На третьей неделе декабря Ган решил поставить контрольный опыт. Он заново провел фракционную кристаллизацию специально приготовленного раствора, введя в него заведомо известный изотоп радия ThX. Все шло как положено: из кристаллов хлористого бария удавалось выделить даже ничтожные количества атомов истинного изотопа радия. Значит, метод работал, и ошибку следовало искать в чем-то другом.
В субботу 17 декабря Ган и Штрассман все ещё не пришли в себя после столь неожиданного поворота событий. Но первые проблески истины уже забрезжили перед ними: в тот день они сдвоили опыт. В общем растворе содержались неопознанные "изотопы радия" и подлинный изотоп радия - MsTh1. Последний был намеренно введен в раствор в качестве индикатора. Из уранового раствора оба вещества выводились с помощью все того же бариевого носителя. Их перевели в осадок, а затем начали фракционную кристаллизацию. Опыт был тончайший. На любом его этапе Гана и Щтрассмана могли сбить с толку множество продуктов радиоактивного распада почти всех участвовавших в опыте веществ. Они учитывали эту опасность. На каждом этапе кристаллизации они проверяли радиоактивность кристаллов хлористого бария. И счетчик показывал, что от этапа к этапу концентрация мезотория - истинного изотопа радия - повышалась так, как и следовало. Но то удивительное вещество, которое они уже привыкли считать изотопом радия, вело себя совершенно иначе: на каком бы этапе ни проверялись кристаллы, его концентрация оставалась неизменной, так же как и концентрация самого бария. Это странное вещество распределялось в барии равномерно. Такая равномерность казалась странной, но многозначительной.
В ночь с субботы на воскресенье Ган записал в дневнике: "Волнующий опыт фракционного разделения радия /бария/ мезотория".
Сам он уже отбросил сомнения: вещество, которое они до сих пор принимали за радиоактивный изотоп радия, никакими химическими способами не могло быть отделено от бария, потому что само оно было не что иное, как радиоактивный изотоп бария!
Медленные нейтроны, бомбардируя самый тяжелый из естественных элементов - уран, порождали барий - элемент, почти вдвое более легкий! Атомы урана рвались на части!
3
Конец недели и начало следующей ознаменовались для Гана не только эпохальным открытием, в эти же дни на его долю выпало пережить немало неприятностей и унижений. Он взялся устроить дела уехавшей Лизы Мейтнер, и для этого понадобилось побывать в налоговом управлении в Берлине, а в понедельник утром обратиться к Карлу Бошу, президенту Института кайзера Вильгельма, с просьбой помочь передать квартиру Лизы профессору Маттауху, ведущему венскому физику, которого Отто Ган пригласил заменить Лизу Мейтнер.
Да… время было тяжелым. Как раз тогда берлинские власти открыли выставку "Бродячий еврей", и Гану стало известно, что и ему там выделили место: кто-то постарался напакостить. Расчет был верный - начальство перепугалось. Удивляться, однако, не приходилось: и выставка, и перепуганное начальство были знамениями времени.
Закончив в конце концов хлопоты и переговорив с Бошем, Ган отправился в Берлин-Далем, в лабораторию, где его с нетерпением ждал Штрассман. В тот же день они поставили еще один опыт. Такой же, как и предыдущий, но на сей раз для выяснения сущности второй группы неопознанных изотопов, которые выделялись из первичного раствора лантаном.
А когда вещества были выделены и началось измерение периодов полураспада, Ган в промежутках между записью показаний счетчика Гейгера писал подробное послание Лизе Мейтнер, с которой бок о бок проработал более тридцати лет и которой пришлось оставить дело всего лишь за несколько месяцев до величайшего успеха.
Письмо было датировано так: "Понедельник, 19-го, вечер, лаборатория".
Человек обязательный, Ган начал отчетом о своих попытках урегулировать дела Лизы и лишь затем перешел к тому, что более всего интересовало их обоих:
"И в это же время мы со Штрассманом неустанно трудились - со всем напряжением, на какое способны, - над урановыми веществами. Нам помогали фрейлейн Либер и фрейлейн Боне. Сейчас, когда я пишу эти строки, уже одиннадцать часов. В четверть двенадцатого возвратится Штрассман, и, вероятно, я смогу отправиться домой. Суть заключается в том, что мы узнали о "радиевых изотопах" столь странные вещи, что пока решаемся рассказать их только Вам. Мы с абсолютной точностью измерили периоды полураспада трех изотопов. Мы узнали, что они могут быть отделены от всех элементов, за исключением бария; все процессы идут как полагается, но есть одно поистине странное совпадение - метод фракционной кристаллизации не работает. Наш "радиевый изотоп" ведет себя точно так же, как и сам барий".
Затем Ган подробно перечислил все проведенные опыты, включая и опыты с намеренным введением индикатора, и перешел к рассказу о том, как они безуспешно пытались повысить концентрацию искусственных радиевых изотопов, несмотря на то, что концентрация индикатора - истинного изотопа радия - неуклонно повышалась от фракции к фракции. "В этом многозначительном совпадении, - Ган снова написал о нем, - вероятно, и кроется вся суть. Но мы стараемся удержаться от ужасающего вывода, что наши "радиевые изотопы" ведут себя не как радий, а ведут себя как барий". Штрассман был согласен с Ганом, он тоже считал возможным сообщить об открытии только Мейтнер, и они оба надеялись, что, быть может, именно ей, физику, удастся найти всему этому "какое-нибудь хитроумное объяснение", не противоречащее теории. "Мы оба отлично знаем, что уран в действительности не может расщепляться до бария. Но теперь мы собираемся выяснить, ведут ли себя "активные изотопы", как актиний, или же они подобны лантану. Это очень тонкий эксперимент. Но мы должны узнать истину!"
Заканчивая письмо, Ган еще раз попросил Мейтнер подумать, есть ли вообще хоть какая-нибудь возможность объяснить их результаты на основании известных законов физики, и со свойственными ему широтой и благородством на случай ее согласия предлагал опубликовать работу за подписями всех троих. "А теперь мне пора к моим счетчикам", - закончил он письмо. Он опустил его в почтовый ящик той же ночью.
Подоспело время рождественских каникул. Во вторник в Институте кайзера Вильгельма должен был состояться ежегодный рождественский вечер. Настроение у Гана было безрадостным, он вспоминал лучшие времена, когда даже в кошмарном сне не могла бы примерещиться выставка "Бродячий еврей" и ничто не мешало Лизе жить безбоязненно в Берлине, работать и посещать рождественские вечера. Думал Ган и о работе, об "интереснейших кривых", которые они со Штрассманом получили на основании опытов, и о том, что им следует как можно скорее написать о своих открытиях, успеть сделать это еще до закрытия Института на рождественские каникулы.
В течение следующих двух дней им удалось закончить вторую часть опытов. Мнимый актиний оказался изотопом лантана - элемента, который, подобно барию, был почти вдвое легче урана.
А 22 декабря 1938 года Ган и Штрассман с лихорадочной поспешностью писали отчет об опознании ими изотопов, выделенных в первой части опытов.
"Не подлежит сомнению, что все элементы, за исключением радия и бария, отпадают. Как химики, мы обязаны заявить, что новые изотопы не являются радием, они являются изотопами бария".
Однако их приговор "противоречил всем известным законам физики", и два радиохимика, вынесшие его, все еще страшились признать его безоговорочную справедливость. Но тем не менее они отчаянно торопились. Они сделали все возможное для скорейшей публикации своего отчета. Ган позвонил своему старому приятелю Паулю Розбауду, редактору научного журнала "Натур-виссеншафтен". Он примчался в институт в тот же вечер, и это было совершенно кстати - еще просыхали последние строки статьи, в которой по существу была доказана возможность расщепления ядер урана.
Надо отдать справедливость Розбауду: он мгновенно оценил всю важность статьи. И хотя номер журнала уже был подготовлен к печати, Розбауд приказал снять одну из статей и вместо нее поместить работу Гана и Штрассмана, указав дату получения - 22 декабря 1938 года. Это был самый короткий день в году, день зимнего солнцестояния. В Европе, во всем северном полушарии царила глубокая зима. Когда в Швецию к Лизе Мейтнер пришло взбудораженное письмо Гана, уже наступили рождественские каникулы и у нее гостил племянник - доктор Отто Фриш, работавший в знаменитой Копенгагенской лаборатории Нильса Бора.
Мейтнер читала письмо со смешанным чувством захватывающего интереса и сомнения. Неужели химики такого калибра, как Ган и Штрассман, допустили ошибку? Вряд ли это было возможно. И хотя письмо было доверительным, она все же не удержалась и пересказала его содержание племяннику. Но он не сразу воспринял, что пыталась втолковать ему Мейтнер. Он был слишком увлечен собственными планами постройки огромного магнита для предстоящих исследований.
Ответ Лизы Мейтнер был очень осторожным, но в то же время она поздравляла Гана:
"Ваши результаты действительно обескураживают - процесс, в котором медленные нейтроны приводят к образованию бария?!… Сейчас мне представляется весьма затруднительным принять существование столь радикального распада, но нам уже приходилось переживать столько неожиданностей в ядерной физике, что никто не вправе исключать новые, просто сказав: этого не может быть!"
Все же Фриш вскоре понял всю важность сообщенного ему Лизой. И они совместно пересмотрели капельную модель атомного ядра, предложенную Бором двумя годами ранее. По воззрениям Бора, ядро под воздействием слабых сил сохраняет свою устойчивость благодаря поверхностному натяжению. Однако этому вовсе не противоречило, что ядро атома урана вследствие большого положительного заряда может уже само по себе находиться на пределе устойчивости. В таком случае захват лишнего нейтрона, даже с очень малой энергией, приводил бы к тому, что ядро атома урана должно стать совсем нестабильным, принять форму растянутой капли и в конце концов разорваться на две меньшие "капельки", то есть на два меньших ядра примерно равных размеров. При этом заряды новых ядер естественно останутся положительными, и ядра начнут с силой отталкиваться друг от друга. Расчеты показывали, что в единичном акте расщепления атома должна высвобождаться огромная энергия - около 200 миллионов электронвольт, то есть столько, сколько потребуется, чтобы подбросить песчинку на заметную высоту.
6 января 1939 года журнал со статьей Гана и Штрассмана вышел в свет. И наверное, среди физиков, прочитавших ее, нашлось немало таких, кто с досадой и огорчением понял, насколько близко находился от того же самого открытия. Вероятно, острее всех это почувствовали Ирен Кюри и ее сотрудники. Ведь именно они не без смущения писали: "свойства вещества с полураспадом 3,5 часа оказались такими же, как у лантана". Примерно то же мог испытывать и берлинец доктор фон Дросте. Исходя из существовавшей в то время теории, он предположил, что облученные нейтронами уран и торий должны испускать альфа-частицы высоких энергий. Требовалось доказать это. И Дросте поставил эксперимент. Однако в эксперименте следовало учитывать одно немаловажное обстоятельство: уран и торий, сами, без облучения, испускают альфа-частицы, но сравнительно малой энергии. Чтобы устранить влияние этих альфа-частиц на результаты опыта, фон Дросте закрыл облученный образец урана тонкой металлической фольгой. Если бы он хоть раз снял фольгу и провел опыт без нее, он наверняка обнаружил бы мощные ионизационные вспышки, вызываемые осколками расщепившихся ядер.
А через много лет Фрицу Штрассману стала известна история почти трагическая. Она случилась с одним американским физиком. Примерно за год до Гана и Штрассмана он подверг урановый раствор облучению нейтронами одного из самых мощных по тем временам источника, столь мощного, что в Германии о таком и не мечтали. Затем этот физик выделил "трансураны" из раствора и, поместив их в стеклянную мензурку, понес в другое помещение, где собирался исследовать спектр гамма-излучения. Если бы он проделал исследование, он сразу определил бы, что в растворе помимо урана находятся барий и другие элементы с соответствующим периодом полураспада. Как назло, в лаборатории только что натерли полы, физик поскользнулся, и драгоценная мензурка разбилась. Помещение, сильно загрязненное радиоактивными веществами, закрыли на несколько недель, физику же пришлось заняться другой работой, и ему уже было недосуг возвратиться к прежней. Ган и Штрассман никогда не приписывали себе все заслуги; впоследствии они не раз утверждали, что "открытие уже назрело" в то время. И то, что оно было сделано в Берлине, можно даже объяснить прихотью Фортуны.
Но по существу группа Гана была наиболее подготовленной к открытию. В проведенных экспериментах им приходилось иметь дело с фантастически малыми количествами веществ: во всех вместе взятых кристаллах содержалось всего лишь несколько сот атомов радиоактивных изотопов, и обнаружить их можно было только счетчиком Гейгера. Уверенно делать какие-либо научные выводы по результатам подобных экспериментов мог только человек, обладающий тридцатилетним опытом радиохимических исследований. Таким опытом располагал один Ган.
Вероятно, многие физики задумывались над тем, как сложилась бы история атомных исследований, если бы война разразилась не в 1939 году, а летом 1938 года. Ведь это вполне могло случиться. Но тогда открытие Гана почти наверняка осталось бы неизвестным в других странах. И, кто знает, сумели бы Соединенные Штаты довести к 1945 году атомное оружие до степени боевой готовности?
4
Убедившись в правоте Гана и Штрассмана, Фриш и Мейтнер больше не считали нужным держать в секрете сообщение из Берлина. Сразу после рождественских каникул Мейтнер возвратилась в Стокгольм, а Фриш - в Копенгаген. Но их совместная работа не прервалась. Совещаясь по телефону, они готовили статью, где излагали уже известные нам теоретические соображения и расчеты. В середине января их статья поступила в редакцию лондонского "Нейчур". Но хотя это была первая в мире статья, в которой говорилось о процессе расщепления атомного ядра, ее публикация задержалась на целый месяц.
Между тем сразу по возвращении в Копенгаген, еще до того, как в "Натурвиссеншафтен" была опубликована статья Гана и Штрассмана, Фриш во всех подробностях рассказал Бору о письме Гана и о расчетах количества высвобождающейся энергии, которые были проделаны им с Лизой. Вскоре Бор на несколько месяцев поехал в Америку. А с ним отправились за океан и новости.
В те же дни Иосиф Маттаух возвращался в Берлин после лекционного тура по Скандинавии. Он ехал к себе через Данию. Фриш встретил его на пути в Копенгаген, и всю дорогу до датской столицы физики горячо обсуждали энергетические расчеты, выполненные Фришем и Мейтнер. И, конечно же, Фриш сообщил Маттауху, что ему только-только удалось подтвердить физическими методами открытие берлинцев. Это оказалось совсем несложным делом. Очень простое устройство уверенно зарегистрировало мощные импульсы ионизации, возникающие при каждом акте расщепления. Фришу не терпелось продемонстрировать свои опыты. Немедленно по прибытии в Копенгаген он повел Маттауха в лабораторию и показал ему все. Вторым человеком, которому Фриш не замедлил сообщить новости, был Бор. Фриш отправил ему каблограмму.
Как и следовало ожидать, статья Гана и Штрассмана, появившись в печати, не осталась незамеченной. Рядом с Ганом, в Берлине, ничего не зная ни о работах Фриша, ни о дальнейшем развитии работ самого Гана, физики Зигфрид Флюгге и фон Дросте уже 23 января отправили в "Цайтшрифт фюр физикалише хеми" статью, выводы которой полностью совпадали с выводами Фриша и Мейтнер. Но и этой статье было суждено залежаться в редакции. Об энергетических возможностях открытого Ганом и Штрассманом процесса превращения элементов физики впервые услышали от Бора. Он выступил на Пятой вашингтонской конференции по теоретической физике 26 января и буквально поразил всех, сообщив о работах Фриша и Мейтнер и о том, что ядерные осколки высокой энергии можно обнаружить простейшими приборами. Бор никогда не блистал красноречием, но эффект его последних слов был поразительным. Едва он произнес их, несколько физиков сорвались со своих мест и, как были в вечерних костюмах, помчались в лаборатории, чтобы возможно скорее повторить и проверить результаты, о которых доложил Бор.
А через сутки многие американские газеты уже оповестили читателей об опытах. И когда спустя месяц вышли научные журналы со статьями Мейтнер и Фриша, а также Флюгге и фон Дросте, лавры уже венчали другие головы. В Англии из серьезных газет только одна "Тайме" уделила место этим важнейшим событиям; в маленькой заметке говорилось, что в Колумбийском университете, в Америке, открыли новый процесс - "расщепление" атома урана физик Энрико Ферми, работавший в США, воспользовался циклотроном с магнитом весом около 76 тонн "для самого эффективного из осуществленных на Земле преобразования массы в энергию"; по расчетам Ферми, энергии при этом выделялось в 6 миллиардов раз больше, чем требовалось для того, чтобы вызвать процесс расщепления.
Теперь, по прошествии трех десятков лет, кажется, что и сами события развивались подобно цепной реакции. И действительно, счет шел на дни и недели, хотя никто тогда еще не знал, чем все это кончится. Ган и Штрассман напряженно работали весь январь и 25 числа направили в "Натурвиссеншафтен" новую статью. Она называлась так: "Доказательство образования активных изотопов бария под воздействием нейтронной бомбардировки урана и тория". Сам заголовок явно показывал, что авторы отбросили все сомнения в правильности своих выводов. Но дело этим не ограничивалось. У статьи был еще и подзаголовок: "Дополнительные активные осколки деления урана". Вот именно то содержание, которое он отражал, и всколыхнуло всю физику. Ибо, говоря о природе "дополнительных активных осколков", авторы утверждали, что расщепление происходит вовсе не в соответствии с атомным весом; необходимо учитывать атомный номер - ядро урана (атомный номер 92) расщепляется на ядро бария (атомный номер 56) и ядро криптона (атомный номер 36). А из этого следовало: при расщеплении ядра урана освобождаются нейтроны. И не один, а больше! |
Вот это и потрясло. Ибо было ключом не только к конкретной физической загадке, но и к целому Новому Свету, на пороге которого стояла физика.
Ведь если при распаде одного атома освобождается не один, а больше нейтронов, то это означает, что освободившиеся нейтроны могут вызвать распады уже нескольких атомов, а те, в свою очередь, - еще большего числа атомов и так далее. Следовательно, ничто уже не мешало допустить возможность лавинного нарастания числа расщепляющихся атомов - цепную реакцию, в ходе которой будет выделяться невиданная энергия.
Как ни странно, этот кажущийся теперь очевидным вывод пришел Гану в голову лишь спустя несколько дней после того, как была готова статья. А через шесть с лишним лет ему доведется услышать о взрыве бомбы в Хиросиме, и тогда он признается своим сотоварищам по плену, что когда в 1939 году ему стали ясны грозные последствия открытия, он лишился сна и даже намеревался покончить с собой. Бедный Отто Ган!