裂变反应。科学发现的历史和本质

裂变反应。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

1938 年，I. Joliot-Curie 和 P. Savich 注意到在通过该方法激活的铀中费米，有一种类似于镧的元素。 O. Hahn 和 F. Strassmann 在同一年重复了这些实验，他们证实了他们法国同事的结果，并确定他们注意到的新元素正是镧。

维也纳大学毕业生、原子物理领域才华横溢的理论家和专家丽丝·迈特纳 (Lise Meitner) 与哈恩和斯特拉斯曼一起在柏林威廉皇帝研究所工作。但是，作为一名德国裔犹太人，她被迫逃往丹麦哥本哈根，投奔尼尔斯·玻尔和另一位德国物理学家奥托·弗里施。

然后在《原子的世界》一书中详细描述了这些事件：“在理论物理研究所平静的创作氛围中，她很快就忘记了过去几天的焦虑和恐惧。现在原子问题核再次成为她的主要对象。

离开前两天，莉斯·迈特纳收到了奥托·哈恩的一封信，信中他写了关于放射性钡的研究。看完信，她本能地握紧了拳头。她想把它压碎然后扔掉。里面，一切都沸腾了：“胡说八道！胡说八道！”

当第一次兴奋过去时，她想：“如果哈恩声称铀会变成钡，也许事实确实如此。他不会弄错。艾琳·居里可能是对的……”迈特纳可以怀疑其他人的工作，但加纳的结果- 不。这意味着中子引起铀核的某种新型转变。她拿起一支铅笔，开始飞快地写着。她填写的表格中的数学符号对于普通人来说看起来难以理解。铀原子核分裂成大约两部分。哈恩在信中使用了“分裂”这个词。现在这已经不那么重要了，事实本身才重要。根据已知的物理定律，是否可以理解这种分裂的可能性？她所做的第一个计算给出了肯定的答案。迈特纳感到不确定——如果她错了怎么办？

丽莎要求检查奥托弗里施的计算。他浏览着皱巴巴的床单，然后拿出一支铅笔，蹲下，开始快速计算。

- 但这是美妙而不可思议的。你真的是对的！弗里施把床单塞进了口袋。 - 我们要回来了。我们需要立即检查一切。

所以他们的假期还没开始就结束了。庆祝会非常愉快，但现在他们没有兴趣。他们把自己锁在一个房间里，那里开始了最杰出的理论研究之一。巨大的困难等待着他们。无休止的计算、复杂而耗时的结论、验证所得结果、与导出的公式和模式进行比较……他们没有注意到 1939 天是如何过去的，以及 XNUMX 年是如何到来的。新的一年带来了新的理论。 Meitner 和 Frisch 是第一个对 Hahn 和 Strassmann 获得的结果进行理论解释的人。如果他们的结论得到证实，一切都被证明是正确的，人类将走上新的道路，将拥有新的能量来源。他们深知自己有了划时代的发现，于是赶紧准备文章。

Lise Meitner 和 Otto Frisch 的论文题为“中子裂变铀：一种新型核反应”，于 16 年 1939 月 XNUMX 日付印，一个月后发表在《自然》杂志上。在这里，他们的另一篇文章很快发表了——“铀核的裂变产物”，然后是弗里希关于在丹麦进行的实验结果的工作。

事实上，几位物理学家在 1938 年底至 1939 年初几乎同时解释了这一现象。在不到一个月的时间内，在世界各地的四个实验室——哥本哈根、纽约、华盛顿和巴黎。

Hahn 和 Strassmann、Meitner 和 Frisch 已经被提及。在哥伦比亚大学的地牢里，约翰·邓宁和两名助手也在进行铀核的裂变。除此之外，在巴黎法兰西学院的实验室里，艾琳和弗雷德里克·约里奥-居里夫妇以及他们的合作者帕夫勒·萨维奇、汉斯·哈尔班和列夫·科瓦尔斯基也得出了同样的发现。

根据这种解释，被中子轰击的铀原子经历了一种新型裂变，被中子击中的原子分裂成两个或多或少相等的部分。这种现象很快被命名为裂变。

Joliot-Curie 立即意识到这种新型原子衰变的极端重要性。在轻元素的原子核中，质子数和中子数大致相同，随着原子序数的增加，中子的相对数增加。如果在铀的原子核中，中子数与质子数之比为 1,59，那么对于周期系统中间的元素，它在 1,2 和 1,4 之间波动。这意味着如果一个铀原子衰变为两部分，那么为了使裂变碎片本身稳定，裂变碎片中的中子总数必须小于原始原子核中包含的中子数。铀原子的裂变释放出中子，这反过来又会导致其他原子的裂变。

因此，有可能发生类似于爆炸中的化学链式反应的链式反应。 F. Perrin 在同一个 1939 年首次计算并发表了启动连锁反应所需的“临界质量”。诚然，这只是初步评估。

今天众所周知，再多的普通铀也不能引发连锁反应。铀235原子裂变产生的中子被铀238原子所谓的“共振俘获”吸收，形成铀239。后者，作为两次连续衰变的结果，进入镎和钚。只有铀235和钚等易裂变物质才有临界质量。

此外，通过计算铀原子裂变过程中的质量损失，可以预见裂变过程必须伴随着 165 MeV 的巨大能量的释放。

Joliot-Curie 的想法很快被实验证实。已经证明，铀的原子核捕获慢中子，然后发生裂变。尼尔斯玻尔经过理论考虑，他得出结论，发生裂变的不是质量为 238 的普通铀，而是质量为 235 的同位素。1940 年，A.O. 尼尔通过实验证实了玻尔的预测，还发现另一个易裂变的原子是钚原子。

将原子能用于军事目的的想法是由一群逃离法西斯主义来到美国的外国科学家提出的，其中L. Szilard、E. Wigner、E. Teller、W. R. Weisskopf、E. Fermi被命名为在报告中。这个团体成功地引起了美国总统罗斯福的兴趣。这些科学家使用爱因斯坦谁给总统写了一封信。结果，罗斯福决定为这些研究提供国家支持，并立即将它们归类。

Gliozzi 写道：“大量生产原子能的努力有两个不同的目标：控制缓慢释放能源以满足工业需求和制造超高爆炸药。”“在那个悲惨的世界时期，第二个目标是完全紧迫的。然而，很快科学家们就意识到，实现第二个目标的最快方法是实现第一个。正如我们已经说过的，在天然铀中仅占 235% 的钚和铀 0,7 的原子会发生裂变.原子弹需要大量的铀235，很难分离。缓慢的能量产生不需要事先分离，只需要大量的铀，而钚是副产品。 “原子堆”，如此命名，也许是因为它的设计简单。这个名字现在只具有历史意义，因为它已被更合适的名称“核”所取代托尔”。原子堆的最初目的不是获取能量，而是生产制造原子弹所需数量的钚。

一个重要的问题是减少铀238由于共振而捕获的中子数量；它们脱离了连锁反应，尽管它们可用作浓缩剂，即用于生产铀 239，然后将其转化为镎和钚。因此，有必要尽快将快中子从铀的质量中去除，带走它们的动能，并以热中子的形式再次将它们引导到铀中，以引起铀235的裂变。慢化剂的这种功能可以由与中子发生碰撞的轻元素的原子执行，中子会失去大部分能量，同时不会引起这些原子的变化。到目前为止，只发现了两种适用于这些目的的物质：重氢（以重水的形式）和碳。重水非常昂贵，因此我们选择了石墨形式的碳。

由 Fermi 与 Anderson、Zinn、L. Woods 和 G. Weil 合作设计和建造的第一个由铀和石墨交替层构成的原子锅炉或核反应堆，于 2 年 1942 月 0,5 日在美国的网球场开始运行。芝加哥大学。它的功率为200瓦。十天后，它的功率达到了 XNUMX 瓦。这是第一次安装核电，现在已成为现代工业最发达的分支之一。”

芝加哥大学网球场外墙上有一块纪念牌匾。板上的铭文如下：

“2 年 1942 月 XNUMX 日在这里，一个人第一次进行了连锁反应，这标志着掌握释放核能的开始。”

第一个试验工厂使对钚生产过程进行准确的实验研究成为可能。得出的结论是，这种方法确实有可能制造出足以制造原子弹的数量的钚。 1943年底，原子弹工程进入实施阶段。第一次实验爆炸于 17 年 30 月 16 日下午 1945 点 200 分在新墨西哥州荒野中距离阿尔伯克基约 XNUMX 公里的阿拉莫戈多空军基地成功进行。

作者：萨明 D.K.

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