Роберт Оппенгеймер и атомная бомба
Шрифт:
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
Исследования, проведенные Фришем в Копенгагене и Жолио в Париже в январе 1939 года, подтвердили теоретические расчеты: высвобождающаяся при делении одного ядра энергия оказалась равной примерно 200 миллионам электрон-вольт.
Мы уже знаем, что ядра урана, бомбардируемые нейтронами, в свою очередь испускают нейтроны. Возникает второй вопрос: откуда появляются вторичные нейтроны? Оказывается, в их происхождении нет ничего загадочного. Ядра всех элементов содержат протоны и нейтроны (кроме водорода, состоящего только из одного протона), но отношение числа нейтронов к числу протонов в тяжелых ядрах увеличивается по сравнению с ядрами легких элементов.
При расколе ядра урана появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер, возникающих при делении. Некоторые из этих нейтронов, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, одновременно испуская один электрон: это отрицательная бета-радиоактивность. Избыточные нейтроны выбрасываются из ядра и остаются в течение некоторого времени в свободном состоянии.
Об эмиссии нескольких нейтронов расколовшимся ядром урана стало известно в начале 1939 года после сообщений, поступивших, с одной стороны, от Жолио и его сотрудников, а с другой – от Хэнни и Розенберга. Явление эмиссии натолкнуло многих физиков на одну и ту же невероятную мысль. Если деление первого ядра, находящегося где-то в толще куска урана, может создать несколько нейтронов, каждый из которых вызовет деление находящегося поблизости другого ядра, то каждое из ядер, подвергнувшихся такому делению, также выделит нейтроны и т.д. Это – цепная реакция, возможность которой была предсказана почти одновременно многими учеными, среди которых были Сциллард и Жолио.
Заметим, что нейтроны – не единственные снаряды, способные вызвать деление ядра урана, для этого годятся также положительно заряженные частицы, которым сообщено соответствующее ускорение. Но практический интерес представляет реакция только под действием нейтронов, потому что в самом процессе деления появляются нейтроны в возрастающем количестве и они, таким образом, являются бесплатными снарядами, обеспечивающими самоподдерживающую реакцию.
Цепная реакция предвещала не только переворот в науке, если учесть время, когда это грандиозное открытие появилось на горизонте.
С самого начала ядерная энергия предстала как источник энергии, несравненно превосходящий по запасам все другие известные к тому времени виды энергии. Было подсчитано, что каждый «разделенный» атом высвобождает около 200 миллионов электронвольт энергии. Сгорание одного атома углерода выделяет энергию, в пять – десять миллионов раз меньшую.
Если же сравнить не атомы, а вес (один атом углерода, разумеется, легче одного атома урана), то мы получим, что сгорание одного грамма углерода выделяет энергию 0,0089 киловатт-часа, а деление одного грамма урана – 22 000 киловатт-часов, т.е. примерно в 2,5 миллиона раз больше.
Уран не является редким металлом – наоборот. До сих пор поиски урана и его добыча велись не очень активно, и это объясняется только ограниченностью его потребления в промышленности. Если бы человечество сумело использовать энергию ядра урана, то ему не пришлось бы бояться истощения месторождений угля и нефти: страшная угроза энергетического голода отдалилась бы на много веков. Ученый-атомник стал бы современным Прометеем, похитившим у богов новый огонь.
Однако этот же огонь мог оказаться и
Что станет с цивилизацией, если мрак фашизма охватит всю Западную Европу, а потом, может быть, и весь мир? Уцелеют ли те интеллектуальные и моральные ценности, с которыми ученые связаны не просто как люди, а как люди науки? Ответ на этот страшный вопрос зависел от исхода предстоящей войны. И эту войну Гитлер, безусловно, выиграл бы, если бы физики дали ему в руки оружие массового уничтожения, теоретическая возможность создания которого появилась в результате открытия деления урана.
Ученые-атомники оказались перед проблемой, уклониться от которой значило пойти на сговор с собственной совестью. С одной стороны, продолжая свои исследования взрывной реакции деления урана, они шли к созданию такого оружия, которое далеко превзошло бы по своим возможностям все, что когда-либо делали люди для взаимного уничтожения, и которое могло бы поставить под угрозу существование человечества. С другой стороны, отсрочка работ или изменение их направления могли помочь вырваться вперед той горсточке физиков, которые остались служить нацизму, и тогда оружие попало бы в руки губителей всякой надежды на лучшее будущее.
Рассказывают, что когда перед Отто Ганом кто-то начал развивать возможные перспективы применения ядерных превращений, то Ган закричал: «Бог этого не допустит!». В это же самое время немецкие солдаты застегивали на себе ремни с пряжками, на которых были выбиты слова: «Gott mit uns» [6] . Тем не менее факт остается фактом, хотя о нем достоверно стало известно только значительно позже, физики, оставшиеся в Германии, изменили направление своих исследований, проводившихся во время войны, и их работы уже не могли привести к созданию бомбы.
6
С нами бог (нем.).
Что касается венгерского физика Сцилларда, эмигрировавшего в Америку, то он предложил ученым прекратить всякую публикацию работ, относящихся к делению урана, для того чтобы полученные результаты не могли быть использованы в Германии. В письме, написанном Фредерику Жолио, он сформулировал свое пожелание в следующей форме, прекрасно отражающей ту драматическую ситуацию, в которой тогда находились ученые: «Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нолю, либо недостаточно и что нам не придется больше беспокоиться по этому поводу».
Однако через несколько недель решающий эксперимент, проведенный группой Жолио, разрушил отчаянные надежды Сцилларда: на 100 делящихся ядер урана французские физики насчитали от 280 до 420 вторичных нейтронов. Возможность цепной реакции оказалась, таким образом, подтвержденной цифрами.
Однако до практического осуществления реакции было еще далеко. Для того чтобы научиться управлять цепной реакцией, необходимо было лучше понять особенности этого нового явления, а следовательно, снова направить теоретические исследования к познанию атомного ядра. И тогда Нильс Бор, который находился еще в Копенгагене, но тоже собирался переехать в Америку, еще раз внес важный вклад в решение этой проблемы.