Немецкий ядерный проект потерпел в итоге фиаско, и ученые, пытавшиеся создать ядерную бомбу для рейха узнали об этом уже будучи в статусе военнопленных – об этом была прошлая статья. Однако, если отмотать историю назад, у немецких ученых были все шансы быть первыми и предоставить рейху оружие невиданной силы еще до окончания войны. По крайней мере в самом начале их стартовые позиции в этом вопросе были как минимум не хуже американских. Об этом - материал ниже.
Немного предыстории
Не обойтись без небольшого экскурса в историю ядерной физики. Опуская первые открытия в области радиоактивности, можно сказать, что первый cерьезный «подход к урану» был совершен еще в 1930‑е годы, когда в Париже Фредерик Жолио и Ирен Кюри попытались получить искусственные радиоактивные изотопы урана, обстреливая его альфа‑частицами (ядрами гелия He).
В 1934 году итальянский физик Энрико Ферми, проводя подобный эксперимент, заменяет альфа‑частицы более легкими и быстрыми нейтронами. Незадолго до этого он открывает замедление нейтронов (незаряженных частиц ядра, добавляющих ему массы) в некоторых веществе. По результатам экспериментов Ферми приходит к выводу о существовании ряда «трансурановых элементов».
Тогда же о его работе узнала физик из Вены Лиза Майтнер. В двух статьях, опубликованные журналами «Nuovo Cimento» и «Nature», сообщалось об опытах, проведенных в Риме. Она тут же обратилась к своему давнему знакомому, немецкому химику Отто Гану. Она предложила тоже заняться исследованиями этих странных «трансурановых элементов», которые якобы открыл Ферми.
В то время Ган работал в Институте химии имени императора Вильгельма, располагавшемся в Далеме – одном из районов Берлина. Его помощником был молодой химик Фриц Штрассман, знаток неорганической химии.
Исследования длились четыре года. Майтнер, Штрассман и Ган подтвердили результаты работы Ферми и открыли сразу четыре новых элемента, временно названных ими «эка‑рений» (теперь это – нептуний), «эка‑осмий» (плутоний), «эка‑иридий» и «эка‑платина». В периодической системе Менделеева эти элементы расположились прямо под клеточками, куда были вписаны рений, осмий, иридий и платина. Казалось, что свойства их должны напоминать свойства перечисленных нами элементов. Однако выявились и разительные противоречия. Ученые пока не придавали этому особого значения, надеясь, что вскоре все разъяснится.
Опыты с ураном
В 1938 году в Париже Ирен Кюри и Павле Савич , также следуя по стопам Ферми и обстреливая уран (порядковый номер 92) нейтронами, открыли новое радиоактивное вещество. Период его полураспада равнялся трем с половиной часам. Сперва они решили, что имеют дело с изотопом тория (порядковый номер 90). И даже подготовили теоретическое объяснение: ядро урана захватывает нейтрон, становится нестабильным и излучает альфу‑частицу, превращаясь в другой химический элемент - торий.
В те дни в лаборатории Отто Гана шли бурные споры. Решено было повторить опыт. Этим занялся Штрассман, и вот, через неделю, он уже с уверенностью сказал Майтнер, что французы никак не могли обнаружить торий в растворе урана. Тут что‑то не так.
Кончалась вторая декада декабря 1938 года. Ган решил провести контрольный эксперимент. 17 декабря, в субботу, Ган и Штрассман повторили опыт. На этот раз в одном и том же растворе содержались и искусственный «изотоп радия», и естественный его изотоп, «мезоторий‑1». Последний служил индикатором. На каждой стадии этого сложнейшего эксперимента ученые брали пробы кристалла бария и проверяли их радиоактивность. Счетчик Гейгера показывал, как постепенно, от одной стадии кристаллизации к другой, увеличивалось содержание мезотория. С искусственным «изотопом радия» дело обстояло иначе. Он был равномерно распределен среди кристаллов бария – столь же равномерно, как и сам барий.Никаких сомнений у него уже не осталось. Вещество, которое он поначалу считал «изотопом радия», не имело к радию никакого отношения. Его невозможно было отделить от бария, значит, он имел дело с радиоактивным изотопом самого бария.
Таким образом, при обстреле атомов урана (самого тяжелого на земле элемента) медленными нейтронами возникал барий – элемент, весивший почти в два раза меньше. Под градом нейтронов атомы урана «лопались», «раскалывались», «расщеплялись»- Отто Ган сделал удивительное открытие, которое едва не стало (а может, еще и станет) роковым для всего человечества.
В последующие два дня вторая часть работы была завершена. Мнимые «изотопы актиния» оказались, как и ожидал Ган, изотопами лантана – элемента, опять же находящегося в самой середине таблицы Менделеева.
Двадцать второго декабря Ган и Штрассман спешно составили отчет об идентифицированных ими искусственных изотопах. Профессор Ган позвонил своему старому другу и редактору журнала «Naturwissenschaften» («Естественные науки») доктору Паулю Росбауду. В тот же вечер тот примчался в Институт химии. Ган и Штрассман как раз закончили писать статью, в которой доказывали, что ядро урана «расщепляется».
Редактор Росбауд тут же оценил всю важность открытия. И хотя ближайший номер «Naturwissenschaften» уже был готов к печати, он распорядился снять один из материалов и заменить статьей Гана и Штрассмана, датированной «22 декабря 1938 года», днем зимнего солнцестояния. Этот самый темный день в году можно считать и одним из самых темных дней в истории человечества. Был преднамеренно расщеплен уран, и вскоре об этом стало известно всему научному свету.
Старт гонки за оружием невиданной силы
…В Швецию, в гости к Лизе Майтнер, на эти праздники приехал ее племянник, доктор Отто Фриш. В разговоре с Фришем были затронуты темы о «капельной модели» атомного ядра, предложенной два года назад Бором. Согласно этой модели, стабильность ядра обеспечивали «силы поверхностного натяжения», защищавшие его от небольших деформаций. И тут Майтнер упомянула об опытах Отто Гана.
Ядро урана содержит очень много протонов, стал рассуждать Фриш. Эти одинаково заряженные частицы отталкивают друг друга, что ослабляет энергию связи частиц в ядре. Ядро урана неустойчиво. Стоит ему захватить лишний нейтрон, и тогда достаточно небольшого импульса энергии, чтобы вывести атом из равновесия. Атом, – то бишь одна большая «капля», – разрывается на две почти одинаковые «капельки» (два атомных ядра). Каждое из новых ядер заряжено положительно. Они отталкиваются друг от друга. По расчетам Фриша получалось, что при каждом таком расщеплении выделяется огромная энергия: около двухсот миллионов электрон‑вольт (1 эВ = 1,602 176 634⋅10−19 Джоулей). И это всего с одного атома!
Шестого января 1939 года статья Гана и Штрассмана была опубликована и вызвала немалую досаду ряда ученых, которые только теперь поняли, как были близки к открытию. К тому же Лиза Майтнер и ее племянник, Отто Фриш сообщили об этом и Нильсу Бору. 26 января в Вашингтоне проходила пятая конференция по теоретической физике, организованная Университетом Джорджа Вашингтона и Институтом Карнегги. На ней выступил Нильс Бор, сообщивший известные ему подробности работы берлинских радиохимиков, а также расчеты энергии, выделяющейся при расщеплении атома. В заключение Бор сказал, ссылаясь на слова Фриш и Майтнер, что подобный эксперимент легко повторить, используя самое простейшее оборудование. После этого ряд ученых немедленно поспешили – прямо в смокингах! – к себе в лабораторию, чтобы как можно быстрее воспроизвести сенсационные опыты.
Через несколько дней американские газеты (не только научные издания) уже пестрели сообщениями об этих опытах. Когда, наконец, в печати появились статьи Фриша‑Майтнер и Флюгге‑Дросте, все лавры – по вине Нильса Бора – были собраны другими, более бойкими экспериментаторами. Своеобразный итог первого этапа гонки физиков подвела «Таймс». В ней сообщалось, что сотрудник Колумбийского университета (США) Энрико Ферми (к тому времени он уже переехал в Америку) открыл новый физический процесс – «расщепление атомов урана». В своей работе он использовал циклотрон Колумбийского университета, весивший 150 000 фунтов. Однако по факту первенство было за немецкими учеными
По словам Гана, чтобы описать расщепление атомного ядра, важно знать не его массу, а его порядковый номер. Так, ядро урана (порядковый номер 92) расщепляется на ядра бария (56) и криптона (36). При этом ядро испускает какое‑то количество нейтронов.
Данный факт имел ключевое значение. Ган и Штрассман осторожно предположили, что нейтроны, испускаемые при расщеплении ядер урана, будут расщеплять другие ядра урана. Возникнет лавинообразный эффект. В итоге выделится неимоверное количество энергии.
Говорят, что прошло всего несколько дней, и Ган понял, к каким страшным и непоправимым последствиям может привести его открытие. Когда ему открылся весь роковой смысл «цепного эффекта», он потерял сон. Он не мог спать в ожидании катастрофы, что медленно надвигалась на мир. Отвратить ее приближение было нельзя. Каждое новое открытие лишь ускоряло ее зловещий ход. Ган даже решил покончить с собой, но вовремя одумался.
В начале марта 1939 года французские физики Жолио‑Кюри, Халбан и Коварски экспериментальным путем доказывают возникновение цепной реакции. Седьмого апреля того же года они сообщают, что при расщеплении одного ядра урана выделяется в среднем 3,5 нейтрона . В конце того же месяца статью французских физиков публикует журнал «Nature». Гонка за обузданием ядерной энергии стартовала и в Европе, и в США, а до мировой войны оставалось полгода.