Владимир Кессельман - На кого упало яблоко
Пятьдесят лет спустя новый культурный центр, открытый во дворце бывшего вице-короля Сицилии, получил имя «Майорана». Здесь устраивают ежегодно международные научные конференции.
В лабиринтах реакции деления
В 1938 году немецкие ученые Отто Ган[149] и Фриц Штрассман (1902–1980) сделали удивительное открытие. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра, примерно вдвое более легкие, чем исходное ядро урана. Дальнейшие исследования привели их к заключению, что они получили барий. Информация об этом была опубликована в статье «О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах».
В начале 1939 года появились два сообщения. Первое, направленное во Французскую академию наук Фредериком Жолио-Кюри, было озаглавлено «Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов». Второе сообщение — его авторами были немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер[150] — опубликовал английский журнал «Nature»; оно называлось: «Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции». В обоих случаях речь шла о новом, доселе неизвестном явлении, происходящем с ядром самого тяжелого элемента — урана.
Но каким образом из урана мог получиться барий? Мейтнер выдвинула идею, что урановое ядро под действием нейтронов делится на два новых ядра, и предложила назвать такое явление расщеплением. Она предположила, что два элемента, на которые распадается урановое ядро, — это барий и элемент номер 43, стоящий в периодической таблице над рением (позднее этот элемент получит название «технеций»).
В многочисленных публикациях 1935–1938 годов Ган и Мейтнер исчерпывающе описали химические свойства новых веществ, образовавшихся в результате нейтронной бомбардировки. Это явление характерно необычайно высоким выделением энергии — но не только этим. Вскоре сразу несколько физиков поняли, что стоят на пороге «цепной ядерной реакции». В принципе это довольно распространенное явление. Даже горение обычного куска бумаги представляет собой химическую цепную реакцию. Этот процесс инициируется с помощью горящей спички, но как только бумага разгорелась, процесс продолжается самопроизвольно, за счет выделяющегося тепла, в результате чего пламя не просто поддерживается на одном уровне, но разгорается все сильнее. То есть горение самоусиливается. Точно такая же картина наблюдается и в ходе ядерной цепной реакции. Вначале единичный нейтрон расщепляет ядро урана, и образуются два новых нейтрона, которые вызывают расщепление еще двух ядер; вылетающие при этом четыре новых нейтрона способствуют расщеплению уже четырех ядер и т. д.
С практической точки зрения выделяющаяся в одном акте деления энергия ничтожно мала. Но если одновременно делится большое число ядер урана, то в макроскопических масштабах будет высвобождаться огромная энергия. В результате расщепления всего одного грамма урана выделяется столько же энергии, как при сгорании трех тонн угля или трехсот литров высококачественной нефти. О том, что химическая реакция изменяет вид материи и при этом выделяется или поглощается энергия, было известно давно, но то, что в энергию может превратиться часть материи, было обнаружено впервые. Открытия в области радиоактивности и инициируемые человеком ядерные реакции заставили по-иному взглянуть на следствие формулы Эйнштейна Е=mc2. Оказывается, суммарная масса образующихся продуктов ядерной реакции не равна сумме масс исходных компонентов, а энергетический выход реакции объясняется как раз этим небольшим, но уже фиксируемым изменением массы в ходе реакции (порядка десятых долей процента). «Но на самом деле масса никуда не исчезает. Уравнение Эйнштейна показывает, что она просто проявляет себя в форме энергии, которую с2 увеличивает, в сравнении с массой, почти в 1 166 400 000 000 000 000 раз (в единицах км/час)» [151].
Экспериментами с бомбардировкой элементов нейтронами занимались в ряде лабораторий. Занимался ими и Ферми. Он пытался таким образом получить трансурановые элементы, не существующие в природе. Этот путь считался весьма перспективным. В хоре всеобщего одобрения диссонансом прозвучал голос Иды Ноддак[152]. В конце 1934 года она выступила с заявлением, что с научной точки зрения недопустимо говорить о новых элементах, не установив, что при облучении урана нейтронами не возникают какие-либо известные химические элементы: «Таким образом, доказательство того, что новый радиоэлемент имеет порядковый номер 93, еще никоим образом нельзя считать установленным, ибо Ферми пытался добыть эти доказательства методом исключения, не обеспечив свою аргументацию исчерпывающей логической полнотой. Мы с равным правом можем допустить, что при этом своеобразном разрушении ядра при помощи нейтронов происходят совершенно другие „ядерные реакции“, чем те, которые до сих пор удавалось наблюдать при действии протонных или альфа-лучей на атомные ядра… Можно было бы допустить, что при обстреле тяжелых ядер нейтронами эти ядра распадаются на несколько крупных осколков, которые могут представлять собой изотопы известных элементов, однако не быть соседями элементов, подвергшихся действию лучей»[153].
Крупнейшими специалистами по радиевым исследованиям в это время были мадам Ирен Жолио-Кюри и фрейлен Лиза Мейтнер. Между ними возникло соперничество, в котором приняли участие и их сотрудники. Трения начались в октябре 1933 года на одном из конгрессов в Брюсселе. Мадам Жолио вместе со своим мужем представили отчет об осуществленных ими бомбардировках нейтронами алюминия. О том, что произошло дальше, рассказывает Жолио: «Наше сообщение вызвало оживленную дискуссию. Фрейлен Мейтнер объявила, что она провела такие же эксперименты, но не получила подобных результатов. Под конец подавляющее большинство присутствовавших там физиков пришло к заключению, что наши эксперименты были не точными. После сессии мы чувствовали себя довольно-таки скверно. В этот момент к нам подошел профессор Бор и сказал, что он рассматривает наши данные как чрезвычайно важные. Вслед за ним и Паули ободрил нас таким же образом»[154].
Супруги Жолио-Кюри по возвращении в Париж возобновили свою работу. Исследования, раскритикованные в Брюсселе Мейтнер, послужили основой для самого важного открытия Жолио-Кюри — искусственной радиоактивности.
Летом 1938 года у Мейтнер возникла проблема, не имевшая ничего общего с физикой. Более четверти века она и Ган работали бок о бок. Он отвечал за аналитическую химию, она — за физику. Ее коллега вспоминал, как она, бывало, показывала на лестницу, ведущую в кабинет администрации этажом выше, и заявляла Гану: «Поднимись и займись химией, ты ничего не смыслишь в физике». В 1938 году, после вступления нацистов в Австрию, Мейтнер вынуждена была Германию покинуть — теперь на нее, австрийскую гражданку и еврейку, распространялись расовые нацистские законы, ее ожидало сначала увольнение, а потом и концлагерь.
Ган и Макс Планк, пытаясь спасти свою коллегу, ходатайствовали за нее лично перед Гитлером, но их вмешательство не дало плодов. Мейтнер вынуждена была бежать в Данию, не попрощавшись даже с товарищами. Отъезд ей устроили друзья-немцы, при этом Ган, предполагая «непредвиденные расходы», дал ей свое фамильное кольцо с бриллиантами. Тем не менее потрясенная происшедшим Мейтнер заметила: «Ган говорит, что мне больше не следует появляться в институте, по сути дела, он выгнал меня»[155]. А Ган продолжал работу (облучение урана и исследование получившихся продуктов) с молодым сотрудником Штрассманом. 17 декабря 1938 года они провели решающий опыт, о котором уже упоминалось, — знаменитое фракционирование радия, бария и мезотория, на основании которого Ган заключил, что ядро урана «лопается», распадаясь на более легкие элементы. Так было открыто расщепления ядра.
Ган и Штрассман обнаружили, что в результате облучения появляется барий, элемент с меньшим, чем у урана ядром, и было непонятно, куда делась остальная часть уранового ядра. Они понимали, что сделали замечательное открытие, хотя и не могли еще объяснить его с точки зрения физических представлений. Все это происходило перед самыми рождественскими праздниками 1938 года. А накануне, в ноябре 1938 года, Ган решил посоветоваться со своей бывшей коллегой, и они встретились в нейтральном Копенгагене. Далее между Берлином и Стокгольмом происходил непрерывный обмен письмами, в которых Мейтнер удалось обговорить с Ганом эксперименты. «Мнения и суждения Мейтнер были для нас, работавших в Берлине, настолько весомыми, что мы немедленно приступили к постановке необходимых… опытов», — вспоминал впоследствии Штрассман[156].
