Джон Браун - Семь элементов, которые изменили мир

Вернувшись через несколько дней в лабораторию, он обнаружил, что на пластинах чудесным образом появились те же силуэты соли. Солнечный свет не мог попасть на них, и значит, некое свойство, присущее урану, породило этот эффект. Он назвал это радиацией, или излучением.

Об открытии Беккереля услышала другой парижский физик, Мария Кюри. Чтобы продолжить эксперимент, она приобрела тонну уранинита, добытого в горах Богемии, который по-прежнему считался пустой породой. Она использовала уранинит для получения солей урана, продемонстрировав прямую зависимость между интенсивностью радиации и массой урана. Неважно, целый кусок урана использовался или порошок, подвергался он воздействию тепла или солнечного света. Эксперименты позволили Кюри выдвинуть гипотезу о том, что радиация зарождается внутри самих атомов, а не возникает в результате неких химических процессов между ними. Излучение послужило первым признаком неустойчивости атома урана.

В дальнейшем Кюри открыла еще два радиоактивных элемента, радий и полоний, и в 1903 г. вместе с мужем Пьером Кюри и Анри Беккерелем была удостоена Нобелевской премии по физике. Однако Мария и Пьер Кюри заплатили высокую цену за радиоактивные исследования. У них началась странная, загадочная болезнь, имевшая для Марии фатальные последствия. Сегодня мы знаем, что заболевание вызвано воздействием радиации, которая сначала считалась безвредной [7].

Я впервые узнал об удивительных свойствах урана, когда изучал естественные науки в Кембридже в конце 1960-х гг. Именно там 40 годами ранее проводились новаторские эксперименты по изучению атомного ядра. В 1920 г. Эрнест Резерфорд, «отец ядерной физики» и тогдашний директор Кавендишской лаборатории, выдвинул гипотезу: атомы состоят не только из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов, удерживаемых вместе противоположными зарядами, но также и из нейтральных частиц, которые он назвал нейтронами [8]. Двенадцать лет спустя Джеймс Чедвик, помощник Резерфорда, доказал существование нейтронов [9]. Оказалось, что открытие дает ключ к расщеплению атомов урана.

Ко времени моего приезда в Оксфорд Кавендишская лаборатория во многом утратила репутацию флагмана ядерной физики. Приятным исключением было присутствие Отто Фриша, физика-ядерщика, сыгравшего заметную роль в осуществлении проекта «Манхэттен» – именно там создали атомную бомбу, сброшенную на Хиросиму. Теоретическую основу для ее изготовления дал как раз Фриш, объяснив необычные результаты некоего эксперимента.

В 1938 г. Фриш проводил Рождество в Швеции со своей тетей, известным физиком Лизой Мейтнер. Мейтнер работала в Институте химии кайзера Вильгельма в Далеме (Германия), но эмигрировала в Швецию, опасаясь преследования нацистов. Ее немецкие коллеги Отто Ган и Фриц Штрассман держали ее в курсе исследований и в последнем по времени письме рассказали о странном результате эксперимента. Бомбардируя нейтронами атомы урана, они среди «осколков» обнаружили намного более легкие частицы, чем ядра урана, – их вес был почти вдвое меньше [10]. Это выглядело нелогично: нейтроны не обладают достаточной энергией, чтобы отрывать такие большие куски атомов. Чтобы поразмышлять над этим загадочным результатом, племянник и тетя решили отправиться в дальнюю пешую прогулку.

Гуляя по окрестностям шведской столицы в компании Лизы Мейтнер, Фриш пришел к выводу: ядра урана крайне неустойчивы. Атомы его настолько велики, что «клей», удерживающий вместе протоны и нейтроны, способен справиться лишь с силами отталкивания положительно заряженных протонов, воздействующих друг на друга [11]. Если ядро урана поглощает направляемый на него нейтрон, то полученной энергии достаточно для дестабилизации и расщепления атома. Когда он объяснял свою идею Мейтнер, оба они остановились, присели на скамейку и начали быстро делать расчеты на листках бумаги. Вот их вывод: ядро урана напоминает «очень неустойчивую каплю, готовую разделиться при малейшем воздействии» [12]. Фриш провел несколько экспериментов для подтверждения этой гипотезы, а потом в феврале 1939 г. вместе с Мейтнер написал две статьи для журнала Nature. Он назвал феномен расщепления «делением ядра» [13].

При делении ядра выделяется огромное количество энергии. При расщеплении ядра урана образуется два меньших ядра с меньшей суммарной массой. Исчезающая масса (m), равная примерно одной пятой массы протона, преобразуется в энергию (E) в соответствии с уравнением Эйнштейна: E = mc 2. Так как скорость света (с) составляет 299 792 458 м/с, даже маленькая масса производит большое количество энергии. Фриш подсчитал: расщепления одного атома урана было бы достаточно, чтобы поднять в воздух одну песчинку, которая сама содержит около сотни триллионов атомов.

Но из одного атома урана нельзя создать атомную бомбу. Взрыв в Хиросиме произошел в результате одновременного расщепления триллионов и триллионов атомов, содержавшихся в одном килограмме урана [14]. При делении одного атома урана высвобождаются нейтроны, при нужной скорости вызывающие расщепление соседних атомов. При этом высвободится еще больше нейтронов, которые, в свою очередь, вызовут расщепление еще большего количества атомов. Это вызовет неостановимую цепную реакцию. Уран в буквальном смысле – инициатор своего уничтожения.

Мейтнер и Фриш раскрыли секрет расщепления атома. В то время они не понимали, что их открытие проложит путь к созданию ядерного оружия, которое можно использовать для уничтожения сотен тысяч людей.

Но в лаборатории Мейтнер не наблюдалось никаких взрывов. Оказалось, что цепная реакция может быть устойчивой при использовании определенного типа урана, который редко встречается в природе. Обычный уран почти полностью состоит из изотопа урана-238 [15]. Однако для цепной реакции, приводящей к ядерному взрыву, необходимо обеспечить высокую концентрацию расщепляемого изотопа урана-235 – так называемый обогащенный уран [16].

Двое физиков, сотрудников Колумбийского университета (Нью-Йорк), венгр Лео Силард и итальянец Энрико Ферми, узнав об исследованиях Фриша и Мейтнер, начали собственные эксперименты по делению атомного ядра. Переехав в Университет Чикаго, они построили первый в мире ядерный реактор Чикаго Пайл-1 на площадке для игры в сквош под университетским футбольным стадионом. Это событие не осталось незамеченным советской разведкой, но при описании его на русском языке была допущена смешная неточность: советские разведчики перевели «squash court» (площадка для сквоша) как «тыквенное поле». Впрочем, место, в отличие от результатов, не имело серьезного значения. Наблюдая большое количество нейтронов, высвобождавшихся в процессе деления ядер, Силард пришел к выводу: уран в состоянии поддерживать устойчивую цепную реакцию и поэтому может использоваться для создания бомбы. Позднее он вспоминал: «Я не сомневался, что мир стоит на пороге большой беды» [17].