Роберт Оппенгеймер и атомная бомба: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

III. Деление урана

Открытие нейтрона привело к новым путям исследования атомного ядра. Электрически заряженные частицы – протоны или альфа-частицы – могут столкнуться с атомным ядром, только если им сообщить энергию, достаточную для преодоления электрической силы отталкивания. Нейтрон же, лишенный какого-либо электрического заряда, беспрепятственно преодолевает потенциальный барьер, не испытывая никакого противодействия со стороны ядра. Эта частица, открытая Чедвиком, оказалась превосходным снарядом для осуществления реакции ядерного превращения. При бомбардировке различных элементов нейтронами происходят ядерные реакции, сходные с теми, которые протекают под действием протонов и альфа-частиц: после удара частицы ядро распадается, выделяя одну легкую частицу и превращаясь в ядро элемента с соседним атомным номером. Однако при наблюдении ядерной реакции урана обнаружилась совершенно иная картина: ядро после столкновения с нейтроном раскалывалось на два более легких ядра, которые соответствовали весьма далеким от урана химическим элементам.

Этот результат был настолько неожиданным, что даже тот, кто его впервые получил – итальянский физик Энрико Ферми, – ничего не понял. Он собирался воспроизвести знаменитые парижские опыты супругов Жолио, которые только что открыли искусственную радиоактивность, но вместо альфа-частиц, использованных французскими физиками для бомбардировки элементов, он решил применить нейтроны. Некоторые из элементов, подвергнутых бомбардировке, обнаружили радиоактивность, свидетельствующую о ядерных превращениях. При этом Ферми заметил, что радиоактивность значительно увеличивалась, если направляемые нейтроны предварительно пропускались через воду или через парафин. Это был парадоксальный факт. Но Ферми не представлял себе реально происходящего процесса, поэтому когда он приступил к химическому анализу веществ, возникших в результате бомбардировки урана нейтронами, то рассчитывал идентифицировать элемент, более тяжелый, чем уран, трансурановый элемент с атомным номером 93.

Элемент 93 в настоящее время хорошо известен – это нептуний. Его действительно можно получить, бомбардируя уран нейтронами в определенных условиях. Но тогда Ферми ошибался. Ядерные превращения, которые ему удалось получить, означали поворот в физике. Ферми был, безусловно, первым, кому удалось осуществить расщепление ядра урана. Такая мысль не приходила ему в голову, так как ему казалось невероятным, чтобы ядро разлетелось на куски под ударом нейтрона, в то время как это не удавалось сделать с помощью частиц гораздо больших энергий – альфа-частиц и протонов.

Опыты Ферми, повторенные многими учеными, повлекли за собой довольно бурные дискуссии. Немецкая исследовательница химик Ноддак была первой, кто правильно предугадал смысл наблюдавшегося явления. Она писала: «Ничто не противоречит допущению, что это ядерное превращение под действием нейтронов сопутствует реакциям, совершенно отличным от тех, которые возникают при бомбардировке атомных ядер протонами или альфа-частицами».

В Париже в течение 1938 года – года Мюнхена и вторжения в Чехословакию – Ирэн Жолио-Кюри со своим сотрудником Савичем провела работы по бомбардировке урана нейтронами. В результате исследований они получили вещество, сходное с лантаном – элементом, весьма далеким от урана по таблице Менделеева.

В Берлине Отто Ган, который долгие годы поддерживал гипотезу Ферми относительно трансурановых элементов, неожиданно переменил свою точку зрения и, повторив вместе со своим сотрудником Штрассманом опыты Ирэн Жолио-Кюри, доказал, что неизвестное вещество, сходное с лантаном, не что иное, как барий. Барий имеет атомный номер 56, а это означает, что его ядро содержит чуть больше половины числа протонов в ядре урана (92). Таким образом, ядро урана раскалывается на более легкие ядра, среди которых и ядро бария (в настоящее время известно, что при этом возникают и другие элементы). Отто Ган назвал этот процесс расщеплением; термин деление появился гораздо позднее.

Деление урана сопровождается выделением энергии, а также освобождением нейтронов. Но прежде чем показать, каким образом, вопреки предсказанию Резерфорда, вскоре стали использовать эту энергию в качестве источника огромной энергии и даже в виде взрыва, а также проследить за ролью Роберта Оппенгеймера, бросим беглый взгляд на те открытия, которые подтвердили возможность цепной реакции и были сделаны за несколько месяцев до второй мировой войны.

Прежде всего, откуда берется энергия, выделяющаяся во время деления ядра урана?

Если массу атомного ядра «взвесить» с помощью методов современной физики, то окажется, что она несколько меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра. Эта разность, или дефект массы, соответствует энергии, высвобождающейся при образовании ядра. Дефект массы является еще одним подтверждением знаменитого уравнения Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Если разделить дефект массы ядра на число частиц, которое оно содержит, то оказывается, что это отношение неодинаково для всех элементов. Оно достигает максимальной величины для элементов среднего атомного веса и уменьшается для более легких и более тяжелых элементов. Было обнаружено также, что при расколе ядра самого тяжелого элемента – урана – на множество ядер элементов среднего веса, сумма масс созданных новых ядер меньше массы ядра урана. Эта разность превратилась в энергию, распределившуюся между различными формами излучения, а также сообщенную осколкам деления и нейтронам в виде импульсов количества движения.

Исследования, проведенные Фришем в Копенгагене и Жолио в Париже в январе 1939 года, подтвердили теоретические расчеты: высвобождающаяся при делении одного ядра энергия оказалась равной примерно 200 миллионам электрон-вольт.

Мы уже знаем, что ядра урана, бомбардируемые нейтронами, в свою очередь испускают нейтроны. Возникает второй вопрос: откуда появляются вторичные нейтроны? Оказывается, в их происхождении нет ничего загадочного. Ядра всех элементов содержат протоны и нейтроны (кроме водорода, состоящего только из одного протона), но отношение числа нейтронов к числу протонов в тяжелых ядрах увеличивается по сравнению с ядрами легких элементов.

При расколе ядра урана появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер, возникающих при делении. Некоторые из этих нейтронов, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, одновременно испуская один электрон: это отрицательная бета-радиоактивность. Избыточные нейтроны выбрасываются из ядра и остаются в течение некоторого времени в свободном состоянии.

Об эмиссии нескольких нейтронов расколовшимся ядром урана стало известно в начале 1939 года после сообщений, поступивших, с одной стороны, от Жолио и его сотрудников, а с другой – от Хэнни и Розенберга. Явление эмиссии натолкнуло многих физиков на одну и ту же невероятную мысль. Если деление первого ядра, находящегося где-то в толще куска урана, может создать несколько нейтронов, каждый из которых вызовет деление находящегося поблизости другого ядра, то каждое из ядер, подвергнувшихся такому делению, также выделит нейтроны и т.д. Это – цепная реакция, возможность которой была предсказана почти одновременно многими учеными, среди которых были Сциллард и Жолио.

Заметим, что нейтроны – не единственные снаряды, способные вызвать деление ядра урана, для этого годятся также положительно заряженные частицы, которым сообщено соответствующее ускорение. Но практический интерес представляет реакция только под действием нейтронов, потому что в самом процессе деления появляются нейтроны в возрастающем количестве и они, таким образом, являются бесплатными снарядами, обеспечивающими самоподдерживающую реакцию.

Цепная реакция предвещала не только переворот в науке, если учесть время, когда это грандиозное открытие появилось на горизонте.

С самого начала ядерная энергия предстала как источник энергии, несравненно превосходящий по запасам все другие известные к тому времени виды энергии. Было подсчитано, что каждый «разделенный» атом высвобождает около 200 миллионов электронвольт энергии. Сгорание одного атома углерода выделяет энергию, в пять – десять миллионов раз меньшую.

Если же сравнить не атомы, а вес (один атом углерода, разумеется, легче одного атома урана), то мы получим, что сгорание одного грамма углерода выделяет энергию 0,0089 киловатт-часа, а деление одного грамма урана – 22 000 киловатт-часов, т.е. примерно в 2,5 миллиона раз больше.

Уран не является редким металлом – наоборот. До сих пор поиски урана и его добыча велись не очень активно, и это объясняется только ограниченностью его потребления в промышленности. Если бы человечество сумело использовать энергию ядра урана, то ему не пришлось бы бояться истощения месторождений угля и нефти: страшная угроза энергетического голода отдалилась бы на много веков. Ученый-атомник стал бы современным Прометеем, похитившим у богов новый огонь.

Однако этот же огонь мог оказаться и гибельным для людей. Нельзя забывать о том времени, когда физики открыли возможность использовать цепную реакцию: это было в начале 1939 года, когда каждому здравомыслящему человеку было ясно, что надвигается вторая мировая война. Случилось так, что и теоретики, и экспериментаторы, которые до сих пор игнорировали политические события, больше не могли не замечать их. Многие наиболее прославленные ученые, гонимые фашизмом, вынуждены были искать убежища в США или, как Энрико Ферми, добровольно покидали свою страну, чтобы не служить власти, которую они презирали. Тот факт, что некоторые немецкие ученые, казалось, вошли в гитлеровскую систему, не мог не увеличить отвращения к гитлеризму со стороны таких людей, как Оппенгеймер, который был знаком с этими учеными и знал либеральный климат немецких университетов до того, как их окутали тучи коричневой чумы.

Что станет с цивилизацией, если мрак фашизма охватит всю Западную Европу, а потом, может быть, и весь мир? Уцелеют ли те интеллектуальные и моральные ценности, с которыми ученые связаны не просто как люди, а как люди науки? Ответ на этот страшный вопрос зависел от исхода предстоящей войны. И эту войну Гитлер, безусловно, выиграл бы, если бы физики дали ему в руки оружие массового уничтожения, теоретическая возможность создания которого появилась в результате открытия деления урана.

Ученые-атомники оказались перед проблемой, уклониться от которой значило пойти на сговор с собственной совестью. С одной стороны, продолжая свои исследования взрывной реакции деления урана, они шли к созданию такого оружия, которое далеко превзошло бы по своим возможностям все, что когда-либо делали люди для взаимного уничтожения, и которое могло бы поставить под угрозу существование человечества. С другой стороны, отсрочка работ или изменение их направления могли помочь вырваться вперед той горсточке физиков, которые остались служить нацизму, и тогда оружие попало бы в руки губителей всякой надежды на лучшее будущее.

Рассказывают, что когда перед Отто Ганом кто-то начал развивать возможные перспективы применения ядерных превращений, то Ган закричал: «Бог этого не допустит!». В это же самое время немецкие солдаты застегивали на себе ремни с пряжками, на которых были выбиты слова: «Gott mit uns» [6]. Тем не менее факт остается фактом, хотя о нем достоверно стало известно только значительно позже, физики, оставшиеся в Германии, изменили направление своих исследований, проводившихся во время войны, и их работы уже не могли привести к созданию бомбы.

Что касается венгерского физика Сцилларда, эмигрировавшего в Америку, то он предложил ученым прекратить всякую публикацию работ, относящихся к делению урана, для того чтобы полученные результаты не могли быть использованы в Германии. В письме, написанном Фредерику Жолио, он сформулировал свое пожелание в следующей форме, прекрасно отражающей ту драматическую ситуацию, в которой тогда находились ученые: «Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нолю, либо недостаточно и что нам не придется больше беспокоиться по этому поводу».

Однако через несколько недель решающий эксперимент, проведенный группой Жолио, разрушил отчаянные надежды Сцилларда: на 100 делящихся ядер урана французские физики насчитали от 280 до 420 вторичных нейтронов. Возможность цепной реакции оказалась, таким образом, подтвержденной цифрами.

Однако до практического осуществления реакции было еще далеко. Для того чтобы научиться управлять цепной реакцией, необходимо было лучше понять особенности этого нового явления, а следовательно, снова направить теоретические исследования к познанию атомного ядра. И тогда Нильс Бор, который находился еще в Копенгагене, но тоже собирался переехать в Америку, еще раз внес важный вклад в решение этой проблемы.

Почему в некоторых случаях ядро урана под ударом нейтрона раскалывается на множество осколков (как будто в результате потери внутреннего равновесия) вместо того, чтобы совершать такое же простое ядерное превращение, какое происходит с другими элементами, которые переходят при этом из одной клетки таблицы Менделеева в соседнюю? Чтобы это объяснить, представим себе ядро урана в виде капли жидкости: эта капля довольно тяжела, а когда ее утяжеляют еще больше, то она делится на две более мелких капельки. Такое представление помогает понять, что именно ядро урана, самого тяжелого элемента в природе, может стать предметом деления, если увеличивать его заряд. «Модель» ядра в виде капли жидкости позволила предпринять первую попытку дать математическое описание ядерного деления.

Однако природа сил, играющих основную роль в сцеплении и расщеплении атомного ядра, гораздо сложнее физического механизма сцепления молекул в капле жидкости. Для того чтобы рассчитать их действие, необходимо прибегнуть к волновой механике. Если бы нейтрон был только мельчайшим кусочком вещества, имеющим сферическую форму и подчиняющимся законам классической механики, то вероятность его столкновения с атомным ядром была бы настолько мала, что ядерную реакцию можно было бы считать невозможной. Диаметры нейтрона и ядра очень малы по сравнению с пространством, в котором они перемещаются. Вещество, кажущееся нам таким плотным – кусок урана, – в действительности представляет собой пустоту, где находятся частицы, разделенные громадными по сравнению с их размерами расстояниями. У нейтрона, направленного в толщу вещества, столько же шансов попасть в ядро, сколько у одного бильярдного шара попасть в другой, находящийся на расстоянии нескольких километров.

Но частицы в отличие от бильярдных шаров обладают не только свойствами массы и количества движения; их необходимо рассматривать также в сочетании с волной определенной длины. Роберт Оппенгеймер в одной из своих лекций говорил: «Волновая природа, присущая всей материи, проявляется в условиях бомбардировки одних материальных частиц, другими (медленными, с очень большой длиной волны) таким образом, что бомбардирующие частицы могут воздействовать на свои мишени гораздо чаще, чем это было бы возможно только в процессе столкновений. И даже сама невозможность точного определения относительного положения частиц заключает в себе скрытую возможность их взаимодействия на расстояниях, характеризуемых подчас длиной волны, а не физическими размерами частиц. Это обстоятельство является одной из причин того, что следы урана-235, присутствующие в естественном уране, могут захватывать достаточное количество пролетающих по соседству нейтронов; это позволяет поддерживать цепную реакцию в атомном реакторе». Оппенгеймер, таким образом, объясняет, почему нейтронные шарики наталкиваются на ядра, разбросанные в пространстве, а также почему медленные шарики (речь идет, конечно, об относительной медлительности) достигают своей цели лучше, чем быстрые: они имеют большую длину волны, соизмеримую с радиусом ядра.

Исходя из наших предположений, на основании принципов квантовой механики довольно трудно предсказать, что же произойдет после захвата нейтрона ядром. Внедрение дополнительного нейтрона, обладающего определенной энергией, в сложную структуру атомного ядра может повлечь за собой различные явления: увеличение массы ядра на единицу без изменения числа протонов и без ядерного превращения; процесс ядерного превращения с испусканием отрицательных бета-лучей и превращением нейтрона в протон; деление ядра, сопровождающееся выделением нейтронов… Вероятность того или иного явления зависит от уровня энергии бомбардирующего нейтрона и от уровней энергии внутри ядра. Таким образом, соответствие уровня энергии бомбардирующего нейтрона одному из уровней энергии внутри ядра в какой-то мере обусловливает вероятность именно данного явления, нежели какого-либо иного.

[6] С нами бог (нем.).