Наука и природа

Чудо и чудовище XX века

На склоне своих лет Фредерик Содди как-то выразился в том духе, что поиск нового, атомного, источника энергии породил главное чудо и, вместе с ним, самый страшный кошмар XX века – атомную бомбу. Трудно не согласиться с Фредериком Содди, но начиналось все это, при деятельном, кстати, участии того же Содди, не столь апокалиптически. Напротив, жизнерадостно начиналось, с энтузиазмом и верой в светлое будущее, присущей революционерам всех времен и народов. Ибо XX век начался очередной революцией в физике – на этот раз квантово-релятивистской.

1902 – 1903. Предтечи: П. и М. Кюри, Ф. Содди, Э. Резерфорд

Первые сигналы о том, что внутри атомов скрыты огромные запасы энергии, поступили как раз от того элемента, который впоследствии и подсказал способ ее извлечения. В самом конце XIX века Антуан Анри Беккерель, пытавшийся обнаружить рентгеновское излучение при флюоресценции солей урана, открыл явление радиоактивности – беккерелевы лучи.

Открытие Беккереля заинтересовало многих. Имена большинства история не сохранила, остались только те, кто добился заметных успехов: во Франции ими были, помимо самого Беккереля, Мария и Пьер Кюри, Поль Виллар, в Англии – Эрнест Резерфорд и Содди, в Германии и Австрии – Эгон Швейтлер, Стефен Майер, чуть позже – Отто Ган.

Но первыми до конца осознали, что попало им в руки, были все-таки Содди с Резерфордом. И произошло это не позже 1902-1903 годов, потому что уже в 1903 году Содди написал: "Атомная энергия, по всей вероятности, обладает несравненно большей мощностью, чем молекулярная энергия, <...> и сознание этого факта должно заставить нас рассматривать планету, на которой мы живем, как склад взрывчатых веществ, обладающих невероятной взрывной силой". (Спустя пять лет Содди писал что-то насчет возможности с помощью атомной энергии "превратить всю планету в цветущий сад", но это не имело никакого значения, главные слова уже были сказаны.)

1905. Релятивистокий аргумент Эйнштейна в пользу атомной энергии

К началу испытаний первой атомной бомбы в Соединенных Штатах был подготовлен к печати так называемый "Отчет Смита", который увидел свет в том же 1945 году, но уже после Хиросимы и Нагасаки и под названием "Официальный отчет о разработке атомной бомбы под наблюдением правительства США". Введение к этой книге начиналось с фразы о том, что эйнштейновское соотношение E=mc² "выбрано в качестве руководящего принципа изложения" всего дальнейшего.

Да и сам Эйнштейн полагал, что это фундаментальное следствие теории относительности, разрабатываемой им в 1905 году, найдет экспериментальное подтверждение именно при изучении радиоактивных веществ. Как в воду глядел.

1911 – 1913. Резерфорд открывает атомное ядро и возникает ядерная физика

Гипотезу о ядерном строении атома выдвинул в 1904 году Хантаро Нагаока, один из основателей японской физики. В 1908 – 1909 годах работавшие в Манчестере у Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден установили, что при прохождении альфа-частиц сквозь тонкие пластинки из металлической фольги подавляющее большинство пролетает навылет, но единичные частицы отклоняются на углы больше 90^о, или, попросту говоря, отражаются. Отсюда Резерфорд в 1911 году делает вывод о том, что такое возможно лишь в случае, если "атом содержит центральный заряд, распределенный в очень малом объеме". Масса этого заряда равняется половине атомного веса.

Голландец Антониус Ван Ден Брук на основе работ Резерфорда, Гейгера и Марсдена находит: заряд ядра элемента совпадает с его порядковым номером в Периодической системе.

В том же 1913 году Нильс Бор, работавший в Манчестере у Резерфорда, положил ядерную модель в основу своей квантовой теории атома, что объясняло ряд непонятных до этого спектральных закономерностей и вместе с тем устойчивость "ядерного атома". Так, можно сказать, ядерная структура атомов обрела статус научного факта (а развитие теории Бора в двадцатые годы привело к возникновению квантовой механики).

1919 – 1920. Резерфорд расщепляет ядро и предсказывает нейтрон

Резерфорд, переехав в Кембридж, делает несколько важных открытий. Во-первых, он видит, что при воздействии альфа-частиц на атомы легких газов происходят ядерные превращения, а значит, понимает он, их можно вызвать искусственно. Во вторых, при этом в ряде случаев испускаются положительно заряженные частицы, которые служат основными структурными элементами ядер (Резерфорд назвал их протонами). И наконец, логика подсказывает, что должен существовать еще один структурный элемент ядра, а точнее – нейтральная частица с массой, равной массе протона, и эта частица, как пророчески заметил Резерфорд, должна "свободно проникать в структуру атомов", а посему стать "новым эффективным инструментом ее исследования".

1932. "Год чудес" в "Великое трехлетие" ядерной физики (1932-1934)

В 1932 году Джеймс Чэдвик наконец открывает нейтрон, предсказанный Резерфордом, его учителем по Кембриджу. И едва исследователи получили в руки этот "эффективный инструмент", как открытия хлынули лавиной.

Дмитрий Дмитриевич Иваненко (СССР) и Вернер Гейзенберг (Германия) создают протонно-нейтронную модель атомного ядра. Ученики Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон расщепляют ядра лития протонами, ускоренными с помощью электростатического ускорителя. В США Гаролд Юри с сотрудниками открывают дейтерий, тяжелый протон водорода. Еще один американец, Карл Андерсон, открывает в космических лучах позитрон, положительно заряженный аналог электрона.

В 1933 году Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини подтверждают открытие Андерсона. Гилберт Льюис и Р. Макдональд в США открывают тяжелую воду. Сразу во Франции (Ирен и Фредерик Жолио-Кюри), в Англии (Блэкетт, Оккиалини и Чэдвик), в США (Андерсон) и в Германии (Л. Мейтнер) обнаруживают рождение электронно-позитронных пар из жестких гамма квантов вблизи ядер достаточно тяжелых элементов.

В 1934 году Энрико Ферми, добавив гипотезу Вольфганга Паули о нейтрино (безмассовой нейтральной частице, вылетающей при бета-распаде) к протонно-нейтронной модели ядра, создает теорию бета-распада. Тот же Ферми публикует первые работы по облучению урана медленными нейтронами, где приходит к выводу, что ему удалось получить новые элементы номер 93 и 94 (их химическую идентификацию провести Ферми не удалось – не было достаточного количества для анализа).

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри экспериментально открывают явление искусственной радиоактивности химических элементов. Ида Ноддак (Германия) теоретически предсказывает возможность деления ядер урана. Лео Сциллард в Англии высказывает мысль о цепной ядерной реакции при облучении бериллия нейтронами, что, как он считает, можно использовать для получения мощной взрывчатки нового типа. Маркус Олифант, Пол Хартек и Резерфорд открывают тритий, сверх тяжелый изотоп водорода.

Прорыв в ядерной физике за эти три года оказался таким значительным, что, как это видно задним числом, уже в 1934 году физики имели все теоретические предпосылки для создания атомной бомбы – деление урана, цепной характер этого деления и, по сути, уже открытый плутоний.

Однако потребовалось еще несколько лет исследований физиков в содружестве с химиками, чтобы открыть феномен деления урана с помощью медленных нейтронов.

1938 – 1939. "Томный" характер атомной энергии

На этот раз вперед вышли немцы. Отто Ган и Фриц Штрассман уверенно фиксируют расщепление ядра урана под действием медленных нейтронов. А теоретическое объяснение явлению дают Лизе Мейтнер и Отто Фриш, вынужденные эмигрировать из фашистской Германии в Швецию. Они же в очередной раз, но теперь не умозрительно, а строго доказательно, указывают на то, что деление ядер должно сопровождаться высвобождением огромных количеств энергии, что Фриш подтверждает экспериментально.

С начала 1939 года новое явление изучают сразу в Англии, Франции, США и Советском Союзе. Нильс Бор и Джон Уилер в Соединенных Штатах и Яков Ильич Френкель в СССР предлагают теорию деления ядер, и почти сразу выясняется цепной характер деления (В. Цинн и Лео Сциллард, США, Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон, СССР). Появляется понятие крической массы урана, при достижении которой начинается процесс деления (Френсис Перрен, Франция). Выясняется решающая роль изотопа урана-235 (актиноурана, как тогда говорили), составляющего в природной урановой смеси всего 0,71% (Нильс Бор). Открывают два трансурановых элемента, 93-й и 94-й – нептуний и плутоний (Эдвин Макмиллан, Филипп Абельсон, Гленн Сиборг, США), и устанавливают, что плутоний так же хорошо делится под действием нейтронов, как и уран-235 (Джозеф Кеннеди, Сиборг, Эмилио Сегре, Артур Валь, США).

Таким образом, окончательно стало известно все необходимое для извлечения атомной энергии. Позже Содди предлагал назвать эту энергию как полагается: "томной", то есть "делительной" (слово "атомная" означает как раз "неделимую"). Но неологизм Содди не привился.

1939 – 1945. Финишный рывок

В 1939 году началась Вторая мировая война. Но еще на ее пороге физики-ядерщики, похоже, окончательно осознали, к чему на самом деле могут привести их открытия. 2 августа 1939 года Альберт Эйнштейн (после настоятельных уговоров Сцилларда и Юджина Вигнера) пишет письмо президенту Рузвельту, и в США в октябре 1939 года появляется первый правительственный комитет по атомной энергии.

В Англии, где развертываются работы по военному применению урана-235, предпочитают не пользоваться эвфемизмами типа "атомная энергия": а называют вещи своими именами. Летом 1941 года Чэдвик заявляет: "Мы убеждены, что создание атомной бомбы реально и может сыграть решающую роль в войне".

Аналогичные призывы слышны в Кремле и от собственных, советских, ученых. Но после 22 июня 1941 года ядерные заботы отошли здесь на второй план.

А в США работа тем временем идет по двум направлениям: 1) выделение урана-235 из природной смеси, а точнее – поиск наиболее эффективного метода разделения изотопов урана, и 2) сооружение ядерного реактора для наработки плутония-239, который, как и уран-235, годился для "томной" бомбы. Первый в мире реактор был запущен в США под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 года.

Советский Союз под давлением данных разведки тоже вынужден принять государственную программу по созданию атомной бомбы. В феврале 1943 года в Москве возникает секретная Лаборатория N2 АН СССР, где под руководством Игоря Васильевича Курчатова ведут работу по тем же двум направлениям, что и американцы. При этом разведывательный канал из США продолжал действовать всю войну и после нее, и существенно корректировал советскую программу.

В июле 1945 года американцы финишируют, испытав на полигоне в Аламогордо первую в мире плутониевую бомбу. Свои вторую и третью бомбы они сбросили на Хироcиму и Нагасаки, форсировав завершение Второй мировой войны.

1945 – 1949. Ядерный паритет достигнут

Советский атомный проект отставал от американского ровно на четыре года. В декабре 1946 года Курчатов запустил первый в Европе атомный реактор, а 29 августа 1949 года Советский Союз испытал свою первую плутониевую бомбу на полигоне под Семипалатинском. Как стало известно совсем недавно (в 1992 году), она была точной копией американской бомбы, о которой наши специалисты знали еще в 1945 году.

Но тогда, в 1949-м, успех СССР казался неожиданным. Ведь для создания бомбы недостаточно было иметь известный научный потенциал и располагать конкретными разведывательными сведениями, как ее сделать практически, руками. Для наработки даже минимальных количеств оружейных урана и плутония требовалось создать абсолютно новую и очень высоко технологичную по тем временам промышленность, что, как считали на Западе, в ближайшие лет двадцать для Советского Союза нереально.

Но как бы то ни было, атомная бомба у СССР появилась, и начался отсчет новой эпохи – мира во всем мире под угрозой всеобщего уничтожения.

1949 – ? Армагеддон продолжается

Когда-то Плиний Старший так же серьезно, как мы сейчас обсуждаем плюсы и минусы расползания ядерного оружия по странам мира, обсуждал апокалиптическую судьбу другого научного открытия: "Железо служит жизни лучшим и худшим орудием, поскольку им мы вспахиваем землю... им мы строим дома, разрубаем скалы, и для всех других надобностей пользуемся мы железом, но им же пользуемся для войн, убийств, разбоев, не врукопашную только, а даже метательным и летящим... Это я считаю преступнейшим коварством человеческой изобретательности... В договоре, который после изгнания царей заключил с римским народом Порсенна, мы находим и особое условие, по которому римский народ железом мог пользоваться только в земледелии, и тогда было установлено писать костяными стилями... Существует эдикт Помпея Великого, изданный в его третье консульство в связи с беспорядками из-за убийства Клодия, в котором он запрещал в Городе какое бы то ни было оружие (подразумевалось – железное. – Ред. )".

В переводе на современный язык уже давно позабытого всеми Клодия звали бы Хиросима-и-Нагасаки, а чем кончился договор о нераспространении железа знал еще Плиний.

В. П. Визгин.

«Выделите орфографическую ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter» где-нибудь еще на странице.

последнее обновление