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.
Заметим, что ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Сравним атом урана и молекулу взрывчатого вещества — тринитротолуола (тротила). При распаде молекулы тротила выделяется 10 электроновольт энергии, а при распаде ядра урана — 200 млн. электроновольт, т. е. в 20 млн. раз больше!
Как устроен урановый котел (так в то время зазывали ядерный реактор)? Цилиндры из натурального урана, содержащего в основном изотоп урана-238 и только примерно 0,7 % изотопа 235, в алюминиевых оболочках размещены между блоками из графита высокой чистоты. Размер котла и его устройство таковы, что обеспечивают возможность цепной ядерной реакции. Нейтроны, излучаемые изотопом урана-235, проникают в некоторые ядра урана; при этом возникают новые быстрые нейтроны, которые, замедляясь графитом, сталкиваются с ядрами урана в соседнем урановом цилиндре и вызывают новое целение. При каждом делении образуется в среднем два-три нейтрона. Часть их поглощается ураном, и котел рассчитывается так, чтобы обеспечить необходимый для поддержания реакции деления прирост нейтронов. Число новых нейтронов, вызывающих деление ядер, должно быть больше числа старых нейтронов, бывших причиной их возникновения: иначе цепная реакция прекратится. Имеющиеся в натуральном уране и графите примеси тоже поглощают нейтроны, поэтому необходимо добиться высокой химической чистоты как урана, так и замедлителя — графита.
После запуска урановый котел сам поддерживает «атомное горение», не требуя дополнительного «топлива». Во избежание чрезмерного разогрева котла радиацией, возникающей при цепной ядерной реакции деления, котел охлаждают потоком жидкости или газа и автоматически регулируют температуру в нем. Как только реакция начинает идти слишком бурно, в котел автоматически вдвигаются поглотители нейтронов в виде стержней из кадмия или бористой стали. Это восстанавливает первоначальный режим.
К середине 1939 г. ученые мира располагали важными теоретическими и экспериментальными открытиями: в области ядерной физики, что позволило выдвинуть обширную программу исследований.
В истории человечества не было научного события более значительного по своим последствиям, чем проникновение в мир атома и овладение его энергией. Научно-техническая революция, которую ныне переживает человечество, во многом основывается на атомной технике и новых научных воззрениях.
Эти открытия произвели в научном мире сенсацию: в физике началась новая, атомная эра! Но первую волну восторгов захлестнула волна тревоги: что если Гитлер, ведущий бешеную подготовку к войне, использует эти открытия для создания нового, сверхмощного оружия? Тогда над человечеством нависнет страшная угроза. Фашисты получат то, о чем всегда мечтали, — оружие массового уничтожения.
А пресса уже заговорила об атомной бомбе.
В газете «Нью-Йорк тайме» 5 мая 1940 г. была опубликована статья научного обозревателя У. Лоуренса, в которой читатель с удивлением и страхом увидел такие заголовки: «Источник атомной энергии огромной мощи, открытый наукой», «Обнаружена разновидность урана, обладающая энергией в 5 млн. раз большей, чем уголь», «Ученым приказано посвятить все время исследованиям», «Потрясающая взрывная сила». Лоуренс сообщал читателям, что Германия стремится овладеть энергией атома. Он предсказывал: атомное оружие скоро будет взято на вооружение армиями великих держав.
Через некоторое время, 7 сентября, Лоуренс в новой статье «Атом сдается», опубликованной в «Сатерди ивнинг пост», рассказывал о мощи «урановой взрывчатки» и доказывал, что близится поворот в методах войны.
Особенно волновались ученые-эмигранты в США. Они считали, что следует вывести правительство из состояния благодушного неведения. США в то время всеми силами старались не быть втянутыми во вторую мировую войну. Они отказывались от активной финансовой и военной помощи кому бы то ни было. Провозглашенный США принцип «плати и вези» позволял любой стране (лишь бы платили золотом) покупать любые американские товары и везти их на своих кораблях.
Сенат США в оправдание своей изоляционистской политики ссылался на прощальную речь первого президента США Дж. Вашингтона, предостерегавшего от «политических связей» с Европой, которые «сделают нашу (североамериканцев. Авт.) мирную жизнь и благополучие игрушкой европейских амбиций, соперничества интересов, настроений и прихотей».
В тех кругах, которые определяли тогда политику США, сначала мало думали об использовании новых достижений атомной физики в военных целях. Их внимание на это обратили физики-эмигранты: «Изгнанные физики знали, — писал известный немецкий ученый М. Брон, — что не будет спасения, если немцам первым удастся создать атомную бомбу. Даже Эйнштейн, который всю жизнь был пацифистом, разделял этот страх и дал уговорить себя нескольким молодым венгерским физикам, просившим предупредить президента Рузвельта».