Уязвленные насмешками коллег Ган и Штрасман решили вновь исследовать полученное вещество с периодом полураспада 3,5 часа. Штрасман предложил изящный эксперимент, в котором для выделения «первичного» радиоактивного вещества из раствора, полученного в результате бомбардировки атомов урана, использовался хлорид бария. Хлорид бария выпадает в осадок в виде кристаллов, которые не могут содержать примесей многочисленных трансурановых элементов, получаемых в результате реакции. Примененное немецкими учеными решение было простым и недорогим: трубка с веществом, в состав которого входил уран, подвергалась воздействию нейтронов, источником которых была смесь одного грамма радия с бериллием. Замедление нейтронов осуществлялось с помощью парафиновой массы. Полученный в ходе реакции раствор, в котором наряду с прочими элементами наверняка содержалось таинственное радиоактивное вещество с полураспадом 3,5 часа, смешивался с хлоридом бария. При этом в состав вновь образовавшихся кристаллов наверняка входило и незначительное количество того, что, как считали Ган и Штрасман, представляло собой изотопы радия. Наличие этих изотопов впоследствии фиксировалось с помощью счетчика Гейгера – Мюллера. Эксперимент протекал трудно: незначительное количество нового радиоактивного вещества для удобства последующего исследования было необходимо отделить от массы нерадиоактивного хлорида бария. Для выделения «радия» немецкие ученые должны были прибегнуть к хорошо им знакомому процессу фракционной кристаллизации. Этим же способом ранее воспользовалась Мария Кюри для выделения радия. Гану и Штрасману, неоднократно прежде проделывавшим тот же эксперимент, хорошо была известна эта работа.
Теперь же, в очередной раз воспользовавшись этим методом, они с удивлением обнаружили, что им вовсе не удалось получить изотопы того, что они считали «радием».
Может быть, ими был каким-то образом нарушен ход химической реакции? На третьей неделе декабря Ган решил провести контрольный эксперимент. Он повторил процесс кристаллизации; при этом он заменил предполагаемый изотоп «радия» на всем известный в то время изотоп радия торий-Х. Затем он разбавил раствор, понизив радиоактивность до уровня, который показывал обнаруженный ими изотоп «радия». Контрольный эксперимент прошел так, как и было запланировано: небольшое количество атомов настоящего изотопа радия удалось выделить из хлорида бария. Все совпало с теоретическими выкладками, а это значило, что ход реакции не нарушался.
В субботу 17 декабря Ган и Штрасман все еще не могли поверить в то, что эксперимент проходил таким неожиданным путем. Однако постепенно они начинали понимать: в тот день, когда они последовательно повторили два эксперимента с использованием «своего» искусственно полученного «радия» и естественного изотопа радия мезотория-I в одном и том же растворе, последний сыграл роль «индикатора». Радиоактивные вещества поэтапно выделялись из раствора с помощью хлорида бария. При этом в процессе кристаллизации они собирались вместе. Был проделан чрезвычайно сложный эксперимент, на каждом этапе которого при кристаллизации хлорид бария проверялся на радиоактивность. Счетчик Гейгера – Мюллера показал, что на каждом этапе эксперимента истинный изотоп радия мезоторий последовательно собирался в кристаллах хлорида бария. В то же время такого не происходило с полученным ими искусственно веществом, которое они считали также изотопом радия; последний на каждом этапе эксперимента равномерно распределялся между кристаллами хлорида бария и вел себя примерно так же, как и сам барий. Такое сходство было странным, но показательным. Той ночью Ган записал в своем дневнике:
«Удивительная фракционность радия/бария/ мезотория».
Сам Ган больше не испытывал сомнений: то, что, по их мнению, было радиоактивным изотопом «радия», не могло быть химическим путем выделено из бария, поскольку на самом деле представляло собой его, бария, радиоактивный изотоп.
В результате бомбардировки медленными нейтронами самого тяжелого известного в природе элемента урана был получен барий, химический элемент, имеющий чуть больше половины атомного веса урана. Атом урана был разорван на части. Работавшим на дорогом оборудовании зарубежным ученым не удалось то, что получилось у немецких химиков, сделавших с помощью примитивных приборов открытие, которое в конечном счете привело мир физики в кромешный ад.
Отто Ган недолго держал свое открытие в секрете. Выходные дни он посвятил делам находившейся за пределами Германии Л. Мейтнер. В понедельник утром встретился с директором Института имени кайзера Вильгельма Карлом Бошем и обратился к тому с просьбой предоставить квартиру Мейтнер ее коллеге профессору Маттауху. Это был крайне неприятный период времени для всех ученых. Власти Берлина организовали выставку «Странствующий еврей», и, как с раздражением отметил Ган, кто-то, обладавший плохим чувством юмора, включил в эту выставку и его. Для него самого и для его руководителей это было большим конфузом, но таковы были веяния того времени.
Когда в понедельник утром Ган, наконец, вернулся в свою лабораторию в Берлин-Далеме, вместе со Штрасманом они поставили новый эксперимент. На этот раз целью было определить вторую группу радиоактивных изотопов, образующихся при делении урана. Теперь для определения нового вещества ученые использовали лантан, точно так же, как в первой серии экспериментов они применяли барий.
Пока Штрасман исследовал изотопы с помощью счетчика Гейгера – Мюллера, профессор Ган сел писать длинное письмо (которое было датировано: «понедельник, 19-е число, вечер, лаборатория») Лизе Мейтнер, женщине, с которой он проработал более тридцати лет и которая была вынуждена оставить его пять месяцев назад, так и не увидев результатов этой необычайно интересной работы.
Описав попытки помочь ей, предпринятые в выходные дни, Ган пишет далее:
«Все это время Штрасман и я продолжаем с помощью фрейлейн К. Либер и фрейлейн И. Бонне неустанно работать в меру своих сил с производными урана. Сейчас одиннадцать часов вечера. Через сорок пять минут вернется Штрасман, и можно будет собираться домой. Мы ни с кем еще не делились нашим открытием, но Вам хочется признаться: что-то очень странное есть в этих «изотопах радия». Периоды полураспада этих трех изотопов определены с абсолютной точностью. Сами изотопы можно отделить от всех элементов, за исключением бария, то есть все реакции протекают правильно, за исключением одной, если только здесь речь не идет о каком-то престранном совпадении. Фракционной кристаллизации не получается, и наш «изотоп радия» ведет себя совершенно как барий».
Он вновь повторил эксперимент, проведенный ранее вместе со Штрасманом, включая его финальную часть, ту, где они пользовались веществом– индикатором. Он вновь пришел к выводу о невозможности получения кристаллов мнимых изотопов «радия» ни на одной из стадий реакции, притом что настоящий радий, как ему и положено, проявлял все признаки «индикатора». Это был очень мучительный в своей неизвестности момент. «Может быть, все-таки здесь речь идет о каком-то совпадении, – повторял профессор Ган, – но мы вновь и вновь возвращаемся к ужасному выводу: наш изотоп «радия» ведет себя не как радий, а как барий». Ган и Штрасман договорились, что пока поделятся своими сомнениями только с Мейтнер: может быть, как физик, она сможет дать какое– то научное объяснение происходящему. «Мы все здесь понимаем, что он (уран) не может быть расщеплен до бария. И все же теперь мы хотим проверить, ведут ли себя изотопы «актиния», полученные из нашего «радия», как настоящий актиний или они больше похожи на лантан. Очень сложные эксперименты! Но мы должны узнать правду».
В заключение Ган просит Мейтнер попробовать найти возможное объяснение своему открытию с точки зрения законов физики. Предполагалось, что в дальнейшем результаты экспериментов будут опубликованы и под ними будут стоять подписи всех трех ученых. Это характеризовало Гана как благородного человека и щепетильного ученого. Свое письмо он закончил словами: «Теперь мне нужно вернуться к счетчикам». Затем он покинул лабораторию и бросил конверт в почтовый ящик.
Приближались рождественские каникулы; во вторник в институте праздновали очередное Рождество, и Ган с грустью вспомнил, как много праздников он прежде встречал здесь, в Берлине, вместе с Л. Мейтнер. В его голове бродили и другие мысли: ему и Штрасману удалось получить несколько «очень точных графиков», и они были полны решимости изложить письменно результаты своих экспериментов, прежде чем институт закроют на рождественские праздники.
В течение двух последующих дней была закончена вторая серия экспериментов. Предполагаемые изотопы «актиния» оказались изотопами лантана, вещества, так же как и барий, стоящего ниже на полтаблицы периодических элементов.
Ган и Штрасман увлеченно работали весь день 22 декабря над отчетом, в котором описывали изотопы искусственного происхождения, полученные в ходе первой серии опытов. В отчете, в частности, говорилось: «Как химики, мы вынуждены признать, что нами были получены изотопы не радия, а бария. Нет никаких сомнений в том, что здесь не может быть и речи о каких-то иных элементах». И несмотря на то что такой вывод противоречил всем тогдашним канонам ядерной физики и двое ученых не осмеливались даже произносить его вслух, они тем не менее решились на публикацию результатов своих исследований. После телефонного разговора со своим другом профессором Ганом в Институт имени кайзера Вильгельма поспешил редактор немецкого научного журнала «Naturwissenschaften» доктор Пауль Росбауд. Двое ученых только что закончили работу над статьей, в которой описывался процесс расщепления ядер урана.
Росбауд сразу же оценил важность нового открытия: несмотря на то что очередной номер «Naturwissenschaften» к тому времени был уже полностью готов к выходу, редактор распорядился поместить в номер новый материал немедленно, 22 декабря 1938 года. Было ясно: этой зимой произошел переворот в мировой науке.
Доктор Мейтнер получила взволнованное письмо Отто Гана в Швеции. Она принимала на рождественские каникулы своего племянника, физика доктора Отто Фриша, сотрудника знаменитой Копенгагенской лаборатории Нильса Бора. Длинное письмо немецкого профессора вызвало в ней одновременно удивление и сомнение: могли ли два химика такого масштаба, как Ган и Штрасман, ошибиться? Это было маловероятно. Когда она попыталась рассказать о предположении Гана своему племяннику, ей с трудом удалось отвлечь его от собственных планов работы в области магнетизма. Прошло немало времени, прежде чем Мейтнер смогла заставить его поверить в то, что она ему рассказала.
Ответ фрау Мейтнер в Берлин Гану был одновременно встревоженным и торжествующим:
«Ваши опыты с радием просто ошеломляют: реакция с использованием медленных нейтронов, в результате которой образуется барий (?!), сейчас мне трудно представить себе такой резкий прорыв (в области уранового ядра), но нам уже столько раз приходилось сталкиваться с сюрпризами в ядерной физике, что никто не сможет проигнорировать его, заявив: это просто невозможно».
Вскоре Мейтнер и Фришу удалось объяснить выводы Отто Гана с помощью выдвинутой за два года до этого теории Бора, в которой атомное ядро уподоблялось капле жидкости. Согласно постулату Бора, сила «поверхностного натяжения» ядерной капли является стабилизирующей для атомного ядра, предохраняя его от незначительных деформаций. Однако нетрудно предположить, что ядро урана, обладающее недостаточной стабильностью уже в силу его значительного электрического заряда, при захвате лишнего нейтрона, даже медленного, растягивается и, наконец, делится на две меньшие частицы (то есть на два ядра меньших размеров), приблизительно одинаковые по массе и размеру. Каждое из этих ядер обладает положительным зарядом, а это значит, что они с довольно значительной силой отталкиваются друг от друга. Удалось рассчитать, что при таком делении выделяется значительное количество энергии – около 200 миллионов электрон-вольт, – достаточное для того, чтобы заставить песчинку совершить видимый глазу прыжок, конечно, при том условии, что ее удастся использовать для этого.
Когда 6 января 1939 года в Берлине вышла статья Гана и Штрасмана, наверное, многие ученые были очень расстроены, внезапно осознав, насколько близки они сами были к тому, чтобы сделать это открытие. Ближе всех к новому открытию стояла группа Ирен Кюри в Париже. Ведь это именно они описали «вещество с периодом полураспада 3,5 часа, обладавшее свойствами лантана», которое, как оказалось, и было лантаном. Другой ученый, доктор фон Дросте, проводил в Берлине похожий эксперимент. Согласно существовавшей в то время теории он пытался обнаружить альфа-частицы, якобы выделяемые атомами урана и тория при бомбардировке нейтронами. То, что, пытаясь удержать воображаемые альфа-частицы, которые должны были обладать слабой энергией, Дросте покрыл образцы урана и тория тонким слоем металла, помешало ему обнаружить яркие вспышки ионизации продуктов деления атомных ядер.
Спустя годы Фриц Штрасман познакомился с американским ученым, который рассказал ему трагикомическую историю о том, что мог бы стать автором открытия профессора Гана на целый год раньше. Он подверг раствор урана бомбардировке «сильными» нейтронами, источники которых были в то время доступны ученым в США. Затем он отделил «трансураны» от раствора, а то, что осталось, понес в стеклянной колбе в соседнюю комнату, где намеревался исследовать содержимое с помощью гамма-лучей. Будь такое исследование проведено, оно, несомненно, показало бы наличие в растворе бария и других элементов середины периодической таблицы. Но тут вмешался случай: пол в лаборатории был тщательно отполирован; физик поскользнулся, выронил и разбил колбу с ее радиоактивным содержимым. По существующим правилам доступ в помещение был закрыт на несколько недель. За это время ученый перешел к другим исследованиям.
В то же время, что бы там ни было, многие до сих пор считают, что только такой группе ученых, как коллектив профессора Гана, было по силам подобное открытие. Успех эксперимента во многом зависел от того, насколько точно удастся оценить состав и количество исследуемого вещества: ведь в кристаллах бария присутствовало всего несколько сот атомов радиоактивного изотопа, различимых только с помощью счетчика Гейгера – Мюллера. Здесь и был нужен такой человек, как Отто Ган, ученый более чем с тридцатилетним стажем работы в радиохимии, с его опытом, точностью оценок и авторитетом.
Насколько по-другому мог пойти ход истории, если бы война разразилась летом 1938 года и работа Гана не была опубликована? Смогли бы США достичь к 1945 году тех же результатов в области создания ядерного оружия, если бы им не удалось воспользоваться открытием немецкого ученого? Или Америке не удалось бы создать этого ужасного по своей разрушительной мощи оружия, и все секреты остались бы в руках немцев? Ган и Штрасман сами опровергают эти предположения: само время диктовало необходимость этого открытия, считают они. Просто судьба распорядилась так, чтобы это произошло в Берлине.