Каковы были успехи Эмилио Сегрэ? Он облучал альфа-лучами празеодим -элемент 59. Однако переработка безусловно синтезированных им изотопов элемента 61 оказалась слишком сложной. Выделение их из других редкоземельных элементов не удалось.
Об одном безрезультатном исследовании пришло известие из Финляндии. Еще в 1935 году химик Эреметсе начал анализировать концентраты смеси оксидов самария и неодима на природное содержание в них 61-го элемента. Для этой цели было переработано несколько тонн апатита.
Первый этап борьбы за 61-й элемент имел ничейный результат. Нельзя было даже принять предложенное название "циклоний".
Нептуний
Если не учитывать предстоявшую идентификацию 61-го элемента, то к началу 40-х годов были известны все 92 элемента периодической системы. Свободных клеток в ней уже не было. А как обстояло дело со спорными элементами по другую сторону урана? После распутывания вопроса с продуктами деления урана от прежних "трансуранов" не осталось почти ничего. Имелось лишь одно-единственное исключение: изотоп урана с массовым числом 239, обнаруженный Отто Ханом с сотрудниками еще в марте 1936 года, был истинным. Хотя это был не новый элемент, но он излучал бета-лучи, следовательно, должен был переходить в следующий, 93-й элемент.
Как мы уже знаем, исследователи из Берлин-Далема не обнаружили 93-й элемент, потому что они располагали лишь слабыми источниками нейтронов. Они и не искали его более. Ведь ученые считали, что идентифицировали другой представитель элемента 93-- экарений. В то время они еще не подозревали, что это были ложные трансураны. Примешалась, конечно, и неудача: ведь Отто Хан и его сотрудники уже тогда могли бы получить определимое количество 93-го элемента после длительного облучения нейтронами больших количеств урана. Позднее, оценивая "почти трагическую путаницу", которой тогда были все охвачены, Отто Хан сказал: "Тут от нас ускользнула Нобелевская премия". Ибо американцы Мак-Миллан и Абельсон были удостоены Нобелевской премии за открытие 93-го элемента, о котором они дали знать 15 июня 1940 года.
Как же пришли к открытию элемента 93, означавшему прорыв в неизвестную область химии? После опубликования работ Хана и Штрасмана о делении ядра американский физик Эдвин Мак-Миллан захотел определить пути пробега богатых энергией осколков урана. В Беркли для этого он располагал в основном тремя вещами: циклотроном, некоторым количеством соли урана и... пачкой папиросной бумаги. Циклотрон работал как источник нейтронов: разогнанные дейтроны падали на бериллий и высвобождали поток нейтронов, во много раз превышающий тот, что могли получить Хан и Штрасман. Мак-Миллан смочил первый листочек папиросной бумаги раствором соли урана и направил на него поток нейтронов. Листочки, лежащие под ним, должны были уловить разлетающиеся на различные расстояния продукты деления.
К своему удивлению, американский физик нашел два источника активности, резко отстоящих от других продуктов деления, с периодами полураспада 23 мин и 2,3 дня. Уже известно было вещество с периодом полураспада 23 мин. Это был найденный Ханом [239]U. Другие атомы, распадавшиеся с периодом полураспада 2,3 дня, могли, как заключил Мак-Миллан, принадлежать продукту, образующемуся из бета-излучателя, то есть из [239]U, а именно новому элементу 93.
Будучи физиком, Мак-Миллан чувствовал себя недостаточно компетентным, чтобы установить химические свойства изотопа, которые позволили бы дать однозначную идентификацию этого элемента. В это время ему попался на глаза Эмилио Сегрэ. Тот предложил провести необходимые химические исследования. В июне 1939 года Сегрэ доложил о результатах. Многозначительным является уже сам заголовок его сообщения: "Неудачный поиск трансурановых элементов". Сегрэ пришел к совершенно отрицательному выводу: активность в 2,3 дня принадлежит не трансурану, а редкоземельному элементу, то есть одному из обычных продуктов деления урана. Лишь последующие исследования должны были показать, что даже такой опытный исследователь, как Сегрэ, может однажды ошибиться.
Неудача не отняла решимости у Мак-Миллана. К счастью, в начале 1940 года в Калифорнийский университет приехал на несколько дней его соученик, Филип Абельсон, с тем, чтобы провести там каникулы. Однако из отпуска ничего не получилось. Работая неустанно день и ночь, Мак-Миллан и Абельсон утвердились во мнении, что открыт первый элемент за пределами классической периодической системы: элемент 93! Сложный путь открытия привел Мак-Миллана и Абельсона к мысли назвать этот элемент, находящийся по другую сторону урана, нептунием. Когда в 1781 году была открыта планета Уран, считали, что нашли самую последнюю и наиболее удаленную от Земли планету. Однако планетная система постепенно выдавала свои дальнейшие тайны. Расчеты француза Леверье на основе отклонений в орбите Урана показали, что по другую сторону Урана должна вращаться еще одна планета. Леверье точно указал, где ее нужно искать. В 1846 году астрономом Галле была открыта на небосводе новая планета -- Нептун.
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.
Экспериментальные результаты, полученные советскими физиками непосредственно после открытия деления ядра, доказывают атомные исследования в СССР уже тогда были на высоком уровне. Еще раньше, в 1922 году, один из крупнейших советских ученых, геохимик В. И. Вернадский, указал на значение основополагающих исследований по ядерной физике и не поскупился на предостережения. Уже недалеко то время, предупреждал ученый, когда человек получит в руки энергию атома, такой источник энергии, который даст ему возможность построить свою жизнь так, как он пожелает. Это может произойти либо в ближайшие годы, либо через сто лет. Верно только то, что так будет. Использует ли человек эту силу для добра или для самоуничтожения? Созрел ли он для использования этой силы, которую ему непременно передаст наука?
Исследователи атома заблаговременно строили планы того, как практически использовать энергию деления урана. Некоторые надежды пробудила обзорная статья, опубликованная в "Натурвиссеншафтен" 9 июня 1939 года: "Можно ли использовать в технике энергию, заключенную в ядрах атомов?" Автором обзора был физик Зигфрид Флюгге, ассистент института Отто Хана. Флюгге рассчитал, исходя из энергии, выделяющейся при делении ядра, что 1 м[3] оксида урана должно хватить, чтобы поднять 1 км[3] воды массой в 10[9] т на высоту 27 км. Физик описал также, что именно необходимо, по представлениям того времени, для создания "урановой машины", вырабатывающей энергию.
Потом наступило 1 сентября 1939 года. В этот день с нападения Гитлера на Польшу началась вторая мировая война. Два дня спустя фашистская Германия находилась уже в состоянии войны с Англией и Францией. Начиная с этого времени на интернациональные атомные исследования, столь свободно проводившиеся ранее, опустилась завеса недоверия. Ученые, изгнанные из гитлеровской Германии, сами ставшие свидетелями агрессивности и жестокости фашизма, с ужасом думали о том, что было бы с человечеством, если бы эта война велась с использованием атомного оружия. Многие вспоминали предостерегающие слова Фредерика Жолио-Кюри, произнесенные при вручении ему Нобелевской премии в 1935 году. Уже тогда французский ученый опасался, что когда-нибудь, если наука сможет по желанию строить или разрушать элементы, будут осуществлены ядерные превращения взрывного характера. Тогда, безусловно, появится большая опасность -- возможное развязывание катастрофы.
Глава 6
ЭЛЕМЕНТЫ, СОЗДАННЫЕ РУКОЙ ЧЕЛОВЕКА
Программа атомной бомбы
Ход событий в фашистской Германии показал, что правы были те, кто предостерегал от гитлеровской атомной бомбы. В апреле 1939 года физик Пауль Хартек послал письмо в военное министерство рейха, чтобы привлечь внимание к новейшим достижениям в ядерной физике; они, быть может, дадут возможность разработать взрывчатое вещество на несколько порядков более действенное, чем те, которыми располагают в настоящее время. Это заявление послужило началом для тайного предприятия фашистов. Уже летом 1939 года в отделе вооружения армии было создано отделение ядерной физики. Руководить им поручили физику Курту Дибнеру -- армейскому специалисту по взрывчатым веществам. На окраине Берлина на опытном полигоне вермахта Дибнер получил возможность выделить себе участок для экспериментирования.
Физики также настойчиво указывали исследовательскому совету рейха на значение процесса деления урана. Поэтому в Германии вскоре появились две соперничавшие исследовательские группы, которые с начала второй мировой войны вели изучение урана в военных целях. Фашисты принуждали специалистов к сотрудничеству методом, казавшимся им самым простым: уже в первой неделе сентября они разослали физикам призывные повестки.
Курт Дибнер и лейпцигский физик Эрик Багге, ассистент профессора Вернера Гейзенберга, в соответствии с приказом наметили "рабочий план по производству опытов для практического использования деления ядра". В пределах этой программы каждому специалисту были указаны свои задачи. В. Гейзенберг и К. Ф. фон Вейцзекер -- ведущие немецкие атомные теоретики -обязывались работать над теоретическими проблемами. 6 декабря 1939 года Гейзенберг представил отделу вооружения армии доклад "О возможности технического получения энергии при делении урана". Эту работу можно считать первой общей концепцией для разработки так называемой урановой машины, именуемой теперь урановым или атомным реактором.
В ней указано, что самый верный метод для конструирования такой машины состоит в обогащении изотопа [235]U. Этот метод -- единственный для получения взрывчатых веществ, разрушительная сила которых будет на несколько порядков превосходить известные сильнейшие взрывчатые вещества. Для выработки энергии можно использовать и обычный уран, без обогащения, если его соединить с другим веществом, которое могло бы замедлить нейтроны, не поглощая их. Вода для этой цели не подходит. По имеющимся данным, ЭТОго можно достичь с помощью тяжелой воды или очень чистого графита.
Тяжелая вода представляет собой соединение тяжелого изотопа водорода -дейтерия (D2O). В обычной воде (H2O) ее содержится до 0,015 %. Для того, чтобы получить тяжелую воду, требуется длительный процесс электролиза; и все же немецкие ученые отдали предпочтение такому замедлителю. В мае 1940 года немецкие войска в результате нападения на Норвегию взяли под свой контроль единственный электролизный завод мира, производивший тяжелую воду,-- Норск Гидро в Рьюкане. Тем самым, казалось, был расчищен путь для фашистской программы урановой бомбы. Параллельно с попытками запустить "урановую машину" предпринимались работы по обогащению атомного взрывчатого вещества [235]U. Различные исследовательские группы пытались найти оптимальный технический вариант. Были планы обогащения необходимого изотопа урана исходя из газообразного гексафторида урана с помощью ультрацентрифуг, сепараторов изотопов или же диффузионным методом. Манфред фон Арден, владевший частной лабораторией в Берлин-Лихтерфельде, считал, что природные изотопы можно разделить масс-спектрографически.
Атомная программа США вначале во многом напоминала разработки, проводившиеся в Германии. 2 августа 1939 года Альберт Эйнштейн, который, спасаясь от фашистского варварства, эмигрировал из Германии, подписал письмо президенту США Рузвельту, составленное физиками-атомщиками Сцилардом и Вигнером. В нем говорилось, что на основе открытого недавно процесса деления урана теперь есть возможность изготовлять бомбы нового вида с величайшей взрывной силой. Следует опасаться, что в Германии уже работают над этим.
Письмо Эйнштейна явилось прелюдией для создания централизованного американского проекта атомной бомбы. Такая программа стала настоятельно необходимой, когда к концу 1941 года американцы сами были втянуты в войну, а со всех сторон шли вести об опасном скачке в области немецких атомных исследований. Американские военные твердо ухватились за так называемый Манхэттенский проект. Под руководством генерала Гровса были объединены все крупные атомные силы США и сотни тысяч техников и рабочих. Среди них были ученые высокого ранга: Лоуренс, Бете, Сиборг, Нир, Юри, Сцилард, Вигнер, Теллер, Оппенгеймер. Не следует забывать также эмигрантов Ферми, Сегрэ, Дж. Франка. Позднее к ним примкнул Фриш и временами присоединялся Нильс Бор, который в 1943 году с трудом спасся бегством от преследований гестапо.
В СССР примерно в то же время планировались подобные мероприятия. Академик Н. Н. Семенов в 1941 году указал Народному комиссариату тяжелой промышленности на возможность производства атомного оружия. В июне 1941 года германские фашисты напали на Советское государство, и все планы атомных исследований пришлось отложить. Через год, в мае 1942 года, советский физик Г. Н. Флеров сообщил Государственному Комитету Обороны, что следует безотлагательно приступить к изготовлению атомной бомбы. Когда в 1943 году Красная Армия все больше вынуждала фашистского агрессора к обороне, можно было вновь взяться за выполнение собственной программы атомных исследований. Однако тяжелые раны, нанесенные мировой войной Советской стране, не позволяли развить столь мощную атомную индустрию, как на обойденной войной территории Соединенных Штатов. Там, в малонаселенных пространствах вырастали, как грибы, гигантские установки и целые города. В Ок-Ридже (штат Теннесси) американцы выстроили километровую установку для разделения изотопов урана газодиффузионным и электромагнитным методами. В Хэнфорде на реке Колумбия на территории 1800 км[2] воздвигли большие промышленные установки для получения 94-го элемента, значение которого как атомного взрывчатого вещества американцы уже оценили.
Посередине пустыни Нью-Мексико, на недоступном высоком плато, возникла лаборатория атомной бомбы США -- Лос Аламос. Выдающиеся атомщики под руководством Роберта Оппенгеймера работали здесь над конечной ступенью -соединением делящихся изотопов в атомное взрывчатое вещество. Было рассчитано, что они могут взорваться только при определенной критической массе. Необходимо было очень быстро соединить две докритические части, чтобы поджечь бомбу. Тогда один-единственный нейтрон в доли секунды развяжет атомную цепную реакцию.
Сначала предполагалось привести в соприкосновение необходимые количества [235]U или 94-го элемента высокой чистоты. Но для этого потребовалось бы несколько килограммов веществ. Теперь уже не является секретом, что критическая масса этих делящихся изотопов составляет 22,8 кг для [235]U и 5,6 кг -- для элемента 94. Как же можно получить столько элемента 94 -- элемента, которого вовсе нет в природе? Искусственно добытые элементы в то время были получены лишь в невидимых, невесомых количествах.
Плутоний -- первый искусственный элемент, увиденный человеческим глазом
93-й элемент, нептуний, испускает бета-излучение. Поэтому его первооткрыватели, Мак-Миллан и Абельсон, довольно однозначно утверждали в статье от 14 июня 1940 года, что элемент 94 наверняка содержится в продуктах распада нептуния. Однако обнаружить это им не удалось. Препараты были слишком слабы, чтобы можно было идентифицировать элемент 94, по-видимому, весьма долгоживущий. Поэтому Мак-Миллан совместно с коллегами Сиборгом, Сегрэ, Кеннеди и Валем пошли по другому пути.
В декабре 1940 года в Беркли они облучили уран дейтронами, разогнанными в 60-дюймовом циклотроне. Изотоп нептуния, возникающий в результате элементарного превращения по уравнению
[238]U + d [238]Np + 2n
должен был распасться в изотоп-238 элемента 94 с излучением бета-частиц. Тогда в Беркли никто не сомневался в этом. Однако, чтобы обнаружить элемент 94, американцам пришлось затратить несколько месяцев. Ведь элемент считается открытым только тогда, когда однозначно выделен один из его изотопов, охарактеризован физически и химически и определен его порядковый номер. Совершенно новый элемент должен проявлять свойства, которые явно отличают его от уже известных соседей по периодической системе. В ночь на 23 февраля 1941 года пробил час рождения 94-го элемента, вернее, его изотопа-238. Мак-Миллан уже не мог непосредственно участвовать в этом открытии. В конце 1940 года он был призван на военную службу.