Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

В 1939 году перед людьми, мечтавшими создать ядерную бомбу, стояла сложная задача: найти пути извлечения из природного урана изотопа 235.

Не менее трудным оказалось определить критическую массу. В толще любого куска урана всегда возникают самопроизвольные деления ядер в количестве, достаточном для того, чтобы началась цепная реакция: но она возникает только тогда, когда коэффициент размножения больше единицы, а это не может произойти, если слишком много нейтронов вырывается наружу без захвата их ядром. Совершенно ясно, что чем ближе к поверхности происходит выделение нейтронов, тем больше у них шансов ускользнуть. Те нейтроны, которые испускаются в толще металла, наталкиваются на соседние ядра и после некоторой серии рикошетов, замедляющих их движение, понижают свой уровень энергии до того значения, при котором их может захватить ядро. Этим и определяется та критическая масса, при превышении которой развивается цепная реакция. Если бы это понятие не было известно тогда, когда начали добывать и накапливать расщепляющиеся материалы в необходимых количествах, то первый атомный взрыв произошел бы на самой фабрике! Кроме того, физики поняли, что, для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить две подкритические массы, сумма которых намного превысит значение критической массы.

Все эти сведения, ставшие сегодня классическими, необходимо напомнить для того, чтобы было понятно, перед какой головоломкой оказались ученые-атомники, когда они приступили к созданию бомбы. А им, кроме того, пришлось столкнуться еще с бесконечными количествами разных препятствий.

Уже летом 1939 года бог войны наложил свою руку на ядерную энергию, находившуюся еще в колыбели. По иронии судьбы этого добились два человека: Лео Сциллард, который боялся цепной реакции, как несчастья, и пацифист Альберт Эйнштейн. Первый из них уговорил второго обратить внимание американского правительства на опасность, которая будет угрожать человечеству, если нацистам удастся изготовить ядерную бомбу. Он потребовал у вашингтонских властей солидной материальной помощи, которая ускорила бы проведение атомных исследований, а также получения гарантии от бельгийского правительства, что большие запасы урана, добытого в Конго, будут спрятаны от гитлеровцев.

Американские военные, консервативные, как все военные вообще, отнеслись с недоверием к предостережениям интеллигентов, рассказывавших о каком-то неизвестном оружии, основанном на уравнениях нескольких университетских профессоров. Даже президента Рузвельта пришлось долго убеждать. Одной из причин недоверия, проявленного правительственными кругами, явилось то, что многие ученые-атомники, работавшие в США, недавно эмигрировали из Европы и были либо иностранцами, либо свежеиспеченными американскими гражданами. Тем временем исследования в лабораториях Нью-Йорка, Принстона, Беркли и Чикаго проводились ускоренными темпами. 6 декабря 1941 года – накануне Пирл-Харбора – Белый Дом принял решение ассигновать большие средства на изготовление ядерного оружия.

Роберт Оппенгеймер еще с 1939 года проявлял интерес к делению урана и к проблеме создания бомбы. Он хорошо понимал значение научных открытий, сделанных в лабораториях Европы. И несмотря на то что в то время он отошел от какой-либо политической деятельности, перспектива победы нацизма внушала ему глубокий ужас, как и ученым, эмигрировавшим в Америку.

Незадолго до начала войны Нильс Бор прочитал в Вашингтоне лекцию о последних работах Отто Гана. Отчет о ней был послан в физическое отделение Калифорнийского университета. Познакомившись с ним, Оппенгеймер сразу же попытался подсчитать критическую массу. И в течение последующих двух лет преподавательской работы он не переставал думать об этой проблеме.

В то время в радиационной лаборатории Калифорнийского университета физик Эрнст О. Лоуренс, изобретатель циклотрона (установки для ускорения частиц), пытался добиться выделения урана-235.

Как известно, ни один химический процесс не может разделить изотопы одного и того же элемента: они обладают совершенно одинаковыми свойствами, входят вместе в одни и те же соединения и не могут быть идентифицированы ни одним химическим реактивом. Единственное, что отличает их друг от друга, – это разность между массами их ядер, определяемая числом нейтронов. Следовательно, надо было изыскивать такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, используя эту разность масс. Для легких элементов этот относительный сдвиг между атомными весами двух изотопов может быть довольно значительным: например, масса атома водорода 2 («тяжелый» водород, или дейтерий), содержащего один протон и один нейтрон, вдвое больше массы атома водорода 1 (обычный водород), в котором содержится только один протон. Однако у элементов, находящихся на другом конце таблицы Менделеева, разность масс в несколько нейтронов составляет только небольшую часть от общей массы атома. Таким образом, разделение изотопов, достаточно трудное даже для легких элементов, представляло почти неразрешимую задачу для тяжелых элементов и требовало огромной технической изобретательности и необыкновенного терпения.

Лоуренс предпринял в Беркли попытку разделить в природном уране изотопы 235 и 238, используя принцип действия масс-спектрографа – лабораторного прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Предварительно ионизованные атомы ускоряются электрическим полем, а затем пропускаются через магнитное поле, в котором они описывают полуокружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий пропорциональны произведению массы на скорость, легкие ионы оказываются на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые ионы. Если в этой плоскости поместить фотопластинку, то каждой химической группе атомов будет соответствовать отрезок прямой, а различным изотопам элемента – семейство прямых, распределенных в виде спектра (отсюда – название масс-спектрографа). Если же вместо пластинки поместить накопительные устройства, то можно раздельно собирать различные изотопы.

Но масс-спектрограф может накопить не более, миллионных долей грамма в день, а речь шла о добыче килограммов урана-235. Необходимость экстраполяции метода масс-спектрографа на большие масштабы натолкнулась на множество трудностей. Работать с газообразными соединениями урана весьма затруднительно, потому что в большом потоке ионов возбуждаются паразитные электрические эффекты, препятствующие разделению изотопов.

Оппенгеймер добровольно предложил Лоуренсу свое сотрудничество. Он внес предложение, которое позволило сэкономить три четверти средств, ассигнованных на разработку этого метода. Был сконструирован калютрон (циклотрон Калифорнийского университета), который использовался на гигантском заводе в Ок-Ридже вместе с другими установками для разделения изотопов.

Эффективная помощь, оказанная добровольно Оппенгеймером Лоуренсу, не могла остаться не замеченной руководителями работ по созданию ядерного оружия. Осенью 1941. года лауреат Нобелевской премии Комптон пригласил его принять участие в работе специальной комиссии Национальной академии наук, которая в течение двух дней обсуждала проблемы использования атомной энергии в военных целях. Через несколько месяцев эпизодическое участие Оппенгеймера в работе комиссии перешло в постоянное сотрудничество.

В июле Оппенгеймер взял на себя руководство группой теоретической физики, которая упорно продолжала искать наилучшую модель ядерной бомбы. Именно тогда и именно в этой группе впервые была серьезно исследована возможность высвобождения ядерной энергии в процессе, который можно, в известном смысле, считать обратным делению урана, – в процессе синтеза легких ядер, в частности водорода. Мы уже знаем, что дефект массы достигает максимума для элементов среднего атомного веса, находящихся в середине таблицы Менделеева. Этим объясняется то, что деление более тяжелых ядер, дающее средние ядра, сопровождается выделением энергии, соответствующей потерянной массе. Однако если использовать элементы с другого края таблицы, то оказывается, что при синтезе легких ядер (таких, как водород), образующих ядра более тяжелых элементов, также происходит переход к повышению дефекта массы, сопровождающийся выделением энергии. Этот тип ядерной реакции порождает энергию, испускаемую Солнцем и другими звездами. Оппенгеймер и его сотрудники установили, что осуществление взрывной реакции ядерного синтеза теоретически возможно, но потребует решения таких проблем, которыми следует заняться несколько позднее.