Золотые рыбки
В 1934 году в Римском университете собралась группа молодых и амбициозных физиков, которых прозвали "мальчуганами". Возглавил ее Энрико Ферми.
Группа плотно занялась нейтронной физикой. Двое "мальчуганов", Бруно Понтекорво и Эдоардо Амальди, бомбардируя нейтронами различные материалы и замеряя искусственную радиоактивность, обнаружили большую странность. Оказывается, величина приобретенной веществами радиоактивности зависела от того, какие предметы находились рядом с облучаемым материалом. Когда облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то у него наблюдалась гораздо меньшая радиоактивность, чем у него же во время облучения на деревянном столе. Энрико Ферми этот факт сразу навел на серьезные размышления. Но пока ученый предпочитал о них не рассказывать. Он только посоветовал коллегам поместить облучаемый образец в парафин и посмотреть, что получится.
Они так и поступили. Взяли кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а в нее поместили облучаемый образец – серебряный стаканчик, внутри которого находился источник нейтронов. После облучения проверили радиоактивность серебряного стаканчика. Произошло чудо: парафин в сто раз увеличил радиоактивность стаканчика!
Опыт убедил Энрико Ферми в правильности его догадки. Когда быстрый нейтрон сталкивается с ядром, то его поведение после столкновения сильно зависит от того, с каким ядром он столкнулся – легким или тяжелым. Если ядро тяжелое, то нейтрон ударится о него, как о неподвижную стенку, и отскочит почти с той же энергией, какую имел до столкновения, – примерно как бильярдный шар, ударившийся о бортик. Если же ядро легкое, то нейтрон передаст ему часть своей энергии. Чем легче ядро, тем больше энергии потеряет нейтрон.
Предельный случай – когда ядро имеет массу, равную массе нейтрона. Например, ядро атомов водорода, которое содержит единственный протон. Его масса примерно равна массе нейтрона. Ударившись о такое ядро, нейтрон может потерять всю свою энергию. Опять вспомним бильярдные шары: при лобовом столкновении двух одинаковых шаров налетающий шар останавливается, а другой отскакивает со скоростью налетевшего на него шара. А что происходит, если нейтрон пролетает через вещество с меньшей скоростью? Тогда он с большей вероятностью может быть захвачен каким-либо ядром. Ведь время нахождения нейтрона вблизи ядра при уменьшении скорости увеличивается, и, следовательно, увеличивается время взаимодействия между ними. Значит, чем легче ядра атомов вещества, тем большее количество пролетающих через него нейтронов потеряет энергию и будет захвачено ядрами. И тем больше будет радиоактивность облучаемого вещества.
Поэтому и наблюдались странные явления в опытах "мальчуганов". Когда облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то нейтроны, ударяясь о ядра атомов свинца, почти не изменяли своей энергии. А если образец помещали на деревянный стол, то дерево, содержащее много легких ядер водорода и углерода, сильно замедляло и рассеивало нейтроны. Некоторые из них после нескольких соударений возвращались назад уже сильно замедленными. Они-то и захватывались ядрами атомов серебра, что увеличивало его радиоактивность. В парафине еще больше атомов водорода, поэтому, как и ожидал Ферми, радиоактивность серебра, облученного в парафине, оказалась еще выше.
Впрочем, физик захотел дополнительно убедиться в правильности своей теории. Для проверки "мальчуганы" выбрали бассейн с золотыми рыбками, находившийся рядом с лабораторией. По теории Ферми, вода, содержащая много водорода, должна еще лучше замедлять нейтроны. Опять провели опыт с серебряным стаканчиком. И что же? Радиоактивность серебра возросла еще больше. Теперь сомнений не было – поведением нейтронов можно управлять, используя вещества с разным атомным весом. Так было открыто явление замедления нейтронов.
Открытие "мальчуганов" Энрико Ферми было очень важным. Первая управляемая цепная реакция, которую осуществил Ферми через восемь лет, в 1942 году, была бы невозможна без замедления нейтронов.
Взорвать атом
Разумеется, наибольший интерес "мальчуганов" вызывал процесс удивительных превращений вещества. Они уже знали, что если облучать элементы нейтронами, то в результате поглощения нейтронов ядрами одного элемента, как правило, получаются ядра другого элемента, стоящего на одну клеточку дальше в таблице Менделеева. А что, если облучать нейтронами последний известный элемент – уран? Тогда должен получиться элемент, стоящий в таблице Менделеева на 93-м месте (через много лет его назвали нептунием). Это будет элемент, которого нет в природе, – искусственный элемент! Какой он? Как выглядит? Как ведет себя? Молодым ученым не терпелось узнать.
"Мальчуганы" начали облучать уран нейтронами. Как и следовало ожидать, он приобрел искусственную радиоактивность. Но эта радиоактивность была какая-то странная: после облучения в уране появился не один элемент, как ожидалось, а по крайней мере десяток. И Энрико Ферми, пославший сообщение об этом в научный журнал, писал, что здесь налицо какая-то загадка. Возможно, появился 93-й элемент, но точных доказательств этому нет. С другой стороны, есть доказательства, что появились какие-то другие элементы. Но какие?
Сообщество физиков заинтересовалось сообщением Ферми. Ирен Жолио-Кюри, имеющая большой опыт химических исследований, взялась точно выяснить, прав ли итальянский коллега. Она повторила опыты и тщательно исследовала химический состав кусочка урана. И получила невероятный результат. В уране появился лантан – элемент, стоящий в середине таблицы Менделеева!
Двое известных немецких физиков, Отто Ган и Фриц Штрассман, не захотели согласиться с результатами опытов Ирен Жолио-Кюри. Они провели контрольную серию экспериментов и убедились, что в уране появился не только лантан, но и барий. А ведь барий также стоит примерно в середине таблицы Менделеева. Снова загадка!
Ган и Штрассман сообщили о своих наблюдениях научному сообществу, а также написали письмо известному австрийскому радиохимику Лизе Мейтнер, с которой находились в хороших отношениях. Лиза Мейтнер, эмигрировавшая в Швецию после аншлюса Австрии, взялась решить проблему. В работе ей помогал племянник – физик-экспериментатор Отто Фриш. Она предположила, что при попадании нейтрона ядро урана разваливается на части: только так можно было объяснить появление в уране элементов с весом, примерно вдвое меньшим, чем уран. Свои соображения Мейтнер опубликовала 18 февраля 1939 года в виде заметки с заголовком "Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции".
Однако сообщение Лизы Мейтнер запоздало на две недели. 30 января Фредерик Жолио-Кюри представил в "Труды Парижской академии наук" обширную статью "Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под воздействием нейтронов". Продолжая исследования лантана, Жолио-Кюри пришел к выводам, аналогичным тем, что сделали Мейтнер и Фриш, и показал, что под ударом нейтронов ядра урана разваливаются на два осколка. При этом знаменитый французский физик двинулся еще дальше, что легко заметить, сравнив заголовки опубликованных сообщений. Лиза Мейтнер писала о "распаде урана", а Жолио-Кюри – о "взрывном расщеплении ядер урана". Француз не только доказал факт деления ядра урана, но и первым сделал главный и необычайно важный для дальнейшего развития атомной физики вывод: при делении ядра урана освобождается энергия! Ядро распадается на два осколка взрывообразно. Осколки деления с необыкновенной скоростью разлетаются в разные стороны. Их огромная энергия постепенно распределяется между соседними ядрами, и весь кусок урана нагревается. А если число таких делений велико, то и выделяющаяся в результате торможения этих осколков тепловая энергия будет огромной.
Еще в 1935 году, получая Нобелевскую премию, Фредерик Жолио-Кюри произнес прозорливые слова:
Мы вправе сказать, что искатели, создавая или расщепляя по своей воле элементы, смогут осуществить настоящие цепные реакции взрывного типа и перерождение элементов. Если такое перерождение распространится, можно предвидеть огромное освобождение энергии, которую можно использовать.
В то время на пророчество француза не обратили внимания. Большинство физиков считало, что использование атомной энергии – дело отдаленного будущего. Даже Эрнест Резерфорд считал разговоры об этом вздором. Однако в начале 1939 года передовым ученым стало ясно, что они близки к заветной цели. Нагревание куска урана при облучении нейтронами – это и есть искусственно выделенная атомная энергия.
Вскоре выяснилось, что в ходе деления урана (термин "деление" стал официальным по предложению американского ученого Уильяма Арнольда, работавшего в Дании) высвобождается на порядок больше энергии, чем в ходе других ядерных реакций, известных в то время.
А что, если все ядра атомов развалятся одновременно? Значит, будет колоссальный взрыв – вроде тех, которые описывают фантасты в своих романах о войнах будущего.
Чтобы объяснить, какую энергию можно выделить из урана, обычно приводят следующее сравнение. При сгорании одного грамма древесины выделяется 0,0018 кВт·ч. Такого количества энергии достаточно, чтобы лампочка мощностью 100 Вт горела одну минуту. Если сжечь один грамм каменного угля, то энергии выделится в два раза больше – 0,0037 кВт·ч, и ее хватит, чтобы уже две стоваттные лампочки горели в течение одной минуты. При "сгорании" одного грамма уранового топлива выделяется 20 000 кВт·ч, и такого количества энергии хватит для освещения в течение часа города с населением 60 тысяч жителей. Как видите, числа несопоставимы.
Но где взять нейтроны для бомбардировки атомов урана? И как добиться более высокой эффективности процесса, то есть обеспечить большее количество попаданий нейтронов в ядра?
И снова лидером в этих исследованиях стал Фредерик Жолио-Кюри. Он заметил, что в тот момент, когда ядро урана разваливается на два осколка, из него вылетают новые нейтроны! Правда, немного, но все-таки больше, чем расходовалось на деление ядер. Тогда сразу стал ясен вопрос о принципиальном пути выделения внутриатомной энергии. Нейтрон, попавший в ядро атома урана, вызовет его деление. При этом из ядра освободятся два-три новых нейтрона. Эти нейтроны вызовут деление новых ядер урана и так далее. А поскольку деление ядер и освобождение новых нейтронов происходит почти мгновенно, то и процесс будет протекать быстро. Такой процесс назвали "цепным процессом" или "цепной ядерной реакцией".
Кажется, что принципиально все просто. Но почему тогда кусок урана при бомбардировке нейтронами не взрывается? На этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри в то время ответить не мог. Путь к атомному взрыву открыли другие люди.
Глава 3
Творцы апокалипсиса
"Урановая машина"
Европа встретила 1939 год с предчувствием новой мировой войны. Нацисты не скрывали своих реваншистских замыслов. В марте 1938 года состоялся аншлюс Австрии: она была присоединена к Третьему рейху. В октябре 1938 года Германия аннексировала Судетскую область, фактически отобрав у Чехословакии треть территории. На очереди были Польша и Франция. В самой Германии установился жесткий авторитарный режим, евреи были поражены в правах. Многие выдающиеся физики, включая Альберта Эйнштейна, покинули Европу.
Тем не менее среди "расово чистых" немцев еще оставалось достаточно сильных физиков и радиохимиков, чтобы продолжить изыскания в области атомной энергетики.
В середине апреля 1939 года, во время коллоквиума по физике в Гёттингене, профессор Вильгельм Ханле прочитал собравшимся небольшую статью, подготовленную им к печати. Речь в ней шла о некоей "машине", использующей энергию, которая выделяется при расщеплении урана. Сразу после коллоквиума к ученому подошел его шеф – профессор Георг Йоос, авторитетный специалист по экспериментальной и теоретической физике, и пообещал оказать ему содействие в продвижении идеи.
22 апреля Йоос написал письмо в Имперское министерство науки, образования и народной культуры, которому тогда подчинялись все немецкие университеты. Там отреагировали с поразительной быстротой. Профессору Абрахаму Эзау из Йены было поручено немедленно созвать в Берлине конференцию по вопросам ядерной физики. Вообще-то он был специалистом в области высокочастотной техники, но зато не раз выказывал политическую активность, всячески поддерживая гитлеровский режим. Эзау взялся за дело, составив список ученых, которым полагалось присутствовать на конференции. На первом месте, конечно же, значился Отто Ган – один из тех, кто доказал факт распада ядер урана при бомбардировке нейтронами. Однако тот отказался от участия, сославшись на то, что его ждут в Швеции с лекционным туром. В итоге Гана замещал профессор Йозеф Маттаух.
Секретное заседание проходило 29 апреля 1939 года в здании министерства на Унтер-ден-Линден. Присутствовали: Абрахам Эзау (председатель), Георг Йоос, Вильгельм Ханле, Георг Дёпель, Вольфганг Гентнер, Ханс Гейгер, Йозеф Маттаух, Вальтер Боте и Герхард Хоффман.
В ходе обсуждения Йоос и Ханле лаконично обрисовали уровень развития ядерной физики в Германии и в других странах, а также обсудили реальность строительства экспериментальной "урановой машины" (или "урановой печи").
Профессор Эзау рекомендовал собрать воедино все запасы урана, имеющиеся в стране. Теперь вывоз любых соединений урана из Третьего рейха был запрещен – тем более что его было мало. В то время крупнейшие запасы его находились в Бельгии, поскольку ее колония, Конго, была богата месторождениями урановых руд. На тамошних складах хранились тысячи тонн урана – их следовало срочно скупить.
Кроме того, ученые решили создать научно-исследовательскую группу, названную "Ассоциацией по ядерной физике", которая объединила бы всех ведущих физиков рейха. Руководство собирался взять на себя сам профессор Эзау. Исследования должны были проводиться в Физико-техническом институте Берлина и Гёттингенском университете.
В то же самое время атомной проблематикой заинтересовались немецкие военные. 24 апреля молодой гамбургский профессор Пауль Хартек и его ассистент Вильгельм Грот обратились с письмом в Имперское оборонное министерство. Они сообщали, что новые открытия в области ядерной физики, вероятно, позволят изобрести взрывчатку невиданной мощи. Вкратце они изложили суть исследований Отто Гана и Фрица Штрассмана и, упомянув о недавнем эксперименте Фредерика Жолио-Кюри, пояснили, что американцы, англичане и французы придают огромное значение развитию ядерной физики. В Германии же ею пренебрегают. Авторы письма подытоживали: "Страна, которая добьется в этой области наибольшего прогресса, получит такой перевес над другими, что сравняться с ней будет уже невозможно".
Письмо поначалу попало к генералу артиллерии Карлу Беккеру, возглавлявшему Управление вооружений сухопутных войск. Оттуда его переправили в Отдел научных исследований, коим руководил профессор-полковник Эрих Шуман. Наконец, тот вручил письмо доктору Курту Дибнеру, специалисту вооруженных сил по ядерной физике и взрывчатым веществам.
Курт Дибнер оказался на этом посту неслучайно. В 1931 году он защитил диссертацию на тему "Ионизация под действием альфа-лучей" и некоторое время трудился в лаборатории Физико-технического института над созданием нового ускорителя частиц. Но в 1934 году его призвали в армию, и он попал в Отдел научных исследований, где по заказу люфтваффе изучал кумулятивные взрывчатые вещества. Ему, физику-ядерщику, такая работа не слишком нравилась, и он попросил Шумана создать при отделе новую группу, которая занималась бы только атомной проблематикой.
Прочитав письмо коллег, Курт Дибнер обратился за советом к прославленному Хансу Гейгеру, создателю хорошо известного счетчика ионизирующих излучений. Тот одобрительно отнесся к рассуждениям неизвестных ему физиков о новой взрывчатке. Летом Дибнер ознакомился с литературой, посвященной производству атомной энергии. Ему не понадобилось много времени, чтобы понять ценность новой идеи и заинтересовать руководство. Итогом деятельности Дибнера стал приказ о создании группы по урановым исследованиям, которую он сам и возглавил.
Так Германия оказалась единственной промышленно развитой державой, где еще накануне Второй мировой войны были созданы сразу два научных коллектива, занимавшиеся возможностью применения атомной энергии в военных целях. Как и следовало ожидать, оба руководителя групп, Абрахам Эзау и Курт Дибнер, стали заклятыми врагами и мешали друг другу в достижении практических результатов.
В воскресенье, 3 сентября 1939 года, Великобритания и Франция в ответ на вторжение в Польшу объявили Германии войну. На следующий день профессор Абрахам Эзау встретился с генералом Беккером. Генерал заверил Эзау, что тот может рассчитывать на его поддержку.
В тот же день Эзау отправился в Имперское министерство экономики, поскольку немецкий атомный проект неожиданно оказался под угрозой. Командование люфтваффе вдруг решило конфисковать все запасы урановых соединений и радия, чтобы изготовить люминесцентные краски для своих самолетов. Эзау хотел заручиться официальной бумагой, гласившей, сколь важны для судеб страны работы физиков и что обойтись без урана им никак нельзя.
Однако выяснилось, что конкуренты тоже не дремлют. Весь доступный уран решили прибрать к рукам полковник Эрих Шуман и его протеже Курт Дибнер. Они же организовали призыв в ряды вооруженных сил молодых перспективных физиков, которых тут же направляли в лаборатории, но уже в статусе офицеров.
Чтобы закрепить позиции, военные чины решили провести секретное совещание, которое состоялось 16 сентября в стенах Физического института Общества кайзера Вильгельма. На него были приглашены Отто Ган, Вальтер Боте, Ханс Гейгер, Пауль Хартек, Йозеф Маттаух, Эрих Багге и другие. Собравшимся предстояло оценить, нужен ли вермахту атомный проект и на что следует делать ставку: на урановую машину или на атомную бомбу.
Отто Ган сообщил, что, согласно новейшим исследованиям, при бомбардировке урана нейтронами расщепляется прежде всего легкий изотоп – уран-235. В природном уране содержание его ничтожно мало. Попытаться же отделить его от остальных изотопов – задача весьма сложная.
Развернулась оживленная дискуссия. В ее ходе вспомнили о знаменитом лейпцигском физике и нобелевском лауреате Вернере Гейзенберге. Именно он, по мнению ряда присутствующих, мог создать работоспособную теорию цепной реакции, которую и можно было бы использовать при строительстве "машины". Такое предложение понравилось далеко не всем: Вальтер Боте и Герхард Хоффман поднялись со своих мест и заявили, что не хотят иметь дело с Гейзенбергом.
Ученые на совещании так и не решили, какой именно изотоп расщепляется при обстреле урана нейтронами. Впрочем, многие склонялись к мысли, что это действительно уран-235. Следовало провести чистый эксперимент: рассортировать изотопы урана, обстрелять их по очереди нейтронами и посмотреть, что произойдет. Проведение опыта поручили Паулю Хартеку: ведь он уже занимался разделением изотопов различных элементов, в том числе ксенона и ртути.
Процесс разделения, называемый "термодиффузия", кажется несложным. Установка состоит из двух концентрических трубок: внутренняя разогрета, наружная охлаждается. Пространство между трубками заполняется урановым соединением. Теоретически более легкие изотопы должны группироваться возле теплой поверхности.