Нейтрон в ядерной физике и ее приложениях играет не меньшую роль, чем электрон в электронике. Первая искусственная ядерная реакция наблюдалась Резерфордом в 1919 году. Опыт действительно показал, что при облучении некоторых веществ (бериллий, бор, литий) возникает какое-то излучение, вызывающее слабые разряды счетчика Гейгера. Особенно сильное излучение давал бериллий.
Если протоны появляются под действием γ-квантов, то, очевидно, этот процесс есть комптон-эффект на протонах водорода, в котором их можно считать свободными. Итак, гипотеза, отождествляющая бериллиевые лучи с γ-квантами, приводила к противоречивым результатам. Для одной и той же величины различные методы давали различные значения. Однако, как указал Чедвик, все противоречия устраняются, если предположить, что бериллиевые лучи образуются потоком не γ-квантов, а других нейтральных частиц, названных им нейтронами.
Возможность существования нейтронов предусматривалась еще Резерфордом в 1920 году. Он допускал возможность существования сложной частицы, состоящей из протона и электрона. Но в этой частице протон и электрон связаны между собой еще более прочно, чем в атоме водорода в основном состоянии. Существование подобной нейтральной частицы подтвердилось, но и гипотезу об ее строении из протона и электрона пришлось оставить.
Однако гипотеза Резерфорда о строении нейтрона позволяет сразу понять, почему для выбивания наблюдаемых протонов из парафина требуются нейтроны с несравненно меньшей энергией, чем энергия у γ-квантов. Дело в том, что в соответствии с гипотезой Резерфорда масса нейтрона должна быть с большой точностью равна массе протона.

 

* * *

 

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана 235 в среднем возникает 2,4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Такой лавинообразный процесс и называется цепной реакцией.
Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в среде. Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу.
С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже критической цепная реакция не идет. Наоборот, заметное превышение массы над критической ведет к неуправляемой реакции взрыва.
Время жизни одного поколения нейтронов сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от 10–4 до 10–8 с. Из-за малости этого времени для осуществления управляемой цепной реакции надо с большой точностью поддерживать равенство k = 1, так как, скажем, при k = 1.01 система почти мгновенно взорвется.

 

Ядерная реакция, энергия которой используется в ядерных взрывных устройствах, заключается в делении ядра в результате захвата этим ядром нейтрона. Поглощение нейтрона способно привести к делению практически любого ядра, однако для подавляющего большинства элементов реакция деления возможна только в случае, если нейтрон до поглощения его ядром обладал энергией, превышающей некоторое пороговое значение. Возможность практического использования ядерной энергии в ядерных взрывных устройствах или в ядерных реакторах обусловлена существованием элементов, ядра которых делятся под воздействием нейтронов любой энергии, в том числе сколь угодно малой. Вещества, обладающие подобным свойством, называются делящимися веществами.
Единственным встречающимся в природе в заметных количествах делящимся веществом является изотоп урана с массой ядра 235 атомных единиц массы (уран-235). Содержание этого изотопа в природном уране составляет всего 0.7%. Оставшаяся часть приходится на уран-238. Поскольку химические свойства изотопов абсолютно одинаковы, для выделения урана-235 из природного урана необходимо осуществление достаточно сложного процесса разделения изотопов. В результате может быть получен высокообогащенный уран, содержащий около 94% урана-235, который пригоден для использования в ядерном оружии.
Делящиеся вещества могут быть получены искусственно, причем наименее сложным с практической точки зрения является получение плутония-239, образующегося в результате захвата нейтрона ядром урана-238 (и последующей цепочки радиоактивных распадов промежуточных ядер). Подобный процесс можно осуществить в ядерном реакторе, работающем на природном или слабо обогащенном уране. В дальнейшем, плутоний может быть выделен из отработавшего топлива реактора в процессе химической переработки топлива, что заметно проще осуществляемого при получении оружейного урана процесса разделения изотопов.
Для создания ядерных взрывных устройств могут быть использованы и другие делящиеся вещества, например уран-233, получаемый при облучении в ядерном реакторе тория-232. Однако, практическое применение нашли только уран-235 и плутоний-239, прежде всего из-за относительной простоты получения этих материалов.
Возможность практического использования выделяющейся при делении ядер энергии обусловлена тем, что реакция деления может иметь цепной, самоподдерживающийся характер. В каждом акте деления образуется примерно два вторичных нейтрона, которые, будучи захвачены ядрами делящегося вещества, могут вызвать их деление, в свою очередь приводящее к образованию еще большего количества нейтронов. При создании специальных условий, количество нейтронов, а следовательно и актов деления, растет от поколения к поколению.