Роберт Оппенгеймер и атомная бомба
Шрифт:
Из работ, опубликованных Оппенгеймером в тот период, следует отметить исследование ядерного превращения лития при соударении с протоном. Ядро лития, которое содержит три протона и четыре нейтрона, поглощает падающий на него протон и изменяет свою природу: оно становится ядром бериллия – элемента с четырьмя протонами. Одновременно ядро отдает энергию в виде электромагнитного излучения – гамма-лучей с высокой энергией.
В годы, предшествовавшие второй мировой войне, было открыто множество ядерных реакций. Одни элементы превращались в другие под действием альфа-частиц, (ядра гелия), дейтронов (ядра тяжелого водорода: один протон и один нейтрон), протонов и нейтронов. Одновременно происходило излучение энергии либо в виде гамма-лучей (фотоны), либо в виде потоков различных частиц. Волновая механика продолжала оставаться инструментом теоретического анализа, с помощью которого удавалось
Накануне мировой войны Оппенгеймер был признан одним из крупнейших теоретиков новейшей физики, а также блестящим преподавателем, воспитавшим в США плеяду молодых ученых, среди которых он пользовался огромной популярностью.
Так же как и в студенческие годы, интересы Оппенгеймера не ограничивались научными исследованиями. Однако теперь его волновали не средневековые поэты и не индийские мистики, а судьба мира, над которым нависла угроза гитлеризма. В немецких университетах, которые Оппенгеймер так хорошо знал, нацисты подвергли гонениям ученых «неарийского» происхождения, а вместе с ними и их коллег, которые пытались встать на защиту своих товарищей. Принуждение и страх вытеснили из Геттингена атмосферу свободного интеллектуального соперничества. Большинство немецких профессоров отступило перед натиском темных сил; это были люди, готовившие себя к тихой университетской деятельности и не обладавшие ни стойким самосознанием, ни политическим мужеством. Несколько посредственностей, а вместе с ними и два лауреата Нобелевской премии – Ленард и Штарк, активно поддерживали глумления национал-социалистов, не дожидаясь конца Веймарской республики, очевидно, следуя пословице «с волками жить – по волчьи выть». Эта группа мракобесов объявила «еврейской физикой» теорию относительности Эйнштейна и даже квантовую механику. Нильс Бор стал для них не более чем просто полуарийцем.
И, наконец, глупость достигла апогея: появились модели атомного ядра, одобряемые расовой теорией и не удовлетворяющие ей. Политический догматизм (в данном случае особенно убогий) грубо вторгался в сферы основного постулата всех научных исследований, направленных к познанию природы, – постулата о существовании объективной и рациональной истины, равнозначной для всех идеологий и всех социальных систем. Подобная обстановка не раз уже омрачала историю науки, да и сегодня приходится наблюдать подобное положение в ряде стран. Однако наступление, проводившееся против интеллигенции в гитлеровском государстве, приняло особенно варварские формы. Многие ученые в других странах почувствовали угрозу фашизма и солидаризировались с его первыми жертвами. Среди жертв было несколько близких друзей и родственников Оппенгеймера. Оппенгеймер был до этого довольно безразличен к политическим событиям, но теперь он начал размышлять, а когда в 1936 году над Испанской республикой нависла угроза фашизма, он открыто выступил в ее поддержку. В этот же период своей жизни Оппенгеймер познакомился со студенткой, изучавшей психиатрию, и собирался на ней жениться. Она познакомила его с активными членами коммунистической партии в Калифорнии.
В 1937 году скончался отец Роберта – Юлиус Оппенгеймер, оставив сыну солидное наследство, которое позволило ему систематически оказывать материальную помощь антифашистским организациям. Оппенгеймер сам писал брошюры и листовки, печатал их за свой счет и распространял через своих друзей-студентов.
Однако вскоре этот порыв прошел. Оппенгеймер познакомился с молодой женщиной-биологом и женился на ней в 1940 году.
Из Советского Союза начали приходить трагические известия о жестокости Сталина по отношению к физикам-антифашистам, пытавшимся найти там убежище. Это подействовало как холодный душ на прокоммунистические настроения многих интеллигентов Запада. Оппенгеймер отошел от коммунистической партии, членом которой он никогда и не был, но он не мог порвать отношения с теми, кто продолжал бороться в ее рядах или сочувствовал ей. Среди них были его близкие друзья и даже брат Франк, который в то время занимался изучением космических лучей и своими работами продолжал исследования Роберта.
Таковы были обстоятельства, которые определили дальнейшую судьбу профессора Роберта Оппенгеймера, в 1939 году, когда произошли два, казалось бы, не связанные друг с другом события: подготовка вторжения в Польшу и открытие расщепления урана.
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?