Роберт Оппенгеймер и атомная бомба - [14]

III. Деление урана

Открытие нейтрона привело к новым путям исследования атомного ядра. Электрически заряженные частицы – протоны или альфа-частицы – могут столкнуться с атомным ядром, только если им сообщить энергию, достаточную для преодоления электрической силы отталкивания. Нейтрон же, лишенный какого-либо электрического заряда, беспрепятственно преодолевает потенциальный барьер, не испытывая никакого противодействия со стороны ядра. Эта частица, открытая Чедвиком, оказалась превосходным снарядом для осуществления реакции ядерного превращения. При бомбардировке различных элементов нейтронами происходят ядерные реакции, сходные с теми, которые протекают под действием протонов и альфа-частиц: после удара частицы ядро распадается, выделяя одну легкую частицу и превращаясь в ядро элемента с соседним атомным номером. Однако при наблюдении ядерной реакции урана обнаружилась совершенно иная картина: ядро после столкновения с нейтроном раскалывалось на два более легких ядра, которые соответствовали весьма далеким от урана химическим элементам.

Этот результат был настолько неожиданным, что даже тот, кто его впервые получил – итальянский физик Энрико Ферми, – ничего не понял. Он собирался воспроизвести знаменитые парижские опыты супругов Жолио, которые только что открыли искусственную радиоактивность, но вместо альфа-частиц, использованных французскими физиками для бомбардировки элементов, он решил применить нейтроны. Некоторые из элементов, подвергнутых бомбардировке, обнаружили радиоактивность, свидетельствующую о ядерных превращениях. При этом Ферми заметил, что радиоактивность значительно увеличивалась, если направляемые нейтроны предварительно пропускались через воду или через парафин. Это был парадоксальный факт. Но Ферми не представлял себе реально происходящего процесса, поэтому когда он приступил к химическому анализу веществ, возникших в результате бомбардировки урана нейтронами, то рассчитывал идентифицировать элемент, более тяжелый, чем уран, трансурановый элемент с атомным номером 93.

Элемент 93 в настоящее время хорошо известен – это нептуний. Его действительно можно получить, бомбардируя уран нейтронами в определенных условиях. Но тогда Ферми ошибался. Ядерные превращения, которые ему удалось получить, означали поворот в физике. Ферми был, безусловно, первым, кому удалось осуществить расщепление ядра урана. Такая мысль не приходила ему в голову, так как ему казалось невероятным, чтобы ядро разлетелось на куски под ударом нейтрона, в то время как это не удавалось сделать с помощью частиц гораздо больших энергий – альфа-частиц и протонов.

Опыты Ферми, повторенные многими учеными, повлекли за собой довольно бурные дискуссии. Немецкая исследовательница химик Ноддак была первой, кто правильно предугадал смысл наблюдавшегося явления. Она писала: «Ничто не противоречит допущению, что это ядерное превращение под действием нейтронов сопутствует реакциям, совершенно отличным от тех, которые возникают при бомбардировке атомных ядер протонами или альфа-частицами».

В Париже в течение 1938 года – года Мюнхена и вторжения в Чехословакию – Ирэн Жолио-Кюри со своим сотрудником Савичем провела работы по бомбардировке урана нейтронами. В результате исследований они получили вещество, сходное с лантаном – элементом, весьма далеким от урана по таблице Менделеева.

В Берлине Отто Ган, который долгие годы поддерживал гипотезу Ферми относительно трансурановых элементов, неожиданно переменил свою точку зрения и, повторив вместе со своим сотрудником Штрассманом опыты Ирэн Жолио-Кюри, доказал, что неизвестное вещество, сходное с лантаном, не что иное, как барий. Барий имеет атомный номер 56, а это означает, что его ядро содержит чуть больше половины числа протонов в ядре урана (92). Таким образом, ядро урана раскалывается на более легкие ядра, среди которых и ядро бария (в настоящее время известно, что при этом возникают и другие элементы). Отто Ган назвал этот процесс расщеплением; термин деление появился гораздо позднее.

Деление урана сопровождается выделением энергии, а также освобождением нейтронов. Но прежде чем показать, каким образом, вопреки предсказанию Резерфорда, вскоре стали использовать эту энергию в качестве источника огромной энергии и даже в виде взрыва, а также проследить за ролью Роберта Оппенгеймера, бросим беглый взгляд на те открытия, которые подтвердили возможность цепной реакции и были сделаны за несколько месяцев до второй мировой войны.

Прежде всего, откуда берется энергия, выделяющаяся во время деления ядра урана?

Если массу атомного ядра «взвесить» с помощью методов современной физики, то окажется, что она несколько меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра. Эта разность, или дефект массы, соответствует энергии, высвобождающейся при образовании ядра. Дефект массы является еще одним подтверждением знаменитого уравнения Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Если разделить дефект массы ядра на число частиц, которое оно содержит, то оказывается, что это отношение неодинаково для всех элементов. Оно достигает максимальной величины для элементов среднего атомного веса и уменьшается для более легких и более тяжелых элементов. Было обнаружено также, что при расколе ядра самого тяжелого элемента – урана – на множество ядер элементов среднего веса, сумма масс созданных новых ядер меньше массы ядра урана. Эта разность превратилась в энергию, распределившуюся между различными формами излучения, а также сообщенную осколкам деления и нейтронам в виде импульсов количества движения.