В Париже в течение 1938 года – года Мюнхена и вторжения в Чехословакию – Ирэн Жолио-Кюри со своим сотрудником Савичем провела работы по бомбардировке урана нейтронами. В результате исследований они получили вещество, сходное с лантаном – элементом, весьма далеким от урана по таблице Менделеева.
В Берлине Отто Ган, который долгие годы поддерживал гипотезу Ферми относительно трансурановых элементов, неожиданно переменил свою точку зрения и, повторив вместе со своим сотрудником Штрассманом опыты Ирэн Жолио-Кюри, доказал, что неизвестное вещество, сходное с лантаном, не что иное, как барий. Барий имеет атомный номер 56, а это означает, что его ядро содержит чуть больше половины числа протонов в ядре урана (92). Таким образом, ядро урана раскалывается на более легкие ядра, среди которых и ядро бария (в настоящее время известно, что при этом возникают и другие элементы). Отто Ган назвал этот процесс расщеплением; термин деление появился гораздо позднее.
Деление урана сопровождается выделением энергии, а также освобождением нейтронов. Но прежде чем показать, каким образом, вопреки предсказанию Резерфорда, вскоре стали использовать эту энергию в качестве источника огромной энергии и даже в виде взрыва, а также проследить за ролью Роберта Оппенгеймера, бросим беглый взгляд на те открытия, которые подтвердили возможность цепной реакции и были сделаны за несколько месяцев до второй мировой войны.
Прежде всего, откуда берется энергия, выделяющаяся во время деления ядра урана?
Если массу атомного ядра «взвесить» с помощью методов современной физики, то окажется, что она несколько меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра. Эта разность, или дефект массы, соответствует энергии, высвобождающейся при образовании ядра. Дефект массы является еще одним подтверждением знаменитого уравнения Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Если разделить дефект массы ядра на число частиц, которое оно содержит, то оказывается, что это отношение неодинаково для всех элементов. Оно достигает максимальной величины для элементов среднего атомного веса и уменьшается для более легких и более тяжелых элементов. Было обнаружено также, что при расколе ядра самого тяжелого элемента – урана – на множество ядер элементов среднего веса, сумма масс созданных новых ядер меньше массы ядра урана. Эта разность превратилась в энергию, распределившуюся между различными формами излучения, а также сообщенную осколкам деления и нейтронам в виде импульсов количества движения.
Исследования, проведенные Фришем в Копенгагене и Жолио в Париже в январе 1939 года, подтвердили теоретические расчеты: высвобождающаяся при делении одного ядра энергия оказалась равной примерно 200 миллионам электрон-вольт.
Мы уже знаем, что ядра урана, бомбардируемые нейтронами, в свою очередь испускают нейтроны. Возникает второй вопрос: откуда появляются вторичные нейтроны? Оказывается, в их происхождении нет ничего загадочного. Ядра всех элементов содержат протоны и нейтроны (кроме водорода, состоящего только из одного протона), но отношение числа нейтронов к числу протонов в тяжелых ядрах увеличивается по сравнению с ядрами легких элементов.
При расколе ядра урана появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер, возникающих при делении. Некоторые из этих нейтронов, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, одновременно испуская один электрон: это отрицательная бета-радиоактивность. Избыточные нейтроны выбрасываются из ядра и остаются в течение некоторого времени в свободном состоянии.
Об эмиссии нескольких нейтронов расколовшимся ядром урана стало известно в начале 1939 года после сообщений, поступивших, с одной стороны, от Жолио и его сотрудников, а с другой – от Хэнни и Розенберга. Явление эмиссии натолкнуло многих физиков на одну и ту же невероятную мысль. Если деление первого ядра, находящегося где-то в толще куска урана, может создать несколько нейтронов, каждый из которых вызовет деление находящегося поблизости другого ядра, то каждое из ядер, подвергнувшихся такому делению, также выделит нейтроны и т.д. Это – цепная реакция, возможность которой была предсказана почти одновременно многими учеными, среди которых были Сциллард и Жолио.
Заметим, что нейтроны – не единственные снаряды, способные вызвать деление ядра урана, для этого годятся также положительно заряженные частицы, которым сообщено соответствующее ускорение. Но практический интерес представляет реакция только под действием нейтронов, потому что в самом процессе деления появляются нейтроны в возрастающем количестве и они, таким образом, являются бесплатными снарядами, обеспечивающими самоподдерживающую реакцию.
Цепная реакция предвещала не только переворот в науке, если учесть время, когда это грандиозное открытие появилось на горизонте.
С самого начала ядерная энергия предстала как источник энергии, несравненно превосходящий по запасам все другие известные к тому времени виды энергии. Было подсчитано, что каждый «разделенный» атом высвобождает около 200 миллионов электронвольт энергии. Сгорание одного атома углерода выделяет энергию, в пять – десять миллионов раз меньшую.
Если же сравнить не атомы, а вес (один атом углерода, разумеется, легче одного атома урана), то мы получим, что сгорание одного грамма углерода выделяет энергию 0,0089 киловатт-часа, а деление одного грамма урана – 22 000 киловатт-часов, т.е. примерно в 2,5 миллиона раз больше.
Уран не является редким металлом – наоборот. До сих пор поиски урана и его добыча велись не очень активно, и это объясняется только ограниченностью его потребления в промышленности. Если бы человечество сумело использовать энергию ядра урана, то ему не пришлось бы бояться истощения месторождений угля и нефти: страшная угроза энергетического голода отдалилась бы на много веков. Ученый-атомник стал бы современным Прометеем, похитившим у богов новый огонь.
Однако этот же огонь мог оказаться и гибельным для людей. Нельзя забывать о том времени, когда физики открыли возможность использовать цепную реакцию: это было в начале 1939 года, когда каждому здравомыслящему человеку было ясно, что надвигается вторая мировая война. Случилось так, что и теоретики, и экспериментаторы, которые до сих пор игнорировали политические события, больше не могли не замечать их. Многие наиболее прославленные ученые, гонимые фашизмом, вынуждены были искать убежища в США или, как Энрико Ферми, добровольно покидали свою страну, чтобы не служить власти, которую они презирали. Тот факт, что некоторые немецкие ученые, казалось, вошли в гитлеровскую систему, не мог не увеличить отвращения к гитлеризму со стороны таких людей, как Оппенгеймер, который был знаком с этими учеными и знал либеральный климат немецких университетов до того, как их окутали тучи коричневой чумы.
Что станет с цивилизацией, если мрак фашизма охватит всю Западную Европу, а потом, может быть, и весь мир? Уцелеют ли те интеллектуальные и моральные ценности, с которыми ученые связаны не просто как люди, а как люди науки? Ответ на этот страшный вопрос зависел от исхода предстоящей войны. И эту войну Гитлер, безусловно, выиграл бы, если бы физики дали ему в руки оружие массового уничтожения, теоретическая возможность создания которого появилась в результате открытия деления урана.
Ученые-атомники оказались перед проблемой, уклониться от которой значило пойти на сговор с собственной совестью. С одной стороны, продолжая свои исследования взрывной реакции деления урана, они шли к созданию такого оружия, которое далеко превзошло бы по своим возможностям все, что когда-либо делали люди для взаимного уничтожения, и которое могло бы поставить под угрозу существование человечества. С другой стороны, отсрочка работ или изменение их направления могли помочь вырваться вперед той горсточке физиков, которые остались служить нацизму, и тогда оружие попало бы в руки губителей всякой надежды на лучшее будущее.