Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

Рассказывают, что когда перед Отто Ганом кто-то начал развивать возможные перспективы применения ядерных превращений, то Ган закричал: «Бог этого не допустит!». В это же самое время немецкие солдаты застегивали на себе ремни с пряжками, на которых были выбиты слова: «Gott mit uns» [6]. Тем не менее факт остается фактом, хотя о нем достоверно стало известно только значительно позже, физики, оставшиеся в Германии, изменили направление своих исследований, проводившихся во время войны, и их работы уже не могли привести к созданию бомбы.

Что касается венгерского физика Сцилларда, эмигрировавшего в Америку, то он предложил ученым прекратить всякую публикацию работ, относящихся к делению урана, для того чтобы полученные результаты не могли быть использованы в Германии. В письме, написанном Фредерику Жолио, он сформулировал свое пожелание в следующей форме, прекрасно отражающей ту драматическую ситуацию, в которой тогда находились ученые: «Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нолю, либо недостаточно и что нам не придется больше беспокоиться по этому поводу».

Однако через несколько недель решающий эксперимент, проведенный группой Жолио, разрушил отчаянные надежды Сцилларда: на 100 делящихся ядер урана французские физики насчитали от 280 до 420 вторичных нейтронов. Возможность цепной реакции оказалась, таким образом, подтвержденной цифрами.

Однако до практического осуществления реакции было еще далеко. Для того чтобы научиться управлять цепной реакцией, необходимо было лучше понять особенности этого нового явления, а следовательно, снова направить теоретические исследования к познанию атомного ядра. И тогда Нильс Бор, который находился еще в Копенгагене, но тоже собирался переехать в Америку, еще раз внес важный вклад в решение этой проблемы.

Почему в некоторых случаях ядро урана под ударом нейтрона раскалывается на множество осколков (как будто в результате потери внутреннего равновесия) вместо того, чтобы совершать такое же простое ядерное превращение, какое происходит с другими элементами, которые переходят при этом из одной клетки таблицы Менделеева в соседнюю? Чтобы это объяснить, представим себе ядро урана в виде капли жидкости: эта капля довольно тяжела, а когда ее утяжеляют еще больше, то она делится на две более мелких капельки. Такое представление помогает понять, что именно ядро урана, самого тяжелого элемента в природе, может стать предметом деления, если увеличивать его заряд. «Модель» ядра в виде капли жидкости позволила предпринять первую попытку дать математическое описание ядерного деления.

Однако природа сил, играющих основную роль в сцеплении и расщеплении атомного ядра, гораздо сложнее физического механизма сцепления молекул в капле жидкости. Для того чтобы рассчитать их действие, необходимо прибегнуть к волновой механике. Если бы нейтрон был только мельчайшим кусочком вещества, имеющим сферическую форму и подчиняющимся законам классической механики, то вероятность его столкновения с атомным ядром была бы настолько мала, что ядерную реакцию можно было бы считать невозможной. Диаметры нейтрона и ядра очень малы по сравнению с пространством, в котором они перемещаются. Вещество, кажущееся нам таким плотным – кусок урана, – в действительности представляет собой пустоту, где находятся частицы, разделенные громадными по сравнению с их размерами расстояниями. У нейтрона, направленного в толщу вещества, столько же шансов попасть в ядро, сколько у одного бильярдного шара попасть в другой, находящийся на расстоянии нескольких километров.

Но частицы в отличие от бильярдных шаров обладают не только свойствами массы и количества движения; их необходимо рассматривать также в сочетании с волной определенной длины. Роберт Оппенгеймер в одной из своих лекций говорил: «Волновая природа, присущая всей материи, проявляется в условиях бомбардировки одних материальных частиц, другими (медленными, с очень большой длиной волны) таким образом, что бомбардирующие частицы могут воздействовать на свои мишени гораздо чаще, чем это было бы возможно только в процессе столкновений. И даже сама невозможность точного определения относительного положения частиц заключает в себе скрытую возможность их взаимодействия на расстояниях, характеризуемых подчас длиной волны, а не физическими размерами частиц. Это обстоятельство является одной из причин того, что следы урана-235, присутствующие в естественном уране, могут захватывать достаточное количество пролетающих по соседству нейтронов; это позволяет поддерживать цепную реакцию в атомном реакторе». Оппенгеймер, таким образом, объясняет, почему нейтронные шарики наталкиваются на ядра, разбросанные в пространстве, а также почему медленные шарики (речь идет, конечно, об относительной медлительности) достигают своей цели лучше, чем быстрые: они имеют большую длину волны, соизмеримую с радиусом ядра.

Исходя из наших предположений, на основании принципов квантовой механики довольно трудно предсказать, что же произойдет после захвата нейтрона ядром. Внедрение дополнительного нейтрона, обладающего определенной энергией, в сложную структуру атомного ядра может повлечь за собой различные явления: увеличение массы ядра на единицу без изменения числа протонов и без ядерного превращения; процесс ядерного превращения с испусканием отрицательных бета-лучей и превращением нейтрона в протон; деление ядра, сопровождающееся выделением нейтронов… Вероятность того или иного явления зависит от уровня энергии бомбардирующего нейтрона и от уровней энергии внутри ядра. Таким образом, соответствие уровня энергии бомбардирующего нейтрона одному из уровней энергии внутри ядра в какой-то мере обусловливает вероятность именно данного явления, нежели какого-либо иного.

С одной стороны, чтобы из всех возможных процессов получить именно деление ядра, надо было определить теоретически и экспериментально оптимальную энергию, которую необходимо сообщить нейтронам. При этом надо было знать весь спектр энергий нейтронов, испускаемых в процессе деления, уменьшать их энергию путем торможения до определенной величины и тем самым добиться того, чтобы наибольшее возможное число их обладало бы оптимальным уровнем энергии.

С другой стороны, вероятность того или иного ядерного события, происходящего после захвата нейтрона, зависит также от энергетических уровней ядра. Если речь идет об одном и том же элементе, то энергетические уровни оказываются различными для его изотопов. Природный уран представляет собой смесь изотопов 238 (92 протона, 146 нейтронов) и 235 (92 протона, 143 нейтрона), находящихся в весьма неравном соотношении. Еще Бору путем расчета удалось установить, что под действием медленных нейтронов происходит деление более редкого изотопа 235, который входит в состав природной смеси всего лишь в пропорции 1/140. Таким образом, выяснилось, что возникновению цепной реакции в массе урана способствуют следующие три обстоятельства:

1) в природном уране содержится 1/140 делящегося изотопа (U²³⁵);

2) уран-238, захватывающий медленные нейтроны без деления, ведет себя более сложно по отношению к быстрым нейтронам, испускаемым в результате деления соседних ядер: в некоторых случаях происходит деление;

3) простой захват одного нейтрона ядром урана-238 приводит к образованию урана-239, радиоактивного изотопа с коротким периодом распада, который в результате ядерного превращения образует элемент 93 (нептуний), превращающийся, в свою очередь, в элемент 94 (плутоний). А полученный таким образом плутоний сам делится (так же как и уран-235) под действием медленных нейтронов.

Для цепной реакции достаточно, чтобы на каждое делящееся ядро приходилось в среднем по одному нейтрону, который вызовет следующие деления. Но нетрудно догадаться, что этот коэффициент размножения для полностью расщепляющейся массы будет больше, чем для природного урана. То, что может годиться для реактора, где ставится задача получить управляемое выделение энергии, не может быть использовано для бомбы, где высвобождение всей возможной энергии должно произойти как можно быстрей, почти мгновенно.