4. Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронами

Весной 1934 г. в итальянском журнале "Ricerca Scientifica" одна за другой стали появляться заметки римских физиков, работавших под руководством Э. Ферми [91-93]. В них сообщалось об открытии того факта, что при облучении многих элементов нейтронами возбуждается искусственная радиоактивность. Заметим, что предположение о возможности такого явления было высказано в пионерской работе Ф. Жолио и И. Кюри об искусственной радиоактивности [94].

Эти новости крайне заинтересовали Курчатова. Он прекратил работы с использованием пучка протонов и очень энергично взялся за исследования "эффекта Ферми". Немедленно было налажено сотрудничество с руководимым Л. В. Мысовским физическим отделом Государственного радиевого института (ГРИ, Ленинград), в котором давно уже действовала разработанная им в 1925 г. первая в стране эманационная установка. Изготовленные на ней ампулы и капилляры с радоном выдавались многим медицинским учреждениям. Поэтому было нетрудно наладить изготовление стеклянных ампул, наполненных радоном и порошком бериллия, - источников нейтронов того типа, которым пользовался Ферми.

Директора Физической лаборатории Министерства здравоохранения в Риме Дж. Ч. Трабакки, который снабжал Ферми радон-бериллиевыми источниками нейтронов, в его группе называли "божественным провидением". Таким же "божественным провидением" для группы Курчатова оказался профессор Мысовский. В дальнейшем на протяжении нескольких лет простые, но слабенькие радон-бериллиевые источники нейтронов верой и правдой служили физикам, пока не появились мощные источники нейтронов на основе ионных ускорителей.

Результаты первых двух работ лаборатории Курчатова по искусственной радиоактивности, наведенной нейтронами, были отправлены в печать всего через три месяца после появления первой заметки итальянских физиков. В одной из них [95] изучалась радиоактивность, наведенная в фосфоре. Были установлены интересные данные, новые по сравнению с указанными в работе группы Ферми. В дополнение к β^--активности с периодом полураспада ~3 ч, которую в Риме с помощью радиохимического метода приписали кремнию (следовательно, надо было принять, что идет реакция ³¹Р (n, p)³¹Si, ³¹Si → ³¹P), была найдена активность с периодом ~ 3 мин. Естественно, авторы работы [95] поставили вопрос об "изотопической идентификации" ^* новой активности. Задача облегчалась тем, что фосфор имеет только один изотоп (³¹Р). Было предположено, что новая активность принадлежит ядру ²⁸Аl, которое получается в ядерной реакции ³¹Р (n,α)²⁸Аl. Основанием для такой идентификации был тот известный факт, что ²⁸Аl имеет период ~ 3 мин., и путем β^- - распада он превращается в ²⁸Si. Авторы пришли к выводу, что наблюдается разветвление ядерных реакций: часть ядер фосфора при облучении нейтронами претерпевает реакцию типа (n,р), тогда как другая часть -реакцию типа (n, α)

^* (По современной терминологии - о "нуклидной идентификации".)

Лев Владимирович Мысовский

Явление разветвления ядерной реакции наблюдалось и ранее - когда мишени бомбардировались заряженными частицами. Например, с 1929 г. была известна реакция ²⁷Аl (α,p)³⁰Si (Резерфорд и Чадвик), а в работе И. Кюри и Ф. Жолио [96] было установлено, что идет также реакция ²⁷Аl (α,n)³⁰Р. Однако разветвление реакции при облучении вещества нейтронами в работе [95] наблюдалось впервые.^*

^* (Несколько раньше и независимо от группы Курчатова явление разветвления ядерной реакции было открыто также группой Жолио-Кюри [97] на том же примере Р+n.)

Радиоактивные ядра с тем же периодом ~3 мин в этой работе были получены также в реакции Si+n, в связи с чем было предположено, что идет реакция ²⁸Si (n,p)²⁸Аl, и это косвенно подтверждало наличие реакции ³¹Р (n,α) с образованием ²⁸Аl. Таким образом, в работе [95] мы находим один из первых примеров применения метода "перекрестных ядерных реакций" для нуклидной идентификации.

Во второй из упомянутых работ лаборатории Курчатова [98] была исследована реакция Al+n (алюминий также состоит только из одного изотопа, ²⁷Аl). Здесь опять были установлены новые данные: помимо указанной группой Ферми активности с периодом 12 мин, была найдена активность с периодом >12 ч. Авторы установили также, что β^- - распад нуклида с периодом 12 мин сопровождается испусканием γ-квантов в количестве ~1 γ-квант на 1 распад. Для оценки энергии γ-квантов была снята кривая поглощения излучения в свинце. Измерение параметров γ-излучения (относительной интенсивности и энергии квантов) для искусственного радионуклида выполнено в этой работе, по-видимому, впервые. Радиохимическое исследование показало, что активность с периодом 12 мин относится к магнию, следовательно, она получается в реакции ²⁷Аl (n,р) ²⁷Mg. Активность же с периодом >12 ч скорее всего относится к натрию, т. е. идет реакция ²⁷А1 (n, a) ²⁴Na^β-→ ²⁴Mg. Это означает, что здесь, как и в случае реакции Р+n, наблюдается разветвление реакции, возбуждаемой нейтронами, на два канала: (n, р) и (n, α).^*

^* (Позже было установлено, что при взаимодействии Al+n реакция идет и по третьему возможному каналу: ²⁷A1(n,γ) ²⁸Al.)

Вскоре была опубликована еще одна статья Курчатова с сотрудниками [99], уточняющая результаты работы [98]. Радиохимически было подтверждено, что долгоживущая активность в реакции Аl+n относится к Na. Период ее, измеренный по γ-лучам, составляет 12-13 ч (современное значение ~15 ч).

Группа Ферми, работая "на целине", не задумывалась над выбором элементов для облучения нейтронами. Как писал впоследствии Э. Сегре, "первое, что мы решили сделать, было очевидным - облучить все вещества, какие только могли попасть нам в руки" [см. 100, с. 593]. За короткое время они облучили нейтронами 68 элементов, из них в 47 нашли радионуклиды.

Для Курчатова с сотрудниками задача была сложнее. Разумеется, во многих случаях в качестве облучаемых элементов брались уже исследованные группой Ферми - в надежде на то, что удастся найти дополнительные интересные сведения, может быть, открыть новые радиоактивные ядра. Примеры таких работ уже приводились выше. В других случаях выбор мишеней был сделан с учетом соображений, содержавшихся в некоторых работах по систематике нуклидов. Например, в статье И. П. Селинова [101], сотрудника Курчатова, приводились данные, свидетельствующие о периодичности в системе нуклидов, и делались предсказания о существовании некоторых неизвестных нуклидов. Наряду с работами Е. Н. Гапона и Д. Д. Иваненко, В. Эльзассера и другими, эта статья в известной мере была предшественницей работ, которые привели к введению понятия "магических" чисел в системе нуклидов и к модели ядерных оболочек. В [102] Курчатов внимательно проанализировал статью Ланде об α-частичной модели ядра. Вероятно, он искал в ней указаний на интересные объекты изучения радиоактивности.

В сентябре 1934 г. Ферми и его сотрудники открыли, что окружение источника нейтронов, рядом с которым находилась мишень, достаточно толстым слоем водородсодержащего вещества (парафина или воды) увеличивает наведенную радиоактивность мишени в некоторых случаях в сотни раз, причем речь идет только о реакциях типа (n, γ). Явление было объяснено замедлением нейтронов до тепловых скоростей в результате многократных упругих столкновений с протонами и ростом сечения взаимодействия нейтронов с ядрами мишеней при уменьшении скорости нейтронов. Новый эффект имел большое практическое значение для всех работавших в области искусственной радиоактивности, возбуждаемой нейтронами, так как появилась возможность исследовать и такие элементы, для которых сечения очень малы. Этим, в частности, сразу воспользовалась в ЛФТИ группа А. И. Алиханова, которая занималась изучением β - спектров искусственно-радиоактивных нуклидов.

В лаборатории Курчатова работы по искусственной радиоактивности, наведенной медленными нейтронами, продолжались в течение 1935-1936 гг.^*

^* (Наиболее полный список опубликованных работ И. В. Курчатова дан в специальной брошюре [103].)

За короткое время (с июля 1934 г. по февраль 1936 г.) Курчатовым и его сотрудниками было опубликовано 17 статей по искусственной радиоактивности. Добавим, что к концу 1934 г. Курчатов закончил работу над монографией "Расщепление атомного ядра", в которой, как он писал в предисловии, был дан "обзор основных экспериментальных данных, полученных за последние два-три года в области физики атомного ядра" [86, с. 5].^*

^* (Подробнее об этой книге см. п. 1 гл. 6.)