Уильям Лоуренс - Люди и атомы

В своем выступлении Ферми допустил возможность испускания нейтронов в процессе ядерного деления. Это было догадкой о цепной реакции, хотя слова «цепная реакция» в то утро не были произнесены.

Один за другим молодые физики поспешно покидали аудиторию, даже не дослушав до конца Бора. Физики из Института Карнеги (Вашингтон) и Университета Джонса Хопкинса помчались прямо в свои лаборатории, надеясь первыми провести эксперимент по делению. Приезжие бросились к ближайшему телефону, чтобы сообщить великую новость своим коллегам, в надежде, что они первыми расщепят атомы урана. Ведь Бор еще и сам не знал о классическом эксперименте Фриша, и никто еще не знал об опыте, проведенном в Колумбийском университете накануне Д. Р. Даннингом, Ф. Дж. Слэком и Ю. Т. Бутом.

Лишь через неделю один из сыновей Бора написал отцу из Копенгагена, что 15 января, за десять дней до опыта в Колумбийском университете, Фриш обнаружил большие электрические импульсы. Через несколько лет Фриш сообщил: «Я не написал ему сам, желая сначала все проверить и выяснить ряд вопросов, однако рассказал о полученных результатах его сыну».

Известия, принесенные Бором, были подобны мощнейшему взрыву бомбы на научном заседании. В интеллектуальной форме это был предшественник взрыва атомной бомбы, в создании которой Ферми и Бор должны были сыграть ведущую роль.

3 марта 1939 г. Лео Сциллард и Уолтер Зинн поставили в Колумбийском университете простой опыт.

«После двухдневной подготовки,— писал через несколько лет Сциллард,— все было закончено, и нам оставалось лишь повернуть выключатель, сесть и смотреть на экран осциллографа.

Появление вспышек света на экране могло означать, что в процессе деления урана излучались нейтроны, а это, в свою очередь, означало, что освобождение атомной энергии в больших масштабах было не за горами.

Мы повернули выключатель и увидели вспышки.

Некоторое время мы наблюдали за ними, а затем все выключили и пошли домой.

В ту ночь у меня почти не оставалось сомнений, что мир ждет беда».

Вспышки света, которые в тот вечер наблюдали Сциллард и Зинн, ясно показали возможность цепной реакции. Они дали первое экспериментальное доказательство того, что огромная энергия, освобождаемая при делении урана, может быть использована или в атомном реакторе, или в атомной бомбе, равной по разрушительной силе тысячам обычных бомб той же величины.

Открытие самопроизвольного процесса деления атомов урана было самостоятельно сделано почти в одно и то же время, но с применением различных методов двумя другими группами ученых: группой X. фон Хальбана младшего, Фредерика Жолио-Кюри и Льва Коварски в Париже и группой Ферми и Герберта Л. Андерсона в Колумбийском университете. Эти исторические открытия явились серьезным обоснованием предположений Ферми и Бора о возможности цепной реакции. Однако некоторые серьезные препятствия все еще не позволяли перейти от небольших лабораторных опытов к атомным реакторам или к атомным бомбам.

Бор пришел к выводу, что одна из основных трудностей состоит в том, что лишь легкий уран-235 является расщепляющимся элементом, в то время как тяжелый уран-238 поглощает значительное число нейтронов, необходимых для цепной реакции. Так как в природе эти две разновидности урана находятся в смеси, где соотношение между тяжелым и легким ураном равняется 140 : 1, очевидно, что 140 атомов не расщепляющегося тяжелого урана будут соперничать с одним атомом легкого урана за каждый нейтрон.

С самого начала стало ясно, что для создания атомной бомбы необходимо отделить 0,7% урана-235 от 99,3% урана-238. Но сделать это практически пока было невозможно.

Не надо быть специалистом, чтобы понять, почему химическим путем нельзя отделить легкий уран от гораздо более доступного тяжелого. Отделение одного элемента, например серебра, от другого, например меди, основано на использовании различия в их химических свойствах и реакциях. Можно подобрать условия, при которых в осадок выпадает серебро, а не медь, в результате чего одно отделится от другого.

Но такие методы совершенно неприменимы в отношении двух изотопов урана. Хотя один из них легче другого на три атомные единицы, тем не менее они являются одним и тем же элементом и обладают одинаковыми химическими свойствами. Поэтому до сих пор не были разработаны химические методы их разделения.

Существует прибор, масс-спектрометр, который может разделять разновидности одного и того же элемента, включая легкий и тяжелый уран, электромагнитным способом. Но скорость разделения при помощи масс-спектрометра настолько невелика, что потребовалось бы 27 тысяч лет, чтобы получить один грамм, и 27 миллионов лет, чтобы получить один килограмм легкого урана. Или, если хотите, вам потребовалось бы 27 миллионов спектрометров, чтобы получить один килограмм урана за год. Очевидно, что при помощи масс-спектрометра дело получения урана-235 — ключевого элемента для атомной энергии и атомной бомбы — недалеко бы ушло.

Однако никто, ни Ферми, ни Эйнштейн, не могли гарантировать, что нельзя сделать открытие, которое бы позволило просто и быстро отделять уран-235 в количествах, достаточных для производства атомных бомб. А так как бомба в руках Гитлера дала бы ему возможность покорить весь мир с помощью силы, ученым свободного мира надо было отдать всю свою энергию делу создания ядерного оружия. Если такие попытки оказались бы бесплодными, у нас, во всяком случае, была бы некоторая доля уверенности, что немецкие ученые также потерпели неудачу.

Одновременно английские ученые, которые отнеслись к делу гораздо серьезнее, чем наши, уже обдумывали такую попытку. Они надеялись применить газодиффузионный метод, основанный на принципе, известном под названием закона Грэхэма.

В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропустить через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. Когда разница в молекулярных весах газов очень мала, как в случае урана-235 и 238, взятых в газообразной форме, их надо тысячи раз пропустить через фильтр; при этом на каждой стадии содержание легкого газа увеличивается до тех пор, пока на последней стадии не достигнет 100%. Так как уран — твердое вещество, его надо сначала превратить в газообразный фтористый уран — соединение урана и фтора.

Это тот самый метод, который впоследствии применили в Ок-Ридже (штат Теннесси), где в 1944 г. был сооружен гигантский газодиффузионный завод (стоимостью 500 миллионов долларов); на нем была произведена значительная часть урана-235 для бомбы, сброшенной на Хиросиму. После окончания войны мы построили еще много газодиффузионных заводов для отделения урана- 235: в Ок-Ридже, в Падьюке (штат Кентукки) и в Портсмуте (штат Огайо), стоимость которых составляет много миллионов долларов. Газодиффузионные заводы производят уран-235 также в Англии и Советском Союзе.