А-бомба
Шрифт:
У Гана более 30 лет в качестве ассистентки работала австрийка Л. Мейтнер, которую Эйнштейн называл «наша мадам Кюри». Будучи «неарийского» происхождения, она в конце 30-х годов вынуждена была эмигрировать из Германии в Голландию, а оттуда переехала в Стокгольм. В то время она уже была известным ученым. С ее мнением считались многие. Совершенно растерянный Ган написал ей о своей и Штрассмана, как, ему казалось, неудаче.
Письмо Гана очень заинтересовало Мейтнер. Она знала своего профессора как великого мастера в области химии, поэтому нисколько не сомневалась в точности его экспериментов. Мейтнер все время думала о письме. Действительно, в чем загадка? Уран находится в конце таблицы Менделеева, барий и лантан — в середине. Заряд и масса ядра бария или лантана в сумме составляют примерно
И у Мейтнер мелькает смутная догадка: а что если ядро урана, захватив нейтрон, стало неустойчивым и развалилось, разделилось почти пополам? Продукты этого деления — ядра новых элементов. Вместе со своим племянником физиком О. Фришем, работающим у Н. Бора, она обсуждает эту проблему.
Аналогия с делением клеток в биологии позволила им ввести термин «деление ядер» и помогла представить картину деления ядра урана: заряд урана достаточно велик, чтобы нейтрализовать поверхностное натяжение. Становилось все яснее, что ядро урана представляет собой нестабильное образование, готовое разделиться при малейшем возбуждении.
Возникла новая идея: если возможен процесс распада, при котором появляются новые элементы, стоящие в таблице Менделеева далеко от распавшегося, то можно предположить, что при этом должна выделиться огромная энергия. Откуда же появится такая энергия?
При делении ядра урана, рассуждала Мейтнер, его части оказываются в сумме легче исходного ядра на одну пятую массы протона. Расчет по формуле Эйнштейна дал ответ. Умножив потерянную одну пятую массы протона на скорость света в квадрате, они получили примерно 200 млн. эдектроновольт. Электроновольт — единица энергии, соответствующая энергии одного электрона, ускоренного электрическим напряжением в один вольт.
— В этом заложен источник энергии, — сказал Фриш. — Все сошлось.
Фриш проверил свою догадку экспериментальным путем в Копенгагене. Мейтнер продолжала расчеты. Оба они, понимая, что стоят на пороге грандиозного открытия, даже не тратили времени на поездки, а получаемые результаты обсуждали в письмах, телеграммах и по телефону.
Когда Фриш рассказал своему учителю Н. Бору о работе Гана и о выводах, к которым пришли он и Мейтнер, Бор ударил себя по лбу и воскликнул:
— Какими мы все были слепцами. Но ведь это замечательно! Именно так и должно быть!
Бор сразу понял, что Мейтнер и Фриш дали опытам Гана смелое истолкование. Он очень интересовался их работой и следил за ней.
В январе 1939 г. Бор ненадолго отправился в США, уже понимая, какое огромное событие произошло в мире. Весть, привезенная в Америку Бором, взволновала физиков.
Отто Роберт Фриш так описал в 1955 г. события конца 1938 г.:
Когда я на рождество посетил Лизи Мейтнер в Швеции (недалеко от Гётеборга), она показала мне письмо, или корректуру, где излагалось открытие Гана Штрассмана, После долгой дискуссии мы убедились, что расщепление ядра урана на две приблизительно одинаковые части совместимо с капельной моделью Бора. Нам удалось показать, что этот процесс должен проходить при выделении огромного количества энергии. После моего возвращения в Копенгаген я рассказал Нильсу Бору об открытии Гана — Штрассмана и о нашем толковании. Через несколько дней после этого Бор поехал в Америку, и когда в конце января туда поступил журнал «Натурвиссеншафтен» с работой Гана — Штрассмана, Бор на заседании Американского физического общества доложил о нашем толковании. Некоторые физики тотчас же покинули заседание и через несколько часов могли экспериментально доказать предсказанное выделение энергии.
Через несколько дней Э. Ферми повторил опыты немецких ученых и подтвердил догадку о многообещающем делении ядер урана. А тем временем во Франции, в Париже, бомбардируя нейтронами уран, совершенно независимо то же сделал Ф. Жолио-Кюри.
Согласовав текст по телефону, Фриш и Мейтнер отправили письмо в редакцию английского научного журнала «Нейчур». Их заметка «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции» поступила в журнал 16 января и была опубликована 18 февраля 1939 г. 30 января того же года в «Труды Парижской академии наук» была представлена статья Ф. Жолио-Кюри «Экспериментальное доказательство взрывного распада ядер урана и тория под воздействием нейтронов».
Отослав заметку в журнал «Нейчур», Фриш в тот же день написал матери, с которой привык делиться всеми важными событиями в жизни:
«Ощущение у меня такое, будто я, пробираясь сквозь джунгли, поймал за хвост слона и теперь не знаю, что с ним делать».
В этот же период два советских ученых — Г. Н. Флёров и К. А. Петржак открыли явление самопроизвольного (спонтанного) распада урана. Интересно, что Флёров и Петржак в первом же сообщении о сделанном ими открытии отметили: «Мы приносим искреннюю благодарность за руководство работой профессору И. В. Курчатову, наметившему все основные контрольные эксперименты и принимавшему самоё непосредственное участие в обсуждении результатов исследований».
Э. Ферми и Л. Сциларду понадобилось всего несколько недель, чтобы окончательно установить следующие чрезвычайно важные положения. Атом урана можно расщепить на две части; при этом освобождается огромное количество энергии; в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые, в свою очередь, могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию.
Бор, находившийся в США с января по май 1939 г., много сделал в этот период для быстрой разработки теории, которая впоследствии привела к доказательству особой способности урана-235 и плутония к расщеплению. Его работы положили начало интенсивной разработке вопросов ядерной энергетики.
В энергетическом отношении ядерные реакции могут быть невыгодными, если для их осуществления необходимы затраты энергии, и выгодными, если выделяется значительное количество энергии. При делении ядра урана продукты деления обладают меньшей внутренней энергией, чем первоначальное ядро; вследствие этого продукты деления (осколки) приобретают большую кинетическую энергию (т. е. энергию движения), которая в конечном счете превращается в тепло. Однако при единичных актах деления эта выделенная энергия будет все же незаметной. Нельзя получить особого выигрыша, даже если усиливать поток нейтронов, облучающих уран. Необходимо, чтобы реакция дальше шла самостоятельно. И это оказалось для урана возможным именно потому, что при делении каждого ядра урана получаются новые нейтроны: надо было только обеспечить необходимые условия, чтобы эти нейтроны в свою очередь, могли вызывать деление других ядер урана, т. е. чтобы ядерная реакция стала цепной.
Представим себе лунку, через которую катится шар. Если скорость движения шара невелика, он остановится в лунке, если велика — проскочит ее. Нечто подобное происходит с нейтронами: медленные нейтроны попадают в атомные ядра лучше, чем быстрые. Попадая в ядро, медленные и быстрые нейтроны дают разные эффекты, поскольку их энергия различна. Ядро урана обладает известной устойчивостью, и, чтобы деление произошло, нужно сообщить ядру некоторую «энергию активации». Так, чтобы выстрелить из ружья, надо затратить некоторую «энергию активации» на спуск курка, незначительную по сравнению с энергией выстрела, но все же необходимую. Оказалось, что уран-238 может быть активизирован только быстрыми нейтронами, теми, которые обладают кинетической энергией не меньше миллиона электроновольт. Такие нейтроны при делении урана получаются, но для них ядро не является мишенью достаточно «эффективного сечения» — оно мало, и поэтому цепная реакция не происходит. А, например, изотоп урана-235 обладает свойством делиться при попадании нейтронов любых энергий, как медленных, так и быстрых. Но его слишком мало в естественной смеси изотопов. Из этого положения есть выход. Надо подготовить препарат из чистого изотопа урана-235. Тогда в нем при определенных критических размерах, зависящих от средней длины пробега нейтрона, возникает лавинная цепная реакция, что даст взрыв колоссальной силы. Или же надо внести в естественную смесь изотопов урана замедлители нейтронов (например, блоки из графита), которые замедляют скорость движения нейтронов таким образом, что обеспечивают возможность деления. Тогда цепная реакция оказывается возможной, но выделение энергии делается постепенным и легко управляемым.