В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Утром 2 января 1939 года после спокойного плавания, занявшего несколько дней, пассажиры корабля увидели впереди силуэт статуи Свободы. Глядя с улыбкой на губах на такой близкий американский берег, Ферми воскликнул: «Мы создадим американскую ветвь семьи Ферми!» В Нью-Йорке его ждали Джордж Пеграм, директор физического отделения Колумбийского университета, и Габриелло Джаннини, друг ученого, который в свое время занимался регистрацией в США патента Ферми и его группы на использование медленных нейтронов.

Ферми легко вошел в новую команду в Колумбийском университете и быстро усовершенствовал свой английский методом полного погружения. Его способность вливаться в исследовательские группы упростила процесс привыкания. К тому же Ферми сразу подружился с Хербертом Андерсоном — студентом, который как раз заканчивал докторскую диссертацию на тему дисперсии нейтронов и хотел продолжить исследования под руководством Ферми. Тема этого исследования изменила ход истории: речь шла о делении ядра.

В конце 1938 года, когда Ферми только начинал новую жизнь в Америке, немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман на страницах журнала Naturwissenschaften рассказали о том, что после бомбардировки нейтронами ядер урана обнаружили барий. Ган предоставил результаты экспериментов Лизе Мейтнер, которая совершенно верно усмотрела в них доказательство деления ядра. Мейтнер была еврейкой, бежавшей в Швецию от нацистских преследований, и входила в исследовательскую группу Гана и Штрассмана. В то время с ней в Гетеборге проводил каникулы ее племянник Отто Фриш, сотрудник Бора. Фриш повторил эксперимент 13 января 1939 года, и они вместе с Мейтнер впервые подсчитали выброс энергии при делении. Исследователи поняли: то, что считалось новыми трансурановыми элементами, на самом деле было осколками, образующимися при делении ядра.

События разворачивались одно за другим, как в настоящей цепной реакции. Вернувшись в Копенгаген, Фриш встретился с Бором, который собирался бежать в США, и рассказал ему о своем открытии. Бор прибыл в Америку в середине января. Во время плавания он обсуждал деление с Леоном Розенфельдом, бельгийским физиком-теоретиком, плывшим на том же корабле. Бор вместе с Розенфельдом и Уилером на неформальной встрече в Принстоне 16 января 1939 года изложил результаты экспериментов Гана и Штрассмана и трактовку Мейтнер. На этой встрече присутствовали Раби и Лэмп, физики из Колумбийского университета. Они рассказали об этой беседе Ферми, и тот через несколько дней встретился с Бором. Хотя Ферми виделся с Мейтнер на награждении в Стокгольме, только сейчас он понял свою ошибку. Несколько лет он проводил бомбардировку нейтронами и не разглядел деления ядра!

Ферми решил приступить к работе в Колумбийском университете, где он мог использовать только что созданный группой Джона Даннинга циклотрон, о котором узнал от Джорджа Пеграма. Среди участников группы Даннинга особенно выделялся Херберт Андерсон, разработавший устройство для наблюдения ионизации, вызванной осколками, которые отлетают от ядра в ходе его деления. Благодаря осциллоскопу с катодными лучами, 25 января 1939 года Андерсон выявил импульсы, вызванные делением урана.

После того как нейтрон вызывал первое деление урана, необходимо было подсчитать количество нейтронов, получавшихся в ходе деления, и количество высвобождающейся энергии. Ферми настаивал на необходимости квантитативных методов для разработки способов практического применения, которые он уже держал в уме. Над первой статьей, написанной в США, — The Fission of Uranium («Деление урана») — Ферми работал вместе с группой Даннинга, руководителя диплома Андерсона. В тексте, опубликованном в журнале The Physical Review, были представлены вычисления эффективного сечения при столкновениях медленных и быстрых нейтронов и их обратная зависимость от скорости, что было доказано в опыте с изотопом урана-235, способного к делению. Ферми остановился на испускании нейтронов и на проблеме цепной реакции. Параллельно с ним, также в Колумбийском университете, физик венгерского происхождения Лео Силард и его канадский помощник Вальтер Зинн изучали испускание вторичных нейтронов после деления.

РИС. 1

Для того чтобы контролировать цепную реакцию, необходимо поглощать часть высвобождающихся нейтронов. В реакторах используются аварийные стержни из материалов, слабо подверженных делению и хорошо поглощающих нейтроны, таких как бор и кадмий (рисунок 1). Чтобы замедлить быстрые нейтроны, используется замедлитель, например тяжелая вода или графит, которые применял Ферми, так как медленные нейтроны вызывают больше процессов деления и их легче поглотить аварийными стержнями (рисунок 2).

РИС . 2

Благодаря структура графит особенно хорошо выполняет функцию замедлителя нейтронов. Вода не является хорошим замедлителем, так как ее протоны имеют тенденцию соединяться с нейтронами, что уменьшает эффективность реакции.

Вскоре Ферми вместе с Хербертом Андерсоном и Лео Силардом опубликовал в The Physical Review статью Neutron Production and Absorption of Uranium («Образование и поглощение нейтронов в уране»), в которой говорилось, что при делении ядер урана с помощью медленных нейтронов, испускаемых нейтронов было больше, чем поглощенных, а также что тепловые нейтроны не могли правильно замедляться водой. По подсчетам ученых, в среднем при каждом делении получалось 1,2 вторичных нейтрона, и это количество могло увеличиться до 1,5. Это был первый и последний проект Ферми в сотрудничестве с Лео Силардом. Ученые слишком по-разному подходили к работе, и это вызывало разногласия. К тому же некоторая неорганизованность Силарда нервировала Ферми, который во всем любил порядок и систематичность.

Так образовались две исследовательские группы, одну из которых возглавил Ферми, а другую — Силард. Сначала они соперничали за первенство публикаций о вторичных нейтронах, получаемых в ходе деления урана: в марте 1939 года каждая группа подготовила статью для The Physical Rexnew. Силард написал ее совместно с Зинном, а Ферми — с Андерсоном. Так или иначе, профессиональные отношения между Силардом и Ферми сохранились на долгие годы и оставили след в виде обширной переписки. Со временем Ферми понял, что Силард — хороший организатор, умеющий вести переговоры с поставщиками и политиками. Именно он убедил Ферми в том, что возможность создать оружие массового поражения, использующего энергию деления ядра, более чем реальна.

Утром 16 марта Джордж Пеграм организовал встречу с Силардом и Ферми, на которой присутствовал также Юджин Вигнер, физик из Принстона. Вигнер был другом Эйнштейна и, как и Силард, венгерским беженцем. Ученые говорили о необходимости держать свои исследования в секрете или, по крайней мере, как можно меньше рассказывать о них в печати. Силард выступал за полное неразглашение, в то время как Ферми взывал к традиции и научной этике. Далекий от мыслей о военном использовании открытия, он был слишком наивен, а может быть, просто сомневался в потенциальной возможности такого использования ядерной энергии. В итоге ученые решили, что они должны связаться с правительством США и военным командованием: и для того, чтобы сохранить исследования в секрете, и для того, чтобы получить финансирование. Ферми проинформировал североамериканские власти 18 марта 1939 года о возможности применения атомной энергии в военных целях.

Эта модель была предложена Бором и Уилером в 1939 году. Ход деления ядра можно изменять при помощи параметра s, который обозначает расстояние между новыми атомными ядрами и начальным ядром, как в случае с каплей, делящейся на две (рисунок 1). Если V(s) — потенциальная энергия системы, зависящая от s, то вначале значение s невелико; бомбардируемое ядро вибрирует, и его поверхностное натяжение побеждается электрическим отталкиванием. V(s) увеличивается из-за поверхностного натяжения так же, как при делении капли воды. Превысив определенный порог, натяжение перестает быть релевантным, и начинает действовать электростатическое отталкивание между двумя новыми ядрами с положительным зарядом, осколками деления (рисунок 2). Этот процесс, вероятнее всего, происходит спонтанно или же очень медленно. При делении, наведенном бомбардировкой термическими нейтронами, если у них достаточно энергии, барьер деления V(s), равный примерно 6 МэВ для больших ядер, сохраняется, и начинается цепная реакция. Если она происходит на ядерной станции, реакцию можно контролировать, а если в бомбе, то нет. Ядерная энергия деления происходит от разницы масс продуктов деления и реагентов по знаменитой формуле Эйнштейна Е = mc².