§ 3. Физика атомного ядра в 1918-1939 гг.

Первая мировая война затормозила развитие ядерной физики. Приостановились важные исследования, начатые Д. Д. Томсоном и его учеником Ф. Астоном в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Вскоре после окончания войны картина резко изменилась. В 1919 г. в Кавендишскую лабораторию пришел Э. Резерфорд, получивший широкую известность своими исследованиями, приведшими к открытию ядерного строения атома. Здесь он поставил знаменитые опыты, в результате которых была осуществлена первая ядерная реакция. Прибор Резерфорда (рис. 7-1) представлял собой латунную трубку Т диаметром 3 см. В трубке находился сухой газ и источник α-частиц R. Трубка имела отверстие, покрытое тонкой серебряной пластинкой. За отверстием на расстоянии 1,3 мм помещался экран S из сернистого цинка, на котором отмечались сцинтилляции с помощью особого микроскопа с полем зрения 40 мм². Испускаемые препаратом α-частицы имели длину пробега в воздухе 7 см. Помещая между источником и экраном поглощающую пластинку, можно было задержать все эти частицы.

Рис. 7-1. Установка Резерфорда по расщеплению азота

Если трубку заполнить водородом, то число сцинтилляций резко увеличивается. Сцинтилляции прекращались при задерживающем экране, эквивалентном пробегу в 30 см. Резерфорд истолковал этот факт появлением ядер водорода, ускоренных столкновением с α-частицами. Если вместо водорода поместить сухой кислород, то сцинтилляций не наблюдается. Заполняя трубку сухим воздухом, Резерфорд вновь наблюдал сцинтилляции, не прекращающиеся и при задерживающем экране, эквивалентном 30 см пробега. Только при добавочном экране, эквивалентном 40 см, можно было прекратить появление сцинтилляций. "Ясно, что частицы, которые возникают из азота, имеют больший пробег, нежели свободные Н-атомы, бомбардированные α-лучами",- писал Резерфорд. Для него было ясно, что эти протоны возникают из азота. Так было осуществлено первое расщепление атомного ядра. Впоследствии Резерфорд с сотрудниками исследовали ряд элементов. Протоны были получены при бомбардировке следующих элементов: бора (длина пробега выброшенных протонов около 45 см), азота (длина пробега 40 см), фтора (свыше 40 см), натрия (около 42 см), алюминия (длина пробега 90 см) и фосфора (около 65 см). Ни один из элементов с порядковым номером больше фосфора не дал эффекта. Подводя итоги своих исследований в области расщепления элементов, Резерфорд в лекции, прочитанной им в Лондонском Химическом обществе 9 февраля 1922 г., говорил:

"Хотя и опасно в данном случае быть догматичным, однако общие признаки указывают на то, что атомы, как правило, обладают настолько устойчивой структурой, их ядра сдерживаются такими мощными силами, что лишь α-частицы, как наиболее концентрированные источники энергии, являются подходящими для нападения на эти хорошо защищенные сооружения. Даже тогда, когда расщепление происходит, оно совершается в таком незначительном масштабе, что только несколько α-частиц из миллиона являются действительными.

Если бы в нашем распоряжении были заряженные атомы с энергией, в десять раз превосходящей энергию αα-частицы радия, то мы, вероятно, могли бы проникнуть в суммарную структуру всех атомов, а иногда и вызвать их разрушение".

В выделенных курсивом словах, по существу, содержалась программа ядерной экспериментальной физики, приведшая к созданию мощных ускорителей и разрушению (делению) атома.

В том же, 1919 г., в котором была осуществлена первая ядерная реакция, в той же Кембриджской лаборатории Кавендиша ученик Д. Д. Томсона Френсис Астон сделал фундаментальное открытие, имевшее исключительное значение для развития ядерной физики. Развивая метод Томсона, Астон сконструировал прибор, названный им масс-спектрографом, в котором пучок ионов (каналовых лучей), проходя через электрические и

магнитные поля, расположенные особым образом, сортировался по значениям ^e/_m и затем фокусировался на фотографической пластинке таким образом, чтобы каждому ^e/_m соответствовала своя линия. В результате Астон подтвердил сделанное уже Томсоном предположение о существовании двух изотопов неона (20 и 22), открыл изотопы хлора, криптона, ксенона, ртути, лития, бора и других элементов. В связи с этим Астон высказал "правило целых чисел": массы всех атомов (за исключением водорода) выражаются в пределах точности целыми числами, если массу атома кислорода принять равной 16. Это вновь воскресило забытую гипотезу Праута о составе всех атомов из единого первичного элемента "протила", совпадающего с атомом водорода. В 1920 г. на собрании Британской Ассоциации в Кардиффе обсуждался вопрос о названии ядра водорода, как составной части всех ядер атомов, в соответствии с гипотезой Астона-Резерфорда. Было принято название "протон", в частности, потому, что, как писал Резерфорд, "оно связано с термином "протил", который был введен Праутом в его известной гипотезе о том, что все атомы состоят из водорода".

Таким образом, в результате открытия Астона и Резерфорда стала возможной постановка вопроса о структуре ядра.

Протон признали основным "кирпичиком" ядра. "Массовое число" атома, т. е. целое число, приближающееся к атомному весу данного изотопа, должно поэтому равняться числу протонов. Но так как заряд ядра меньше (почти в два раза) этого числа, то было сделано предположение, что в состав ядра входят электроны. Существование β-распада делало эту гипотезу вполне естественной. Эта гипотеза привела Резерфорда к интересным заключениям. В лекции в Королевском обществе, прочитанной в 1920 г., он говорил:

"Если это предположение правильно, то кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связывать два ядра, а возможно даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Такое образование представляется вполне возможным. Подобный атом обладал бы совершенно фантастическими свойствами. Его внешнее поле практически должно равняться нулю, за исключением областей, весьма близко прилежащих к ядру; вследствие этого он должен бы обладать способностью свободно проходить через материю. Существование подобного атома, вероятно, трудно было бы обнаружить спектроскопом, и его нельзя было бы удержать в закрытом сосуде. С другой стороны, он должен был лишь входить в структуру атома и либо соединяться с его ядром, либо защищаться интенсивным полем этого последнего, давая заряженному Н-атому или электрону или тому и другому".

Любопытно, что в том же, 1920 г. аналогичную гипотезу о существовании "нейтрального дублета" высказал Харкинс в США и Мэссон в Австрии. Харкинс в 1926 г. предложил ввести термин "нейтрон", "обозначающий один отрицательный электрон и одно ядро водорода".

Предсказания Резерфорда относительно существования тяжелого изотопа водорода и нейтрона были основаны на неправильной идее о строении ядра из протонов и электронов. Поэтому Резерфорд предполагал, что эти атомы "должны возникать, хотя, вероятно, и в небольшом количестве, при электрическом разряде через водород, где присутствуют в значительном числе как электроны, так и Н-ядра". Опыты подобного рода были поставлены в Кембридже, но дали отрицательный результат. Ученик Резерфорда Чедвик предполагал получить нейтроны бомбардированием алюминия α-частицами. Он писал Резерфорду осенью 1924 г., когда Резерфорд находился в США: "Я думаю, что мы сможем осуществить вполне реальную попытку обнаружить нейтрон". Это означало, что в Кембридже нейтрон был, так сказать, психологически освоен, и это позволило отождествить новую частицу именно в Кембридже, хотя наблюдалась она впервые в Германии и Франции.

Фредерик Жолио-Кюри

Действительная история открытия нейтрона оказалась более запутанной. В 1930 г. В. Боте и Беккер в Германии бомбардировали α-частицами бериллий. Они обнаружили, что бериллий испускает необычайно жесткое проникающее излучение, которое они считали γ-лучами высокой энергии. В 1931-1932 гг. Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри исследовали это излучение. К своему удивлению, они обнаружили, что оно выбивает из водородосодержащих веществ, например парафина, протоны очень высокой энергии, которую невозможно было получить столкновением γ-кванта той энергии, которая по оценке Боте и Беккера соответствовала найденному ими излучению. Жолио-Кюри предполагал, что ими найден новый вид взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Однако Чедвик в том же, 1932 г. интерпретировал опыты Жолио-Кюри иначе. "Эти экспериментальные результаты,- заявил он,- очень трудно объяснить на основании гипотезы, что излучение бериллия представляет собой квантовое излучение, но они непосредственно вытекают из предположения, что излучение состоит из частиц, которые имеют массу, приблизительно равную массе протона, но не имеют заряда". Эта частица и была нейтроном. Чедвик дал приблизительную оценку ее массы, измеряя пробег протона, выбитого нейтроном. После того как Чедвик дал свою интерпретацию опытов Жолио-Кюри, Фредерик Жолио заявил, что если бы он и его жена читали лекцию Резерфорда 1920 г., то они, вероятно, сами бы идентифицировали нейтрон.

Новая частица, однако, не оказалась дублетом электрона и протона, как это предполагали Резерфорд и другие даже после открытия частицы. Она оказалась такой же элементарной частицей, как и протон.

Ирэн Кюри

Д. Д. Иваненко говорил в 1933 г., что "обе тяжелые частицы должны, по-видимому, обладать одинаковой степенью элементарности в том смысле, что если протон может распадаться на нейтрон и позитрон, то и нейтрон может распадаться на протон и электрон". В дальнейшем протон и нейтрон рассматривались как два "изотопических" состояния одной и той же частицы-нуклона.

Позитрон был открыт в США Андерсоном в том же 1932 г., что и нейтрон. Его открытие было связано с исследованием космических лучей. Эти лучи, открытые Гессом в 1910 г. (Нобелевская премия за это открытие была присуждена в 1936 г.), и после войны усиленно изучались физиками различных стран, в особенности Милликеном в США и Л. В. Мысовским в СССР. Была установлена высокая проникающая способность этих лучей, что дало основание Милликену считать эти лучи жесткими γ-лучами. Однако в 1928-1929 гг. советский физик Д. В. Скобельцын предложил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Снимки, полученные Скобельцыным, неопровержимо свидетельствовали о наличии в составе космических лучей заряженных частиц, по-видимому электронов. Однако магнитное поле, примененное Скобельцыным, было недостаточно велико, чтобы точнее определить природу частиц. Андерсон, применив более мощное поле, обнаружил следы частицы, отклонившейся в сторону, противоположную отклонению электрона (для определения направления движения частицы Андерсон поместил в камеру свинцовую пластинку). Это новая частица и была позитроном. Дирак в 1933 г., выступая на конференции по атомному ядру в Ленинграде, следующим образом изложил свою теорию "плюс-минус трудности": "Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь незанятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными энергиями. Незанятое состояние с отрицательной энергией, т. е. "дырка" в распределении электронов с отрицательной энергией, будет восприниматься нами как частица с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс. Движение "дырки" во внешнем электромагнитном поле будет происходить следующим образом: пусть, например, внешнее поле направлено так, что сила, действующая в этом поле на обыкновенный электрон с положительной энергией, должна изменить его движение некоторым определенным образом; отсюда вытекает, что на электрон с отрицательной кинетической энергией та же самая сила должна действовать противоположным образом. А так как все электроны с отрицательной энергией, в том числе и края "дырки", передвинутся одинаковым образом, то, следовательно, таким же образом передвинется и "дырка", т. е. "дырка" ведет себя во внешнем поле, как частица с положительной энергией и положительным зарядом. Движение этой частицы может быть описано обыкновенной волновой функцией так же, как в случае обыкновенного электрона с положительной энергией. Представляется разумным отождествить такую "дырку" с позитроном, т. е. утвердить, что позитрон есть "дырка" в распределении электронов с отрицательной энергией". Итак, теория Дирака объясняла существование позитронов, и, следовательно, существование в природе таких частиц могло быть предсказано Дираком. Однако он этого предсказания не сделал и, как мы видели, пытался интерпретировать "дырки" как протоны.

Блэкетт и Оккиалйни применили для исследования космических лучей камеру Вильсона, управляемую счетчиками Гейгера, включенными по так называемому "методу совпадений". Как только частицы проходят оба счетчика, и следовательно, помещенную между ними камеру, срабатывает расширительное, осветительное и фотографическое устройство; снимки получаются автоматически. Камера помещалась в магнитное поле, что позволяло анализировать следы. Блэкетт и Оккиалйни получили снимки электронов и позитронов. Они обнаружили "ливни" космических частиц, рождающихся в свинцовых пластинках, помещенных внутри камеры.

Из теории Дирака вытекала возможность образования "пары" электрон-позитрон при поглощении электромагнитной энергии в виде фотона определенной частоты и существование обратного процесса аннигиляции с образованием фотонов. Энергия фотона, образующего пару, должна быть не менее 2 m₀с², где m₀ - масса покоя электрона (позитрона).

Образование пар было экспериментально доказано Ф. Жолио-Кюри, получившим вильсоновскую фотографию пары. На Ленинградской ядерной конференции 1933 г. Жолио-Кюри выступил с докладом "Возникновение позитронов при материализации фотонов и превращении ядер".

Открытие процессов аннигиляции и "материализации" позволило начать построение теории образования ливней в космических лучах. Было известно, что космические лучи разделяются на две компоненты: "мягкую", поглощаемую слоем свинца до 10 см толщиной, и "жесткую", для поглощения которой требуются слои свинца толщиной выше 10 см. Оказалось, что "мягкая" компонента состоит из позитронов, электронов и фотонов, образующихся в процессе аннигиляции и производящих новые пары.

Открытие нейтрона оказало влияние на развитие теории ядра. Как уже говорилось, первоначально полагали, что ядро состоит из протонов и электронов. Кроме того, предполагалось, что в состав ядра входят устойчивые α-частицы. В 1928 г. Г. Гамов и Гэрни впервые применили к ядру квантовую механику и установили основы теории α-распада. Согласно этой теории, вылет из ядра α-частицы, обладающей энергией меньшей высоты "потенциального барьера", удерживающего частицы в ядре, объясняется квантовомеханическим "туннельным эффектом". Можно вычислить вероятность вылета частицы и затем период полураспада, который оказывается связанным с энергией α-частицы соотношением, тождественным с эмпирически найденным правилом Гейгера-Нуттола (1912). Значительно сложнее было объяснить теорию β-распада. В отличие от α-частиц, вылетающих с определенным значением энергии, что говорило о наличии в ядре определенных энергетических уровней, β-частицы вылетают со всевозможными значениями энергий, не превышающими определенного максимального значения. Это максимальное значение энергии в точности равно разности энергий материнского и дочернего элементов. Но так как большинство частиц вылетает с энергией, меньшей, чем эта максимальная энергия, то возникает вопрос: куда делась эта недостающая энергия? Эллис и Вустер в 1927 г. пытались "перехватить" эту энергию, исследуя β-распад в толстостенном калориметре. Оказалось, что полученная калориметром энергия меньше разности энергий материнского и дочернего веществ, часть энергии исчезла. Некоторые физики заговорили в связи с этим о неприменимости закона сохранения энергии к β-распаду. Другая трудность, связанная с β-распадом, была связана с законом сохранения момента количества движения. Известно, что электрон обладает моментом количества движения - "спином", равным половине планковской постоянной, деленной на 2π, ¹/₂^h/_2π("полуцелый спин"). Оказалось, что таким же спином обладает и протон. В соответствии с протонно-электронной теорией ядро азота должно состоять из 21 частицы (14 протонов и 7 электронов) и спин ядра должен быть полуцелым. Это обстоятельство получило в истории ядерной физики название "азотной катастрофы". Кроме того, при вылете β-частицы характер спина ядра должен меняться на ¹/₂, и, следовательно, для ядра с целым спином после β-распада спин должен становиться полуцелым, и наоборот. Однако оказалось, что при β-распаде характер спина ядра не меняется.

Вывод из всех затруднений был найден В. Паули в 1931г. введением гипотезы нейтральной частицы с малой (нулевой) массой покоя и полуцелым спином. Эта частица должна быть ответственна и за унос энергии и за сохранение спина. Поскольку она нейтральна и обладает малой массой, вещество Для нее почти абсолютно прозрачно, стенки калориметров Эллиса и Вустера для нее не существовали. Паули предложил эту частицу назвать нейтроном. Но в 1932 г. был открыт нейтрон и по предложению итальянского физика Ферми гипотетическая частица Паули стала называться "нейтрино".

В 1932 г. Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили отказаться от протонно-электронной модели ядра и заменить ее протонно-нейтронной моделью, ставшей с тех пор общепринятой моделью ядра Согласно этой теории электроны не содержатся в ядре, а получаются в результате распада нейтрона. Э. Ферми предположил, что нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино, так что выполняются и закон сохранения энергии и закон сохранения спина. Применив к этому процессу методы квантовой механики, он построил теорию Р-распада, приводящую к уравнениям, дающим вероятность испускания Р-частицы с энергией, лежащей в определенных пределах.

Основной задачей теории ядра было изучение природы ядерных сил. Существенный шаг в этом направлении сделали в 1934 г. советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм, показавшие, что ядерное взаимодействие можно интерпретировать как обмен частицами между нуклонами. Предполагалось что такими частицами могут быть электроны и нейтрино. И. Е. Тамм показал, что эти частицы обеспечивают только слабые взаимодействия, порядок которых в 10¹⁰ раз меньше ядерных взаимодействий.

Японский физик Юкава в 1935 г. предположил, что частицами, обусловливающими взаимодействие между нуклонами, должны быть новые частицы с массой, промежуточной между массой электрона и протона. Такие частицы, получившие название мезонов, были действительно открыты в космических лучах в 1937 г. Андерсоном и Неддермейером. Однако эти частицы не взаимодействовали с ядрами и потому не могли быть ответственны за взаимодействие нуклонов. Вопрос о природе ядерных сил оставался открытым. В 1937 г. Майорана определил, что ядерные силы обладают свойством насыщения. В 1935 г. Вейцзекер установил полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра. Я. И. Френкель и Н. Бор предложили капельную модель ядра. В 1936 г. Н. Бор дал теорию захвата нуклона ядром с образованием составного ядра. Вопросы, связанные со строением ядра, энергией связи и т. д., требовали точного определения масс протонов. Техника масс-спектроскопических измерений усиленно развивалась в промежутке между двумя войнами. Для анализа изотопов были построены масс-спектрографы и масс-спектрометры. Первые масс-спектрографы сконструировали Ф. Астон и Демпстер в 1918-1919 гг.

В 1922 г. Ф. Астон повысил разрешающую способность своего прибора до 10^-4. С этим прибором он исследовал "упаковочный множитель" различных ядер и в 1927 г. построил кривую зависимости "упаковочного множителя" от массового числа.

В 1930 г. Бейнбридж в Франклиновском институте построил усовершенствованный масс-спектрограф, с которым он исследовал масс-спектры щелочных металлов. Он усовершенствовал свой прибор в 1933 г., применив "селектор скоростей". В дальнейшем появились усовершенствованные приборы Ф. Астона (1937), Маттауха (1936), Демпстера (1935), Бейнбриджа и Джордана (1936) и Джордана (1940).

Из результатов, полученных до второй мировой войны, в области исследования изотопов особенно важным было открытие изотопов водорода - дейтерия, сделанное Г. Юри, Бриккведом и Мерфи (1932). За это открытие в 1934 г. Юри присудили Нобелевскую премию по химии. Другим замечательным результатом было открытие Демпстером в 1935 г. изотопа урана-235.

Как мы уже видели, Резерфорд в 1922 г. ясно понимал, что для дальнейшего проникновения в ядро требуются частицы, обладающие высокой энергией (энергия α-частицы составляла 1-7 Мэв). Резерфорд мечтал о снарядах, превышающих эту энергию в 10 раз. Физики начали осуществлять эту программу, конструируя приборы, ускоряющие заряженные частицы,- ускорители.

Одним из первых ускорителей был каскадный ускоритель, построенный по схеме умножения напряжения, разработанный в Швейцарии Грейнахером в 1920 г., Кокрофтом и Уолтоном в 1929 г. Кокрофт и Уолтон получили протоны с энергией в 380 000 эв. Этот ускоритель был построен в лаборатории Резерфорда в Кембридже. В 1932 г. Кокрофт и Уолтон протонами, полученными в их ускорителях, бомбардировали литий. Им удалось наблюдать реакцию, в которой "изотоп лития с массой 7 захватывает протон и получающееся в результате ядро с массой 8 распадается на две частицы: α-частицы с массой 4". Измеряя пробег α-частиц, Кокрофт и Уолтон показали, что каждая из двух образовавшихся α-частиц уносит энергию приблизительно в 8,5 Мэв, что в сумме составляет 17 Мэв. Это было первым убедительным доказательством соотношения Эйнштейна. В 1933 г. Вейнбридж показал, что разность масс лития и водорода и двух α-частиц, получающихся в результате реакции, в точности соответствует энергии, выделяющейся при реакции.

В 1931 г. Ван-де-Грааф в США построил электростатический ускоритель с потенциалом в 1,5 Мэв. В том же году в США Слоан и Лоуренс, используя высказанный Видероэ принцип, построили линейный ускоритель, в котором частицы, проходя ряд цилиндрических трубок, разгонялись высокочастотным напряжением, частота которого подбиралась так, чтобы частицы, выходя из очередного цилиндра, всегда попадали в ускоряющую фазу напряжения.

Недостатком этого ускорителя была большая длина его. Поэтому в 1930 г. Лоуренс и Эделффсенс предложили применить высокочастотное ускоряющее поле к частицам, двигающимся по кругу в магнитном поле. Первый прибор такого типа - циклотрон - был построен Лоуренсом и Ливингстоном в 1931 г. Прибор Лоуренса первоначально назывался "магнитный резонансный ускоритель", но с 1936 г. вошло во всеобщее употребление название "циклотрон". Первая модель циклотрона имела диаметр магнитных полюсов 28 см и давала протоны с энергией в 1,22 Мэв.

Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри в лаборатории

В 1939 г. Лоуренс построил в Беркли циклотрон с диаметром магнитных полюсов 152 см и весом магнита 200 Т. Этот циклотрон давал дейтроны с энергией 20 Мэв, α-частицы с энергией 40 Мэв и был самым мощным из довоенных ускорителей.

Важнейшие открытия в ядерной физике довоенного периода делались старыми скромными средствами. Так, супруги Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри бомбардировали α-частицами алюминиевую фольгу. При этом выделялись нейтроны и позитроны. Можно было подумать, что происходила реакция типа резерфордовской реакции 1919 г., в которой образовавшийся протон распадался на нейтрон и позитрон. Но супруги Жолио-Кюри нашли, что после удаления полония, служащего источником α-частиц, образование нейтронов прекращалось, а позитроны выделялись с убывающей активностью по закону радиоактивного распада. Исследователи сделали поразительный вывод: в результате бомбардировки алюминия получался искусственный радиоактивный изотоп фосфора с позитронной активностью. Реакция происходила по схеме:

и фосфор распадался по схеме:

Жолио-Кюри доказали путем химического анализа что радиоактивный изотоп с позитронной активностью действительно фосфор. Они обнаружили также искусственную радиоактивность при бомбардировке α-частицами бора и магния, получив радиоактивные изотопы ₇N¹³ и ₁₄Si²⁷. Так была открыта искусственная радиоактивность. В Объединенном институте ядерных исследований в Дубне есть стенд с моделями приборов Жолио-Кюри, в которых были получены первые радиоактивные изотопы фосфора и азота. При помощи этих скромных пробирок Жолио-Кюри сделали открытие большой важности.

С такими же приборами в том же 1934 г. Энрико Ферми начал серию экспериментов, приведших в конце концов к открытию атомной энергии. Источником нейтронов в этих экспериментах были ампулы длиной 1,5 см, заполненные зернами бериллия. В ампулу вводилось некоторое количество эманации радия. С этим источником нейтронов Ферми с сотрудником получили искусственные радиоактивные элементы "Опыт выполняется следующим образом,- писал Ферми.- В непосредственной близости от источника нейтронов помещается пластинка алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляется на некоторое время, которое может составлять минуты, часы, дни (в зависимости от случая). Нейтроны, вылетающие из источников, ударяют в какие-либо из ядер вещества... При этом происходит множество реакций самого различного типа..."

Энрико Ферми

"... Во всех этих реакциях образуется ядро, отличное от исходного, потому что в одном случае нейтрон присоединяется к ядру и в других случаях он обменивается на протон или на альфа-частицу. Обычно исходят из устойчивого ядра, причем в большинстве случаев приходят к неустойчивому, т. е. радиоактивному ядру. Радиоактивность может быть измерена экспериментальными методами весьма большой чувствительности, в частности счетчиками Гейгера-Мюллера".

В этих опытах Ферми и его сотрудники Амальди Понтекорво (ныне советский физик), Сеггре и др. обнаружили в 1935 г. явление, казавшееся вначале весьма странным, неожиданное повышение активности в некоторых случаях. В поисках причины этого явления в одном из опытов между облучаемым объектом и источником поместили маленький кусочек парафина "Этот кусочек парафина,- писал Ферми,- увеличивал активность немедленно, хотя и немного. Поэтому возник вопрос: если это делает маленький кусочек парафина, что же сделает большое количество?".

"Помещая все большее и большее количество парафина, мы в самом деле увеличивали эффект: эффективность увеличивалась примерно в 20-50 раз, указывая, что мы действительно имеем дело со странным явлением. Однако потом стало понятно, что это странное явление, вероятно, должен был бы ожидать физик-теоретик; это был эффект замедления нейтронов (курсив мой.- П. К.)". Большая активная способность медленных нейтронов объясняется тем, "что в огромнейшем числе ядерных реакций эффективных сечений медленных нейтронов гораздо больше, чем быстрых нейтронов. Можно сказать, что медленные нейтроны имеют намного большую вероятность захватывания, чем быстрые". Это открытие имело огромное значение в деле получения атомной энергии. Ферми и его коллеги немедленно занялись изучением медленных нейтронов. Они облучали медленными нейтронами и уран. "Было отмечено,- писал Ферми,- что он ведет себя странно, но мы не предвидели, насколько странным окажется его поведение". В самом деле, при облучении урана была обнаружена активность с четырьмя периодами полураспада: 10 сек, 40 сек,13мин и 90мин. "Выяснилось,- писал Ферми,- что активность такого характера всегда была вызвана не теми элементами, которые исследовались. Мы исследовали уран, протактиний, торий и постепенно по периодической системе дошли до эманации, но не нашли такой активности. Тогда мы решили, что образуются трансурановые элементы".

Естественно, что этот вывод вызвал огромный интерес у физиков и химиков. Крупнейшие специалисты, в том числе О. Ган и И. и Ф. Жолио-Кюри, Л. Мейтнер, взялись за проверку этого вывода и изучение свойств трансурановых элементов. Не было недостатка и в скептицизме. Среди критических замечаний особенно интересным было высказывание Иды Ноддак, которая в статье "О элементе 93" критиковала выводы итальянских ученых. "Можно с одинаковым правом считать,- утверждала Ноддак,- что в этом новом типе ядерного расщепления, вызываемом нейтронами, имеют место ядерные реакции, отличающиеся от тех, которые наблюдались до этого при воздействии на атомные ядра протонов и α-лучей. Возможно, что при бомбардировке нейтронами тяжелых ядер последние разделятся на несколько больших осколков, которые в действительности представляют собой изотопы известных элементов, но не являются соседями облучаемых элементов". (Курсив мой.- П. К.)

На это важное указание не обратили внимание и продолжали искать сходства в новых элементах с соседними. Но этого сходства не было. В 1938 г. Ирэн Жолио-Кюри и Савич исследовали продукт облучения урана с периодом полураспада в 3,5 ч. Они назвали этот продукт "R (3,5 ч)". Оказалось, что этот продукт при химической обработке выделяется вместе с лантаном. "В целом,- писали они,- свойства R (3,5 ч) такие же, как свойства лантана". Но отождествить R (3,5 ч) с лантаном они не решились и полагали, что его в конце концов можно отделить от лантана. Проверяя выводы Кюри, Ган и Штрассман обнаружили среди активных элементов изотопы бария. До этого они полагали, что эти продукты являются изотопами радия, актиния, тория. Теперь они писали: "Как химики, мы должны заменить символ Ra, Ac, Th в схеме... на Ва, La и Се, как химики, работающие в области ядерной физики и тесно с нею связанные, мы не можем решиться на этот шаг, противоречащий всем предыдущим экспериментам". Статья, содержащая эти утверждения, была датирована 22 декабря 1938 г. и появилась в журнале "Натурвиссеншафт" в январе 1939 г.

Теперь результатами Гана и Штрассмана заинтересовались И. Кюри и Л. Мейтнер. Обсуждая вместе со своим племянником О. Фришем новые факты, они не могли не придти к выводу, что здесь имеет место новая реакция: деление ядра.

В письме от 16 января 1934 г., опубликованном в февральском номере "Нейчур", они писали: "На первый взгляд этот результат (Гана и Штрассмана) трудно понять. Возможность образования элементов, лежащих много ниже урана, рассматривалась и раньше, но всегда отвергалась по ряду физических причин, пока данные, полученные химическим путем, еще не были вполне очевидны. Испускание в течение короткого времени большого числа заряженных частиц можно считать исключенным вследствие малой проницаемости кулоновского барьера... Однако на основе новых представлений о поведении тяжелых ядер возникает совершенно другая... картина этих новых процессов распада... Представляется возможным, что ядро урана имеет лишь небольшую устойчивость формы и может после захвата нейтрона разделиться на два ядра примерно одинакового размера".

Деление ядер урана экспериментально подтвердил Фредерик Жолио-Кюри опытом в камере Вильсона. Этот факт был также подтвержден опытами американских физиков. Советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли спонтанное деление урана.

Теоретически явление деления исследовали Я. И. Френкель (СССР), Н. Бор и Уиллер. Они исходили из "капельной" модели ядра. Расчеты показали, что при делении получаются нейтроны. Вскоре они доказали возможность осуществления цепной реакции в массе урана. Вот как рассказывает об этом величайшем событии в истории науки Ф. Жолио-Кюри^*:

"Вместе с моими учениками Хальбаном и Коварским я поставил в 1939 году опыты, которые показали, что в каждом акте деления испускается в среднем около трех нейтронов. Отсюда следует, что, после того как бомбардирующий нейтрон вызовет в массе урана деление одного из ядер, происходит испускание трех нейтронов, способных играть роль таких же снарядов, что и первый нейтрон. Если в свою очередь более чем один из этих нейтронов вызовет деление ядер урана, то понятно, что процесс деления будет распространяться по всей массе урана, причем число актов деления будет возрастать в геометрической прогрессии. Таким образом, начинается цепная ядерная реакция взрывного характера, которую можно сравнить с распространением эпидемии. Энергия, освобождаемая при делении многих ядер, складывается и дает в сумме огромную энергию. Чем медленнее бомбардирующие нейтроны, тем больше вероятность того, что они вызовут деление. Для замедления нейтронов в урановую массу вводятся блоки из материала, состоящего из легких атомов, при соударении с которыми нейтроны по аналогии с биллиардными шарами теряют свою скорость, избегая, однако, при этом захвата их ядрами. Таким образом, большая масса чистого урана, в которой соответствующим образом расположены блоки для замедления нейтронов представляет собой такую систему, в которой в результате захвата одного нейтрона возникает взрывная реакция. Для того чтобы реакция могла протекать в меньшей массе урана, к нему добавляется некоторое количество специально приготовленных тяжелых элементов, которые благоприятствуют взрыву. Группа французских исследователей нашла способ торможения позволяющий задерживать развитие реакции прежде чем произойдет взрыв что позволяет практически использовать теплоту, выделяющуюся в урановой массе. Для этой цели достаточно периодически вводить в урановую массу стержни из материала, поглощающего нейтроны".

^* (Ф. Жолио-Кюри, Избранные труды, Изд. АН СССР, 1957, стр. 496.)

"Наша группа ученых, к которой присоединился Франсис Перрен, при помощи соответствующих опытов и теоретических расчетов подтвердила правильность изложенных выше принципов. Ценные материалы, накопленные перед войною и во время войны благодаря содействию Министерства вооружения и лично г-на Дотри, позволили изготовить отдельные элементы урановой машины. Это убедило нас в том, что такую установку можно осуществить на практике. Изобретателями были взяты патенты на имя Национального центра научных исследований, являющегося государственной организацией".

"Во время военного краха Хальбан и Коварский с моего согласия покинули Францию, снабженные полномочиями Министерства вооружения, и направились в Англию. Я доверил им документы и запасы ценнейшего продукта, за который нес ответственность. Надо отметить, что этот продукт удалось получить во время военных действий благодаря находчивости и мужеству нескольких офицеров, специально командированных Министерством вооружения".

С помощью этого продукта Хальбану и Коварскому, к которым присоединились английские ученые, удалось продолжить опыты в Англии. Лишь намного позднее американцы приступили к работам в этой области, получившим гигантский размах, что позволило им добиться результатов, ставших к настоящему времени известными.

Обстановка в Германии и мировая война способствовали тому, что в США в годы второй мировой войны собралось большое количество европейских физиков, принявших активное участие в создании атомной бомбы.

2 декабря 1942 г. в металлургической лаборатории в Чикаго группой физиков под руководством Э. Ферми был пущен первый ядерный реактор Первоначально его мощность была 0,5 вт, к 12 декабря она была доведена до 200 вт.

С весны 1943 г. началось строительство атомных заводов в Хэнфорде, в отдельном районе штата Вашингтон. Здесь производились операции разделения изотопов урана и производство плутония. Первый большой хэн-фордовский реактор был пущен в сентябре 1944 г. Для изготовления атомной бомбы из продукции хэнфордовских заводов была построена специальная военная лаборатория в Лос-Аламосе, в штате Нью-Мексико. В работах в Лос-Аламосе принимала участие группа физиков во главе с Робертом Оппенгеймером, физиком-теоретиком из Калифорнийского университета. Эти работы велись под руководством военных организаций в обстановке военной секретности. 16 июля 1945 г. на отдаленном участке авиабазы Аламогородо, в 120 милях к юго-востоку от Альбукерка, в 5 ч 30 мин утра был произведен первый атомный взрыв. А 6 августа 1945 г. совершилось небывалое преступление - атомная бомба была сброшена американской авиацией над японским городом Хиросимой, несколькими днями позже - над Нагасаки. Это была неоправданная жестокость, не вызванная военной необходимостью, принесшая неслыханные жертвы.

Атомная энергия родилась в обстановке войны и для военных целей. Но окончательный успех в освоении атомной энергии был результатом международной научной мысли. Один из участников "атомного проекта" американский физик Р. Лэпп писал:

"Нередко американцы, ослепленные гигантскими размерами заводов в Окридже и Хэнфорде, не понимают, что их сооружение было достижением чисто технического порядка. В основу этих достижений были положены важнейшие научные принципы, разработанные главным образом в Европе. Эти принципы, на основе которых была создана американская бомба, были разработаны гением ученых различных стран: лордом Резерфордом (Англия), профессором Эйнштейном (Германия), супругами Жолио-Кюри (Франция), Ферми (Италия), Ганом и Штрассманом (Германия), Бором (Дания). Этот длинный список включает ученых почти каждой европейской страны, в том числе и России"^*.

^* (Р. Лэпп, Новая сила, Об атомах и людях, ИЛ, М., 1954, стр. 46.)

"Если бы мы пользовались услугами одних лишь чистокровных американцев,- писал Р. Лэпп,- мы погубили бы наш атомный проект. Говоря так, я отнюдь не имею в виду принизить американскую науку или сделать вывод, что одни американцы не в состоянии были бы создать атомную бомбу. Но почти несомненно, что без таких талантливых "иностранцев", как Ферми, Бете, Вигнер и Теллер - я ограничиваюсь здесь только несколькими именами,- нам потребовалось бы гораздо больше времени для изготовления бомбы"^*.

^* (Р. Лэпп, Новая сила, Об атомах и людях, ИЛ, М., 1954, стр. 46-47.)

Так или иначе атомная бомба была создана, и в науке, как и в обществе, возникла новая ситуация, подобной которой еще не знала история.