Хуберт Мания - История атомной бомбы

• Название: История атомной бомбы
• Автор: Хуберт Мания
• Издательство: Текст
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-7516-1005-0

Эта занимательная книга рассказывает о новой эре в истории человечества — от открытия урана до первого эксперимента с атомной бомбой. Когда возникла идея, что энергию можно добыть из ядра атома, никто и представить себе не мог, какие трудности придется преодолевать лучшим умам человечества, и какие силы природы извергнутся из комочка самоподогревающегося вещества размером с апельсин, если сжать его до критической массы.

---

Два физика пустились в трудоемкое дело. Они должны зрительно отсчитать 80 000 прямолинейно мчащихся сквозь атомы золота альфа-частиц, чтобы засечь пригоршню тех корпускул, которые отклонились в сторону. Время от времени они регистрируют рассеяние и под таким углом, который больше похож на возврат альфа-частиц к своему радоновому источнику. Этот феномен можно было заметить лишь при таком тщательном наблюдении за световыми вспышками, и он остается загадкой для Резерфорда и его ассистентов. Он ставит под сомнение все сложившиеся представления о структуре атома. Эти данные исключают равномерное распределение массы атома. Впоследствии Резерфорд сформулировал это так: «Это почти так же невероятно, как если бы швырнуть фанату на лист шелковой бумаги — и она рикошетом попала бы в тебя самого».

Результаты измерений Гейгера и долговременная статистика допускают такой вывод, что внутри атома золота вся его масса сконцентрирована в минимальном пространстве. Когда альфа-частица со скоростью 20 000 километров в секунду натыкается на это внутреннее ядро, она стопорится на лету сильным электрическим зарядом ядра и с ускорением отдачи отбрасывается назад к своему источнику. Все остальные альфа-частицы, пролетающие мимо ядра, более или менее сильно отклоняются от своей прямолинейной траектории. Но если почти все 80 000 альфа-лучей беспрепятственно пролетают сквозь золотую фольгу, то атом должен по большей части состоять из пустоты. И поскольку это ядро, nucleus, как нарекает гипотетическое образование Резерфорд, так редко задевается, оно должно быть невообразимо мало. Простой расчет соотношения приводит Резерфорда, Гейгера и Марсдена к поразительным выводам о размерности атомов. Если сам атом не больше чем стомиллионная доля сантиметра, то ядро должно быть еще меньше на 10 000 порядков.

Здесь, в Физическом институте Манчестерского университета как раз и формируется совершенно новое, хоть еще и несколько смутное представление о структуре атома. По мнению Резерфорда, ядро объединяет в себе почти всю массу атома. Оно положительно заряжено, тогда как электроны образуют наружную оболочку атома и заряжены отрицательно. Где еще, как не в этом крошечном ядре атома, мог бы происходить распад у радиоактивных элементов? Где еще, если не там, должна быть скрыта могучая атомарная энергия? Судя по всему, радиохимия на глазах превращается в «нуклеарную» науку, а именно в учение об атомном ядре.

Отто Ган принадлежит к числу первых ученых, которые узнали о волнующе новом представлении об атоме непосредственно из уст бывшего учителя. Они встречаются в Париже, в марте 1912 года как участники конференции Международной комиссии по радию. Мария Кюри демонстрирует там 22 миллиграмма высокочистого радия, запаянного в стеклянную трубку, в качестве международного стандарта радия. Как эталон он должен теперь храниться в Севре близ Парижа в Международной палате мер и весов. Тридцатитрехлетний профессор Ган считается между тем одним из ведущих радиохимиков мира. Год назад он во время поездки на пароходе в Штеттинской бухте [1] познакомился со своей невестой Эдит Юнгханс, на которой собирается вскоре жениться. Может быть, хоть тогда, как он надеется, прекратятся слухи, которые ходят в институте у него за спиной. Ибо Ган с конца 1907 года работает вместе с женщиной, австрийской «фройляйн доктор».

Лиза Мейтнер, дочь еврейского адвоката, стала второй женщиной, получившей ученую степень доктора в Венском университете. Вообще-то директор Эмиль Фишер в принципе отвергает преподавательниц в своем институте. Такая установка согласуется с прусскими законами о высшем образовании, которые практически не дают возможности женщине сделать академическую карьеру. Однако для Лизы Мейтнер Фишер делает исключение. До тех пор пока она знает свое место в столярной мастерской Гана и не кажет носа в студенческих аудиториях и лабораториях, ей можно работать в Химическом институте. Разумеется, лишь в качестве вольной посетительницы и на собственный кошт. Ган и Мейтнер явно находят общий язык. Тут же возникают слухи и пересуды. Воспоминания Гана об этом периоде жизни звучат почти как запоздалое опровержение: «О нашем общении между собой вне стен института не могло быть и речи. Лиза Мейтнер к тому же и воспитана была как дитя высшего света, она была очень сдержанна, почти нелюдима... За многие годы я ни разу даже не обедал вместе с Лизой Мейтнер за пределами института. Мы никогда не прогуливались вместе. Лиза Мейтнер шла домой, и я шел домой. При этом мы все-таки были сердечными друзьями». Ган при этом человек общительный, в свободное время регулярно встречается с коллегами для обмена мыслями и... он поет. Сподвигнутый песнями, которые напевает Лиза в долгие часы их совместных измерений — а это Брамс, Шуман и Вольф, — он вливается в университетский певческий кружок «Хриплый фазан», в котором преобладают дамы. Гану грезится амурная атмосфера. Однако замыслил он — тем более что теперь он обручен — совсем другое, ведь здесь поют «племянницы Планка, дочери Гарнака... Дамы хорошего круга, а быть принятым в их семьях не так легко».

В 1911 году, по инициативе теолога Адольфа фон Гарнака, отца трех певучих дочерей из «Хриплого фазана», учреждается Общество кайзера Вильгельма — для содействия фундаментальным научным исследованиям. В октябре 1912 года открывают первое научное учреждение этого общества: Химический институт кайзера Вильгельма в берлинском Далеме с Эмилем Фишером во главе. Отто Ган должен руководить там отделом радиоактивности. Лиза Мейтнер приглашена и далее работать с Ганом в новом здании института. В это переломное для науки время в столице Германии распространяются и первые сообщения одной из новых многообещающих теорий, которую, по слухам, создал Фредерик Содди. Она неожиданно убедительно объясняет некоторые непонятные свойства радиоактивных веществ. К 1911 году найдено более двадцати новых радиоактивных элементов, в таком множестве они уже не помещаются в периодической системе, которая оказалась им тесновата, как слишком узкий корсет.

Новая идея проясняет некоторые прежние расхождения. Содди исходит из того, что все радиоактивные элементы — такие, как уран, радий и торий, — имеют разные сорта атомов, которые впоследствии будут названы «изотопами». Они хоть и обладают одинаковыми химическими свойствами, но совершенно различаются по физической структуре. Если следовать теории Содди, то Отто Ган в 1905 году у Рамсея в Лондоне открыл не новый элемент радиотор, а лишь доселе неизвестный дополнительный изотоп тория. И другое открытие Гана — мезотор — тогда тоже не новый элемент, а всего лишь другой изотоп радия. Для всех изотопов радия характерно следующее: у них разные физические свойства — индивидуальный вид распада, собственный период полураспада и атомный вес. Тогда как в отношении химических свойств они не отличаются от элементарного радия. Отто Ган сожалеет, что сам не опубликовал аналогичную догадку, добытую в многолетних кропотливых трудах. «А ведь Содди наверняка сделал не так много негативных опытов отделения, как я, — ропщет Ган на самого себя, но все же справляется с завистью: — ...но у него было больше мужества». Резерфордовская модель атома и соддиевская теория изотопов еще не завершены, но оба исследователя — в который раз — на верном пути к лучшему пониманию атома.

На торжественное открытие Химического института кайзера Вильгельма двадцать третьего октября 1912 года кайзер вознамерился прибыть собственной персоной. Надо бы устроить для него нечто особенное, и Гану выпадает сомнительная честь сыграть роль чужеземца и продемонстрировать его величеству эффект свечения мезотора. Накануне открытия прибыл, бряцая волочащейся саблей, императорский флигель-адъютант, чтобы проинспектировать здание и местность. Офицеру необходимо точно знать торжественную программу в ее последовательности. Ган предполагает показать 300 миллиграммов мезотора — поистине царское количество — в красивой коробочке на бархатной подушечке. От свинцового экрана наплевательски решили отказаться из эстетических соображений. Чтобы подобающе инсценировать эффект самосвечения препарата, комната, естественно, должна быть хорошо затемнена. Что флигель-адъютант, однако, решительно отверг: «Исключено, мы не можем направить его величество в совершенно темную комнату».

Призванный для содействия шеф института Эмиль Фишер выторговал компромисс. Путь императору в темноте будет указывать маленькая красная лампочка. Однако в день торжественного открытия выясняется, что Вильгельм II темноты не боится. Он отказывается от красной лампочки. Ган демонстрирует ему эффект свечения, а выделяющийся из препарата радиоактивный газ полыхает по сернистоцинковому экрану изумрудными волнами.

В то время как Мария и Пьер Кюри в Париже в месяцы до и после смены века изучают радий в богемской смоляной обманке, немецкий физик Макс Планк в Берлине занят излучением так называемого абсолютно черного тела. В качестве экспериментального приближения к этому представлению можно, пожалуй что, представить полость разогретой самодувной печи в лаборатории Мартина Генриха Клапрота. По законам классической физики невозможно увидеть излучаемый печью световой спектр — от светло-желтого через красный и голубовато-белый до вошедшего в поговорку цвета белого каления. Более того, при постоянно нарастающем жаре в раскаленных стенках печи должно преобладать коротковолновое излучение, так что вскоре отдаваться будет только свет ультрафиолетовой области. К тому же в неограниченном количестве. Если уютно примоститься у такой коротковолновой печки, то будешь ощущать тепло, но свет огня видеть не сможешь, потому что доминирующий ультрафиолетовый свет невидим. К счастью, такой печи не бывает, ибо в физической реальности нет бесконечной энергетической ценности. Однако основанная на ньютоновской механике теория теплового излучения требует в конечном счете именно бесконечной энергетической ценности. На этом основании классическая теория не может быть верной.