Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Гейзенберг ввел термин «нуклон» в отношении как протонов, так и нейтронов. Его идея состояла в том, что протоны постоянно превращаются в нейтроны, а те — в протоны, и именно эта постоянная смена сущности поддерживает нуклоны сплоченными (см. рисунок 5). Юкава в 1934 году допустил, что эта трансформация протонов в нейтроны, и наоборот, осуществляется с созданием, взаимообменом и аннигиляцией промежуточной частицы — мезона.

В 1937 году в космических лучах была обнаружена новая частица, характеристики которой походили на предсказанные Юкавой, включая непродолжительность их жизни. Так что умозрительная частица Юкавы была сразу же отождествлена с мезоном, замеченным в космических лучах. После Второй мировой войны это отождествление было признано неверным (мезон космических лучей и мезон Юкавы оказались двумя различными частицами), но это способствовало созданию первого устойчивого образа атомного ядра и пониманию, что его внутренние силы отличаются от известных до тех пор. Это стало первым шагом на пути к тому, что мы сегодня знаем как «слабое взаимодействие» (сила Ферми в радиоактивности) и «сильное взаимодействие» (сила Юкавы).

С момента открытия в годы Первой мировой войны Института теоретической физики основным оборудованием в нем были бумага и карандаш, доска и мел, а также постоянно пополнявшийся книжный и журнальный фонд. В 1930-х Бор реорганизовал свое учреждение и превратил его также в экспериментальный центр ядерной физики первого порядка.

Успех первого ускорителя частиц Кокрофта и Уолтона в Кембридже подстегнул сооружение других ускорителей и развитие новых технологий во многих центрах физики во всем мире. Бор решил, что Копенгаген не может отстать в этой набирающей обороты гонке. Благодаря авторитету и административным способностям Бор получил финансирование, достаточное для строительства не одного, а трех ускорителей: двух линейных и одного циклического, или циклотрона.

Смысл ускорителей был не только в изучении ядерной физики на более глубоком уровне, но и в производстве радиоактивных изотопов для медицинских целей. И именно так сложился симбиоз биологии с физикой в Институте Бора.

Дьёрдь де Хевеши, с которым Бор уже сотрудничал в Манчестере, отвечал за развитие биологической части ядерного проекта. Идея заключалась в создании радиоактивных изотопов низкой интенсивности для использования в качестве маркеров в тканях и органах.

Гонка строительства все более мощных ускорителей частиц в 1930-е годы имела конкретную цель: контролировать в лаборатории явления высокой энергии, которые на тот момент были возможны только в непредсказуемых процессах космических лучей. Чтобы ускорить частицы при высокой энергии, нужно чтобы они были электрически заряженными. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или сами атомы в обычном состоянии, могут быть ускорены, только если что-то предварительно ускоренное столкнется с ними. Есть два вида ускорения частиц с электрическим зарядом: линейное и циклическое. В первом случае частицы ускоряются электрическим полем: создается разница потенциалов между концами трубки, образуется электрическая энергия, ускоряющая заряженную частицу. Существенный недостаток этой техники: сложно создать большие разницы потенциалов без произведения электрического разряда, который бы их аннулировал. В циклических ускорителях используются одновременно электрическое и магнитное поля. Первое служит для небольшого ускорения частицы, а второе — для искривления ее траектории, чтобы частица вновь прошла через электрическое поле и вновь была ускорена. Так достигают того, чтобы одно и то же электрическое поле давало много импульсов заряженным частицам, чем увеличивало бы их скорость.

Циклотрон Калифорнийского университета, 1939 год.

Радиоактивность всегда рассматривали как форму проникающей энергии, с помощью которой можно сжигать и разрушать недоступные ткани. Так, вскоре радиоактивность более или менее успешно была направлена на борьбу с раком. Хевеши рассуждал иначе и занялся производством радиоактивных материалов, химические и биологические свойства которых были хорошо известны. Энергия излучения этих веществ должна быть очень низкой, но достаточной для обнаружения с помощью очень чувствительных приборов. Получив эти изотопы, их вводили в тело живого существа и прослеживали маршрут благодаря радиоактивности. С помощью этого метода можно было обнаружить, например, препятствия, вероятные признаки аномалии, порока развития или опухоли.

Из всех частиц, которые были обнаружены в 1930-е годы, нейтрон стал «звездой» физики. Ввиду его нейтрального заряда было относительно легко использовать нейтроны для исследования внутреннего строения ядра, поскольку они им не притягивались и не отталкивались. Многие физические лаборатории в Европе и некоторые в США и Японии занимались ядерным исследованием с помощью нейтронов. Вскоре было замечено, что иногда при бомбардировке атомов нейтронами последние поглощаются ядром, в связи с чем оно превращалось в другой изотоп этого же самого элемента. Но новые ядра были нестабильны, поэтому быстро распадались, испуская радиоактивность. Так перешли к изготовлению новых радиоактивных элементов. Особенно завораживающими были трансурановые элементы — те, что шли за ураном в периодической таблице.

Проект, который навсегда изменил ядерную физику, реализовали Лиза Мейтнер, Отто Ган (1879-1968) и молодой химик Фриц Штрассман (1902-1980). Было ясно, что если физическая часть заключается в бомбардировке атомов нейтронами, то для анализа полученных атомов нужны химики. Но в 1938 году Мейтнер, имевшая еврейские корни, была вынуждена покинуть Берлин, и проект остался в руках Гана и Штрассмана. У Мейтнер возрастало ощущение, что какая-то из их гипотез неверна, поскольку поведение трансурановых элементов не совпадало с ожидаемым.

Говорят, что на встрече в Институте Бора в Копенгагене Мейтнер посоветовала Гану снова проанализировать эти элементы в надежде, что на самом деле они не трансурановые, а что это барий, элемент 56 периодической таблицы. Если бы все обстояло так, то результатом бомбардировки ядер нейтронами был бы не элемент с большим атомным номером, а расщепление ядра. По возвращении в Берлин Ган и Штрассман провели анализ, который предложила Мейтнер, и убедились в ее правоте. Ядро разделилось посередине.

Казалось, что у манипуляций с атомными ядрами нет предела. Можно было расщеплять ядра, используя нейтроны в качестве снарядов. Идея была не нова. С тех пор как Эйнштейн вывел уравнение Е=mc2, научная фантастика увлеклась возможностью трансформации материи в энергию, чтобы получить ее неограниченный источник. Но на пороге Второй мировой войны фантастика стала ужасающей реальностью. Когда были заложены научные методы деления ядра, использование такой энергии в целях разрушения стало вопросом времени.

ГЛАВА 5

Мир во время войны

Две мировые войны XX века изменили облик науки. Прежде считалось, что наука — это чистое знание, не имеющее коммерческого или милитаристского применения. Но это оказалось не так, и две войны окончательно опровергли миф о безгрешности науки. Бора и его школу тогда постигло жесточайшее разочарование: нацистские преследования, изготовление и испытание атомной бомбы в Японии.

С начала войны Нильс Бор умело добывал финансирование для своих проектов. Фонд «Карлсберг» и датское правительство были основными его покровителями, пока он учился в Копенгагене, затем в Кембридже и Манчестере, а также в первые годы существования Института теоретической физики. Но этих источников вскоре оказалось недостаточно для реализации плана по расширенйю, который был на уме у Бора.