Реферат: История развития атомной энергетики

Периодический закон стал как бы последней инстанцией, выносящей окончательный приговор соотношению между химическим эквивалентом и атомной массой. Так, первоначально бериллий считался трехвалентным с атомной массой 13,5, а индий – двухвалентным с атомной массой 75,2, а благодаря их положению в таблице были проведены тщательные проверки и уточненные атомные массы стали равными 9 и 112,8 соответственно. Урану сначала приписывали атомную массу, равную 60, затем исправили на 120, однако периодический закон показал, что значение атомной массы урана 240.

Периодическая система элементов стала в конце прошлого века памятником упорству, труду и аккуратности в экспериментальной работе. В Периодической системе Менделеева нашли отражение сложность структуры атома и значимость ранее неизвестных основных характеристик атомного ядра – его массового числа А и порядкового номера 2. В течение всей последующей истории ядерной физики периодический закон Менделеева, обогащенный новыми открытиями, служил путеводной нитью исследований. Именно с конца XIX в. подход к изучению атома стал действительно научным, имеющим экспериментальную основу.

Никто из естествоиспытателей той эпохи не проник так глубоко в понимание взаимосвязи между атомами и молекулами, как Д. И. Менделеев. В 1894 г., когда еще не была ясна модель не только атома, но и молекулы, Менделеев выдвинул гипотезу о строении атома и молекулы. Положив в основу признание существования атомов и молекул, связи между материей и движением, он высказал мысль, что атомы можно представить себе как бесконечно малую Солнечную систему, находящуюся в непрерывном движении. Неизменность атомов, подчеркивал Менделеев, не дает исследователю никакого основания считать их «неподвижными» и «недеятельными в их внутренней сущности», атомы подвижны.

Менделеев показал, что развитие науки невозможно, если отказаться от признания объективной реальности атомов. Он подчеркивал глубокую внутреннюю связь между атомистическими воззрениями древних (Демокрита) и материалистической философией. Развитие классического учения Демокрита составило, по Менделееву, основу материализма.

Спустя почти 30 лет после появления Периодической системы Менделеева начала свое победное шествие новая наука – ядерная физика. А примерно 60 лет спустя американские ученые Г. Сиборг и другие, синтезировавшие в 1955 г. элемент 101, дали ему название «менделевий», как они выразились «...в знак признания приоритета великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал Периодическую систему элементов для предсказания химических свойств тогда еще не открытых элементов. Этот принцип явился ключевым при открытии почти всех трансурановых элементов».

В 1964 г. имя Д. И. Менделеева занесено на Доску почета науки Бриджпортского университета (штат Коннектикут, США) в числе имен величайших ученых мира.

Д. И. Менделеев при жизни был известен во многих странах, получил свыше 150 дипломов и почетных званий от русских и зарубежных академий, ученых обществ и учебных заведений.

Гениальные догадки древних ученых о том. что все вещества состоят из атомов, к концу XIX в. полностью подтвердились. К тому времени также было установлено, что атом как единица любого вещества неделим (само слово «атом» по-гречески означает «неделимый»).

С открытия А. Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности берет свое начало новый раздел физики – ядерная физика. С этого момента, собственно, и начинается непосредственно история исследования атомной энергии.

Немецкий физик В. Рентген (1845-1923) открыл в 1895 г. излучение, названное им Х-лучами (впоследствии они получили название рентгеновских лучей, или рентгеновского излучения). Он создал первые рентгеновские трубки и сделал анализ некоторых свойств открытого им излучения. Это открытие и последующие исследования сыграли важную роль в изучении строения атома, структуры вещества.

Рентгеновское излучение нашло широкое применение в медицине, технике, в различных областях науки.

24 февраля 1896 г. французский физик А. Беккерель (1852-1908) на заседании Парижской Академии наук докладывал: «Фотографическую пластинку Люмьера обертывают двумя листами очень плотной черной бумаги... На верхний лист бумаги кладут какое-либо люминесцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем все это выставляется на несколько часов на солнце. При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт люминесцирующего вещества». Позднее А. Беккерель убедился в том, что нет необходимости выставлять фотопластинку на солнце, и более того, если урановое соединение в течение многих месяцев находится в темноте, то процесс проявления все равно происходит. При этом у физиков возник вопрос, откуда же черпается энергия, хотя и очень небольшая, но непрерывно выделяющаяся из урановых соединений в виде ионизирующего излучения?

Открытие радиоактивности урана Беккерелем невозможно переоценить, хотя важность этого открытия поняли не сразу. В тот период физики были полностью поглощены работами по изучению свойств рентгеновского излучения, и потому высказывались предположения, что явление радиоактивности сродни рентгеновскому излучению. Но рентгеновское излучение возникает при электрическом разряде, происходящем в сильно разреженном газе, независимо от природы газа, независимо от вещества, из которого сделаны электроды. Радиоактивность же солей урана, обнаруженная Беккерелем, не требует электрического напряжения - ни большого, ни малого. Не нужен и разреженный газ. Рентгеновское излучение возникает только в присутствии электрического разряда, излучение, открытое Беккерелем, – всегда, непрерывно, и его излучает только уран.

Но только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-Кюри. Таким образом, был открыт новый этап исследований, который провели супруги Кюри.

Мария Кюри воспользовалась наблюдением Беккереля, что под влиянием излучения, испускаемого ураном, воздух становится проводником электричества. Это упростило поиск веществ, которые испускают так называемые беккерелевы лучи. М. Кюри натолкнулась на удивительный факт: урановая смолка – руда, из которой добывают металлический уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. В результате супруги Кюри открыли два новых радиоактивных вещества, которые они назвали полонием и радием.

Всем веществам, которые способны излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название – радиоактивные (что означает способные испускать лучи).

С помощью метода сцинтилляций, камеры Вильсона, ионизационной камеры и другой аппаратуры Марии и Пьеру Кюри, Резерфорду, Содди, Вилларду и другим ученым либо независимо, либо совместно удалось обнаружить и изучить три типа лучей Беккереля, испускаемых ураном. Каждый из них получил свое название: альфа, бета, гамма. Альфа-лучами назвали те лучи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных частиц. Бета-лучами назвали лучи, которые магнитным полем отклоняются сравнительно сильно и представляют собой поток электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. Гамма-лучами назвали лучи, которые магнитным полем не отклоняются вовсе.

Успехи физики XIX в. позволили существенно продвинуться в создании целостной системы, объединяющей механику Ньютона и электродинамику Максвелла и Лоренца. Теория электромагнитного поля, созданная Максвеллом, вошла в историю науки наряду с такими фундаментальными обобщениями, как ньютонова механика, квантовая механика. Процесс коренного преобразования физики подготавливался научными открытиями конца XIX в., сделанными В. Рентгеном (рентгеновские лучи, 1895 г.), А. Беккерелем (естественная радиоактивность урана, 1896 г.), Дж. Томсоном (открытие электрона, 1897 г., первая модель строения атома), М. Склодовской-Кюри (радиоактивные элементы – полоний и радий, 1898 г.), М. Планком (теория квантов, 1900 г.) и др. Выполненные к началу XX в. работы химиков и физиков, теоретиков и экспериментаторов, вплотную приблизили науку об атоме к проблеме высвобождения ядерной энергии атома.

Исследования по радиоактивнос­ти стали проводиться в России поч­ти сразу после открытия Беккереля. Ученые И. И. Боргман (1900 г.) и А. П. Афанасьев исследовали свойст­ва радиоактивного излучения, в част­ности лечебные свойства целебных грязей. В. К. Лебединский (1902 г.) и И. А. Леонтьев (1903 г.) изучали влия­ние радиоактивности на искровые разряды и определили одними из пер­вых природу гамма-лучей. Н. А. Ор­лов исследовал действие радия на ме­таллы, парафин, легкоплавкие орга­нические вещества. Кроме Петербург­ского университета такого рода рабо­ты велись в Медицинской академии, в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные результаты в этой области были по­лучены В. А. Бородовским, Г. Н. Антоновым, Л. С. Коловрат-Червинским.

В. А. Бородовский, закончив фи­зико-математический факультет Юрьевского университета в 1902 г., работал с 1908 г. в Англии в лабора­тории Кенсингтона, а затем в лабо­ратории Кавендиша (Кембридж). Им написана работа «Поглощение бета-лучей радия», он одним из первых установил наличие радия в ферганс­кой радиоактивной руде. Именно из нее в 1921 г. В. Г. Хлопин получил отечественный препарат радия.

Г. Н. Антонов работал несколь­ко лет в лаборатории Резерфорда. В 1911 г. он открыл уран V. Среди ученых были сомнения. Тогда Резерфорд по рекомендации Содой пере­дал Антонову 60 г ураннитрата, с по­мощью которого в России Антонов доказал свою правоту. «Уран превра­щается одновременно в два продук­та, - докладывал Антонов на заседа­нии Российского физико-химичес­кого общества (РФХО), – в уран Х и в меньшем количестве в уран V».

Результаты работ Л. С. Коловрат-Червинского по радиоактивности имели большое научное значение. С 1906 г. он в течение пяти лет работал в лаборатории М. Кюри, провел эк­сперименты по исследованию бета-лучей и составил «Таблицы констант радиоактивных веществ». Его рабо­ты нашли отражение в монографии Марии Кюри и в книге Резерфорда «Радиоактивные вещества и их излу­чение». Коловрат-Червинским было написано около 250 научных трудов. Он был одним из первых крупных ученых дореволюционной России, который после Октябрьской револю­ции развернул в нашей стране рабо­ты по радиологии. Смерть в 1921 г. в возрасте 49 лет прервала его работу в Государственном рентгенологичес­ком и радиологическом институте.

В 1910 г. в Одессе была создана радиологическая лаборатория, в Том­ске спустя некоторое время была ор­ганизована аналогичная лаборатория.

После 1917 г. был создан Ра­диевый институт под руководством В. И. Вернадского, заместителем ко­торого стал В. Г. Хлопин. В послере­волюционные годы было создано радиевое производство на базе оте­чественных месторождений.

Без участия в этих работах русских ученых-радиологов всех направлений не было бы базы для создания оте­чественной радиевой промышленнос­ти и развития советской радиологии, а в будущем советской атомной на­уки и промышленности.

История высвобождения и исполь­зования внутриядерной энергии ато­ма не могла идти самостоятельным, каким-то отдельным путем, это ис­тория развития многих наук, прежде всего физики и химии.

В открытии и высвобождении внутриядерной энергии атома при­няли участие ученые многих стран мира, разных национальностей и раз­нообразных профессий. Этот невиданный ранее источник энергии, скрывающийся в недрах атома, при­надлежит всему человечеству.

В 1900 г. немецкий физик-теоре­тик М. Планк (1858-1947) ввел но­вую универсальную постоянную, на­званную им элементарным квантом действия. Введя понятие кванта энер­гии, он сформулировал квантовую гипотезу, положив тем самым начало квантовой теории, или, коротко, атомизации действия. В первые годы эта теория не имела «шумного успеха», пока ее не применил А. Эйнштейн и не показал ее Незаменимость для понимания явлений, происходящих в микромире.

В 1910-1914 гг. А. Эйнштейн (1879-1955) создал общую теорию относительности, в которой сформу­лировал новый подход к проблеме пространства и времени. Принцип относительности Эйнштейна – за­кон такой же абсолютной силы и значения, как и закон сохранения энергии. Позже Эйнштейн был вынужден эмигрировать из Германии и отказаться от немецкого гражданства. Он уехал в 1932 г. из гитлеровской Гер­мании, стал эмигрантом, переселил­ся в США и приступил к работе в Принстоне в Институте высших ис­следований. Принимал участие в ан­тивоенном движении, выступал про­тив фашизма.

Но фашизм наступал. Гитлеровс­кая Германия в марте 1938 г. захвати­ла Австрию, в марте 1939 г. аннекси­ровала Чехословакию.

Великобритания и Франция шли на уступки территориальным притя­заниям гитлеровского правительст­ва, надеясь этим удовлетворить по­ползновения гитлеровской Германии и направить ее военную силу против СССР.

Общественность всех стран чув­ствовала, что мировая война стано­вится неизбежной. Ученые США, в частности, понимали, к каким тяже­лым последствиям она может привести, поскольку гитлеровская Гер­мания обладала очень сильным науч­ным и техническим потенциалом. Немецкие ученые вплотную подошли к возможности применения внут­риядерной энергии атомов урана в военных целях. Именно в Германии впервые было осуществлено деление ядер урана. Вот почему ученые – физики-эмигранты, и среди них Сцилард и Теллер, ­- убеждали Альберта Эйнштейна обратиться к президенту Соединенных Штатов Ф. Рузвельту с предложением развернуть в США работы по созданию ядерного ору­жия, ядерной бомбы, с тем чтобы опередить Германию.

После длительных размышлений и внутренней борьбы Эйнштейн пред­ложил начать работы по созданию ядерной бомбы, хотя по натуре своей он был убежденным пацифистом.

2 августа 1939 г. Альберт Эйнштейн направил письмо президенту США Франклину Делано Рузвельту.

Ф. Д. Рузвельту

Президенту Соединенных Штатов

Белый дом, Вашингтон

Сэр!

Некоторые недавние работы Фер­ми и Сциларда, прочитанные мной в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый и важ­ный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и, при необходимости, быстрых дейст­вий со стороны правительства. Я счи­таю своим долгом обратить Ваше внимание на следующие факты и рекомендации.

В течение последних четырех ме­сяцев благодаря работам Жолио во Франции, а также Ферми и Сциларда в Америке стало реальным получе­ние ядерной реакции при больших количествах урана, вследствие чего можно освободить значительную энергию и получить большие коли­чества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближай­шем будущем. В свою очередь это может способствовать созданию бомб, возможно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бом­ба этого типа, доставленная на ко­рабле и взорванная в порту, пол­ностью разрушит весь порт с приле­гающей к нему территорией. Такие бомбы могут оказаться слишком тя­желыми для воздушной перевозки.

Соединенные Штаты обладают малым количеством урана. Ценные месторождения его находятся в Ка­наде и Чехословакии. Серьезные ис­точники – в Бельгийском Конго. Ввиду этого было бы желательным установление постоянного контакта между правительством и группой физиков, исследующих в Америке проблемы цепной реакции.

Для такого контакта Вы могли бы уполномочить лицо, пользую­щееся Вашим доверием, неофици­ально выполнять следующие обя­занности:

а) поддерживать связь с прави­тельственными учреждениями, информировать их об исследованиях и давать им необходимые рекомен­дации, в особенности в части обес­печения Соединенных Штатов ура­ном;

б) содействовать ускорению эк­спериментальных работ, ведущихся сейчас за счет внутренних средств университетских лабораторий, путем привлечения частных лиц и промыш­ленных лабораторий, обладающих нужным оборудованием.

Мне известно, что Германия в настоящее время прекратила прода­жу урана из захваченных чехословац­ких рудников.

Необходимость таких шагов, быть может, станет понятна, если учесть, что сын заместителя германского министра иностранных дел фон Вайцзеккер прикомандирован к Фи­зическому институту Общества кай­зера Вильгельма в Берлине, где в настоящее время повторяются аме­риканские работы по урану.

Искренне Ваш Альберт Эйнштейн

Олд Гров Ред, Нассау-Пойнт-Пеконик, Лонг Айленд

2 августа 1939 г.

В интервью японской газете в 1951 г. А. Эйнштейн так объяснил свою роль в создании ядерной бом­бы:

«Мое участие в создании ядерной бомбы состояло в одном-единственном поступке, я подписал письмо президенту Рузвельту, в котором под­черкивал необходимость проведения в крупных масштабах экспериментов по изучению возможности создания ядерной бомбы. Я полностью отда­вал себе отчет в том, какую опасность для человечества означает успех это­го мероприятия. Однако вероятность того, что над той же самой пробле­мой с надеждой на успех могла рабо­тать и нацистская Германия, заста­вила меня решиться на этот шаг. Я не имел другого выбора, хотя я всегда был убежденным пацифис­том...»

Письмо А. Эйнштейна не сразу привело к действиям администрации США.

Рузвельт распорядился о созда­нии Консультативного комитета по урану в тот же день, когда ответил на письмо Эйнштейна, но решение о развертывании крупномасштабной программы создания ядерного ору­жия было принято только в октябре 1941 г., после получения сведений о работе англичан в этом направле­нии.

Нападение японских военно-воз­душных сил на Пирл-Харбор 8 де­кабря 1941 г. привело к тому, что США объявили войну Японии, Гер­мании и Италии. После вступления США в войну программа создания ядерной бомбы перешла из стадии научных исследований в стадию прак­тических разработок.

В середине 1942 г. администрация США поняла, что «...несколько ки­лограммов урана-235 или плутония-239 представляют собой взрывчатку, эквивалентную по своей мощи не­скольким тысячам тонн обычных взрывчатых веществ» (из доклада В. Буша 17 июня 1942 г. президенту США Ф. Д. Рузвельту).

В результате указаний президента США 13 августа 1942 г. был создан специальный округ инженерных войск под названием Манхэттенский в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, в пус­тыне, недалеко от Санта-Фэ. Руково­дителем Манхэттенского проекта был назначен бригадный генерал инже­нерных войск Л. Гровс, а научным руководителем – физик-теоретик Юлиус Роберт Оппенгеймер.

С этого времени началась работа огромного масштаба, поглотившая колоссальные средства, материаль­ные ресурсы, человеческие усилия и приведшая к созданию ядерной бом­бы невиданной мощи в июле 1945 г.

Но вернемся к истокам освоения нового источника энергии.

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871-1937) сделал в Манчестере доклад «Рассея­ние альфа- и бета-лучей и строение атома». X. Гейгер и Э. Марсден про­вели экспериментальную провер­ку идеи Резерфорда о строении ато­ма. Они подтвердили существование ядра атома как устойчивой его части, несущей в себе почти всю массу ато­ма и обладающей положительным зарядом.

В 1913 г. Н. Бор (1885-1962) опуб­ликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике. При­мерно в это же время начались, как известно, первые трудности электро­магнитной концепции микромира. Уже квантовая механика несла в себе совершенно новые взгляды на мик­ропроцессы. Так, в основу многих уравнений квантовой механики вхо­дило значение массы микрочастиц, а открытие спина (от английского spin – вращение), т. е. собственного мо­мента количества движения, у элек­трона С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком (1925 г.) и выдвижение принци­па запрета В. Паули (1925г.) противо­речили существовавшим представле­ниям в физике. Но наиболее важной оказалась гипотеза нейтрино, выдвинутая в 1931 г. Паули с целью объяс­нения кажущихся аномалий в энер­гетическом распределении электро­нов, вылетающих при бета-распаде. Нейтрино было четвертой элемен­тарной частицей (после электрона, фотона и протона), с которой столкнулась физика того времени.

В. Паули предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает не одна частица – электрон (как предполага­лось ранее), а две – электрон и час­тица, названная Паули нейтрино.

На основе опытов Дж. Аллена, выполненных 10 лет спустя, в 1942 г. было установлено, что нейтрино име­ет массу покоя, значительно мень­шую (1/30) массы электрона, и полностью лишено электрического за­ряда и магнитного момента.

Если природа трех ранее откры­тых элементарных частиц (электро­на, фотона и протона) могла считать­ся электромагнитной, то в отноше­нии нейтрино сказать это было почти невозможно. Однако до 1932 г. элек­тромагнитная теория господствова­ла. Решающим шагом в признании новой физической идеи стало откры­тие Чедвиком (1932 г.) пятой частицы - нейтрона.

История открытия нейтрона до­статочно поучительна. Еще в 1920 г. Резерфорд выдвинул предположение о существовании нейтральной час­тицы. В 1930 г. В. Боте и Г. Бекер сообщили о проникающем излуче­нии, появляющемся при бомбарди­ровке альфа-частицами ядер легких элементов. Особенно значительный эффект получался при бомбардиров­ке бериллия. В качестве детектора излучения был использован счетчик Гейгера. Боте и Бекер предположи­ли, что наблюдаемое излучение пред­ставляет собой поток гамма-квантов высокой энергии.

Почти одновременно с этими не­мецкими учеными Ирен и Фреде­рик Жолио-Кюри повторили их опыты, используя источник поло­ния большой активности. Детек­тором служила ионизационная ка­мера. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. Помещая на пути пото­ка частиц экраны из водородсодержащих веществ (парафина в том числе), они ожидали, что поток уменьшится, но он даже увели­чился. Ученые пришли к выводу, что столкнулись с каким-то новым явлением. Продолжая опыты, они убедились, что излучение Боте-Бекера способно выбивать ядра из ато­мов водорода, гелия и азота. Они установили, что выбитые частицы приобретали значительную энергию и что в пространство излучаются элек­троны высоких энергий. Жолио-Кюри опубликовали результаты сво­их опытов и выяснилось, что энер­гия излучения Боте-Бекера гораздо больше энергии гамма-излучения.

В феврале 1932 г. ученик Резерфорда Дж. Чедвик после ознакомле­ния с результатами опытов Жолио-Кюри измерил с помощью электрон­ного оборудования, пропорционального усилителя, отдельные импуль­сы, возникающие при прохождении ядер и электронов через счетчик, и разделил их. Оборудование, которым пользовался Чедвик, было более со­вершенным, и результаты его опытов показали, что первоначальное пред­положение Боте и Бекера, а также И. и Ф. Жолио-Кюри об электро­магнитной природе сверхпроникающего излучения неверно.

Чедвик установил, что это излуче­ние состоит из электрически ней­тральных частиц с массой, пример­но равной массе ядра протона. Это были нейтроны.

Открытие нейтрона является ре­зультатом работы ученых трех стран: Германии, Франции и Англии. Исто­рия открытия нейтрона лишний раз иллюстрирует, что путь к высотам науки изобилует сложностями и весь­ма тернист.

Открытие нейтрона указало на су­ществование в природе нового типа сил – ядерных. Значение этого откры­тия для развития ядерной физики необычайно велико, оно позволило пре­одолеть трудности, стоявшие на пути познания строения ядра атома. Нейт­рон – это «золотой ключик», открыв­ший двери в ядерную энергетику.

Открытие нейтрона стимулирова­ло появление фундаментальных направлений науки, таких как физика атомного ядра, физика элементар­ных частиц. Впоследствии самостоя­тельной областью физики стала ней­тронная физика.

При этом следует отметить, что открытие нейтрона не было случайным, на его существование указы­вало много сопутствующих фактов, и потому его обнаружение – зако­номерное следствие знаменитых опытов Резерфорда 1919 г. по ис­кусственному расщеплению ядер альфа-частиц, работ Боте и Бекера, И. и Ф. Жолио-Кюри. Но обнаружил нейтрон Дхеймс Чедвик. Свое от­крытие Чедвик опубликовал в статье «Возможное существование нейтро­на», которую он направил в печать 17 февраля 1932 г.

Этот день по праву считается днем открытия нейтрона.

О гениальном английском физике Эрнесте Резерфорде (1871-1937) говорилось уже не раз, но в связи с открытием нейтрона Дж. Чедвиком, его учеником и со­трудником Кавендишской лаборато­рии, следует сказать о нем и о его вкладе в физическую науку.

Э. Резерфорд заложил основы уче­ния о радиоактивности и строении атома. Он первым осуществил искусственное превращение элементов, установил, что корпуску­лярное излучение состоит из альфа- и бета-лучей.

Страницы: 1, 2, 3