М. Рузе - Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

С одной стороны, чтобы из всех возможных процессов получить именно деление ядра, надо было определить теоретически и экспериментально оптимальную энергию, которую необходимо сообщить нейтронам. При этом надо было знать весь спектр энергий нейтронов, испускаемых в процессе деления, уменьшать их энергию путем торможения до определенной величины и тем самым добиться того, чтобы наибольшее возможное число их обладало бы оптимальным уровнем энергии.

С другой стороны, вероятность того или иного ядерного события, происходящего после захвата нейтрона, зависит также от энергетических уровней ядра. Если речь идет об одном и том же элементе, то энергетические уровни оказываются различными для его изотопов. Природный уран представляет собой смесь изотопов 238 (92 протона, 146 нейтронов) и 235 (92 протона, 143 нейтрона), находящихся в весьма неравном соотношении. Еще Бору путем расчета удалось установить, что под действием медленных нейтронов происходит деление более редкого изотопа 235, который входит в состав природной смеси всего лишь в пропорции 1/140. Таким образом, выяснилось, что возникновению цепной реакции в массе урана способствуют следующие три обстоятельства:

1) в природном уране содержится 1/140 делящегося изотопа (U 235);

2) уран-238, захватывающий медленные нейтроны без деления, ведет себя более сложно по отношению к быстрым нейтронам, испускаемым в результате деления соседних ядер: в некоторых случаях происходит деление;

3) простой захват одного нейтрона ядром урана-238 приводит к образованию урана-239, радиоактивного изотопа с коротким периодом распада, который в результате ядерного превращения образует элемент 93 (нептуний), превращающийся, в свою очередь, в элемент 94 (плутоний). А полученный таким образом плутоний сам делится (так же как и уран-235) под действием медленных нейтронов.

Для цепной реакции достаточно, чтобы на каждое делящееся ядро приходилось в среднем по одному нейтрону, который вызовет следующие деления. Но нетрудно догадаться, что этот коэффициент размножения для полностью расщепляющейся массы будет больше, чем для природного урана. То, что может годиться для реактора, где ставится задача получить управляемое выделение энергии, не может быть использовано для бомбы, где высвобождение всей возможной энергии должно произойти как можно быстрей, почти мгновенно.

В 1939 году перед людьми, мечтавшими создать ядерную бомбу, стояла сложная задача: найти пути извлечения из природного урана изотопа 235.

Не менее трудным оказалось определить критическую массу. В толще любого куска урана всегда возникают самопроизвольные деления ядер в количестве, достаточном для того, чтобы началась цепная реакция: но она возникает только тогда, когда коэффициент размножения больше единицы, а это не может произойти, если слишком много нейтронов вырывается наружу без захвата их ядром. Совершенно ясно, что чем ближе к поверхности происходит выделение нейтронов, тем больше у них шансов ускользнуть. Те нейтроны, которые испускаются в толще металла, наталкиваются на соседние ядра и после некоторой серии рикошетов, замедляющих их движение, понижают свой уровень энергии до того значения, при котором их может захватить ядро. Этим и определяется та критическая масса, при превышении которой развивается цепная реакция. Если бы это понятие не было известно тогда, когда начали добывать и накапливать расщепляющиеся материалы в необходимых количествах, то первый атомный взрыв произошел бы на самой фабрике! Кроме того, физики поняли, что, для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить две подкритические массы, сумма которых намного превысит значение критической массы.

Все эти сведения, ставшие сегодня классическими, необходимо напомнить для того, чтобы было понятно, перед какой головоломкой оказались ученые-атомники, когда они приступили к созданию бомбы. А им, кроме того, пришлось столкнуться еще с бесконечными количествами разных препятствий.

Уже летом 1939 года бог войны наложил свою руку на ядерную энергию, находившуюся еще в колыбели. По иронии судьбы этого добились два человека: Лео Сциллард, который боялся цепной реакции, как несчастья, и пацифист Альберт Эйнштейн. Первый из них уговорил второго обратить внимание американского правительства на опасность, которая будет угрожать человечеству, если нацистам удастся изготовить ядерную бомбу. Он потребовал у вашингтонских властей солидной материальной помощи, которая ускорила бы проведение атомных исследований, а также получения гарантии от бельгийского правительства, что большие запасы урана, добытого в Конго, будут спрятаны от гитлеровцев.

Американские военные, консервативные, как все военные вообще, отнеслись с недоверием к предостережениям интеллигентов, рассказывавших о каком-то неизвестном оружии, основанном на уравнениях нескольких университетских профессоров. Даже президента Рузвельта пришлось долго убеждать. Одной из причин недоверия, проявленного правительственными кругами, явилось то, что многие ученые-атомники, работавшие в США, недавно эмигрировали из Европы и были либо иностранцами, либо свежеиспеченными американскими гражданами. Тем временем исследования в лабораториях Нью-Йорка, Принстона, Беркли и Чикаго проводились ускоренными темпами. 6 декабря 1941 года – накануне Пирл-Харбора – Белый Дом принял решение ассигновать большие средства на изготовление ядерного оружия.

Роберт Оппенгеймер еще с 1939 года проявлял интерес к делению урана и к проблеме создания бомбы. Он хорошо понимал значение научных открытий, сделанных в лабораториях Европы. И несмотря на то что в то время он отошел от какой-либо политической деятельности, перспектива победы нацизма внушала ему глубокий ужас, как и ученым, эмигрировавшим в Америку.

Незадолго до начала войны Нильс Бор прочитал в Вашингтоне лекцию о последних работах Отто Гана. Отчет о ней был послан в физическое отделение Калифорнийского университета. Познакомившись с ним, Оппенгеймер сразу же попытался подсчитать критическую массу. И в течение последующих двух лет преподавательской работы он не переставал думать об этой проблеме.

В то время в радиационной лаборатории Калифорнийского университета физик Эрнст О. Лоуренс, изобретатель циклотрона (установки для ускорения частиц), пытался добиться выделения урана-235.

Как известно, ни один химический процесс не может разделить изотопы одного и того же элемента: они обладают совершенно одинаковыми свойствами, входят вместе в одни и те же соединения и не могут быть идентифицированы ни одним химическим реактивом. Единственное, что отличает их друг от друга, – это разность между массами их ядер, определяемая числом нейтронов. Следовательно, надо было изыскивать такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, используя эту разность масс. Для легких элементов этот относительный сдвиг между атомными весами двух изотопов может быть довольно значительным: например, масса атома водорода 2 («тяжелый» водород, или дейтерий), содержащего один протон и один нейтрон, вдвое больше массы атома водорода 1 (обычный водород), в котором содержится только один протон. Однако у элементов, находящихся на другом конце таблицы Менделеева, разность масс в несколько нейтронов составляет только небольшую часть от общей массы атома. Таким образом, разделение изотопов, достаточно трудное даже для легких элементов, представляло почти неразрешимую задачу для тяжелых элементов и требовало огромной технической изобретательности и необыкновенного терпения.