Тайная история атомной бомбы

Статья Фриша и Мейтнер о делении ядра урана появилась 11 февраля в британском научном журнале Nature. Неделю спустя, 18 февраля, там же была опубликована новая статья Фриша, в которой он сообщил о результатах простого эксперимента, проведенного им для подтверждения деления ядра. Бор также написал краткую статью об этом открытии, подтвердив авторство Лизы Мейтнер и ее племенника. Его публикация вышла в Nature 25 февраля.

К этому времени за океаном уже полным ходом проводились эксперименты, повторявшие эксперименты европейских ученых и подтверждавшие их. Американцы уже давно обо всем знали: сначала секрет выдал несдержанный Розенфельд, а затем на конференции в университете Джорджа Вашингтона Бор был вынужден официально подтвердить эту информацию.

Двадцатисемилетний физик Луис Альварес, житель Западного побережья Соединенных Штатов, узнал об экспериментах по расщеплению ядра из незаметной статейки в San Francisco Chronicle. Он мгновенно вскочил из парикмахерского кресла, в котором сидел, читая газету, и, недостриженный, сломя голову бросился в Беркли. Там, в радиационной лаборатории [8] , должны узнать обо всем как можно скорее! Первым Луис встретил своего аспиранта Филиппа Абельсона, которому до самостоятельного открытия деления ядра оставалась всего неделя. Тот поспешно подтвердил все результаты.

8

Радиационная лаборатория была создана Э. Лоуренсом в г. Беркли на территории Калифорнийского университета специально для изучения физики высоких энергий с использованием циклотрона.

Альварес сообщил новость еще одному молодому преподавателю Беркли, которого многие считали вундеркиндом Западного побережья в теоретической физике. Этот молодой профессор «тут же заявил, что подобная реакция невозможна, и представил всем, находящимся в комнате, математическое обоснование того, что кто-то, по всей видимости, сделал ошибку». Однако в считанные минуты его удалось переубедить с помощью экспериментального доказательства. И уже всего через несколько дней на доске в его кабинете появились первые наброски атомной бомбы. Звали этого молодого человека Роберт Оппенгеймер.

Деление ядра атома было теперь уже не просто признанным научным фактом. Оно уже практически получило статус новой научной дисциплины.

Уран-235

К марту 1939 года группы ученых, работавших во Франции и в Америке, доказали, что для самоподдерживающей- ся цепной реакции достаточно выделения в среднем двухчетырех свободных нейтронов при каждом делении уранового ядра. Растущие было опасения о возможности создания атомной [9] бомбы, однако, быстро развеялись.

9

Строго говоря, нам следовало бы всегда употреблять словосочетание «ядер- ная бомба» — ведь расщепляется непосредственно ядро атома урана, и не зря реакторы чаще всего называют именно ядерными. Но все же в этой книге я (признаться, не без удовольствия) буду в основном использовать общепринятый вариант и называть бомбу атомной.

Бор решил не терять времени. Физика деления, как и любое другое новое направление в науке, несомненно, предоставляла неохватное поле для деятельности. И, поскольку в Принстоне работать можно было с не меньшим успехом, чем в Копенгагене, Бор обратился к Уилеру с предложением сотрудничества. Они занялись дальнейшей разработкой теории деления ядер, опираясь на новые экспериментальные данные. Эксперименты они проводили с аппаратом, собранным на скорую руку тут же, в Принстоне, на чердаке Палме- ровской лаборатории. Полученные результаты были поначалу весьма озадачивающими.

Упомянутый выше аппарат нужен был, чтобы изучить изменения в интенсивности деления ядра урана под воздействием нейтронов, несущих каждый раз различные объемы энергии [10] . Было установлено, что чем больше эта энергия, тем интенсивнее происходит деление, а с ее уменьшением интенсивность деления, соответственно, также снижается. Такие данные были вполне ожидаемы. Однако вскоре выяснилось, что при достаточном уменьшении энергии нейтронов интенсивность деления ядра снова возрастает.

10

В обычной практике первоочередной интерес для физиков представляет измерение некоей величины, называемой поперечным эффективным сечением реакции и измеряемой в квадратных сантиметрах. Условно данное понятие обозначает величину гипотетического «окна», в котором может произойти реакция. Чем больше это окно, тем выше вероятность реакции, а также ее скорость. Эта упрощенная картина станет более запутанной, когда мы дойдем до волновой природы субатомных частиц. Поэтому во избежание сложностей в изложении я сведу описание данного вопроса просто к скорости протекания ядерной реакции.

Плачек, который ранее заставил работавшего в Копенгагене Фриша искать достоверное подтверждение ядерно- го расщепления, весьма неожиданно оказался в Принстоне. «Что это еще за чертовщина: почему отклик одинаковый и на быстрое и на медленное воздействие?!» — возмущался он, сидя за завтраком вместе с Розенфельдом и Бором.

Возвращаясь вскоре в свой кабинет, Нильс Бор уже знал ответ на этот вопрос. Судя по всему, причина высокой интенсивности деления ядра при малой энергии воздействующих нейтронов — редкий изотоп уран-235 (235U), который составляет ничтожно малый процент от общего количества этого элемента, встречающегося в природе. Бор и Уилер приступили теперь к детальной разработке данной гипотезы. И в новой теории были установлены два основополагающих фактора.

В изотопе 235U баланс между отталкивающей силой протонов в ядре атома и силой поверхностного натяжения, удерживающей ядро от распада, гораздо более хрупкий, чем в изотопе 238U. Три дополнительных нейтрона урана-238 стабилизируют ядро и увеличивают энергетический барьер, который необходимо преодолеть, чтобы запустить реакцию распада. Следовательно, для расщепления такого ядра необходимы более быстрые нейтроны с большей энергией.

Вторым из упомянутых факторов стал непосредственно сложный состав ядра. Для него более благоприятно равное число протонов и нейтронов, что объясняется квантовой природой их субатомных составляющих. Приняв дополнительный нейтрон, 235U превращается в 236U, в ядре которого 92 протона и 144 нейтрона, то есть четное число обоих нуклонов. Когда 238U принимает добавочный нейтрон, то образуется изотоп 239U с нечетным числом нейтронов в ядре. Уран-235 «ассимилирует» дополнительный нейтрон и вступает с ним в реакцию намного проще, чем уран-238.

Совокупность двух вышеописанных факторов в достаточной степени объясняет существенное различие в поведении двух изотопов урана. Для расщепления устойчивого ядра 238U требуются быстрые нейтроны, а гораздо менее стабильное ядро 235U разделить можно медленными. Таким образом, если изготовить бомбу, состоящую из смеси 235U и 238U, действие которой будет основано на расщеплении урана-235 под воздействием медленных нейтронов, то и цепная реакция в ней будет происходить медленно. Затем она затухнет, а бомба так и не взорвется.

Теперь шансы на создание бомбы в ближайшем будущем хотя и не исчезли совсем, но значительно снизились. Конечно, нельзя забывать и о словах Бора, неоднократно повторяемых им в ходе дискуссий с коллегами в апреле 1939 года: тогда он заявил, что изготовить бомбу можно при условии, что она будет сделана на основе чистого урана-235. Однако 235U — редкий изотоп и его доля по отношению к природному урану составляет 1:140, то есть ничтожные 0,7 %. К тому же 235U и 238U по химическим свойствам идентичны, и поэтому с помощью химической реакции их разделить нельзя. Это возможно только с применением специальных физических методов, позволяющих отделить изотопы друг от друга, используя практически незаметную разницу в их массе. При этом подобные работы в масштабах, необходимых для создания атомной бомбы, требовали неоправданно больших усилий — на тогдашнем уровне разработок для нее требовалось несколько тонн урана-235.

«Да, бомбу создать мы, конечно, сможем, — сказал тогда Бор, — но нам потребуется помощь всей страны».

Венгерский заговор

Новый источник энергии — атом — и невероятную силу, которую можно высвободить при его расщеплении, окончательно признали. При любых обстоятельствах интерес к подобному открытию начали бы проявлять не только ученые, но еще и военные, а также представители деловых кругов. В нашем случае обстоятельства были весьма серьезными. Прошло всего несколько месяцев с того дня, когда Фриш и Мейтнер, сидя на бревне в лесу около Кунгэльва и записывая на клочке бумаги свои поспешные вычисления, сделали прославившее их открытие. Однако этого времени было достаточно для появления новой отрасли физики, которая развивалась одновременно с подготовкой к началу войны в Европе, становившейся все более очевидной.