Уран. Открытие урана Мартином Генрихом Клапротом
Немецкий ученый Мартин Генрих Клапрот, открывший в 1789 году новый химический элемент, находился под влиянием недавнего астрономического открытия. В 1781 году английский астроном Вильям Гершель при наблюдении звездного неба с помощью самодельного телескопа обнаружил неизвестный ранее объект. Первоначально приняв его за комету, Гершель впоследствии установил, что наблюдает седьмую планету Солнечной системы, которую назвал Ураном в честь древнегреческого бога неба. Впечатленный этим событием, Клапрот дал своему новому элементу то же имя.
Получение металлического урана
Металлический уран впервые получил французский химик Эжен Мельхиор Пелиго в 1841 году. Промышленность не проявила интереса к этому тяжелому и относительно мягкому металлу. Его механические и химические характеристики не привлекли внимания металлургов и машиностроителей. Практическое применение нашли лишь соединения урана — богемские стеклодувы и саксонские мастера фарфора использовали оксид урана для придания изделиям желто-зеленого цвета или создания бархатно-черных узоров.
Урановые соединения в древности
Декоративные свойства урановых соединений были известны еще в древности. При археологических раскопках близ Неаполя обнаружили стеклянную мозаичную фреску, сохранившую яркость красок на протяжении двух тысячелетий. Химический анализ показал присутствие в стекле оксида урана, обеспечившего долговечность мозаики. Таким образом, соединения урана находили практическое применение, в то время как чистый металл оставался невостребованным.
Проблема атомной массы урана
Научные представления об уране долгое время были неполными и часто ошибочными. В частности, его атомную массу определяли приблизительно как 120. При создании Периодической системы Д. И. Менделеев столкнулся с проблемой: по своим свойствам уран не соответствовал позиции, которую должен был занимать элемент с такой атомной массой. Вопреки мнению многих коллег, Менделеев принял новое значение атомной массы и переместил элемент в конец таблицы. Последующие исследования подтвердили правильность этого решения — атомная масса урана составляет 238,03.
Предвидение роли урана Менделеевым
Гениальность Менделеева проявилась и в предвидении особой роли урана в науке. В 1872 году, когда большинство ученых считали уран малозначимым элементом, создатель Периодической системы отметил его уникальность как элемента с наивысшим атомным весом. Менделеев предположил, что такая концентрация массы должна обусловливать выдающиеся свойства, и рекомендовал исследователям уделить особое внимание урановым соединениям.
Открытие радиоактивности Анри Беккерелем
Предсказание Менделеева сбылось менее чем через четверть века. В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель, изучая соли урана, совершил одно из величайших научных открытий. Интересуясь явлением фосфоресценции, Беккерель решил использовать в экспериментах урановую соль. Он поместил на завернутую в черную бумагу фотопластинку металлическую фигуру, покрытую слоем урановой соли, и выставил конструкцию на солнечный свет для усиления фосфоресценции. После проявления пластинки ученый обнаружил на ней четкий силуэт металлической фигуры. Многократные повторения опыта давали неизменный результат, что положило начало исследованию радиоактивности.
Первое сообщение об открытии
24 февраля 1896 года на заседании Французской академии наук Беккерель доложил о своем открытии: фосфоресцирующее соединение урана при освещении испускает невидимые лучи, проникающие через непрозрачную бумагу и воздействующие на фотопластинку, восстанавливая соли серебра.
Случайное открытие истинной природы излучения
Через два дня ученый планировал продолжить эксперименты, но пасмурная погода помешала его планам. Без солнечного света фосфоресценция не могла проявиться, поэтому Беккерель убрал подготовленные диапозитивы вместе с образцами урановых солей в ящик стола, где они пролежали несколько дней. Когда 1 марта погода наконец улучшилась, исследователь достал материалы для продолжения работы. Однако, следуя научной педантичности, он решил проявить диапозитивы перед экспериментом, хотя логика подсказывала, что с ними ничего не могло произойти в темном ящике, ведь без света фосфоресценция невозможна.
Непредсказуемый результат
Результат проявки поразил ученого: на пластинках четко проступили черные силуэты образцов. Это наблюдение опровергало первоначальную гипотезу о связи излучения с фосфоресценцией. Беккерель провел дополнительные эксперименты с различными соединениями урана, включая те, которые не обладали способностью фосфоресцировать или длительное время хранились в темноте. Во всех случаях на фотопластинках появлялись изображения. У исследователя возникло предположение, что уран обладает свойством, подобным «невидимой фосфоресценции».
Свойства металлического урана
В этот период французский химик Анри Муассан разработал метод получения чистого металлического урана. Беккерель, получив от коллеги образец уранового порошка, установил, что излучение чистого металла значительно интенсивнее, чем его соединений. При этом данное свойство сохранялось при различных условиях — как при сильном нагревании, так и при охлаждении до низких температур.
Научная добросовестность и признание открытия
Следуя принципам научной этики, Беккерель не спешил с публикацией новых данных, ожидая, когда Муассан представит результаты своих исследований. 23 ноября 1896 года на заседании Академии наук Муассан доложил о методе получения чистого урана, после чего Беккерель сообщил об открытом им свойстве этого элемента — самопроизвольном превращении атомов с выделением лучистой энергии. Это явление получило название радиоактивности.
Значение открытия Беккереля
Открытие Беккереля ознаменовало начало новой эры в физике — эры превращения элементов. Представление об атоме как о неделимой частице было опровергнуто, перед наукой открылся путь к изучению внутренней структуры материи.
Исследования супругов Кюри
Естественным продолжением исследований стал вопрос: является ли радиоактивность исключительным свойством урана или существуют и другие элементы с подобными характеристиками? Ответ на этот вопрос дали супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. Используя прибор, сконструированный мужем, Мария Кюри исследовала множество металлов, минералов и солей.
Тяжелые условия лабораторной работы
Работа проводилась в крайне неблагоприятных условиях. Лабораторией служил заброшенный деревянный сарай в одном из парижских дворов. По воспоминаниям Марии Кюри, это был барак с асфальтовым полом и стеклянной крышей, плохо защищавшей от дождя. Оборудование состояло из старых деревянных столов, неэффективной чугунной печи и классной доски, которой часто пользовался Пьер. Отсутствие вытяжных шкафов для работы с вредными газами создавало дополнительные трудности в проведении исследований.
Недостаток ресурсов и поддержка Австрии
Условия работы были крайне тяжелыми. Из-за отсутствия вытяжных шкафов опыты с вредными газами приходилось проводить либо на улице в подходящую погоду, либо в помещении с открытыми окнами. В дневнике Пьера Кюри сохранилась запись о том, что некоторые исследования проводились при температуре всего шесть градусов выше нуля.
Серьезной проблемой было получение необходимых материалов. Урановая руда стоила дорого, и супруги Кюри не могли приобрести достаточное количество на свои скромные средства. Они обратились к австрийскому правительству с просьбой продать им по сниженной цене отходы руды, из которой в Австрии извлекали уран для окрашивания стекла и фарфора. При поддержке Венской академии наук несколько тонн отходов были доставлены в их парижскую лабораторию.
Открытие полония
Мария Кюри работала с исключительным упорством. Многочисленные исследования подтверждали наблюдение Беккереля о том, что радиоактивность чистого урана превосходит активность его соединений. Однако в ходе дальнейших экспериментов было сделано неожиданное открытие: два урановых минерала — хальколит и смоляная руда Богемии — проявляли значительно более высокую активность, чем чистый уран. Это наблюдение привело к логическому выводу о присутствии в них неизвестного элемента с более высокой радиоактивностью. В честь родины Марии Кюри супруги назвали этот элемент полонием.
Открытие радия
Продолжение исследований привело к еще одному значительному открытию — был обнаружен элемент, в сотни раз превосходящий уран по радиоактивности. Ученые назвали его радием (от латинского «луч»).
Временный спад интереса к урану
Открытие радия временно отодвинуло уран на второй план научного интереса. Примерно сорок лет он не привлекал пристального внимания ученых и инженеров. В техническом энциклопедическом издании 1934 года даже утверждалось, что «элементарный уран практического применения не имеет». Однако всего через несколько лет представления о возможностях урана кардинально изменились.
Начало ядерной эры
В начале 1939 года появились два важных научных сообщения. Первое, направленное Фредериком Жолио-Кюри во Французскую академию наук, называлось «Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов». Второе, авторами которого были немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер, опубликовал английский журнал «Природа» под заголовком «Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции». Оба сообщения описывали ранее неизвестное явление, происходящее с ядром урана.
Исследования группы Энрико Ферми
За несколько лет до этих публикаций ураном заинтересовалась группа молодых физиков, работавших под руководством Энрико Ферми в Римском университете. Их называли «мальчуганами» за молодость и энтузиазм. Основным направлением исследований группы была нейтронная физика, открывавшая новые горизонты в науке.
Загадка облучения урана нейтронами
Ученые установили, что при облучении нейтронами ядра элементов обычно превращаются в ядра следующего элемента Периодической системы. Возник закономерный вопрос: что произойдет при облучении нейтронами урана — последнего, 92-го элемента? Теоретически должен был образоваться 93-й элемент, не существующий в природе.
Неожиданные результаты опытов Ферми
Эксперимент был проведен, но результаты оказались неожиданными. В облученном уране обнаружилось не менее десятка радиоактивных элементов вместо одного предполагаемого. Энрико Ферми опубликовал сообщение об этом в научном журнале, отметив, что, возможно, образовался 93-й элемент, хотя точных доказательств этому не было. При этом имелись свидетельства присутствия в облученном уране каких-то других элементов.
Опыты Ирен Жолио-Кюри
Дочь Марии Кюри, Ирен Жолио-Кюри, предприняла попытку разрешить эту загадку. Она повторила эксперименты Ферми и провела тщательный химический анализ урана после его облучения нейтронами.
Обнаружение лантана и бария
Результаты исследований Ирен Жолио-Кюри оказались неожиданными: в облученном уране был обнаружен лантан — элемент, расположенный примерно в середине таблицы Менделеева, значительно удаленный от урана. Когда немецкие ученые Отто Ган и Фридрих Штрассман повторили эти эксперименты, они выявили в уране не только лантан, но и барий, что еще больше усложнило загадку.
Теоретическое объяснение расщепления ядра
Ган и Штрассман поделились результатами своих опытов с известным физиком Лизой Мейтнер. Над урановой проблемой начали работать несколько ведущих ученых. В результате Фредерик Жолио-Кюри, а затем и Лиза Мейтнер пришли к одинаковому выводу: при попадании нейтрона ядро урана расщепляется на части. Это объясняло неожиданное появление бария и других элементов с атомной массой примерно вдвое меньшей, чем у урана.
Мировая сенсация
Новость об этом открытии произвела сенсацию в научном мире. Американский физик Луис Альварес, будущий лауреат Нобелевской премии, узнал об этом из газеты, находясь в парикмахерской. Прочитав заголовок «Атом урана разделен на две половины», он, к изумлению присутствующих, выбежал из заведения наполовину подстриженным, с салфеткой на шее, чтобы немедленно сообщить коллегам в Калифорнийском университете о потрясающем открытии.
Цепная реакция
Жолио-Кюри установил еще один важнейший факт: распад уранового ядра происходит в форме взрыва, при котором образующиеся осколки разлетаются с огромной скоростью. При расщеплении отдельных ядер выделяющаяся энергия лишь нагревала уран, но при массовом делении ядер могло высвободиться колоссальное количество энергии.
Проблема нейтронов и начало цепной реакции
Возник вопрос: где взять достаточное количество нейтронов для одновременной бомбардировки большого числа ядер урана? Известные источники нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше необходимого. Решение пришло из самой природы процесса. Жолио-Кюри обнаружил, что при делении ядра урана из него вылетает несколько нейтронов. Попадая в ядра соседних атомов, они вызывают новые распады — возникает цепная реакция. Поскольку эти процессы происходят за миллионные доли секунды, выделение колоссальной энергии приводит к взрыву.
Роль изотопа урана-235
Второй путь состоял в обогащении урана изотопом-235. Природный уран содержит два основных изотопа с атомными массами 238 и 235. В ядре урана-238, который в сотни раз более распространен, содержится на три нейтрона больше. Уран-235, имеющий меньше нейтронов, активнее их поглощает и легче подвергается делению, чем уран-238. При определенных условиях уран-238, поглотив нейтрон, не делится, а превращается в другой элемент. Это свойство впоследствии использовалось для получения искусственных трансурановых элементов. Для цепной реакции такое поведение урана-238 оказывалось препятствием, прерывая процесс в самом начале. Чем выше в уране содержание изотопа-235, тем эффективнее протекает реакция.
Открытие самопроизвольного распада урана
Для возникновения цепной ядерной реакции необходим первый нейтрон — своеобразная «спичка», способная зажечь атомный «пожар». Обычные нейтронные источники могли выполнять эту функцию, но учёные стремились найти более удобный способ.
Такую «спичку» открыли советские физики Константин Петржак и Георгий Флеров.
Исследуя поведение урана в 1939–1940 годах, они установили, что ядра этого элемента способны распадаться самопроизвольно, без внешнего воздействия. Их выводы были подтверждены опытами, проведёнными в одной из лабораторий Ленинграда.
Эксперименты под землёй
Учёные предположили, что распад урана мог происходить под влиянием космических лучей, постоянно бомбардирующих Землю. Чтобы исключить это влияние, они решили провести эксперименты глубоко под землей, куда космические частицы не проникают.
Посоветовавшись с академиком Игорем Курчатовым, Петржак и Флеров выбрали для опытов станцию московского метро «Динамо», находящуюся на глубине 50 метров.
Туда, на плечах самих учёных, была доставлена аппаратура весом около трёх тонн. Мимо станции проходили поезда, тысячи людей спускались по эскалаторам, не подозревая, что рядом проходят эксперименты, значение которых впоследствии стало мировым.
Результаты подтвердили выводы ленинградских опытов: ядра урана действительно самопроизвольно распадаются
Чтобы заметить это явление, требовалось исключительное мастерство: за один час распадается лишь один атом из 60 триллионов. Это открытие стало последним шагом, подготовившим человечество к осуществлению первой цепной ядерной реакции.
Путь Энрико Ферми и рождение цепной реакции
Следующий этап в истории урана связан с именем Энрико Ферми.
В конце 1930-х годов, спасаясь от фашистского режима, Ферми эмигрировал из Италии в США, где намеревался продолжить эксперименты по делению атомного ядра. Для этого требовались значительные средства, и убедить правительство в важности исследований помог Альберт Эйнштейн.
Он направил президенту США Франклину Рузвельту письмо, где писал:
«Последняя работа Э. Ферми и Л. Сцилларда позволяет надеяться, что элемент уран может быть превращён в новый источник энергии…»
После этого Рузвельт одобрил финансирование работ, положивших начало американской атомной программы.
Первый в мире ядерный реактор
В 1941 году жители Чикаго наблюдали необычное оживление на территории городского стадиона.
Под западной трибуной, на теннисных кортах, Ферми вместе с группой учёных строил первый в мире ядерный реактор. Работы продолжались день и ночь почти год.
2 декабря 1942 года наступило утро решающего эксперимента.
Учёные не спали всю ночь, снова и снова проверяя расчёты. Опасения были оправданными: стадион находился в центре города, и малейшая ошибка могла привести к катастрофе.
Перед началом опыта Ферми произнёс свою знаменитую фразу:
«Идёмте-ка завтракать».
После короткого перерыва эксперимент начался. Учёные напряжённо следили за приборами. И вдруг счётчики нейтронов начали часто щёлкать — цепная реакция пошла!
В 15:25 по чикагскому времени впервые в истории человечества загорелся управляемый атомный огонь, который длился 28 минут, а затем был остановлен по команде Ферми.
О завершении опыта сообщили условной фразой:
«Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света».
Эти слова означали, что энергия атома была освобождена и поставлена под контроль человека.
Тайные работы и создание атомной бомбы
Однако воля человека может быть разной.
В то время ядерная реакция рассматривалась прежде всего как путь к созданию атомного оружия.
Работы по этому направлению были продолжены в США в условиях строжайшей секретности.
Осенью 1943 года союзники вывезли из оккупированной Дании в США знаменитого физика Нильса Бора, чтобы привлечь его к исследованиям.
История его спасения вошла в легенды: под видом рыбака он добрался до Швеции с единственной бутылкой — как он думал, с тяжёлой водой, необходимой для реакторов. Однако по прибытии в Англию выяснилось, что он по ошибке взял бутылку с обыкновенным пивом.
Тем временем на заводах Ок-Риджа в штате Теннесси был получен первый образец урана-235, из которого создавалась атомная бомба. Его доставили в Лос-Аламос, где шла работа над оружием.
Учёные использовали вымышленные имена: Нильс Бор стал Николасом Бейкером, Энрико Ферми — Генри Фармером, а Юджин Вигнер — Юджином Вагнером.
После нескольких лет напряжённой работы проект был завершён.
6 августа 1945 года над японским городом Хиросимой вспыхнул гигантский атомный гриб, унеся десятки тысяч жизней.
Так величайшее достижение науки обернулось трагедией человечества.
Поворот к мирному атому
После войны перед учёными и мировым сообществом встал вопрос: как использовать энергию атома дальше?
Ответ был очевиден: теперь она должна служить во благо человечества.
Первый шаг на этом пути сделали советские физики под руководством Игоря Васильевича Курчатова.
27 июня 1954 года московское радио сообщило:
«В Советском Союзе успешно завершены работы по строительству первой промышленной атомной электростанции мощностью 5000 киловатт».
Так впервые по проводам пошёл ток, рождённый в недрах атомного ядра.
Это событие стало началом эпохи мирного использования урана и рождения ядерной энергетик.
Атомный флот и освоение Арктики
Через пять лет, в 1959 году, на воду был спущен первый в мире атомный ледокол «Ленин».
Чтобы его двигатели мощностью 44 тысячи лошадиных сил работали на полную мощь, требовалось всего несколько десятков граммов урана.
Это количество топлива заменяло тысячи тонн мазута, которыми приходилось снабжать обычные суда.
В 1974 году флот пополнился ещё более мощным ледоколом «Арктика» (75 тысяч лошадиных сил).
17 августа 1977 года он первым в истории достиг Северного полюса, преодолев льды Центрального полярного бассейна.
Позднее к нему присоединились ледоколы «Сибирь» и «Россия», продолжившие освоение Арктики.
Так уран стал топливом, открывшим новые горизонты мореплавания.
Развитие ядерной энергетики
С каждым годом доля урана в энергетическом балансе человечества увеличивалась.
В СССР была построена первая промышленная атомная электростанция с реактором на быстрых нейтронах, использующим не редкий уран-235, а распространённый уран-238.
В ходе реакции образовывался искусственный элемент плутоний-239, также способный делиться и служить источником энергии.
Академик Курчатов писал:
«Сожжёшь в топке уголь, а выгребешь с золой ещё больше угля».
Так описывалась эффективность ядерных реакторов нового поколения.
Проблема радиоактивных отходов и будущее урана
Наряду с достижениями встала серьёзная проблема — уничтожение радиоактивных отходов.
Учёные предлагали разные способы: захоронение под землёй, опускание контейнеров на морское дно, а некоторые даже выдвигали идею отправлять отходы к Солнцу на космических кораблях.
Пока это слишком дорого, но в будущем подобные проекты могут стать реальностью.
Сегодня уже можно с уверенностью сказать, что уран — металл великого будущего.
Он открывает путь к космическим ракетам, подводным городам, искусственным островам и новым видам энергетики, обеспечивающим человечество на десятилетия вперёд.
Сказочные перспективы, которые ещё недавно казались фантастикой, становятся возможными благодаря урану — одному из самых удивительных металлов природы.
Литература:
- Уран // Большая российская энциклопедия. — https://bigenc.ru.
- Радиоактивность // Википедия — свободная энциклопедия. — https://wikipedia.org.
- Becquerel A. Radioactivity Research Archive // Britannica.com. — https://www.britannica.com.
- Rhodes R. Создание атомной бомбы. — М.: АСТ, 2020. — 944 с. (Оригинальное название: The Making of the Atomic Bomb, 1986.)
- Курчатов И. В. Избранные труды. — М.: Атомиздат, 1970. — 368 с. Текст: непосредственный.
- История развития ядерной энергетики // Научная Россия — ScientificRussia.ru. — https://scientificrussia.ru.
