Независимо от Жолио-Кюри Ферми обнаружил, что если па пути нейтронов находится парафин или вода, то, пройдя эти вещества, нейтроны становятся более эффективными «снарядами», и результат бомбардировки в некоторых случаях повышается в 100 раз. Обнаружив это явление, важность которого стала понятна несколько позже, Ферми провел серию опытов для более детального изучения замедления нейтронов. Опыты проводили так: в центре мишени, изготовленной в виде маленького цилиндрика, помещали на определенное время источник нейтронов. Затем мишень помещали у счетчика Гейгера — Мюллера и определяли интенсивность искусственной радиоактивности; этот же опыт повторяли, помещая источник нейтронов и мишень на время облучения в полость в центре парафинового блока. После измерения интенсивности искусственной радиоактивности мишени ученые убеждались, что она гораздо больше, чем в опытах без парафина. Таким образом, было сделано еще одно важное открытие на пути к овладению атомной энергией, а именно показано, что замедление нейтронов повышает их эффективность как бомбардирующих частиц.
Эффект замедления нейтронов часто называют «эффектом Ферми», хотя правильнее было бы называть его «эффектом Жолио — Ферми». Позже свойство парафина, воды, графита замедлять нейтроны сыграло исключительно важную роль в практическом использовании атомной энергии. В ядерных реакторах, построенных под руководством Ферми в США и И.В. Курчатова в СССР, использовался в качестве замедлителя нейтронов графит. В реакторе, созданном Жолио-Кюри, замедлителем нейтронов была тяжелая вода. Но от искусственной радиоактивности до постройки ядерных реакторов необходимо было пройти еще сложный путь, и Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были в числе лидеров.
Ферми объяснял эффект замедления нейтронов тем, что содержащиеся в парафине атомы водорода замедляют нейтроны значительно сильнее, чем атомы других элементов. Поскольку массы нейтрона и протона почти одинаковы, при каждом столкновении этих двух частиц их кинетическая энергия распределяется почти поровну. Ферми показал, что нейтрон с энергией 2 миллиона электрон-вольт после двадцати столкновений с атомами водорода теряет свою энергию почти до уровня теплового возбуждения. Поэтому медленные нейтроны называются также тепловыми нейтронами. Оставалось еще объяснить факт, казавшийся парадоксальным, а именно: почему тепловые нейтроны более эффективны для осуществления ядерных реакций, чем быстрые? Этот парадокс был объяснен с помощью квантовой механики.
Пользуясь замедленными нейтронами, Ферми и его сотрудники получили радиоактивные изотопы всех элементов, выбранных для опытов, причем в ряде случаев интенсивность излучения изотопов была больше, чем у радия.
Экспериментальные данные и теоретические соображения позволили Ферми прийти к выводу о существовании трех процессов образования искусственных радиоактивных элементов. Все они начинаются с захвата нейтрона ядром, после чего ядро испускает альфа-частицу или ничего не испускает, но во всех трех случаях образуется новый радиоактивный изотоп. Первые два процесса встречаются чаще при бомбардировке легких ядер, третий — при бомбардировке ядер тяжелых элементов.
В 1934 году в опытах, продолжавшихся в Римском университете, Ферми облучал нейтронами уран. В результате образовывалась смесь нескольких бета-радиоактивных изотопов. Среди них, по мнению Ферми, Разетти и Д'Агостино, должны были находиться элементы с атомными номерами 93 и 94. Они даже назвали эти элементы аусонием и эсперием. Позднее стало ясно, что хотя при бомбардировке урана и тория действительно образуются трансурановые элементы, сообщение Ферми об открытом им первом трансурановом элементе 93 было неверно. По словам Бруно Понтекорво, это была единственная ошибка Ферми в течение его долгой и блестящей исследовательской деятельности.
Объясняя образование нового элемента, принятого за трансурановый, Ферми исходил из классического розерфордовского механизма искусственных ядерных реакций, известного в то время. В ядерных реакциях, осуществленных Резерфордом в течение нескольких лет (с 1919 года), ядра при столкновении с альфа-частицами испускали одну или несколько частиц и превращались в ядра других элементов, находящихся в соседних клетках таблицы Д.И. Менделеева. Ферми считал, что при бомбардировке нейтронами ядро урана поглощает медленный нейтрон и становится сверхтяжелым неустойчивым ядром изотопа урана, ранее неизвестного в природе. Это неустойчивое ядро изотопа урана испускает бета-частицу и в соответствии с законом Содди и Фаянса превращается в новый элемент с порядковым номером 93.
Как ни парадоксально, но ошибка Ферми сыграла положительную роль в дальнейшем развитии ядерной физики, которое в конце концов привело к открытию реакции деления урана и, следовательно, вплотную приблизило физиков к овладению атомной энергией.
Ирен Жолио-Кюри решила проверить правильность утверждения Ферми об открытии им 93-го элемента. Вместе с Павле Савичем она исследовала вещество, принятое Ферми за новый трансурановый элемент, и показала, что оно обладает свойствами лантана. Это открытие предвещало сенсацию в физике, а именно установление того факта, что существуют ядерные реакции, при которых ядро «раскалывается» на два приблизительно равных по массе осколка. Теперь каждый знает, что такая реакция называется реакцией деления и именно она лежит в основе использования атомной энергии.
В 1938 году на конгрессе Национального химического объединения в Риме Фредерик Жолио-Кюри встретил немецкого ученого Отто Гана и рассказал ему об опытах Ирен и Павле Савича. По этому поводу профессор Ган сказал Фредерику примерно следующее: «Я очень восхищен вашей женой и очень дружелюбно отношусь к ней. И все же я решил повторить ее опыты и надеюсь в скором времени показать, что она ошиблась». Знаменитому немецкому радиохимику, ученику Резерфорда, казалось маловероятным, что при бомбардировке нейтронами урана в результате ядерной реакции получается лантан.
Возвратившись в Берлин, Отто Ган вместе с Лизе Мейтнер, а позднее с Фрицем Штрассманом занялся проверкой опытов Ирен Жолио-Кюри. Пользуясь методикой Ферми и Жолио-Кюри, Отто Ган с сотрудниками Института химии Кайзера Вильгельма в Берлине облучал уран потоком нейтронов и исследовал продукты, получающиеся при ядерной реакции. Исследователи с удивлением обнаружили среди этих продуктов не только лантан, подмеченный Ирен Жолио-Кюри, но и барий, т.е. другой элемент средней части таблицы Д.И. Менделеева.
Но прежде чем рассказать о последствиях экспериментов Ирен Жолио-Кюри, которые привели к открытию цепной реакции деления урана и значительно приблизили возможность создания ядерного реактора, напомним о том, что в продуктах деления урана действительно были также и трансурановые элементы; однако их обнаружили через несколько лет после опытов Ферми, о которых шла речь. В 1940 и 1941 годах были получены первые трансурановые элементы: нептуний и плутоний с порядковыми номерами 93 и 94. В течение последующих лет физики и радиохимики открыли еще около десятка других трансуранов — америций, кюрий, берклий, калифорний и другие. Методы выделения новых трансурановых элементов основаны на бомбардировке мишеней различными частицами. Так, кюрий и калифорнии получали облучением нейтронами плутония и америция в ядерном реакторе.
Отто Ган и Фриц Штрассман вскоре после своих опытов, проведенных для проверки открытия Ирен Жолио-Кюри и Павле Савича, высказали предположение о том, что ядро урана при бомбардировке нейтронами может раскалываться на два радиоактивных осколка, примерно одинаковых по массе.
Статья Гана и Штрассмана была в январе 1939 года получена Жолио-Кюри. Она подтвердила правильность опытов Ирен Жолио-Кюри и свидетельствовала о существовании нового типа ядерных реакций. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обсудили результаты опытов Гана и Штрассмана, и тут же Фредерик высказал исключительно важную мысль о том, что количество нейтронов, испускаемых при бомбардировке урана, должно превышать количество нейтронов, осуществляющих раскалывание ядер урана.
