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

С одной стороны, чтобы из всех возможных процессов получить именно деление ядра, надо было определить теоретически и экспериментально оптимальную энергию, которую необходимо сообщить нейтронам. При этом надо было знать весь спектр энергий нейтронов, испускаемых в процессе деления, уменьшать их энергию путем торможения до определенной величины и тем самым добиться того, чтобы наибольшее возможное число их обладало бы оптимальным уровнем энергии.

С другой стороны, вероятность того или иного ядерного события, происходящего после захвата нейтрона, зависит также от энергетических уровней ядра. Если речь идет об одном и том же элементе, то энергетические уровни оказываются различными для его изотопов. Природный уран представляет собой смесь изотопов 238 (92 протона, 146 нейтронов) и 235 (92 протона, 143 нейтрона), находящихся в весьма неравном соотношении. Еще Бору путем расчета удалось установить, что под действием медленных нейтронов происходит деление более редкого изотопа 235, который входит в состав природной смеси всего лишь в пропорции 1/140. Таким образом, выяснилось, что возникновению цепной реакции в массе урана способствуют следующие три обстоятельства:

1) в природном уране содержится 1/140 делящегося изотопа (U²³⁵);

2) уран-238, захватывающий медленные нейтроны без деления, ведет себя более сложно по отношению к быстрым нейтронам, испускаемым в результате деления соседних ядер: в некоторых случаях происходит деление;

3) простой захват одного нейтрона ядром урана-238 приводит к образованию урана-239, радиоактивного изотопа с коротким периодом распада, который в результате ядерного превращения образует элемент 93 (нептуний), превращающийся, в свою очередь, в элемент 94 (плутоний). А полученный таким образом плутоний сам делится (так же как и уран-235) под действием медленных нейтронов.

Для цепной реакции достаточно, чтобы на каждое делящееся ядро приходилось в среднем по одному нейтрону, который вызовет следующие деления. Но нетрудно догадаться, что этот коэффициент размножения для полностью расщепляющейся массы будет больше, чем для природного урана. То, что может годиться для реактора, где ставится задача получить управляемое выделение энергии, не может быть использовано для бомбы, где высвобождение всей возможной энергии должно произойти как можно быстрей, почти мгновенно.

В 1939 году перед людьми, мечтавшими создать ядерную бомбу, стояла сложная задача: найти пути извлечения из природного урана изотопа 235.

Не менее трудным оказалось определить критическую массу. В толще любого куска урана всегда возникают самопроизвольные деления ядер в количестве, достаточном для того, чтобы началась цепная реакция: но она возникает только тогда, когда коэффициент размножения больше единицы, а это не может произойти, если слишком много нейтронов вырывается наружу без захвата их ядром. Совершенно ясно, что чем ближе к поверхности происходит выделение нейтронов, тем больше у них шансов ускользнуть. Те нейтроны, которые испускаются в толще металла, наталкиваются на соседние ядра и после некоторой серии рикошетов, замедляющих их движение, понижают свой уровень энергии до того значения, при котором их может захватить ядро. Этим и определяется та критическая масса, при превышении которой развивается цепная реакция. Если бы это понятие не было известно тогда, когда начали добывать и накапливать расщепляющиеся материалы в необходимых количествах, то первый атомный взрыв произошел бы на самой фабрике! Кроме того, физики поняли, что, для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить две подкритические массы, сумма которых намного превысит значение критической массы.

Все эти сведения, ставшие сегодня классическими, необходимо напомнить для того, чтобы было понятно, перед какой головоломкой оказались ученые-атомники, когда они приступили к созданию бомбы. А им, кроме того, пришлось столкнуться еще с бесконечными количествами разных препятствий.

Уже летом 1939 года бог войны наложил свою руку на ядерную энергию, находившуюся еще в колыбели. По иронии судьбы этого добились два человека: Лео Сциллард, который боялся цепной реакции, как несчастья, и пацифист Альберт Эйнштейн. Первый из них уговорил второго обратить внимание американского правительства на опасность, которая будет угрожать человечеству, если нацистам удастся изготовить ядерную бомбу. Он потребовал у вашингтонских властей солидной материальной помощи, которая ускорила бы проведение атомных исследований, а также получения гарантии от бельгийского правительства, что большие запасы урана, добытого в Конго, будут спрятаны от гитлеровцев.

Американские военные, консервативные, как все военные вообще, отнеслись с недоверием к предостережениям интеллигентов, рассказывавших о каком-то неизвестном оружии, основанном на уравнениях нескольких университетских профессоров. Даже президента Рузвельта пришлось долго убеждать. Одной из причин недоверия, проявленного правительственными кругами, явилось то, что многие ученые-атомники, работавшие в США, недавно эмигрировали из Европы и были либо иностранцами, либо свежеиспеченными американскими гражданами. Тем временем исследования в лабораториях Нью-Йорка, Принстона, Беркли и Чикаго проводились ускоренными темпами. 6 декабря 1941 года – накануне Пирл-Харбора – Белый Дом принял решение ассигновать большие средства на изготовление ядерного оружия.

Роберт Оппенгеймер еще с 1939 года проявлял интерес к делению урана и к проблеме создания бомбы. Он хорошо понимал значение научных открытий, сделанных в лабораториях Европы. И несмотря на то что в то время он отошел от какой-либо политической деятельности, перспектива победы нацизма внушала ему глубокий ужас, как и ученым, эмигрировавшим в Америку.

Незадолго до начала войны Нильс Бор прочитал в Вашингтоне лекцию о последних работах Отто Гана. Отчет о ней был послан в физическое отделение Калифорнийского университета. Познакомившись с ним, Оппенгеймер сразу же попытался подсчитать критическую массу. И в течение последующих двух лет преподавательской работы он не переставал думать об этой проблеме.

В то время в радиационной лаборатории Калифорнийского университета физик Эрнст О. Лоуренс, изобретатель циклотрона (установки для ускорения частиц), пытался добиться выделения урана-235.

Как известно, ни один химический процесс не может разделить изотопы одного и того же элемента: они обладают совершенно одинаковыми свойствами, входят вместе в одни и те же соединения и не могут быть идентифицированы ни одним химическим реактивом. Единственное, что отличает их друг от друга, – это разность между массами их ядер, определяемая числом нейтронов. Следовательно, надо было изыскивать такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, используя эту разность масс. Для легких элементов этот относительный сдвиг между атомными весами двух изотопов может быть довольно значительным: например, масса атома водорода 2 («тяжелый» водород, или дейтерий), содержащего один протон и один нейтрон, вдвое больше массы атома водорода 1 (обычный водород), в котором содержится только один протон. Однако у элементов, находящихся на другом конце таблицы Менделеева, разность масс в несколько нейтронов составляет только небольшую часть от общей массы атома. Таким образом, разделение изотопов, достаточно трудное даже для легких элементов, представляло почти неразрешимую задачу для тяжелых элементов и требовало огромной технической изобретательности и необыкновенного терпения.

Лоуренс предпринял в Беркли попытку разделить в природном уране изотопы 235 и 238, используя принцип действия масс-спектрографа – лабораторного прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Предварительно ионизованные атомы ускоряются электрическим полем, а затем пропускаются через магнитное поле, в котором они описывают полуокружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий пропорциональны произведению массы на скорость, легкие ионы оказываются на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые ионы. Если в этой плоскости поместить фотопластинку, то каждой химической группе атомов будет соответствовать отрезок прямой, а различным изотопам элемента – семейство прямых, распределенных в виде спектра (отсюда – название масс-спектрографа). Если же вместо пластинки поместить накопительные устройства, то можно раздельно собирать различные изотопы.

Но масс-спектрограф может накопить не более, миллионных долей грамма в день, а речь шла о добыче килограммов урана-235. Необходимость экстраполяции метода масс-спектрографа на большие масштабы натолкнулась на множество трудностей. Работать с газообразными соединениями урана весьма затруднительно, потому что в большом потоке ионов возбуждаются паразитные электрические эффекты, препятствующие разделению изотопов.

Оппенгеймер добровольно предложил Лоуренсу свое сотрудничество. Он внес предложение, которое позволило сэкономить три четверти средств, ассигнованных на разработку этого метода. Был сконструирован калютрон (циклотрон Калифорнийского университета), который использовался на гигантском заводе в Ок-Ридже вместе с другими установками для разделения изотопов.

Эффективная помощь, оказанная добровольно Оппенгеймером Лоуренсу, не могла остаться не замеченной руководителями работ по созданию ядерного оружия. Осенью 1941. года лауреат Нобелевской премии Комптон пригласил его принять участие в работе специальной комиссии Национальной академии наук, которая в течение двух дней обсуждала проблемы использования атомной энергии в военных целях. Через несколько месяцев эпизодическое участие Оппенгеймера в работе комиссии перешло в постоянное сотрудничество.

В июле Оппенгеймер взял на себя руководство группой теоретической физики, которая упорно продолжала искать наилучшую модель ядерной бомбы. Именно тогда и именно в этой группе впервые была серьезно исследована возможность высвобождения ядерной энергии в процессе, который можно, в известном смысле, считать обратным делению урана, – в процессе синтеза легких ядер, в частности водорода. Мы уже знаем, что дефект массы достигает максимума для элементов среднего атомного веса, находящихся в середине таблицы Менделеева. Этим объясняется то, что деление более тяжелых ядер, дающее средние ядра, сопровождается выделением энергии, соответствующей потерянной массе. Однако если использовать элементы с другого края таблицы, то оказывается, что при синтезе легких ядер (таких, как водород), образующих ядра более тяжелых элементов, также происходит переход к повышению дефекта массы, сопровождающийся выделением энергии. Этот тип ядерной реакции порождает энергию, испускаемую Солнцем и другими звездами. Оппенгеймер и его сотрудники установили, что осуществление взрывной реакции ядерного синтеза теоретически возможно, но потребует решения таких проблем, которыми следует заняться несколько позднее.

Соединенные Штаты вступили в войну; обстановка требовала решительных действий; перспектива создания урановой бомбы прояснялась с каждым днем, и та из воюющих сторон, которая первой стала бы обладательницей такой бомбы, могла быть уверена в своей полной победе.

В августе 1942 года в результате соглашения с английским правительством американской армии было официально поручено организовать совместную работу английских и американских ученых-атомников в направлении использования атомной энергии в военных целях; все исследовательские группы стали работать по одному плану, получившему название «Манхэттенский проект».

Эта централизация вполне отвечала личным планам Оппенгеймера. Он считал даже, что она не должна ограничиваться административными вопросами. Работая с учеными-атомниками, Оппенгеймер убедился, что было потеряно драгоценное время из-за разобщенности ученых и отсутствия координации между лабораториями и исследовательскими центрами. В различных местах производились одинаковые опыты; теоретикам приходилось изучать результаты, полученные далеко от места их работы; бесчисленными техническими проблемами практического изготовления атомной бомбы занимались в США, Канаде и Великобритании. Оппенгеймер мечтал собрать всех этих людей в одной лаборатории, в неком атомном центре, где специалисты всех отраслей физики работали бы под единым руководством над созданием атомной бомбы.

Оппенгеймер убедил в этом Комптона и руководителей армии.

Осенью 1942 года генерал Гровс, начальник Манхэттенского проекта, встретил Оппенгеймера в специальном купе поезда, шедшего из Чикаго к тихоокеанскому побережью, и предложил ему лично возглавить ту единую лабораторию, которая должна будет создать атомную бомбу.

IV. Город атомной бомбы

Роберту Оппенгеймеру было только тридцать восемь лет, когда ему предложили руководить той «сверхлабораторией», откуда впоследствии вышла атомная бомба. К тому времени он уже опубликовал множество трудов по самым различным вопросам современной физики и, пожалуй, больше, чем кто-либо другой в США, приложил усилий для подготовки нового поколения ученых. Но за ним не числилось ни одного подлинно выдающегося открытия в отличие, например, от Энрико Ферми и многих других заслуженно прославленных физиков, которым предстояло работать непосредственно под началом Оппенгеймера. Поэтому когда генерал Гровс, возглавлявший Манхэттенский проект, сообщил о своем выборе, то, по его словам, он навлек на себя ожесточенные нападки:

«Мне с укоризной говорили, что только лауреат Нобелевской премии или, по крайней мере, достаточно пожилой человек, может занимать подобное положение. Но я делал ставку на Оппенгеймера, и его успех подтвердил, что я был прав. Никто не смог бы сделать того, что сделал он».

И, действительно, Оппенгеймер был как раз right man [7] для такого предприятия. Возможно, какой-нибудь гениальный теоретик или исследователь, специализировавшийся в одном направлении, добился бы необычайных успехов в области ядерной физики, располагая огромным кредитом и материальными средствами, которые самое богатое в мире государство неожиданно предоставило научным работникам. Но цель была не в том, чтобы содействовать развитию теоретических исследований, а в том, чтобы приобретенные в прошлые годы знания нашли практическое применение в огромных масштабах. А это значило преодолеть тысячи технологических трудностей и провести серьезную работу по координированию – ничего больше. Мы постоянно читаем о том, что война стимулировала ядерные изыскания в США. Но это значит смешивать науку с технологией. Сам Оппенгеймер много раз утверждал, что война слишком затормозила развитие науки; в университетах перестали преподавать физику, и формирование новых исследователей задержалось на несколько лет. Молодежь, которая могла бы пойти по этому пути, ушла на фронт, а самые блестящие профессора работали над созданием бомбы.

Как физик Оппенгеймер обладал огромным достоинством – он сочетал в себе глубокую осведомленность с разносторонностью. Не замыкаясь в рамках ни одного из специальных исследований, он досконально знал результаты каждого из них. Он не только знал все, что было известно о расщеплении урана, он предвидел дальнейшие открытия и возможную связь между ними. Оппенгеймер был прежде всего организатором и вожаком; и то свойственное ему обаяние, о котором свидетельствуют все, кто близко с ним сталкивался, он поставил на службу конкретному делу. Да еще какому! Ведь предстояло создать и возглавить крупнейшую из когда-либо существовавших лабораторию, откуда выйдет сверхчеловеческое оружие, способное сокрушить силы зла!

[7] Самый подходящий человек (англ.).