Рывок в атомной физике
В 1896 году французский физик Беккерель А. А. открыл естественную радиоактивность. Исследования в этой области продолжили Мария и Пьер Кюри. Им принадлежит открытие целого ряда радиоактивных элементов – полония, радия, обнаружение радиоактивности тория. Надо сказать, что к тому времени становится понятно, что теоретически может существовать ранее неизвестный источник огромной энергии, и это, несомненно, лишь подогревало интерес в научном мире.
В 1905 году Эйнштейн сформулировал свою концепцию эквивалентности массы и энергии, выразимой широко известной формулой ; таким образом, ученый констатировал, что из небольшого количества вещества можно получать огромное количество энергии.
На тоже время приходится деятельность гениального физика Резерфорда. Позднее, в 1919 г. Э. Резерфорд совершил первое искусственное деление ядер: он провел опыт, в ходе которого атом азота был искусственно преобразован в атом кислорода. Несмотря на то, что природа многих явлений, также как и устройство атома, оставались для науки загадкой, даже предположение возможности подобных манипуляций создало колоссальный резонанс в научных кругах. Еще бы, ведь этот факт необычаен в том числе и с точки зрения психологии и философии – изменение лишь числа электронов вызывает качественное изменение самого вещества, приводит к кардинальному изменению его свойств.
В 1921 году Отто Ган открыл ядерную изомерию (7), что является важным шагом в ядерной физике, так как становится очевидно, что не только количество, но и порядок элементарных частиц важен.
Знания о структуре атома расширялись год от года. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, за что впоследствии получил Нобелевскую премию. В этом же году в Англии Уолтон и Кокрофт впервые использовали ускоритель протонов для расщепления ядра лития на 2 альфа-частицы. Произошедшее в ходе опыта выделение большого количества энергии объясняет появившееся тогда же понятие дефекта массы (возникает в результате преобразования некоторой части массы ядра в энергию в процессе распада ядра) и напрямую соотносится с вышеупомянутой формулой Эйнштейна.
Одновременно с Чедвиком, «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов» Нобелевской премии были удостоены исследователи Жолио-Кюри. Их химический опыт обнаружил возможность искусственной радиоактивности, когда путем облучения альфа-частицами тяжелых ядер достигается распад, сопровождающийся испусканием позитронов. «Таким образом, в настоящей работе удалось впервые при помощи внешнего воздействия вызвать у некоторых атомных ядер радиоактивность, которая сохраняется в течение измеримого времени в отсутствие вынуждающей причины».
Однако не только ускорение, но и замедление частиц способно принести положительные результаты. Э Ферми доказал это открытием ядерных реакций, вызванных замедленными нейтронами. (Нобелевская премия 1938 г.) разница состоит в том, что в случае ускорения заряженных частиц высокая скорость позволяет им преодолеть барьер электростатического отталкивания. В случае же с нейтронами необходимо противоположное, так как существует притяжение между протоном и нейтроном, которое действует, однако, в пределах размеров ядра.
В ходе научных опытов Ферми, путем облучения замедленными нейтронами урана (м.238) был получен новый элемент с массовым числом 239 и зарядом 93, то есть произошло испускание электрона. Такой способ получения элемента был назван бета-распад.
Впоследствии, путем химических экспериментов Гана и Штрассмана, данный элемент был установлен как эквивалент барию (заряд 56).
Из работ Астона известно, что заряд нуклона в ядре урана составляет 7,6 МэВ. При заряде нуклонов элементов ~50 (напр. барий), энергия равна 8,5 МэВ. Тогда, энергия, высвобождающаяся при бета-распаде урана (235) составляет ΔE=(8,5-7,6) МэВ * 235 = 200 МэВ.
Таким образом, было не только доказан, но и посчитан тот колоссальный потенциал, который скрыт в тяжелых ядрах. Уран, будучи на тот момент последним элементом таблицы Менделеева, являлся наиболее подходящим элементом для получения огромного количества энергии в процессе распада. Поэтому он стал основным топливом для нового оружия.