Два атомарных пушечных ядра

Исследователи, в том числе и Отто Хан, занимались идентификацией осколков урана; однако физиков, прежде всего, интересовала другая проблема: какой энергией вызывалось поразительное деление ядра урана и каков был энергетический баланс?

Благодаря переписке с профессором Ханом, Лиза Мейтнер была первой из посторонних информирована о делении урана. Об этом еще не знали даже физики из института Отто Хана, а Лиза Мейтнер уже размышляла о необычном ядерном эффекте. Эту проблему она обсуждала со своим племянником, Отто Робертом Фришем. Фриш, эмигрант, как и Лиза Мейтнер, начал работать в институте Нильса Бора в Копенгагене. Исследователи первыми дали физическое толкование эффекта, открытого Ханом и Штрасманом, и указали, что такое "разваливание" на два близких по величине осколка энергетически возможно:

U + n Ва + Kr

Из дефекта массы, возникающего при делении такого рода, Мейтнер и Фриш по уравнению Эйнштейна Е тс[2] рассчитали энергетический эффект. Они получили неправдоподобно большую величину: 200 МэВ на 1 моль атома! Такую энергию еще не наблюдали ни в процессах ядерных превращений, ни тем более в химических реакциях: например, 1 моль атома углерода при сгорании дает лишь 2 эВ энергии, а 1 моль атома урана при своем делении -- в сто миллионов раз больше!

Нильс Бор, которому Фриш сообщил о новом физическом ядерном процессе, в первый момент потерял дар речи. Затем великий теоретик ударил себя по лбу: "Как мы только могли это просмотреть!"

26 января 1939 года в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физике, на которую был приглашен и Бор. Он доложил собранию о делении атома урана. Не успел он договорить до конца, как несколько американских физиков вскочили, как ужаленные, со своих мест. В смокингах ворвались они в свои лаборатории, чтобы собственноручно проверить открытие, которое они прозевали.

Бор и Ферми были приглашены принять участие в одном из таких экспериментов. До позднего вечера взгляды физиков были прикованы к осциллографу, светящиеся импульсы которого указывали на выделяющуюся энергию распада и были столь мощны, что, казалось, они взорвут экран. Было ли это выделением атомной энергии? Велись торопливые дискуссии. Спросили у Ферми, почему он не заметил деления урана еще в 1934 году? Осколки, богатые энергией, должен был обнаружить даже его примитивный счетчик. Ферми схватил себя за голову: конечно же! Но он в свое время поместил фольгу между облученным ураном и счетчиком, для того, чтобы устранить естественную радиоактивность урана. Тончайшую фольгу, однако она поглощала и осколки. Вот и осталось деление ядра в то время не открытым.

30 января 1939 года под крупным заголовком "Огромная энергия, высвобожденная атомом урана" газета "Нью-Йорк таймс" сообщила об удачных повторных экспериментах американцев: "Деление атома урана на две части, из которых каждая представляет собой гигантское атомарное пушечное ядро с огромной энергией в 100 000 000 электронвольт[67],-- это величайшая энергия атома, которая когда-либо высвобождалась человеком".

К началу 1939 года большинство ученых уже знали, что в результате бомбардировки нейтронами отдельные атомы урана могут делиться с выделением энергии. Однако это не была еще цепная реакция, вызывающая волну атомного распада, как того опасались Резерфорд и другие. Конечно, была найдена "спичка" для поджигания атомного огня; однако "огонь" угасал, как только удаляли источник нейтронов. Для поддержания деления урана требовалась постоянно возобновляющаяся реакция, протекающая самопроизвольно, без дополнительного подвода энергии извне. Вечно сияющие звезды и наше Солнце являются практическими примерами того, что для непрерывного выделения атомной энергии необходимы определенные ядерные цепные реакции.

Для осуществления такой цепной реакции при делении урана нужно было, чтобы при каждом делении образовались дополнительные нейтроны, которые могли бы, в свою очередь, разрушить новые атомы урана. Тогда такой процесс распространялся бы лавинообразно и с мгновенной скоростью высвобождал бы гигантские количества энергии.

Сначала Фредерику Жолио-Кюри удалось получить экспериментальное доказательство того, что, действительно, при делении образуются нейтроны. Практически в то же время, в марте 1939 года, в США Сцилард и Цинн провели решающий эксперимент. Вот как они описали захватывающий ход опыта: "Мы дошли до того момента, когда оставалось лишь нажать на кнопку и наблюдать за фосфоресцирующим экраном. Если бы там возникли вспышки, это означало бы, что при делении урана испускаются нейтроны. Тогда высвобождение атомной энергии стало бы возможным еще при нашей жизни...". Затем они нажали на кнопку, увидели вспышки и наблюдали их, не отрываясь, минут двадцать. "В тот вечер стало ясно, что мир вступил на путь, полный тревог",-- сказал Сцилард. А вот что говорил Резерфорд незадолго до своей смерти в октябре 1937 года: "Всякий, кто видит в превращении атома источник энергии, болтает чепуху". Сейчас, через два года, все выглядело совсем иначе.

Теперь многие атомщики полагали, что найден прямой путь для использования энергии атома. Однако их оптимизм заметно умерило высказывание Бора. В феврале 1939 года датский ученый поразил всех гипотезой, что делиться способен только изотоп урана с массовым числом 235. Это замечание обескураживало ибо природный уран состоит в основном из неделящегося урана-238 и лишь на 0,7 % из урана-235. Поэтому неминуем был предварительный процесс обогащения этого урана-235, если не выделение его в чистом виде в килограммовых количествах. Даже опытным физикам-экспериментаторам это казалось никогда не достижимым.

Трудности обнаружились уже на последующих этапах. Потребовался все же целый год, чтобы экспериментально проверить гипотезу Бора и ... подтвердить ее. Американский физик Нир с помощью специально сконструированного им масс-спектрографа с трудом отделил целых две тысячных миллиграмма урана-235 от урана-238. Он установил, что при бомбардировке нейтронами, действительно, делится лишь редкий изотоп урана. Теперь можно было записать полное уравнение деления ядра:

[235]U + n [236]U [140]Ba + [84]Kr + 2n + Энергия

При захвате одного нейтрона из урана-235 образуется неустойчивый уран-236, который делится на изотоп бария и изотоп криптона с выделением двух нейтронов, гамма-лучей и высвобождением энергии. Следовательно, деление ядра урана является новым типом превращения элементов. В этом процессе в идеальном виде осуществляется и другая цель атомщиков: высвобождение атомной энергии.

Несколько исследовательских групп -- в США, в СССР, во Франции, Германии, Австрии -- в 1939 году ухватились за деление урана, открытое Ханом и Штрасманом. В течение одного года появилось более ста научных публикаций по теме "Nuclear Fission[68]". Пожалуй, никогда еще новое открытие не было так быстро и основательно обработано, перепроверено и истолковано. Накопилась уйма экспериментального и теоретического материала.

Советские физики Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон первыми дали математический расчет цепной реакции урана. Их коллега Я. И. Френкель сформулировал -- независимо от Мейтнер, Фриша, Бора и Уилера -- теорию распада урана. Наконец, в июне 1940 года Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что атомы урана распадаются не только под действием нейтронов, но также и самопроизвольно, без внешнего воздействия. Для урана, правда, такое явление наблюдается очень редко. Эффект был подтвержден сначала немецким физиком Гейнцем Позе. В калийном руднике глубиной 450 м он смог обнаружить спонтанное деление урана без помех космического излучения. Флеров и Петржак обрадовались этому; ведь обычно весьма желательно получить от других ученых подтверждение нового эффекта. Сначала спонтанному делению ядер тяжелых атомов не могли найти применения. В настоящее время этот эффект приобрел значение для ядерной физики.