Люди и атомы

ГЛАВА 1 «Неофициальное заседание»

Заседание в Колумбийском университете состоялось в пятницу 24 февраля 1939 г. в лекционном зале № 401 Пьюпин-холла на физическом факультете. Это неофициальное заседание, состоявшееся в конце обычной программы ежегодного собрания Американского физического общества, явилось одним из наиболее выдающихся в истории этого общества и науки вообще. На нем сверх программы «обсуждался вопрос о расщеплении атомов урана».

Докладчики — Нильс Бор из Дании и Энрико Ферми из Италии — были наиболее осведомленными людьми в данном вопросе. Бор являлся основоположником современной концепции строения атома, Ферми провел серию важных экспериментов, которые непосредственно привели к открытию деления урана. Благодаря счастливому совпадению они оба оказались в Соединенных Штатах в одно и то же время.

«Выступления обоих ученых сверх программы,— сообщила в субботнем номере «Нью-Йорк тайме» от 25 февраля 1939 г.,— захватили внимание аудитории, состоящей из 200 выдающихся физиков. Все присутствующие были буквально заворожены докладами о «самом сенсационном открытии в современной физике со времени открытия радиоактивности более сорока лет назад».

Речь идет о том..., что под влиянием бомбардировки урана медленной нейтральной частицей (нейтроном) с энергией всего в одну тридцатую электронвольта атом урана расщепляется на два осколка, каждый из которых является радиоактивным атомным «пушечным ядром» с огромной энергией—100 миллионов электронвольт. Это самое большое количество энергии, когда-либо освобожденной человеком на Земле.

Профессора Бор и Ферми сообщили, что работа над новейшим «фонтаном атомной энергии» лихорадочно проводится во многих лабораториях как у нас, так и в Европе. Эта крупнейшая «охота» в области современной физики является новой вехой в подчинении человеку элементов и самым важным шагом, сделанным наукой в деле превращения одних элементов в другие и использования огромных запасов энергии, заключенной в ядре атома.

Новый метод освобождения атомной энергии и превращения элементов рассматривается как самый короткий путь, который предстоит проделать в поисках современного «философского камня». Обсуждение данного вопроса двумя величайшими авторитетами в этой области явилось полной неожиданностью для физиков, собравшихся на объединенное заседание Американского физического общества и Оптического общества Америки, так как в официальной программе не было даже намека на предстоящее событие.

Профессор Бор заявил, что так как открытие произошло совсем недавно, а исследования проводятся слишком поспешно, то большая часть полученных результатов еще должна быть сопоставлена и объяснена. Все это было настолько неожиданным, что ученые были просто потрясены, но все единодушны в том, что физики находятся накануне новых исторических открытий».

Атмосфера в лекционном зале была напряженной. Нам предоставилась редкая возможность созерцать гений в действии. Это было восхитительное зрелище. Человеческий интеллект требовал от Природы открыть свои тайны, которые были скрыты от него с тех пор, как человек впервые начал изумляться и думать.

Одной из этих тайн и был закон цепной реакции. Он провозглашал, что даже один расщепленный атом урана может служить «космической спичкой», способной разжечь атомный пожар, или стать детонатором атомного взрыва в бомбе.

Второй основной закон уранового распада (открытый Бором совместно с его бывшим учеником, профессором Джоном А. Уилером из Принстона) гласил, что для этого годен лишь очень редкий и трудно выделяемый вид урана, известный как уран-235, или U235.

Математические символы, которые Бор и Ферми писали на доске, в переводе на обычный язык означали, что человек нашел средство разжечь новый огонь, в миллионы раз более мощный, чем любой из огней на Земле, порожденных солнечной энергией. Действительно, это был огонь, порожденный тем же источником космической энергии, которая позволяет Солнцу и мириадам светящихся звезд и сверхсолнц космоса излучать свет и тепло в течение миллиардов лет без каких-либо заметных признаков ослабления.

Знаменитая формула Эйнштейна дала нам ключ к огромной энергии, заключенной даже в незначительном количестве вещества. На основе этой формулы было подсчитано, что одна тридцатая грамма воды, будучи полностью переведенной в чистую энергию, способна дать количество тепла, достаточное для того, чтобы превратить одну тысячу тонн воды в пар. А в грамме воды имеется запас энергии, достаточный, чтобы поднять груз весом в миллион тонн на вершину горы высотой в десять километров. Глоток воздуха может давать энергию мощному самолету в течение года; пригоршня снега способна целый год обогревать большой жилой дом; картонный железнодорожный билетик в состоянии провести тяжелый пассажирский поезд несколько раз вокруг земного шара; стакан воды способен в течение года давать энергию электростанции мощностью 100 тысяч киловатт; в десятицентовой монетке (вес ее 2,5 грамма) заключена энергия, эквивалентная энергии, освобождаемой при взрыве 50 тысяч тонн тротила.

Хотя о существовании этой космической сокровищницы знали в течение десятилетий, считалось, что она всегда будет оставаться за пределами досягаемости человека *. Считалось, что только Солнце и гигантские звезды могут черпать энергию из этого космического фонтана. Лишь звезды обладали ключом к этой сокровищнице, ключом, который казался слишком большим, чтобы уместиться на Земле — крошечной пылинке в глубинах космического пространства.

Всего за несколько месяцев до этого заседания я спросил Эйнштейна, не настало ли время, когда человек сможет найти этот ключ.

«Нет,— ответил он,— мы как плохие стрелки, стреляющие в птиц вслепую там, где их очень мало!». Он имел в виду, что в то время надо было стрелять миллионами миллиардов атомных «пуль» и только ценой громадных затрат энергии можно было заставить несколько атомов выделить ничтожную часть заключенной в них энергии. Целью этих экспериментов было получение новых знаний о строении атома и внутренней структуре материи; они не давали даже намека на то, что человек сможет использовать энергию атома в своих практических целях. Никогда в своих даже самых смелых мечтах ученые не осмеливались надеяться, что можно будет получать огромные количества энергии, освобожденные при расщеплении урана.

Как для обычного огня нужен кислород, так и расщепление урана может быть осуществлено лишь с по

* Это утверждение автора неверно. Замечательный советский ученый академик В. И. Вернадский еще в феврале 1922 г. писал: «Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет. Это может случиться через столетие. Но ясно, что это должно быть» — Прим, научн., ред.

мощью нейтрона — одной из двух основных частиц, из которых построены ядра всех атомов. Беда заключалась в том, что все нейтроны во Вселенной прочно связаны внутри ядер атомов, и на Земле не было известно силы, которая могла бы вышибить их в количествах, достаточных для расщепления атомов большой массы урана. Ученые расщепляли несколько атомов урана, но это было все равно, что чиркнуть атомной спичкой, которая гасла так же быстро, как и обычная в условиях

отсутствия кислорода.

Положение казалось безнадежным. Но в тот вечер в Колумбийском университете я услышал, как Ферми произнес два слова, которым предстояло навсегда изменить судьбу людей: «Цепная реакция!».

Прежде чем смысл этих слов стал мне понятен, прошла как будто вечность. Каждый атом урана при расщеплении, говорили Ферми и Бор, автоматически выделяет по крайней мере два нейтрона, способных расщепить еще два атома. Эти два атома в свою очередь выделяют четыре нейтрона, которые могут расщепить четыре атома, тем самым высвободится еще восемь нейтронов, и так далее в геометрической прогрессии.

Простой подсчет показывает, что число атомов, умножаемое на два на каждой последующей ступени, достигнет тысячи (округленно) в первые десять ступеней и будет продолжать умножаться на тысячу на каждом из последующих десятков ступеней, достигая миллиона на двадцатой ступени, миллиарда — на тридцатой, триллиона— на сороковой и т. д. На восьмидесятой ступени число атомов, которые будут расщеплены цепной реакцией, достигнет астрономической цифры: триллион триллионов— числа, выражаемого единицей с 24 нулями! Это число равно количеству атомов, содержащихся примерно в одном фунте урана *.

Человек нашел способ создавать среду из нейтронов, в которой можно зажечь атомный костер, более мощный, чем любой другой, когда-либо зажигаемый на Земле. С его помощью человек сможет создать новую цивилизацию, превратить Землю в край изобилия, ликвидировать нищету и болезни и возвратиться в утраченный «земной рай».

* 1 фунт = 453,6 г.— Прим. перев.

Помню, как я сказал самому себе: «Это второе пришествие Прометея, наконец освобожденного от плена, который продолжался почти пятьсот тысяч лет. На этот раз он принес огонь от того пламени, которое зажгло звезды».

Я с восхищением смотрел на странные символы и иероглифы, которые писал на доске Ферми и по ходу дела растолковывал Бор. Я все еще грезил наяву о том, что будет означать для будущего «второе пришествие Прометея», как вдруг очнулся от страшной мысли.

Этот новый огонь Прометея, подумал я, может быть использован Гитлером как самое разрушительное оружие в истории. И так как открытие распада урана было сделано в Германии более месяца назад, то, по-видимому, нацистские ученые уже работают над этим проектом.

Я спросил своего хорошего друга и руководителя, профессора Джона Р. Даннинга из Колумбийского университета, сидевшего рядом со мной, во сколько раз количество энергии, освобождаемой в результате распада урана, больше энергии, выделяемой при взрыве того же количества тротила.

—Эта энергия в двадцать миллионов раз больше энергии, освобождаемой тротилом,— ответил он.— Расщепление одного килограмма урана, таким образом, означает освобождение энергии, эквивалентной взрыву двадцати миллионов килограммов, или двадцати тысяч тонн, тротила.

—Допустим, цепная реакция началась,— продолжал я.— Как быстро будет она идти? Сколько времени потребуется для того, чтобы расщепить, например, килограмм урана?

Профессор Даннинг улыбнулся.

—Я думаю,— сказал он,— что потребуется около одной миллионной доли секунды или около того. Беда в том, что в настоящее время нет возможности получить хотя бы одну миллионную долю грамма чистого урана- 235. А получение килограмма урана-235 при нынешнем уровне знаний находится за пределами возможностей.

Уран существует в природе в смеси двух основных разновидностей, или изотопов. Самым распространенным, составляющим 99,3% всех запасов природного урана, является уран-238, называемый так потому, что его ядро состоит из 238 основных строительных блоков вещества. Другая его разновидность — уран-235 с ядром, состоящим из 235 основных частиц (92 положительно заряженные частицы и 143 частицы, нейтральные в электрическом отношении,— нейтроны), составляет лишь 0,7% всего природного урана.

Именно эта редкая разновидность урана, говорил Бор физикам, будет поддерживать саморазвивающуюся цепную реакцию и, таким образом, явится исходным элементом, для освобождения атомной энергии в широком масштабе. При регулируемой скорости эта реакция может быть использована в качестве мощного источника энергии, в три миллиона раз превышающей энергию угля; при нерегулируемой скорости — в двадцать миллионов раз мощность тротила.

С другой стороны, продолжал Бор, тяжелый уран-238, бесполезный в качестве атомного топлива или взрывчатого вещества, может служить в качестве гасителя атомного пламени, задерживая распространение атомного огня в легком уране. То есть, говоря более научным языком, уран-238 поглотит большую долю нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции в уране-235.

Это было одновременно и плохим, и хорошим известием. Плохим потому, что в го время считалось невозможным получить уран-235 в чистом виде, свободном от урана-238 — гасителя атомного пламени, а это означало, что использование атомной энергии носило лишь теоретический характер. С другой стороны, это и успокаивало, так как невозможность отделения 0,7% урана-235 от 99,3% урана-238 означала, что создание атомной взрывчатки также являлось только теоретическим вопросом.

Я поинтересовался, нельзя ли найти простой способ отделения урана-235 от урана-238. Прогресс науки строится на том, что всегда кто-то сумеет сделать «невозможное». А вдруг фашистские ученые найдут способ сконцентрировать уран-235!

Я решил посоветоваться с Ферми и Бором. Как только заседание закончилось, я попросил профессора Даннинга представить меня ученым и прямо спросил этих двух великих людей: «Может ли небольшое количество урана-235, скажем килограмм, быть использовано как бомба, по мощности взрыва эквивалентная тысячам тонн тротила?».

Лишь через несколько лет я узнал от Ферми, как он и Бор среагировали на мой вопрос. Тогда я даже не мог подозревать, что они совместно с другими ведущими учеными— беженцами из нацистских и фашистских стран — уже тайно обсуждали планы предупреждения американского правительства об опасности, грозящей миру.

Не мог я также знать и того, что Бор, Ферми и другие пионеры в деле освоения атомной энергии уже подумывали о необходимости добровольного засекречивания ими этих работ.

После паузы, достаточно продолжительной, чтобы я понял, что задал довольно щекотливый вопрос, Ферми ответил, медленно и тщательно подбирая слова:

—Мы не должны делать поспешных выводов. Все это так ново... Нам надо еще много узнать, прежде чем мы сможем дать ответ. На это уйдут годы.

—Сколько, по вашему мнению, на это потребуется времени? — спросил я.

Только через шесть лет он мне объяснил, что умышленно ответил так, чтобы разочаровать меня:

—. По крайней мере двадцать пять, а возможно, и пятьдесят лет.

Помня, как первая мировая война стимулировала развитие авиации и радио, я счел его оценку слишком осторожной.

—Допустим, Гитлер решит, что это именно то оружие, которое ему необходимо для завоевания мира,— настаивал я,— разве не исключена возможность значительного сокращения этого срока?

—Ничто не является невозможным,— ответил он,— но это крайне маловероятно. Слишком много нам еще надо узнать.

—Все может оказаться значительно проще, чем вы думаете,— настаивал я.— Возможно, все, что нужно,— это эффективный метод концентрирования урана-235 в количестве нескольких килограммов.

—На это может потребоваться много лет. А мы должны еще найти доказательство тому, что цепная реакция действительно будет иметь место.

—Как можно экспериментально доказать, протекает или нет цепная реакция в уране, если невозможно отделить уран-235 в количествах, необходимых для осуществления такой реакции?

Ферми немного подумал и улыбнулся своей характерной улыбкой,

—Может быть, мы сделаем это довольно просто, вообще не отделяя уран-235. Прежде всего возьмем большой кусок природного урана, содержащего 0,7% урана-235. Затем пробуравим в куске большую дыру и заполним ее радием и бериллием. Это обеспечит нас нейтронами, необходимыми для начала процесса. Потом положим этот кусок в открытой местности, далеко от населенных пунктов, допустим где-нибудь в Канзасе, и подождем, когда пойдет дождь. (Вода замедляет нейтроны, уменьшая их энергию настолько, что они могут расщепить лишь атомы урана-235.)

То, что описывал Ферми, как теперь известно, являлось грубым прототипом ядерного реактора, или атомного котла — силовой установки атомного века.

—Работать такой атомный котел будет следующим образом. «Пули» (ядра атомов гелия), которые вылетят из радия в результате его естественного распада, вышибут нейтроны из ядер атомов бериллия. Дождевая вода замедлит нейтроны до необходимой скорости, при которой их сможет притянуть лишь уран-235, так же, как железные опилки, разбросанные в куче песка, притягиваются к мощному магниту.

Медленные нейтроны расщепят атомы с выделением нейтронов; те в свою очередь также замедлятся падающими каплями дождя, расщепят новое количество атомов урана-235 и, следовательно, освободят новую порцию нейтронов, т. е. начнется самопроизвольная цепная реакция, которая превратится в гигантский атомный пожар.

Мы все рассмеялись. Но после этого вечера жизнь для всех нас перестала идти по-прежнему.