История развития ядерной физики до окончания второй мировой войны

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Ульяновский городской лицей при УлГТУ»

Проект

«История развития ядерной физики до окончания второй мировой войны»

Автор проекта

Ученица группы 8-19

Герасимова Юлия

Научный руководитель

 Андреева Елена Валерьевна

Руководитель проекта

Андреева Елена Валерьевна

Ульяновск

2020-2021

Паспорт проектной работы.

Содержание

Введение………………………………………………………………………….  4

Глава 1. Первоначальные представления об атоме от древнейших времен до первых измерений.

1.1. Взгляды мыслителей древности на строение вещества…………………... 5

1.2. Эпохи Средневековья и Возрождения……………………………………... 6

1.3. Теории ученых Нового времени…………………………………………… 8

Глава 2. Относительные измерения и точные параметры атома.

2.1. Возникновение понятий «химический элемент» и «молекула»…………. 8

2.2. Открытие явления радиоактивности…………………………………… ...10

2.3. Первые приборы и исследования радиоактивного излучения………….. 11

2.4. Основной закон радиоактивного распада………………………………... 12

2.5. Модели атома………………………………………………………………. 12

Глава 3. Применение ядерной энергетики в первой половине XX века.

3.1. Открытие искусственной радиоактивности……………………………… 14

3.2. Открытие деления ядер урана. Осуществление контролируемой цепной реакции деления………………………………………………………………… 17

Заключение……………………………………………………………………… 18

Библиографический список……………………………………………………..19

Приложение………………..……………………………………………………..20

Введение.

Явление радиоактивности на сегодняшний день прочно вошло в нашу жизнь. Радиоактивность используется в таких сферах как медицина, энергетика, военная сфера, в синтез новых элементов и в научных исследованиях. Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. По расчетам специалистов урана при текущем потреблении хватит на Земле еще на несколько десятков тысяч лет.

Однако прежде чем человечество достигло таких технологий прошли десятки лет исследований. Сейчас никто и не задумывается о том, как человек смог приручить атомы и получать из них энергию. Начиная с древних веков, величайшие умы человечества пытались раскрыть загадку радиоактивности и строения вещества. Открыв, явления никому не известные до сих пор, многие ученые выдвигали свои теории об их происхождении. Но только немногие, с помощью опытов экспериментов, смогли их объяснить.

Существует большое количество информации по данной теме. Но информация об этапах открытия и исследованиях не имеет четкой структуры. Поэтому моя цель: сбор, анализ и структурирование информации об истории открытия радиоактивности.

Задачи проекта:

1.        Используя интернет источники, собрать информацию об истории открытия радиоактивности.

2.        Проанализировать и структурировать найденную информацию.

Объектом моего исследования является мировая история до начала Второй мировой войны. Предметом же исследования является история открытия радиоактивности.

Гипотеза исследования: Развитие изучения радиоактивности повлияло на мировую историю и все сферы жизни человека.

Метод исследования:

Библиографический анализ литературы и материалов сети Internet;

Глава 1. Первоначальные представления об атоме от древнейших времен до первых измерений.

1. Взгляды мыслителей древности на строение вещества.

В ранней греческой философии сформировалось понятие стихии – некоторой первичной субстанции, которая лежит в основе всего окружающего мира. Фактически понятие элемента впервые сформировалось в утверждении Фалеса из Милета (VII – VI вв. до н.э.) Он утверждал, что первостихией, из которой возникло все сущее, является вода. Вслед за Фалесом греческие философы предлагали свои стихии. Анаксимен из Милета (VI в. до н.э.) считал, что первостихией воздух, а Гераклит из Эфеса (V - IV вв. до н.э.)  -  огонь. Именно Гераклит выдвинул идею о том, что всё течёт и непрерывно изменяется. Мир был, есть и будет вечно живым огнём, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим. Проблема многообразия вещей в рамках этих представлений решалась с помощью категорий сгущения и разрежения, посредством которых происходят перемещения элементов.

Анаксагор (V в. до н.э.) одним из первых сформулировал идею о существовании «неразрушимых элементов». Согласно взглядам Анаксагора, в каждом веществе содержатся «семена» разных элементов, но лишь частицы какого-либо одного элемента присутствуют в наибольшем количестве. Они-то и определяют основные качества вещества. Анаксагор считал, что в своей бесконечной делимости частицы веществ достигают размеров, которые выходят за пределы чувственного человеческого восприятия.

В V в. до н.э. возникло новое учение – атомизм, выдвинувшее идею о дискретности материи. Основоположники атомизма Левкипп и Демокрит. Демокрит полагал, что все вещи видимого мира состоят из мельчайших неделимых и неизменных частиц – атомов (от др.-греч. ἄτομος «неделимый»), разделенных пустым пространством. Образование тел есть результат движения и столкновения атомов и их «сцепления» друг с другом. Разнообразие всех вещей Демокрит объяснял различием числа, формы, величины и порядка составляющих их атомов

Аристотель утверждал, что в основе мира лежат четыре элемента – огонь, воздух, вода и земля. Важнейшие качества каждого вещества определялись преобладающим в нем элементом. Соответственно, вывод о наличии того или иного элемента в теле делался на основе оценки чувственно воспринимаемых свойств, которые ассоциировались с элементами.

В работе «О возникновении и уничтожении» Аристотель выдвинул очень важное и принципиально новое положение относительно причины качественного многообразия тел: возникновение новых веществ сопровождается изменением качеств. Объясняя процесс возникновения новых тел, он ввел понятие миксиса – соединения веществ в качественно новое образование. В этой теории соединение веществ рассматривалось не просто как их механическое смещение (синтезис), а как «тело», обладающее новыми, не присущими исходным компонентам, качествами (миксис). Необходимым условием миксиса Аристотель считал контакт, благодаря которому должно происходить изменение исходных веществ. Наблюдение показывало, что вещество с одними свойствами способно превращаться в другое вещество с другими свойствами. Но из полученного продукта с помощью определенных операций можно было снова выделить исходное вещество. Представления Аристотеля получили широкое распространение в эллинистический период и в Средние века.

В древнем мире атомизм получил развитие в трудах Эпикура. Большинство его воззрений дошло до нас благодаря поэме римского поэта-философа Лукреция Кара (I в. до н.э.) «О природе вещей». Эпикур признавал существование атомов, пустоты и вечности материи, утверждая, что « из ничего не творится ничто по божественной воле». Описывая процессы высыхания одежды и распространения запахов, он объясняет непрерывное движение мельчайших частиц.[2]

2. Эпохи Средневековья и Возрождения.

После падения Западной Римской империи (476 г н.э.) в Европе начались мрачные времена. Все лучшее, что было сделано передовыми мыслителями древности, было забыло. Основной философской системой стала схоластика, для которой характерно соединение религиозно-догматических предпосылок с формально-логическими построениями. В качестве основного способа познания использовались диспуты, в ходе которых пытались установить истину путем бесконечных споров и ссылок на авторитеты. Хоть и труды Аристотеля изучались средневековыми богословами, но из его учения выбиралось лишь то, что хоть как то укладывалось в рамки религиозных представлений. Таким образом, атомистика была практически полностью забыта, зато процветали алхимия, астрология и мистика.[5]

3. Теории ученых Нового времени.

С наступление эпохи Возрождения в конце 15 века ситуация начала меняться. Такие мыслители как Николай Кузанский, Леонардо да Винчи, Николай Коперник, а в дальнейшем Джордано Бруно и Галилей решительно выступили против средневековой схоластической науки. Этим они подготовили почву для возрождения и атомистических представлений.

Френсис Бэкон одним из первых вспомнил об атомах и часто приводил атомистов Анаксагора и Демокрита в качестве научных авторитетов. Происхождение тепла Бэкон объяснял «энергичным, сдерживаемым движением внутри маленьких частиц материи».

К началу XVII в. в научном мире наметилось постепенное возрождение атомизма. Это произошло в результате распространения механистических взглядов. Формирование в рамках механицизма представления о превращениях веществ как процессах сборки-разборки отдельных «блоков» нашло свое воплощение в гипотезах о дискретном корпускулярном (от лат.corpuscula – частица) строении вещества. Существенное влияние на развитие подобных учений оказали работы Р. Декарта, П. Гассенди, Т. Гоббса, В. и М. Кавендиш.

Декарт считал, что материя состоит из мельчайших частиц трех классов. Наименьшие размеры и наибольшую подвижность имеют элементы огня, которые заполняют промежутки между остальными частицами. Свойства тел определяются подвижностью частиц и силами сцепления их друг с другом. Почти неподвижные сцепленные частицы образуют твердые тела. Жидкие тела, воздух и пламя состоят из подвижных легких частиц.

Попытка применить корпускулярную теорию для объяснения превращения веществ в химических реакциях была сделана в трудах Р. Бойля. Идея Бойля имела важное методологическое значение. Такое объяснение впервые наполнило понятие качества реальным физическим содержанием, представив его не как нечто имеющее неизвестное происхождение и изначально заданное в теле, а как результат определенного внутреннего устройства вещества. Кроме того, работы Бойля способствовали сближению химии с физикой, что в перспективе вело к изменению представления о химии как о разделе медицины и ее становлению как самостоятельной науки.

В начале XVIII в. И. Ньютоном была разработана корпускулярная концепция. Ньютон считал корпускулы всех тел неизменяемыми, неделимыми, состоящими из единой субстанции и существующими в пустоте. Однако главную роль в возникновении индивидуальных свойств веществ Ньютон, в отличие от Бойля, отводил сочетанию корпускул посредством особых сил притяжения, которые действуют на малых расстояниях. Эта концепция сыграла ведущую роль в формировании новых представлений о химическом сродстве, опровергнув положение о различии в формах частиц и сведя химические процессы к взаимодействию веществ за счет сил притяжения. Концепция Ньютона о взаимодействии тел, обусловленном проявлением сил различной природы, впоследствии сыграла очень важную роль в формировании «химической атомистики». Но в XVII-XVIII вв. корпускулярные представления хотя и были приняты очень многими естествоиспытателями, не получили дальнейшего развития в плане объяснения химических явлений. Например, М. В. Ломоносов в первой половине XVIII в. разработал свою «корпускулярную философию», дав целый ряд определений таким категориям, как атомы и молекулы (корпускулы и элементы).

Ситуация в химии XVII в., уже во многом экспериментальной науки, была неоднозначной: наряду с весьма популярными алхимическими идеями появились принципиально новые воззрения: эмпирическая концепция предсуществующих элементов, сформировавшаяся в результате расширения эксперимента, и корпускуляристское учение, получившее распространение в результате возрождения атомизма. При этом во всех трех одновременно сосуществующих концепциях совершенно по-разному объяснялась причина разнообразия свойств веществ и сущность химических явлений. Начавшийся с развитием эксперимента прогресс науки свидетельствовал о том, что алхимические взгляды постепенно, но неизбежно утратят свою популярность. [3]

Глава 2. Относительные измерения и точные параметры атома.

2.1. Возникновение понятий «химический элемент» и «молекула».

Слово «элемент» (лат. elementum) использовалось ещё в античности как часть чего-то. В древности было распространено изречение «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Отсюда — вероятное происхождение этого слова: по названию ряда согласных букв в латинском алфавите: l, m, n, t («el» — «em» — «en» — «tum»).

Близкое к современному пониманию понятие химического элемента отражала новая система химической философии, изложенная Робертом Бойлем в книге «Химик-скептик». Элементы, согласно Бойлю — практически неразложимые тела, состоящие из сходных однородных корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних.

В 1789 г. Антуан Лоран Лавуазье в «Элементарном курсе химии», приводит первый в истории новой химии список химических элементов, разделённых на несколько типов. Он впервые отождествляет с химическими элементами ряд простых веществ. В число элементов были включены свет, теплород и «солеобразующие землистые вещества» (трудноразлагаемые оксиды кальция, магния и др.). Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием определения элемента опыт и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах.

Благодаря Джону Дальтону в начале XIX в. в химии возобладала атомно-молекулярная гипотеза, рассматривающая химический элемент как отдельный вид атомов и указывающая на природу простых и сложных веществ, как состоящих, соответственно, из атомов одного или различного видов. Дальтон же впервые указывает на атомный вес как важнейшее свойство элементов, определяющее его химическую природу. Благодаря усилиям Йёнса Берцелиуса и его последователей были весьма точно определены атомные массы известных элементов. Середина XIX в. ознаменовалась целым рядом открытий новых элементов. На международном съезде химиков в г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Молекула была определена как наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами, а атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Ко времени открытия Периодического закона Д. И. Менделеевым (1869) было известно 63 элемента. Именно атомный вес был выделен им как свойство атомов, определяющее периодический характер изменения свойств химических элементов, а также образуемых ими простых и сложных веществ. Открытие Менделеева позволило предвидеть существование, а также свойства ряда неизвестных в то время элементов и послужило научной основой для их классификации.

Однако Менделеев был вынужден сделать несколько перестановок в последовательности элементов, распределённой по возрастающему атомному весу, чтобы соблюсти периодичность химических свойств, а также ввести незаполненные клетки, соответствующие неоткрытым элементам. Позднее стало ясно, что периодичность химических свойств зависит от заряда атомного ядра, а не от атомной массы элемента.

С открытием изотопов стало ясно, что даже различные совокупности атомов одного и того же элемента могут иметь различающиеся атомные массы; так, радиогенный гелий, выделенный из урановых минералов, в связи с преобладанием изотопа 4He имеет атомную массу больше, чем гелий космических лучей (где присутствует также лёгкий изотоп 3He).

Современное понимание химического элемента как совокупности атомов, характеризующихся одинаковым положительным зарядом ядра, равным номеру элемента в Периодической таблице, появилось благодаря фундаментальным работам Генри Мозли (1915) и Джеймса Чедвика (1920).

2.2. Открытие явления радиоактивности.

Французский физик А.Беккерель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория. Радиоактивность (от латинского radio – излучаю, radus – луч и activus – действенный), такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

Есть несколько определений этого явления, одно из которых дает такую ее формулировку: «Радиоактивность – самопроизвольное изменение состава или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов»

В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран и торий. Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий, а Мария, кроме того обнаруживает явление радиоактивности у тория. Кстати, она первой и предложила термин радиоактивность. Теперь это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, и при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия α – частиц. Здесь следует отметить, что среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т.е. расположенными в таблице Менделеева после висмута. За 10 лет совместной работы Пьер и Мария сделали очень многое для изучения явления радиоактивности. Пьер установил самопроизвольное выделение тепла солями радия. Этот препарат радия исследователи получили в 1902 году в количестве 0,1 гр. Для этого им потребовалось 45 месяцев напряженного туда и более 10000 химических операций освобождения и кристаллизации. В 1903 году за открытие в области радиоактивности супругам Кюри и А.Беккерелю была присуждена Нобелевская премия по физике. Всего за работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии (А.Беккерелю, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э.Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д.Хэвиши, О.Гану, Э.Макмиланн и Г.Сиборгу, У.Либби и др.). В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с порядковым номером 96 – кюрий.

В 1898 году английский ученый Э.Резерфорд приступил к изучению явления радиоактивности. В 1903 году он доказывает ошибочность предположения английского физика Д.Томпсона о его теории строении атома и в 1908-1911 г.г. проводит опыты по рассеянию α – частиц металлической фольгой. α – частица проходила сквозь тонкую фольгу и, попадая на экран из сернистого цинка, порождала вспышку, хорошо наблюдаемую в микроскоп. Опыты по рассеянию α – частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в атомном ядре, диаметр которого примерно в 100000 раз меньше диаметра атома. Большинство α – частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение α – частицы с ядром и тогда она может отскочить назад. Таким образом, первым его фундаментальным открытием в этой области было обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном. Так в науку о радиоактивности впервые вошло понятие об α – и β - лучах. Он также предложил и названия: α –распад и α – частица. Немного позже была обнаружена еще одна составляющая часть излучения, обозначенная третьей буквой греческого алфавита: γ-лучи. На долгие годы α – частицы стали для Э.Резерфорда незаменимым инструментом исследований атомных ядер. В 1903 году он открывает новый радиоактивный элемент – эманацию тория. В 1901-1903 годах он совместно с Фредериком Содди проводит исследования, которые привели к открытию естественного превращения элементов и разработке теории радиоактивного распада атомов.

В 1903 году К.Фаянс и Ф.Содди независимо друг от друга сформулировали правило смещения, характеризующее перемещение изотопа в периодической системе элементов при различных радиоактивных превращениях.[4]

2.3. Первые приборы и исследования радиоактивного излучения.

Как отмечалось выше, впервые радиоактивное излучение было зарегистрировано с помощью фотопластинки. Этот способ регистрации частиц иногда применяется и поныне, в частности, при дозиметрических измерениях. Однако очень скоро выяснилось, что радиоактивное излучение может не только засвечивать фотоэмульсию, но и оказывать другие виды воздействия на вещество. Так, например, при попадании альфа частиц в некоторые вещества возникают вспышки света, правда, очень слабые, но все же видимые невооруженным глазом в полной темноте. Для наблюдения таких вспышек, или, как их обычно называют, сцинтилляций, Уильям Крукс изобрел прибор- спинтарископ.[3]

2.4. Основной закон радиоактивного распада.

Интенсивность радиоактивного распада, а также его зависимость от количества атомов и времени, выражена в Законе радиоактивного распада, открытом Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди в 1903 году. [9]

Формула Закона радиоактивного распада выглядит следующим образом:

N-число не распавшихся ядер за время t

N0-начальное число нераспавшихся ядер

t - время

T- период полураспада.

2.5. Модели атома.

До 1897 г атом считался мельчайшей неделимой частицей (элементарной). Именно этот год считается датой открытия электрона, первой субатомной частицы. Во второй половине 19 в. многие физики занимались исследованием так называемых  «катодных лучей» - лучей, исходящих с поверхности катода при пропускании электрического разряда между катодом и анодом в стеклянной трубке с сильно разреженным газом.

В своих опытах по отклонению катодных лучей в электрических и магнитных полях, Томсон убедительно показал, что эти лучи представляют собой поток заряженных частиц, а самое главное, ему удалось измерить удельный заряд (e/m) этих частиц. Томсон сразу же предположил, что электроны входят в состав атомов – откуда еще им было взяться? Дальнейшие работы ученых-физиков подтвердили это предположение. Таким образом, к концу 19 века электрон считался элементарной заряженной частицей, масса которой в 2000 раз меньше массы атома водорода.

После открытия электрона Томпсон предложил модель строения атома, которую обычно называют "пудинг с изюмом" или на русский манер "булочка с изюмом". Согласно Томпсону атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены (как изюм в булочке) отрицательно заряженные электроны. Однако, эта модель была опровергнута опытом Резерфорда.

Опыт заключался в бомбардировке тонкого листа золотой фольги пучком альфа-частиц, которые, как тогда уже было известно, представляют собой заряженные атомы гелия. Если бы модель Томсона была верна, то все альфа-частицы проходили бы через лист фольги, лишь немного отклоняясь от первоначального направления движения.

В действительности же результаты оказались удивительными: большинство альфа-частиц действительно отклонялось очень слабо, однако небольшая часть отклонялась на большие углы, а некоторые вообще отражались назад. Из результатов эксперимента Резерфорд сделал вывод, что «модель пудинга» была неверна, а в действительности же положительный заряд и подавляющая часть массы атома сосредоточены в небольшой области в центре атома, размеры которой более чем в тысячу раз меньше размеров самого атома. Эта  область позже получила название атомного ядра.

В 1917 Резерфордом был открыт протон - положительно заряженная элементарная частица. Тогда же он предположил и о существовании нейтрально заряженных частиц - нейтронов, чье существование и было экспериментально подтверждено позже Дж. Чэдвиком.

На основании полученных результатов Резерфордом была предложена следующая модель атома: атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов вокруг него.

В 1913 Нильсом Бором была предложена модель строения атома, известная как "планетарная модель".  По Бору электроны вращаются по орбитам расположены на строго определенном удалении от атомного ядра, точно также как планеты Солнечной системы вращаются вокруг солнца (отсюда и название модели). Эти орбиты (сейчас всем известны как энергетические уровни)- стационарные и вне их электрон существовать не может. К сожалению, объяснить это утверждение Бору на тот момент не удалось. Кроме того, предложенная модель Бора противоречила законам физики:

В начале прошлого века на смену планетарной модели строения атома пришла волновая модель, которая разрешила возникшие противоречия и  на сегодняшний момент считается общепринятой.

Современное представление о строении атома было бы невозможно без открытия явления радиоактивности, элементарных частиц (электрона, протона и нейтрона). Решающий вклад в установлении строения атома внесли Дальтон, Дж.Дж. Томпсон (или Томсон), Э. Резерфорд, Н. Бор, Э. Шредингер, М. Планк, Люис, Паули.

Современная модель строения атома (волновая модель)

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окружённого отрицательно заряженной электронной оболочкой

Атом — электронейтрален, то есть количество положительно заряженных частиц в нем равно количеству отрицательно заряженных частиц.

Долгое время считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными (то есть неделимыми) частицами. Но на сегодняшний момент признано, что они имеют сложное строение и состоят из кварков. Электрон же до сих пор считается элементарной частицей. Положительно и нейтрально заряженные частицы  сосредоточены в ядре, чья масса составляет около 99,97% от массы атома. Радиус атома, как правило, составляет несколько ангстрем, радиус ядра в 10 000 раз меньше радиуса атома.[8]

Глава 3. Применение ядерной энергетики в первой половине XX века.

3.1. Открытие искусственной радиоактивности.

Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. 15 января 1934 года их заметка была представлена на заседании Парижской Академии наук. Ирен и Фредерик сумели установить, что после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие элементы — магний, бор, алюминий — испускают позитроны.

Далее они попытались установить механизм этого испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время случаев ядерных превращений. Ученые поместили источник альфа-частиц на расстоянии одного миллиметра от алюминиевой фольги. Затем они подвергали ее облучению в течение примерно десяти минут. Счетчик Гейгера — Мюллера показал, что фольга испускает излучение, интенсивность которого падает во времени по экспоненциальной зависимости с периодом полураспада 3 минут 15 секунд.

Супруги Жолио-Кюри сделали вывод о том, что излучение, вызванное бомбардировкой атомов алюминия, магния и бора, нельзя объяснить наличием какой-либо примеси в полониевом препарате. Стало ясно, что ученые имеют дело с новым явлением, существенно отличавшимся от всех известных случаев ядерных превращений. Известные до того времени ядерные реакции носили взрывной характер, тогда как «испускание положительных электронов некоторыми легкими элементами, подвергнутыми облучению альфа-лучами полония, продолжается в течение некоторого более или менее продолжительного времени после удаления источника альфа-лучей.

Супруги Жолио-Кюри пришли к выводу, что здесь речь идет о самой настоящей радиоактивности, проявляющейся в испускании позитрона.

Опираясь на исследования Резерфорда и Кокрофта, Ирен и Фредерику Жолио-Кюри удалось установить, альфа-частицы захватываются ядром атома алюминия, положительный заряд которого возрастает на две единицы, вследствие чего оно превращается в ядро радиоактивного атома фосфора, названного учеными «радиофосфором».

Несмотря на чрезвычайно малый выход продуктов ядерных превращений и совершенно ничтожную массу вещества, претерпевшего превращение, — лишь несколько миллионов атомов, удалось установить химические свойства полученного радиоактивного фосфора».

Обнаружение искусственной радиоактивности сразу было оценено как одно из крупнейших открытий века. До этого радиоактивность, которая была присуща некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как-нибудь изменена человеком. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, получив новые радиоактивные изотопы. Ученые предвидели большое теоретическое значение этого открытия и возможности его практических приложений в области биологии и медицины.

Уже в 1935 году первооткрыватели искусственной радиоактивности Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были удостоены Нобелевской премии по химии.

Продолжая эти исследования, итальянский ученый Ферми показал, что бомбардировка нейтронами вызывает искусственную радиоактивность в тяжелых металлах.

Об искусственной радиоактивности Энрико Ферми узнал, как только супруги Жолио-Кюри опубликовали свои результаты. Ферми решил повторить опыты Жолио-Кюри, но пошел иным путем, применив в качестве бомбардирующих частиц нейтроны.

Весной 1934 года Ферми начал облучать элементы нейтронами. «Нейтронные пушки» Ферми представляли собой маленькие трубочки длиной несколько сантиметров. Их заполняли «смесью» тонкодисперсного порошка бериллия и эманации радия. Вот как Ферми описывал один из таких источников нейтронов:

Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещают пластинку алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляют на несколько минут, часов или дней (в зависимости от конкретного случая). Нейтроны, вылетающие из источника, сталкиваются с ядрами вещества. При этом происходит множество ядерных реакций самого различного типа...

Как все это выглядело на практике? Исследуемый образец находился заданное время под интенсивным воздействием нейтронного облучения, затем кто-либо из сотрудников Ферми переносил образец к счетчику Гейгера—Мюллера, расположенному в другой лаборатории, и регистрировал импульсы счетчика.

В первом сообщении, Ферми сообщил, что бомбардируя алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны. Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и Ферми писал, что высокая эффективность в осуществлении расщепления «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов».

С помощью своей «нейтронной пушки» Ферми подверг бомбардировке фтор, алюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро и йод. Все эти элементы активировались, и во многих случаях Ферми мог указать химическую природу образовавшегося радиоактивного элемента. Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов.

Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О. Д'Агостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами».

22 октября 1934 года Ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. Ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсодержащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. Опыты Ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов.

Но, помимо экспериментальных результатов, в этом же году Ферми достиг теоретических достижений. Уже в декабрьском номере 1933 года в итальянском научном журнале были опубликованы его предварительные соображения о бета-распаде. В начале 1934 года была опубликована его классическая статья «К теории бета-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория бета-распада, основанная на существовании нейтрино: при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра бета-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом».

Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейтронной модели ядра, приняв также гипотезу изотонического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели.

Комментируя теорию Ферми, Ф Разетти писал: «Построенная им на этой основе теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме». [6]

3.2. Открытие деления ядер урана. Осуществление контролируемой цепной реакции деления

    В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 238U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате β--распада изотопа 239U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93. Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий (Z = 56) – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.
 Л. Мейтнер и О. Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части

92U + n → 56Ba + 36Kr + xn.

Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов, способных вызвать деление других ядер урана, что открывает  возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236U, образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом 235U, разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ. Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235U. Для наиболее распространенного изотопа 238U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия ≈ 200 МэВ. Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электростанция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.

Заключение.

В результате исследований по ядерной физике открыты новые элементарные частицы, изменившие ранее существовавшее представление о структуре атомного ядра; разработаны теории, позволяющие предсказывать некоторые свойства ядерных частиц при их взаимодействии; синтезированы новые химические элементы, открыт новый вид радиоактивности, развиты и приобрели самостоятельное значение исследования по регулируемому термоядерному синтезу. Созданы и успешно применяются уникальные экспериментальные установки для обработки опытных данных, специальные автоматические или полуавтоматические просмотровые устройства, а также быстродействующие электронно-вычислительные машины.

Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники, оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры веществ. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности, военной области, медицине и других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. Однако наряду с положительными факторами использования свойств радиоактивности в интересах человечества все равно можно привести примеры и негативного их вмешательства в нашу жизнь. К числу таких относятся затонувшие корабли и подводные лодки с атомными двигателями и атомным оружием, захоронение радиоактивных отходов в море и на земле, аварии на атомных электростанциях и др.

Библиографический список

1. Бронштейн М. П. Атомы и электроны. Глава четвертая. Разгадка радиоактивности. https://fis.wikireading.ru/3194 
2. История науки (химические науки). Античные представления о веществе. https://lektsia.com/9x3146.html (Дата обращения 10.10.2020)
3. Новикова М.В. Развитие прикладной ядерной физики. Становление атомной энергетики и атомной промышленности: реферат аспиранта кафедры ЭОП АПК; Саратовский гос. аграрный ун-т имени Вавилова Н.И Саратов 2015 - 19с. http://www.sgau.ru/files/pages/12695/14290013560.pdf
4. Википедия. Химический элемент. [Электрон. ресурс] – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Химический_элемент (Дата обращения 10.10.2020)
5. Реферат: История открытия радиоактивности [Электрон. ресурс] – URL: https://www.bestreferat.ru/referat-59333.html (Дата обращения 10.10.2020)
6. Великие научные открытия. Основы мироздания. Искусственная радиоактивность [Электрон. ресурс] – URL: http://www.bibliotekar.ru/100otkr/38.htm (Дата обращения 10.10.2020)
7. Деление ядер [Электрон. ресурс] – URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/histan/histan12.htm (Дата обращения 10.10.2020)
8. Модели строения атома  [Электрон. ресурс] – URL: https://foxford.ru/wiki/himiya/modeli-stroeniya-atoma  (Дата обращения 10.10.2020)
9. Википедия. Закон радиоактивного распада [Электрон. ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_радиоактивного_распада (Дата обращения 10.10.2020)

Приложение 1.

Адрес публикации проекта: