История атомной бомбы

Глава 2. Атомное ядро

Сенсационные обстоятельства добычи радия, сообщения о магическом свечении нового элемента и не в последнюю очередь вручение Нобелевской премии 1903 года по физике Анри Беккерелю и супружеской паре Кюри выносят славу парижских ученых, исследующих радиоактивность, далеко за рамки специализированных научных журналов. Однако в сообществе физиков бурно обсуждается в первую очередь одно весьма специфическое, необъяснимое свойство радия. Кусок угля за короткое время сжигает всю свою тепловую энергию. Остается лишь щепотка остывшей золы. И динамит или порох выпрастывают свою энергию в одном сильном взрыве, не оставляя никакого отхода, пригодного для использования. У радия все иначе. С его излучением явно связано постоянное тепловыделение. Оно в двадцать тысяч раз превышает энергию, которая выделяется с теплотой химической реакции при молекулярных превращениях. Вот уже три года Фридрих Гизель, будучи единственным производителем радия, снабжает из Брауншвейга ученых всего мира пробами бромида радия в количествах, подходящих для лабораторных исследований. К радости ученых он не использует свою мировую монополию для получения выгоды. Он щедро дает препараты напрокат, а то и просто дарит. Все это время французы, немцы, англичане и американцы в один голос подтверждают, что излучение высокорадиоактивного элемента не убывает. Он отдает свою энергию непрерывно и равномерно, одними и теми же порциями изо дня в день, из года в год. И конца этому не видно. Пьер и Мария Кюри хотя и принимают излучение за атомарное свойство, но не могут объяснить источник энергии, загадочно дремлющей в глубине материи.

В канадском Монреале — параллельно с работой супругов Кюри — физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд уже занят основательной инвентаризацией еще молодой области исследований. Вместе со своим английским ассистентом Фредериком Содди он разработал теорию, которая удовлетворительно объясняет все известные явления излучения. По их утверждению, происходит постепенное превращение атомов радиоактивного вещества. Уран, радий и торий превращаются — через несколько промежуточных ступеней — в атомы других элементов. Превращение сопровождается высокоэнергичным излучением. Высвобождаемая при этом процессе энергия истекает непосредственно из атомов. Неиссякаемым этот источник энергии, конечно, отнюдь не является. Ведь одновременно с излучением энергии атомы теряют также часть своего материального вещества. То есть происходит распад атомов, который после определенного, хоть порой и весьма продолжительного времени снова прекращается. После этого превращение закончено, атомы конечного продукта снова стабильны и больше не дают излучения. Источник энергии исчерпан. И поэтому радиоактивные процессы ни в коем случае не нарушают священный закон сохранения энергии. Никакая энергия не исчезает, никакая дополнительная энергия не производится. То есть излучение энергии стоит в прямой пропорции к уменьшению массы в атоме.

Резерфорд и Содди оценивают свои данные статистически и выясняют, что распад всех известных радиоактивных веществ и их промежуточных продуктов подчиняется некой математической закономерности. Каждому элементу требуется точно установленное время, чтобы превратить половину своих атомов в атомы другого элемента. Этот временной промежуток они назвали периодом полураспада. Химически едва уловимые продукты превращения тоже подлежат — по крайней мере, математически — этой закономерности. Поначалу это лишь приблизительные расчеты. Постепенно они уточняются, и период полураспада радия стабилизируется на отметке 1620 лет. Теперь и двум пионерам излучения становится понятно, почему до сих пор ни один из наблюдателей во всем мире не заметил изменения активности распада радия и его энергоотдачи. Из 30 миллиграммов радия, имеющегося в распоряжении Содди, через 1620 лет останется всего 15 миллиграммов, через 3240 лет — 7,5 и через 4860 лет — 3,75 миллиграмма.

Резерфорд и Содди с удивлением обнаруживают, что атомы урана распадаются невообразимо медленнее радия. Период их полураспада растягивается более чем на четыре с половиной миллиарда лет. Тем самым ученые невзначай попали в такие разряды величин, которые даже геологи с их богатой фантазией до сих пор не связывали с возрастом земной материи. Любому ученому в начале XX века не по себе от таких огромных цифр. Некоторые же продукты превращения урана, напротив, теряют половину своего вещества и излучения уже через несколько микросекунд, часов или дней. Например, газ радон, возникающий непосредственно из распада радия, имеет период полураспада всего четыре дня. И хотя утверждения Резерфорда и Содди согласуются с лабораторными данными, на третьем году XX века они своей теорией распада и превращения элементов все же приводят в колебание оплот химии, а именно учение о неразрушимости химических элементов. Приписывать безжизненной материи способность к превращению — это подозрительно напоминает алхимическую мечту о трансмутации материи. После этой неслыханной атаки на химическую догму Резерфорд и Содди должны были приготовиться к тому, что их обзовут еретиками.

Фредерик Содди еще раз исследует свойства радия, которые Мария Кюри уже описала. В своих публичных докладах о феномене радиоактивности он не скрывает, что больше всего зачарован полной независимостью процесса распада от внешних воздействий. Подвергает ли он свои пробы радия экстремальному охлаждению при помощи самого современного лабораторного оборудования, разогревает ли их до 2500 градусов Цельсия, сжимает ли их в стальном баллоне под давлением в 1000 атмосфер, доводя до «взрыва», или воздействует на них агрессивными кислотами — излучение радия всегда остается постоянным. Даже сильнейшие электрические разряды, магнитные поля и центробежные силы не могут изменить скорость распада радия, а тем более остановить его. Содди остается роль бессильного наблюдателя, чьи попытки вмешаться в атомарный процесс превращения смехотворно бездейственны.

Он поневоле вспоминает один космический феномен, который тоже ставит его в положение удивленного зрителя. Не так ли и непрерывно горящий с древних времен костер солнца ускользает от всякого человеческого контроля? Потому и кажутся ему исчезающе малые зернышки радия в капсуле — этот бесценный дистиллят из смоляно-черной породы Рудных гор — миниатюрным солнцем на его ладони, свет и тепло которого он может ощущать, но не может на него воздействовать. Взволнованный этой игрой мысли, он делает простой расчет и приходит к поразительному результату. Его радий, препарированный Фридрихом Гизелем, излучает, относительно своей массы, больше энергии, чем наше центральное светило или любая другая звезда в наблюдаемой Вселенной. Если бы масса нашего Солнца состояла из чистого радия, то оно испускало бы в миллион раз больше света и тепла.

При более точных исследованиях радиоактивных веществ Эрнест Резерфорд делает важное открытие. Он идентифицирует два вида излучения, которые пронизывают материю с разным успехом. Он называет их альфа- и бета-лучами. Движение альфа-лучей, начавшееся со скоростью 20 000 километров в секунду, заканчивается уже через несколько сантиметров. Эта лучи поглощаются воздухом. Одного листа бумаги достаточно, чтобы полностью заэкранировать радиоактивный источник. А бета-лучи летят со скоростью света, но застревают в алюминиевом листе толщиной пять миллиметров. Это препятствие — не проблема для открытых французом Полем Вилларом гамма-лучей. Но конец их пути наступает через пять миллиметров свинца.

Несмотря на слабость проникновения альфа-лучей, большая часть теплоты, возникающей при радиоактивном распаде, идет именно на их счет. Кроме того, они вызывают электризацию воздуха — достаточное основание для того, чтобы заняться ими подробнее. Теперь Резерфорду удается доказать, что альфа-лучи в действительности являются атомами гелия. Их выбрасывает из радиоактивного источника. Так радиоактивное вещество теряет часть своей массы — событие, которое, в свою очередь, приводит в действие химическое превращение. Полегчавший остаток атома становится атомом нового вещества, которое опять-таки нестабильно и подлежит дальнейшим химическим изменениям, а те вновь сопровождаются излучением альфа-частиц.

Фридрих Гизель тем временем разработал оригинальный флюоресцентный экран нового типа. Он состоит из кристаллического соединения цинка и серы с добавкой небольшого количества меди. Это вещество оказалось подходящим для того, чтобы сделать видимыми альфа-лучи. Когда Гизель в темном помещении подносит свои препараты радия к сернисто-цинковому экрану, тот озаряется оживленным зелено-голубым светом. Что означает, что до него долетели альфа-частицы, они же атомы гелия. Ганс Гейтель и Юлиус Эльстер делают по образцу Гизеля экран, и его импозантные световые явления зачаровывают их. Но в ярких отсветах они не могут разглядеть детали. Для их целей гораздо лучше подходит сильно разбавленное радиоактивное вещество. Им удается чрезвычайно тонко спроектировать лучистую материю на сернистоцинковый экран. Он светится так слабо, что им приходится прибегнуть к лупе. Однако то, что они затем видят, завораживает их. Экран озарён неравномерно — свет, казавшийся сплошным, лучится с разной интенсивностью. Повсюду с высокой скоростью вспыхивают маленькие световые точки и тотчас снова исчезают. У Эльстера и Гейтеля складывается впечатление, что они смотрят на «туманное пятно на небе, которое на самом деле представляет собой звездное облако... если смотреть на него через телескоп с большой силой увеличения».

Теперь становится возможным систематический подсчет вспышек альфа-частиц на флюоресцентном экране, так называемых сцинтилляций. Разумеется, надежно зарегистрировать общее количество всех вспышек не удастся ни одному человеку. Но есть очень хорошо зарекомендовавший себя метод последовательных приближений. Наблюдатель направляет микроскоп на квадратный миллиметр экрана и несколько раз с большой точностью считает точки, вспыхивающие в течение часа, чтобы потом вычислить старое доброе среднее значение. Эльстер и Гейтель вдохновенно демонстрируют свои наглядные и элегантные сцинтилляции как доказательство существования атомов. Если до сих пор типичный аргумент атомных скептиков гласил, что никто пока еще не видел атом, то теперь каждый мог взглянуть на сернистоцинковый экран Гизеля и во вспышках альфа-частиц увидеть отдельные атомы гелия в их движении. Видеть атомы! Это уже маленькая сенсация. Таким образом, эффектно подтверждается учение об атомах, некоторыми учеными так до сих пор и не признанное, уверяет пара исследователей. Но на финишной прямой в состязании за первую публикацию их опережает английский химик и физик сэр Уильям Крукс, который открыл метод сцинтилляций одновременно с немцами.

Вскоре сернистоцинковый экран установлен и в Физическом институте Венского университета на Тюркенштрассе. Физику и философу Эрнсту Маху, известному главным образом по параметру скорости звука, названному его именем, и ожесточенному противнику идеи атомов достаточно было одного-единственного удивленного взгляда на экран, чтобы увлечься. Да и людей с глубоко донаучными представлениями вспышки атомов гелия просвещают на месте. Рассказывают, что Луиджи Пьяви, патриарх Иерусалима, тоже однажды взглянул на венский флюоресцентный экран и тут же решил одну основную философскую проблему. Он якобы понял теперь, что библейское восклицание о сотворении мира «Да будет свет!» больше не противоречит тому факту, что небесные светила — Солнце, Луна и звезды — были сотворены лишь позднее.