Достижения теоретической и экспериментальной физики: расщепление ядра атома

В свое время, начиная читать книгу достопочтенного сэра Артура Эддингтона "Относительность и кванты", я достоверно не знал - в каком она году написана, но понимал, что где-то там, в годы рождения и развития квантовой механики. Но после прочтения фразы из этой книги, что-то типа - "на сегодняшний день известно, что всё вещество состоит из протонов и электронов", - я стал испытывать смешанные чувства. С одной стороны, я понял, что Эддингтон писал ее до 1932 года, когда был открыт нейтрон, и получается, что вся его писанина про строение атомов уже устарела и некорректна. А с другой стороны, книга все равно интересна, черт побери. В любом случае, это великие люди, и читать их труды - это словно окунаться в то время, время свершения великих открытий.

Итак, в 1932 Джеймс Чэдвик открыл нейтрон. На рисунке ниже показан незамысловатый аппарат, с помощью которого Чэдвик совершил свое открытие. А если быть точным, то он просто доказал существование нейтрона, практически после 10-летних исследований и экспериментов. Ведь гипотезу о необходимом существовании нейтрализующих частиц, препятствующих взаимоотталкиванию протонов в атомном ядре, высказал еще Резерфорд, он же и назвал эту гипотетическую на тот момент частицу "нейтроном".



Открытие нейтрона было очень важным моментом, потому что без этого ядерная физика не получила бы особого развития. Ну...как вы понимаете, с точки зрения науки это плохо, а вот с точки зрения практического применения знаний свойств нейтрона и вообще ядер атомов - оказалось, что по сути с этого момента человечество ко всем режимам своей жизнедеятельности добавило возможный режим самоуничтожения.

После открытия Чэдвика во многих лабораториях мира стали методично бомбардировать уран медленными нейтронами, чтобы исследовать возникающие при этом радиоактивные вещества. В Берлине Отто Ган и Фриц Штрассманн уже на протяжении трех лет осуществляли бомбардировку урана нейтронами и вместе с Лизой Мейтнер были близки к тому, чтобы обнаружить более легкие, чем уран, элементы.



Предполагалось, что при бомбардировке нейтронами частицы могли отрываться от ядра или же бомбардируемый уран мог прибавлять в весе, превращаясь в "трансуран", но не возникало и мысли о том, что урановое ядро могло расщепляться на две приблизительно равные части, ведь вера в то, что атомное ядро должно быть неделимым (от греческого слова Atomos - неделимый), оставалась незыблемой. Однако незадолго до Рождества 1938 года Отто Ган и Фриц Штрассманн натолкнулись на примечательный феномен. Собственно, при бомбардировке возникало несколько более легкое, чем первоначальный атом урана, вещество - периодическая система указывала на то, что этим элементом мог быть только радий-230. Но все усилия Гана по поиску радия были тщетны - вместо него обнаруживался лишь барий, намного более легкий, чем уран, что не имело никакого смысла.

Однако результаты эксперимента были неоспоримы. Ган имел за плечами более чем тридцатилетний опыт работы в радиационной химии и, как никто другой, был в состоянии однозначно определить состав обнаруженного продукта деления средствами точнейшего химического анализа. Я приведу вам текст письма, которое Отто Ган написал вечером 19 декабря Лизе Мейтнер, к тому времени уже находившейся в Швеции. По мере написания письма Ган всё более осознавал, что в своей лаборатории он стал свидетелем события мировой значимости и пока еще сложно представимых последствий. Вот текст этого письма:
"Дорогая Лиза!...В "изотопах радия" присутствует нечто столь замечательное, что пока мы можем рассказать о них только Вам...Возможно, Вам удастся предположить какое-нибудь фантастическое объяснение происходящего...Если Вы сможете придумать нечто достойное публикации, это все же будет в некотором смысле результатом работы нас троих! Отто Ган."



Ган и Штрассман надеялись получить от Мейтнер какое-то объяснение, потому что они все более утверждались в том, что их изотопы радия вели себя не как радий, а как барий. Лиза Мейтнер окажется первой, кто проинтерпретирует этот процесс, жуткие последствия использования которого проявятся лишь позднее. Очевидно, что удалось осуществить "расщепление" атомного ядра, но ученые пока пребывают в неведении относительно того, какая игра была начата на простом рабочем столе Гана в его Институте.

К Лизе Мейтнер, на Рождество 1938 года находящейся в заснеженном Кунгэльве неподалеку от Гетеборга, приезжает ее племянник Отто Фриш, также бежавший из Германии и теперь работающий как один из ассистентов Нильса Бора в его копенгагенском Институте. Они вместе отправляются на прогулку по засыпанным снегом окрестностям. Фриш одевает лыжи, Лиза Мейтнер сопутствует ему пешком, стараясь не отставать, но оставаясь погруженной в размышления о заданном ей Ганом вопросе. Наконец, они останавливаются у поваленного дерева и долго дискутируют. Они уже замерзли, но не могут двинуться с места, пока здесь и сейчас не решат эту мучительную проблему. Тезис о том, что при бомбардировке от ядра отщепляется лишь его частичка, ведет в тупик. Сама декабрьская постановка вопроса Ганом указывает в правильном направлении: не имеем ли мы здесь дело с "разрывом" уранового ядра на барий и радий? То, что Отто Ган без сомнений выделяет барий как одну из двух фракций разделяющегося уранового ядра, подтверждает и расщепление, но из чего состоит остаток? Это не может быть радием.

Так в чем же тогда дело? А дело в том, что Ган в череде своих длительных измерений и перепроверок допустил серьезный просчет, заблокировавший для него правильный ответ! При применении простой операции вычитания неизбежным результатом был бы "криптон". Заряд атомного ядра урана - 92. Вычитая из него атомный заряд бария, 56, мы необходимо получаем элемент криптон с атомным зарядом 36. Великий Ган в спешке просчитался. Привожу его слова:
"Я сам тогда, вместо заряда атомного ядра, по ошибке вычел атомный вес бария из атомного веса урана, в результате получив другие продукты распада наряду с однозначно определенным барием".

Сидя вместе с Отто Фришем на стволе шведского дерева, Лиза Мейтнер формулирует первое теоретическое истолкование экспериментальных изысканий Гана. Отчего же она отталкивалась в этом теоретическом истолковании? А отталкивалась она от теории Нильса Бора, который рассматривал ядро не как твердый металл, а скорее как каплю жидкости. Коротко представлю смысл этой теории.
В ядре атома протоны, как носители положительного заряда, отталкиваются друг от друга. Но подобно каплям воды, которые сохраняют свою целостность благодаря силам поверхностного натяжения, действующим в их тонкой оболочке, протоны в ядре удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию, которое противостоит кулоновским силам отталкивания. В ядрах малого размера (например, углерод), сильное взаимодействие настолько существенно, что у кулоновских сил, стремящихся разорвать ядро, просто нет шансов. Ну а что же происходит в больших ядрах, еще к тому же и набитых кучей нейтронов (например, уран!)? Сильное взаимодействие между протонами уже не так велико, и ядро является нестабильным. А если такое ядро бомбануть еще одним нейтроном? Капля может разорваться!



Вот об этом-то и думала Мейтнер, сидя на поваленном дереве средь заснеженного леса. Ход размышлений Мейтнер и ее племянника, вновь и вновь перепросчитываемый ими на маленьких листочках бумаги, был прост, как при рождении любой большой истины, и приводил к единственному выводу: тяжелое ядро урана разделяется на два более легких элемента, а именно на барий и криптон, чье совокупное число протонов равно 92, что в точности соответствует их изначальному числу у атома урана. По их расщеплению две капли разделяются и в силу их взаимооталкивания выводятся на высокий энергетический уровень. Возникающей при расщеплении энергии, по их подсчетам - около 200 MэВ, оказалось бы достаточно, чтобы подбросить заметную для невооруженного взгляда пылинку. Далее, они пришли к заключению, что два образующихся ядра в совокупности будут весить меньше, чем изначальное ядро урана, а именно на 1/5 массы протона. И поскольку, согласно эйнштейновской формулировке взаимосвязи массы и энергии (E=mc2), использованной Лизой Мейтнер в ее расчетах, при исчезновении массы должна выделяться энергия, становится понятно, откуда возникает освобождающаяся энергия. Вот и все - атом вскрыт!

Через несколько дней, в Копенгагене, Отто Фриш рассказал об этом открытии Нильсу Бору, на что Бор запричитал: "О, какими идиотами мы все были! Да, но это прекрасно! Именно так и должно быть!". В этот же день Бор улетает в Америку и на протяжении своего трансатлантического вояжа производит расчеты, согласно которым при поглощении медленного нейтрона должен отщепляться изотоп урана U-235.

26 января 1939 года на открытии 5-й конференции American Physical Society в Вашингтоне Бор сразу же делает доклад об открытии Гана и своих исчислениях. Новость оказывается настолько будоражащей, что некоторые из физиков сразу же бросаются вызванивать своих сотрудников или же устремляются в собственные лаборатории, чтобы проверить результаты Гана.

Тогда наука еще была свободной. В начале 1939-го выкладки Мейтнер и Фриша публикуются в английском академическом журнале Nature, так что весь мир моментально оказывается оповещен об этом прорыве. Сам обнаруженный феномен Фриш называет nuclear fission, т.е. расщеплением ядра. Понятием fission с ним делится один американский биолог, отвечая на его вопрос, как в биологии называется процесс разделения клетки.

Открывающиеся теперь возможности завораживают всех: очевидно, что за какие-то доли микросекунды оказывается высвобождаемым через тепловое излучение гигантское количество энергии, и если одновременно с этим будут выделяться новые нейтроны, то это будет приводить к новым расщеплениям атомных ядер. Такое контролируемое расщепление ядра могло стать новым и неисчерпаемым источником энергии, неконтролируемая же цепная реакция оказалась бы основой оружия с беспримерным разрушающим потенциалом...