Страница:
Процесс деления объяснил советский ученый Я. И. Френкель с помощью так называемой капельной модели ядра. В ее основе лежит представление о сходстве свойств ядра и капли "ядерной жидкости", удерживаемой в равновесии силами поверхностного натяжения.
Об этом мы сейчас и расскажем...
В 1938 г. в Риме, на конгрессе Национального химического объединения Ф. Жолио-Кюри познакомился с О. Ганом, авторитетным химиком, работавшим в Химическом институте Общества кайзера Вильгельма, и обсуждал с ним работу И. Кюри и П. Савича. Ган сомневался в правильности вывода, сделанного И. Кюри.
- Я восхищаюсь вашей женой, - говорил О. Ган, - я весьма дружелюбно отношусь к ней. Но на этот раз она ошиблась. Посоветуйте мадам Жолио проверить. Впрочем, я повторю ее опыты и надеюсь в скором времени доказать ей, что она неправа.
Вернувшись в Берлин, Ган проделал те же опыты.
Немало великих открытий в истории науки кажутся случайными, и, действительно, они нередко были следствием счастливого стечения обстоятельств, хотя в науке, по словам Планка, никогда не существовало "счастья без заслуг".
Ган и Штрассман облучили уран нейтронами и тщательно проверили результаты И. Кюри. И, несмотря на то что Ган долго не соглашался с этими результатами, ему в конце концов пришлось признать: И. Кюри права. Да, там был лантан, а в числе продуктов распада урана оказался еще и сосед лантана барий. В книге "Искусственные элементы", вышедшей в 1948 г., О. Ган писал: "Осенью 1938 г. мы - Штрассман и я, - основываясь на опытах Кюри и Савича, пришли к удивительным результатам. Мы выделили три щелочных металла, которые вначале приняли за искусственные изотопы радия. Уже одно это было бы достойно удивления, потому что радий с зарядом ядра 88 вовсе не является близким соседом урана. Но результаты оказались еще непонятнее. Ни одним из известных методов разделения радия и бария, нам не удалось отделить наши "изотопы радия"... Контрольные опыты, в которых мы смешивали свои искусственные "изотопы радия" с его природными изотопами, а потом их разделяли, наконец разрешили проблему. Природный радий удалось отделить от бария, а искусственные "изотопы радия" - нет. Таким образом мы пришли к выводу, что щелочноземельный элемент, образующийся при воздействии нейтронов на уран, - не радий, а барий. Это был совершенно неожиданный результат...".
Результат для химиков был бесспорным, а для физиков необъяснимым. Снова загадка, и снова пришлось признать, что И. Кюри права. Ган и Штрассман отправили в научный журнал заметку, в которой писали: "Как химики, мы принуждены определенно заявить, что новые вещества (подразумеваются продукты деления урана. - Авт.) ведут себя не как радий, а как барий". Это сообщение, опубликованное 6 января 1939 г., заинтересовало ученых.
Ган и Штрассман недоумевали, обнаружив странный, но бесспорный факт, и не отважились допустить мысль, что открыли новый физический процесс, связанный с освобождением громадной энергии. Результаты этих опытов были объяснены другими учеными.
У Гана более 30 лет в качестве ассистентки работала австрийка Л. Мейтнер, которую Эйнштейн называл "наша мадам Кюри". Будучи "неарийского" происхождения, она в конце 30-х годов вынуждена была эмигрировать из Германии в Голландию, а оттуда переехала в Стокгольм. В то время она уже была известным ученым. С ее мнением считались многие. Совершенно растерянный Ган написал ей о своей и Штрассмана, как, ему казалось, неудаче.
Письмо Гана очень заинтересовало Мейтнер. Она знала своего профессора как великого мастера в области химии, поэтому нисколько не сомневалась в точности его экспериментов. Мейтнер все время думала о письме. Действительно, в чем загадка? Уран находится в конце таблицы Менделеева, барий и лантан - в середине. Заряд и масса ядра бария или лантана в сумме составляют примерно половину заряда и массы ядра урана. В облученном нейтронами уране получаются элементы, имеющие примерно вдвое меньший атомный вес, чем уран.
И у Мейтнер мелькает смутная догадка: а что если ядро урана, захватив нейтрон, стало неустойчивым и развалилось, разделилось почти пополам? Продукты этого деления - ядра новых элементов. Вместе со своим племянником физиком О. Фришем, работающим у Н. Бора, она обсуждает эту проблему.
Аналогия с делением клеток в биологии позволила им ввести термин "деление ядер" и помогла представить картину деления ядра урана: заряд урана достаточно велик, чтобы нейтрализовать поверхностное натяжение. Становилось все яснее, что ядро урана представляет собой нестабильное образование, готовое разделиться при малейшем возбуждении.
Возникла новая идея: если возможен процесс распада, при котором появляются новые элементы, стоящие в таблице Менделеева далеко от распавшегося, то можно предположить, что при этом должна выделиться огромная энергия. Откуда же появится такая энергия?
При делении ядра урана, рассуждала Мейтнер, его части оказываются в сумме легче исходного ядра на одну пятую массы протона. Расчет по формуле Эйнштейна дал ответ. Умножив потерянную одну пятую массы протона на скорость света в квадрате, они получили примерно 200 млн. эдектроновольт. Электроновольт - единица энергии, соответствующая энергии одного электрона, ускоренного электрическим напряжением в один вольт.
- В этом заложен источник энергии, - сказал Фриш. - Все сошлось.
Фриш проверил свою догадку экспериментальным путем в Копенгагене. Мейтнер продолжала расчеты. Оба они, понимая, что стоят на пороге грандиозного открытия, даже не тратили времени на поездки, а получаемые результаты обсуждали в письмах, телеграммах и по телефону.
Когда Фриш рассказал своему учителю Н. Бору о работе Гана и о выводах, к которым пришли он и Мейтнер, Бор ударил себя по лбу и воскликнул:
- Какими мы все были слепцами. Но ведь это замечательно! Именно так и должно быть!
Бор сразу понял, что Мейтнер и Фриш дали опытам Гана смелое истолкование. Он очень интересовался их работой и следил за ней.
В январе 1939 г. Бор ненадолго отправился в США, уже понимая, какое огромное событие произошло в мире. Весть, привезенная в Америку Бором, взволновала физиков.
Отто Роберт Фриш так описал в 1955 г. события конца 1938 г.: Когда я на рождество посетил Лизи Мейтнер в Швеции (недалеко от Гётеборга), она показала мне письмо, или корректуру, где излагалось открытие Гана Штрассмана, После долгой дискуссии мы убедились, что расщепление ядра урана на две приблизительно одинаковые части совместимо с капельной моделью Бора. Нам удалось показать, что этот процесс должен проходить при выделении огромного количества энергии. После моего возвращения в Копенгаген я рассказал Нильсу Бору об открытии Гана - Штрассмана и о нашем толковании. Через несколько дней после этого Бор поехал в Америку, и когда в конце января туда поступил журнал "Натурвиссеншафтен" с работой Гана - Штрассмана, Бор на заседании Американского физического общества доложил о нашем толковании. Некоторые физики тотчас же покинули заседание и через несколько часов могли экспериментально доказать предсказанное выделение энергии.
Через несколько дней Э. Ферми повторил опыты немецких ученых и подтвердил догадку о многообещающем делении ядер урана. А тем временем во Франции, в Париже, бомбардируя нейтронами уран, совершенно независимо то же сделал Ф. Жолио-Кюри.
Согласовав текст по телефону, Фриш и Мейтнер отправили письмо в редакцию английского научного журнала "Нейчур". Их заметка "Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции" поступила в журнал 16 января и была опубликована 18 февраля 1939 г. 30 января того же года в "Труды Парижской академии наук" была представлена статья Ф. Жолио-Кюри "Экспериментальное доказательство взрывного распада ядер урана и тория под воздействием нейтронов".
Отослав заметку в журнал "Нейчур", Фриш в тот же день написал матери, с которой привык делиться всеми важными событиями в жизни:
"Ощущение у меня такое, будто я, пробираясь сквозь джунгли, поймал за хвост слона и теперь не знаю, что с ним делать".
В этот же период два советских ученых - Г. Н. Флёров и К. А. Петржак открыли явление самопроизвольного (спонтанного) распада урана. Интересно, что Флёров и Петржак в первом же сообщении о сделанном ими открытии отметили: "Мы приносим искреннюю благодарность за руководство работой профессору И. В. Курчатову, наметившему все основные контрольные эксперименты и принимавшему самоё непосредственное участие в обсуждении результатов исследований".
Э. Ферми и Л. Сциларду понадобилось всего несколько недель, чтобы окончательно установить следующие чрезвычайно важные положения. Атом урана можно расщепить на две части; при этом освобождается огромное количество энергии; в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые, в свою очередь, могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию.
Бор, находившийся в США с января по май 1939 г., много сделал в этот период для быстрой разработки теории, которая впоследствии привела к доказательству особой способности урана-235 и плутония к расщеплению. Его работы положили начало интенсивной разработке вопросов ядерной энергетики.
В энергетическом отношении ядерные реакции могут быть невыгодными, если для их осуществления необходимы затраты энергии, и выгодными, если выделяется значительное количество энергии. При делении ядра урана продукты деления обладают меньшей внутренней энергией, чем первоначальное ядро; вследствие этого продукты деления (осколки) приобретают большую кинетическую энергию (т. е. энергию движения), которая в конечном счете превращается в тепло. Однако при единичных актах деления эта выделенная энергия будет все же незаметной. Нельзя получить особого выигрыша, даже если усиливать поток нейтронов, облучающих уран. Необходимо, чтобы реакция дальше шла самостоятельно. И это оказалось для урана возможным именно потому, что при делении каждого ядра урана получаются новые нейтроны: надо было только обеспечить необходимые условия, чтобы эти нейтроны в свою очередь, могли вызывать деление других ядер урана, т. е. чтобы ядерная реакция стала цепной.
Представим себе лунку, через которую катится шар. Если скорость движения шара невелика, он остановится в лунке, если велика - проскочит ее. Нечто подобное происходит с нейтронами: медленные нейтроны попадают в атомные ядра лучше, чем быстрые. Попадая в ядро, медленные и быстрые нейтроны дают разные эффекты, поскольку их энергия различна. Ядро урана обладает известной устойчивостью, и, чтобы деление произошло, нужно сообщить ядру некоторую "энергию активации". Так, чтобы выстрелить из ружья, надо затратить некоторую "энергию активации" на спуск курка, незначительную по сравнению с энергией выстрела, но все же необходимую. Оказалось, что уран-238 может быть активизирован только быстрыми нейтронами, теми, которые обладают кинетической энергией не меньше миллиона электроновольт. Такие нейтроны при делении урана получаются, но для них ядро не является мишенью достаточно "эффективного сечения" - оно мало, и поэтому цепная реакция не происходит. А, например, изотоп урана-235 обладает свойством делиться при попадании нейтронов любых энергий, как медленных, так и быстрых. Но его слишком мало в естественной смеси изотопов. Из этого положения есть выход. Надо подготовить препарат из чистого изотопа урана-235. Тогда в нем при определенных критических размерах, зависящих от средней длины пробега нейтрона, возникает лавинная цепная реакция, что даст взрыв колоссальной силы. Или же надо внести в естественную смесь изотопов урана замедлители нейтронов (например, блоки из графита), которые замедляют скорость движения нейтронов таким образом, что обеспечивают возможность деления. Тогда цепная реакция оказывается возможной, но выделение энергии делается постепенным и легко управляемым.
Заметим, что ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Сравним атом урана и молекулу взрывчатого вещества - тринитротолуола (тротила). При распаде молекулы тротила выделяется 10 электроновольт энергии, а при распаде ядра урана - 200 млн. электроновольт, т. е. в 20 млн. раз больше!
Как устроен урановый котел (так в то время зазывали ядерный реактор)? Цилиндры из натурального урана, содержащего в основном изотоп урана-238 и только примерно 0,7% изотопа 235, в алюминиевых оболочках размещены между блоками из графита высокой чистоты. Размер котла и его устройство таковы, что обеспечивают возможность цепной ядерной реакции. Нейтроны, излучаемые изотопом урана-235, проникают в некоторые ядра урана; при этом возникают новые быстрые нейтроны, которые, замедляясь графитом, сталкиваются с ядрами урана в соседнем урановом цилиндре и вызывают новое целение. При каждом делении образуется в среднем два-три нейтрона. Часть их поглощается ураном, и котел рассчитывается так, чтобы обеспечить необходимый для поддержания реакции деления прирост нейтронов. Число новых нейтронов, вызывающих деление ядер, должно быть больше числа старых нейтронов, бывших причиной их возникновения: иначе цепная реакция прекратится. Имеющиеся в натуральном уране и графите примеси тоже поглощают нейтроны, поэтому необходимо добиться высокой химической чистоты как урана, так и замедлителя - графита.
После запуска урановый котел сам поддерживает "атомное горение", не требуя дополнительного "топлива". Во избежание чрезмерного разогрева котла радиацией, возникающей при цепной ядерной реакции деления, котел охлаждают потоком жидкости или газа и автоматически регулируют температуру в нем. Как только реакция начинает идти слишком бурно, в котел автоматически вдвигаются поглотители нейтронов в виде стержней из кадмия или бористой стали. Это восстанавливает первоначальный режим.
К середине 1939 г. ученые мира располагали важными теоретическими и экспериментальными открытиями: в области ядерной физики, что позволило выдвинуть обширную программу исследований.
В истории человечества не было научного события более значительного по своим последствиям, чем проникновение в мир атома и овладение его энергией. Научно-техническая революция, которую ныне переживает человечество, во многом основывается на атомной технике и новых научных воззрениях.
Эти открытия произвели в научном мире сенсацию: в физике началась новая, атомная эра! Но первую волну восторгов захлестнула волна тревоги: что если Гитлер, ведущий бешеную подготовку к войне, использует эти открытия для создания нового, сверхмощного оружия? Тогда над человечеством нависнет страшная угроза. Фашисты получат то, о чем всегда мечтали, - оружие массового уничтожения.
А пресса уже заговорила об атомной бомбе.
В газете "Нью-Йорк тайме" 5 мая 1940 г. была опубликована статья научного обозревателя У. Лоуренса, в которой читатель с удивлением и страхом увидел такие заголовки: "Источник атомной энергии огромной мощи, открытый наукой", "Обнаружена разновидность урана, обладающая энергией в 5 млн. раз большей, чем уголь", "Ученым приказано посвятить все время исследованиям", "Потрясающая взрывная сила". Лоуренс сообщал читателям, что Германия стремится овладеть энергией атома. Он предсказывал: атомное оружие скоро будет взято на вооружение армиями великих держав.
Через некоторое время, 7 сентября, Лоуренс в новой статье "Атом сдается", опубликованной в "Сатерди ивнинг пост", рассказывал о мощи "урановой взрывчатки" и доказывал, что близится поворот в методах войны.
Особенно волновались ученые-эмигранты в США. Они считали, что следует вывести правительство из состояния благодушного неведения. США в то время всеми силами старались не быть втянутыми во вторую мировую войну. Они отказывались от активной финансовой и военной помощи кому бы то ни было. Провозглашенный США принцип "плати и вези" позволял любой стране (лишь бы платили золотом) покупать любые американские товары и везти их на своих кораблях.
Сенат США в оправдание своей изоляционистской политики ссылался на прощальную речь первого президента США Дж. Вашингтона, предостерегавшего от "политических связей" с Европой, которые "сделают нашу (североамериканцев. Авт.) мирную жизнь и благополучие игрушкой европейских амбиций, соперничества интересов, настроений и прихотей".
В тех кругах, которые определяли тогда политику США, сначала мало думали об использовании новых достижений атомной физики в военных целях. Их внимание на это обратили физики-эмигранты: "Изгнанные физики знали, - писал известный немецкий ученый М. Брон, - что не будет спасения, если немцам первым удастся создать атомную бомбу. Даже Эйнштейн, который всю жизнь был пацифистом, разделял этот страх и дал уговорить себя нескольким молодым венгерским физикам, просившим предупредить президента Рузвельта".
Декан физического факультета Колумбийского университета профессор Дж. Б. Пеграм обратился с письмом к адмиралу С. Хуперу, заместителю начальника морских операций по техническим вопросам, информируя его о возможном виде взрывчатого вещества. 16 марта 1939 г.
Адмиралу С. К. Хуперу Управление начальника морских операций Министерство ВМС Вашингтон
Сэр!
...Эксперименты, проведенные в физических лабораториях Колумбийского университета, показали, что могут быть созданы условия, при которых химический элемент уран окажется в состоянии освободить большой избыток своей атомной энергии, и что это может означать возможность использовать уран в качестве взрывчатого вещества, которое выделяло бы в миллион раз больше энергии на килограмм вещества, чем любой известный тип взрывчатки. Мне лично кажется, что шансов здесь мало, но мои коллеги и я считаем, что нельзя пренебрегать даже малейшей возможностью, и поэтому я позвонил... сегодня утром, главным образом с целью установить канал, по которому результаты наших экспериментов могут, если в этом появится необходимость, быть переданы соответствующим лицам в министерстве ВМС США.
Профессор Энрико Ферми, который совместно с доктором Сцилардом, доктором Зинном, мистером Андерсеном и другими работает над этой проблемой в наших лабораториях, сегодня отправился в Вашингтон, чтобы вечером выступить перед Философским обществом, и завтрашний день пробудет в Вашингтоне. Он позвонит в Ваше управление и, если Вы пожелаете встретиться с ним, будет рад, более определенно рассказать о состоянии этой проблемы в настоящее время.
Ферми... является профессором физики Колумбийского университета... был награжден Нобелевской премией... В этой области ядерной физики нет человека более компетентного, чем он.
Профессор Ферми недавно прибыл в нашу страну для постоянного жительства и в положенное время станет американским гражданином...
Искренне Ваш Джордж Б. Пеграм профессор физики.
18 марта состоялась встреча Ферми в министерстве ВМС с группой военно-морских технических экспертов и штатских ученых. Мирный, бескорыстный, свободолюбивый иностранец вежливо уговаривал военных чужой страны осмыслить опасные последствия использования результатов научного открытия.
Офицер и эксперты с недоверием посматривали на ученого, вопросов не задавали, но просили и в дальнейшем информировать их о ходе работ. О каких вопросах могла идти речь, если они плохо понимали, что такое "нейтроны", "изотопы"? К тому же Ферми сбивался, переходя с английского на итальянский.
В США был лишь один ученый, с которым считались, - А. Эйнштейн. Не потому, что ценили его знания: просто он был очень знаменит, а к таким людям в США относятся с почтением.
В июле 1939 г. физики Ю. Вигнер и Л. Сцилард встретились с А. Эйнштейном в Лонг-Айленде, где тот проводил жаркое время года. Ученые рассказали Эйнштейну о цепной реакции в уране и возможностях ее использования в военных целях. Они были переполнены научными новостями, догадками, прогнозами и спросили, что думает Эйнштейн о событиях в физике и возможно ли создание атомного оружия.
Рассказ произвел на Эйнштейна большое впечатление. Вначале было решено через бельгийскую королеву Елизавету, дружески относившуюся к Эйнштейну, предостеречь бельгийское правительство от дальнейшей продажи Германии больших количеств урана, добываемого в Конго, но затем от этой мысли отказались и решили направить письмо президенту Рузвельту: была широко известна его ненависть к фашизму.
Л. Сцилард посоветовался с коллегами и встретился с финансистом А. Саксом - другом и неофициальным советником Рузвельта, часто бывавшим у президента. Сакс оценил значение информации о делении урана и вместе со Сцилардом заготовил проект письма.
2 августа Л. Сцилард уже с другим ученым, Э. Теллером, вновь поехали к Эйнштейну. Эйнштейн был утомлен. Он продиктовал несколько фраз, составленных, по-видимому, заранее. Потом Сцилард прочитал проект письма, написанного им совместно с Саксом. После короткого обмена мнениями был отредактирован и напечатан на машинке окончательный текст. Впоследствии, вспоминая детали этой встречи, Сцилард рассказывал:
- Насколько я помню, Эйнштейн диктовал письмо Теллеру по-немецки, а я использовал текст этого письма как основу еще для двух вариантов: одного сравнительно короткого, другого - довольно длинного. Оба они были адресованы президенту. Я предоставил Эйнштейну возможность выбрать - он выбрал длинный вариант. Я подготовил также меморандум в качестве пояснения к письму Эйнштейна. (Теллер, однако, утверждал, что Эйнштейн только подписал привезенное письмо. Так же рассказывал об этом и сам Эйнштейн.)
Прежде чем подписать письмо, Эйнштейн спросил:
- Имеем ли мы право убивать людей посредством энергии, которая скрыта природой за семью замками и недоступна людям?
- Энергия урана будет использована исключительно для самозащиты от фашизма, - сказал Сцилард.
- Но если фашизм будет повержен до того, как мы создадим бомбу?
- Тогда она ни в коем случае не будет применена в военных целях.
К сожалению, Сцилард тогда в это верил. Поверил и Эйнштейн.
Рузвельту было направлено письмо, вызвавшее серьезные последствия. Альберт Эйнштейн, Олд Гров Ред, Нассау-Пойнт-Пеконик, Лонг-Айленд 2 августа 1939 г. Ф. Д. Рузвельту Президенту Соединенных Штатов Белый дом, Вашингтон
Сэр!
Некоторые недавние работы Ферми и Сциларда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый а важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и при необходимости быстрых действий со стороны правительства. Я считаю своим долгом обратить Ваше внимание на следующие факты и рекомендации.
В течение последних четырех месяцев благодаря работам Жолио во Франции, а также Ферми и Сциларда в Америке стада вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближайшем будущем,
Это новое явление способно привести также к созданию бомб, возможно, хотя и менее достоверно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией. Такие бомбы могут оказаться слишком тяжелыми для воздушной перевозки.
Соединенные Штаты обладают малым количеством урана. Ценные месторождения его находятся в Канаде и Чехословакии. Серьезные источники - в Бельгийском Конго.
Ввиду этого не сочтете ли Вы желательным установление постоянного контакта между правительством и группой физиков, исследующих в Америке проблемы цепной реакции. Для такого контакта Вы могли бы уполномочить лицо, пользующееся Вашим доверием, неофициально выполнять следующие обязанности:
а) поддерживать связь с правительственными учреждениями, информировать их об исследованиях и давать им необходимые рекомендации, в особенности в части обеспечения Соединенных Штатов ураном;
б) содействовать ускорению экспериментальных работ, ведущихся сейчас за счет внутренних средств университетских лабораторий, путем привлечения частных лиц и промышленных лабораторий, обладающих нужным оборудованием.
Мне известно, что Германия в настоящее время прекратила продажу урана из захваченных чехословацких рудников. Такие шаги, быть может, станут понятными, если учесть, что сын заместителя германского министра иностранных дел фон Вайцзеккер прикомандирован к Институту кайзера Вильгельма в Берлине, где в настоящее время повторяются американские работы по урану.
Искренне Ваш Альберт Эйнштейн
Что заставило Эйнштейна, жившего вне мелочных интересов времени и отвергавшего всякие условности, окунуться в самую гущу событий? Что побудило его принять на себя громадную ответственность, когда он предложил открыть запечатанный самой природой сосуд, в котором дремал невероятной силы и коварства джин?
В 1951 г. Эйнштейн в интервью одной японской газете так объяснил свою роль в создании атомного оружия: "Мое участие в создании атомной бомбы состояло в одном-единственном поступке: я подписал письмо президенту Рузвельту, в котором подчеркивалась необходимость проведения в крупных масштабах экспериментов по изучению возможности создания атомной бомбы. Я полностью отдавал себе отчет в том, какую опасность для человечества означал бы успех этого мероприятия. Однако вероятность того, что над той же самой проблемой с надеждой на успех могли работать и немцы, заставила меня решиться на этот шаг. Я не имел другого выбора, хотя всегда был убежденным пацифистом".
Об этом мы сейчас и расскажем...
В 1938 г. в Риме, на конгрессе Национального химического объединения Ф. Жолио-Кюри познакомился с О. Ганом, авторитетным химиком, работавшим в Химическом институте Общества кайзера Вильгельма, и обсуждал с ним работу И. Кюри и П. Савича. Ган сомневался в правильности вывода, сделанного И. Кюри.
- Я восхищаюсь вашей женой, - говорил О. Ган, - я весьма дружелюбно отношусь к ней. Но на этот раз она ошиблась. Посоветуйте мадам Жолио проверить. Впрочем, я повторю ее опыты и надеюсь в скором времени доказать ей, что она неправа.
Вернувшись в Берлин, Ган проделал те же опыты.
Немало великих открытий в истории науки кажутся случайными, и, действительно, они нередко были следствием счастливого стечения обстоятельств, хотя в науке, по словам Планка, никогда не существовало "счастья без заслуг".
Ган и Штрассман облучили уран нейтронами и тщательно проверили результаты И. Кюри. И, несмотря на то что Ган долго не соглашался с этими результатами, ему в конце концов пришлось признать: И. Кюри права. Да, там был лантан, а в числе продуктов распада урана оказался еще и сосед лантана барий. В книге "Искусственные элементы", вышедшей в 1948 г., О. Ган писал: "Осенью 1938 г. мы - Штрассман и я, - основываясь на опытах Кюри и Савича, пришли к удивительным результатам. Мы выделили три щелочных металла, которые вначале приняли за искусственные изотопы радия. Уже одно это было бы достойно удивления, потому что радий с зарядом ядра 88 вовсе не является близким соседом урана. Но результаты оказались еще непонятнее. Ни одним из известных методов разделения радия и бария, нам не удалось отделить наши "изотопы радия"... Контрольные опыты, в которых мы смешивали свои искусственные "изотопы радия" с его природными изотопами, а потом их разделяли, наконец разрешили проблему. Природный радий удалось отделить от бария, а искусственные "изотопы радия" - нет. Таким образом мы пришли к выводу, что щелочноземельный элемент, образующийся при воздействии нейтронов на уран, - не радий, а барий. Это был совершенно неожиданный результат...".
Результат для химиков был бесспорным, а для физиков необъяснимым. Снова загадка, и снова пришлось признать, что И. Кюри права. Ган и Штрассман отправили в научный журнал заметку, в которой писали: "Как химики, мы принуждены определенно заявить, что новые вещества (подразумеваются продукты деления урана. - Авт.) ведут себя не как радий, а как барий". Это сообщение, опубликованное 6 января 1939 г., заинтересовало ученых.
Ган и Штрассман недоумевали, обнаружив странный, но бесспорный факт, и не отважились допустить мысль, что открыли новый физический процесс, связанный с освобождением громадной энергии. Результаты этих опытов были объяснены другими учеными.
У Гана более 30 лет в качестве ассистентки работала австрийка Л. Мейтнер, которую Эйнштейн называл "наша мадам Кюри". Будучи "неарийского" происхождения, она в конце 30-х годов вынуждена была эмигрировать из Германии в Голландию, а оттуда переехала в Стокгольм. В то время она уже была известным ученым. С ее мнением считались многие. Совершенно растерянный Ган написал ей о своей и Штрассмана, как, ему казалось, неудаче.
Письмо Гана очень заинтересовало Мейтнер. Она знала своего профессора как великого мастера в области химии, поэтому нисколько не сомневалась в точности его экспериментов. Мейтнер все время думала о письме. Действительно, в чем загадка? Уран находится в конце таблицы Менделеева, барий и лантан - в середине. Заряд и масса ядра бария или лантана в сумме составляют примерно половину заряда и массы ядра урана. В облученном нейтронами уране получаются элементы, имеющие примерно вдвое меньший атомный вес, чем уран.
И у Мейтнер мелькает смутная догадка: а что если ядро урана, захватив нейтрон, стало неустойчивым и развалилось, разделилось почти пополам? Продукты этого деления - ядра новых элементов. Вместе со своим племянником физиком О. Фришем, работающим у Н. Бора, она обсуждает эту проблему.
Аналогия с делением клеток в биологии позволила им ввести термин "деление ядер" и помогла представить картину деления ядра урана: заряд урана достаточно велик, чтобы нейтрализовать поверхностное натяжение. Становилось все яснее, что ядро урана представляет собой нестабильное образование, готовое разделиться при малейшем возбуждении.
Возникла новая идея: если возможен процесс распада, при котором появляются новые элементы, стоящие в таблице Менделеева далеко от распавшегося, то можно предположить, что при этом должна выделиться огромная энергия. Откуда же появится такая энергия?
При делении ядра урана, рассуждала Мейтнер, его части оказываются в сумме легче исходного ядра на одну пятую массы протона. Расчет по формуле Эйнштейна дал ответ. Умножив потерянную одну пятую массы протона на скорость света в квадрате, они получили примерно 200 млн. эдектроновольт. Электроновольт - единица энергии, соответствующая энергии одного электрона, ускоренного электрическим напряжением в один вольт.
- В этом заложен источник энергии, - сказал Фриш. - Все сошлось.
Фриш проверил свою догадку экспериментальным путем в Копенгагене. Мейтнер продолжала расчеты. Оба они, понимая, что стоят на пороге грандиозного открытия, даже не тратили времени на поездки, а получаемые результаты обсуждали в письмах, телеграммах и по телефону.
Когда Фриш рассказал своему учителю Н. Бору о работе Гана и о выводах, к которым пришли он и Мейтнер, Бор ударил себя по лбу и воскликнул:
- Какими мы все были слепцами. Но ведь это замечательно! Именно так и должно быть!
Бор сразу понял, что Мейтнер и Фриш дали опытам Гана смелое истолкование. Он очень интересовался их работой и следил за ней.
В январе 1939 г. Бор ненадолго отправился в США, уже понимая, какое огромное событие произошло в мире. Весть, привезенная в Америку Бором, взволновала физиков.
Отто Роберт Фриш так описал в 1955 г. события конца 1938 г.: Когда я на рождество посетил Лизи Мейтнер в Швеции (недалеко от Гётеборга), она показала мне письмо, или корректуру, где излагалось открытие Гана Штрассмана, После долгой дискуссии мы убедились, что расщепление ядра урана на две приблизительно одинаковые части совместимо с капельной моделью Бора. Нам удалось показать, что этот процесс должен проходить при выделении огромного количества энергии. После моего возвращения в Копенгаген я рассказал Нильсу Бору об открытии Гана - Штрассмана и о нашем толковании. Через несколько дней после этого Бор поехал в Америку, и когда в конце января туда поступил журнал "Натурвиссеншафтен" с работой Гана - Штрассмана, Бор на заседании Американского физического общества доложил о нашем толковании. Некоторые физики тотчас же покинули заседание и через несколько часов могли экспериментально доказать предсказанное выделение энергии.
Через несколько дней Э. Ферми повторил опыты немецких ученых и подтвердил догадку о многообещающем делении ядер урана. А тем временем во Франции, в Париже, бомбардируя нейтронами уран, совершенно независимо то же сделал Ф. Жолио-Кюри.
Согласовав текст по телефону, Фриш и Мейтнер отправили письмо в редакцию английского научного журнала "Нейчур". Их заметка "Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции" поступила в журнал 16 января и была опубликована 18 февраля 1939 г. 30 января того же года в "Труды Парижской академии наук" была представлена статья Ф. Жолио-Кюри "Экспериментальное доказательство взрывного распада ядер урана и тория под воздействием нейтронов".
Отослав заметку в журнал "Нейчур", Фриш в тот же день написал матери, с которой привык делиться всеми важными событиями в жизни:
"Ощущение у меня такое, будто я, пробираясь сквозь джунгли, поймал за хвост слона и теперь не знаю, что с ним делать".
В этот же период два советских ученых - Г. Н. Флёров и К. А. Петржак открыли явление самопроизвольного (спонтанного) распада урана. Интересно, что Флёров и Петржак в первом же сообщении о сделанном ими открытии отметили: "Мы приносим искреннюю благодарность за руководство работой профессору И. В. Курчатову, наметившему все основные контрольные эксперименты и принимавшему самоё непосредственное участие в обсуждении результатов исследований".
Э. Ферми и Л. Сциларду понадобилось всего несколько недель, чтобы окончательно установить следующие чрезвычайно важные положения. Атом урана можно расщепить на две части; при этом освобождается огромное количество энергии; в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые, в свою очередь, могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию.
Бор, находившийся в США с января по май 1939 г., много сделал в этот период для быстрой разработки теории, которая впоследствии привела к доказательству особой способности урана-235 и плутония к расщеплению. Его работы положили начало интенсивной разработке вопросов ядерной энергетики.
В энергетическом отношении ядерные реакции могут быть невыгодными, если для их осуществления необходимы затраты энергии, и выгодными, если выделяется значительное количество энергии. При делении ядра урана продукты деления обладают меньшей внутренней энергией, чем первоначальное ядро; вследствие этого продукты деления (осколки) приобретают большую кинетическую энергию (т. е. энергию движения), которая в конечном счете превращается в тепло. Однако при единичных актах деления эта выделенная энергия будет все же незаметной. Нельзя получить особого выигрыша, даже если усиливать поток нейтронов, облучающих уран. Необходимо, чтобы реакция дальше шла самостоятельно. И это оказалось для урана возможным именно потому, что при делении каждого ядра урана получаются новые нейтроны: надо было только обеспечить необходимые условия, чтобы эти нейтроны в свою очередь, могли вызывать деление других ядер урана, т. е. чтобы ядерная реакция стала цепной.
Представим себе лунку, через которую катится шар. Если скорость движения шара невелика, он остановится в лунке, если велика - проскочит ее. Нечто подобное происходит с нейтронами: медленные нейтроны попадают в атомные ядра лучше, чем быстрые. Попадая в ядро, медленные и быстрые нейтроны дают разные эффекты, поскольку их энергия различна. Ядро урана обладает известной устойчивостью, и, чтобы деление произошло, нужно сообщить ядру некоторую "энергию активации". Так, чтобы выстрелить из ружья, надо затратить некоторую "энергию активации" на спуск курка, незначительную по сравнению с энергией выстрела, но все же необходимую. Оказалось, что уран-238 может быть активизирован только быстрыми нейтронами, теми, которые обладают кинетической энергией не меньше миллиона электроновольт. Такие нейтроны при делении урана получаются, но для них ядро не является мишенью достаточно "эффективного сечения" - оно мало, и поэтому цепная реакция не происходит. А, например, изотоп урана-235 обладает свойством делиться при попадании нейтронов любых энергий, как медленных, так и быстрых. Но его слишком мало в естественной смеси изотопов. Из этого положения есть выход. Надо подготовить препарат из чистого изотопа урана-235. Тогда в нем при определенных критических размерах, зависящих от средней длины пробега нейтрона, возникает лавинная цепная реакция, что даст взрыв колоссальной силы. Или же надо внести в естественную смесь изотопов урана замедлители нейтронов (например, блоки из графита), которые замедляют скорость движения нейтронов таким образом, что обеспечивают возможность деления. Тогда цепная реакция оказывается возможной, но выделение энергии делается постепенным и легко управляемым.
Заметим, что ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Сравним атом урана и молекулу взрывчатого вещества - тринитротолуола (тротила). При распаде молекулы тротила выделяется 10 электроновольт энергии, а при распаде ядра урана - 200 млн. электроновольт, т. е. в 20 млн. раз больше!
Как устроен урановый котел (так в то время зазывали ядерный реактор)? Цилиндры из натурального урана, содержащего в основном изотоп урана-238 и только примерно 0,7% изотопа 235, в алюминиевых оболочках размещены между блоками из графита высокой чистоты. Размер котла и его устройство таковы, что обеспечивают возможность цепной ядерной реакции. Нейтроны, излучаемые изотопом урана-235, проникают в некоторые ядра урана; при этом возникают новые быстрые нейтроны, которые, замедляясь графитом, сталкиваются с ядрами урана в соседнем урановом цилиндре и вызывают новое целение. При каждом делении образуется в среднем два-три нейтрона. Часть их поглощается ураном, и котел рассчитывается так, чтобы обеспечить необходимый для поддержания реакции деления прирост нейтронов. Число новых нейтронов, вызывающих деление ядер, должно быть больше числа старых нейтронов, бывших причиной их возникновения: иначе цепная реакция прекратится. Имеющиеся в натуральном уране и графите примеси тоже поглощают нейтроны, поэтому необходимо добиться высокой химической чистоты как урана, так и замедлителя - графита.
После запуска урановый котел сам поддерживает "атомное горение", не требуя дополнительного "топлива". Во избежание чрезмерного разогрева котла радиацией, возникающей при цепной ядерной реакции деления, котел охлаждают потоком жидкости или газа и автоматически регулируют температуру в нем. Как только реакция начинает идти слишком бурно, в котел автоматически вдвигаются поглотители нейтронов в виде стержней из кадмия или бористой стали. Это восстанавливает первоначальный режим.
К середине 1939 г. ученые мира располагали важными теоретическими и экспериментальными открытиями: в области ядерной физики, что позволило выдвинуть обширную программу исследований.
В истории человечества не было научного события более значительного по своим последствиям, чем проникновение в мир атома и овладение его энергией. Научно-техническая революция, которую ныне переживает человечество, во многом основывается на атомной технике и новых научных воззрениях.
Эти открытия произвели в научном мире сенсацию: в физике началась новая, атомная эра! Но первую волну восторгов захлестнула волна тревоги: что если Гитлер, ведущий бешеную подготовку к войне, использует эти открытия для создания нового, сверхмощного оружия? Тогда над человечеством нависнет страшная угроза. Фашисты получат то, о чем всегда мечтали, - оружие массового уничтожения.
А пресса уже заговорила об атомной бомбе.
В газете "Нью-Йорк тайме" 5 мая 1940 г. была опубликована статья научного обозревателя У. Лоуренса, в которой читатель с удивлением и страхом увидел такие заголовки: "Источник атомной энергии огромной мощи, открытый наукой", "Обнаружена разновидность урана, обладающая энергией в 5 млн. раз большей, чем уголь", "Ученым приказано посвятить все время исследованиям", "Потрясающая взрывная сила". Лоуренс сообщал читателям, что Германия стремится овладеть энергией атома. Он предсказывал: атомное оружие скоро будет взято на вооружение армиями великих держав.
Через некоторое время, 7 сентября, Лоуренс в новой статье "Атом сдается", опубликованной в "Сатерди ивнинг пост", рассказывал о мощи "урановой взрывчатки" и доказывал, что близится поворот в методах войны.
Особенно волновались ученые-эмигранты в США. Они считали, что следует вывести правительство из состояния благодушного неведения. США в то время всеми силами старались не быть втянутыми во вторую мировую войну. Они отказывались от активной финансовой и военной помощи кому бы то ни было. Провозглашенный США принцип "плати и вези" позволял любой стране (лишь бы платили золотом) покупать любые американские товары и везти их на своих кораблях.
Сенат США в оправдание своей изоляционистской политики ссылался на прощальную речь первого президента США Дж. Вашингтона, предостерегавшего от "политических связей" с Европой, которые "сделают нашу (североамериканцев. Авт.) мирную жизнь и благополучие игрушкой европейских амбиций, соперничества интересов, настроений и прихотей".
В тех кругах, которые определяли тогда политику США, сначала мало думали об использовании новых достижений атомной физики в военных целях. Их внимание на это обратили физики-эмигранты: "Изгнанные физики знали, - писал известный немецкий ученый М. Брон, - что не будет спасения, если немцам первым удастся создать атомную бомбу. Даже Эйнштейн, который всю жизнь был пацифистом, разделял этот страх и дал уговорить себя нескольким молодым венгерским физикам, просившим предупредить президента Рузвельта".
Декан физического факультета Колумбийского университета профессор Дж. Б. Пеграм обратился с письмом к адмиралу С. Хуперу, заместителю начальника морских операций по техническим вопросам, информируя его о возможном виде взрывчатого вещества. 16 марта 1939 г.
Адмиралу С. К. Хуперу Управление начальника морских операций Министерство ВМС Вашингтон
Сэр!
...Эксперименты, проведенные в физических лабораториях Колумбийского университета, показали, что могут быть созданы условия, при которых химический элемент уран окажется в состоянии освободить большой избыток своей атомной энергии, и что это может означать возможность использовать уран в качестве взрывчатого вещества, которое выделяло бы в миллион раз больше энергии на килограмм вещества, чем любой известный тип взрывчатки. Мне лично кажется, что шансов здесь мало, но мои коллеги и я считаем, что нельзя пренебрегать даже малейшей возможностью, и поэтому я позвонил... сегодня утром, главным образом с целью установить канал, по которому результаты наших экспериментов могут, если в этом появится необходимость, быть переданы соответствующим лицам в министерстве ВМС США.
Профессор Энрико Ферми, который совместно с доктором Сцилардом, доктором Зинном, мистером Андерсеном и другими работает над этой проблемой в наших лабораториях, сегодня отправился в Вашингтон, чтобы вечером выступить перед Философским обществом, и завтрашний день пробудет в Вашингтоне. Он позвонит в Ваше управление и, если Вы пожелаете встретиться с ним, будет рад, более определенно рассказать о состоянии этой проблемы в настоящее время.
Ферми... является профессором физики Колумбийского университета... был награжден Нобелевской премией... В этой области ядерной физики нет человека более компетентного, чем он.
Профессор Ферми недавно прибыл в нашу страну для постоянного жительства и в положенное время станет американским гражданином...
Искренне Ваш Джордж Б. Пеграм профессор физики.
18 марта состоялась встреча Ферми в министерстве ВМС с группой военно-морских технических экспертов и штатских ученых. Мирный, бескорыстный, свободолюбивый иностранец вежливо уговаривал военных чужой страны осмыслить опасные последствия использования результатов научного открытия.
Офицер и эксперты с недоверием посматривали на ученого, вопросов не задавали, но просили и в дальнейшем информировать их о ходе работ. О каких вопросах могла идти речь, если они плохо понимали, что такое "нейтроны", "изотопы"? К тому же Ферми сбивался, переходя с английского на итальянский.
В США был лишь один ученый, с которым считались, - А. Эйнштейн. Не потому, что ценили его знания: просто он был очень знаменит, а к таким людям в США относятся с почтением.
В июле 1939 г. физики Ю. Вигнер и Л. Сцилард встретились с А. Эйнштейном в Лонг-Айленде, где тот проводил жаркое время года. Ученые рассказали Эйнштейну о цепной реакции в уране и возможностях ее использования в военных целях. Они были переполнены научными новостями, догадками, прогнозами и спросили, что думает Эйнштейн о событиях в физике и возможно ли создание атомного оружия.
Рассказ произвел на Эйнштейна большое впечатление. Вначале было решено через бельгийскую королеву Елизавету, дружески относившуюся к Эйнштейну, предостеречь бельгийское правительство от дальнейшей продажи Германии больших количеств урана, добываемого в Конго, но затем от этой мысли отказались и решили направить письмо президенту Рузвельту: была широко известна его ненависть к фашизму.
Л. Сцилард посоветовался с коллегами и встретился с финансистом А. Саксом - другом и неофициальным советником Рузвельта, часто бывавшим у президента. Сакс оценил значение информации о делении урана и вместе со Сцилардом заготовил проект письма.
2 августа Л. Сцилард уже с другим ученым, Э. Теллером, вновь поехали к Эйнштейну. Эйнштейн был утомлен. Он продиктовал несколько фраз, составленных, по-видимому, заранее. Потом Сцилард прочитал проект письма, написанного им совместно с Саксом. После короткого обмена мнениями был отредактирован и напечатан на машинке окончательный текст. Впоследствии, вспоминая детали этой встречи, Сцилард рассказывал:
- Насколько я помню, Эйнштейн диктовал письмо Теллеру по-немецки, а я использовал текст этого письма как основу еще для двух вариантов: одного сравнительно короткого, другого - довольно длинного. Оба они были адресованы президенту. Я предоставил Эйнштейну возможность выбрать - он выбрал длинный вариант. Я подготовил также меморандум в качестве пояснения к письму Эйнштейна. (Теллер, однако, утверждал, что Эйнштейн только подписал привезенное письмо. Так же рассказывал об этом и сам Эйнштейн.)
Прежде чем подписать письмо, Эйнштейн спросил:
- Имеем ли мы право убивать людей посредством энергии, которая скрыта природой за семью замками и недоступна людям?
- Энергия урана будет использована исключительно для самозащиты от фашизма, - сказал Сцилард.
- Но если фашизм будет повержен до того, как мы создадим бомбу?
- Тогда она ни в коем случае не будет применена в военных целях.
К сожалению, Сцилард тогда в это верил. Поверил и Эйнштейн.
Рузвельту было направлено письмо, вызвавшее серьезные последствия. Альберт Эйнштейн, Олд Гров Ред, Нассау-Пойнт-Пеконик, Лонг-Айленд 2 августа 1939 г. Ф. Д. Рузвельту Президенту Соединенных Штатов Белый дом, Вашингтон
Сэр!
Некоторые недавние работы Ферми и Сциларда, которые были сообщены мне в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый а важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и при необходимости быстрых действий со стороны правительства. Я считаю своим долгом обратить Ваше внимание на следующие факты и рекомендации.
В течение последних четырех месяцев благодаря работам Жолио во Франции, а также Ферми и Сциларда в Америке стада вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближайшем будущем,
Это новое явление способно привести также к созданию бомб, возможно, хотя и менее достоверно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией. Такие бомбы могут оказаться слишком тяжелыми для воздушной перевозки.
Соединенные Штаты обладают малым количеством урана. Ценные месторождения его находятся в Канаде и Чехословакии. Серьезные источники - в Бельгийском Конго.
Ввиду этого не сочтете ли Вы желательным установление постоянного контакта между правительством и группой физиков, исследующих в Америке проблемы цепной реакции. Для такого контакта Вы могли бы уполномочить лицо, пользующееся Вашим доверием, неофициально выполнять следующие обязанности:
а) поддерживать связь с правительственными учреждениями, информировать их об исследованиях и давать им необходимые рекомендации, в особенности в части обеспечения Соединенных Штатов ураном;
б) содействовать ускорению экспериментальных работ, ведущихся сейчас за счет внутренних средств университетских лабораторий, путем привлечения частных лиц и промышленных лабораторий, обладающих нужным оборудованием.
Мне известно, что Германия в настоящее время прекратила продажу урана из захваченных чехословацких рудников. Такие шаги, быть может, станут понятными, если учесть, что сын заместителя германского министра иностранных дел фон Вайцзеккер прикомандирован к Институту кайзера Вильгельма в Берлине, где в настоящее время повторяются американские работы по урану.
Искренне Ваш Альберт Эйнштейн
Что заставило Эйнштейна, жившего вне мелочных интересов времени и отвергавшего всякие условности, окунуться в самую гущу событий? Что побудило его принять на себя громадную ответственность, когда он предложил открыть запечатанный самой природой сосуд, в котором дремал невероятной силы и коварства джин?
В 1951 г. Эйнштейн в интервью одной японской газете так объяснил свою роль в создании атомного оружия: "Мое участие в создании атомной бомбы состояло в одном-единственном поступке: я подписал письмо президенту Рузвельту, в котором подчеркивалась необходимость проведения в крупных масштабах экспериментов по изучению возможности создания атомной бомбы. Я полностью отдавал себе отчет в том, какую опасность для человечества означал бы успех этого мероприятия. Однако вероятность того, что над той же самой проблемой с надеждой на успех могли работать и немцы, заставила меня решиться на этот шаг. Я не имел другого выбора, хотя всегда был убежденным пацифистом".