Химия актиноидов (актинидов)

Кюри. Она повторила опыты Ферми и тщательно исследовала химический состав

урана после облучения его нейтронами. Результат был более чем неожиданным:

в уране появился элемент лантан, располагающийся примерно в середине

таблицы Менделеева, т. е. очень далеко от урана.

Когда те же эксперименты проделали немецкие ученые Отто Ган и Фридрих

Штрассман, они нашли в уране не только лантан, но и барий. Загадка за

загадкой!

Ган и Штрассман сообщили о проведенных опытах своему другу известному

физику Лизе Мейтнер. Теперь уже урановую проблему пытаются решить сразу

несколько крупнейших ученых. И вот, сначала Фредерик Жолио-Кюри, а спустя

некоторое время Лиза Мейтнер приходят к одному и тому же выводу: при

попадании нейтрона ядро урана как бы разваливается на части. Этим и

объясняется неожиданное появление лантана и бария — элементов с атомным

весом, примерно вдвое меньшим, чем у урана.

Американского физика Луиса Альвареса, впоследствии лауреата Нобелевской

премии, это известие застало в одно январское утро 1939 года в кресле

парикмахера. Он спокойно просматривал газету, как вдруг ему бросился в

глаза скромный заголовок: «Атом урана разделен на две половины».

Через мгновение к изумлению парикмахера и посетителей, ожидавших очереди,

странный клиент выбежал из парикмахерской, наполовину подстриженный, с

салфеткой, туго завязанной вокруг шеи и развевающейся на ветру. Не обращая

внимания на удивленных прохожих, физик мчался в лабораторию Калифорнийского

университета, где он работал, чтобы сообщить о потрясающей новости своим

коллегам. Те поначалу были ошарашены весьма оригинальным видом

размахивающего газетой Альвареса, но, когда услышали о сенсационном

открытии, тотчас же забыли о его необычной прическе.

Да, это была подлинная сенсация в науке. Но Жолио-Кюри установил и другой

важнейший факт: распад уранового ядра носит характер взрыва, при котором

образующиеся осколки разлетаются в стороны с огромной скоростью. Пока

удавалось расколоть лишь отдельные ядра, энергия осколков только нагревала

кусок урана. Если же число делений будет велико, то при этом выделится

огромное количество энергии.

Но где раздобыть такое количество нейтронов, чтобы одновременно

бомбардировать ими большое число ядер урана? Ведь известные ученым

источники нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше, чем

требовалось. На помощь пришла сама природа. Жолио-Кюри обнаружил, что при

делении ядра урана из него вылетает несколько нейтронов. Попав в ядра

соседних атомов, они должны привести к новому распаду— начнется так

называемая цепная реакция. А поскольку эти процессы длятся миллионные доли

секунды, сразу выделится колоссальная энергия— неизбежен взрыв. Казалось

бы, все ясно. Но ведь куски урана уже не раз облучали нейтронами, а они при

этом не взрывались, т. е. цепная реакция не возникала. Видимо, нужны еще

какие-то условия. Какие же? На этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри ответить

пока не мог.

И все же ответ был найден. Нашли его в том же 1939 году молодые советские

ученые Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон. В своих работах они установили, что

есть два пути развития цепной ядерной реакции. Первый— нужно увеличить

размеры куска урана, так как при облучении маленького куска многие

выделившиеся вновь нейтроны могут вылететь из него, не встретив на своем

пути ни одного ядра. С ростом массы урана вероятность попадания нейтрона в

цель, естественно, возрастает.

Есть и другой путь: обогащение урана изотопом 235. Дело в том, что

природный уран имеет два основных изотопа, атомный вес которых равен 238 и

235. В ядре первого из них, на долю которого приходится в 140 раз больше

атомов, имеется на три нейтрона больше. «Бедный» нейтронами уран-235 жадно

их поглощает — гораздо сильней, чем его «зажиточный» брат, который даже не

делится на части, а превращается в другой элемент. Это свойство изотопа

ученые в дальнейшем использовали для получения искусственных трансурановых

элементов. Для цепной же реакции равнодушие урана-238 к нейтронам

оказывается губительным: процесс чахнет, не успев набрать силу. Зато чем

больше в уране «жадных» до нейтронов атомов изотопа 235, тем энергичнее

пойдет реакция.

Но, чтобы начался процесс, нужен еще и первый нейтрон—та «спичка», которая

должна вызвать атомный «пожар». Конечно, для этой цели можно

воспользоваться обычными нейтронными источниками, которые ученые и ранее

применяли в своих исследованиях, — не очень удобно, но можно. А нет ли

более подходящей «спички»?

Есть. Ее нашли другие советские ученые К. А. Петржак и Г. Н. Флеров.

Исследуя в 1939—1940 годах поведение урана, они пришли к выводу, что ядра

этого элемента способны распадаться самопроизвольно. Это подтвердили

результаты опытов, проведенных ими в одной из ленинградских лабораторий.

Но, может быть, уран распадался не сам, а, например, под действием

космических лучей: ведь Земля непрерывно находится под их обстрелом.

Значит, опыты нужно повторить глубоко под землей, куда не проникают эти

космические гости. Посоветовавшись с крупнейшим советским ученым-атомником

И. В. Курчатовым, молодые исследователи решили провести эксперименты на

какой-нибудь станции Московского метрополитена. В Наркомате путей сообщения

это не встретило препятствий, и вскоре в кабинет начальника станции метро

«Динамо», находившейся на глубине 50 метров, на плечах научных работников

была доставлена аппаратура, которая весила около трех тонн.

Как всегда, мимо проходили голубые поезда, тысячи пассажиров спускались и

поднимались по эскалатору, и никто из них не предполагал, что где-то совсем

рядом ведутся опыты, значение которых трудно переоценить. И вот, наконец,

получены результаты, аналогичные тем, которые наблюдались в Ленинграде.

Сомнения не было: ядрам урана присущ самопроизвольный распад. Чтобы

заметить его, нужно было проявить незаурядное экспериментаторское

мастерство: за 1 час из каждых

60 000 000 000 000 атомов урана распадается лишь один. Поистине — капля в

море!

К. А. Петржак и Г. Н. Флеров вписали заключительную страницу в ту часть

биографии урана, которая предшествовала проведению первой в мире цепной

реакции. Ее осуществил 2 декабря 1942 года Энрико Ферми.

В конце 30-х годов Ферми, как и многие другие крупные ученые, спасаясь от

гитлеровской чумы, вынужден был эмигрировать в Америку. Здесь он

намеревался продолжить свои важнейшие эксперименты. Но для этого

требовалось немало денег. Нужно было убедить американское правительство в

том, что опыты Ферми позволят получить мощное атомное оружие, которое можно

будет использовать для борьбы с фашизмом. Эту миссию взял на себя ученый с

мировым именем Альберт Эйнштейн. Он пишет письмо президенту США Франклину

Рузвельту, которое начинается словами: «Сэр! Последняя работа Э. Ферми и Л.

Сцилларда, с которой я ознакомился в рукописи, позволяет надеяться, что

элемент уран в ближайшем будущем может быть превращен в новый важный

источник энергии...». В письме ученый призывал правительство начать

финансирование работ по исследованию урана. Учитывая огромный авторитет

Эйнштейна и серьезность международной обстановки, Рузвельт дал свое

согласие.

В конце 1941 года жители Чикаго могли заметить царившее на территории

одного из стадионов необычное оживление, которое не имело к спорту ни

малейшего отношения. К воротам его то и дело подъезжали машины с грузом.

Многочисленная охрана не разрешала посторонним даже приближаться к ограде

стадиона. Здесь, на теннисных кортах, расположенных под западной трибуной,

Энрико Ферми готовил свой опаснейший эксперимент — осуществление

контролируемой цепной реакции деления ядер урана. Работы по сооружению

первого в мире ядерного реактора велись днем и ночью в течение года.

Наступило утро 2 декабря 1942 года. Всю ночь ученые не смыкали глаз, снова

и снова проверяя расчеты. Шутка ли сказать: стадион находится в самом

центре многомиллионного города, и хотя расчеты убеждали в том, что реакция

в атомном котле будет замедленной, т. е. не будет носить взрывного

характера, рисковать жизнью сотен тысяч людей никто не имел права. День уже

давно начался, пора было завтракать, но об этом все забыли —не терпелось

как можно скорее приступить к штурму атома. Однако Ферми не торопится: надо

дать уставшим людям отдохнуть, нужна разрядка, чтобы затем снова все

тщательно взвесить и обдумать. Осторожность и еще раз осторожность. И вот,

когда все ждали команду начать эксперимент, Ферми произнес свою знаменитую

фразу, вошедшую в историю покорения атома,—всего два слова: «Идемте-ка

завтракать!».

Завтрак позади, все вновь на своих местах — опыт начинается. Взгляды ученых

прикованы к приборам. Томительны минуты ожидания. И, наконец, счетчики

нейтронов защелкали, как пулеметы. Они словно захлебывались от огромного

количества нейтронов, не успевая их считать! Цепная реакция началась! Это

произошло в 15 часов 25 минут по чикагскому времени. Атомному огню

позволили гореть 28 минут, а затем по команде Ферми цепная реакция была

прекращена.

Один из участников эксперимента подошел к телефону и заранее условленной

шифрованной фразой сообщил начальству: «Итальянский мореплаватель добрался

до Нового Света!» Это означало, что выдающийся итальянский ученый Энрико

Ферми освободил энергию атомного ядра и доказал, что человек может

контролировать и использовать ее по своей воле.

Но воля воле рознь. В те годы, когда происходили описываемые события,

цепная реакция рассматривалась прежде всего как этап на пути к созданию

атомной бомбы. Именно в этом направлении и были продолжены в Америке работы

ученых-атомников.

Обстановка в научных кругах, связанных с этими работами, была крайне

напряженной. Но и здесь не обходилось без курьезов.

Осенью 1943 года решено было попытаться вывезти из оккупированной немцами

Дании в Америку крупнейшего физика Нильса Бора, чтобы использовать его

громадные знания и талант. Темной ночью на рыбацком суденышке, тайно

охраняемом английскими подводными лодками, ученый под видом рыбака был

доставлен в Швецию, откуда его на самолете должны были переправить в

Англию, а уж затем в США.

Весь багаж Бора состоял из одной бутылки. Эту обычную зеленую бутылку из-

под датского пива, в которой он тайком от немцев хранил бесценную тяжелую

воду, физик берег как зеницу ока: по мнению многих ученых-атомников, именно

тяжелая вода могла служить замедлителем нейтронов для ядерной реакции.

Бор очень тяжело перенес утомительный полет и, как только пришел в себя,

первым делом проверил, цела ли бутылка с тяжелой водой. И тут, к своему

великому огорчению, ученый обнаружил, что стал жертвой собственной

рассеянности: в его руках была бутылка с самым настоящим датским пивом, а

сосуд с тяжелой водой остался дома в холодильнике.

Когда на гигантских заводах Ок-Риджа, расположенных в штате Теннесси, был

получен первый небольшой кусочек урана-235, предназначенный для атомной

бомбы, его отправили со специальным курьером в скрытый среди каньонов штата

Нью-Мексико Лос-Аламос, где создавалось это смертоносное оружие. Курьеру,

которому предстояло самому вести машину, не сказали, что находится в

переданной ему коробочке, но он не раз слышал жуткие истории о таинственных

«лучах смерти», рождаемых в Ок-Ридже. Чем дальше он ехал, тем большее

волнение охватывало его. В конце концов, он решил, при первом же

подозрительном признаке в поведении коробочки, спрятанной позади его,

бегать от машины что есть мочи.

Проезжая по длинному мосту, шофер внезапно услышал сзади громкий выстрел.

Словно катапультированный, он выскочил из автомобиля и побежал так быстро,

как еще никогда не бегал в своей жизни. Но вот, пробежав изрядное

расстояние, он остановился в изнеможении, убедился, что цел и невредим, и

даже отважился оглянуться. А тем временем за его машиной уже вырос длинный

хвост нетерпеливо сигналивших автомобилей. Пришлось возвращаться и

продолжать путь.

Но едва он сел за руль, как снова раздался громкий выстрел, и инстинкт

самосохранения опять буквально выбросил беднягу из машины и заставил

мчаться прочь от злополучной коробочки. Лишь после того, как разгневанный

полисмен догнал его на мотоцикле и увидел правительственные документы,

испуганный шофер узнал, что выстрелы доносились с соседнего полигона, где в

это время испытывали новые артиллерийские снаряды.

Работы в Лос-Аламосе велись в обстановке строжайшей тайны. Все крупные

ученые находились здесь под вымышленными именами. Так, Нильс Бор, например,

был известен в Лос-Аламосе как Николае Бейкер, Энрико Ферми был Генри

Фармером, Юджин Вигнер — Юджином Вагнером.

Однажды, когда Ферми и Вигнер выезжали с территории одного секретного

завода, их остановил часовой. Ферми предъявил свое удостоверение на имя

Фармера, а Вигнер не смог найти своих документов. У часового был список

тех, кому разрешалось входить на завод и выходить из него. «Ваша

фамилия?»—спросил он. Рассеянный профессор сначала по привычке пробормотал

«Вигнер», но тут же спохватился и поправился: «Вагнер». Это вызвало

подозрение у часового. Вагнер был в списке, а Вигнер — нет. Он повернулся к

Ферми, которого уже хорошо знал в лицо, и спросил: «Этого человека зовут

Вагнер?». «Его зовут Вагнер. Это так же верно, как и то, что я Фармер», —

спрятав улыбку, торжественно заверил часового Ферми, и тот пропустил

ученых.

Примерно в середине 1945 года работы по созданию атомной бомбы, на которые

было израсходовано два миллиарда долларов, завершились, и 6 августа над

японским городом Хиросимой возник гигантский огненный гриб, унесший десятки

тысяч жизней. Эта дата стала черным днем в истории цивилизации. Величайшее

достижение науки породило величайшую трагедию человечества.

Перед учеными, перед всем миром встал вопрос: что же дальше? Продолжать

совершенствовать ядерное оружие, создавать еще более ужасные средства

уничтожения людей?

Нет! Отныне колоссальная энергия, заключенная в ядрах атомов, должна

служить человеку. Первый шаг на этом пути сделали советские ученые под

руководством академика И. В. Курчатова. 27 июня 1954 года московское радио

передало сообщение исключительной важности: «В настоящее время в Советском

Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по

проектированию и строительству первой промышленной электростанции на

атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт». Впервые по проводам шел

ток, который нес энергию, рожденную в недрах атома урана.

«Это историческое событие,—писала в те дни газета «Дейли Уор-кер»,—имеет

неизмеримо большее международное значение, чем сброс первой атомной бомбы

на Хиросиму...».

Пуск первой атомной электростанции положил начало развитию новой отрасли

техники — ядерной энергетики. Уран стал мирным горючим XX века.

Прошло еще пять лет, и со стапелей советских судоверфей сошел первый в мире

атомный ледокол «Ленин». Чтобы заставить работать его двигатели во всю мощь

(44 тысячи лошадиных сил!), нужно «сжечь» всего несколько десятков граммов

урана. Небольшой кусок этого ядерного топлива способен заменить тысячи тонн

мазута или каменного угля, которые вынуждены в буквальном смысле тащить за

собой обычные теплоходы, совершающие, например/рейс Лондон—Нью-Йорк. А

атомоход «Ленин» с запасом уранового топлива несколько десятков килограммов

может в течение трех лет сокрушать льды Арктики, не заходя в порт на

«заправку».

В 1974 году «приступил к исполнению своих обязанностей» еще более мощный

атомный ледокол—«Арктика».

С каждым годом доля ядерного горючего в мировом балансе энергоресурсов

становится все ощутимее. В наше время каждая четвёртая лампочка в России

светит из-за АЭС. Преимущества этого вида топлива несомненны. Но не стоит

забывать об опасности радиации. Миллионы людей пострадали. Среди них больше

100 000 погибли из-за ужасной аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Да и

сейчас территория около ЧАЭС заражена и не пригодна для житья. Пройдёт ещё

не менее ста лет, прежде чем человек сможет вернуться и жить там. Но и без

аварий не так всё гладко. Ведь использование уранового топлива сопряжено со

многими трудностями, из которых едва ли не важнейшая — уничтожение

образующихся радиоактивных отходов. Спускать их в специальных контейнерах

на дно морей и океанов? Зарывать их глубоко в землю? Вряд ли такие способы

позволят полностью решить проблему: ведь в конечном счете смертоносные

вещества при этом остаются на нашей планете. А не попытаться ли отправить

их куда-нибудь подальше—на другие небесные тела? Именно такую идею выдвинул

один из ученых США. Он предложил грузить отходы атомных электростанций на

«грузовые» космические корабли, следующие по маршруту Земля—Солнце.

Разумеется, сегодня подобные «посылки» дороговато обошлись бы отправителям,

но, по мнению некоторых оптимистически настроенных специалистов, уже через

10 лет эти транспортные операции станут вполне оправданными.

В наше время уже не обязательно обладать богатой фантазией, чтобы

предсказать великое будущее урана. Уран завтра—это космические ракеты,

устремленные в глубь Вселенной, и гигантские подводные города, обеспеченные

энергией на десятки лет, это создание искусственных островов и обводнение

пустынь, это проникновение к самым недрам Земли и преобразование климата

нашей планеты.

Сказочные перспективы открывает перед человеком уран — пожалуй, наиболее

удивительный металл природы!

2) Плутоний

С элементом № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения

человечества.

...Вначале были протоны — галактический водород. В результате его сжатия и

последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки»

нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94

протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около ста нуклонных

образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов,

настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.

Но все эти изотопы — гипотетические и реальные — не настолько стабильны,

чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной

системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента № 94 — 75

миллионов лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно,

у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и

образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его

атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.

В XX веке новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из ста

возможных изотопов плутония синтезированы двадцать пять. У пятнадцати из

них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение.

С того дня, когда первые ядра элемента № 94 попали к ученым, прошло 34

года. В декабре 1940 года при облучении урана ядрами тяжелого водорода

группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила

неизвестный прежде излучатель альфа частиц. с периодом полураспада 90 лет.

Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том

же году, но несколькими месяцами раньше Э. М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон

получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, — элемент № 93. Этот

элемент назвали нептунием, а 94-й — плутонием. Историк определенно скажет,

что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности

происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.

Астрономическая параллель

Элемент, занимающий 92-ю клетку менделеевской таблицы, был открыт Мартином

Клапротом в 1789 году и назван ураном в честь самой далекой из известных

тогда планет (ее впервые наблюдал знаменитый астроном Уильям Гершель в 1781

году, за восемь лет до открытия Клапрота.)

Не Уран оказался последней планетой солнечной системы. Еще дальше от Солнца

проходит орбита Нептуна, но и Нептун не последний, за ним — Плутон,

планета, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное

построение наблюдается и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium —

neptunium—plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше,

чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до

синтеза плутония, — почти такой же отрезок времени разделял открытия

Гершеля и Клапрота.

"Древо познания добра и зла"

В 1941 году был открыт важнейший изотоп плутония — изотоп с массовым числом

239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-

239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления

рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же

были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...

Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что, ядерные бомбы,

хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб,

достаточно, чтобы, как говорят, «нанести непоправимый ущерб» всему живому

на Земле.

Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным

следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно

поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-

другому, — приятнее быть оптимистом. Но и перед: оптимистами неизбежно

встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский

день 1954 года, день, когда дала ток первая атомная электростанция в

Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 года — «утро

Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Те, кому сегодня семьдесят и

больше, помнят первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж —

основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило

человечество в последующие годы?

Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет

новая мировая война, ядерное оружие непременно будет пущено в ход.

Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило

человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.

Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в

старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве

уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные

бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония),

и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.

ато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования

ядерной энергии в больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило

бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не

уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».

Энергия камней

Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.

Уран — рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто

побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и

Страницы: 1, 2, 3