Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра
Шрифт:
В течение последних четырех месяцев [...] стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов [...].
Это новое явление способно привести также к созданию бомб и возможно — хотя и менее достоверно — исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт c прилегающей территорией [...].
Искренне
ГЕЙЗЕНБЕРГ И БОМБА
Немцы начали исследовательский проект по созданию атомной бомбы в 1939 году, за два года до американцев. В их распоряжении были прекрасно подготовленные ученые и инженеры, а также необходимые материалы, например уран из рудника Яхимов в Чехословакии. Вернер Гейзенберг в те годы был самым знаменитым немецким ученым после Эйнштейна, он казался наиболее подходящей кандидатурой, чтобы возглавить проект по созданию атомной бомбы.
Привычное для Гейзенберга сотрудничество с еврейскими учеными возбудило подозрения защитников «немецкой физики» — движения, заявлявшего об ошибочности и вредности «еврейской» физики. Йоханнес Штарк, один из лидеров этого движения, в своей публикации обвинил Гейзенберга в отсутствии патриотизма. Военная и полицейская нацистская организация СС (сокращение от нем. Schultzstaffel — «отряды охраны») решила провести расследование и допросила Гейзенберга. Это был самый опасный момент в жизни ученого. Но все устроилось благодаря его матери, лично знавшей мать Генриха Гиммлера, руководителя СС. В любом случае, с этого времени Гейзенберг находился под подозрением, и ему нужно было доказывать собственную лояльность нацистам.
Когда в 1939 году Гейзенберг поехал в США, чтобы прочитать серию лекций в разных университетах, все понимали, что в Европе скоро начнется война, поэтому ученый получил несколько предложений о работе от разных университетов, но отклонил их и вернулся на родину. Как видите, у Гейзенберга была возможность порвать с нацистским правительством, но он не воспользовался ею. Почему он это сделал, неясно: возможно, ученый стремился защитить семью, остававшуюся в Германии, а возможно — испытывал преданность по отношению к своей стране. Корабль, на котором Гейзенберг плыл обратно, шел полупустым — никто не решался ехать в Европу, зная о неизбежности военного конфликта.
В начале войны физик получил от военного департамента инструкции по исследованию возможностей применения расщепления ядра в военных целях. Гейзенберг в 1940 году составил несколько докладов о возможности создания атомной бомбы, в которых описал этапы ее разработки. Он сам и большая команда ученых начали серию экспериментов ключевой части проекта, в частности для наблюдения за поглощением нейтронов. Часть лаборатории, где должен был быть построен ядерный реактор, находилась в Берлине, в Институте физики имени кайзера Вильгельма, который стали называть Вирусным домом, чтобы отпугнуть любопытную публику. Когда в конце войны советские войска захватили Берлин, это здание было одной из военных целей. Для Советского Союза было важно получить большое количество урана для ядерной программы.
Другие важные лаборатории находились в Лейпциге и в маленьком городе на юге Германии Хайгерлохе, где эксперименты ставили в церковном подвале.
Исследователи по своей воле могут разбивать и создавать атомы, могут осуществлять цепные реакции, приводящие к взрыву. Если эти трансмутации материи будут развиваться, можно получить большое количество свободной энергии для использования.
Фредерик Жолио в 1935 году в речи после получения Нобелевской премии по химии
Ученым
ИЗОТОПЫ УРАНА
Уран, который встречается в природе, представляет собой смесь двух изотопов — урана-235 и урана-238. Второй изотоп довольно распространен и составляет 99, 2% природного урана, оставшиеся 0, 8% представлены ураном-235. Однако для цепной реакции необходим именно этот, более редкий изотоп. Когда уран-238 поглощает нейтрон, вместо расщепления происходят бета-распад и трансмутация в плутон-239. Уран-235 легко расщепляется нейтронами определенного вида энергии — кинетической. Когда источник состоит из смеси двух изотопов, с большим содержанием урана-238, этот изотоп поглощает большую часть нейтронов и делает цепную реакцию невозможной. Поэтому для осуществления поддерживаемой цепной реакции нужно использовать смесь с преобладанием урана-235, которую называют обогащенным ураном. Процесс обогащения урана состоит в очищении смеси и увеличении содержания в ней урана-235. Считается, что для создания атомной бомбы необходимо достичь 90% содержания этого изотопа. Разделить два изотопа непросто, и немецким ученым не удалось разработать достаточно удачный метод обогащения урана, что в конце концов означало провал проекта. Исследователи, участвовавшие в Манхэттенском проекте, напротив, смогли найти метод обогащения урана на заводе Оак-Ридж (Теннеси), благодаря чему создание первой атомной бомбы стало реальностью.
Зал контрольных панелей на заводе Оак-Ридж, фундаментальная часть Манхэттенского проекта.
Хотя Отто Ган не участвовал в разработке бомбы, он установил, что для цепной реакции необходимо использовать уран- 235, добыть который гораздо труднее, чем уран-238.
Еще одним техническим вопросом, который нужно решить для создания бомбы, был вопрос обеспечения веществом для замедления нейтронов. Как было открыто Ферми и Мейтнер, медленные нейтроны имеют при расщеплении большую эффективность. Когда воздействие нейтронов происходит на определенной скорости — при низкой кинетической энергии, — их поглощение ядром становится более вероятным, что увеличивает и вероятность расщепления (см. рисунок 2). Для торможения нейтронов использовали разные вещества, и было решено, что наилучшим вариантом является тяжелая вода. Она отличается от обычной воды тем, что водород в ее молекулах представлен изотопом дейтерием, имеющим в ядре не только протон, но и дополнительный нейтрон.
Уже в 1941 году Гейзенберг был готов разработать контейнер для урана и тяжелой воды, чтобы осуществить цепную реакцию. Вначале попытки были безуспешны, так как ученый недооценил важность расчета критической массы урана, необходимой для цепной реакции. После неоднократных повторов опыта в начале 1942 года он убедился, что цепная реакция началась. Она не была поддерживаемой, однако Гейзенбергу удалось обнаружить умножающийся эффект индуцированного расщепления. В работу вновь вкралась ошибка: использование пластин урана вместо сфер сделало работу реактора невозможной.