В 1934 г. Ферми и его группа активно изучали недавно открытый интересный феномен – искусственную радиоактивность. Естественная радиоактивность состоит в том, что некоторые элементы могут самопроизвольно, без какого-либо внешнего воздействия, испускать ядра гелия (α-распад), электроны (β^—-распад), позитроны (β⁺-распад) или гамма-кванты. Типичным примером радиоактивного элемента является уран. Однако вопрос о том, можно ли заставить излучать обычное вещество, например, алюминий, оставался без ответа до опытов, которые в 1933 г. выполнили Фредерик Жолио и Ирен Кюри. Они облучали легкие элементы (бор, бериллий, алюминий) ядрами гелия (α-частицами) и обнаружили, что после этого воздействия образцы стали излучать позитроны.

Ферми решил повторить опыты Жолио и Кюри, но облучать образцы нейтронами. Логика была простая – положительно заряженным α-частицам для взаимодействия с ядром надо преодолеть кулоновское отталкивание положительно заряженных протонов ядра. Тогда как нейтрон не имеет электрического заряда и должен легко вступать в ядерные реакции.

Опыты тоже были очень простые: пробирку с радон-бериллиевым источником нейтронов подносили к образцу. Облучали его определенное время, а потом образец подносили к счетчику Гейгера и смотрели, возникла ли в образце какая-то наведенная активность, излучает ли он, и если да, то какова интенсивность излучения.

Однако были детали – источник нейтронной радиации оказался настолько мощным, что в комнате, где облучался образец, измерять его было нельзя. Экспериментатор брал образец и бегом нес его в измерительную лабораторию, находившуюся в конце длинного коридора. Естественно, эту важную часть опытов поручали самому молодому сотруднику – то есть Бруно. Он потом не раз вспоминал, сколько километров пришлось набегать по коридорам здания на Виа Панисперна, 10, где находился Институт физики Ферми.

К 1934 году группа Ферми облучила более 60 элементов, и у 40 нашли наведенную искусственную активность. Но никакого точного измерения активности не проводилось. Все делалось чисто качественно, просто фиксировалось – большая, средняя или малая активности. Нужен был какой-то эталон, мера активности. Чтобы добиться количественных результатов, образцам была придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых можно было поместить стеклянную трубочку с источником нейтронов.

Однако возникали странные проблемы. Например, в сентябре 1934 года Эдуардо Амальди обнаружил новый радиоизотоп алюминия с периодом полураспада 2.3 минуты. Но когда через несколько дней опыт повторили, никакой активности обнаружено не было. Положение усугубилось тем, что Ферми успел рассказать об этом эффекте на международной конференции. Получилась очень неприятная ситуация. Ферми решил всерьез изучить эту проблему и дал задание Амальди и молодому Понтекорво разобраться с возникшими странностями.

В качестве эталонного образца для облучения Амальди и Понтекорво выбрали небольшой серебряный цилиндр. Стали проводить первые опыты. Измерения шли хорошо, однако выявился досадный нюанс. Степень наведенной активности образца серебра странным образом зависела от стола (!), на котором проводился опыт. Серебро, облученное на деревянном столе, показывало несколько большую активность, нежели при облучении на мраморном столе. Такие мелкие нестыковки постоянно возникают в ходе экспериментальных работ. Что-то где-то ведет себя не так, как предполагает экспериментатор и зачастую вопрос о происхождении этих нестыковок заметается под ковер и серьезно не изучается. Однако Ферми дал указание предметно разобраться, есть ли вообще такой эффект и в чем его причина.

Амальди и Понтекорво поступили классически: чтобы отделаться от непонятных эффектов окружающей среды, надо ее изолировать, свести ее влияние к минимуму. Для этого сделали свинцовый домик со стенками 5 см толщиной – ласково названный «castelletto» (маленький замок) – и стали облучать образец внутри домика. Причем отделили источник нейтронов от облучаемого серебряного цилиндрика и измеряли наведенную в нем активность в зависимости от расстояния. Ожидалось, что она должна падать, как квадрат расстояния R между источником и образцом. Именно такую картину давали опыты без «кастеллетто», когда источник и образец размещались на обычном столе. Однако записные книжки Э. Амальди зафиксировали 18 октября 1934 г. удивительный результат – цилиндрик внутри кастеллетто обретал одну и ту же активность, независимо от расстояния до источника [13]. Если на открытом столе относили цилиндрик на 11 см, то его активность сильно падала, практически исчезала. В «кастеллетто» этого не происходило. Казалось, в свинцовом боксе закон 1/R² переставал работать!

Разетти в этот результат просто не поверил, Ферми особого интереса не проявил, но велел продолжить эксперименты [14].

Сейчас мы понимаем, что причина была в том, что перерассеяния нейтронов внутри свинцового домика создавали практически однородное нейтронное поле. Но тогда общая мысль была проста – раз что-то случается в свинцовом домике, наверное, это «что-то» связано со свинцом. Естественное желание – изучить, как свинец влияет на активацию.

Для этого решили сделать свинцовый клин толщиной 5 см, поставить его между источником и серебром и посмотреть, что будет. Интуиция подсказывала, что наведенная активность должна упасть. Все-таки свинцовый клин – какое-то препятствие, нейтроны должны в нем поглощаться.

Измерения должны были сделать утром 22 октября 1934 г. Однако, когда Ферми пришел в лабораторию, оказалось, что почти все сотрудники были заняты приемом экзаменов у студентов и только Энрико Персико стал единственным свидетелем произошедшего открытия. Как потом рассказывал Ферми [12], он долго обрабатывал заготовку свинца на токарном станке, чего обычно не делал. Почему-то ему совсем перестала нравиться идея поставить свинцовую преграду и он всячески оттягивал момент проведения опыта. В какой-то момент он окончательно понял, что не хочет ставить свинец и поставил в качестве экрана кусок парафина. Сделал он это совершенно импульсивно, без какого-то обоснования или предварительного размышления.

На удивление оказалось, что парафин не уменьшал наведенную активность, а увеличивал! Увеличение было не очень большим, на фактор 1.8–1.9, но вполне отчетливым. Ферми с Персико сделали ряд повторных измерений, эффект четко наблюдался. Тут были вызваны все сотрудники группы Ферми, стали оживленно обсуждаться различные варианты, что теперь можно попробовать. Но Ферми пресек дискуссию знаменитой фразой: «Andiamo mangiare!»[2] (говорят, так же Ферми реагировал при запуске первого ядерного реактора в 1942 г.).

Этот перерыв, который, как вспоминает Амальди [13], длился два часа, весьма интересен как пример того, что надо делать для совершения эпохальных открытий – меньше активности, больше мысли. Как важно подчас удержать себя от немедленного действия и задуматься над происходящим! Выбрать кажущееся ничегонеделание вместо активного, но хаотичного действия.

Когда все вернулись в лабораторию, Ферми четко изложил возможное объяснение: нейтроны, проходя через парафин, в котором много ядер водорода, эффективно замедлялись за счет упругого рассеяния на ядрах водорода. Сечение взаимодействия нейтронов с веществом резко растет по мере уменьшения их энергии. Поэтому нейтроны, замедленные в парафине, наводили гораздо большую активность в серебряном цилиндре, чем быстрые нейтроны, облучавшие образец без парафиновой прослойки.

Если это верно, то простейшим способом для проверки эффекта было окружить источник и образец водой. Что и было немедленно сделано. На территории Института был бассейн, где находчивые экспериментаторы и произвели experimentum crucius[3]. Активность возросла в сотни раз!