– Постой-ка здесь, – сказал он и направился к темневшей груде чего-то подобного бочкам. – Ну, конечно, – доносился оттуда его голос до Марины Дмитриевны, – бочки из-под свежего цемента. И где они, черти, только достают? Подожди-ка, я узнаю, что это за контора. – И он направился еще дальше, к воротам.
А наутро, как потом узнала Марина Дмитриевна, он побывал там, где обнаружил цемент, и его действительно выручили. Уже были готовы высокочастотный генератор, генератор питания ионного источника. На одном из заводов соорудили кольцевую вакуумную камеру с запасом пирексовых изоляторов. Из электромашинного оборудования не хватало только мотор-генератора для питания циклотронного магнита.
Игорь Васильевич долгое время искал и, наконец, добыл где-то агрегат. Правда, находился он в плачевном состоянии. Требовался капитальный ремонт. Все было сделано в срочном порядке. Перемотанный и свежепокрашенный стоял он, готовый к действию на все свои сто с лишним киловатт!
Одновременно Игорь Васильевич готовил кадры для работы на будущем циклотроне: для приобретения опыта новички пока работали на циклотроне радиевого института.
«К сожалению, нам не повезло... – вспоминает А. И. Алиханов. – Начавшиеся на Карельском перешейке военные действия погрузили Ленинград в мрак и прервали работы по строительству циклотрона. Вскоре они были возобновлены, но грянула Великая Отечественная война, и все прервалось».
Пуск циклотрона намечался на 1 января 1942 года. 22 июня 1941 года, в день начала войны, «Правда» сообщила из Ленинграда в информации под заголовком «Советский циклотрон»: «В Лесном, на территории физико-технического института Академии наук СССР недавно построено двухэтажное здание, похожее на планетарий. Продолговатый корпус увенчан куполом...
Сейчас в новом здании устанавливаются электрические агрегаты, монтируется оборудование. В машинном зале уже стоит генератор мощностью 120 киловатт. Через люк в потолке на бетонный фундамент спускаются детали второго генератора. В соседнем помещении смонтирован огромный распределительный щит.
Внушительное впечатление производит круглый зал, построенный целиком из железа и стекла. Он покоится на восьми массивных стальных колоннах. В ближайшее время здесь будет установлен 75-тонный электромагнит высотой около 4 метров. Диаметр его полюсов – 1200 миллиметров.
Под куполом зала две мощные подкрановые балки. Скоро на них лягут рельсы и придут в движение крановые тележки грузоподъемностью в 25 тонн».
...Война перечеркнула все планы и раскидала в первые же дни всех участников постройки циклотрона в разные края советской земли. Но то, что они делали, их опыт создания циклотрона остался при них.
Для самого Игоря Васильевича строительство ленинградского циклотрона было первым делом, в котором в больших масштабах сочетались научные, технические и производственные задачи. Это был пробный камень организаторских способностей И. В. Курчатова, его умения руководить самыми разнообразными коллективами специалистов.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ИСПЫТАНИЕ
Заветная цепь
Теперь только и начинается!
«Цепь возможна и жизненна»
А наутро, как потом узнала Марина Дмитриевна, он побывал там, где обнаружил цемент, и его действительно выручили. Уже были готовы высокочастотный генератор, генератор питания ионного источника. На одном из заводов соорудили кольцевую вакуумную камеру с запасом пирексовых изоляторов. Из электромашинного оборудования не хватало только мотор-генератора для питания циклотронного магнита.
Игорь Васильевич долгое время искал и, наконец, добыл где-то агрегат. Правда, находился он в плачевном состоянии. Требовался капитальный ремонт. Все было сделано в срочном порядке. Перемотанный и свежепокрашенный стоял он, готовый к действию на все свои сто с лишним киловатт!
Одновременно Игорь Васильевич готовил кадры для работы на будущем циклотроне: для приобретения опыта новички пока работали на циклотроне радиевого института.
«К сожалению, нам не повезло... – вспоминает А. И. Алиханов. – Начавшиеся на Карельском перешейке военные действия погрузили Ленинград в мрак и прервали работы по строительству циклотрона. Вскоре они были возобновлены, но грянула Великая Отечественная война, и все прервалось».
Пуск циклотрона намечался на 1 января 1942 года. 22 июня 1941 года, в день начала войны, «Правда» сообщила из Ленинграда в информации под заголовком «Советский циклотрон»: «В Лесном, на территории физико-технического института Академии наук СССР недавно построено двухэтажное здание, похожее на планетарий. Продолговатый корпус увенчан куполом...
Сейчас в новом здании устанавливаются электрические агрегаты, монтируется оборудование. В машинном зале уже стоит генератор мощностью 120 киловатт. Через люк в потолке на бетонный фундамент спускаются детали второго генератора. В соседнем помещении смонтирован огромный распределительный щит.
Внушительное впечатление производит круглый зал, построенный целиком из железа и стекла. Он покоится на восьми массивных стальных колоннах. В ближайшее время здесь будет установлен 75-тонный электромагнит высотой около 4 метров. Диаметр его полюсов – 1200 миллиметров.
Под куполом зала две мощные подкрановые балки. Скоро на них лягут рельсы и придут в движение крановые тележки грузоподъемностью в 25 тонн».
...Война перечеркнула все планы и раскидала в первые же дни всех участников постройки циклотрона в разные края советской земли. Но то, что они делали, их опыт создания циклотрона остался при них.
Для самого Игоря Васильевича строительство ленинградского циклотрона было первым делом, в котором в больших масштабах сочетались научные, технические и производственные задачи. Это был пробный камень организаторских способностей И. В. Курчатова, его умения руководить самыми разнообразными коллективами специалистов.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ИСПЫТАНИЕ
Настанет время, опять придут счастливые дни для нашей Родины, а значит, и для нас.
Из письма И. В. Курчатова с фронта
Заветная цепь
Теперь только и начинается!
В 1939—1941 годах наука о ядре стремительно двигалась к тому рубежу, с которого можно было осуществить решающий рывок к овладению атомной энергией.
Игорь Васильевич успевал побывать у всех своих «подопечных» почти ежедневно. Цепко улавливая то, чем только-только начинала жить мировая ядерная наука, он настойчиво «наводил» молодых ученых на опыты с реакциями деления. Именно эта тематика стала главной для лабораторий в физтехе, в радиевом и даже в педагогическом институтах.
Вся история открытия реакций деления была и историей И. В. Курчатова как ученого. Он не был рядом с Э. Ферми, когда тот при облучении урана обнаружил нестабильные вещества, испускавшие бета-частицы. Но он сразу оценил важность первого сообщения и много размышлял над высказанным тогда предположением, что эти вещества – радиоактивные элементы, стоящие вслед за ураном в таблице Менделеева.
Курчатов не был рядом с И. Жолио-Кюри и П. Савичем в Париже, О. Ганом и Ф. Штрасманом в Берлине, когда они, изучая облученный уран, встретили «гостей» из средней части таблицы Менделеева, таких, как лантан, барий, иттрий, стронций. Но Курчатов всеми своими работами был подготовлен к оценке этого факта. Ему и другим нашим атомникам скоро прояснился смысл реакции: деление ядра урана на две части с испусканием нейтронов.
И действительно, в том же 1939 году Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками экспериментально подтвердил, что при делении урана вылетают нейтроны. Э. Ферми вскоре назвал и цифру: два-три нейтрона на одно деление.
Сотрудники Игоря Васильевича вспоминают, как воспринял он новые факты науки, как быстро и четко связал их с идеей высвобождения энергии урана.
– Запомните, – подчеркивал Игорь Васильевич в беседах со своими аспирантами, – все сведется к энергии.
Взволнованные, расходились участники импровизированных бесед. Слышались реплики:
– Вулканическая деятельность тоже, наверное, происходит за счет энергии деления ядер.
– Надо приглядеться еще к протактинию, вполне перспективный материал для реакции деления...
Словом, забурлила мысль, предложений и планов было множество. Игорь Васильевич придавал этой стихии целеустремленность, внимательно следил за всем новым в области ядерных реакций деления, сразу же выносил важные научные сообщения на обсуждение. Так были обсуждены результаты подсчета количества высвобожденной энергии при делении ядра урана, выполненного О. Фришем и Л. Мейтнер в Копенгагене. Эти ученые назвали цифру порядка 200 Мэв. Она подтверждалась и теми прикидками, которые делались нашими учеными. Получалось, что 1 килограмм делящегося вещества в ходе реакции деления способен дать около 23 миллионов киловатт-часов энергии, что в несколько миллионов раз больше теплотворной способности обычного топлива!
Великим достижением нашей страны явилось то, что когда создали условия для решительной атаки на энергию ядра, наша наука, ее люди, ее экспериментальная база были в полной боевой готовности к этому. И в этом безусловна и неоспорима роль Игоря Васильевича Курчатова с его «дальним прицелом», определяющим тенденции развития науки, с его умением группировать силы на действительно решающих направлениях...
Что же это были за силы, на кого опирался тогда Игорь Васильевич? Кроме К. Д. Синельникова, А. К. Вальтера и других, можно сказать, ветеранов ядра, он привлек много молодежи. В лаборатории физтеха проявил большие способности внешне ничем не выделяющийся молодой Георгий Николаевич Флеров. Он еще студентом политехнического института в 1936 году был привлечен Игорем Васильевичем к работе в лаборатории. Своими руками сделал камеру Вильсона, работающую с использованием солнечного света. Но идея оказалась не очень плодотворной, так как солнечных дней в Ленинграде мало и практически камеру принять было трудно. Поручал ему Курчатов и подготовку счетчиков частиц и радиотехнических схем к ним. Под руководством Игоря Васильевича Флеров выполнил свой дипломный проект, посвященный изучению взаимодействия ядер с нейтронами разных скоростей. Тогда изменять скорости нейтронов, вылетающих из радон-бериллиевого источника, только-только учились. Георгий Николаевич нашел простейший способ повышения энергии нейтронов нагреванием масла, через которое они проходили. В результате диапазон скоростей нейтронов увеличился. А это как раз и требовалось для изучения взаимодействия нейтронов с веществом, как говорят ученые, в измененном спектре.
Игорь Васильевич быстро оценил способности ученика. Марина Дмитриевна вспоминает, как он рассказывал о Флерове дома, в театре, при встречах с друзьями.
Один из друзей не выдержал:
– Флеров, Флеров... Покажите же нам, наконец, этого Флерова!
Вскоре Флеров благодаря замечательному открытию, которое он сделал, стал известен всей стране, если не сказать всему миру. Об этом речь пойдет дальше.
Другим помощником Игоря Васильевича в ядерной лаборатории физтеха был знакомый уже нам по разработке карборундовых разрядников и открытию изомерии Лев Ильич Русинов, который вместе с Игорем Васильевичем шаг за шагом проникал в тайны ядра.
Эти двое первыми откликнулись на призыв заняться изучением деления ядер урана. После того как стало известно, что при делении ядра урана вылетают новые, вторичные нейтроны, Игорь Васильевич посоветовал им попытаться получить не единичные акты, а целый процесс, цепь деления ядер. Ведь если образуются новые нейтроны, они сами могут вызывать дальнейшее деление ядер. Что, если взять кусок урана и облучить нейтронами – не пойдет ли в нем дальше процесс деления сам собой?
На пути осуществления замысла встала трудность – где взять уран? Это не был новый элемент, его открыли еще в 1789 году, но до 30-х годов XXвека он почти не применялся. Его использовали лишь как добавку к отдельным сортам стали и примесь в желтых эмалях и стеклах. Из таких соединений уран не добудешь. Хорошо, что было еще одно, более доступное применение урана – в фотографии в виде азотнокислой соли – кристаллов желтого цвета. «Мобилизовал» всех работников лаборатории и скупил в Ленинграде весь запас этого соединения урана. Показали Борису Васильевичу Курчатову, он, учитывая химический состав соли, посоветовал прокалить ее в печке. Сначала в атмосфере обычного воздуха, потом светильного газа. После каления соль толкли в ступке, прессовали в кубики. Из кубиков выложили сферу. Такую же сферу сделали из окиси свинца – для сравнения. Если при облучении одной и другой сфер будет разница в отсчете частиц хотя бы 4 процента, реакция в уране пошла.
Но... она не пошла. И вскоре они убедились, что она и не могла пойти.
В США тоже сначала пытались вызвать процесс деления ядер природного урана. И это понять можно, так как ученые тогда еще не знали особенностей поведения трех изотопов урана (уран-238, уран-235 и уран-234) при взаимодействии с нейтронами.
Возникла задача: узнать, как делятся изотопы под действием нейтронов разных энергий. Для этой работы Курчатов объединил Г. Н. Флерова с Константином Антоновичем Петржаком.
К. А. Петржак в 1934 году еще студентом начал работать в радиевом институте. Когда в институт пришел Игорь Васильевич, он «соблазнил» Петржака ядерной физикой.
Дипломный проект, выполненный под руководством Игоря Васильевича, Петржак заканчивал в ноябре 1936 года. До сдачи оставалось сутки, а Игорь Васильевич был еще на юге, в отпуске. Как только он приехал, Петржак – к нему, обеспокоенный. Игорь Васильевич посмотрел полученные материалы.
– Ну что ж, все в порядке. Результат есть. Готовьте объяснительную записку и приезжайте ко мне.
– Но я напишу лишь часам к пяти утра.
– Тогда и приезжайте.
Петржак ошибся на час. В четыре он уже звонил в квартиру Курчатова. Игорь Васильевич провел его в кабинет, не торопясь прочел записку, подправил.
– Ну вот, я же говорил, что успеете, – улыбнулся он на прощанье и крепко пожал студенту руку.
Игорь Васильевич объединил Петржака и Флерова в одну «упряжку», хотя работали они в разных институтах. Содружество оказалось плодотворным. Они дополняли друг друга в характерах, в экспериментаторском искусстве, а вместе обладали неистощимым терпением, удвоенной способностью к анализу, которые так необходимы настоящим исследователям.
Еще раньше Флеров в содружестве с Таней Никитинской, очень миловидной, бесконечно преданной физике аспиранткой, построил ионизационную камеру высокой для того времени чувствительности для регистрации тяжелых частиц.
Ее и решил Флеров применить в совместных опытах с Петрскаком. Для определения порога деления урана-238 камеру соединили с усилителем, настроенным таким образом, что на ионизацию от альфа-частиц он не реагировал. Зато импульсы от осколков, намного превышающие по величине импульсы от альфа-частиц, отпирали входную лампу и их считало механическое реле. Флеров, Никитинская и Петржак по совету И. В. Курчатова приняли все меры к повышению чувствительности метода. Для этого они резко увеличили рабочую поверхность окиси урана. Здесь очень помог принцип многослойности, который используется в конденсаторах и в... слоеных булочках. Было взято вместо обычных двух пятнадцать пластин общей площадью в 1000 квадратных сантиметров. Пластины расположили на расстоянии 3 миллиметров друг от друга, на каждый квадратный сантиметр их площади приходилось 10—20 миллиграммов окиси урана. Другие, в том числе и зарубежные ученые, применяли аналогичные схемы, но брали всего две пластины диаметром 30 миллиметров.
Много потрудились молодые исследователи над улучшением радиотехнической схемы установки. Ламповые устройства тогда делали лишь первые шаги, усилители приходилось собирать самим, лампы подвешивали на резинках, чтобы избежать микрофонного эффекта, который хорошо проявлялся при легких постукиваниях пальцем по лампе. Как вспоминает Георгий Николаевич Флеров, в комнате надо было молчать, чтобы звуковые колебания не влияли на измерения. Усилитель разместили на демпфере – двух кругах резины и специальной плите. Держался он на этом демпфере неустойчиво. От сотрясения однажды упал даже на пол. Пришлось снова проверять схему и только потом ставить на демпфер. И все же усилитель реагировал на посторонние шумы, например, на прохождение трамвая. Поэтому измерения проводили ночью, когда на улицах затихало движение.
В результате всех принятых мер чувствительность камеры получилась в 30—40 раз большей, чем чувствительность камер всех, кто до них ставил такие опыты. Усилитель имел хорошую разрешающую способность.
В первую же ночь, когда уединившиеся в радиевом институте Флеров и Петржак начали наблюдения, они испытали горькое разочарование. Перед тем как начать опыты, непосредственно ведущие к определению порогового значения энергии нейтронов, вызывающих деление ядер урана-238, они решили убедиться, нет ли фона. И убедились, что такой фон есть. При полном отсутствии источника нейтронов их чувствительная камера фиксировала осколки деления! Примерно шесть делений в час. Было отчего всполошиться! Несмотря на позднее время, решили позвонить Игорю Васильевичу:
– Все идет шиворот-навыворот, – говорил Флеров, – откуда-то взялся фон... Работа срывается...
– Теперь только работа и начинается, – возразил Курчатов, – продолжайте наблюдения.
Утром, еще до начала занятий в институте, он стремительно вошел в лабораторию. Флеров и Петржак сразу же стали говорить о своем беспокойстве – этот фон сорвет-таки все намеченные сроки исследований.
Игорь Васильевич жестом остановил их, попросил:
– Дайте-ка результаты наблюдений.
Он внимательно просмотрел зафиксированные отсчеты и, отдавая листок, как-то даже торжественно заговорил:
– Нужно бросить все и заниматься только этим фоном. Если самопроизвольно вылетают из урана осколки, если действительно они вылетают, то это, друзья, открытие.Такое у человека редко бывает в жизни. Все побоку – нет ничего сейчас для вас важнее!
Тут же в ученической тетрадке Игорь Васильевич своим убористым почерком на трех страницах перечислил, что могло вызвать фон. Если это было не деление урана, то какой другой посторонний процесс мог вызвать ложный эффект? Он выделил основное:
1. Прием внешних колебаний усилителем (чувствовала же схема прохождение трамвая!).
2. Наложение импульсов от отдельных альфа-частиц (одна не в силах вызвать срабатывание реле, а если происходит наложение импульсов?).
3. Наличие областей газового усиления в отдельных местах камеры.
4. Проявление случайных разрядов на поверхности окиси урана.
Выполняя эту программу доказательства от противного, Флеров и Петржак делали опыт за опытом. Постепенно отпадали одно предположение за другим.
Чтобы ослабить подозрение на воздействие посторонних частиц, решено было из радиевого института переехать в физико-технический, где излучений было явно меньше. Переехали, начали наблюдения.
Наблюдения были очень утомительными. Реле давало лишь шесть отсчетов в час. Сиди не отвлекайся, жди их... А вдруг все это фикция и никакого самопроизвольного деления урана нет и не было?
И вот как-то ночью реле замолчало. Импульсов нет и нет. Одну ночь, другую... Все «косточки» усилителя проверены, все исправно, а сигналов об осколках нет! Ребята помрачнели, осунулись. Игорь Васильевич заходил, ничего не спрашивал, чтобы не волновать и без того расстроенных исследователей. Заглядывал в дверь их комнаты глубокой ночью, сам видел, что ничего обнадеживающего у них пока нет. И так долгих две недели, пока Флеров и Петржак не добрались до пластин камеры, на которые был нанесен слой окиси урана. При тряске он нарушился и постепенно осыпался. Вот она, причина! Снова обмазали пластины, трясущимися от волнения руками включили приборы. Даже в те долгие ночи, кажется, меньше беспокоились, чем в эти несколько минут до первого импульса. Есть импульс! Теперь уже не оставалось никаких сомнений: самопроизвольное деление существует в уране!
Но они не хотели делать поспешных выводов. И, следуя программе Курчатова, продолжали доказательства от противного. Кстати, временное молчание приборов натолкнуло их на мысль зафиксировать, что с пластинами без окиси урана эффекта нет. Они еще пять часов просидели в ожидании с пустыми пластинами, но так ничего и не дождались. Значит, импульсы, записали они, «обусловлены наличием окиси урана на пластинах камеры, а не приемом внешних колебаний».
Чтобы отвергнуть предположение о возможности наложения импульсов от альфа-частиц, они ввели в камеру эманацию тория в таком количестве, которое давало бы интенсивное излучение альфа-частиц и вызывало бы ионизационный ток, вдвое больший, чем от альфа-частиц самого урана. Но это отнюдь не приводило к срабатыванию реле. Значит, регистрация случайного совпадения большого количества альфа-частиц была исключена.
Из этого же опыта Флеров и Петржак сделали вывод и о том, что в камере не было областей газового усиления. Активный осадок должен был равномерно распределяться по пластинам камеры. Будь такие области, добавление эманации тория привело бы к увеличению числа импульсов. А этого не произошло.
Чтобы еще убедительнее отвергнуть предположение об областях газового усиления, они увеличили напряжение с 360 до 600 вольт. Но и это не привело к заметному увеличению эффекта.
Решили покрыть слой окиси урана бронзовой фольгой. Это сразу вызвало уменьшение величины и числа спонтанных импульсов. Но нового ничего не получили.
Так шаг за шагом исключали исследователи элемент случайных влияний. Опыты проводили на трех различных камерах, чтобы не было сомнения, что сказываются особенности одной из них. Более того: Флеров и Петржак построили камеру с поистине гигантской чувствительностью, площадь пластин которой составляла не тысячу, а 6 тысяч квадратных сантиметров. Она дала в час 25—30 импульсов. Наблюдения с помощью этой камеры позволяли все увереннее предполагать: это – самопроизвольное деление ядер урана.
Правда, осталось еще одно обстоятельство, на которое маловеры, а их было немало, могли сослаться – это влияние космических лучей. Может, они-то, эти потоки частиц, приходящих из космоса, и вызывают деление ядер урана?
Посоветовавшись с Игорем Васильевичем, экспериментаторы решили просить разрешения провести опыты под землей, например на одной из станций Московского метрополитена. В Наркомате путей сообщения препятствовать проведению опыта не стали.
Для экспериментов в Москве была отведена станция «Динамо». Туда, на глубину в 50 метров, в кабинет начальника, на эскалаторах и на плечах научных сотрудников была доставлена аппаратура, весившая 3 тонны. И вот под землей, где интенсивность космического излучения была ниже, чем на поверхности, в 40 раз, были получены результаты, аналогичные тому, что наблюдались в Ленинграде, так сказать, на уровне моря.
Только теперь Курчатов сделал окончательный вывод: открыто спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана! Это мировое достижение нашей науки в самой тонкой, сложной и новой ее области.
И сейчас, где бы ни излагалась история атомной энергии, непременно как ее крупный этап указывается: 1939 год – Г. Н. Флеров, К. А. Петржак – самопроизвольное деление урана.
Когда же Г. Н. Флеров выступил с публичным сообщением о своем открытии, он от имени обоих авторов так сказал в адрес научного руководителя:
Игорь Васильевич успевал побывать у всех своих «подопечных» почти ежедневно. Цепко улавливая то, чем только-только начинала жить мировая ядерная наука, он настойчиво «наводил» молодых ученых на опыты с реакциями деления. Именно эта тематика стала главной для лабораторий в физтехе, в радиевом и даже в педагогическом институтах.
Вся история открытия реакций деления была и историей И. В. Курчатова как ученого. Он не был рядом с Э. Ферми, когда тот при облучении урана обнаружил нестабильные вещества, испускавшие бета-частицы. Но он сразу оценил важность первого сообщения и много размышлял над высказанным тогда предположением, что эти вещества – радиоактивные элементы, стоящие вслед за ураном в таблице Менделеева.
Курчатов не был рядом с И. Жолио-Кюри и П. Савичем в Париже, О. Ганом и Ф. Штрасманом в Берлине, когда они, изучая облученный уран, встретили «гостей» из средней части таблицы Менделеева, таких, как лантан, барий, иттрий, стронций. Но Курчатов всеми своими работами был подготовлен к оценке этого факта. Ему и другим нашим атомникам скоро прояснился смысл реакции: деление ядра урана на две части с испусканием нейтронов.
И действительно, в том же 1939 году Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками экспериментально подтвердил, что при делении урана вылетают нейтроны. Э. Ферми вскоре назвал и цифру: два-три нейтрона на одно деление.
Сотрудники Игоря Васильевича вспоминают, как воспринял он новые факты науки, как быстро и четко связал их с идеей высвобождения энергии урана.
– Запомните, – подчеркивал Игорь Васильевич в беседах со своими аспирантами, – все сведется к энергии.
Взволнованные, расходились участники импровизированных бесед. Слышались реплики:
– Вулканическая деятельность тоже, наверное, происходит за счет энергии деления ядер.
– Надо приглядеться еще к протактинию, вполне перспективный материал для реакции деления...
Словом, забурлила мысль, предложений и планов было множество. Игорь Васильевич придавал этой стихии целеустремленность, внимательно следил за всем новым в области ядерных реакций деления, сразу же выносил важные научные сообщения на обсуждение. Так были обсуждены результаты подсчета количества высвобожденной энергии при делении ядра урана, выполненного О. Фришем и Л. Мейтнер в Копенгагене. Эти ученые назвали цифру порядка 200 Мэв. Она подтверждалась и теми прикидками, которые делались нашими учеными. Получалось, что 1 килограмм делящегося вещества в ходе реакции деления способен дать около 23 миллионов киловатт-часов энергии, что в несколько миллионов раз больше теплотворной способности обычного топлива!
Великим достижением нашей страны явилось то, что когда создали условия для решительной атаки на энергию ядра, наша наука, ее люди, ее экспериментальная база были в полной боевой готовности к этому. И в этом безусловна и неоспорима роль Игоря Васильевича Курчатова с его «дальним прицелом», определяющим тенденции развития науки, с его умением группировать силы на действительно решающих направлениях...
Что же это были за силы, на кого опирался тогда Игорь Васильевич? Кроме К. Д. Синельникова, А. К. Вальтера и других, можно сказать, ветеранов ядра, он привлек много молодежи. В лаборатории физтеха проявил большие способности внешне ничем не выделяющийся молодой Георгий Николаевич Флеров. Он еще студентом политехнического института в 1936 году был привлечен Игорем Васильевичем к работе в лаборатории. Своими руками сделал камеру Вильсона, работающую с использованием солнечного света. Но идея оказалась не очень плодотворной, так как солнечных дней в Ленинграде мало и практически камеру принять было трудно. Поручал ему Курчатов и подготовку счетчиков частиц и радиотехнических схем к ним. Под руководством Игоря Васильевича Флеров выполнил свой дипломный проект, посвященный изучению взаимодействия ядер с нейтронами разных скоростей. Тогда изменять скорости нейтронов, вылетающих из радон-бериллиевого источника, только-только учились. Георгий Николаевич нашел простейший способ повышения энергии нейтронов нагреванием масла, через которое они проходили. В результате диапазон скоростей нейтронов увеличился. А это как раз и требовалось для изучения взаимодействия нейтронов с веществом, как говорят ученые, в измененном спектре.
Игорь Васильевич быстро оценил способности ученика. Марина Дмитриевна вспоминает, как он рассказывал о Флерове дома, в театре, при встречах с друзьями.
Один из друзей не выдержал:
– Флеров, Флеров... Покажите же нам, наконец, этого Флерова!
Вскоре Флеров благодаря замечательному открытию, которое он сделал, стал известен всей стране, если не сказать всему миру. Об этом речь пойдет дальше.
Другим помощником Игоря Васильевича в ядерной лаборатории физтеха был знакомый уже нам по разработке карборундовых разрядников и открытию изомерии Лев Ильич Русинов, который вместе с Игорем Васильевичем шаг за шагом проникал в тайны ядра.
Эти двое первыми откликнулись на призыв заняться изучением деления ядер урана. После того как стало известно, что при делении ядра урана вылетают новые, вторичные нейтроны, Игорь Васильевич посоветовал им попытаться получить не единичные акты, а целый процесс, цепь деления ядер. Ведь если образуются новые нейтроны, они сами могут вызывать дальнейшее деление ядер. Что, если взять кусок урана и облучить нейтронами – не пойдет ли в нем дальше процесс деления сам собой?
На пути осуществления замысла встала трудность – где взять уран? Это не был новый элемент, его открыли еще в 1789 году, но до 30-х годов XXвека он почти не применялся. Его использовали лишь как добавку к отдельным сортам стали и примесь в желтых эмалях и стеклах. Из таких соединений уран не добудешь. Хорошо, что было еще одно, более доступное применение урана – в фотографии в виде азотнокислой соли – кристаллов желтого цвета. «Мобилизовал» всех работников лаборатории и скупил в Ленинграде весь запас этого соединения урана. Показали Борису Васильевичу Курчатову, он, учитывая химический состав соли, посоветовал прокалить ее в печке. Сначала в атмосфере обычного воздуха, потом светильного газа. После каления соль толкли в ступке, прессовали в кубики. Из кубиков выложили сферу. Такую же сферу сделали из окиси свинца – для сравнения. Если при облучении одной и другой сфер будет разница в отсчете частиц хотя бы 4 процента, реакция в уране пошла.
Но... она не пошла. И вскоре они убедились, что она и не могла пойти.
В США тоже сначала пытались вызвать процесс деления ядер природного урана. И это понять можно, так как ученые тогда еще не знали особенностей поведения трех изотопов урана (уран-238, уран-235 и уран-234) при взаимодействии с нейтронами.
Возникла задача: узнать, как делятся изотопы под действием нейтронов разных энергий. Для этой работы Курчатов объединил Г. Н. Флерова с Константином Антоновичем Петржаком.
К. А. Петржак в 1934 году еще студентом начал работать в радиевом институте. Когда в институт пришел Игорь Васильевич, он «соблазнил» Петржака ядерной физикой.
Дипломный проект, выполненный под руководством Игоря Васильевича, Петржак заканчивал в ноябре 1936 года. До сдачи оставалось сутки, а Игорь Васильевич был еще на юге, в отпуске. Как только он приехал, Петржак – к нему, обеспокоенный. Игорь Васильевич посмотрел полученные материалы.
– Ну что ж, все в порядке. Результат есть. Готовьте объяснительную записку и приезжайте ко мне.
– Но я напишу лишь часам к пяти утра.
– Тогда и приезжайте.
Петржак ошибся на час. В четыре он уже звонил в квартиру Курчатова. Игорь Васильевич провел его в кабинет, не торопясь прочел записку, подправил.
– Ну вот, я же говорил, что успеете, – улыбнулся он на прощанье и крепко пожал студенту руку.
Игорь Васильевич объединил Петржака и Флерова в одну «упряжку», хотя работали они в разных институтах. Содружество оказалось плодотворным. Они дополняли друг друга в характерах, в экспериментаторском искусстве, а вместе обладали неистощимым терпением, удвоенной способностью к анализу, которые так необходимы настоящим исследователям.
Еще раньше Флеров в содружестве с Таней Никитинской, очень миловидной, бесконечно преданной физике аспиранткой, построил ионизационную камеру высокой для того времени чувствительности для регистрации тяжелых частиц.
Ее и решил Флеров применить в совместных опытах с Петрскаком. Для определения порога деления урана-238 камеру соединили с усилителем, настроенным таким образом, что на ионизацию от альфа-частиц он не реагировал. Зато импульсы от осколков, намного превышающие по величине импульсы от альфа-частиц, отпирали входную лампу и их считало механическое реле. Флеров, Никитинская и Петржак по совету И. В. Курчатова приняли все меры к повышению чувствительности метода. Для этого они резко увеличили рабочую поверхность окиси урана. Здесь очень помог принцип многослойности, который используется в конденсаторах и в... слоеных булочках. Было взято вместо обычных двух пятнадцать пластин общей площадью в 1000 квадратных сантиметров. Пластины расположили на расстоянии 3 миллиметров друг от друга, на каждый квадратный сантиметр их площади приходилось 10—20 миллиграммов окиси урана. Другие, в том числе и зарубежные ученые, применяли аналогичные схемы, но брали всего две пластины диаметром 30 миллиметров.
Много потрудились молодые исследователи над улучшением радиотехнической схемы установки. Ламповые устройства тогда делали лишь первые шаги, усилители приходилось собирать самим, лампы подвешивали на резинках, чтобы избежать микрофонного эффекта, который хорошо проявлялся при легких постукиваниях пальцем по лампе. Как вспоминает Георгий Николаевич Флеров, в комнате надо было молчать, чтобы звуковые колебания не влияли на измерения. Усилитель разместили на демпфере – двух кругах резины и специальной плите. Держался он на этом демпфере неустойчиво. От сотрясения однажды упал даже на пол. Пришлось снова проверять схему и только потом ставить на демпфер. И все же усилитель реагировал на посторонние шумы, например, на прохождение трамвая. Поэтому измерения проводили ночью, когда на улицах затихало движение.
В результате всех принятых мер чувствительность камеры получилась в 30—40 раз большей, чем чувствительность камер всех, кто до них ставил такие опыты. Усилитель имел хорошую разрешающую способность.
В первую же ночь, когда уединившиеся в радиевом институте Флеров и Петржак начали наблюдения, они испытали горькое разочарование. Перед тем как начать опыты, непосредственно ведущие к определению порогового значения энергии нейтронов, вызывающих деление ядер урана-238, они решили убедиться, нет ли фона. И убедились, что такой фон есть. При полном отсутствии источника нейтронов их чувствительная камера фиксировала осколки деления! Примерно шесть делений в час. Было отчего всполошиться! Несмотря на позднее время, решили позвонить Игорю Васильевичу:
– Все идет шиворот-навыворот, – говорил Флеров, – откуда-то взялся фон... Работа срывается...
– Теперь только работа и начинается, – возразил Курчатов, – продолжайте наблюдения.
Утром, еще до начала занятий в институте, он стремительно вошел в лабораторию. Флеров и Петржак сразу же стали говорить о своем беспокойстве – этот фон сорвет-таки все намеченные сроки исследований.
Игорь Васильевич жестом остановил их, попросил:
– Дайте-ка результаты наблюдений.
Он внимательно просмотрел зафиксированные отсчеты и, отдавая листок, как-то даже торжественно заговорил:
– Нужно бросить все и заниматься только этим фоном. Если самопроизвольно вылетают из урана осколки, если действительно они вылетают, то это, друзья, открытие.Такое у человека редко бывает в жизни. Все побоку – нет ничего сейчас для вас важнее!
Тут же в ученической тетрадке Игорь Васильевич своим убористым почерком на трех страницах перечислил, что могло вызвать фон. Если это было не деление урана, то какой другой посторонний процесс мог вызвать ложный эффект? Он выделил основное:
1. Прием внешних колебаний усилителем (чувствовала же схема прохождение трамвая!).
2. Наложение импульсов от отдельных альфа-частиц (одна не в силах вызвать срабатывание реле, а если происходит наложение импульсов?).
3. Наличие областей газового усиления в отдельных местах камеры.
4. Проявление случайных разрядов на поверхности окиси урана.
Выполняя эту программу доказательства от противного, Флеров и Петржак делали опыт за опытом. Постепенно отпадали одно предположение за другим.
Чтобы ослабить подозрение на воздействие посторонних частиц, решено было из радиевого института переехать в физико-технический, где излучений было явно меньше. Переехали, начали наблюдения.
Наблюдения были очень утомительными. Реле давало лишь шесть отсчетов в час. Сиди не отвлекайся, жди их... А вдруг все это фикция и никакого самопроизвольного деления урана нет и не было?
И вот как-то ночью реле замолчало. Импульсов нет и нет. Одну ночь, другую... Все «косточки» усилителя проверены, все исправно, а сигналов об осколках нет! Ребята помрачнели, осунулись. Игорь Васильевич заходил, ничего не спрашивал, чтобы не волновать и без того расстроенных исследователей. Заглядывал в дверь их комнаты глубокой ночью, сам видел, что ничего обнадеживающего у них пока нет. И так долгих две недели, пока Флеров и Петржак не добрались до пластин камеры, на которые был нанесен слой окиси урана. При тряске он нарушился и постепенно осыпался. Вот она, причина! Снова обмазали пластины, трясущимися от волнения руками включили приборы. Даже в те долгие ночи, кажется, меньше беспокоились, чем в эти несколько минут до первого импульса. Есть импульс! Теперь уже не оставалось никаких сомнений: самопроизвольное деление существует в уране!
Но они не хотели делать поспешных выводов. И, следуя программе Курчатова, продолжали доказательства от противного. Кстати, временное молчание приборов натолкнуло их на мысль зафиксировать, что с пластинами без окиси урана эффекта нет. Они еще пять часов просидели в ожидании с пустыми пластинами, но так ничего и не дождались. Значит, импульсы, записали они, «обусловлены наличием окиси урана на пластинах камеры, а не приемом внешних колебаний».
Чтобы отвергнуть предположение о возможности наложения импульсов от альфа-частиц, они ввели в камеру эманацию тория в таком количестве, которое давало бы интенсивное излучение альфа-частиц и вызывало бы ионизационный ток, вдвое больший, чем от альфа-частиц самого урана. Но это отнюдь не приводило к срабатыванию реле. Значит, регистрация случайного совпадения большого количества альфа-частиц была исключена.
Из этого же опыта Флеров и Петржак сделали вывод и о том, что в камере не было областей газового усиления. Активный осадок должен был равномерно распределяться по пластинам камеры. Будь такие области, добавление эманации тория привело бы к увеличению числа импульсов. А этого не произошло.
Чтобы еще убедительнее отвергнуть предположение об областях газового усиления, они увеличили напряжение с 360 до 600 вольт. Но и это не привело к заметному увеличению эффекта.
Решили покрыть слой окиси урана бронзовой фольгой. Это сразу вызвало уменьшение величины и числа спонтанных импульсов. Но нового ничего не получили.
Так шаг за шагом исключали исследователи элемент случайных влияний. Опыты проводили на трех различных камерах, чтобы не было сомнения, что сказываются особенности одной из них. Более того: Флеров и Петржак построили камеру с поистине гигантской чувствительностью, площадь пластин которой составляла не тысячу, а 6 тысяч квадратных сантиметров. Она дала в час 25—30 импульсов. Наблюдения с помощью этой камеры позволяли все увереннее предполагать: это – самопроизвольное деление ядер урана.
Правда, осталось еще одно обстоятельство, на которое маловеры, а их было немало, могли сослаться – это влияние космических лучей. Может, они-то, эти потоки частиц, приходящих из космоса, и вызывают деление ядер урана?
Посоветовавшись с Игорем Васильевичем, экспериментаторы решили просить разрешения провести опыты под землей, например на одной из станций Московского метрополитена. В Наркомате путей сообщения препятствовать проведению опыта не стали.
Для экспериментов в Москве была отведена станция «Динамо». Туда, на глубину в 50 метров, в кабинет начальника, на эскалаторах и на плечах научных сотрудников была доставлена аппаратура, весившая 3 тонны. И вот под землей, где интенсивность космического излучения была ниже, чем на поверхности, в 40 раз, были получены результаты, аналогичные тому, что наблюдались в Ленинграде, так сказать, на уровне моря.
Только теперь Курчатов сделал окончательный вывод: открыто спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана! Это мировое достижение нашей науки в самой тонкой, сложной и новой ее области.
И сейчас, где бы ни излагалась история атомной энергии, непременно как ее крупный этап указывается: 1939 год – Г. Н. Флеров, К. А. Петржак – самопроизвольное деление урана.
Когда же Г. Н. Флеров выступил с публичным сообщением о своем открытии, он от имени обоих авторов так сказал в адрес научного руководителя:
«Мы приносим искреннюю благодарность за руководство работой профессору И. В. Курчатову, наметившему все основные контрольные эксперименты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов исследований».
«Цепь возможна и жизненна»
Самой заветной, самой желанной целью в науке для Игоря Васильевича стала самоподдерживающаяся (цепная) реакция. Он коротко именовал ее «цепью». Выступая на семинарах, он не уставал повторять:
– Цепь возможна и жизненна.
Отысканием условий для нее занимались в физтехе, радиевом, педагогическом и, как мы увидим дальше, в институте химической физики. Л. И. Русинов определял количество нейтронов, вылетающих в результате акта деления каждого из изотопов урана. Уже было ясно, что тепловые нейтроны делят ядра только урана-235 и не делят ядра урана-238. Флеров и Петржак все-таки измерили порог энергии нейтронов, с которого они начинают делить ядра урана-238. Он оказался довольно высоким, этот порог – свыше одного мегаэлектрон-вольта. Значит, только быстрые нейтроны способны делить ядра изотопа, которого в естественном уране намного больше других, – 99,7 процента.
Игорь Васильевич тут же дал задание Татьяне Никитинской – проверить возможность самоподдерживающейся реакции в уране-238 на быстрых нейтронах. Вот его заключение по этой работе:
«Никитинская. „Неупругое рассеяние нейтронов и цепная ядерная реакция“.
Методы ионизационной камеры с урановыми электродами в качестве детектора нейтронов с энергией, большей 1 – 1,5 Мэв. Измерены сечения неупругого рассеяния в С, Al, Cu, Jn, Hg и Pb. Показано, что сечения неупругого рассеяния пропорциональны примерно А 2/3, где А – атомный вес рассеивателя. При помощи этого же метода показано, что цепная реакция на быстрых нейтронах на изотопе уран-238 невозможна».
Значит, нужны системы урана с замедлителями, которые бы давали возможность снизить скорости нейтронов до такой величины, которая необходима для эффективного деления ядер урана-235.
Игорь Васильевич уже не раз рисовал перед слушателями картину цепного процесса на уране-235. Нейтрон, сталкиваясь с ядром урана, вызывает деление, при этом вылетает три новых нейтрона. Пусть один из них будет поглощен примесями или вылетит за пределы данного объема урана и лишь два других вызовут акты деления. Все равно появятся пять нейтронов, из которых уже три вызовут деление, и т. д. Так развивается цепь. Если ее не ограничивать, произойдет гигантский взрыв. Если же не допускать возрастания числа нейтронов в единицу времени выше определенной величины, реакция будет протекать спокойно, она будет управляемой.
Во время одной из лекций, когда Игорь Васильевич рассказывал обо всем этом, его спросили:
– Во что же обошлась бы атомная бомба?
– Создать ее все равно, что построить еще один Волховстрой, – был ответ.
На совещании по физике атомного ядра в Харькове в 1939 году, по свидетельству И. В. Курчатова, наши ученые подробно обсуждали проблему деления тяжелых ядер и связанный с нею вопрос о возможности осуществления цепной ядерной реакции.
На аналогичном совещании в 1940 году этот вопрос снова был стержневым. О том, какой интерес вызывали проблемы ядра, говорит тот факт, что в совещании 1940 года участвовало свыше 200 специалистов. Было заслушано около 50 научных докладов.
Большое место на совещании отводилось теории. В частности, теории сил, действующих между частицами, из которых состоит ядро. Об этом докладывали член-корреспондент Академии наук СССР И. Е. Тамм и профессор Л. Д. Ландау.
Специальное заседание было посвящено изомерии ядер. Изучение этого явления позволило получить данные о различных состояниях атомных ядер. С докладом по этому вопросу выступил помощник Игоря Васильевича Л. И. Русинов, сделавший обзор современного состояния вопроса, а также сообщивший о работах в Ленинградском физико-техническом институте.
Но центральным на совещании был доклад Игоря Васильевича Курчатова. По воспоминаниям М. М. Бредова, доклад Курчатова «подводил черту под ядерной физикой „доделительного“ периода, которая рассматривалась некоторыми как отвлеченная область эквилибристических упражнений виртуозных физиков-экспериментаторов, очень далеких от жизни и техники. Доклад Курчатова указал путь к колоссальному техническому прогрессу, таящемуся в только что открытом явлении деления ядер урана».
Игорь Васильевич напомнил собравшимся все последние достижения в разработке проблемы деления ядра и, в частности, отметил, что за год, прошедший после совещания в Харькове, «...был продвинут вопрос о границах и сечениях деления... С определенностью установлено, что тепловые нейтроны производят деление только урана-235».
– Цепь возможна и жизненна.
Отысканием условий для нее занимались в физтехе, радиевом, педагогическом и, как мы увидим дальше, в институте химической физики. Л. И. Русинов определял количество нейтронов, вылетающих в результате акта деления каждого из изотопов урана. Уже было ясно, что тепловые нейтроны делят ядра только урана-235 и не делят ядра урана-238. Флеров и Петржак все-таки измерили порог энергии нейтронов, с которого они начинают делить ядра урана-238. Он оказался довольно высоким, этот порог – свыше одного мегаэлектрон-вольта. Значит, только быстрые нейтроны способны делить ядра изотопа, которого в естественном уране намного больше других, – 99,7 процента.
Игорь Васильевич тут же дал задание Татьяне Никитинской – проверить возможность самоподдерживающейся реакции в уране-238 на быстрых нейтронах. Вот его заключение по этой работе:
«Никитинская. „Неупругое рассеяние нейтронов и цепная ядерная реакция“.
Методы ионизационной камеры с урановыми электродами в качестве детектора нейтронов с энергией, большей 1 – 1,5 Мэв. Измерены сечения неупругого рассеяния в С, Al, Cu, Jn, Hg и Pb. Показано, что сечения неупругого рассеяния пропорциональны примерно А 2/3, где А – атомный вес рассеивателя. При помощи этого же метода показано, что цепная реакция на быстрых нейтронах на изотопе уран-238 невозможна».
Значит, нужны системы урана с замедлителями, которые бы давали возможность снизить скорости нейтронов до такой величины, которая необходима для эффективного деления ядер урана-235.
Игорь Васильевич уже не раз рисовал перед слушателями картину цепного процесса на уране-235. Нейтрон, сталкиваясь с ядром урана, вызывает деление, при этом вылетает три новых нейтрона. Пусть один из них будет поглощен примесями или вылетит за пределы данного объема урана и лишь два других вызовут акты деления. Все равно появятся пять нейтронов, из которых уже три вызовут деление, и т. д. Так развивается цепь. Если ее не ограничивать, произойдет гигантский взрыв. Если же не допускать возрастания числа нейтронов в единицу времени выше определенной величины, реакция будет протекать спокойно, она будет управляемой.
Во время одной из лекций, когда Игорь Васильевич рассказывал обо всем этом, его спросили:
– Во что же обошлась бы атомная бомба?
– Создать ее все равно, что построить еще один Волховстрой, – был ответ.
На совещании по физике атомного ядра в Харькове в 1939 году, по свидетельству И. В. Курчатова, наши ученые подробно обсуждали проблему деления тяжелых ядер и связанный с нею вопрос о возможности осуществления цепной ядерной реакции.
На аналогичном совещании в 1940 году этот вопрос снова был стержневым. О том, какой интерес вызывали проблемы ядра, говорит тот факт, что в совещании 1940 года участвовало свыше 200 специалистов. Было заслушано около 50 научных докладов.
Большое место на совещании отводилось теории. В частности, теории сил, действующих между частицами, из которых состоит ядро. Об этом докладывали член-корреспондент Академии наук СССР И. Е. Тамм и профессор Л. Д. Ландау.
Специальное заседание было посвящено изомерии ядер. Изучение этого явления позволило получить данные о различных состояниях атомных ядер. С докладом по этому вопросу выступил помощник Игоря Васильевича Л. И. Русинов, сделавший обзор современного состояния вопроса, а также сообщивший о работах в Ленинградском физико-техническом институте.
Но центральным на совещании был доклад Игоря Васильевича Курчатова. По воспоминаниям М. М. Бредова, доклад Курчатова «подводил черту под ядерной физикой „доделительного“ периода, которая рассматривалась некоторыми как отвлеченная область эквилибристических упражнений виртуозных физиков-экспериментаторов, очень далеких от жизни и техники. Доклад Курчатова указал путь к колоссальному техническому прогрессу, таящемуся в только что открытом явлении деления ядер урана».
Игорь Васильевич напомнил собравшимся все последние достижения в разработке проблемы деления ядра и, в частности, отметил, что за год, прошедший после совещания в Харькове, «...был продвинут вопрос о границах и сечениях деления... С определенностью установлено, что тепловые нейтроны производят деление только урана-235».