеш-пам'ять 3D-NAND

▪ Біологічний годинник денних і нічних звірів відрізняється по нейронному пристрої

▪ Смартфон з кольоровим екраном на електронному чорнилі

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Радіоаматорські розрахунки. Добірка статей

▪ стаття Ерінбург Ілля Григорович. Знамениті афоризми

▪ стаття Чому не всі хмари дощові? Детальна відповідь

▪ стаття Загальні поняття про небезпечні виробничі об'єкти та їх безпеку

▪ стаття Генератор розгортки для осцилографа Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Спеціалізоване джерело живлення. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт