История атомной бомбы - Хуберт Мания

С его помощью Резерфорд хочет объяснить очевидные расхождения между числом массивных протонов в атомном ядре и реальным весом атома. Так, например, у железа 26 протонов, а атомный вес 55. Чем можно объяснить 29 недостающих единиц массы? Самый тяжелый элемент уран содержит 92 протона при атомном весе 235. И такая ошибка по массе есть у каждого из известных элементов. За разницу в 29 у железа и 143 у урана теперь можно сделать ответственными эти гипотетические частицы, предлагает Резерфорд. При условии, что их масса сопоставима с массой протона. Из-за электрической нейтральности этой сомнительной частицы 29 дополнительных таких частиц в ядре атома железа не нарушают электрическую стабильность между 26 положительно заряженными протонами и 26 отрицательно заряженными электронами, но удовлетворительно объясняют атомный вес 55.

Резерфорд пустил по следу нейтральной частицы своего заместителя по руководству лабораторией Джеймса Чедвика, попытки которого изловить эту беглую штучку в Кавендишской лаборатории Кембриджа до сих пор, правда, оставались безуспешными. Но основные свои старания директор и его заместитель вкладывают — воодушевленные успехом превращения азота в кислород — в попытки превратить и другие элементы путем обстрела альфа-частицами. Они верят, что уже близки к прорыву с бериллием, редким легким металлом. Поэтому зимой 1925 года Чедвик прибегает к помощи ассистента Дж. Дж. Томсона, который занимается исследованиями в том же кампусе. Роберт Оппенгеймер в лаборатории Томсона наносит бериллий тончайшим слоем на клейкую пленку, которая затем снова должна быть тщательно удалена. Для всей лаборатории остается тайной, почему гостю из США, обычно тяготящемуся экспериментальной работой, не докучает эта исключительно кропотливая возня с пленкой. Сила Оппенгеймера явно в теории. Но Чедвику в его экспериментах нужен препарат бериллия. И приходится Оппенгеймеру поставлять правой руке Резерфорда эти специальные тончайшие слои.

О застенчивости Чедвика ходят легенды. Вообще-то он хотел изучать математику в Манчестерском университете. Но на собеседование при поступлении он попадает по какой-то бюрократической ошибке не к тому доценту. Увидев, что тот спрашивает его по физике, Чедвик не осмеливается прервать его, исправно отвечает на вопросы и в конце концов безропотно подписывает бумагу о зачислении на курс физики. Так тихий студент-физик поневоле знакомится с полтергейстом по имени Эрнест Резерфорд. После экзамена он отправляется в Берлин к Гансу Гейгеру в физическое имперское учреждение и, по своему обыкновению, ни словом не перечит, когда тот представляет ему Лизу Мейтнер, Отто Гана и Альберта Эйнштейна. Когда начинается мировая война, он не успевает своевременно вернуться в Англию. Вместе с четырьмя тысячами земляков, которым не повезло, будучи гражданами Британии, оказаться не в том месте не в то время, он на всю войну попадает в лагерь для интернированных в Рулебене, предместье Берлина. Лишенные всякой личной жизни «гражданские военнопленные» размещены в переполненных конюшнях на краю ипподрома. Более ста преподавателей — художники, философы, физики, математики и литераторы — сообща создают Лагерный университет и преподают своим сокамерникам — в том числе и под открытым небом. Они ставят спектакли по пьесам Шекспира, читают немецких классиков и дискутируют под профессиональным руководством о Шопенгауэре и Ницше. Горстка высококлассных игроков в гольф пытается сохранить форму, воспользовавшись овальным полем в центре ипподрома, и посвящает желающих в тайны спорта. Джеймс Чедвик тоже регулярно проводит в одной из конюшен курс по электромагнетизму и радиоактивности. Аппаратуру и материалы для него организует Лиза Мейтнер. Поскольку в аптеках Германии продается радиоактивная зубная паста, он уговаривает лагерных охранников купить ее для его экспериментов. Отощавший, с разрушенным здоровьем, он возвращается в 1918 году в Манчестер, и Резерфорд с радостью снова принимает его к себе.

В Парижском институте радия Марии Кюри постоянно скапливаются в больших количествах пустые ампулы. Они были наполнены радоном, который все еще используется для лечения рака. Из-за короткого периода полураспада радона ампулы уже через несколько дней после наполнения не годятся для лечебного применения. Но вот оставшийся в ампулах продукт распада радона — полоний-210 — желанный источник излучения для ядерных исследований. Поскольку гамма-излучение у полония в 100 000 раз меньше, чем у радия, этот чрезвычайно редкий элемент превосходно подходит в качестве источника альфа-лучей для обстрела тех материалов, у которых необходимо исследовать гамма-излучение. Это позволяет провести измерение источника и мишени чисто. Врачи со всего мира посылают Марии Кюри свои ампулы, содержащие полоний, в качестве некоей дани ученой, открывшей полоний. Поэтому Ирен Жолио-Кюри, пошедшая по стопам матери, располагает к началу 1930-х годов самым большим в мире количеством полония.

Мария Кюри и в шестьдесят три года работает в лаборатории по двенадцать—четырнадцать часов в день. Дважды лауреатка Нобелевской премии жалуется на постоянную усталость, борется с катарактой на обоих глазах, и ее постоянно мучает звон в ушах. Облученные руки болят одинаково — что в сухом, что в гнойном состоянии. Она регулярно засиживается за полночь на полу, обложившись книгами, журналами и расстелив диаграммы. За столом ей со всем этим тесно. На коленях у нее лежит блокнот, и когда она делает расчеты, то числительные бормочет по-польски.

В 1931 году супруги Жолио повторяют эксперимент немецких физиков Вальтера Боте и Герберта Беккера. Те год назад обстреливали некоторые легкие элементы — такие, как магний и бериллий, — альфа-лучами из полониевого источника, чтобы изучить гамма-излучение этих элементов. И пришли к странному результату, что излучение, вызванное в ядрах бериллия, оказалось существенно сильнее, чем у полониевого источника. Боте и Беккер истолковали этот неожиданный феномен как гамма-излучение, однако некоторое сомнение в этом оставалось. Теперь супруги Жолио намереваются разрешить эту загадку. Из своих полониевых сокровищ они изготовили к этому времени самую сильную в мире альфа-лучевую пушку. Французы подтверждают открытие немцев, но еще немного расширяют экспериментальную установку Боте и Беккера. Позади полониевого орудия и бериллиевой мишени они размещают и другие материалы — например, парафин. Так они обнаруживают, что таинственное «излучение бериллия» выбивает из парафина протоны, которые отлетают с огромной необъяснимой скоростью. Однако нового толкования эксперимента из Парижа так и не поступает. Жолио удивляются этому курьезу, но так и остаются перед ним в растерянности. Поэтому они присоединяются к мнению Боте и Беккера и приписывают гамма-излучению из ядер бериллия всю ответственность за выброс протонов из парафина.

Когда Джеймс Чедвик в январе 1932 года читает статью французов, он предугадывает решение этой загадки. Гамма-лучи, правда, могут выбивать из орбит легкие электроны, но протоны оказывают гораздо большее сопротивление, поскольку они почти в 2000 раз тяжелее. Если наблюдение Жолио верно, то картина похожа на то, как если бы метнуть бильярдный шар в гранитный валун и ждать, что валун отлетит по воздуху на двадцать метров. Чедвик знает: лишь одна частица, по массе близкая протону, в состоянии выбить из парафина протон и отбросить его. Тут действительно могла вступить в игру электрически нейтральная частица, которую Эрнест Резерфорд предсказал почти двенадцать лет назад и масса которой сопоставима с массой протона. Супругам Жолио, как видно, неизвестно, что теза Резерфорда как влитая могла бы встать в пробел интерпретации. И вот Чедвик врывается — с журналом Comptes Rendus в руке — в кабинет Резерфорда и сообщает ему новость из Парижа. По свидетельству Чедвика, он впервые за двадцать лет видел своего ментора действительно потерявшим на мгновение дар речи.

Итак, обстоятельства складываются в пользу того, чтобы наконец доказать существование нейтральной частицы. В Кавендишскую лабораторию как раз поступила большая партия использованных радоновых ампул из американского университета Джона Хопкинса. И после того как Чедвику удалось не вполне безопасное выделение полония, он может сам исследовать это пресловутое «излучение бериллия», уже имея в голове убедительную гипотезу, припасенную до поры до времени. Альфа-частицы из его полониевого источника вызывают в бериллии, как и ожидалось, сильное излучение. Чедвик тестирует, однако, не только их действие на парафин, но выставляет позади препарата бериллия еще добрую дюжину других элементов — таких, как углерод, азот и кислород. Даже свинцовый слой толщиной в два сантиметра не представляет собой препятствия для лучей. Выясняется, что независимо от структуры материала из элемента выбивается одно и то же число протонов. Эти столкновения настолько энергичны, что гамма-лучи никак не могут рассматриваться в качестве их причины. Чедвик убежден: то, что коллеги трактовали как таинственное излучение бериллия, на самом деле является потоком частиц. Эти выбитые из бериллия частицы сталкиваются с протонами стоящих позади него мишеней. Из измеренных характеристик этих столкновений Чедвик вычисляет массу неизвестной частицы. Она почти идентична массе протона.