6.1. Зарождение радиохимии

Открытие явления естественной радиоактивности (см. т. 2, глава 5, п. 5.2.5) породило новую отрасль химической науки. Это направление получило название радиохимии, или химии радиоактивных элементов. Пионерскими работами в этой области стали исследования А.А. Беккереля и супругов Пьера и Марии Кюри. Первая женщина-физик выбрала изучение вновь открытого явления в качестве темы своей будущей докторской диссертации (см. цв. иллюстрации к главе 6). В своих исследованиях М. Склодовская-Кюри применила оригинальную методику, основанную на использовании изобретенного ее супругом электрометра Кюри — очень чувствительного по тем временам прибора, предназначенного для измерения электрического заряда. При помощи этого устройства она обнаружила, что радиоактивное излучение, испускаемое соединениями урана, ионизирует окружающий воздух. В апреле 1898 г. французская исследовательница отправила в Парижскую академию доклад, в котором содержались убедительные доказательства радиоактивности тория. Однако приоритет этого открытия принадлежит Г.К. Шмидту, который опубликовал результаты своих исследований двумя месяцами ранее.

М. Кюри установила, что мощность излучения от 1 г смоляной урановой руды или 1 г торбернита соответственно в 4 или 2 раза выше, чем от такой же массы чистого урана. Данный факт привел ее к мысли о том, что в изученных минералах помимо урана содержатся другие радиоактивные элементы. В это время ее охватило страстное желание как можно скорее проверить свою гипотезу. Исследования, проведенные семейной парой, привели к открытию двух новых химических элементов: в июле 1898 г. была опубликована совместная статья о полонии, а 28 декабря того же года появилось сообщение о свойствах радия. Как известно, урановая смоляная руда (настуран) является минералом переменного состава, состоящим из нескольких соединений. Поэтому выделение его основных компонентов явилось весьма непростой задачей. Наименьшие трудности возникли при определении полония, поскольку по своим физико-химическим свойствам он оказался очень похож на висмут. Гораздо сложнее было получить радий. По свойствам этот металл очень близок к барию, а настуран содержит оба родственных элемента. За весь 1898 г. супругам Кюри удалось выделить всего лишь несколько миллиграммов соединений радия. Решение этой сложной задачи французская исследовательница осуществила посредством дробной кристаллизации, с успехом применяемой для разделения редкоземельных металлов. К 1902 г. из тонны настурана супруги Кюри смогли получить всего 0,1 г хлорида радия.

В 1903 г. под руководством А.А. Беккереля в Сорбонне М. Склодовская-Кюри защитила диссертацию на степень доктора наук. Чуть позднее Шведская королевская академия наук сочла заслуги А.А. Беккереля и супругов Кюри в области изучения радиоактивности достойными присуждения Нобелевской премии по физике.

Пьер и Мария Кюри в лаборатории. 1904 г.

Полученными денежными средствами П. и М. Кюри охотно делились со многими нуждающимися учеными и даже студентами. Нобелевская премия принесла супругам заслуженную мировую известность. П. Кюри назначили профессором Парижского университета и выделили отдельную лабораторию для проведения дальнейших экспериментов. Его жена стала в этой лаборатории руководителем всех научных программ.

После трагической смерти мужа в 1906 г. Мария Склодовская-Кюри унаследовала его кафедру в Парижском университете и возглавила научно-исследовательскую лабораторию. В историю Сорбонны она вошла как первая женщина-профессор, руководитель целого научного направления. Потеря любимого мужа привела к тому, что смыслом всей ее оставшейся жизни стало продолжение их совместно начатых экспериментов. Работая в очень напряженном режиме, к 1910 г. она в сотрудничестве с Андре Дебьерном смогла выделить чистый металлический радий. Таким образом, был завершен 12-летний цикл исследований, в результате которого было доказано, что радий является самостоятельным химическим элементом.

В 1911 г. Склодовская-Кюри получила Нобелевскую премию по химии «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Французская исследовательница стала первой женщиной, и на сегодняшний день единственной в мире, дважды лауреатом Нобелевской премии (см. цв. иллюстрации к главе 6).

Незадолго до начала первой мировой войны Парижский университет и Пастеровский институт учредили Радиевый институт для исследований радиоактивности. Склодовская-Кюри была назначена директором отделения фундаментальных исследований и медицинского применения радиоактивности. Сразу после начала активных боевых действий на фронтах Западной Европы М. Кюри стала закупать на личные средства, оставшиеся от Нобелевской премии, рентгеновские переносные аппараты для просвечивания раненых. Передвижные рентгеновские пункты, приводившиеся в действие динамо-машиной, присоединенной к автомобильному мотору, объезжали госпитали, помогая хирургам проводить операции. На фронте эти пункты прозвали «маленькими Кюри». Во время войны М. Кюри обучала военных медиков применению радиологии, например, обнаружению с помощью рентгеновских лучей шрапнели в теле раненого. В прифронтовой зоне самоотверженная женщина-ученый помогала создавать радиологические установки, снабжать пункты первой помощи переносными рентгеновскими аппаратами. Накопленный опыт она обобщила в монографии «Радиология и война» (1920 г.).

В последние годы своей жизни М. Кюри руководила Пастеровским институтом и лабораторией по изучению радиоактивности при Парижском университете. Она вела активную преподавательскую деятельность и занималась научной работой, направленной на применение радиологии в медицине. В 1921 г. вместе с дочерьми Склодовская-Кюри посетила США, чтобы принять в дар 1 г радия для продолжения опытов. В 1929 г. во время своего второго визита в США она получила пожертвование, на которое приобрела еще грамм радия для терапевтического использования в Радиевом институте Варшавы, основанном ее сестрой Брониславой в 1925 г.

Мария Склодовская-Кюри скончалась в 1934 г. от лейкемии. Она похоронена рядом с Пьером Кюри в парижском Пантеоне (см. цв. иллюстрации к главе 6). Ее смерть является трагическим уроком. Работая с радиоактивными веществами, она не предпринимала никаких мер предосторожности и даже хранила в письменном столе ампулу с радием, иногда любуясь в темноте ее зеленовато-голубым свечением. В то время еще не знали досконально о тех губительных последствиях, которые влечет за собой воздействие радиоактивного облучения на человеческий организм.

Научная и социальная значимость деятельности супругов Кюри чрезвычайно велика. Под влиянием результатов их исследований менялось мировоззрение людей XX столетия. Профессор Л. Р. Уильямс писал: «Результаты работ супругов Кюри были поистине эпохальными. Радиоактивность открытого ими радия была настолько велика, что ее нельзя игнорировать. Поначалу казалось, что новые факты противоречат принципу сохранения энергии, а потому фундаментальные положения физики нуждаются в переоценке. На экспериментальном уровне ученые, например, Эрнест Резерфорд, получили в свое распоряжение источники радиоактивного излучения, с помощью которых стало возможным изучить сложное строение атома. В результате опытов Резерфорда с a-излучением было обнаружено существование атомного ядра. В медицине радиоактивность радия позволила разработать средства, пригодные для эффективной борьбы с раковыми заболеваниями».

Для последующих поколений жизнь М. Склодовской-Кюри навсегда останется незабываемым примером беззаветного, бескорыстного и самоотверженного служения науке. А. Эйнштейн писал о выдающейся французской исследовательнице: «Среди многих награжденных (Нобелевской премией — прим, авторов), Мария Кюри едва ли не единственный ученый, кого всемирная слава абсолютно не испортила».

 

6.2. Период полураспада

Острый интерес к изучению внутреннего строения атома (см. т. 2, глава 5, пп. 5.2–5.3) привел к новому пониманию проблемы естественной радиоактивности. Однако такое понимание не только не устранило имеющиеся проблемы в изучении этого явления, но и привело к появлению целого ряда острых вопросов.

Еще в 1900 г. У. Крукс (см. т. 2, глава 5, п. 5.2.1) обнаружил, что с течением времени сравнительно слабое излучение соединений урана не только не исчезает, а наоборот, усиливается. В 1902 г., принимая во внимание наблюдения У. Крукса, Э. Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди высказали предположение, что при радиоактивном распаде урана, сопровождающемся испусканием α-частицы, происходит образование атома другого элемента, который характеризуется более интенсивной радиоактивностью.

Как было установлено позднее, атом урана, обозначенный UI (впоследствии выяснилось, что это изотоп 238U), в результате последовательных процессов расщепления порождает целую серию радиоактивных элементов, названную радиоактивным рядом. Среди элементов первого ряда UI были обнаружены радий Ra и полоний Po, а заканчивался ряд свинцом, который не является радиоактивным элементом. Именно система последовательных процессов распада ядер служит причиной того, что такие редкие радиоактивные элементы, как Ra, Po и другие можно отыскать в урановых минералах. Было установлено, что родоначальником второго радиоактивного ряда также является атом урана, названный актиноураном AcU (по современным данным, это изотоп 235U). Для третьего подобного ряда начало всех превращений соответствовало атому тория 232Th.

Ученых беспокоил вопрос, почему в условиях непрекращающегося радиоактивного распада элементы все-таки продолжают существовать? Ответ на этот вопрос в 1903 г. дали Э. Резерфорд и Ф. Содди. Они изучали скорость радиоактивного распада радия и тория, фиксируя число α-частиц, испускаемых данной массой радиоактивного элемента за определенный промежуток времени. Регистрацию α-частиц Резерфорд проводил при помощи сцинтилляционного счетчика [41]Сцинтилляционный счетчик (детектор) — прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на возбуждении заряженными частицами в ряде веществ световых вспышек (сцинтилляций), которые регистрируются фотоэлектронными умножителями. Сцинтилляционные детекторы обладают высокой эффективностью и быстродействием при регистрации нейтронов и γ-квантов. Прим. авторов.
.

Поскольку рождение каждой новой α-частицы соответствовало распаду одного атома радия или тория, ученые могли точно определять, сколько атомов каждого радиоактивного элемента расщепляется в тот или иной промежуток времени.

В 1903 г. Ф. Содди и Э. Резерфорд экспериментальным путем обнаружили закон радиоактивного распада, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. За это открытие ученые впоследствии были награждены Нобелевской премией.

Новый закон ученые сформулировали следующим образом:

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

Фредерик Содди (1877–1956)

Радиоактивный ряд урана-238

C помощью теоремы Бернулли ученые сделали вывод о том, что скорость превращения все время пропорциональна количеству систем, которые еще не подверглись превращению {483} . Поскольку скорость радиоактивного распада пропорциональна исходному числу ядер, количественно этот процесс можно описать при помощи уравнения:

Nt =N 0 e –λt , (6.1)

где N0 — первоначальное число радионуклидов; N t — число ядер, сохранившихся к моменту времени t; λ — постоянная радиоактивного распада, равна доле ядер, распадающихся в единицу времени.

Зная точную массу и число атомов радиоактивного элемента, английские физики рассчитали время, необходимое для распада половины имеющегося количества радиоактивного элемента. Этот период времени, обозначаемый T½, Э. Резерфорд назвал периодом полураспада.

Период полураспада T½ связан с постоянной распада λ соотношением:

T ½ = ln2/λ = 0,693λ. (6.2)

Зависимость количества распадающихся ядер от времени

Уравнение (6.2) показывает, что для каждого конкретного вида ядер период полураспада T½ является постоянной величиной (таблица 6.1). Из этой таблицы видно, что период полураспада 238U составляет 4,5x109 лет, а для атома 234U — 2,48x105 лет. Торий 232Th распадается медленнее — T½ для него составляет 1,39х1010 лет. Поскольку распад урана является постоянным процессом, его можно использовать для определения возраста Земли. В 1907 г. американский химик Б.Б. Болтвуд предположил, что по содержанию свинца в природных месторождениях урана имеется возможность провести ориентировочный расчет возраста нашей планеты. Исходя из допущения, что весь свинец, содержащийся в урановых минералах, образовался в результате распада урана, ему удалось определить, что возраст твердой земной коры исчисляется, по крайней мере, четырьмя миллиардами лет.

Таблица 6.1

Основные физические параметры радиоактивного распада некоторых изотопов

Продолжая изучать изменения радионуклидов, происходящие в результате их распада с выделением α-частиц, β-частиц (электронов) или γ-лучей, в 1913 г. Ф. Содди установил следующие закономерности, которые получили название правил радиоактивного смещения, или правил сдвига:

1. Если радионуклид испускает α-частицу (ядро атома гелия 42He), общий заряд его ядра уменьшается на две единицы, поэтому образующийся в результате такого распада элемент смещается в Периодической таблице на две клетки влево от исходного.

2. Если радионуклид излучает β-частицу (электрон), то происходит образование элемента с тем же массовым числом, но смещенного в Периодической таблице на одну клетку вправо.

3. В случае испускания нейтральных γ-лучей уменьшается только энергия атомного ядра, в то время как заряд ядра и, следовательно, природа элемента не изменяется.

К аналогичным выводам независимо от Ф. Содди пришел К. Фаянс (см. т. 2, глава 2, п. 2.2). Руководствуясь правилами Содди-Фаянса, химики смогли обстоятельно изучать процессы, происходящие в радиоактивных рядах. Научные интересы Фаянса были в значительной степени привязаны к изучению радиоактивных элементов. Существенный интерес он проявлял и к процессам выделения радиоактивных элементов из природных соединений. Вместе с австрийским ученым Ф.А. Панетом Фаянс сформулировал правило соосаждения радиоактивных элементов из растворов.

Российские ученые также внесли существенный вклад в изучение химии и технологии радиоактивных элементов. Основоположником школы российских радиохимиков следует считать академика В.Г. Хлопина. Он не только разработал технологию промышленного получения радия и редких элементов, но и руководил созданием первого в нашей стране радиевого завода, на котором были получены радиоактивные препараты, изготовленные из отечественного сырья. Занимаясь усовершенствованием технологии разделения радиоактивных элементов, в 1924 г. В.Г. Хлопин открыл закон распределения микрокомпонентов между кристаллами и насыщенным раствором, названный его именем. В соответствии с этим законом происходит, например, распределение радиоактивных микрокомпонентов при их соосаждении с изоморфным носителем. Ученые под руководством академика Хлопина изучали процессы миграции радиоактивных элементов в земной коре. Исследования В.Г. Хлопина практически всегда соединяли в себе фундаментальные и прикладные аспекты радиохимии. Ему принадлежит не только каноническая формулировка закона разделения радиоактивных веществ посредством изоморфной кристаллизации, но и разработка технологии промышленного получения плутония из природного урана.

Виталий Григорьевич Хлопин (1890–1950)

 

6.3. Изотопы

В процессе изучения радиоактивных элементов ученые столкнулись с достаточно серьезной проблемой: как идентифицировать многочисленные продукты распада урана и тория. Было установлено, что многие продукты радиоактивных превращений, даже обладая одним и тем же зарядом ядра, различаются по своим свойствам, в частности, величиной периода полураспада. Например, природный торий обладает периодом полураспада ≈ 14 миллиардов лет, в то время как для тория, полученного при распаде урана, T½ измеряется всего 24 сутками.

Подобные расхождения в свойствах наблюдались и для нерадиоактивных элементов. Было установлено, что свинец, образующийся при распаде урана, по атомной массе отличается от обычного свинца. Ф. Содди выдвинул достаточно смелое предположение, что одному и тому же положению в Периодической таблице Д.И. Менделеева может соответствовать более одной разновидности атомов. Например, клетку с номером 90 могут занимать различные виды атомов тория, а место с номером 82 — несколько разновидностей атомов свинца. Эти разновидности атомов одного и того же элемента, занимающие одно и то же место в Периодической таблице, английский химик назвал изотопами (от греческого τοπος — место).

Все изотопы одного и того же элемента, отличаясь между собой по атомной массе, образуют плеяду и обладают одинаковыми важнейшими химическими свойствами, поскольку эти свойства зависят, прежде всего, от числа электронов и характера расположения их на энергетических уровнях и подуровнях.

Одним из первых к выводу о химической идентичности изотопов одного и того же элемента пришел венгерский радиохимик Дьердь Хевеши {486} .

Дьердь де Хевеши (1885–1966) 

Для объяснения причин различия в радиоактивных свойствах и атомных массах ученые вновь вспомнили знаменитую в свое время гипотезу Праута (см. т. 1, глава 8, п. 8.11). Согласно этой гипотезе, все атомы различных элементов составлены из того или иного количества атомов водорода, следовательно, элементы должны иметь целочисленные значения атомных масс, кратных массе атома водорода. В свое время именно нецелочисленные значения атомных масс элементов послужили основным аргументом противникам гипотезы Праута. Новые представления о строении атома, утверждающие, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, вызвали повторный интерес к почти забытой гипотезе. Поскольку массы протонов и нейтронов приблизительно равны, массы всех атомов должны быть кратными массе атома водорода, ядро которого состоит из одного протона.

Изучая при помощи фотопластинок характер отклонения потока положительно заряженных ионов неона под действием магнитного поля, в 1912 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил, что на пластине образуются два засвеченных пятна. При этом интенсивность засветки этих пятен различалась примерно в десять раз. Опыты Томсона указывали, что в потоке существуют две разновидности ионов неона: у одной из них массовое число равно 20, а у другой — 22. При этом содержание более легкого изотопа 20Ne в десять раз больше, чем 22Ne. Позднее было установлено существование незначительного количества изотопа 21Ne.

20 10 Ne = 10 1 1 p + 10 1 0 n, (6.3)

21 10 Ne = 10 1 1 p + 11 1 0 n, (6.4)

22 10 Ne = 10 1 1 p + 12 1 0 n, (6.5)

Например, как видно из соотношения (6.5), в ядре изотопа неона 2210Ne содержится десять протонов 11p и двенадцать нейтронов 10n.

Метод Томсона был усовершенствован его ближайшим сотрудником Ф.У. Астоном. В 1919 г. английский ученый создал прибор масс-спектрограф, который позволял разделять по массам пучки химически подобных ионов. Астон подтвердил наличие изотопов не только у неона, но и у целого ряда других элементов, в частности, у хлора и ртути.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона и Ф.У. Астона способствовали победе представлений о том, что масса отдельно взятого атома любого элемента является целочисленной. При этом величина относительной атомной массы A r должна рассчитываться как средняя величина с учетом природного изотопного состава элемента и поэтому зачастую может и не быть целым числом. Например, с учетом существования изотопов 20Ne, 21Ne и 22Ne значение Ar(Ne) = 20,179.

Использование масс-спектроскопии позволило измерять массы отдельных изотопов и определять их содержание в природе. На основании таких экспериментальных данных стал возможным более точный расчет относительных масс элементов. Полученные данные об изотопном составе позволили объяснить, почему масса элемента с меньшим зарядом ядра может оказаться больше, чем у элемента с последующим порядковым номером. Как было установлено, наибольшая распространенность в природе двух самых тяжелых изотопов теллура 126Te и 128Te является причиной того, что Ar(Te) = 127,60 оказывается больше A r (I), имеющего один единственный изотоп 127I. Здесь уместно еще раз подчеркнуть гениальное предвидение Д.И. Менделеева, разместившего в Периодической таблице теллур перед иодом, нарушая тем самым последовательность возрастания атомных масс элементов. Еще не зная этого, Д.И. Менделеев руководствовался последовательностью изменения заряда ядер, т. е. самой физической сущностью Периодического закона.

В 1931 г. американский химик Г.К. Юри экспериментально подтвердил теоретические предположения о том, что водород — простейший из элементов — также может иметь изотопы. Пытаясь обнаружить более тяжелый изотоп водорода, Г.К. Юри занимался медленным выпариванием жидкого H2. При анализе последнего миллилитра жидкого водорода американский ученый обнаружил явные признаки присутствия более тяжелых молекул, в ядрах атомов которых помимо одного протона содержится еще один нейтрон. Этот изотоп водорода получил название дейтерий 21D.

В 1929 г. американский химик У.Ф. Джиок доказал, что в природе кислород также встречается в виде трех изотопов: 168O, 178O и 188O. Как оказалось, среди них наиболее распространенным является изотоп 168O, его доля составляет примерно 99,8% всех атомов. В ядре 168O находится 8 протонов и 8 нейтронов. Существование трех изотопов у кислорода создало определенные трудности при определении шкалы для относительных атомных масс других элементов. Физики начали рассчитывать атомные массы элементов исходя из атомной массы изотопа 168O, которую приняли равной 16,0000. В результате был получен ряд значений физической шкалы атомных масс, на очень небольшую величину отличавшихся от атомных масс, которые на протяжении всего XIX в. постоянно уточняли ученые-химики.

Чтобы устранить возникшие неудобства в расчетах, в 1961 г. международные организации физиков и химиков согласились считать эталонной атомную массу изотопа углерода 126С, приняв ее равной 12,0000. Переход к углеродной шкале в расчетах относительных атомных масс оказался удобным не только благодаря универсальности физических и химических расчетов, но и благодаря тому, что этот стандарт связан только с одним изотопом, а не с целой плеядой.

 

6.4. Радиоактивные превращения

После того, как стало известно, что ядра атомов состоят из определенного числа протонов и нейтронов, ученые стали изучать возможность осуществления их перестройки при помощи ядерных реакций. Принимая во внимание, что протоны и нейтроны в атомном ядре связаны между собой гораздо прочнее, чем атомы в молекуле, исследователи стремились разработать новые экспериментальные методы.

Основу этих методов составляла бомбардировка атомов частицами с высокой энергией, например, α-частицами различного происхождения, протонами и нейтронами. Способность α-частиц вызывать расщепление ядер стала очевидной уже в 1907 г. после опытов Рамзая и Камерона, изучавших радиолиз воды и некоторых газов при действии излучения радия даже при комнатной температуре.

Первыми систематическими исследованиями в этом направлении можно считать эксперименты Э. Резерфорда (см. т. 2, глава 5, п. 5.2), связанные с бомбардировкой различных элементов (с атомными номерами от 5 до 19) потоком альфα-частиц. Ему удалось обнаружить, что каждое попадание α-частицы в цель сопровождается нарушением структуры ядра изучаемого атома.

На основании проведенных исследований в 1919 г. великий английский физик смог доказать, что α-частицы могут выбивать протоны из ядер атомов азота и встраиваться в нарушенную структуру ядра. Таким образом, Резерфорд впервые осуществил искусственную ядерную реакцию:

14 7 N + 4 2 Не → 17 8 O + 1 1 p. (6.6)

Лишь в первой четверти XX в. британскому физику удалось воплотить в жизнь заветную мечту средневековых алхимиков: преобразовав один элемент в другой, он осуществил процесс трансмутации. В течение нескольких лет Э. Резерфорд провел серию других ядерных реакций с использованием потоков α-частиц, образующихся при естественном распаде тяжелых радиоактивных элементов. Однако такие α-частицы обладали сравнительно невысокой энергией, поэтому возможности по превращению одних элементов в другие в этот момент были весьма ограниченными.

Чтобы расширить экспериментальные возможности, физики принялись за разработку устройств, способных генерировать частицы с высокими энергиями. Наиболее плодотворной оказалась идея заставить заряженные частицы двигаться с ускорением в электромагнитном поле и тем самым существенным образом повысить их кинетическую энергию. Первыми к успешному техническому решению этой проблемы пришли английский физик Дж. Д. Кокрофт и его ближайший сотрудник ирландец по происхождению Э.Т. С. Уолтон. Они создали первый в мире генератор ускоренных протонов (каскадный генератор), с помощью которого в 1932 г. осуществили бомбардировку атомов лития и получили ядра атомов гелия (α-частицы):

7 3 Li + 1 1 p → 4 2 He + 4 2 Не. (6.7)

В ускорителе Кокрофта-Уолтона частицы перемещались по прямолинейной траектории. Поэтому для того, чтобы получить поток протонов с высокой энергией, требовалась очень громоздкая аппаратура. В тридцатые годы XX в. американский физик Э.О. Лоуренс предложил и разработал установку, в которой частицы ускорялись, двигаясь по циклоиде. Этот относительно компактный ускоритель получил название циклотрона и позволял генерировать частицы с очень высокой энергией.

Ядерная реакция. Изображение получено в камере Вильсона 

Цикл радиоактивных превращений: углерод — азот — кислород

Примерно в это же время английский физик Поль Дирак, решая свое знаменитое уравнение, теоретически обосновал существование античастиц, в частности, позитрона (см. т. 2, глава 5, п. 5.4). Как уже говорилось ранее, в 1932 г. позитрон был обнаружен американским физиком К.Д. Андерсоном во время исследования космических лучей. Однако обнаружить антипротон не удавалось еще в течение четверти столетия. Поскольку масса антипротона практически в 1836 раз больше массы позитрона, то и для его образования требуется гораздо больше энергии. Получить эту античастицу посчастливилось американским физикам Э. Сегре и О. Чемберлену лишь в 1955 г. при использовании сверхмощных ускорителей.

Позднее была установлена возможность существования частиц антивещества, специфических атомов с отрицательно заряженными ядрами, состоящими из антипротонов, вокруг которых вращаются положительно заряженные позитроны. Очевидно, что в условиях нашей планеты время жизни частиц антивещества чрезвычайно мало, поскольку при контакте вещества с антивеществом они аннигилируют, высвобождая огромное количество энергии.

 

6.5. Искусственная радиоактивность

В результате первых экспериментов по осуществлению искусственных ядерных реакций были синтезированы уже известные, встречающиеся в природе изотопы.

Впервые нейтронно-протонные комбинации нового типа, неизвестные ранее в составе природных соединений, были получены в 1934 г. французскими физиками супругами Фредериком Жолио-Кюри и Ирэн Жолио-Кюри.

Изучая последствия бомбардировки пластин алюминия потоком α-частиц, супруги Жолио-Кюри установили, что после прекращения бомбардировки сам металлический образец становится радиоактивным. Детальные исследования облученной алюминиевой пластины привели к открытию двух неизвестных ранее изотопов. Ими оказались: 2713Al, содержащий 13 протонов и 14 нейтронов, а также 3015P, содержащий 15 протонов и 15 нейтронов. В природе встречается только один изотоп фосфора — 3115P, ядро которого состоит из 15 протонов и 16 нейтронов. Следовательно, в результате проведенных экспериментов супруги Жолио-Кюри получили искусственный изотоп фосфора. Чуть позднее была установлена и причина того, почему изотоп 3015P не входит в состав природных соединений — период его полураспада составлял всего 14 дней. Излучение именно этого изотопа наблюдали супруги Жолио-Кюри после прекращения бомбардировки алюминиевой пластины.

Таким образом, Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри вошли в историю науки как первооткрыватели нового явления — искусственной радиоактивности.

Почти одновременно с французскими учеными итальянский физик Энрико Ферми сообщил о результатах своих исследований, полученных в результате бомбардировки атомов медленными нейтронами. Он установил, что в результате захвата нейтрона ядром атома какого-либо элемента могут наблюдаться различные явления: испускание α-частиц, излучение электронов (β-частиц) или же выделение частиц не происходит. В последнем случае образуется изотоп исходного элемента, массовое число которого на единицу больше изначального атома.

Фредерик Жолио-Кюри (1900–1958)

Ирэн Жолио-Кюри (1897–1956) 

К концу XX в. было синтезировано свыше тысячи радиоактивных искусственных изотопов, не встречающихся в обычных условиях. Практически для каждого элемента были получены один или несколько радиоактивных изотопов, которые было нельзя отыскать среди природных соединений. Даже для водорода был синтезирован один радиоактивный изотоп — тритий 31T с периодом полураспада около 12 лет.

В 1940 г. американский химик М.Д. Камен открыл необычный радиоактивный изотоп углерода 146C. Было установлено, что некоторое количество таких частиц образуется в атмосфере в результате взаимодействия атомов азота с космическими лучами. Следовательно, все живые существа содержат в своих тканях определенную долю этого изотопа. Американский химик У.Ф. Либби предложил определять возраст археологических находок, исходя из содержания в них атомов 146C. В данном случае химия пришла на помощь историкам и археологам, предложив для них достаточно точный и надежный инструмент исследований — радиоуглеродный метод датирования.

Использование радиоактивных изотопов расширило исследовательские возможности не только ученых-историков. Еще в 1913 г. Ф.А. Панет совместно с Д. Хевеши предложили использовать в химии метод радиоактивных индикаторов, или меченых атомов. Однако в наиболее полной мере возможности этого нового экспериментального метода выявились после открытия искусственных радиоактивных изотопов. В 1934 г. Д. Хевеши стал использовать радиоактивные изотопы для исследования биохимических процессов. Очень важных результатов при изучении механизмов химических и биохимических реакций с помощью метода меченых атомов достиг американский ученый Рудольф Шонхеймер. Применив изотопы 21D и 157N, 3215P, Шонхеймер осуществил весьма важные исследования процессов образования и расщепления жиров и белков.

После Второй мировой войны в связи с развитием ядерной энергетики получение редких стабильных изотопов приобрело промышленные масштабы. В качестве меченых атомов стали использовать такие изотопы, как 21D, 188O и 146C. Примером очень тщательного изучения механизмов реакций, проходящих в живых организмах, стали работы американского биохимика Мелвина Келвина. В 50-х годах XX в. он применил изотоп 146C для изучения механизма реакций фотосинтеза. Эти эксперименты были проделаны с такой обстоятельностью и привели к таким поразительно точным результатам, получение которых еще в тридцатые годы XX столетия — начале эры биохимических исследований — казалось просто недостижимым.

Применение новых методов синтеза атомных ядер далее привело ученых к созданию искусственных элементов. В 1937 г. изобретатель первого циклотрона Э.О. Лоуренс осуществил бомбардировку молибдена (порядковый номер Z = 42) ядрами дейтерия. В этих исследованиях Лоуренсу помогал Э. Сегре. Тщательно изучив представленный Лоуренсом облученный образец молибдена, Сегре обнаружил в нем присутствие следов нового радиоактивного элемента — как впоследствии выяснилось, с порядковым номером 43. К этому времени элемент с таким номером еще не был открыт среди природных соединений, поэтому ему дали имя технеций Tc (от греческого — искусственный). Синтез этого элемента позволил заполнить один из немногих пробелов, существующих в то время в Периодической таблице.

Со временем были заполнены и другие пустые клетки в таблице Д.И. Менделеева. В 1939–1940-х гг. были открыты франций Fr (порядковый номер Z= 87) и астат At (порядковый номер Z = 85). Спустя семь лет ученые сообщили об открытии элемента с номером 61, который получил название прометий.

Вновь открытые элементы оказались радиоактивными. Все они образуются в процессе распада урана в очень незначительных количествах, поэтому обнаружить их среди природных веществ было крайне трудно. Эти элементы обладали поистине уникальными свойствами. Среди естественных природных элементов с порядковым номером меньше 92 они являются своего рода исключениями, поскольку вообще не имеют стабильных изотопов.

 

6.6. Синтез трансурановых элементов

Как уже сообщалось, Э. Ферми первым стал обстоятельно изучать возможности синтеза новых атомных ядер при помощи бомбардировки мишеней потоком нейтронов. Эта методика имела неоспоримое преимущество по сравнению с бомбардировкой протонами, альфα-частицами или ядрами дейтерия, поскольку эти положительно заряженные частицы испытывают отталкивание со стороны ядер облучаемых атомов. Создав поток нейтронов в нужном направлении, можно добиться более высокой эффективности их столкновений с ядрами атомов мишени.

Э. Ферми обнаружил, что пучок нейтронов инициирует ядерные реакции особенно эффективно, если он является замедленным, т. е. предварительно пропускается через воду или парафин. В результате нейтроны в некоторой степени теряют свою первоначальную энергию, что приводит к увеличению вероятности поглощения таких тепловых нейтронов ядрами атомов мишени.

К 1934 г., когда Э. Ферми начал проводить свои эксперименты с тепловыми нейтронами, уран был последним из известных элементов в Периодической таблице. Поэтому занимаясь бомбардировкой урана нейтронами, итальянский ученый, прежде всего, хотел узнать, возможно ли получение элементов с большим порядковым номером, т. е. трансурановых элементов. Анализируя результаты своих исследований, которые были весьма запутанными, Э. Ферми не мог однозначно утверждать, что ему удалось синтезировать элемент с порядковым номером 93. Лишь в 1940 г. американский физик Э.М. Макмиллан и его коллега химик Ф. X. Эйблсон, продублировав эксперименты Э. Ферми, действительно обнаружили новый элемент с порядковым номером 93, который они назвали нептунием Np. Как оказалось, период полураспада даже наиболее стабильного изотопа 23792Np составляет немногим более двух миллионов лет, поэтому весь нептуний, содержавшийся когда-то в земной коре, мог к середине XX в. практически полностью распасться.

Энрико Ферми (1901–1954) 

Спустя год Э.М. Макмиллан вместе с американским физиком Г.Т. Сиборгом получили и идентифицировали плутоний — элемент с порядковым номером 94. Группа ученых Калифорнийского университета (Беркли) под руководством Г. Сиборга на протяжении нескольких лет синтезировала последующие элементы с порядковыми номерами Z = 95–100. При выполнении этих исследований были установлены следующие закономерности: получение каждого последующего элемента становилось все более трудным, уменьшалось количество выделяемого нового элемента, а также резко уменьшался период его полураспада. Несмотря на это к настоящему времени синтезированы все элементы вплоть до порядкового номера 111. Сотрудники Г. Сиборга установили, что по своим химическим свойствам элементы с номерами 95–103 очень похожи друг на друга и принадлежат к семейству актинидов, которое завершается лоуренсием 256103Lr. Химические свойства новых элементов, начиная с номера 104, должны отличаться от предыдущих.

Приоритет в открытии лоуренсия оспаривался учеными СССР и США. Этот элемент был получен впервые на ускорителе в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ — наукоград Дубна) в 1961–1965 г. группой советских физиков-ядерщиков под руководством академика Г.Н. Флёрова и независимо от них в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США). В последующие годы учеными из ОИЯИ были синтезированы элементы с порядковыми номерами 104 и 105, которые получили название резерфордий 261104Rf и дубний (268)105Db соответственно.

Глен Теодор Сиборг (1912–1999) 

Георгий Николаевич Флёров (1913–1990)

 

6.7. Создание ядерного оружия

Среди ученых, занимавшихся изучением результатов облучения урана потоком нейтронов, были Отто Ган и Лизе Мейтнер, которые двадцатью годами ранее открыли протактиний. Ожидая получить среди продуктов реакции радиоактивные изотопы радия, О. Ган и Л. Мейтнер попробовали получить их соли, чтобы впоследствии осадить вместе со сходными по химическим свойствам солями бария. Однако тщательный анализ выделенных солей показал, что, оставаясь радиоактивными, они, тем не менее, не содержат изотопов радия.

Отто Ган (1879–1968) 

Примерно в 1938 г. О. Ган предположил, что осажденные соли могут содержать радиоактивные изотопы самого бария, образовавшиеся в результате бомбардировки урана. Такие радиоактивные атомы было практически невозможно отделить от обычного бария химическими методами. Поскольку все известные к тому времени ядерные реакции приводили к изменению порядковых номеров элементов на одну или две единицы, О. Ган сомневался в истинности получения радиоактивных изотопов бария. Переход от урана к барию означал, что порядковый номер элемента уменьшился на 36 единиц. Следовательно, можно было предположить, что произошло деление ядра урана на приблизительно равные части. О. Ган не решался обсуждать публично факт расщепления ядра атома урана.

В этот момент, как это часто можно проследить в истории науки, направление научных исследований претерпело сильное изменение под влиянием политической ситуации в мире. Европа стояла на пороге Второй мировой войны. В 1938 г. фашистская Германия осуществила аншлюс — насильственное присоединение Австрии к Третьему рейху. Лизе Мейтнер имела австрийское гражданство и была вынуждена эмигрировать в Швецию. Здесь она опубликовала теорию О. Гана о том, что ядра атомов урана расщепляются при бомбардировке.

Лизе Мейтнер (1878–1968) 

Эта статья имела большой резонанс, поскольку ученые поняли, к каким трагическим последствиям может привести открытие этого явления. Если атом урана делится на два меньших атома, суммарное количество нейтронов в которых меньше, чем у исходного урана, то эти избыточные нейтроны должны излучаться, что в свою очередь вызовет расщепление других ядер урана. Число нейтронов и расщепляющихся ядер урана будет стремительно нарастать со временем. В результате произойдет цепная ядерная реакция, подобная обычной химической реакции, например, между хлором и водородом. Однако в результате ядерных реакций происходит выделение несоизмеримо большего количества энергии, чем при химических превращениях. Физики все мира осознавали, что последствия открытая цепной ядерной реакции могут быть чрезвычайно опасными для человечества.

Правительство США и руководство нацистской Германии, понимая, какая смертоносная энергия может быть высвобождена в результате цепной реакции, отдали приказ своим ученым приступить к созданию ядерного оружия. Научно-промышленная программа США по созданию первой атомной бомбы в 1942–1945 гг. получила кодовое название «Манхэттенский проект». Проект получил свое название от округа Манхэттен, где находится Колумбийский университет, к числу сотрудников которого принадлежали многие участники этой программы. Всей работой ученых и инженеров руководили физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гроувс. Были привлечены беспрецедентно огромные научные силы, промышленные, материальные и финансовые ресурсы (первоначально проект оценивался в 6 тыс. долларов, а реально на него было затрачено 2 млрд. долларов). Основные работы и испытания шли в г. Ок-Ридже (шт. Теннеси) и г. Лос-Аламосе (шт. Нью-Мексико).

При выполнении проекта «Манхэттен» трудностей оказалось намного больше, чем предполагалось в самом начале. Прежде всего, выяснилось, что осуществление цепной ядерной реакции возможно лишь при достижении достаточно большой так называемой критической массы. Такого количества урана еще просто не было, поскольку до 1940 г. как таковой уран не использовался в промышленных масштабах. Второй по важности была задача разработать эффективный способ замедления нейтронов, чтобы повысить вероятность их поглощения ураном. В качестве таких замедлителей стали использовать графитовые блоки или тяжелую воду D2O, в которой обычный атом водорода замещен дейтерием.

Роберт Оппенгеймер (1904–1967)

Схема стадий процесса деления атомного ядра: а — попадание нейтрона в ядро; б — зарождение осколков деления; в — исчезновении перетяжки между осколками; г — осколки разлетаются в разные стороны с выделением энергии 

Еще одна проблема возникла вследствие того, что не каждый атом урана, поглотивший нейтрон, подвергался ядерному расщеплению. Деление ядер наблюдалось только у изотопов 23592U, содержание которых очень мало в природных соединениях урана. Поэтому чрезвычайно остро встала необходимость создания промышленной технологии разделения и накопления изотопа 23592U. Ученые установили, что в этих целях лучше всего использовать гексафторид урана, поскольку это соединение, образованное разными изотопами, отличалось температурой кипения. Другими словами, для разделения изотопов 23592U и 23892U можно было использовать простую перегонку. После открытия плутония, который, как выяснилось, также подвергается ядерному расщеплению, было налажено его промышленное производство.

В работах по созданию атомной бомбы очень важную роль сыграл Э. Ферми, который в 1938 г. покинул Италию и эмигрировал в США. В начале декабря 1942 г. первый в мире атомный реактор, работавший на уране, оксиде урана и графите, был приведен в рабочее «критическое состояние». В нем постоянно могла поддерживаться цепная ядерная реакция, в результате которой выделялась огромная по тем временам энергия.

К 1945 г. были изготовлены устройства, принцип действия которых был основан на сближении двух порций урана 23592U в результате взрыва небольшого тротилового заряда. В результате соединения этих двух порций общая масса урана превышала критическую, вследствие чего спонтанно начиналась неуправляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся взрывом неведомой к тому времени силы.

Испытание первой атомной бомбы (или правильнее — бомбы расщепления) было произведено 16 июля 1945 г. на пустынном полигоне в Аламогордо (шт. Нью-Мексико). В конце 2-й мировой войны в США были созданы еще две авиационные бомбы с ядерным зарядом. По приказу президента США Г. Трумэна летчики американских ВВС сбросили эти бомбы с тротиловым эквивалентом по 20 тыс. тонн каждая на японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа 1945 г.). Взрывы атомных бомб вызвали большие разрушения в этих городах и огромные жертвы среди мирного гражданского населения. В Хиросиме было убито и ранено более 140 тыс. жителей, а в Нагасаки около 75 тыс. человек. В дальнейшем несколько сотен тысяч японцев умерло в результате лучевой болезни, вызванной последствиями атомной бомбардировки. Применение атомного оружия против мирного населения не было вызвано военной необходимостью, поскольку японская армия терпела поражения на всех фронтах и ее капитуляция была предрешена. Американские правящие круги, спекулируя на временной монополии США в области ядерного оружия, пытались использовать его для устрашения других стран и народов, прежде всего — СССР.

Во время Второй мировой войны руководство Советского Союза из секретных источников регулярно получало разведывательную информацию о состоянии исследований по ядерным проектам в фашистской Германии и Соединенных Штатах. Необходимо подчеркнуть, что эксперименты в области ядерной физики советские ученые вели еще с 30-х гг. XX столетия. В 1940 г. сотрудники Ленинградского физико-технического института Г.Н. Флёров и К.А. Петржак открыли новый тип радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана. Летом 1942 г. молодой офицер Флёров написал с фронта письмо И.В. Сталину, в котором объяснил, почему необходимо заниматься ядерной бомбой и спрогнозировал основные направления технологии ее изготовления.

Осознавая нарастающую угрозу ядерной войны, правительство СССР организовало группу выдающихся инженеров и ученых-физиков, работу которой по созданию собственного атомного оружия возглавил академик Игорь Васильевич Курчатов. В то трудное военное время советские ученые-атомщики и инженеры

самоотверженно отдавали себя работе, прекрасно понимая, что от результатов их коллективного труда зависит итог кровопролитной Второй мировой войны.

В 1943 г. был основан Институт атомной энергии, первым директором которого стал И.В. Курчатов. Усилия советских специалистов не пропали зря: монополия США на ядерное оружие оказалась недолгой. В 1946 г. под руководством И.В. Курчатова был создан первый в Европе ядерный реактор. Уже в 1947 г. атомные «секреты» американцев были полностью раскрыты советскими учеными, а в августе 1949 г. в СССР был произведен экспериментальный взрыв атомного устройства, что привело к полному краху попытки атомного шантажа со стороны правящих кругов США. Поистине героический труд советских ученых, инженеров и рабочих позволил предотвратить развязывание третьей мировой войны, в которую могли вылиться нарастающие противоречия между бывшими союзниками по антигитлеровской коалиции.

Заслуги этих специалистов перед Родиной были высоко оценены правительством Советского Союза. Например, И.В. Курчатов был четыре раза удостоен Государственной премии СССР (1942, 1949, 1951 и 1954 гг.) и трижды представлен к званию Героя социалистического труда. Его именем назван созданным им Институт атомной энергии и город в Курской области.

Игорь Васильевич Курчатов (1902-1960)

Творческий потенциал возглавляемой И.В. Курчатовым группы ученых и инженеров был очень высок. В своих исследованиях в начале 50-х годов советские ядерщики уже опережали американских коллег. Они установили, что выделением большого количества энергии сопровождается не только деление тяжелых ядер, но и объединение двух легких ядер в одно более тяжелое (термоядерный синтез). Колоссальное количество энергии выделяется, например, при соединении ядер водорода с образованием атома гелия. Однако для того, чтобы заставить объединиться атомы водорода, необходимо преодолеть заслон из электронных облаков, что само по себе требует больших энергетических затрат. Реакции термоядерного синтеза происходят в глубинах Солнца и других звезд.

Сразу после создания ядерной бомбы ученые США и СССР, которые к тому времени из союзников по борьбе с фашизмом превратились в соперничающие державы и находились в состоянии «холодной войны», сконцентрировали свои усилия на создании еще более разрушительного оружия — так называемой водородной, или термоядерной бомбы. В начале 50-х годов XX столетия ученые-ядерщики нашли источник энергии, необходимой для осуществления термоядерного синтеза. В качестве такого источника было решено использовать энергию ядерной бомбы, или бомбы расщепления.

Советские ученые и инженеры под руководством И.В. Курчатова в этой гонке сумели опередить своих американских коллег. В 1953 г. Советский Союз впервые в мире провел испытательный взрыв водородной бомбы. В США такие испытания были осуществлены лишь год спустя.

Итогом гонки ядерных вооружений двух держав стало создание оружия, разрушительный потенциал которого в тысячи раз больше, чем у первых ядерных бомб. Одна термоядерная бомба в состоянии разрушить самый крупный город мира. Если взорвать все имеющиеся сейчас термоядерные бомбы, то взрывная волна, пожары и радиоактивные осадки уничтожат все живое на Земле.

Еще на заре гонки ядерных вооружений многие ученые с мировыми именами выступали с категорическими предостережениями по поводу катастрофических последствий освобождения ядерного джинна. Наиболее известным среди них был А. Эйнштейн. В 1940 г. он подписал воззвание к президенту США, в котором говорилось об опасности создания ядерного оружия в Германии. Однако это письмо возымело обратное действие: оно стимулировало американские ядерные исследования. Против создания водородной бомбы в начале 50-х гг. XX столетия выступил один из руководителей ядерной программы «Манхэттен» Р. Оппенгеймер. В 1953 г. он был обвинен правительством США в «нелояльности» и отстранен от секретных работ.

Однако использовать энергию расщепления ядра или термоядерного синтеза можно не только с целью разрушения. Если процесс получения энергии поддерживать на постоянно безопасном уровне, расщепление ядра можно применять и в созидательных целях. Знания и опыт, приобретенные учеными и инженерами из группы И.В. Курчатова во время работы над ядерным проектом оборонной направленности, были сориентированы и на мирные цели. В 1954 г. в СССР, впервые в Европе, была построена атомная электростанция (АЭС), предназначенная для выработки электрической энергии. Начиная с 50–60-х гг. XX столетия по всему миру было построено много АЭС. К примеру, в настоящее время во Франции на долю АЭС приходится почти три четверти всей вырабатываемой электроэнергии.

Еще более радужные перспективы сулит возможность использования в мирных целях управляемого термоядерного синтеза (УТС). Поэтому одной из наиболее важных экспериментальных работ, проводимых в настоящее время, является попытка получения «горячей» плазмы с температурой в сотни миллионов градусов, чтобы осуществить управляемый процесс термоядерного синтеза. Укрощение процессов УТС позволит человечеству создать практически неиссякаемый источник энергии. В качестве исходного топлива вполне пригоден дейтерий, запасы которого практически на миллионы лет хранит мировой океан.

 

6.8. Краткие биографические данные ученых

СОДЦИ (Soddy) Фредерик (1877–1956), английский радиохимик, иностранный член-корреспондент АН СССР (1925 г.; с 1924 г. — иностранный член-корреспондент РАН). Разработал основы теории радиоактивного распада (1903 г., совместно с Э. Резерфордом). В 1913 г. ввел понятие об изотопах. Сформулировал правило радиоактивного смещения (1913 г., одновременно с К. Фаянсом). В 1915 г. экспериментально доказал образование радия из урана. Нобелевская премия (1921 г.).

БОЛТВУД (Boltwood) Бертрам Борден (1870–1927), американский физико-химик. Основные труды в области радиохимии. Доказал (1903 г.), что радий является продуктом распада урана. В 1905 г. установил, что в урановых минералах всегда содержится свинец и правильно предположил, что он может быть конечным продуктом радиоактивного распада урана. В 1907 г. предложил по количеству свинца в руде и по известной скорости распада урана определять возраст геологических пород. Открыл (1907 г.) ионий — природный радиоактивный изотоп тория.

ПАНЕТ (Paneth) Фридрих Адольф (1887–1958), немецкий химик. Первым исследовал абсолютный возраст метеоритов, разработав точный метод определения содержания в них гелия. Один из авторов т. н. правила Фаянса-Панета (1913 г.). В 1913 г. совместно с Д. Хевеши предложил метод изотопных индикаторов.

ХЛОПИН Виталий Григорьевич (1890–1950), российский радиохимик, основатель научной школы, академик АН СССР (1939 г.), Герой Социалистического Труда (1949 г.). Сын Г.В. Хлопина. Руководил созданием первого в СССР радиевого завода, получил (1921 г., совместно с др.) первые отечественные препараты радия. Труды по химии и геохимии радиоактивных элементов. Государственная премия СССР (1943, 1946, 1949 гг.).

ХЕВЕШИ (Hevesy) де, Дьердь (Георг) (1885–1966), венгерский радиохимик. C 1943 г. в Швеции. Совместно с Ф. Панетом предложил (1913 г.) метод изотопных индикаторов. Открыл (1923 г., совместно с нидерландским спектроскопистом Д. Костером) гафний. Нобелевская премия по химии (1943 г.).

АСТОН (Aston) Фрэнсис Уильям (1877–1945), английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (1921 г.), иностранный член-корреспондент АН СССР (1925 г.; иностранный член-корреспондент РАН с 1924 г.). Окончил Бирмингемский университет (1898 г.). Основные работы в области атомной и ядерной физики и радиохимии. Создал масс-спектрограф (1919 г.), с помощью которого доказал наличие изотопов у хлора и ртути. Открыл большое количество (212) стабильных изотопов и изучал их. Показал, что большинство стабильных элементов являются смесью изотопов. Предложил метод газовой диффузии (1913 г.) и электромагнитный метод (1919 г.) для разделения изотопов. Построил кривую упаковочных коэффициентов, характеризующих энергии связи атомных ядер (1927 г.). Открыл уран–238. Нобелевская премия по химии (1922 г.).

ЮРИ (Urey) Гарольд Клейтон (1893–1981), американский физик и физико-химик. Открыл дейтерий (1932 г.). Труды по химии и разделению изотопов; геои космохимии, астрофизике; проблемам возникновения жизни. Лауреат Нобелевской премии (1934 г.).

ДЖИОК (Гиок) (Giauque) Уильям Фрэнсис (1895–1982), американский физико-химик. Труды по изучению термодинамических свойств веществ при низких температурах. Разработал (1927 г.) метод адиабатического размагничивания для получения температур ниже 1 К. Нобелевская премия (1949 г.).

КОКРОФТ (Cockcroft) Джон Дуглас (1897–1967), английский физик. Создал (1932 г., совместно с Э. Уолтоном) первый ускоритель протонов (каскадный генератор) и осуществил ядерную реакцию с искусственно ускоренными протонами. В 1939–1944 гг. руководил разработкой английского радара. В 1946–1958 гг. директор научно-исследовательского центра по атомной энергии в Харуэлле. Нобелевская премия (1951 г., совместно с Уолтоном).

УОЛТОН (Walton) Эрнест Томас Синтон (1903–1995), ирландский физик. Создал (1932 г., совместно с Дж. Кокрофтом) первый ускоритель протонов (каскадный генератор) и осуществил первую ядерную реакцию с искусственно ускоренными протонами. Нобелевская премия (1951 г., совместно с Дж. Кокрофтом).

ЛОУРЕНС (Lawrence) Эрнест Орландо (1901–1958), американский физик, иностранный почетный член АН СССР (1942 г.). В 1930 г. выдвинул идею и построил первый циклотрон. Труды по ядерной физике и ее применению в биологии и медицине. Участник создания атомной бомбы. Нобелевская премия (1939 г.).

СЕГРЕ (Segre) Эмилио Джино (1905–1989), физик-экспериментатор. Родился в Италии, с 1938 г. в США. Открыл (совместно с другими) первый искусственный элемент технеций (1937 г.), астат и плутоний–239 (1941 г.), а также антипротон (1955 г.). Нобелевская премия (1959 г., совместно с О. Чемберленом).

ЧЕМБЕРЛЕН (Chamberlain, Owen) Оуэн (1920–2006), американский физик. Открыл (1955 г., совместно с др.) антипротон. Участник создания атомной бомбы. Нобелевская премия (1959 г., совместно с Э. Сегре).

ЖОЛИО-КЮРИ (Joliot-Curie) Фредерик (до 1934 г. Жолио) (1900–1958), французский физик и общественный деятель, иностранный член-корреспондент АН СССР (1947 г.). Открыл (вместе с Ирэн Жолио-Кюри) искусственную радиоактивность, позитронную радиоактивность (1934 г.), аннигиляцию и рождение пар (1933 г.). Активный участник Движения Сопротивления, Движения сторонников мира. Нобелевская премия (1935 г.). Основатель и первый руководитель (1946–1950 гг.) Комиссариата по атомной энергии. Первый председатель Всемирного Совета Мира (1950 г.). Международная Ленинская премия (1951 г.). Его именем была названа Золотая медаль Мира.

ЖОЛИО-КЮРИ (Joliot-Curie) Ирен (до 1934 г. Кюри) (1897–1956), дочь П. Кюри и М. Склодовской-Кюри, жена Фредерика Жолио-Кюри, французский физик и общественный деятель, иностранный член-корреспондент АН СССР (1947 г.). Открыла (вместе с Фредериком Жолио-Кюри) искусственную радиоактивность, позитронную радиоактивность (1934 г.), аннигиляцию и рождение пар (1933 г.). Активная участница Движения Сопротивления, Движения сторонников мира. Нобелевская премия (1935 г.).

ФЕРМИ (Fermi) Энрико (1901–1954), итальянский физик, один из создателей ядерной и нейтронной физики, основатель научных школ в Италии и США, иностранный член-корреспондент АН СССР (1929 г.). В 1938 г. эмигрировал в США. Разработал квантовую статистику (статистика Ферми-Дирака; 1925 г.), теорию бета-распада (1934 г.). Открыл (с сотрудниками) искусственную радиоактивность, вызванную нейтронами, замедление нейтронов в веществе (1934 г.). Построил первый ядерный реактор и первым осуществил в нем (2 декабря 1942 г.) цепную ядерную реакцию. Нобелевская премия (1938 г.).

ЛИББИ (Libby) Уиллард Фрэнк (1908–1980), американский физико-химик. Участник разработки газодиффузионного способа разделения изотопов урана. Создал метод радиоуглеродного датирования (1947 г.). Нобелевская премия (1960 г.).

КЭЛВИН (Калвин) (Calvin) Мелвин (1911–1997), американский биохимик. Используя радиоактивный изотоп углерод–14 и метод бумажной хроматографии, открыл этапы биохимических превращений диоксида углерода при фотосинтезе (цикл Кэлвина). Изучал вопрос о происхождении жизни на Земле. Нобелевская премия (1961 г.).

МАКМИЛЛАН (McMillan) Эдвин Маттисон (1907–1991), американский физик. Труды по ядерной физике, ускорительной технике. Синтезировал совместно с американским ученым Ф. X. Эйблсоном нептуний; участник открытия плутония. Выдвинул (1945 г., независимо от В.И. Векслера) принцип автофазировки. Нобелевская премия (1951 г., совместно с Г. Сиборгом).

ЭЙБЛСОН (Абельсон) (Abelson9 Philip Hauge) Филипп Xayre (1913–2004), американский физик и физико-химик. Труды по ядерной физике и ядерной химии, органической геохимии и микробиологии. Один из пионеров исследования трансурановых элементов. Совместно с Э.М. Макмилланом в 1940 г. открыл изотоп нептуния–239, образующийся при бомбардировке урана–238 нейтронами. Выполнил исследования, связанные с идентификацией продуктов деления урана. В 1940 г. предложил метод термодиффузии для разделения изотопов урана. Член Американской академии искусств и наук.

СИБОРГ (Seaborg) Гленн Теодор (1912–1999), американский химик и физик, иностранный член РАН (1991 г.; иностранный член АН СССР с 1971 г.). Председатель Комиссии по атомной энергии США (1961–1971 гг.). Открыл и исследовал (совместно с другими) трансурановые элементы — плутоний (1940 г.), америций, кюрий (1944 г.) и др. Нобелевская премия (1951 г., совместно с Э.М. Макмилланом).

ГАН (Хан) (Hahn) Отто (1879–1968), немецкий радиохимик. Открыл протактиний (совместно с Л. Майтнер); ядерную изомерию у естественных радиоактивных элементов; деление ядер урана под действием нейтронов (1938 г., совместно с Ф. Штрасманом). Нобелевская премия (1944 г.).

МЕЙТНЕР (Майтнер) (Meitner) Лизе (1878–1968), австрийский физик и радиохимик. В 1907–1938 гг. работала в Берлине с О. Ганом, совместно с ним предложила ряд методов исследования радиоактивности, открыла протактиний, начала исследования по облучению урана нейтронами. В 1938 г. эмигрировала из Германии, в 1938–1960 гг. в Швеции, затем в Великобритании. Совместно с О. Фришем (О. Frisch) впервые объяснила опыты О. Гана и Ф. Штрасмана (F. Strassmann) по расщеплению ядер урана.

ОППЕНГЕЙМЕР (Oppenheimer) Роберт (1904–1967), американский физик. Труды по квантовой механике, физике атомного ядра и космических лучей, разделению изотопов, нейтронным звездам. В 1943–1945 гг. руководил созданием американской атомной бомбы. Председатель генерального консультативного комитета Комиссии по атомной энергии США (1946–1952 гг.), директор (1947–1966 гг.) Института фундаментальных исследований в Принстоне. Выступил против создания водородной бомбы и в связи с этим в 1953 г. обвинен в «нелояльности» и отстранен от секретных работ.

ФЛЁРОВ Георгий Николаевич (1913–1990), советский физик-ядерщик, основатель Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, академик АН СССР (1968 г.). В 1940 г., работая в ЛФТИ, совместно с К.А. Петржаком открыл новый тип радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана. Благодаря его идеям в ОИЯИ был получен целый ряд химических элементов: лоуренсий, резерфордий и дубний. Разработанные Г.Н. Флёровым технологии трековых мембран использовались при устранении последствий катастрофы на Чернобыльской атомной электростанции. До 1990 г. Г.Н. Флёров возглавлял Лабораторию Ядерных Реакций в ОИЯИ. Соавтор нескольких научных открытий, которые занесены в Государственный реестр открытий СССР. Лауреат Ленинской премии (1967 г.), дважды лауреат Сталинской премии (1946 г., 1949 г.), лауреат Государственной премии СССР (1975 г.).

КУРЧАТОВ Игорь Васильевич (1902–1960), российский физик, организатор и руководитель работ по атомной науке и технике в СССР, академик АН СССР (1943 г.), трижды Герой Социалистического Труда (1949 г., 1951 г., 1954 г.). Исследовал сегнетоэлектрики. Совместно с сотрудниками обнаружил ядерную изомерию. Под руководством Курчатова сооружен первый отечественный циклотрон (1939 г.), открыто спонтанное деление ядер урана (1940 г.), разработана противоминная защита кораблей, созданы первый в Европе ядерный реактор (1946 г.), первая в СССР атомная бомба (1949 г.), первые в мире термоядерная бомба (1953 г.) и АЭС (1954 г.). Основатель и первый директор Института атомной энергии (с 1943 г., с 1960 г. — имени Курчатова). Ленинская премия (1957 г.), Государственная премия СССР (1942 г., 1949 г., 1951 г., 1954 г.).