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.

---

Кембриджский университет, Тринити-колледж — мечта любого молодого физика. Здесь работали Ньютон, Максвелл и лорд Рейли, изменившие мир. В 1911 году заведующего кафедрой и руководителя Кавендишской лаборатории зовут Джозеф Джон Томсон. Он принадлежит к числу виднейших современных физиков. В 1897 году он подтвердил существование электронов в составе атома и разработал собственную теорию атома. Она стала известна как модель «пудинга с изюмом». Томсон убежден, что масса равномерно распределена по всему атому и электроны вкраплены туда, как изюминки в тесто.

Нильс Бор, двадцатисемилетний доктор физики из Копенгагена, явился сюда с большим самомнением и с наивным намерением подискутировать с Томсоном о слабых местах его теории электронов. Однако руководитель института, судя по всему, не принял всерьез многообещающего ученого младшего поколения. Диссертация Бора, с трудом переведенная на английский, так и остается месяцами лежать на письменном столе Томсона. Обмен мыслями не состоялся.

Однако потом Бор видит в Тринити-колледже на ежегодном торжественном ужине в память об открытии электрона почетного гостя вечера: Эрнеста Резерфорда. Находясь в приподнятом настроении от еще свежего опыта выдвижения новой модели атома, тот на своем бывшем рабочем месте с родительской гордостью рассуждает об «атоме-Сатурне». В разгар вечера он побуждает гостей своим громовым голосом встать на стулья, взяться за руки и спеть старую студенческую песню, включая непристойный тайный куплет. Своим авторитетом жизнерадостного ученого он провоцирует молодых докторантов и почтенных профессоров произносить лимерики и тосты. Нильса Бора впечатляет непринужденность и своевольный шарм крестьянского сына из Новой Зеландии, и с этого вечера он проникается к Резерфорду лучшими чувствами. Отныне он человек Резерфорда. В марте 1912 года он покидает Кембридж и отправляется в Манчестер.

Бор атлетически сложен, у него четко очерченный подбородок и крупные ладони. Жесткие волосы он зачесывает назад крутой волной. Из-за этого его и без того высокий лоб производит еще более сильное впечатление. Раньше он был отличным вратарем университетской футбольной команды Копенгагена. Рассказывали, что он выцарапывал формулы и ряды вычислений на столбах ворот, если во время игры ему приходило в голову что-то важное. Нильс Бор и Резерфорд с самого начала находят общий язык. Последний в юности был страстным игроком в регби у себя в Новой Зеландии — то есть оба они были командными игроками, которые, однако, могут оказаться и «в противниках». Открыватель атомного ядра восхищен хваткой молодого человека и умеет оценить разнообразие его интересов. С остроумным Бором он может говорить и на бытовые темы, и на философские, и об искусстве.

Резерфорд, вырастивший из своих учеников одиннадцать будущих лауреатов Нобелевской премии, не колеблясь, говорит: «Этот молодой датчанин самый умный парень из всех, кого я когда-либо встречал».

Ганс Гейгер и Эрнест Марсден, прилежные счетчики альфа-частиц, знакомят Бора с экспериментальными методами новой ядерной науки. К этому времени чуть ли не все радиохимики заняты той проблемой, что два вещества с различным атомным весом могут иметь одинаковые химические свойства и потому вообще-то должны бы занимать одно и то же место в химической периодической системе. То есть радиоактивных веществ больше, чем мест в таблице. Резерфорд тоже не знает объяснения этому странному феномену. Фредерик Содди напряженно работает над этим.

И вот Бор теперь делает из этой парадоксальной ситуации вывод, который озадачивает ученых Манчестера. Он исходит из допущения Резерфорда, что чуть ли не вся масса атома сконцентрирована в ядре, а массой электронов, собственно, можно пренебречь. Итак, если вещества с различными массами ядер могут быть химически идентичными, значит, ядро, возможно, и не влияет на химию элемента. Не убедительно ли было бы посему, задается вопросом Бор, рассматривать число и порядок расположения электронов, вращающихся вокруг ядра, как решающие факторы химических свойств? Тогда как в ядре происходит «лишь» радиоактивный распад, то есть физический процесс. Под этим углом зрения можно рассматривать и «атом-Сатурн» Резерфорда как модель неразрывной связи химии и физики на атомарном уровне.

Разумеется, Бор знаком с работой Планка и знает также квантовую гипотезу света Эйнштейна. Так что не он был первый, кто скорее поставит под сомнение полубогов Ньютона и Максвелла, чем отречется от гипотезы — пусть неправоверной, но удовлетворительно объясняющей реальность. Тем не менее, он знает, конечно, о значении предмета своего исследования. Речь тут идет не меньше, чем о структуре атома, о самой prima materia, основе всех вещей. Неужто, именно здесь, как нарочно, теряют силу столь успешные законы природы? Нильс Бор набирается мужества утверждать именно это. Если электромагнитная теория требует, чтобы электрон падал на ядро, излучая энергию, а этого определенно не происходит, значит, эти законы не работают как раз на базисном уровне материальной действительности.

Чтобы ничего не упустить из виду, Бор склеивает разлинованные листы со своими расчетами в длинный свиток, разворачивая его в разговорах с Резерфордом, словно ученый библейской древности. И постепенно из его числовых рядов и формул начинают проступать «кольца Сатурна»: на одном таком «кольце» могут вращаться до восьми электронов. При этом они не теряют энергию и, следовательно, не могут упасть на ядро. Так сохраняется стабильность атома. Но если химию атома определяют число и порядок электронов, то по числу электронов можно установить, имеешь ли дело с атомом гелия, золота или натрия. И поскольку атомы всех элементов электрически нейтральны, число положительно заряженных частиц в ядре в точности соответствует числу отрицательно заряженных электронов.

Удивительным образом из соображений Бора вытекает еще одно числовое соотношение, исполненное смысла. Ведь в химической периодической системе элементы расположены по атомному весу. Легкий водород стоит на первом месте, тогда как уран, как самый тяжелый элемент, на 92-м и — по состоянию науки на текущий 1913 год — последнем месте. Числа этого ранжирного весового списка называются порядковыми номерами элементов. И вот выясняется, что, например, атом магния с порядковым номером 12 имеет также 12 электронов, в железе — 26-м номере периодической системы — ядро окружают ровно двадцать шесть электронов, а ртуть с номером 80 также обладает ровно восемьюдесятью электронами. С этим полным соответствием порядкового номера элемента числу его электронов «атом-Сатурн» Резерфорда постепенно превращается в атомную модель Резерфорда — Бора, которая открывает новые взаимосвязи между физикой и химией элементов.

Электроны движутся не по всем геометрически возможным, а лишь по «разрешенным» орбитам с точно определенным радиусом вращения вокруг ядра, при этом они не отдают энергию. Только если электрон «спрыгивает» с одной такой прочной орбиты на соседнюю с более низким энергетическим уровнем, он излучает количество энергии, которое производит типичные для этого элемента спектральные линии — например, зеленую, синюю и желтую у бария. Занимаясь математикой этих линий, Бор наталкивается на матрицу решетки и делает при этом поразительное открытие: формулу легко можно преобразовать так, что в ней выявляется постоянная Планка h. Она работает и здесь, поскольку прыгающий электрон излучает энергию порциями, строго отделенными друг от друга: квантами Макса Планка. А это означает: атом Резерфорда — Бора подчиняется законам квантовой теории.

Когда немного погодя становятся известны первые совпадения экспериментальных данных с теорией Бора, не кто иной, как Альберт Эйнштейн, посвящает Бора в рыцари: «Это огромное достижение. Оно доказывает, что теория Бора верна». Другие физики далеко не в восторге. Со стороны геттингенских семинаров, например, Бор видит как смущенное молчание, так и нескрываемый ужас перед этой государственной изменой классической физике. В ноябре 1913 года некоторые заключения Бора и впрямь могли казаться еще слишком умозрительными и недостаточно обоснованными, однако сам он знает точно, что находится на верном пути. В Манчестере и Копенгагене в это время идет очень осторожная прорисовка плана строения самой природы. Промерены энергетические уровни, определены геометрические соотношения. Они противоречат старым теориям. Постоянная Планка, судя по всему, оказалась в сознании физиков-первопроходцев чем-то вроде Полярной звезды для успешной навигации сквозь еще неизведанные пространства атомной физики. Резерфорд целиком на стороне Бора, Эйнштейн в полном восторге, да и Планк вообще-то должен чувствовать себя польщенным, что его открытие тринадцатилетней давности, как оказалось, играет решающую роль на этом фундаментальном уровне природы.