Трансурановые элементы

Трансурановые элементы

Хотя практическая ядерная физика в США застопорилась из-за сомнений военных, академические исследования продолжали получать финансирование и принесли результаты, которые впоследствии очень пригодились тем, кто создавал атомное оружие. В частности, были наконец-то открыты трансурановые элементы таблицы Менделеева: нептуний и плутоний.

Мы помним, что одним из первых получить химические элементы, стоящие в таблице за ураном, пытался еще Энрико Ферми со своими римскими «мальчуганами». И вроде бы у него это даже получилось. В июне 1934 года Ферми анонсировал статью «О возможном производстве элементов с порядковым числом больше 92». Он даже придумал названия для новых элементов: «аузоний» для элемента с порядковым номером 93 и «гесперий» для элемента с порядковым номером 94. Однако физик быстро осознал шаткость доказательной базы и решил еще раз всё перепроверить. На проверке настаивала и оппонент Ферми – немецкий радиохимик Ида Ноддак. Ее аргументы возымели действие, и великий итальянец отказался от сомнительного открытия. И оказался прав: в уране после бомбардировки традиционным методом получались не трансурановые тяжелые, а более легкие элементы. Для того чтобы получить вожделенные «аузоний» и «гесперий», понадобилось оборудование следующего поколения – циклотрон.

Циклотрон изобрел американский физик Эрнест Лоуренс в 1929 году. Вспомним суть его изобретения. Чтобы заставить поток протонов двигаться по кругу, можно использовать магнит. Если затем воздействовать на протоны еще и переменным электрическим полем, то скорость движения частиц будет возрастать. Как выяснил Лоуренс, именно так и должен работать аппарат, открывающий человеку путь к секретам атомного ядра. На постройку маленькой демонстрационной модели у него ушло всего 25 долларов. Диаметр устройства составлял чуть более 10 сантиметров – ее можно было держать на ладони. Хотя модель пока не сообщала протонам той большой энергии, о которой говорил Лоуренс, ее работа впечатлила коллег. Научное название аппарата – «циклический резонансный ускоритель» – было слишком громоздким, а вот слово «циклотрон» звучало как термин из научно-фантастического романа и было гораздо привлекательнее для потенциальных спонсоров.

Лоуренс поставил производство аппаратов на поток. Циклотрон с магнитом, полюсный наконечник которого имел диаметр около 28 сантиметров, придавал протонам энергию, равную более чем миллиону электрон-вольт. Затем диаметр увеличили до 68 сантиметров, а вскоре и до 94. Когда в январе 1939 года стало известно о расщеплении ядра урана, Лоуренс как раз планировал 152-сантиметровый циклотрон, который придавал протонам энергию, равную приблизительно 20 миллионам электрон-вольт. Вес магнита в подобном устройстве составлял 200 тонн.

Циклотрон диаметром 152 сантиметра едва только заработал, а Эрнест Лоуренс уже трудился над новым устройством. Его очередным детищем должен был стать гигантский суперциклотрон диаметром более 300 сантиметров, магнит в котором весил уже 2000 тонн. По оценкам изобретателя, такое устройство давало протонам энергию в 100 миллионов электрон-вольт, что практически равнялось той, которая выделяется при ядерных реакциях. Воодушевление Лоуренса, который за свои изобретения получил Нобелевскую премию, росло, и он решил еще увеличить размеры будущего суперциклотрона: теперь в нем должен был стоять магнит с полюсным наконечником диаметром 467 сантиметра и массой 5000 тонн. По расчетам, аппарат должен был обойтись в полтора миллиона долларов.

Впрочем, мало создать устройство, важнее – его правильно применить. И тут свое слово сказал еще один выдающийся американский физик, Эдвин Макмиллан. Он много лет работал с циклотронами Лоуренца. Когда стало известно о том, что атомное ядро расщепляемо, Макмиллан решил провести простые эксперименты, только чтобы подтвердить данный феномен. В результате бомбардировки нейтронами ядра урана образовалось радиоактивное вещество, период распада которого равнялся приблизительно 23 минутам. Подобно предшественникам, Макмиллан посчитал его ураном-239, полученным после резонансного захвата нейтрона атомом урана-238. Однако было выделено еще одно вещество с периодом распада примерно в два дня. Макмиллан решил, что это некий новый элемент, образующийся при испускании ураном-239 бета-частицы – в ходе превращения нейтрона в протон. Возможно, получившееся вещество – это и есть искомый многими элемент с атомным номером 93, то есть первый в ряду трансурановых элементов. Как и Отто Ган, Макмиллан полагал, что по своим свойствам 93-й элемент должен походить на рений.

При поддержке Эмилио Сегре, одного из римских «мальчуганов» Ферми, американский физик попытался собрать доказательства своего предположения. Эксперименты, однако, не дали заметного результата. Итоги исследований Сегре опубликовал в «Физикал ревью» с комментарием: «Поиск трансурановых элементов не увенчался успехом».

Макмиллан тем временем уточнил данные о периоде распада таинственного вещества. Согласно последним измерениям, он составлял 2,3 дня. Ученый твердо намеревался распознать этот элемент. Весной 1940 года для дальнейших исследований он использовал 152-сантиметровый циклотрон Лоуренса. Теперь ему помогал еще и Филип Абельсон из Института Карнеги. Как оказалось, по своим свойствам вещество не так уж сильно отличалось от урана. Напрашивался единственный вывод: все-таки перед нами тот самый элемент-93. Макмиллан назвал новый элемент «нептунием», используя простой принцип: новый элемент стоит в периодической таблице следом за ураном, точно так же, как планета Нептун в Солнечной системе находится сразу за Ураном. Не видя особых причин скрывать свое открытие, 27 мая Макмиллан и Абельсон отослали в «Физикал Ревью» статью, в которой рассказали обо всех результатах своей работы. 15 июля она была опубликована.

Новое открытие породило очередной вопрос. Если элемент-93 радиоактивен, имеет период распада, равный 2,3 дня, то во что он превращается в результате этого распада? У Макмиллана уже имелись мысли на сей счет. Он считал, что элемент-93 распадается, возможно, также с испусканием бета-частицы и превращением в протон еще одного нейтрона. Образуется элемент-94, за которым можно зарезервировать название «плутоний».

Лео Силард ничего не знал о готовящейся статье Макмиллана и Абельсона до того момента, когда она была опубликована. У них даже и мысли не было о том, чтобы спросить у кого-нибудь из коллег, безопасно ли размещать материалы исследований в открытой печати. Однако, по чистому совпадению, в тот же самый день, когда физики отправили статью в редакцию журнала, Силард получил рукопись с материалами по тому же самому вопросу от Льюиса Тернера из Принстона, который занимался теоретической физикой.

В январе 1940 года Тернер изучил всю доступную литературу по расщеплению ядра урана. Всеобщее внимание в то время было обращено на изотоп уран-235, но Тернер упрямо развивал идею получения атомной энергии из стабильного и гораздо более распространенного урана-238. Захват нейтронов ядром урана-238 рассматривался как досадная помеха, ликвидировать которую можно при использовании подходящего замедлителя. Дальше Льюис Тернер размышлял следующим образом. Захват нейтрона ядром урана-238 должен создавать нестабильный изотоп уран-239, при распаде которого выделится элемент с порядковым номером 93. Исходя из известных теоретических принципов, можно сделать вывод о том, что элемент-93 нестабилен и довольно быстро претерпит распад, образовав элемент с атомным номером 94. Получение очередного элемента таблицы Менделеева открывало большие перспективы. Его ядро должно состоять из 94 протонов и 145 нейтронов, то есть всего из 239 нуклонов. Похожее соотношение количества нуклонов наблюдается у урана-235 (92 протона, 143 нейтрона). Простейшие вычисления подсказывали, что новый элемент будет расщепляться даже проще, чем уран-235. Получить его можно будет из распространенного повсюду урана-238, а учитывая тот факт, что это самостоятельный элемент, то отделить его от исходного урана химическим методом не составит особого труда. Льюис Тернер предположил, что элемент-94 – потенциально новое ядерное топливо, пригодное для поддержания цепной реакции.

Ученый набросал статью для публикации в «Физикал ревью», а к Лео Силарду обратился за советом: безопасно ли размещать ее в печати? «На первый взгляд это почти сумасшедшая гипотеза, – писал он, – и поэтому публикация вряд ли кому-то повредит. Но хотелось бы услышать чье-то еще мнение». Конечно, выводы Тернера были умозрительными, но Силард умел разглядеть ясную перспективу там, где остальные видели лишь туман. Он был потрясен заключениями, проистекавшими из того, что было изложено его коллегой. «Когда я понял выводы Тернера, – признался Силард впоследствии, – то перед моими глазами ясно предстало будущее атомной энергии». Он понял, что с применением элемента-94 осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, а значит, и создать атомную бомбу станет намного проще, чем раньше. В итоге Силард порекомендовал Тернеру отложить публикацию статьи «на неопределенный срок».

Несмотря на новые революционные открытия, Консультативный комитет по урану топтался на месте. Лео Силарду пришлось опять обратиться к Эйнштейну. 7 марта 1940 года знаменитый физик направил президенту Рузвельту второе письмо, в котором, в честности, сообщалось:

С начала войны в Германии усилился интерес к урану. Сейчас я узнал, что в Германии в обстановке большой секретности проводятся исследовательские работы, в частности в Физическом институте, одном из филиалов Общества имени кайзера Вильгельма. Этот институт передан в ведение правительства, и в настоящее время группа физиков под руководством К. Ф. фон Вайцзеккера работает там над проблемами урана в сотрудничестве с Химическим институтом. Бывший директор института отстранен от руководства, очевидно, до окончания войны.

Второе общее заседание Консультативного комитета состоялось 28 апреля. На нем был поставлен вопрос о более энергичной поддержке работ и лучшей их организации. Резолюция, принятая на втором заседании, эффекта не возымела.

Впрочем, на горизонте наконец-то замаячили некие перемены. Еще летом 1939 года Ванневар Буш оставил пост вице-президента Массачусетского технологического института и перешел на должность президента Научного института Эндрю Карнеги в Вашингтоне. Электротехник по образованию, с годами он становился все более практичным управленцем. Возглавив Институт Карнеги, Буш начал оказывать на законодателей давление: он хотел учредить государственную организацию, которая должна была заниматься поддержанием взаимного сотрудничества между учеными и военными. 12 июня 1940 года он представил свои аргументы Франклину Рузвельту. Благодаря его инициативе и поддержке президента был сформирован Национальный комитет по оборонным исследованиям (НКОИ).

Одним из первых действий Национального комитета стало взятие под надзор Консультативного комитета по урану. Незамедлительно было принято решение ввести строгий контроль над информацией: все документы по исследованиям расщепления ядра урана объявили совершенно секретными. На посту председателя комитета оставили Лаймана Бриггса. Однако он должен был регулярно отчитываться перед Джеймсом Конентом – президентом Гарвардского университета, вступившим в комитет по приглашению Буша. Теперь финансирование уранового проекта в гораздо меньшей степени зависело от военных советников с их вечным скептицизмом.

И все же коренным образом ситуация не изменилась. Буш и Конент осознавали явную угрозу, которую может представлять созданная Германией атомная бомба. Но вместо того чтобы настаивать на увеличении финансирования американской ядерной программы, они предпочли направлять исследования на получение доказательств невозможности создания такой бомбы. Ведь если бы это действительно оказалось так, то от нацистов не стоило ожидать угрозы ее применения. В докладе от 1 июля 1940 года Лайман Бриггс сообщал о прогрессе, достигнутом на данный момент, и просил выделить 40 000 долларов на крайне важные исследования – определение ядерных свойств изучаемых материалов. Еще 100 000 требовались ему для крупномасштабных экспериментов над уран-графитовым реактором. Однако комитету выделили только 40 000.

Учреждение Национального комитета по оборонным исследованиям породило непредвиденную проблему. Поскольку эта организация была чисто американской и занималась секретными военными проектами, то ее сотрудниками могли быть только граждане США. В результате Ферми, Силарда, Теллера и Вигнера отстранили от работы. Невероятный абсурд! Финансист Александр Сакс изо всех сил защищал ученых, доказывая, что вся работа Консультативного комитета по урану напрямую зависит от достижений этих эмигрантов, которым теперь запретили продолжать исследования.

Военная контрразведка провела все возможные проверки. Результаты были парадоксальны. Например, в обобщенном донесении об Энрико Ферми говорилось, что он, «вне всякого сомнения, фашист». Далее следовала рекомендация не допускать его к засекреченным исследованиям. В разведданных, касающихся Лео Силарда, сообщалось, будто он настроен «крайне прогермански» и «неоднократно высказывал свое мнение о том, что победителем в войне будет именно Германия». Его также рекомендовали отстранить от любых работ, объявленных секретными. Оба донесения ссылались на «полностью достоверные источники». Ирония заключалась в том, что информацией, которую стоило в первую очередь засекречивать, владели как раз те ученые, коих власти хотели отстранить от работы.

Донесения контрразведки в августе 1940 года отправили Джону Гуверу с просьбой привлечь к дальнейшим проверкам Федеральное бюро расследований. Данные, полученные его ведомством, почти слово в слово повторяли то, что ранее сообщали военные. Но рекомендации из донесений в полной мере выполнены не были: аргументы Александра Сакса оказались сильнее. Всем четверым физикам-эмигрантам разрешили участвовать в проекте, правда не в качестве полноправных членов Национального комитета, а только как консультантам.

Хотя проект получил гораздо более высокий статус, работа продвигалась медленно. Объективности ради следует сказать, что все полученные на тот момент результаты выглядели обескураживающими. Стало точно известно, что под воздействием медленных нейтронов расщепляется только изотоп уран-235, однако отделить его от урана-238, по мнению ученых, было очень сложно. Первые данные, указывающие на возможность создания самоподдерживающегося уранового реактора, обнадеживали и разочаровывали одновременно. Предполагалось, что очищенный графит послужит неплохим замедлителем, однако до сих пор не было точно известно, возможна ли самоподдерживающаяся цепная реакция в урановом «котле», в котором количество урана-235 не увеличено (то есть он не обогащен). Если удастся построить и запустить реактор, то в нем при поглощении нейтронов ядрами урана-238 должен образоваться элемент-94 (плутоний), который выделить, судя по всему, гораздо проще. В свою очередь, этот элемент также мог быть расщепляемым. В довершение ко всему Эдвард Теллер произвел вычисления, результаты которых позволяли предположить, что масса урановой бомбы превышает 30 тонн. Даже если допустить, что подобное устройство все-таки получится привести в действие, доставить его к цели будет невозможно ни одним из известных способов.

Таким образом, целый год для американского уранового проекта был безвозвратно потерян. В сомнениях оставались и физики, и политики, и военные. Но именно в это время в Великобритании произошел настоящий прорыв в области теоретических предпосылок к созданию атомной бомбы.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.