Открытие плутония (1941)

Элементы за ураном

В 1930-е годы периодическая таблица заканчивалась ураном - элементом 92, самым тяжелым из встречающихся в природе в заметных количествах. Когда в 1932 году был открыт нейтрон, Энрико Ферми в Риме начал облучать нейтронами разные элементы, в том числе уран. Он предполагал, что ядро урана, поглотив нейтрон и испустив бета-частицу, превратится в элемент 93, и в 1934 году объявил о возможном получении «трансурановых» элементов. За эти работы он в 1938 году получил Нобелевскую премию.

Как выяснилось в конце 1938 года, Ферми и другие исследователи в основном наблюдали не трансураны, а осколки деления ядра урана, открытого Отто Ганом и Фрицем Штрассманом и объясненного Лизе Мейтнер и Отто Фришем. Вопрос о настоящих элементах тяжелее урана остался открытым.

Нептуний

Первый настоящий трансурановый элемент получили в Беркли. Там, в Радиационной лаборатории Эрнеста Лоуренса, работал циклотрон - ускоритель частиц, изобретенный Лоуренсом в начале 1930-х годов. Весной 1940 года физик Эдвин Макмиллан, изучая продукты облучения урана нейтронами, заметил радиоактивное вещество, которое не улетало из тонкой урановой фольги, как осколки деления, и вело себя иначе, чем известные элементы. Вместе с приехавшим из Вашингтона химиком Филипом Абельсоном он доказал, что это элемент 93. Его назвали нептунием - по планете Нептун, следующей за Ураном.

Статья Макмиллана и Абельсона вышла в журнале Physical Review в июне 1940 года. Британские физики, уже работавшие над атомным оружием, были встревожены: публикация открыто указывала путь к новым делящимся материалам. После этого американские ученые по собственной инициативе начали воздерживаться от публикации результатов, связанных с делением.

Нептуний-239 распадался с периодом около двух дней и должен был превращаться в элемент 94. Макмиллан начал поиски этого элемента, но в ноябре 1940 года его отозвали в Массачусетский технологический институт для работы над радаром. Продолжить исследования взялся молодой химик Гленн Сиборг.

Гленн Сиборг

Гленн Теодор Сиборг родился в 1912 году в шахтерском городке Ишпеминг в штате Мичиган в семье шведских иммигрантов; дома говорили по-шведски. Когда ему было десять лет, семья переехала в Калифорнию, в пригород Лос-Анджелеса. В школе Сиборг поначалу больше интересовался литературой, но увлекся химией благодаря учителю. Он учился в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, подрабатывая грузчиком и сборщиком фруктов, а в 1937 году защитил диссертацию в Беркли.

Сиборг с юности вел подробный дневник, фиксируя каждую деталь работы. Благодаря этой привычке сегодня известны многие подробности открытия плутония, вплоть до часов и минут. В Беркли он был ассистентом нобелевского лауреата Гилберта Льюиса и работал с Лоуренсом, получая на циклотроне новые радиоактивные изотопы, в том числе йод-131 и технеций-99m, ставшие впоследствии важнейшими средствами медицинской диагностики.

Ночь на 24 февраля

Сиборг работал с аспирантом Артуром Валем и молодым преподавателем Джозефом Кеннеди. Они решили облучать уран не нейтронами, а ядрами тяжелого водорода - дейтронами - на 60-дюймовом циклотроне. 14 декабря 1940 года образец оксида урана был облучен. В нем образовался нептуний-238, который, распадаясь, должен был давать элемент 94.

Главной задачей было химически доказать, что в образце присутствует новый элемент, а не примесь известных. Работали с ничтожными количествами вещества, следя за ним по радиоактивности. Сиборг и Валь предположили, что элемент 94 может существовать в разных степенях окисления и в зависимости от этого вести себя по-разному в растворе. Им нужно было найти окислитель, который переведет его в состояние, отличное от поведения тория и урана.

В ночь на 24 февраля 1941 года в небольшой лаборатории на третьем этаже Гилман-холла Валь провел решающий опыт с сильным окислителем. Он показал, что радиоактивное вещество, испускавшее альфа-частицы, после окисления ведет себя иначе, чем до него. Это означало, что в руках ученых новый химический элемент со своими свойствами. Сиборг записал это в дневник как день открытия элемента 94. Комната 307 Гилман-холла позже была объявлена национальным историческим памятником США.

Изотоп для бомбы

Полученный изотоп, плутоний-238, для атомной бомбы не годился. Настоящий интерес представлял плутоний-239, который должен был образовываться из урана-238 - самого распространенного изотопа природного урана - при захвате нейтрона и двух последовательных бета-распадах. Теоретики, в том числе Луис Тернер в Принстоне, уже в 1940 году предполагали, что изотоп 239 элемента 94 может делиться медленными нейтронами так же, как уран-235.

Для проверки группа Сиборга, к которой присоединился итальянский физик-эмигрант Эмилио Сегре, облучила нейтронами с циклотрона более килограмма нитрата урана и химически выделила из него около половины микрограмма плутония-239 - количество, невидимое глазом. 28 марта 1941 года эксперимент показал, что плутоний-239 делится под действием медленных нейтронов, причем, по полученным тогда данным, даже эффективнее, чем уран-235.

Значение этого результата было огромным. Уран-235 составляет лишь 0,7 % природного урана, и отделить его от урана-238 чрезвычайно трудно: изотопы одного элемента химически одинаковы, а различие в массе ничтожно. Плутоний же - другой элемент, и его можно отделить от урана обычными химическими методами. Если построить реактор, в котором уран-238 будет поглощать нейтроны, из облученного урана можно будет химически извлекать бомбовый материал.

Этот довод активно использовал Эрнест Лоуренс, убеждая американское руководство ускорить атомную программу. Одновременно британский комитет MAUD в июле 1941 года пришел к выводу, что урановая бомба осуществима. В декабре 1941 года, накануне Перл-Харбора, США приняли решение о полномасштабной атомной программе, в которой производство плутония стало одним из двух главных направлений.

Засекреченное открытие

Результаты открытия были описаны в статьях, отправленных в Physical Review в 1941 году, но их публикация была отложена по соображениям секретности. Статьи вышли в свет только в 1946 году, после окончания войны.

Во время войны элемент в документах обозначали числом «49» - перевернутыми последними цифрами порядкового номера 94 и массового числа 239. Иногда его в шутку называли «медью». Поскольку в лаборатории использовали и настоящую медь, ее стали называть «честной медью».

Название «плутоний» Сиборг и Валь предложили в марте 1942 года - по аналогии с ураном и нептунием, названными в честь планет. Плутон, открытый в 1930 году, считался тогда девятой планетой Солнечной системы. Для символа элемента вместо логичного Pl Сиборг выбрал Pu - по его воспоминаниям, отчасти в шутку, поскольку в английском звучание напоминает возглас отвращения. Он ожидал возражений, но их не последовало.

Подобные идеи возникали и в других странах. В Германии в 1940 году Карл Фридрих фон Вайцзеккер указывал, что в реакторе может образовываться элемент 94, пригодный для бомбы. В Кембридже о том же в 1940 году писали Эгон Бречер и Норман Фезер. Но практически получить и изучить плутоний удалось только в Беркли.

Первый видимый плутоний

В апреле 1942 года Сиборг переехал в Чикаго, в Металлургическую лабораторию - подразделение Манхэттенского проекта, где разрабатывались реактор и способы выделения плутония. Там его сотрудники Бурис Каннингем и Луис Вернер разработали методы ультрамикрохимии, позволявшие работать с микрограммами вещества под микроскопом. 20 августа 1942 года они впервые получили весомое количество чистого соединения плутония - около трех микрограммов. Это был первый случай, когда искусственно полученный элемент можно было увидеть и взвесить.

2 декабря 1942 года под трибунами стадиона Чикагского университета группа Ферми запустила первый ядерный реактор. В 1943 году в Ок-Ридже заработал опытный реактор X-10, а в сентябре 1944 года - первый промышленный реактор B в Хэнфорде в штате Вашингтон, построенный для производства плутония. Химические заводы по методу, разработанному группой Сиборга, выделяли плутоний из облученного урана.

В 1944 году Сегре обнаружил, что реакторный плутоний содержит примесь изотопа плутония-240, который делится самопроизвольно. Из-за этого простая «пушечная» схема бомбы, пригодная для урана, для плутония не годилась: цепная реакция началась бы преждевременно. Физикам Лос-Аламоса во главе с Робертом Оппенгеймером пришлось разработать гораздо более сложную имплозивную схему - сжатие плутониевого шара взрывом окружающей взрывчатки. 16 июля 1945 года в пустыне Нью-Мексико была испытана первая плутониевая бомба («Тринити»), а 9 августа 1945 года плутониевая бомба «Толстяк» была сброшена на Нагасаки.

Опыты на людях

Плутоний оказался чрезвычайно токсичным, особенно при попадании в организм и накоплении в костях. Чтобы изучить, как он выводится из организма, и установить безопасные нормы для работников, в 1945-1947 годах врачи Манхэттенского проекта ввели инъекции плутония восемнадцати пациентам больниц в Рочестере, Чикаго, Сан-Франциско и Ок-Ридже. Большинство из них не знали, что им вводят, и не давали на это согласия. Многие были тяжелобольными, но некоторые прожили еще десятилетия. Опыты оставались засекреченными до 1990-х годов, когда их раскрыла журналистка Эйлин Уэлсом. Президентская комиссия признала их нарушением этических норм, а правительство США принесло извинения.

Эти эксперименты были грубым нарушением медицинской этики и прав человека: людей использовали как подопытных без их ведома и согласия.

Жизнь после открытия

В 1944-1945 годах Сиборг с коллегами открыл элементы 95 и 96 - америций и кюрий - и выдвинул концепцию актиноидов, согласно которой элементы после актиния образуют отдельный ряд, подобный лантаноидам. Это изменило вид периодической таблицы. Всего Сиборг участвовал в открытии десяти элементов. В 1951 году он вместе с Макмилланом получил Нобелевскую премию по химии за открытия в области химии трансурановых элементов.

Летом 1945 года Сиборг подписал «доклад Франка» - обращение ученых чикагской лаборатории, предлагавших продемонстрировать бомбу, а не применять ее против городов без предупреждения. В 1961-1971 годах он возглавлял Комиссию по атомной энергии США и участвовал в подготовке договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах 1963 года. В 1997 году элемент 106 был назван в его честь сиборгием; Сиборг стал первым человеком, при жизни которого его именем назвали химический элемент.

Плутоний в XX веке

Плутоний стал основой ядерных арсеналов. Советский Союз, получивший благодаря разведке, прежде всего от Клауса Фукса, сведения об американской плутониевой бомбе, построил в Челябинской области комбинат «Маяк». Первая советская атомная бомба, испытанная в августе 1949 года, была плутониевой. Производство плутония оставило тяжелое наследие: радиоактивное загрязнение Хэнфорда, реки Течи и Кыштымскую аварию 1957 года на «Маяке».

Плутоний нашел и мирное применение. Изотоп плутоний-238, впервые полученный группой Сиборга, благодаря устойчивому тепловыделению стал источником энергии для космических аппаратов, удаленных от Солнца, - «Вояджеров», «Кассини», марсоходов «Кьюриосити» и «Персеверанс». В 1970-е годы его использовали даже в кардиостимуляторах. Плутоний также применяется в ядерной энергетике в составе смешанного уран-плутониевого топлива.

Итоги

Открытие плутония в Беркли в 1941 году стало одним из ключевых событий в истории ядерной физики и химии. Молодые ученые, работая с невидимыми количествами вещества, получили первый искусственный элемент, имевший огромное практическое значение, и доказали, что его изотоп может служить ядерной взрывчаткой. Это открыло второй, наряду с обогащением урана, путь к атомной бомбе и определило облик Манхэттенского проекта и последующей гонки ядерных вооружений.

Одновременно работы Сиборга положили начало химии трансурановых элементов, изменили периодическую таблицу и дали человечеству новые источники энергии. Плутоний, названный в честь далекой планеты и бога подземного царства, стал одним из символов атомного века - с его возможностями и опасностями.