Открытие деления ядра урана (1938)

Загадка «заурановых» элементов

После открытия нейтрона в 1932 году физики получили идеальный снаряд для исследования ядер: не имеющий заряда нейтрон мог проникать в любое, даже самое тяжелое ядро. В 1934 году, вслед за открытием искусственной радиоактивности супругами Жолио-Кюри, Энрико Ферми в Риме начал систематически облучать нейтронами все элементы периодической таблицы.

Облучив уран - последний, самый тяжелый элемент известной тогда таблицы, - группа Ферми обнаружила несколько новых радиоактивных веществ. Ферми предположил, что уран, захватив нейтрон и испустив электрон, превращается в элемент с номером 93, а затем, возможно, 94 - то есть в «заурановые», не существующие в природе элементы. Это открытие широко приветствовалось, в том числе фашистской пропагандой как успех итальянской науки, и стало одним из оснований для присуждения Ферми Нобелевской премии 1938 года.

Немецкий химик Ида Ноддак в том же 1934 году опубликовала статью, в которой указала, что Ферми не исключил другую возможность: при бомбардировке нейтронами тяжелое ядро может распасться на несколько крупных осколков, являющихся изотопами известных элементов. Ее предположение было проигнорировано: оно противоречило всему, что физики знали о ядре, а сама Ноддак не предложила ни теоретического обоснования, ни экспериментальной проверки.

Берлинская группа

Проверкой открытия Ферми занялась в Берлине одна из лучших исследовательских групп в мире - физик Лиза Мейтнер и химик Отто Ган, работавшие вместе с 1907 года, к которым затем присоединился молодой химик Фриц Штрассман. Ган был выдающимся радиохимиком, Мейтнер - одним из ведущих физиков-ядерщиков Европы, первой женщиной-профессором физики в Германии. В 1934-1938 годах группа обнаружила целый ряд радиоактивных продуктов облучения урана и приписала их нескольким «заурановым» элементам, выстроив сложную схему распадов. Однако эта схема становилась все более запутанной и противоречивой.

Параллельно этой проблемой занимались в Париже. В 1938 году Ирен Жолио-Кюри и югославский физик Павле Савич обнаружили среди продуктов облучения урана вещество, по химическим свойствам очень похожее на лантан - элемент средней части периодической таблицы. Они не решились сделать вывод о распаде ядра и предположили, что это какой-то необычный трансурановый элемент.

Бегство Мейтнер

Лиза Мейтнер, родившаяся в Вене в еврейской семье и принявшая протестантство, долгое время была защищена австрийским гражданством от нацистских расовых законов, хотя в 1933 году лишилась права преподавать. После аншлюса Австрии в марте 1938 года она стала гражданкой Германии, подпадающей под антиеврейское законодательство, а выезд за границу для специалистов был запрещен.

В июле 1938 года при помощи голландского физика Дирка Костера Мейтнер тайно, почти без вещей, пересекла германо-голландскую границу. Ган, провожая ее, дал ей на случай нужды кольцо с бриллиантом, доставшееся ему от матери. Из Нидерландов Мейтнер переехала в Стокгольм, где получила место в физическом институте Манне Сигбана, но оказалась в изоляции, без оборудования и сотрудников. С Ганом она продолжала обсуждать работу в переписке; в ноябре 1938 года они тайно встретились в Копенгагене, и Мейтнер настояла на тщательной проверке одного из результатов.

Барий

Осенью 1938 года Ган и Штрассман повторили парижские опыты и обнаружили среди продуктов облучения урана вещества, которые они сочли изотопами радия - элемента, близкого к урану. Чтобы выделить их, химики использовали барий в качестве носителя, поскольку барий и радий химически сходны. Однако в серии тщательных опытов 17-19 декабря 1938 года «радий» никак не удавалось отделить от бария. Вывод был неизбежен: это не радий, а сам барий.

Барий имеет атомный номер 56, почти вдвое меньший, чем у урана с его номером 92. Ган, как химик, был уверен в результате, но не мог понять его физически: считалось, что нейтрон может отколоть от ядра лишь небольшую частицу. 19 декабря он написал Мейтнер, назвав результат «ужасным» и попросив ее найти объяснение. 22 декабря Ган и Штрассман отправили статью в журнал «Натурвиссеншафтен», осторожно сформулировав, что как химики они вынуждены признать образование бария, хотя как «ядерные химики, близкие к физике», не решаются сделать этот шаг, противоречащий всему прежнему опыту. Статья вышла 6 января 1939 года.

Прогулка в Кунгэльве

Рождество 1938 года Мейтнер проводила у знакомых в небольшом шведском городке Кунгэльве. К ней приехал ее племянник Отто Фриш, физик, работавший в Копенгагене у Нильса Бора. Во время прогулки по заснеженному лесу - Фриш на лыжах, Мейтнер пешком - они обсуждали письмо Гана. Присев на бревно, они на клочках бумаги сделали расчеты, ставшие основой объяснения.

Мейтнер и Фриш использовали капельную модель ядра, предложенную Георгием Гамовым и развитую Бором: ядро подобно капле жидкости, удерживаемой силами, аналогичными поверхностному натяжению. У тяжелого ядра урана, в котором много протонов, электрическое отталкивание почти уравновешивает эти силы. Поглотив нейтрон, ядро начинает колебаться, вытягивается, образует перетяжку и может разорваться на две части, которые разлетаются под действием электрического отталкивания.

Они рассчитали энергию разлета осколков - около двухсот миллионов электронвольт на одно деление. Мейтнер, помнившая формулу для масс ядер, проверила результат другим способом: сумма масс осколков меньше массы исходного ядра примерно на пятую часть массы протона, и по формуле Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии эта разница соответствует тем же двумстам миллионам электронвольт. Это была энергия, в десятки миллионов раз превышающая энергию, выделяющуюся при химических реакциях, например при горении.

Деление

Вернувшись в Копенгаген, Фриш рассказал об открытии Бору, который как раз собирался уезжать в США. Бор, по воспоминаниям Фриша, хлопнул себя по лбу и воскликнул, что все они были глупцами, раз не догадались раньше. Фриш по совету американского биолога Уильяма Арнольда, работавшего в Копенгагене, назвал явление «делением» - по аналогии с делением живой клетки. 13 января 1939 года Фриш экспериментально подтвердил деление, зарегистрировав с помощью ионизационной камеры мощные импульсы, создаваемые разлетающимися осколками.

Мейтнер и Фриш подготовили две заметки для британского журнала «Нейчур», вышедшие в феврале 1939 года. В первой было дано теоретическое объяснение и введен термин «деление», во второй описан эксперимент Фриша. Мейтнер и Фриш также поняли, что «заурановые» элементы, которые годами искали в Берлине и Риме, в большинстве своем были осколками деления.

Физики-изгнанники

Открытие деления совпало с величайшим в истории переселением ученых. После прихода нацистов к власти в 1933 году из германских университетов были изгнаны сотни ученых еврейского происхождения и политических противников режима. Эйнштейн, Силард, Юджин Вигнер, Эдвард Теллер, Ханс Бете, Джеймс Франк, Макс Борн, Рудольф Пайерлс, Отто Фриш оказались в Великобритании и США. После аншлюса к ним присоединились австрийские ученые, а в Италии принятие расовых законов в 1938 году вынудило к эмиграции многих итальянских физиков.

Среди них был и Энрико Ферми, жена которого Лаура происходила из еврейской семьи. В декабре 1938 года Ферми с семьей выехал в Стокгольм на вручение Нобелевской премии и оттуда, не вернувшись в Италию, отплыл в Нью-Йорк, куда прибыл 2 января 1939 года - через две недели после опытов Гана и Штрассмана. Именно ученые-эмигранты - Ферми, Силард, Вигнер, Теллер, Бете, Фриш, Пайерлс - сыграли решающую роль в осознании военного значения деления и в создании атомного оружия в Великобритании и США. Нацистская политика изгнания лишила Германию значительной части лучших умов, которые затем работали против нее.

Новость облетает мир

Бор, прибывший в Нью-Йорк в середине января 1939 года, рассказал об открытии коллегам, а 26 января сообщил о нем на конференции по теоретической физике в Вашингтоне. Физики покидали зал еще до окончания заседания, чтобы проверить результат в своих лабораториях. В течение нескольких дней деление было подтверждено в Колумбийском университете, в Институте Карнеги в Вашингтоне, в Университете Джонса Хопкинса, в Беркли. Во многих лабораториях мира его наблюдали и раньше, но не понимали, что видят.

Главным вопросом стало то, испускаются ли при делении новые нейтроны. Если каждое деление высвобождает больше одного нейтрона, а они вызывают новые деления, возможна самоподдерживающаяся цепная реакция с выделением огромной энергии. Идея такой реакции пришла венгерскому физику Лео Силарду еще в 1933 году, и он даже запатентовал ее, передав патент британскому Адмиралтейству в секретном порядке. Весной 1939 года группа Фредерика Жолио в Париже вместе с Хансом фон Хальбаном и Львом Коварски, а также Силард и Ферми в Колумбийском университете независимо установили, что при каждом делении испускаются в среднем от двух до трех нейтронов.

Осенью 1939 года Бор и американский физик Джон Уилер опубликовали теорию деления, из которой следовало, что медленными нейтронами делится прежде всего редкий изотоп уран-235, составляющий менее одного процента природного урана. Это означало, что для создания бомбы придется решить сложнейшую задачу разделения изотопов.

Уран

До открытия деления уран был малоценным побочным продуктом добычи радия, использовавшимся главным образом для окрашивания керамики и стекла. Крупнейшими источниками урановой руды были рудники Иоахимсталь в Чехии, где в свое время супруги Кюри получили материал для открытия радия и полония, и богатейшее месторождение Шинколобве в Бельгийском Конго; значительные запасы имелись также в Канаде.

После открытия деления уран в одночасье превратился в стратегическое сырье. В марте 1939 года, захватив Чехию, Германия получила контроль над рудниками Иоахимсталя и вскоре запретила экспорт урана оттуда, что насторожило ученых на Западе и было упомянуто в письме Эйнштейна Рузвельту. Бельгийские запасы урана в 1940 году частично были вывезены в США и затем использованы в Манхэттенском проекте. Контроль над урановыми месторождениями стал одной из важных задач великих держав на многие десятилетия.

От открытия к оружию

Физики сразу поняли возможные военные последствия. Силард призывал коллег не публиковать данные о нейтронах деления, чтобы не помочь нацистской Германии, но Жолио опубликовал свои результаты. В апреле 1939 года в Германии было созвано первое совещание по военному использованию урана, положившее начало так называемому Урановому проекту. В августе 1939 года Силард подготовил, а Альберт Эйнштейн подписал письмо президенту Рузвельту, предупреждавшее о возможности создания бомбы нового типа и о том, что Германия может начать такие работы. Письмо положило начало американской атомной программе.

В СССР в 1939-1940 годах Юлий Харитон и Яков Зельдович рассчитали условия цепной реакции, а Георгий Флеров и Константин Петржак открыли спонтанное деление урана. В марте 1940 года находившиеся в Великобритании эмигранты Отто Фриш и Рудольф Пайерлс в меморандуме показали, что критическая масса урана-235 составляет не тонны, как считалось, а килограммы, и что бомба осуществима. Этот меморандум дал толчок британской, а затем и американской программе.

В декабре 1942 года в Чикаго под руководством Ферми был запущен первый ядерный реактор. В рамках Манхэттенского проекта в США были созданы атомные бомбы, сброшенные в августе 1945 года на Хиросиму и Нагасаки. Погибли, по разным оценкам, от ста десяти до двухсот с лишним тысяч человек, большинство из которых были мирными жителями. Оценки этого решения остаются предметом острых споров: одни считают, что бомбардировки ускорили окончание войны и предотвратили еще большие жертвы, другие - что уничтожение городов с мирным населением было неоправданным и морально недопустимым. Германский урановый проект к концу войны не продвинулся дальше опытных установок.

Нобелевская премия и справедливость

В 1945 году Нобелевская премия по химии за 1944 год была присуждена одному Отто Гану - «за открытие деления тяжелых ядер». Ган узнал о ней в Англии, где вместе с другими германскими физиками находился в заключении на ферме Фарм-Холл после окончания войны. Лиза Мейтнер, внесшая решающий вклад в открытие и его объяснение, премии не получила. Историки, изучившие архивы Нобелевского комитета, считают это одной из самых известных несправедливостей в истории премии, объясняя ее междисциплинарным характером открытия, недооценкой физической части работы, изоляцией Мейтнер в эмиграции и предубеждениями того времени.

Сам Ган в послевоенные годы нередко представлял открытие как чисто химическое, преуменьшая роль Мейтнер, что омрачило их многолетнюю дружбу. Мейтнер отказалась участвовать в создании атомной бомбы и всю жизнь выступала за мирное использование атомной энергии. Она получила многочисленные награды, а в 1997 году в ее честь был назван химический элемент 109 - мейтнерий. Фриц Штрассман во время войны укрывал в своей квартире еврейскую женщину и впоследствии был удостоен звания Праведника народов мира.

Мирный атом

Открытие деления положило начало и мирному использованию ядерной энергии. В 1954 году в Обнинске была пущена первая в мире атомная электростанция, подключенная к электросети, в 1956 году в Великобритании начала работать станция Колдер-Холл. Атомные электростанции стали важным источником электроэнергии во многих странах. Одновременно аварии на Три-Майл-Айленд в 1979 году, в Чернобыле в 1986 году и на «Фукусиме-1» в 2011 году показали масштаб связанных с ней рисков, а проблема радиоактивных отходов остается нерешенной.

Итоги

Открытие деления ядра урана в декабре 1938 года стало одним из самых значительных научных открытий XX века. Химики Отто Ган и Фриц Штрассман в Берлине установили, что облучение урана нейтронами порождает барий, а Лиза Мейтнер и Отто Фриш, объяснив это расколом ядра на две части, рассчитали огромную выделяющуюся энергию и назвали явление делением. Через несколько месяцев стало ясно, что деление сопровождается испусканием нейтронов и может перерасти в цепную реакцию. Сделанное накануне Второй мировой войны открытие почти сразу превратилось в предмет военного соперничества и за шесть с половиной лет привело к созданию атомной бомбы, а затем и к ядерной энергетике. История открытия отразила и драму эпохи: одна из его главных участниц была вынуждена бежать от нацистских преследований и осталась без Нобелевской премии.