Гейзенберг. Принцип неопределенности

Глава 5 Деление ядра и ядерное оружие

В двух мировых войнах, определивших лицо XX века, широко использовались достижения науки и техники, что стало причиной неутихающих споров о моральной ответственности ученых. Во время Второй мировой войны Германия стала первой страной, где были начаты работы по ядерной программе, одну из ключевых ролей в которой сыграл Вернер Гейзенберг.

Этот период стал наиболее противоречивым в его жизни, что особенно ярко проявилось во время визита ученого в Копенгаген в 1941 году.

Весной и летом 1939 года ученые Германии, Великобритании и США уведомили политических и военных руководителей своих стран о возможности создания взрывного устройства, которое будет в миллион раз мощнее любого из известных на тот момент. Этот шаг был продиктован ощущением неизбежности войны, которая действительно началась 1 сентября, в день вторжения Германии в Польшу. Вторая мировая война стала примером беспрецедентного сотрудничества фундаментальной и прикладной науки и техники. В результате на свет появились радар, крылатые ракеты «Фау-1» и «Фау-2», а также атомная бомба. Спустя несколько недель после начала войны Гейзенберг был мобилизован для участия в немецкой ядерной программе.

Открытие нейтрона в 1932 году сыграло ключевую роль в понимании структуры атомных ядер. Итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) сразу же заметил, что нейтрон, не имеющий электрического заряда, может легко проникать внутрь атомных ядер. Он провел систематическое исследование, облучив ядра всех элементов периодической таблицы пучками нейтронов.

Лиза Мейтнер (1878-1968) получила докторскую степень в Венском университете в 1905 году, став в Австрии второй женщиной – доктором физических наук. В 1907 году она переехала в Берлин, чтобы учиться у Макса Планка. Почти сразу же после приезда началось ее плодотворное сотрудничество с Отто Ганом, кульминацией которого стало открытие протактиния в 1917 году, за что Мейтнер и Ган неоднократно выдвигались на Нобелевскую премию. В 1926 году Мейтнер стала профессором Берлинского университета и первой женщиной в Германии, получившей столь высокое научное звание. В 1930-е годы она совместно с Ганом начала эксперименты, которые привели к открытию деления атомного ядра. С аннексией Австрии в 1938 году Мейтнер стала гражданкой Германии и подверглась преследованиям ввиду еврейского происхождения. Она вовремя покинула Германию – всего через несколько дней в берлинское Общество кайзера Вильгельма пришло письмо из министерства, в котором стоял вопрос о «доле еврейской крови» профессора Мейтнер. Пробыв некоторое время в Голландии, Мейтнер получила работу в Швеции. Жалование было более чем скромным, оборудования не хватало. Она отказалась принимать участие в Манхэттенском проекте, сказав: «Я никогда не сделаю ничего для создания бомбы». В 1947 году, к 70-летию Лизы Мейтнер, Стокгольмский университет присвоил ей звание профессора.

Как и ожидалось, Ферми получил новые радиоактивные изотопы. В ходе изучения урана, самого тяжелого химического элемента в природе, ученый посчитал, что получил новые химические элементы с Z = 93 и 94 (для урана Z = 92), то есть трансурановые элементы. Однако группа Ферми не располагала необходимым оборудованием и должным опытом для того, чтобы однозначно определить присутствие подобных элементов. В Берлине условия для проведения подобных экспериментов были более подходящими. Работы австрийского физика Лизы Мейтнер и немецкого ученого Отто Гана очень высоко ценились с момента открытия ими протактиния в 1917 году. Теперь, по инициативе Мейтнер, они занялись поисками трансурановых элементов. Мейтнер готовила опыты по облучению урана нейтронами, Ган выделял продукты облучения с помощью химических методов, после чего Мейтнер описывала излучение элементов, полученных в ходе опытов. Однако вскоре произошло нечто неожиданное.

В конце 1938 года Ган и его юный коллега Фриц Штрассман обнаружили среди продуктов химической реакции барий. Это было неожиданно, ведь барий с атомным числом 56 не был трансурановым элементом. К этому времени Мейтнер уже покинула Германию с ее новыми нацистскими законами, однако из Швеции поддерживала переписку с Ганом, который сообщил коллеге о полученных результатах: «Наш «радиоактивный изотоп» демонстрирует те же свойства, что и барий […] Возможно, вы предложите нам некое фантастическое объяснение этому». По счастливой случайности, это письмо попало к Мейтнер именно тогда, когда ее племянник, Отто Фриш, гостил у нее на новогодних каникулах. Фриш также был физиком (он работал в институте Бора), и тетя с племянником провели праздники за тем, что вновь и вновь пытались объяснить результаты, полученные Ганом. Им удалось предложить удовлетворительное объяснение, взяв за основу недавно созданную модель, в которой атомное ядро уподоблялось капле жидкости.

Взаимное притяжение атомов в капле воды удерживает их рядом, однако их положение не фиксировано, поэтому капля воды меняет форму. Однако чтобы изменить форму капли, то есть увеличить площадь ее поверхности, нужно затратить некоторую энергию, определяемую поверхностным натяжением. Нечто подобное происходит и с атомными ядрами: нуклоны – протоны и нейтроны – удерживаются внутри ядра, которое может деформироваться подобно капле жидкости. Кроме того, следует учесть силу отталкивания протонов. Представим себе ядро урана (Z = 92) как ядро бария (Z = 56), соединенное с ядром криптона (Z = 36). Оно не распадается потому, что сохраняется равновесие между силами притяжения, удерживающими вместе ядра бария и криптона, и силами отталкивания. Однако это равновесие можно нарушить, добавив к ядру еще один нейтрон. При этом исходное ядро начнет совершать колебания и в итоге распадется на два ядра со значениями Z, меньшими, чем исходное, – именно такой эффект наблюдали Ган и Штрассман. Мейтнер и Фриш назвали этот процесс делением ядра и оценили величину энергии, выделяемую при реакции. Она была просто огромной.

Вернувшись в Копенгаген, Фриш сообщил о полученных результатах Бору в тот самый момент, когда тот отправлялся в поездку по США. В конце января 1939 года новость об открытии деления ядра распространилась по всему миру, и физики в различных лабораториях начали проводить многочисленные эксперименты, стремясь подтвердить последние результаты. Стало понятно, что при каждом делении ядра выделяется разное число нейтронов (в среднем 2,4), которые, в свою очередь, могут спровоцировать деление новых ядер урана. Этот процесс может вызвать цепную реакцию, способную высвободить за очень короткое время огромную энергию. Так, при полном делении килограмма урана выделяется столько же энергии, что и при взрыве примерно 10 000 тонн тротила. В свете грядущей войны открытие приобрело огромную важность.

Важнейшие теоретические особенности этого явления изучил Бор совместно с американским физиком Джоном Уилером. Статья с результатами была опубликована в июне. Исследование шло очень быстро, и это соответствовало всеобщему интересу к новому явлению. Попытаемся описать суть вопроса. Деление изотопа U238, который встречается чаще всего (он составляет 99,3 % от всего урана в природе), происходит только при бомбардировке нейтронами с очень большой энергией. С большей вероятностью в результате облучения образуется изотоп U239. Однако деление более редкого изотопа, U235, можно вызвать даже более медленными нейтронами. Так как нейтроны, испускаемые при делении ядра, обладают разной энергией, если мы представим, что они вызывают деление соседнего атома U235, наиболее быстрые нейтроны нужно будет «затормозить», чтобы они не были поглощены атомами U238.

Когда к ядру атома U235 присоединяется нейтрон, образуется нестабильный изотоп U236, который совершает колебания, пока не распадается на два более мелких ядра и несколько нейтронов. Число возможных способов деления ядра исчисляется сотнями. При наиболее вероятном варианте развития событий (примерно в 85% случаев) в результате деления образуются пары изотопов бария (Z = 56) и криптона (Z = 36), цезия (Z = 55) и рубидия (Z = 37), ксенона (Z = 54) и стронция (Z = 38), йода (Z = 53) и иттербия (Z = 39), теллура (Z = 52) и циркония (Z = 40). Каждой паре изотопов, в свою очередь, соответствуют несколько десятков возможных вариантов в зависимости от распределения нейтронов между ними. Практически все полученные ядра будут нестабильными ввиду избытка нейтронов и начнут распадаться. При распаде они испускают альфа- или бета-излучение, а также гамма-лучи, с которыми также высвобождается излишек энергии.

Для этого необходим замедлитель – некое вещество, которое будет замедлять нейтроны, не поглощая их. Замедлитель позволяет контролировать цепную реакцию и использовать высвобождаемую энергию – именно это происходит в ядерных реакторах. Однако если обогатить уран, то есть повысить содержание изотопов U235, то произойдет деление большего числа ядер. При делении чистого урана U235 замедлитель не потребуется вовсе, так как все высвобожденные нейтроны будут участвовать в делении новых и новых ядер. Кроме того, существует минимальная масса U235, называемая критической массой, при которой начинается самоподдерживающаяся цепная реакция. Критическая масса указывает, какое количество U235 необходимо для изготовления бомбы. В 1939 году ее значение было неизвестно, а оценки варьировались от нескольких килограммов до нескольких тонн. Так как выделение U235 – сложный и дорогостоящий процесс, который нельзя провести с помощью химических реакций, многие физики считали, что атомную бомбу создать на практике невозможно.

Летом 1939 года Гейзенберг посетил США, где обсудил с коллегами и последнюю новость – открытие деления ядра. Вероятность создания новой бомбы волновала всех. Друзья Гейзенберга уговаривали его остаться в США, воспользовавшись приглашением от одного из университетов, однако ученый ответил, что его место в Германии. Некоторые поняли это как желание сотрудничать с нацистским режимом.

К началу войны Германия была единственной страной, где велись исследования, посвященные возможности использовать ядерную энергию в военных целях. В начале сентября 1939 года была запущена программа, получившая неформальное название «Урановый проект». Ее целью был анализ практических возможностей использования деления атомного ядра для изготовления бомбы и двигателя для флота. Как это ни удивительно, в немецкой программе отсутствовал какой-либо общий план действий. Десять-двенадцать лабораторий, работавших над проектом, подчинялись разным организациям, их деятельность плохо координировалась, лабораториям приходилось соперничать за ресурсы. Вероятно, немецкие военные рассматривали атомную бомбу как побочный проект и надеялись, что победу им принесет концепция блицкрига, то есть молниеносной войны.

В конце сентября Гейзенберг был направлен на «Урановый проект», где встретился с Гейгером, Боте, Дебаем, Хартеком, Ганом и Вайцзеккером. Его первым заданием стала подготовка доклада о делении ядра и возможностях его практического использования. Документ состоял из двух частей, которые были закончены в декабре 1939 и феврале 1940 года соответственно, и содержал теоретические основы немецкой ядерной программы. Гейзенберг писал об «урановой машине», имея в виду как ядерный реактор, так и атомную бомбу. Создание реактора было необходимым шагом – это позволило бы убедиться в возможности цепной реакции, провести необходимые исследования и начать подготовку ядерного оружия.