Эврики и эйфории. Об ученых и их открытиях - Уолтер Гратцер

Е. Oesper Ralph, The Human Side of Scientists (University Publications, University of Cincinnati, Cincinnati, Ohio, 1975).

Разрывая цепи

Идея цепной реакции — процесса, который ускоряется за счет размножения активных частиц, — пришла в химию в 1913 году, а в физику 20 годами позже. Таким реакциям свойственно начинаться медленно, иногда с заметной задержкой, а заканчиваться взрывом. Самый известный пример — деление атомных ядер: атом урана-235 захватывает нейтрон, ядро распадается и высвобождает 2–3 новых нейтрона; те, в свою очередь, атакуют соседние ядра урана, и процесс деления стремительно набирает ход. В химии реакции с похожими свойствами были известны с конца XIX века и озадачивали даже таких светил, как Роберт Бунзен, знаменитый немецкий химик.

Физикохимик Макс Боденштейн провел в Германии обстоятельную работу по выяснению механизмов химических реакций. В 1913 году его заинтересовала реакция между водородом и хлором, инициируемая светом: за “подсветкой” следует задержка, потом реакция ускоряется и внезапно останавливается. Ассистент Боденштейна Вальтер Дюкс так описывает, что происходило. Когда они вдвоем обдумывали результаты эксперимента, Боденштейн расстегнул свою золотую цепочку от часов и неожиданно попросил Дюкса подержать ее за один конец, пока сам раскрутит другой. “Если мы придаем цепи импульс, — начал он размышлять вслух, — он распространится по всей длине, но, если зажать или выдернуть одно звено, движение прервется”. Дюкс спросил: “Значит, это происходит и с нашей реакцией?” — “Неплохая идея. Возможно, стоит назвать ее цепной; давайте это проверим”.

Идея быстро получила признание и начала всплывать в работах ученых, занимавшихся самыми разными областями химической кинетики, в особенности — образованием молекул высших полимеров, основы волокон и пластмасс.

После смерти Боденштейна в 1942 году Дюкс собирался выпросить у его семьи цепочку от часов, но оказалось, что в порыве патриотизма Боденштейн пожертвовал ее на военные нужды, а к часам прикрепил стальную. Тогда Дюкс изготовил ее копию из золота и передал в дар Университету Ганновера.

Лео Сцилард (1898–1964), странствующий физик из Венгрии, провел большую часть жизни в гостиничных номерах. Как правило, его имущество умещалось в двух чемоданах. Он покинул Берлин после прихода Гитлера к власти.

Позже он вспоминал:

Осенью 1933-го я жил в Лондоне и был занят поиском мест для коллег, лишившихся своих университетских постов с приходом нацистов. Однажды утром я прочел в газете статью про ежегодное собрание Британской ассоциации по развитию науки. Во время заседания, рассказывал репортер, Резерфорд заявил, что разговоры о промышленном использовании атомной энергии — полная чушь. Уверения экспертов в принципиальной невозможности чего-либо всегда меня забавляли. В тот день я прогуливался вдоль Саутгемптон-роу (в Блумсберри, где находилась гостиница Сциларда) и остановился у светофора. Я задумался — а вдруг Резерфорд действительно прав? Когда сигнал сменился на зеленый и я переходил улицу, мне в голову неожиданно пришла мысль: что, если найти такой элемент, который нейтроны могут расщепить и который, поглотив один нейтрон, испускал бы два? Если такого элемента собрать достаточно много, то он мог бы поддерживать цепную ядерную реакцию, а мы могли бы выделять энергию в промышленных масштабах и конструировать атомные бомбы. Эта мысль стала моей навязчивой идеей, она-то и привела меня в ядерную физику — область, с которой я прежде не имел дела.

Сцилард нашел себе в Лондоне лабораторию и попробовал проверить свою идею, однако ни один из элементов, которые он пытался бомбардировать нейтронами, вторичных нейтронов не давал. Сцилард тем не менее считал свою схему достаточно реалистичной и даже спустя несколько месяцев ее запатентовал. Во избежание огласки патент был оформлен на Адмиралтейство.

Примерно в то же время Сцилард пал жертвой невинной шутки, результат которой превзошел все ожидания шутников. Ими были двое молодых физиков — Карл Бош из Германии, и Р.В. Джонс, работавший тогда в Оксфорде. Джонс, представившись редактором Daily Express, позвонил Сци-ларду и спросил, может ли тот подтвердить, что изобрел радиоактивные лучи смерти. Сцилард буквально взорвался, потому как именно тогда получил наконец патент на цепную ядерную реакцию, и его панику по поводу утечки, пусть и искажающей факты, легко себе представить.

Понадобилось пять лет, чтобы мечты Сциларда стали реальностью: физик Лизе Майтнер (1878–1968) вместе с химиками Отто Ганом (1879–1968) и Фрицем Штрасманом (1902–1980) занималась в Берлине анализом продуктов ядерных превращений. Будучи еврейкой, Майтнер была вынуждена бежать из страны, не дожидаясь ареста. Найдя убежище в Швеции, она поддерживала со своим другом и коллегой Отто Ганом связь по почте. В декабре 1938 года к ней приехал в гости племянник и тоже физик Отто Фриш (1904–1979), который работал тогда в знаменитом институте Нильса Бора в Копенгагене. У племянника и тети вошло в привычку встречать Рождество вместе, но тот свой приезд Фриш описывает как самое запоминающееся событие в жизни.

За прошедший год был открыт целый ряд продуктов ядерных бомбардировок, которые иногда, как казалось, нарушали установленный ранее закон: столкновение элементарной частицы с ядром может разве что выбить оттуда альфа-частицу (идентичную ядру гелия-4) или бета-частицу (электрон); в результате получались по прогнозам и на практике ядра с зарядом (то есть атомным номером) на два меньше или на один больше, чем у ядра-родителя. Среди продуктов бомбардировки урана Ган и Штрасман обнаружили, как они полагали, изотопы радия. (Изотопы — это разновидности элемента, отличающиеся только числом нейтронов в ядре; поскольку число положительно заряженных протонов в ядре и, следовательно, отрицательно заряженных электронов снаружи у них одинаково, то изотопы с химической точки зрения идентичны.) Результат казался необъяснимым, поскольку у радия ядро меньше, чем у урана, и Лизе Майтнер предупредила Гана, что следует тщательно все проверить, прежде чем публиковать статью о необъяснимой аномалии.

Когда Отто Фриш впервые навестил тетю в Кунгэльве, маленьком шведском городке, где та отдыхала с друзьями, он обнаружил ее размышляющей над последним письмом Отто Гана. Вот как он описывает встречу:

Я собирался рассказать ей о новом эксперименте, который задумал, но она и не думала меня слушать; вместо этого она попросила меня прочесть письмо. Его содержание было настолько ошеломляющим, что я был вынужден отнестись к нему скептически. Ган и Штрасман выяснили, что три получившихся у них вещества не были радием с точки зрения химии; более того, оказалось затруднительно отделить их от бария, который, как обычно, они добавили, чтобы облегчить процедуру химического разделения. Они пришли к выводу, неохотно и с колебаниями, что это были изотопы бария (ядра которых вдвое меньше ядер урана).

Было ли это просто ошибкой? “Нет, — сказала Лизе Майтнер, — Ган для этого слишком хороший химик”. Но как мог барий получиться из урана? Никогда еще от ядер не отщепляли больших кусков, чем отдельные протоны и ядра гелия, а чтобы отщепить сразу много частиц, требовалось слишком много энергии. Также не представлялось возможным, что урановое ядро будет разрезано поперек. Ядро не похоже на хрупкий материал, какой режут и ломают; Георгий Гамов давно предположил, а Бор убедительно аргументировал, что ядро скорее похоже на каплю жидкости. Возможно, капля может превратиться в две капли более плавно: сначала вытянуться, потом сжаться посередине, а потом разорваться — но не сломаться напополам. Мы знали, что существует сильное взаимодействие, которое будет препятствовать такому процессу, подобно тому как поверхностное натяжение обычной жидкости мешает капле распасться на части. Но ядра отличаются от капель одной важной особенностью: они несут электрический заряд, а отталкивание зарядов противодействует поверхностному натяжению. На этом месте мы оба присели на поваленное дерево (разговор происходил во время нашей прогулки по заснеженному лесу, я был на лыжах, а Лизе Майтнер заявила, что справится и без них) и приступили к расчетам на обрывках бумаги. Заряд уранового ядра, как мы выяснили, и в самом деле достаточно велик, чтобы преодолеть силы поверхностного натяжения практически целиком, поэтому урановое ядро должно напоминать крайне шаткую, неустойчивую каплю, готовую разделиться от малейшего толчка — такого, как удар одного-единственного нейтрона.

Но была и другая проблема. После разделения капли будут удаляться друг от друга за счет взаимного электростатического отталкивания, получая высокую скорость и невероятно высокую энергию, в общей сложности порядка 200 МэВ. К счастью, Лизе Майтнер вспомнила эмпирическую формулу для вычисления масс ядер и вывела, что пара ядер, получающихся при распаде урана, будет легче его примерно на одну пятую массы протона. Далее, когда масса исчезает, по формуле Эйнштейна Е=mc2 возникает энергия, и одна пятая массы протона как раз соответствует 200 МэВ. Итак, источник энергии был скрыт здесь. Все сходилось!