Книга: Химия - просто

Глава 12. Тихая смерть. Радиоактивность

Глава 12. Тихая смерть. Радиоактивность

В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот (1743–1817), исследуя полиметаллические руды в Чехии, открыл уран, точнее, его диоксид UO₂. Шахта, из которой был получен образец чёрного минерала, разрабатывалась для добычи серебра с 1518 года. Считалось, что этот чёрный минерал (ранее известный как «смоляная руда», а затем получивший название «уранинит») содержит оксиды цинка и железа. Однако Клапрот опроверг это мнение: он выделил из «смоляной руды» чёрный порошок и принял его за новый элемент. Клапрот писал: «До настоящего времени было известно семнадцать индивидуальных металлов. Я теперь предлагаю увеличить это число, добавив ещё один». Название элементу было дано по ассоциации с планетой Уран (с массой в 15 раз больше Земли), открытой незадолго до этого (в 1781 году) астрономом Уильямом Гершелем.

Мартин Генрих Клапрот

В древнегреческой космогонической мифологии Уран — это сын богини земли Геи, всесильный бог воздуха, отец титанов и сторуких исполинов. Однако случайное символическое название оказалось на удивление пророческим, ведь именно с этого элемента началось раскрепощение и практическое использование ядерных сил. Правда, первые проблески этих возможностей начали проявляться лишь через полтораста лет.

Эжен Мелькьор Пелиго

Новый элемент исследовался такими известными химиками, как Арфведсон, Берцелиус и Рихтер, и никто из них не сомневался в открытии Клапрота. Хотя в 1841 году французский химик Эжен Пелиго (1811–1890), проводя хлорирование «урана» хлором в присутствии углерода, обнаружил в «уране» Клапрота кислород. Так было доказано, что полученный Клапротом чёрный порошок является на самом деле оксидом урана:

Далее Пелиго с большими трудностями (путём восстановления безводного тетрахлорида урана металлическим калием в закрытом тигле при нагревании до температуры красного каления) получил элементарный уран в виде порошка:

По расчётам Пелиго атомный вес урана равнялся 120, но потом выяснилось, что он ошибся. Тем не менее, как мы видим, именно Эжен Пелиго был первым человеком, получившим элементарный уран. Однако слава первооткрывателя досталась всё-таки Клапроту.

Урановая руда

С 1853 года начинается интенсивная переработка полиметаллических руд Центральной Европы с цель ю получения «урановой желти» и других красителей для стекла и керамики. Да, да, соединения урана использовались изначально в качестве краски и для изготовления столовой посуды. Эти соединения представляли собой различные уранаты разнообразных оттенков: жёлтые, красные, коричневые.

(Если, дорогой читатель, ты хочешь увидеть уникальные кадры с химией урана — как он пилится ножовкой, посуду из урана, — то заходи на YouTube-канал «Химия — просто» и смотри видео «Уран». Такого тебе больше никто и нигде не покажет.)

В 1869 году наш соотечественник Д. И. Менделеев открыл периодический закон и исправил атомный вес урана со 120 на 240, так как иначе этому элементу не нашлось бы места между оловом (50 в таблице, его атомный вес 118,70) и сурьмой (51 в таблице, его атомный вес 121,76).

В 1893 году уже известный нам Анри Муассан пытался получить «уран» в своей дуговой электропечи. Он проводил реакцию между закисью-окисью урана (U₃0₈) и углеродом, а также электролиз расплавленного Na₂UClg. Именно эти работы можно считать начальными в металлургии урана.

В XIX веке уран так и не нашёл широкого применения, кроме как в форме красящих соединений. Но всё изменилось в 1896 году, когда при изучении люминесценции кристаллов калий-уранил сульфата французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности.

Антуан Анри Беккерель

За год до этого немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл, что при электрическом разряде из трубки с весьма разряженным воздухом выходят особого рода невидимые глазу лучи. Эти лучи обладали способностью засвечивать запечатанную в конверт фотопластинку, а также проникать сквозь непрозрачные предметы. Впоследствии эти лучи (Рентген назвал их Х-лучами) нашли широкое применение в медицине и — в честь первооткрывателя — получили название рентгеновских лучей. Врачи и по сей день предписывают нам хотя бы раз в год делать рентгенографию лёгких.

После открытия Рентгена интерес к лучам резко возрос: исследователи вплотную занялись изучением лучеиспускательной способности различных светящих и несветящих тел. Одним из таких исследователей стал и Анри Беккерель. Довольно скоро в радиоактивных веществах был открыт неисчерпаемый на взгляд учёных источник излучения, и данный факт показался им столь важным для теории и практики, что потребовал самого тщательного изучения. Таковое и было предпринято супругами Кюри.

Пьер Кюри был профессором физики в Сорбонне. Мария Кюри (до замужества Склодовская), дочь учителя математики из Варшавы, вынуждена была искать доступ к науке за пределами родины, поскольку в те времена присутствие женщины в науке вообще казалось непостижимым, а порой и недопустимым явлением. Мария Склодовская изучала химию под руководством профессора Ле Шателье в Париже. Там-то она и познакомилась с Пьером Кюри, за которого впоследствии вышла замуж. Их союз был необыкновенно счастливым. Они как бы олицетворяли собой слияние физики и химии, важнейших наук, союз которых всегда был необходимым условием успеха каждой из них в отдельности.

Пьер и Мария Кюри

В 1897 году Мария Склодовская-Кюри занялась исследованием радиоактивности и уже в апреле 1898 года открыла радиоактивность тория. Увы, за две недели до неё о том же открытии объявил Герхард Карл Шмидт, профессор физики из университета города Мюнстер. Однако в июле того же года Пьер и Мария Кюри открыли полоний, а в декабре — радий.

Исследование урановых лучей навело супругов на мысль, что излучения урановых солей обязаны своим происхождением примеси нового элемента. Мария Кюри назвала этот элемент полонием, в честь своей родины — Польши.

Затем начались поиски другого лучеиспускающего элемента, которому дали название «радий»(лучеиспускающий). Через 4 года после открытия полония супругам Кюри удалось выделить 100 мг хлорида радия, для чего пришлось переработать около 1 тонны богатых урановых отходов. Почему отходов? Да потому что смоляная руда применялась тогда для производства урановой краски и уранового стекла и стоила очень дорого. Вот госпожа Кюри и подвергла переработке выбрасываемые фабриками урановых красок остатки этого минерала. Из целой тонны остатков руды получилось 8 килограммов бариевого остатка, содержащего радий. Количество радиевой соли в нём составляло всего несколько миллиграммов.

Будучи признан в то время самым практичным и интенсивным радиоактивным источником, радий привлёк к себе внимание всего мира. Однако содержание радия в урановых рудах было очень мало (в природных рудах на 1 тонну U приходится всего одну треть грамма Ra), поэтому в начале XX века цена радия составляла около 180 млн долларов за 1 грамм.

За промежуток с 1906 по 1939 год в мире было получено около 1 килограмма радия, для этого пришлось переработать около 100–150 тысяч тонн очень богатой урановой руды. А вот интерес к самому урану, в отличие от радия, оставался по — прежнему невысоким. Помимо раннего использования соединений урана в качестве пигмента для окрашивания стекла и эмалей предпринимались попытки использовать уран в качестве раскислителя или легирующего элемента при производстве сталей, а также в фотографическом процессе в качестве усилителя и тонирующего вещества (в виде уранил нитрата UO₂(NO₃₎₂). Но добыча урана в начале XX века была невелика: составляла 2,85 тонны в 1909 году, 5,1 тонны в 1910 году, 13,5 тонн в 1915 году и около 100 тонн в начале 1920-х годов.

Тем временем с радием продолжали проводить разные эксперименты. Учёные определили, что под воздействием радия большинство органических веществ испытывают всевозможные изменения. Так, сахар становится бурым, а бумага чернеет и распадается. Подобное же превращение испытывают и листья растений: под действием исходящего от радия излучения они желтеют.

Проводился и такой эксперимент.

Трубку, содержавшую соль радия, прикладывали к коже, и через какое-то время кожа краснела как после ожога. При более длительном воздействии радия на коже появлялись глубокие раны, которые не вылечивались потом в течение нескольких месяцев.

Также было изучено действие испускаемого радием излучения на нервную систему. Один из учёных того времени описывал подобный эксперимент так: «…если мы закроем глаза и приблизим соль радия к векам или даже вискам, то мы получим ощущение света. Интересно, что это ощущение получают и слепые». Как только стали известны эти физиологические действия радия, сразу последовал ряд попыток применения его для лечебных целей. Так зарождалась радиотерапия, которую стали применять при лечении некоторых кожных болезней, в особенности рака кожи и волчанки.

Однако было установлено, что действие радия на внутренние органы слишком опасно. Были проведены опыты, которые показали, что действие радия на головной и спинной мозг животных за час приводит к полному параличу.

Полученный впервые супругами Кюри чистый хлорид радия светился в темноте, и его температура всегда была выше температуры окружающего воздуха. Стало очевидно, что процесс радиоактивного распада сопровождается выделением энергии. В 1904 году английский радиохимик Фредерик Содди писал, что если бы нашёлся способ высвобождения этой энергии, то возможно стало бы создание атомного оружия. В 1906 году в своей лекции «О внутренней энергии элементов» он отмечал, что одна тонна урана, стоившая менее 1000 фунтов стерлингов, может дать больше энергии, чем все электростанции Лондона. Английский писатель Герберт Уэллс в романе «Освобождённый мир» (1914) описал мировую войну 1956 года, во время которой крупные города мира были разрушены атомными бомбами.

Техника рентгенотерапии для лечения эпителиомы лица

Лечение ракового больного рентгеновским облучением в Берлинском научно-исследовательском институте рака

Изучение явления радиоактивности привело учёных к пониманию устройства атомов элементов, были открыты альфа- и бета-частицы, а также гамма-излучение. К тому же, изучая радиоактивные элементы, было установлено, что при радиоактивном распаде образуется новый химический элемент. Так была доказана возможность трансмутации, то есть превращения одного элемента в другой. То, что когда-то алхимикам казалось несбыточной мечтой, стало явью.

Учёные установили, что никакое изменение свойств окружающей среды (температура, давление, химические реакции) не влияет на скорость радиоактивного распада — она постоянна. Поэтому некоторые говорили: «Радиоактивный элемент — это часы Вселенной».

Вернёмся, однако, к урану, практический интерес к которому изменился после ряда открытий, сделанных в физике в 30 — е годы XX века.

В 1932 году английский физик Д. Чедвик открыл нейтрон, ранее теоретически предсказанный физиками Г. Мозли и Э. Резерфордом. В том же 1932 году российский физик — теоретик Д. Д. Иваненко предложил модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.

В 1934 году французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, то есть получили радиоактивные изотопы элементов, не обнаруженные до того времени в природе.

Для справки: ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество протонов говорит о том, каким химическим элементом является данный атом. Если в ядре 1 протон, то это водород, если 92, то уран. А вот количество нейтронов может быть разным даже для одного элемента. Например, в ядре атома урана может быть как 143 нейтрона, так и 146 нейтронов. И всё равно это будет атом урана. Такие атомы, имеющие разное количество нейтронов в ядре, называются изотопами.

Изображение путей альфа-, бета- и гамма-частиц из образца радия, помещённого между полюсами электромагнита в эксперименте, проведённом в лаборатории Мари и Пьера Кюри

В 1936 году Энрико Ферми (1901–1954), занимавший пост профессора теоретической физики в Римском университете, с целью получения трансурановых элементов приступил к экспериментам по облучению элементов нейтронами. Ещё в 1934 году он обнаружил, что при бомбардировке (облучении) нейтронами какого-либо вещества происходят различные эффекты, зависящие от скорости (то есть энергии) нейтронов. Также он обнаружил, что вещества, подобные парафину, снижают скорость нейтронов, то есть способствуют замедлению процесса облучения. Кроме того, Ферми заметил, что нейтроны иногда отражаются ядрами элементов (как при столкновении шаров в бильярде), а иногда — поглощаются ими. Исследуя продукты облучения урана нейтронами, Ферми пришёл к выводу, что при этом происходит образование трансурановых элементов. За свои исследования он в 1938 году получил Нобелевскую премию по физике, однако уже в 1939 году его выводы признали ошибочными.

Энрико Ферми

Правильное объяснение результатам опытов Ферми дали двое немецких учёных, Отто Ган и Фриц Штрассман, и двое австрийцев — Лиза Мейтнер и её племянник Отто Фриш.

Как и Ферми, они обнаружили в облучённом уране различные радиоактивные продукты и сначала тоже решили, что часть из них могут быть трансурановыми элементами.

Однако в декабре 1938 года Ган и Штрассман экспериментально доказали, что одним из продуктов является барий. Так было открыто расщепление ядра урана. Результаты работы Гана и Штрассмана были опубликованы 6 января 1939 года, а уже 11 февраля 1939 года Мейтнер и Фриш опубликовали теоретическое обоснование расщепления ядра, объяснив его с точки зрения капельной модели строения ядра, предложенной ранее Нильсом Бором. Да, да, теория о строении атома не так уж и стара. Ей ещё и ста лет нет.

Отто Ган

Стоит отметить, что в конце 1930-х годов идея расщепления атома буквально витала в воздухе, о чём, к примеру, свидетельствует карикатура из британского еженедельного сатирического журнала «Панч» (1937).

Отто Ган и Лиза Мейтнер в лаборатории

Отто Фриш, который и ввёл в науку термин «расщепление ядра», обнаружил также, что при делении урана высвобождается значительное количество энергии. Другие исследователи позднее выяснили, что в процессе деления ядра урана, вызванного одним нейтроном, происходит образование большего числа нейтронов; эти нейтроны назвали «вторичными». Поскольку при каждом акте деления ядра урана образовывалось от двух до трёх вторичных нейтронов, реализация цепной реакции деления и, как следствие, практическое использование атомной энергии становились реальностью. За время реакции один нейтрон мог привести к делению огромного числа атомов урана и, следовательно, к высвобождению громадного количества энергии, ведь число последовательных делений, вызванных вторичными нейтронами, возрастало в геометрической прогрессии — от 1 к 3, затем к 9, 27, 81, 243, 729, 2187, 6561, 19 683 и т. д.

Расчёт цепной ядерной реакции был произведён в 1939 году советскими учёными Ю. Б. Харитоном и Я. Б. Зельдовичем. В 1940 году молодые советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флёров открыли явление спонтанного деления ядер урана. В том же году американские учёные Э. Макмиллан и Ф. Абельсон, облучая уран нейтронами на циклотроне (ускорителе частиц), созданном Эрнестом Лоуренсом, впервые получили нептуний и плутоний, а также открыли деление плутония при реакции Pu²³⁹ + n¹. Однако всё было не так радужно, как казалось поначалу.

Эрнест Лоуренс

Нильс Бор показал, что два основных природных изотопа урана взаимодействуют с нейтронами по — разному: уран-235 хорошо делится под действием потока быстрых нейтронов, а уран-238 — нет. И это при том, что последний является основным природным изотопом урана. Надежды учёных рушились. А тут ещё грянула война. Беспощадная ко всему и всем.

Схема циклотрона, ускорителя частиц, изобретённого Эрнестом О. Лоуренсом в 1932 году и широко используемого с 1930 — х по 1950-е годы

С началом Второй мировой войны учёные разных стран стали предпринимать попытки реализации цепной реакции деления урана, но быстро обнаружили, что для замедления нейтронов эффективны только тяжёлая вода и особо чистый графит. Поэтому остро встала задача: либо достать где-то много сверхдорогой тяжёлой воды и особо чистого графита, либо срочно научиться отделять изотопы урана друг от друга.

Работавшие в Великобритании Отто Фриш и Рудольф Пиерлс первыми предприняли попытку разделить изотопы урана, после чего представили британскому правительству два доклада: «О создании супербомбы, основанной на ядерной цепной реакции в уране» и «Меморандум о свойствах радиоактивной супербомбы». В первом докладе они сделали вывод, что 5-килограммовая бомба из урана-235 по мощности будет эквивалентна нескольким тысячам тонн динамита и что конструктивно она может состоять из двух кусков U-235, каждый менее критического размера. Для создания куска больше критического размера их просто надо будет привести в контакт, что и приведёт к взрыву. В докладе отмечалось также, что защититься от такой бомбы будет практически невозможно и что побочным продуктом станет радиация, «смертельная для живых организмов даже в течение длительного времени после взрыва».

Во втором докладе отмечалось, что «вследствие распространения радиоактивных веществ за счёт ветра, бомба не может быть использована без того, чтобы не вызвать большие жертвы среди мирного населения». Британская комиссия по военному использованию урана в своём итоговом отчёте от 15 июля 1941 года пришла к заключению, что создание атомной бомбы возможно и что строительство завода, способного произвести необходимое количество урана-235 для создания трёх бомб к концу 1943 года, обойдётся казне в сумму около 5 миллионов фунтов стерлингов. Однако на практике строительство такого предприятия в Великобритании в условиях постоянных бомбардировок со стороны Германии оказалось невозможным.

В Соединённых Штатах Америки в начале Второй мировой войны работам по делению урана не уделялось большого внимания. В феврале 1940 года в университете Миннесоты физик Альфред Ниер использовал для разделения U-238 и U-235 масс-спектрометр. Полученный продукт позволил Джону Даннингу, уже в Колумбийском университете, показать, что под воздействием медленных нейтронов действительно происходит деление ядер U-235. Основной американский проект, разработанный учёными Энрико Ферми и Лео Сциллардом, заключался в строительстве того, что впоследствии назвали «ядерным реактором». На проведение работ правительством США была выделена сумма в 6000 долларов.

В целом военное использование урана считали в США делом малоперспективным и летом 1941 года хотели даже свернуть все работы, ведущиеся в данном направлении. Однако ситуация резко изменилась после атаки японцев, совершённой 7 декабря 1941 года на военную базу Пёрл-Харбор. Все работы по созданию ядерного реактора были активизированы, и в мае 1942 года началось его возведение под западной трибуной стадиона Чикагского университета. Конструкция реактора состояла из чередующихся слоёв чистого графита и графита с помещённым в него ураном или диоксидом урана: после двух слоёв графита следовал слой графита с ураном, потом снова два слоя графита и т. д. Реактор достиг критического размера после того, как из чередующихся блоков было выложено 57 слоёв. Он имел 7,7 м в длину, 6,1 м в поперечнике, содержал 385 тонн графита, 6 тонн урана и 34 тонны диоксида урана. 2 декабря 1942 года Ферми запустил реактор, но тот произвёл энергии так мало, что её хватило бы максимум на то, чтобы зажечь лампочку от карманного фонарика. Один из присутствовавших при пуске реактора членов комиссии с сарказмом заметил, что он «видел настоящее чудо». Помимо выработки энергии в реакторе происходило также образование атомов плутония-239 из урана-238.

Основные работы по урану в годы Второй мировой войны были выполнены в США в рамках так называемого «Манхэттенского проекта», который с 17 сентября 1942 года возглавил генерал-лейтенант Лесли Грувз. Научное руководство осуществлял физик-теоретик Джулиус Роберт Оппенгеймер. В рамках реализации проекта были построены заводы по разделению изотопов урана и первые атомные реакторы для наработки плутония, а также налажено производство чистого плутония. В городе Ханфорд на берегу реки Колумбия были построены три графитовых реактора общей мощностью 200 МВт. Для их охлаждения требовалось 350 000 литров воды в минуту. После облучения в реакторе уран поступал на радиохимический завод для выделения из него образовавшегося плутония.

Первый ядерный реактор Чикагского университета

Макет урановой бомбы «Литл Бой», сброшенной на Хиросиму

Хиросима, после бомбардировки 1945 г.

Хиросима, после бомбардировки 1945 г.

Завод для разделения изотопов урана был построен в городе Ок-Ридж, основанном в 1940 году в рамках «Манхэттенского проекта» и занимавшем площадь около 250 км². В итоге к 24 июля 1945 года было произведено 40 кг урана с 80 %-ным содержанием U-235, что уже позволяло использовать его в атомной бомбе. Плутония же было наработано столько, что его хватило бы и на две атомные бомбы. В результате 16 июля 1945 года в штате Нью — Мексико было проведено первое испытание ядерного оружия на плутониевом заряде. Спустя совсем короткий промежуток времени, 6 августа 1945 года на японский город Хиросиму была сброшена урановая бомба, а 9 августа на город Нагасаки — плутониевая. Последние две операции не были обязательными — их провели исключительно в целях устрашения.

А как же обстояли дела в СССР? Первый атомный реактор в СССР был запущен под руководством советского физика И. В. Курчатова 25 декабря 1946 года. А испытание первой советской атомной бомбы прошло в 1949 году. После этого учёные-атомщики двух стран — США и СССР — пошли дальше и создали термоядерные бомбы, при производстве которых используется как плутоний, так и уран.

Таким образом, человечество не просто вступило в ядерную эпоху развития технологий, но и получило при этом мощное ядерное оружие и отличный источник энергии. Опасные в неумелых руках и источник безграничных возможностей в благородных руках — ядерные технологии.

Использование радиоактивного распада урана или плутония в ядерных реакторах дало человечеству источник дешёвой энергии. Причём, как показала практика, данный вид энергии более экологичен, чем другие, при которых, к примеру, происходит сжигание угля или нефтепродуктов. Атомные электростанции не приводят к изменению рельефа местности, как, например, гидроэлектростанции, приводящие порой к затоплению больших территорий земли. Словом, все другие известные на сегодняшний день альтернативные источники энергии не способны пока конкурировать с атомной энергетикой в промышленных масштабах.

Изучение и открытие новых радиоактивных изотопов привело к созданию радиофармпрепаратов, которые используются при медицинской диагностике пациентов и лечении раковых заболеваний. Также некоторые радиоактивные изотопы используются в качестве «батареек» для космических аппаратов, отправляющихся в полёт с целью изучения дальних от солнца планет. На таких расстояниях солнечные батареи малоэффективны.

Возможно ли в настоящее время использование сверхдержавами ядерного оружия друг против друга? Вряд ли, так как все прекрасно понимают, что это путь в один конец. И это будет конец того мира, который мы знаем и любим.