Тайная история атомной бомбы - Джим Бэгготт

Чешский коллега Фриша Георг Плачек был настроен весьма скептически. Если следовать теории Фриша и Мейтнер, то, получается, реакция деления ядра должна сопровождаться выбросом энергии, и этот выброс, конечно, поддается физическому обнаружению. Фриш об этом раньше даже и не думал. Несколько дней он не выходил из лаборатории, пока не разработал и не провел довольно простой эксперимент, подтвердивший наличие того, что он искал. Выделение энергии при реакции действительно происходило, и его можно было обнаружить.

Однако своего часа ожидало еще множество неотвеченных вопросов. Ядра наиболее легких элементов периодической таблицы состояли примерно из одинакового количества протонов и нейтронов. Но ведь чем выше в ядре число протонов, тем мощнее их взаимная отталкивающая сила. Таким образом, для более тяжелого ядра необходимо, чтобы число нейтронов превышало число протонов для создания достаточного поверхностного натяжения и, следовательно, для сохранения устойчивости. И если уран расщепляется, образуя более легкие элементы, то, возможно, в ядре этих элементов число нейтронов выше, чем должно быть в обычных условиях.

Датский коллега Фриша Кристиан Меллер первым выдвинул предположение о том, что если новообразованные фрагменты делящегося ядра в свою очередь высвободят один или два лишних нейтрона (впоследствии названных свободными нейтронами), то эти нейтроны могут вызвать дальнейшее разделение ядра, при котором выделится большее количество энергии, а также появятся новые нейтроны — и реакция будет продолжаться и продолжаться. Итогом станет каскадная, или цепная, реакция, при которой ядерная энергия будет выделяться в больших объемах. Если поставить эту реакция под контроль, то можно получить ядерный «реактор».

Однако неконтролируемая цепная реакция будет подобна взрыву бомбы чудовищной разрушительной силы.

Подтверждение

Бор и два его спутника сошли на берег в гудзонском порту 16 января 1939 года. Их встретил молодой физик из Принстонского университета Джон Уилер, работавший вместе с Бором в Копенгагене в 1934 и 1935 годах и теперь с удовольствием ухватившийся за возможность провести несколько месяцев с бывшим коллегой.

В порту к Уилеру также присоединился Энрико Ферми со своей женой Лаурой. 10 декабря 1938 года Ферми вручили Нобелевскую премию за работы, связанные с бомбардировкой нейтронами атомных ядер, а потом, на обратном пути из Стокгольма, супруги Ферми вдруг «потерялись». На самом деле Энрико в то время искал способ спасти жену от фашистского режима Муссолини, принявшего собственные антисемитские законы за несколько месяцев до описываемых событий[8]. Поэтому он с радостью принял предложение занять пост профессора в Колумбийском университете и был в Нью-Йорке уже 2 января.

Бор, всегда свято чтивший необходимость сохранения за своими коллегами всех должных прав при любом важном открытии, ни словом не обмолвился Ферми и Уилеру о делении ядра. Но в первый же день его отсутствия — Бор с Ферми обсуждали ряд вопросов с глазу на глаз — Розенфельд, не знавший о причинах молчания своего старшего товарища, охотно поведал Уилеру обо всех последних событиях. Новость об открытии Фриша и Мейтнер мгновенно распространилась среди американских физиков, в числе которых к этому времени было немало эмигрантов из Европы.

Ган сообщил Паулю Розбауду о результатах самых последних экспериментов 22 декабря 1938 года, и тот поспешил опубликовать их. 6 января 1939 года в новом выпуске Die Naturwissenschaften вышла статья Отто Гана и Фрица Штрассмана об экспериментах по бомбардировке нейтронами ядра атома урана. Фактически в состав группы, работавшей над данными исследованиями, входила еще и Мейтнер: она продолжала сотрудничать с немецкими коллегами и после вынужденного переезда в Швецию. Но назвать ее имя в числе участников успешного проекта было бы для Гана крайне необдуманным шагом, принимая во внимание ситуацию в стране. В свою очередь, Лиза умалчивала о своей с племянником интерпретации результатов, полученных Ганом и Штрассманом.

Статья Фриша и Мейтнер о делении ядра урана появилась 11 февраля в британском научном журнале Nature. Неделю спустя, 18 февраля, там же была опубликована новая статья Фриша, в которой он сообщил о результатах простого эксперимента, проведенного им для подтверждения деления ядра. Бор также написал краткую статью об этом открытии, подтвердив авторство Лизы Мейтнер и ее племенника. Его публикация вышла в Nature 25 февраля.

К этому времени за океаном уже полным ходом проводились эксперименты, повторявшие эксперименты европейских ученых и подтверждавшие их. Американцы уже давно обо всем знали: сначала секрет выдал несдержанный Розенфельд, а затем на конференции в университете Джорджа Вашингтона Бор был вынужден официально подтвердить эту информацию.

Двадцатисемилетний физик Луис Альварес, житель Западного побережья Соединенных Штатов, узнал об экспериментах по расщеплению ядра из незаметной статейки в San Francisco Chronicle. Он мгновенно вскочил из парикмахерского кресла, в котором сидел, читая газету, и, недостриженный, сломя голову бросился в Беркли. Там, в радиационной лаборатории[9], должны узнать обо всем как можно скорее! Первым Луис встретил своего аспиранта Филиппа Абельсона, которому до самостоятельного открытия деления ядра оставалась всего неделя. Тот поспешно подтвердил все результаты.

Альварес сообщил новость еще одному молодому преподавателю Беркли, которого многие считали вундеркиндом Западного побережья в теоретической физике. Этот молодой профессор «тут же заявил, что подобная реакция невозможна, и представил всем, находящимся в комнате, математическое обоснование того, что кто-то, по всей видимости, сделал ошибку». Однако в считанные минуты его удалось переубедить с помощью экспериментального доказательства. И уже всего через несколько дней на доске в его кабинете появились первые наброски атомной бомбы. Звали этого молодого человека Роберт Оппенгеймер.

Деление ядра атома было теперь уже не просто признанным научным фактом. Оно уже практически получило статус новой научной дисциплины.

Уран-235

К марту 1939 года группы ученых, работавших во Франции и в Америке, доказали, что для самоподдерживающейся цепной реакции достаточно выделения в среднем двухчетырех свободных нейтронов при каждом делении уранового ядра. Растущие было опасения о возможности создания атомной[10]бомбы, однако, быстро развеялись.

Бор решил не терять времени. Физика деления, как и любое другое новое направление в науке, несомненно, предоставляла неохватное поле для деятельности. И, поскольку в Принстоне работать можно было с не меньшим успехом, чем в Копенгагене, Бор обратился к Уилеру с предложением сотрудничества. Они занялись дальнейшей разработкой теории деления ядер, опираясь на новые экспериментальные данные. Эксперименты они проводили с аппаратом, собранным на скорую руку тут же, в Принстоне, на чердаке Палмеровской лаборатории. Полученные результаты были поначалу весьма озадачивающими.

Упомянутый выше аппарат нужен был, чтобы изучить изменения в интенсивности деления ядра урана под воздействием нейтронов, несущих каждый раз различные объемы энергии[11]. Было установлено, что чем больше эта энергия, тем интенсивнее происходит деление, а с ее уменьшением интенсивность деления, соответственно, также снижается. Такие данные были вполне ожидаемы. Однако вскоре выяснилось, что при достаточном уменьшении энергии нейтронов интенсивность деления ядра снова возрастает.

Плачек, который ранее заставил работавшего в Копенгагене Фриша искать достоверное подтверждение ядерного расщепления, весьма неожиданно оказался в Принстоне. «Что это еще за чертовщина: почему отклик одинаковый и на быстрое и на медленное воздействие?!» — возмущался он, сидя за завтраком вместе с Розенфельдом и Бором.

Возвращаясь вскоре в свой кабинет, Нильс Бор уже знал ответ на этот вопрос. Судя по всему, причина высокой интенсивности деления ядра при малой энергии воздействующих нейтронов — редкий изотоп уран-235 (U235), который составляет ничтожно малый процент от общего количества этого элемента, встречающегося в природе. Бор и Уилер приступили теперь к детальной разработке данной гипотезы. И в новой теории были установлены два основополагающих фактора.

В изотопе U235 баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в изотопе U238. Три дополнительных нейтрона урана-238 стабилизируют ядро и увеличивают энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы запустить реакцию распада. Следовательно, для расщепления такого ядра необходимы более быстрые нейтроны с большей энергией.