Атомный проект. Жизнь за «железным занавесом» - Бруно Понтекорво

С 1936 по 1940 г. Бруно Понтекорво работал с Фредериком Жолио-Кюри в Институте радия, в Коллеж де Франс и в лаборатории атомного синтеза в Иври[27]. Бруно Понтекорво приехал из Рима, где работал с Энрико Ферми после окончания в 1932 г. Римского университета. Он был самым молодым, но не менее блестящим в этой замечательной группе «парней с улицы Панисперна»[28] и внес существенный вклад в столь бурное развитие нейтронной физики.

Работы Бруно Понтекорво по замедлению нейтронов и их захвату ядрами принесли ему премию Министерства национального образования, что давало возможность поработать за границей. Посоветовавшись с Энрико Ферми, Бруно Понтекорво выбрал Париж и работу у Фредерика Жолио-Кюри. Там он продолжает исследование замедления нейтронов и их захвата ядрами и публикует работы «О происхождении неоднородности излучения при захвате нейтронов ядрами» и «О рассеянии моноэнергетических нейтронов протонами».

Бруно Понтекорво интересовался также ядерной изомерией. В 1917 г. Ф. Содди высказал предположение о существовании этого явления, и первым известным примером был изомер урана X — уран Z, открытый О. Ганом в 1921 г. (сегодня мы знаем, что это два β-радиоактивных изомера 234Pa). Долгое время полагали, что ядерная изомерия — явление исключительно редкое. Но после открытия в 1934 г. Ирэн и Фредериком Жолио-Кюри искусственной радиоактивности были предприняты попытки получить радиоактивные изотопы бомбардировкой стабильных элементов различными частицами; так были найдены многочисленные случаи ядерной изомерии, первым из которых был 80Вr, обнаруженный И. В. Курчатовым и др. После этого интерес к ядерной изомерии возрос.

В Париже Бруно Понтекорво работал над этой темой практически в одиночку. Конечно, он пользовался ценными советами своего второго учителя Фредерика Жолио-Кюри, о чем позднее рассказывает в своих автобиографических заметках.

В 1936 г. К. Вайцзеккер предложил механизм, объясняющий метастабильность возбужденного изомерного состояния: он предположил, что угловой момент первого возбужденного уровня отличается на много единиц от момента основного состояния.

Немного позднее, в 1937 г., Фредерик Жолио-Кюри организует в Париже «Конгресс дю Пале де ля Декуверт»[29]. Там Бруно Понтекорво выдвигает качественные соображения «Относительно возможного существования β-стабильных изомеров», которые затем приводят его к открытию этих изомеров. Уже здесь проявилось то, что характеризует все научное творчество Бруно Понтекорво: для него теория не является абстракцией, он умеет делать конкретными теоретические заключения и, обладая выдающимися качествами экспериментатора, разработать до мельчайших деталей фундаментальные эксперименты.

Много лет спустя, в 1984 г., по случаю празднования пятидесятой годовщины открытия искусственной радиоактивности, Бруно Понтекорво опишет обстоятельства, условия и атмосферу этих исследований по ядерной изомерии. Ниже следует резюме, извлеченное мною из статьи «Некоторые ранние исследования по ядерной изомерии».

Бруно Понтекорво выдвигает идею, заключающуюся в следующем: поскольку не наблюдается испускания γ-лучей при переходе из возбужденного изомерного состояния в основное, то здесь должна иметь место сильная внутренняя конверсия этих лучей; следовательно, нужно искать электроны конверсии. Последние имеют маленькую энергию, в связи с чем их трудно детектировать; в этом, по-видимому, и заключается причина того, что указанный процесс еще не изучен. Он предсказывает также, что многие не очень легкие ядра могут быть возбуждены до этих метастабильных состояний. Кроме того, Бруно Понтекорво выдвигает гипотезу о том, что должны существовать β-стабильные изомеры, впрочем, весьма редкие. Эти изомеры особенно интересны, поскольку излучение, испускаемое при переходе, «не маскируется» β- и γ-лучами. Таким образом, изомерия может быть лучше исследована; внутренняя конверсия сопровождается испусканием рентгеновских лучей, анализ которых представляет исключительный интерес для интерпретации изомерии.

Для детектирования излучения малой энергии Бруно Понтекорво конструирует цилиндрические счетчики Гейгера — Мюллера диаметром 2 мм и длиной 40 мм с пятимикронной алюминиевой стенкой, заполненные воздухом при атмосферном давлении. Эту технику он изучал вместе со своими флорентийскими друзьями Дж. Бернардини, Д. Бочарелли и Дж. Оккиалини.

Изомеры могут быть получены либо в ядерных реакциях, либо в радиоактивных распадах. Бруно Понтекорво выбирает индуцированные медленными нейтронами реакции, которые он хорошо знает. В качестве мишени он использует родий, который, как и бром, является хорошим кандидатом для такого исследования. Выбор обусловлен причиной чисто сентиментальной. В Риме он работал над радиоактивностью родия, индуцированной нейтронной бомбардировкой, причем эта радиоактивность служила индикатором нейтронов. Бруно Понтекорво обнаружил два периода полураспада — 44 с и 4,2 мин (позже он расскажет, что пробежал по меньшей мере 100 км с радиоактивным родием).

С помощью «рудиментарного» метода измерения поглощения и простой установки (источники нейтронов Rn + Be, тонкие мишени из родия и тонкостенные гейгеровские счетчики) он установил, что мягкая компонента обусловлена излучением от внутренней конверсии, сопровождающей переход изомерного состояния в основное состояние родия с периодом полураспада 4,2 мин, тогда как период полураспада 44 с соответствует β-распаду 104Rh с переходом в основное состояние 104Pd.

В этом исследовании родия Бруно Понтекорво думал использовать кадмий в качестве подложки источника. Он знал, что бомбардировка кадмия медленными нейтронами не приводит к интенсивной радиоактивности. В то же время подготовительные эксперименты, в которых можно было наблюдать очень мягкое излучение, показали, что при бомбардировке быстрыми нейтронами кадмиевая подложка становилась радиоактивной с периодом полураспада T = 50 мин. Как показал химический анализ, проведенный вместе с М. Доде, эта радиоактивность была обусловлена изотопом кадмия. Испускаемое излучение было приписано β-стабильному изотопу кадмия, причем этот изотоп получался не путем захвата нейтрона, а в реакции (n, nγ) без захвата быстрых нейтронов. Эта реакция была известна Бруно Понтекорво еще со времени его работы в Риме, когда он изучал неупругое рассеяние быстрых нейтронов в свинце. Совместно с М. Доде он представляет работу «О радиоэлементе, образованном в кадмии под воздействием быстрых нейтронов».

Это был первый пример изомера, возбужденного быстрыми нейтронами.

Бруно Понтекорво предположил, что другим способом получения β-стабильных изомеров может служить облучение мишени рентгеновскими лучами, энергетический спектр которых непрерывен, но с энергией ниже порога развала ядра; тогда трансмутация ядра мишени невозможна и не происходит рождения радиоактивных изотопов, излучение которых мешало бы наблюдению мягких электронов. В таком случае эксперимент является более «чистым». Высокие уровни ядра возбуждаются чем-то вроде ядерной «флюоресценции», и испускание «флюоресцентных» γ-лучей может оставить ядро в метастабильном состоянии, которое детектируется по излучению, сопровождающему изомерный переход.