Нейтроны — массивные ядерные частицы. Они электрически нейтральны и проникают в атом, несущий электрические заряды, с гораздо большей легкостью, чем альфа-частицы, с помощью которых Фредерик Жолио и Ирен Кюри проводили сходные эксперименты в Париже. Поскольку альфа-частицы, то есть ядра гелия, заряжены положительно, им действительно трудно подходить к ядрам бомбардируемого вещества, так как последние тоже заряжены положительно и отталкивают альфа-частицы. Что же касается нейтронов, то они способны проникать в атом, когда их скорость очень мала.

Ферми установил это почти случайно. По его наблюдениям, эффект бомбардировки нейтронами вещества мишени значительно усиливался, когда источник нейтронов бывал окружен слоем вещества, например парафина, содержащего большое количество атомов водорода. Ферми объяснил это тем, что испускаемые источником быстрые нейтроны замедляются вследствие столкновений с легкими атомами водорода в парафине и что медленные нейтроны гораздо легче захватываются ядрами атомов мишени.

Уран — самый тяжелый из существующих в природе естественных химических элементов. Он представляет собой очень твердый серый металл, ковкий и пластичный; температура его плавления ниже, чем у металлов со сходными химическими свойствами, — вольфрама, хрома, молибдена. Атомный номер урана 92, а массовое число самого распространенного изотопа урана равно 238; эти два числа указывают, что в ядре урана-238 имеется 92 протона и 146 нейтронов. Более легкий изотоп с массовым числом 235 встречается значительно реже: в каждой тысяче весовых частей природного урана его содержится всего семь частей. Химические свойства обоих изотопов абсолютно одинаковы, но физические — различны. Если бы таких различий не существовало, разделять изотопы оказалось бы невозможным, да и ненужным.

Бомбардируя ядра природного урана нейтронами, Ферми и его сотрудники выяснили, что уран как бы активируется. Это наталкивало на мысль, что некоторые ядра урана-238 захватывают нейтроны и превращаются в неустойчивые ядра урана-239. Затем каждый атом нового изотопа испускает один электрон и, теряя свое урановое первородство, превращается в элемент с атомным номером 93. Иными словами, дело представлялось так, будто уран после бомбардировки «трансмутировался» в неизвестный прежде элемент, выходивший за урановый предел периодической системы элементов.

Чтобы подтвердить сотворение трансуранового элемента, Ферми приготовил раствор из облученной нейтронами мишени, сделанной из химических соединений урана. Затем, добавляя в раствор реактивы, он постепенно перевел в осадок получившиеся химические соединения. Среди осажденных веществ по меньшей мере одно оказалось химически отличным от всех элементов, точнее от всех элементов тяжелее свинца. Вряд ли нужно говорить, как обрадовался Ферми, получив столь замечательный результат. Открытие совершенно нового элемента казалось ему несомненным. Ему, физику, и в голову не пришло сравнить неизвестное вещество с элементами, занимающими в таблице Менделеева место более раннее, чем свинец. Оно обязательно должно быть тяжелее самого тяжелого элемента — урана. В этом Ферми был убежден, ибо он не мог себе представить существование такого процесса радиоактивного распада, в ходе которого атом урана превратился бы в элемент легче свинца. Правда, фрау Ида Ноддак, немецкий химик, поставила под сомнение выводы Ферми и попыталась объяснить его открытие иначе. По ее предположению, облученный нейтронами уран не претерпевал обычного радиоактивного распада, вместо распада должно было происходить расщепление ядер урана. Однако она не сделала ничего для практической проверки своего предположения, прочие же физики не придали ему значения.

Зато утверждение Ферми о существовании ряда трансурановых элементов не прошло незамеченным.

В 1934 году, немедленно вслед за опубликованием сообщений Ферми, помещенных журналами «Нуово чи-менто» и «Нейчур», Отто Ган, уже прославленный к тому времени радиохимик, обратился к Лизе Мейтнер, жившей в Вене. Еще до 1922 года они хорошо поработали вместе, и их сотрудничество увенчалось открытием мезотория и протактиния. Теперь Ган предлагал возобновить его и провести исследование трансурановых элементов, о которых столь уверенно говорил Ферми.

Третьим в этой работе суждено было стать молодому доктору Штрассману. Блестящий неорганик и аналитик, он очень быстро освоил методы радиохимии и как нельзя более пришелся ко двору в лаборатории Гана.

Здесь, у Гана, в Химическом институте кайзера Вильгельма, и была проведена вся работа, завершившаяся драматическими событиями последних недель 1938 года. Начиная ее, ни Ган, ни его сотрудники не могли предвидеть итогов.

Дело, за которое они взялись, оказалось слишком трудным, и потребовалось почти четыре года, чтобы до конца распутать цепь случайных совпадений, неверных выводов и ложных открытий.

Поначалу все складывалось довольно гладко. Ган, Штрассман и Мейтнер провели проверку открытия Ферми и на ее основе дали теоретическое построение весьма сложной системы трансурановых элементов. Эта система стала сенсацией в среде физиков. Но не только теория явилась результатом проверки работ Ферми, были открыты и описаны четыре новых химических элемента; «экарений», «экаосмий», «экаиридий» и «экаплатина». Эти названия новым элементам присвоили лишь временно, только потому, что в периодической таблице клеточки для новых элементов оказались соседями с клеточками рения, осмия, иридия и платины, и, следовательно, химические свойства новооткрытых элементов должны были походить на свойства соответствующих соседей по таблице[4].

Правда, исследователи столкнулись с кое-какими странными и необъяснимыми отклонениями от того, что предписывалось теорией, но особого значения им не придавали. С чувством, почти мистическим, они уверяли себя, что в конце концов придет и объяснение непонятных явлений.

Выстроенная с огромным трудом и все-таки небезупречная система трансурановых элементов продержалась без изменений до 1938 года. Первые трещины появились в ней после опытов Ирен Кюри и Павла Савича, которые, повторив шаг за шагом эксперименты Ферми, получили и описали новое радиоактивное вещество с периодом полураспада три с половиной часа. По мнению Кюри и Савича, этим веществом был изотоп тория. Это следовало из теории радиоактивного распада урана: в соответствии с ней ядро урана, захватившее нейтрон, должно стать неустойчивым и, испустив альфа-частицу, превратиться в торий.

Но… наблюдать испускание альфа-частиц ураном, подвергнутым нейтронной бомбардировке, не удавалось никому.

И все же в лаборатории Гана не могли отнестись равнодушно к результатам Кюри и Савича. Тем более, что еще в 1934 году Лиза Мейтнер увлекалась идеей поисков тория, но Штрассман, взявшийся провести химический анализ раствора облученного урана, не обнаружил и следов тория. Разумеется, Ган и его сотрудники могли бы поместить в журнале сообщение о безуспешных поисках тория и упрекнуть парижскую группу в опубликовании вводящих в заблуждение результатов. Однако они выбрали более тактичный способ. Ган и Мейтнер написали французским ученым письмо, в котором сообщали о безуспешных поисках тория и просили с большей осторожностью и тщанием проверить работу. Ирен Кюри не ответила на письмо, но она вряд ли могла отмахнуться от предостережения Гана, имевшего тридцатилетний опыт работы в радиохимии и завоевавшего своими работами всеобщее признание. Вскоре она опубликовала статью, где признавала, что торий не обнаружен.