Клаус Гофман - Можно ли сделать золото, Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов
К этому времени профессор Сегрэ пытался также синтезировать элемент 61. Между тем стало ясно, что оба соседа этого элемента по периодической системе, неодим и самарий, слабо радиоактивны. Сначала это казалось удивительным, так как в то время считали, что радиоактивность присуща наиболее тяжелым элементам. Неодим, 60-й элемент, излучал бета-лучи, следовательно, должен был превращаться в элемент 61. Тот факт, что этот неизвестный химический элемент до сих пор не могли выделить, вероятно, объяснялся его быстрым радиоактивным распадом. Что же делать? Здесь выход заключался опять-таки в искусственном получении искомого элемента. Раз элемент 61 нельзя было найти в природе, физики попытались его синтезировать.
В 1941/42 годах ученые Лоу, Пул, Квилл и Курбатов из Государственного университета в Огайо бомбардировали редкоземельный элемент неодим дейтронами, разогнанными в циклотроне. Они обнаружили радиоактивные изотопы нового элемента, который назвали циклонием. Однако это был лишь след, оставленный на фотопленке.
Каковы были успехи Эмилио Сегрэ? Он облучал альфа-лучами празеодим -элемент 59. Однако переработка безусловно синтезированных им изотопов элемента 61 оказалась слишком сложной. Выделение их из других редкоземельных элементов не удалось.
Об одном безрезультатном исследовании пришло известие из Финляндии. Еще в 1935 году химик Эреметсе начал анализировать концентраты смеси оксидов самария и неодима на природное содержание в них 61-го элемента. Для этой цели было переработано несколько тонн апатита.
Первый этап борьбы за 61-й элемент имел ничейный результат. Нельзя было даже принять предложенное название "циклоний".
Нептуний
Если не учитывать предстоявшую идентификацию 61-го элемента, то к началу 40-х годов были известны все 92 элемента периодической системы. Свободных клеток в ней уже не было. А как обстояло дело со спорными элементами по другую сторону урана? После распутывания вопроса с продуктами деления урана от прежних "трансуранов" не осталось почти ничего. Имелось лишь одно-единственное исключение: изотоп урана с массовым числом 239, обнаруженный Отто Ханом с сотрудниками еще в марте 1936 года, был истинным. Хотя это был не новый элемент, но он излучал бета-лучи, следовательно, должен был переходить в следующий, 93-й элемент.
Как мы уже знаем, исследователи из Берлин-Далема не обнаружили 93-й элемент, потому что они располагали лишь слабыми источниками нейтронов. Они и не искали его более. Ведь ученые считали, что идентифицировали другой представитель элемента 93-- экарений. В то время они еще не подозревали, что это были ложные трансураны. Примешалась, конечно, и неудача: ведь Отто Хан и его сотрудники уже тогда могли бы получить определимое количество 93-го элемента после длительного облучения нейтронами больших количеств урана. Позднее, оценивая "почти трагическую путаницу", которой тогда были все охвачены, Отто Хан сказал: "Тут от нас ускользнула Нобелевская премия". Ибо американцы Мак-Миллан и Абельсон были удостоены Нобелевской премии за открытие 93-го элемента, о котором они дали знать 15 июня 1940 года.
Как же пришли к открытию элемента 93, означавшему прорыв в неизвестную область химии? После опубликования работ Хана и Штрасмана о делении ядра американский физик Эдвин Мак-Миллан захотел определить пути пробега богатых энергией осколков урана. В Беркли для этого он располагал в основном тремя вещами: циклотроном, некоторым количеством соли урана и... пачкой папиросной бумаги. Циклотрон работал как источник нейтронов: разогнанные дейтроны падали на бериллий и высвобождали поток нейтронов, во много раз превышающий тот, что могли получить Хан и Штрасман. Мак-Миллан смочил первый листочек папиросной бумаги раствором соли урана и направил на него поток нейтронов. Листочки, лежащие под ним, должны были уловить разлетающиеся на различные расстояния продукты деления.
К своему удивлению, американский физик нашел два источника активности, резко отстоящих от других продуктов деления, с периодами полураспада 23 мин и 2,3 дня. Уже известно было вещество с периодом полураспада 23 мин. Это был найденный Ханом [239]U. Другие атомы, распадавшиеся с периодом полураспада 2,3 дня, могли, как заключил Мак-Миллан, принадлежать продукту, образующемуся из бета-излучателя, то есть из [239]U, а именно новому элементу 93.
Будучи физиком, Мак-Миллан чувствовал себя недостаточно компетентным, чтобы установить химические свойства изотопа, которые позволили бы дать однозначную идентификацию этого элемента. В это время ему попался на глаза Эмилио Сегрэ. Тот предложил провести необходимые химические исследования. В июне 1939 года Сегрэ доложил о результатах. Многозначительным является уже сам заголовок его сообщения: "Неудачный поиск трансурановых элементов". Сегрэ пришел к совершенно отрицательному выводу: активность в 2,3 дня принадлежит не трансурану, а редкоземельному элементу, то есть одному из обычных продуктов деления урана. Лишь последующие исследования должны были показать, что даже такой опытный исследователь, как Сегрэ, может однажды ошибиться.
Неудача не отняла решимости у Мак-Миллана. К счастью, в начале 1940 года в Калифорнийский университет приехал на несколько дней его соученик, Филип Абельсон, с тем, чтобы провести там каникулы. Однако из отпуска ничего не получилось. Работая неустанно день и ночь, Мак-Миллан и Абельсон утвердились во мнении, что открыт первый элемент за пределами классической периодической системы: элемент 93! Сложный путь открытия привел Мак-Миллана и Абельсона к мысли назвать этот элемент, находящийся по другую сторону урана, нептунием. Когда в 1781 году была открыта планета Уран, считали, что нашли самую последнюю и наиболее удаленную от Земли планету. Однако планетная система постепенно выдавала свои дальнейшие тайны. Расчеты француза Леверье на основе отклонений в орбите Урана показали, что по другую сторону Урана должна вращаться еще одна планета. Леверье точно указал, где ее нужно искать. В 1846 году астрономом Галле была открыта на небосводе новая планета -- Нептун.
Два атомарных пушечных ядра
Исследователи, в том числе и Отто Хан, занимались идентификацией осколков урана; однако физиков, прежде всего, интересовала другая проблема: какой энергией вызывалось поразительное деление ядра урана и каков был энергетический баланс?
Благодаря переписке с профессором Ханом, Лиза Мейтнер была первой из посторонних информирована о делении урана. Об этом еще не знали даже физики из института Отто Хана, а Лиза Мейтнер уже размышляла о необычном ядерном эффекте. Эту проблему она обсуждала со своим племянником, Отто Робертом Фришем. Фриш, эмигрант, как и Лиза Мейтнер, начал работать в институте Нильса Бора в Копенгагене. Исследователи первыми дали физическое толкование эффекта, открытого Ханом и Штрасманом, и указали, что такое "разваливание" на два близких по величине осколка энергетически возможно:
U + n Ва + Kr
Из дефекта массы, возникающего при делении такого рода, Мейтнер и Фриш по уравнению Эйнштейна Е тс[2] рассчитали энергетический эффект. Они получили неправдоподобно большую величину: 200 МэВ на 1 моль атома! Такую энергию еще не наблюдали ни в процессах ядерных превращений, ни тем более в химических реакциях: например, 1 моль атома углерода при сгорании дает лишь 2 эВ энергии, а 1 моль атома урана при своем делении -- в сто миллионов раз больше!
Нильс Бор, которому Фриш сообщил о новом физическом ядерном процессе, в первый момент потерял дар речи. Затем великий теоретик ударил себя по лбу: "Как мы только могли это просмотреть!"
26 января 1939 года в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физике, на которую был приглашен и Бор. Он доложил собранию о делении атома урана. Не успел он договорить до конца, как несколько американских физиков вскочили, как ужаленные, со своих мест. В смокингах ворвались они в свои лаборатории, чтобы собственноручно проверить открытие, которое они прозевали.
Бор и Ферми были приглашены принять участие в одном из таких экспериментов. До позднего вечера взгляды физиков были прикованы к осциллографу, светящиеся импульсы которого указывали на выделяющуюся энергию распада и были столь мощны, что, казалось, они взорвут экран. Было ли это выделением атомной энергии? Велись торопливые дискуссии. Спросили у Ферми, почему он не заметил деления урана еще в 1934 году? Осколки, богатые энергией, должен был обнаружить даже его примитивный счетчик. Ферми схватил себя за голову: конечно же! Но он в свое время поместил фольгу между облученным ураном и счетчиком, для того, чтобы устранить естественную радиоактивность урана. Тончайшую фольгу, однако она поглощала и осколки. Вот и осталось деление ядра в то время не открытым.
30 января 1939 года под крупным заголовком "Огромная энергия, высвобожденная атомом урана" газета "Нью-Йорк таймс" сообщила об удачных повторных экспериментах американцев: "Деление атома урана на две части, из которых каждая представляет собой гигантское атомарное пушечное ядро с огромной энергией в 100 000 000 электронвольт[67],-- это величайшая энергия атома, которая когда-либо высвобождалась человеком".
