Страница:
Группа Гана могла бы опубликовать результаты своих исследований и тем самым привести парижских ученых к конфузу. Однако немцы избрали более дипломатичный путь: Ган и Мейтнер написали в Париж письмо, в котором попросили коллег перепроверить результаты их опыта, так как сама группа Гана так и не смогла получить торий. Может быть, мягко настаивали Ган и Мейтнер, Ирен Кюри совершила ошибку? Отто Ган в течение тридцати лет занимался радиохимией, и его авторитет в этой области был непререкаем. Хотя он и не получил ответа на свое письмо, мадам Кюри вскоре опубликовала очередную статью, в которой заявила, что открытое французами странное вещество вовсе не было торием. Теперь она выдвинула еще более авантюрную гипотезу. Поскольку странное вещество с периодом полураспада 3,5 часа было получено в результате реакции с применением в качестве катализатора лантана, Кюри и ее коллега делают заключение:
«Окончательный анализ показал, что свойства вещества с периодом полураспада 3,5 часа соответствуют свойствам лантана. Отсюда следует, что выделить вновь полученное вещество можно только посредством фракцинации».
С точки зрения французов, полученное вещество конечно же не могло быть лантаном, поскольку процесс радиоактивного распада ядра урана не мог зайти так далеко. Это мог быть только еще один «трансурановый» элемент. Но как найти место для «трансуранового» элемента, обладавшего свойствами аналогичными редкоземельному металлу лантану? Как для физиков, так и для химиков такая задача казалась неразрешимой.
Поскольку странное вещество было, так или иначе, зачислено в разряд «трансураниев», изучением которых занималась лаборатория Гана, последний со своими сотрудниками был вынужден сосредоточиться на изучении свойств новичка. Однако до осени 1938 года, когда лаборатория в Париже полностью опубликовала ход и результаты своих исследований, туман так и не рассеялся. К тому же в этот период Ган потерял своего сотрудника Л. Мейтнер и ее советы опытного физика. В июле 1938 года она приняла решение покинуть Германию, поскольку теперь даже австрийский паспорт не мог спасти ее от преследований на расовой почве. Таким образом, двум оставшимся химикам лаборатории в Берлине пришлось самим вести исследования, которые привели их к необычному заключению.
Бегло просмотрев новый отчет Ирен Кюри, профессор Ган передал его Штрасману со словами, что теперь француженка, наконец, опубликовала методику проведения своих экспериментов и, может быть, они представляют интерес. Штрасман внимательно изучил документ и понял, что обнаружил ошибку в выводах французов: будучи опытными физиками, они были плохо осведомлены о методах радиохимии. Поэтому, как полагал Штрасман, они приписали некоему «странному веществу» свойства двух новых веществ, полученных путем реакции воздействия на ядро атома урана.
Штрасман поделился своими подозрениями с Ганом; тот посмеялся над его теорией, однако коротко добавил, что в словах коллеги есть доля правды. В течение недели немцы проводили серию впечатляющих экспериментов, целью которых было выделить новое радиоактивное вещество или вещества из урана, протактиния, актиния, тория, а также всех трансурановых элементов. После серии экспериментов было получено два, а может быть, и более новых радиоактивных вещества. Что это были за вещества?
С помощью бария им удалось выделить три радиоактивных элемента, которые распадались на новые вещества, одно из которых, вероятно, и было тем загадочным элементом, выделенным с помощью лантана. В свете нового открытия немецкие ученые сделали вывод, что три первично полученных элемента представляли собой изотопы радия, а три последующих – изотопы актиния. Единственной альтернативой могло быть, что эти вещества являлись всего-навсего изотопами бария и лантана, что казалось немыслимым с физической точки зрения, поскольку барий и лантан с точки зрения законов физики не могли быть продуктами радиоактивного распада урана.
Когда в конце 1938 года Ган и Штрасман опубликовали свои выводы, что в результате деления ядра атома урана получены три новых вещества: изотопы радия и актиния, многие физики отказывались принять их. Они не могли себе представить химическую реакцию с мгновенным выделением двух альфа-частиц, в результате которой уран превращался в радий. Тем более, что немецкие ученые бомбардировали ядра урана «медленными» (то есть обладавшими низкой энергией) нейтронами. Во время поездки в Копенгаген профессор Ган изложил свою теорию выдающемуся датскому физику Нильсу Бору, однако даже Бор прямо заявил ему, что последовательное выделение двух альфа– частиц является «неестественным». Сам датчанин был склонен считать, что полученные в ходе реакции вещества представляли собой трансурановые элементы. Л. Мейтнер написала Гану из Стокгольма возмущенное письмо, в котором отмечала, что немецкие ученые «легкомысленно игнорируют железные законы физики, не допускающие подобного фривольного подхода к науке».
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.
Убежденные в правоте Гана и Штрасмана, Фриш и Мейтнер не стали хранить молчание, и, как только закончились рождественские каникулы и Л. Мейтнер вернулась в Стокгольм, Отто Фриш отправился в Копенгаген, чтобы подробно рассказать Нильсу Бору о еще неопубликованном открытии Гана в Берлине. Он добавил и выводы, сделанные им и Мейтнер, относительно величины выделяемой при делении атомного ядра энергии. Вскоре после этого Бор отправился на несколько месяцев в США. Вместе с ним открытие пересекло Атлантический океан.
Отто Фриш и Лиза Мейтнер по телефону делились своими мыслями по поводу опытов Гана. Вскоре эти комментарии были оформлены в виде статьи, в которой впервые давалось определение реакции деления атомного ядра. В середине января статья была отправлена в редакцию журнала «Nature», однако ни в январе, ни в феврале она так и не была опубликована.
В то же самое время заменивший в группе Гана Мейтнер известный австрийский физик Иозеф Маттаух возвращался в Германию после прочитанного в Скандинавских странах курса лекций. Во время поездки в Копенгаген к нему присоединился Фриш. Всю дорогу ученые оживленно обсуждали способ определения количества выделяемой в результате реакции энергии, открытый Фришем и его родственницей Мейтнер. Фриш заявил, что недавно успешно доказал физическим путем то, чего группа Гана добилась в химической лаборатории, а именно: ему удалось ясно зафиксировать всплески ионизации на каждом этапе процесса деления атомного ядра. В Копенгагене Фриш сразу же повез Маттауха к себе в лабораторию, где продемонстрировал верность своего заявления. Он сказал, что отправил результаты своих экспериментов телеграфом Нильсу Бору в Америку.
23 января того же года, еще не зная об открытии Фриша, берлинские физики доктор Зигфрид Флюгге и доктор фон Дросте напечатали в «Zeitschrift fur Physikalische Chemie» свой отчет, из которого было видно, что они самостоятельно пришли к тем же выводам, что и Фриш с Мейтнер. К несчастью для тех и других, Нильс Бор выступил с докладом об открытии Отто Гана и сделанных на его основе расчетах физиков 26 января, на конференции по теоретической физике в Вашингтоне.
Как вспоминал один из участников конференции, «для всех присутствовавших эти новости явились полной неожиданностью». Бор заявил, что, по словам Фриша и Мейтнер, продукты деления можно выделить с помощью самой простой аппаратуры. Еще до того, как Бор, к словам которого аудитория всегда прислушивалась с особым вниманием, закончил свое выступление, некоторые из физиков-экспериментаторов вскочили со своих мест и, как были, в вечерних костюмах, поспешили в свои лаборатории, чтобы подтвердить или опровергнуть великое открытие.
В течение последующих двух дней многие американские газеты были заняты публикацией результатов их экспериментов, и, когда, наконец, месяц спустя в научной прессе появились подробные сообщения об открытиях Мейтнер и Фриша, а также их берлинских коллег, лавры первооткрывателей венчали совсем другие головы. Единственным упоминанием о памятных событиях тех дней в серьезной английской прессе была небольшая статья в лондонской газете «Таймс», где сообщалось, что в Колумбийском университете США была открыта реакция деления атома урана. Физику Энрико Ферми с помощью 60-тонного циклотрона, имевшегося в распоряжении университета, удалось «добиться этого удивительного превращения с выделением огромной энергии; такого количества энергии не выделялось ни при одной из известных современной науке реакций». Ферми вычислил, что в результате реакции было выделено в 6 миллиардов раз больше энергии, чем требовалось для ее инициации.
Через два дня после выступления Бора на конференции в Вашингтоне Отто Ган и Фриц Штрасман направили в тот же берлинский научный журнал еще одну статью. На этот раз она посвящалась продуктам деления атома урана. В статье «Доказательства образования активных изотопов бария в результате бомбардировки атомов урана и тория нейтронами» говорилось, что ученые не испытывают больше сомнений в том, каким образом можно определить вторичные продукты деления уранового ядра. Ган справедливо полагал, что при определении этих продуктов следовало исходить не из атомной массы, а из порядкового номера, который уран и продукты его деления занимали в периодической таблице: ядро имеющего номер 92 урана делилось на ядра бария (56) и криптона (36):
«Окончательный анализ показал, что свойства вещества с периодом полураспада 3,5 часа соответствуют свойствам лантана. Отсюда следует, что выделить вновь полученное вещество можно только посредством фракцинации».
С точки зрения французов, полученное вещество конечно же не могло быть лантаном, поскольку процесс радиоактивного распада ядра урана не мог зайти так далеко. Это мог быть только еще один «трансурановый» элемент. Но как найти место для «трансуранового» элемента, обладавшего свойствами аналогичными редкоземельному металлу лантану? Как для физиков, так и для химиков такая задача казалась неразрешимой.
Поскольку странное вещество было, так или иначе, зачислено в разряд «трансураниев», изучением которых занималась лаборатория Гана, последний со своими сотрудниками был вынужден сосредоточиться на изучении свойств новичка. Однако до осени 1938 года, когда лаборатория в Париже полностью опубликовала ход и результаты своих исследований, туман так и не рассеялся. К тому же в этот период Ган потерял своего сотрудника Л. Мейтнер и ее советы опытного физика. В июле 1938 года она приняла решение покинуть Германию, поскольку теперь даже австрийский паспорт не мог спасти ее от преследований на расовой почве. Таким образом, двум оставшимся химикам лаборатории в Берлине пришлось самим вести исследования, которые привели их к необычному заключению.
Бегло просмотрев новый отчет Ирен Кюри, профессор Ган передал его Штрасману со словами, что теперь француженка, наконец, опубликовала методику проведения своих экспериментов и, может быть, они представляют интерес. Штрасман внимательно изучил документ и понял, что обнаружил ошибку в выводах французов: будучи опытными физиками, они были плохо осведомлены о методах радиохимии. Поэтому, как полагал Штрасман, они приписали некоему «странному веществу» свойства двух новых веществ, полученных путем реакции воздействия на ядро атома урана.
Штрасман поделился своими подозрениями с Ганом; тот посмеялся над его теорией, однако коротко добавил, что в словах коллеги есть доля правды. В течение недели немцы проводили серию впечатляющих экспериментов, целью которых было выделить новое радиоактивное вещество или вещества из урана, протактиния, актиния, тория, а также всех трансурановых элементов. После серии экспериментов было получено два, а может быть, и более новых радиоактивных вещества. Что это были за вещества?
С помощью бария им удалось выделить три радиоактивных элемента, которые распадались на новые вещества, одно из которых, вероятно, и было тем загадочным элементом, выделенным с помощью лантана. В свете нового открытия немецкие ученые сделали вывод, что три первично полученных элемента представляли собой изотопы радия, а три последующих – изотопы актиния. Единственной альтернативой могло быть, что эти вещества являлись всего-навсего изотопами бария и лантана, что казалось немыслимым с физической точки зрения, поскольку барий и лантан с точки зрения законов физики не могли быть продуктами радиоактивного распада урана.
Когда в конце 1938 года Ган и Штрасман опубликовали свои выводы, что в результате деления ядра атома урана получены три новых вещества: изотопы радия и актиния, многие физики отказывались принять их. Они не могли себе представить химическую реакцию с мгновенным выделением двух альфа-частиц, в результате которой уран превращался в радий. Тем более, что немецкие ученые бомбардировали ядра урана «медленными» (то есть обладавшими низкой энергией) нейтронами. Во время поездки в Копенгаген профессор Ган изложил свою теорию выдающемуся датскому физику Нильсу Бору, однако даже Бор прямо заявил ему, что последовательное выделение двух альфа– частиц является «неестественным». Сам датчанин был склонен считать, что полученные в ходе реакции вещества представляли собой трансурановые элементы. Л. Мейтнер написала Гану из Стокгольма возмущенное письмо, в котором отмечала, что немецкие ученые «легкомысленно игнорируют железные законы физики, не допускающие подобного фривольного подхода к науке».
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.
Убежденные в правоте Гана и Штрасмана, Фриш и Мейтнер не стали хранить молчание, и, как только закончились рождественские каникулы и Л. Мейтнер вернулась в Стокгольм, Отто Фриш отправился в Копенгаген, чтобы подробно рассказать Нильсу Бору о еще неопубликованном открытии Гана в Берлине. Он добавил и выводы, сделанные им и Мейтнер, относительно величины выделяемой при делении атомного ядра энергии. Вскоре после этого Бор отправился на несколько месяцев в США. Вместе с ним открытие пересекло Атлантический океан.
Отто Фриш и Лиза Мейтнер по телефону делились своими мыслями по поводу опытов Гана. Вскоре эти комментарии были оформлены в виде статьи, в которой впервые давалось определение реакции деления атомного ядра. В середине января статья была отправлена в редакцию журнала «Nature», однако ни в январе, ни в феврале она так и не была опубликована.
В то же самое время заменивший в группе Гана Мейтнер известный австрийский физик Иозеф Маттаух возвращался в Германию после прочитанного в Скандинавских странах курса лекций. Во время поездки в Копенгаген к нему присоединился Фриш. Всю дорогу ученые оживленно обсуждали способ определения количества выделяемой в результате реакции энергии, открытый Фришем и его родственницей Мейтнер. Фриш заявил, что недавно успешно доказал физическим путем то, чего группа Гана добилась в химической лаборатории, а именно: ему удалось ясно зафиксировать всплески ионизации на каждом этапе процесса деления атомного ядра. В Копенгагене Фриш сразу же повез Маттауха к себе в лабораторию, где продемонстрировал верность своего заявления. Он сказал, что отправил результаты своих экспериментов телеграфом Нильсу Бору в Америку.
23 января того же года, еще не зная об открытии Фриша, берлинские физики доктор Зигфрид Флюгге и доктор фон Дросте напечатали в «Zeitschrift fur Physikalische Chemie» свой отчет, из которого было видно, что они самостоятельно пришли к тем же выводам, что и Фриш с Мейтнер. К несчастью для тех и других, Нильс Бор выступил с докладом об открытии Отто Гана и сделанных на его основе расчетах физиков 26 января, на конференции по теоретической физике в Вашингтоне.
Как вспоминал один из участников конференции, «для всех присутствовавших эти новости явились полной неожиданностью». Бор заявил, что, по словам Фриша и Мейтнер, продукты деления можно выделить с помощью самой простой аппаратуры. Еще до того, как Бор, к словам которого аудитория всегда прислушивалась с особым вниманием, закончил свое выступление, некоторые из физиков-экспериментаторов вскочили со своих мест и, как были, в вечерних костюмах, поспешили в свои лаборатории, чтобы подтвердить или опровергнуть великое открытие.
В течение последующих двух дней многие американские газеты были заняты публикацией результатов их экспериментов, и, когда, наконец, месяц спустя в научной прессе появились подробные сообщения об открытиях Мейтнер и Фриша, а также их берлинских коллег, лавры первооткрывателей венчали совсем другие головы. Единственным упоминанием о памятных событиях тех дней в серьезной английской прессе была небольшая статья в лондонской газете «Таймс», где сообщалось, что в Колумбийском университете США была открыта реакция деления атома урана. Физику Энрико Ферми с помощью 60-тонного циклотрона, имевшегося в распоряжении университета, удалось «добиться этого удивительного превращения с выделением огромной энергии; такого количества энергии не выделялось ни при одной из известных современной науке реакций». Ферми вычислил, что в результате реакции было выделено в 6 миллиардов раз больше энергии, чем требовалось для ее инициации.
Через два дня после выступления Бора на конференции в Вашингтоне Отто Ган и Фриц Штрасман направили в тот же берлинский научный журнал еще одну статью. На этот раз она посвящалась продуктам деления атома урана. В статье «Доказательства образования активных изотопов бария в результате бомбардировки атомов урана и тория нейтронами» говорилось, что ученые не испытывают больше сомнений в том, каким образом можно определить вторичные продукты деления уранового ядра. Ган справедливо полагал, что при определении этих продуктов следовало исходить не из атомной массы, а из порядкового номера, который уран и продукты его деления занимали в периодической таблице: ядро имеющего номер 92 урана делилось на ядра бария (56) и криптона (36):