Глава 5 Открытие невидимки
Глава 5
Открытие невидимки
Изгнание электрона
Наука — та же армия. Наука никогда не ведет наступление с одинаковой силой по всем фронтам. Сегодня — прорыв оборонительной полосы на одном участке фронта, завтра — на другом, послезавтра — на третьем. Только эти «сегодня», «завтра» и «послезавтра» подчас отделены друг от друга десятилетиями.
Неизмеримо широк фронт физики — от мельчайших частиц до гигантских галактик. Одновременное широкое наступление по всему фронту невозможно. Но когда идет успешное наступление на одних участках, на других не спят. Там внимательно прислушиваются к близкой канонаде и ждут своего часа.
В двадцатых годах нашего века в физике все более явно обозначается новый фронт — атомное ядро. Вслед за первыми, поразившими воображение ученых опытами Резерфорда следуют новые энергичные попытки расщепления ядер. И в результате ядро становится в представлениях ученых все более сложным, все более трудным для понимания.
В самом деле, на их глазах представление о ядре — скопище враждующих протонов, удерживаемых от разлетания лишь электронным клеем, становится все менее убедительным. Уже несложный расчет показывает, что ядро на электронном клею должно быть непрочным. Во всяком случае — ненамного прочнее атома.
Атом же, в сущности, не очень прочная конструкция. Высокие температуры, химические реакции, облучение светом и рентгеновыми лучами способны отрывать от него целые куски. Нам уже понятно, что речь идет об ионизации атомов. При достаточном усилии с атомов можно содрать даже всю электронную «шкуру» и оставить одно голое ядро.
Но, с другой стороны, это самое ядро не поддается никаким усилиям физиков. Высочайшие температуры и давления, сильнейшие электрические поля, самые ярые химические реакции не оказывают на него ни малейшего воздействия. Ядро, видимо, способно откликаться лишь на те частицы, которые оно само же породило. Так, например, и случилось в опытах Резерфорда по бомбардировке ядер альфа-частицами.
Получается так, как будто ядро — рекордсмен прочности в природе. Выходит, что цемент, на котором оно замешано, — не электронный цемент.
А квантовая механика добавляет к этому заключению еще одно неоспоримое свидетельство. Она утверждает, что электроны просто-напросто не могут поместиться в ядрах.
Поначалу это может обескуражить. Еще в начале века Гендрик Лоренц подсчитал по старой физике радиус электрона. Он оказался порядка десятитриллионных долей сантиметра. Опыты двадцатых годов, с другой стороны, показывают, что ядра атомов должны иметь размеры того же порядка. Почему же в таком случае электроны должны выпирать за рамки ядра?
Дело, однако, оказывается не столь простым. Квантовая механика — и не без оснований — утверждает, что электрон, а с ним, разумеется, и все другие кирпичики вещества — это не точки и не шарики вполне определенных размеров. Это, скорее, некие облачка, не имеющие никаких строгих границ, — «облака вероятности».
Что ж, теперь, когда мы немного познакомились с квантовой механикой, это не должно вызывать у нас особого удивления. Помните волну вероятности? Она же, строго говоря, не имеет в пространстве ни начала, ни конца — на то она и волна! Но зато, с другой стороны, она не одинаково сильна: облачко, которым теперь представляется частица, в одних местах очень густое, а во всех остальных — почти совершенно прозрачное. Что-то вроде клуба дыма.
Понятно, что чем больше вероятность пребывания частицы в таком-то месте, тем гуще в этом месте «дым». Поэтому физики чисто условно провели границу частицы там, где облачко становилось практически совершенно прозрачным.
Таким «дымовым клубом» физики представили и ядро. И оказалось при этом, что «клубы» протонных облаков, очень крошечные, хорошо укладывались в размеры (конечно, условные) ядра. Тогда как электронные облака расползались чуть ли не по всему атому, имеющему в тысячи раз б?льшие размеры.
Да, электроны явно не умещались в ядрах! Как же быть? И физики после долгих размышлений лишили электрон пристанища в ядре.
Но это было лишь полдела. Ядро продолжало себе спокойно жить и не разлетаться на кусочки даже без электронов. Какая-то пока неведомая причина не только удерживала от разлета бешено враждующие протоны (на таких малых расстояниях, как в ядре, сила их электрического взаимного отталкивания колоссальна!), эта причина сплачивала протоны в такие поразительно прочные коллективы, что их никакое усилие не брало. Было над чем ломать голову!
А что же квантовая механика? Чем она скрепила ею же «разрушенные» ядра?
Да ничем. Она сама пока не может сказать ничего положительного. Молчат теоретики. Слово за экспериментаторами.
Ядерные артиллеристы
А те пока безмолвствуют. Но они работают. Работают усерднее, чем когда-либо.
Если бы в начале тридцатых годов мы с вами заглянули в одну из немногочисленных в то время лабораторий ядерной физики, нам бы представилась картина, совсем не похожая на ту, что была в начале века.
За каких-нибудь тридцать лет эти лаборатории неузнаваемо изменились. Вместо крошечных клетушек — большие помещения, неуютные, холодные — почти что сараи. Около огромных колонн хлопочут люди. На верху колонн смутно поблескивают большие шары. Провода от них тянутся вниз, к длинной трубе, около которой деловито стучат насосы.
Вся установка имеет какой-то марсианский вид. Но она — вполне земное изобретение. Это первый ускоритель заряженных частиц, изобретенный голландским ученым Альбертом Ван-де-Граафом.
Ускоритель Ван-де-Граафа. В высокой полой трубе движется лента, накапливает электрический заряд и передает на электрод ускорительной камеры высокое, до нескольких миллионов вольт, напряжение. (Вам будет интересно узнать, что, прогуливаясь по ковру, вы тоже представляете собой как бы маленький Ван-де-Граафов генератор: разность потенциалов между вами и землей может дойти до десятков тысяч вольт!) Под действием миллионовольтного напряжения электроны в ускорительной камере набирают почти околосветовую скорость. Протоны в такой камере тоже набирают скорость порядка десятка тысяч километров в секунду.
Физики тех лет вряд ли знакомы с Мичуриным. Но на их знамени — тот же известный мичуринский девиз: «Не ждать милостей у природы!»
Не ждать, пока редчайшая частица космических лучей влетит в ядро и расщепит его, да еще так, как это нужно ученым. Не ждать, пока тоже редкая альфа-частица из препарата радия натолкнется на ядро. Самим создавать мощные и быстрые потоки ядерных частиц!
Но сделать это совсем не просто. Прежде всего, какие частицы взять? Электроны? Можно. Но недолгий опыт уже показывает, что расщепление ядра электронами не вызвать. Это, кстати, еще одно свидетельство того, что в ядре электронов нет. Выбитый из ядра электрон сделал бы ядро неустойчивым. Оно должно было бы избавиться тогда от ставшего лишним протона. Однако этого никто никогда не замечал.
Значит, не электрон. Взять альфа-частицы, как это делал отец ядерной физики Резерфорд? Не очень удобно: альфа-частицы несут двойной электрический заряд, а значит, довольно сильно отталкиваются ядрами, у которых заряд имеет тот же знак. Да к тому же это составные частицы. Вылетит из ядра частица — и надо соображать, кому же она принадлежала: альфа-частице или ядру?
Остается протон — частица приятная во всех отношениях. Получить ее в чистом виде нетрудно: достаточно содрать электронную «шкуру» с атомов водорода. А этих атомов — хоть пруд пруди. Далее, частица эта — самая простая, оттого и названная протоном. Так что любое ядерное явление тоже будет происходить в «чистом» виде. Наконец, заряд протона вдвое меньше, чем у альфа-частицы, так что отталкиваться ядрами он будет вдвое слабее и легче сможет проникнуть в них.
Итак, протон. Остается лишь разогнать его до такой энергии, чтобы он смог пробить стену, которой отгородилось от внешнего мира ядерное семейство. Снаряд есть, нужна пушка. «Марсианское» сооружение в большом полутемном сарае — и есть первая такая пушка.
Ствол ее — та длинная труба, присосавшись к которой хлопочут насосы. Снаряд должен лететь в пустоте, чтобы зря не растрачивать свою энергию по дороге к цели. А растратить ее можно без труда в столкновениях с атомами воздуха. Поэтому и стучат насосы, выгоняя воздух с пути полета снаряда.
А порох для пушки добывается в тех самых колоннах с шарами. Движется вдоль колонны длинная шелковая лента, трется, набирает заряд, накапливает его в огромном шаре — совсем так, как набирает заряд любой из нас, прогуливаясь по ковру. Накапливается заряд, нарастает электрическое напряжение на шаре. Сто, двести, пятьсот тысяч, миллион вольт! И вдруг голубоватая искра проскакивает между шарами, словно маленькая молния, и легкий гром сотрясает здание.
Это сработал разрядник, которым измеряют напряжение на шаре. Теперь один шар отодвигается. И снова движется лента, и снова накапливается заряд, растет напряжение. Растет оно и у исследователей. Вся атмосфера в прямом и переносном смысле насыщена электричеством!
Теперь опыт. Тоненькая струйка газа из баллона со сжатым водородом попадает в камеру, где горит, не прерываясь, вольтова дуга. В ее пламени молекулы водорода разбиваются, сталкиваясь друг с другом в вихревой пляске, на отдельные атомы. А сами атомы, ударяясь друг о друга, срывают свои электронные одежды. И небольшое электрическое поле вытаскивает протоны из этого огненного вихря, как каштаны из огня, в длинную трубу.
Там протоны подхватываются мощным электрическим полем. В ничтожные доли секунды — не запечатлеть никаким киноаппаратом! — они проносятся сквозь трубу, пронзают тонкую заслонку на ее конце и врезаются в мишень, где покорно ждут своего часа изучаемые ядра.
Мгновение, и град неуловимых ударов сотрясает ядерные постройки. Во все стороны летят осколки. Тысячи их пропадают по дороге, застревают в самой мишени. Десятки вылетают наружу, где их подстерегают, как зайцев, выгнанных собаками, охотники. За осколками ядер следят внимательные глаза приборов. Ничто не должно быть упущено!
Открытие Чэдвика
Постройка генератора Ван-де-Граафа заканчивается в 1932 году. В том же году английские физики Джон Конрофт и Эрнст Уолтон создают еще более мощную и менее громоздкую пушку для стрельбы протонами по ядрам.
Теперь, кажется, удастся сорвать замки с тайны великой прочности ядер. Теперь перед протонами с энергией в миллионы электрон-вольт не должно устоять ни одно ядро.
Природа словно предугадывает намерения физиков. Она открывает им волнующую тайну, и еще до того, как пущен в ход первый ускоритель протонов.
В кембриджской лаборатории Резерфорда работает Джеймс Чэдвик. Он ищет новую атомную частицу, но пока его преследуют неудачи. Новая частица не показывается. Какие же основания искать ее?
Только одно. Еще в 1923 году Резерфорд предположил, что может существовать электрически нейтральная частица с массой такой же, как у протона. Это было гениальным предвидением — иначе не назовешь! Потому что, высказывая свою мысль, Резерфорд не опирался ни на какие убедительные расчеты. Электрон еще прочно занимал свое место в ядре, и никому из физиков в те годы и в голову не приходило усомниться в этом.
Молодой ученик Резерфорда по заданию учителя ищет эту частицу. Ищет, ищет… а между тем она уже несколько лет, как показалась на глаза! Сколько раз было — и сколько раз еще будет так: ходишь вокруг тайны, не зная, как к ней подступиться, а она уже вся перед твоими глазами! Надо лишь сообразить, чт? у тебя перед глазами. Но это самое трудное. В этом-то и весь фокус!
Открытие началось с Германии. Еще в конце двадцатых годов немецкие физики Генрих Боте и Ганс Беккер, облучая маломощными потоками альфа-частиц легкий химический элемент бериллий, обнаружили, что он испускает при бомбардировке какое-то странное излучение. Странность заключалась в том, что это излучение без труда проникало даже сквозь толстые свинцовые экраны.
Гамма-лучи, решили Боте и Беккер, но какие-то, что называется, очень жесткие. Гораздо жестче даже, чем гамма-лучи от радиоактивных препаратов. Новое излучение, таящее в себе загадку, так и получило название — «бериллиевое».
Затем настает очередь Франции. Молодые физики Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в 1931 году повторяют опыты Боте и Беккера. Действительно, бериллиевое излучение проходит сквозь экраны в добрый десяток сантиметров свинца.
Молодежи свойственно ставить острые вопросы. Особенно этим молодым людям, которые являются прямыми наследниками таких прославленных искателей, как Пьер и Мари Кюри!
Острый вопрос в данном случае: как действует бериллиевое излучение на другие материалы, кроме свинца? Свинец — один из самых тяжелых материалов. Значит, надо подойти с другого конца — взять один из самых легких. Например, парафин: в нем только легкие атомы водорода и углерода. Или, например, целлофан. Долой свинцовые экраны — широкую дорогу излучению!
И оно щедро ответило на щедрость ученых. Из парафина и целлофана полетели… протоны! Такого еще не было! Гамма-лучи могли вышибать электроны из атомов, но протонов из ядер они пока что не вырывали.
Какое-то новое, необычное свойство гамма-лучей! Супруги Жолио-Кюри так и сообщили о результатах своих опытов 18 января 1932 года на заседании Парижской академии наук.
Вот когда настала очередь Чэдвика! Немедленно он бросился проверять их результаты. Все оказалось именно так, как сообщили французские исследователи. И тут все мысли, все неудачи, все безуспешные попытки за эти несколько лет — все собралось словно в фокусе. Случилось именно так, как сказал Эйнштейн. На вопрос о том, как он открыл теорию относительности, он ответил: «Я просто долго думал об этом!»
Чэдвик тоже долго думал о «нейтральном протоне» Резерфорда. И, придя к тем же результатам, что и французы, быстро заключил: бериллиевое излучение — не гамма-лучи. Это поток нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона.
Последнее вытекает хотя бы из того, что эти частицы свободно проходят сквозь толщу свинца. Они сталкиваются с ядрами свинца, но результат — как от столкновения легкого шара с тяжелым. Тяжелый шар практически не сдвинется, а легкий отлетит в сторону.
В парафине же другое дело: легкий шар сталкивается с легким. Как на зеленом поле бильярда, один шар может передать другому всю свою энергию или, по крайней мере, внушительную ее часть. Тогда налетающий шар остановится, а неподвижный — полетит. Этот последний и есть ядро водорода в парафине — протон.
Англия и Франция — соседи. Не дожидаясь опубликования своей статьи о нейтроне — так была названа новая частица, — Чэдвик шлет письмо супругам Жолио-Кюри. Следуют новые опыты.
Через неделю после открытия Чэдвика, 7 марта 1932 года Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в сообщении Парижской академии наук подтверждают его выводы. И, наконец, 15 апреля 1932 года сообщение супругов Жолио-Кюри на заседании Французского физического общества окончательно оформляет гражданство новой частице атомного мира — нейтрону.
Открытие продолжается
Не каждый день — даже в такой бурной области, как ядерная физика, — случается такое открытие. Трудно описать ту лавину новых работ, которая ринулась вслед за открытием нейтрона. Десятки работ следовали друг за другом с калейдоскопической быстротой. Идеи, гипотезы, расчеты, новые опыты… «Бег на старте исследования!» — как называл Резерфорд суматоху в первые месяцы после важного открытия.
Лидерство в этом беге пока сохраняют супруги Жолио-Кюри. Они исследовали, как испускаются нейтроны, определили, чему равна их масса, какие виды расщепления атомных ядер вызываются ими. Они попытались отыскать нейтроны даже в космических лучах.
Невероятный успех!
Нет… невероятный провал! Так могли бы сказать друг другу супруги Кюри, возвращаясь из Брюсселя в октябре 1933 года. На Сольвеевском конгрессе[1], на котором присутствовали виднейшие физики мира, сообщение молодых французских ученых встретило полное и сокрушительное непризнание…
Поразительно, но факт! Крупнейшее открытие двадцатого века — и в него отказались поверить даже такие сверхпроницательные физики, как творец атома Нильс Бор. Слишком смелым, слишком невероятным казалось то, что открыли Чэдвик и супруги Жолио-Кюри.
В чем же было дело? А в том — и это можно повторить еще не один раз, — физики, даже самые выдающиеся, те же люди. Им тоже нужно время, чтобы осмыслить, переварить что-либо далеко из ряда вон выходящее.
В такие минуты подвергается испытанию стойкость ученого. Выдержит ли он общее непризнание? Сумеет ли он вопреки всему продолжить свою работу, доказать свою правоту? Или же спасует, усомнится в правильности своего дела и, проклиная всех и вся, отбросит его прочь?
Молодые французы, уносясь в поезде Брюссель — Париж от места своего поражения, были сильно обескуражены. Но о том, чтобы прекратить начатую ими работу, не было сказано между ними ни одного слова.
Мысленно сжимая кулаки, они шептали: «Мы еще им покажем!» В их сердцах не погас огонь надежды.
И показали! Быстрее, чем можно было бы и подумать. Уже спустя три месяца, 15 января 1934 года супруги Жолио-Кюри представили во Французскую академию наук доклад об открытом ими новом поразительном явлении.
Имена Пьера и Мари Кюри история вписала золотыми буквами в свою книгу: они открыли и исследовали природную, естественную радиоактивность. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обессмертили свое имя открытием искусственной радиоактивности, вызванной облучением нейтронами…
Всемирное непризнание сменилось всемирной славой.
Нелегок был путь к ней. По возвращении из Брюсселя снова начались будни. Еще и еще раз надо проверить все сначала. И в первую очередь — сам источник нейтронов. Что ж, старый радиоактивный препарат исправно работает, выдавая альфа-лучи, которые затем образуют потоки нейтронов в бериллии. Сами альфа-лучи уже исследованы хорошо. Предстоит исследовать другие излучения препарата — в первую очередь бета-лучи.
Это электроны: сие доказано уже за тридцать лет до того Резерфордом. Определим их энергии. Для этой цели хорош широко известный метод Скобельцына: камера Вильсона, помещенная в поле сильного магнита. Альфа-частицы, чтобы они не мешали, надо отфильтровать. Для этого между препаратом и камерой достаточно поместить тонкий листок алюминия, который полностью задержит альфа-частицы.
А теперь можно фотографировать. Искривление следов электронов в камере под действием магнитного ветра позволит точно замерить энергии электронов от препарата. Фотографии сделаны, можно их рассматривать.
Но что это? На фотографиях отчетливо видны электронные следы, искривленные в противоположные стороны.
Будь это за три года до описываемого времени, открытие супругов Жолио-Кюри могло не состояться… Можно благодарить Карла Андерсона: это он обнаружил, что закрученные в разные стороны пунктирные следы принадлежат электронам и позитронам.
Час от часу, однако, не легче. Электроны — они испускаются препаратом. Но откуда же в камере, тщательно защищенной от космических лучей, появились позитроны? В излучении препарата их не было, они появились только после его прохождения через алюминий.
И, наконец, самое поразительное: препарат давно уже убран в шкаф, а алюминий все продолжает испускать позитроны. Их появление отмечают и камера, и счетчик Гейгера, поднесенные к листку. Тонкий алюминиевый листок ведет себя как сам препарат: он тоже стал радиоактивным.
Радиоактивным? Чтобы предположить это, надо было обладать большой научной смелостью. Но именно этим качеством в полной мере были наделены Фредерик и Ирен Жолио-Кюри.
Да, радиоактивным! Влетая в ядро алюминия, альфа-частица застревала в нем. Ядро оказывалось переполненным частицами. И, чтобы сохранить свое существование, ядерная семья была вынуждена избавляться от лишних членов.
Первым ядро покидал нейтрон. Но это было уже не ядро алюминия. Два протона от альфа-частицы, добавившись к тринадцати протонам ядра алюминия, превратили его в ядро фосфора.
И вылет нейтрона здесь уже ничего не менял. Алюминий превратился в фосфор. Но ненадолго. Получившееся фосфорное ядро, уже спустя считанные минуты, само распадалось, выбрасывая позитрон и превращаясь при этом в ядро кремния.
Итак, алюминий превращался в фосфор. Но фосфор не обычный, а никому до тех пор не ведомый — радиоактивный. Шутка сказать! А проверить как-то надо.
Даже при сильном облучении алюминия альфа-частицами этого радиоактивного фосфора образовывалось одно ядро на миллиарды ядер алюминия. Да и к тому же ядра фосфора распадались очень быстро. Половина ядер фосфора терялась уже за три минуты.
Как быть? Как отделить миллиардные доли грамма фосфора от алюминия и провести химический анализ их за считанные минуты? Химики, к которым обратились Жолио-Кюри, только беспомощно разводили руками. Пришлось эту сверхтонкую и сверхбыструю работу проделать самим первооткрывателям.
Придуманный ими метод анализа оказался не только весьма остроумным, но и весьма долговечным. Он без особых изменений используется и поныне. Это метод «носителя».
В химическом отношении радиоактивный и обыкновенный фосфор ничем практически не отличаются. Но если к алюминию добавить обыкновенный фосфор, а затем выделить его, то фосфор уведет с собой и часть атомов радиоактивного фосфора. Отделить обычные от радиоактивных атомов, конечно, не удастся, да это и не нужно. Если к такой смеси поднести счетчик Гейгера, то он защелкает.
Если же в облученном веществе окажется радиоактивным не фосфор, а какой-то другой элемент, то сколько ни добавляй к веществу и ни выводи из него фосфор, он не поведет за собой ни одного радиоактивного атома.
Счетчик, поднесенный к смеси, которую выделили супруги Жолио-Кюри, защелкал. Это была победа, полная и ошеломляющая.
Через несколько дней после доклада в Париже супруги Жолио-Кюри получили письмо от Резерфорда. Великий ученый горячо поздравлял своих молодых последователей. Он писал: «Вы открыли то, что я искал в течение всей своей научной жизни!»
По следам нейтрона
Германия, Франция, Англия, снова Франция… Затем наступает очередь Италии.
Сенсационное сообщение супругов Жолио-Кюри с быстротой степного пожара облетает весь мир. В Советском Союзе, Соединенных Штатах Америки, Англии, Италии возбужденные ученые бомбардируют ядра альфа-частицами, протонами, разогнанными до высоких скоростей в первых ускорителях, получают нейтроны и с ними новые радиоактивные элементы. Список этих элементов растет с устрашающей быстротой. К началу сороковых годов их насчитывается уже несколько сотен, и этому списку конца не видно…
Тем временем к исследованию искусственной радиоактивности приступил молодой итальянский физик Энрико Ферми. В таком захолустном, с точки зрения физики, городе, каким в начале тридцатых годов был Рим, это оказалось совсем не просто. В распоряжении Ферми не было ни радиоактивных источников, ни счетчиков и прочей электронной аппаратуры. Ни, наконец, даже достаточно чистых химических элементов, которые надо было облучать нейтронами.
Но в его распоряжении была умнейшая голова, которая уже успела доказать свои способности, и не меньшее по своей силе чутье экспериментатора, которому еще предстояло раскрыться в полной мере. И, может быть, Ферми никогда бы не занялся нейтронами, если бы не разочарование…
За год до описываемого времени Ферми разработал теорию, в которой пытался объяснить испускание бета-частиц радиоактивными ядрами. Вас не насторожило упоминание о том, что ядра фосфора испускают позитроны? Собственно говоря, следовало насторожиться ранее, когда зашла речь о том, что электронам квантовая механика запретила местожительство в ядрах. А между тем все радиоактивные ядра испускают электроны и позитроны.
Как же они испускают то, чего в них нет и не может быть? Над этими и другими удивительными вопросами долго ломал голову Ферми. И, независимо от него, уже известный нам швейцарец Паули. Обо всем этом нам предстоит еще особый разговор. Впоследствии замечательная теория Ферми блестяще подтвердится. А пока что широко известный английский журнал, куда Ферми послал свою статью, вернул ее обратно с вежливым ответом: «Материал не подходит для журнала».
И Ферми обратился от разочаровавшей его теоретической деятельности к подававшей надежды экспериментальной. Охоте за нейтронами предшествовала настоящая охота за нужным оборудованием. Ферми сам начал мастерить счетчики Гейгера, его друг и сотрудник Эмилио Сегре целыми днями мотался по Риму, обеспечивая «химическую базу» опытов. Ферми решил бомбардировать нейтронами подряд все 92 известных к тому времени химических элемента!
Наконец, маленькая группа, пополнившаяся еще тремя членами, могла приступить к опытам. Первым в списке был водород — и никакого эффекта! Сколько ни облучали водород, он не становился радиоактивным, не активировался, как говорят физики.
Затем пошли литий, бериллий, бор, углерод, азот. По-прежнему никакого результата. Кислород облучать нейтронами не имело смысла; то, что он не активируется, Ферми уже знал: первый опыт был проведен с водородом в воде. Группа начала уже было колебаться: не прекратить ли опыты? И только невероятное упорство Ферми заставляло продолжать их работать.
Это упорство было вознаграждено. Первый же за кислородом элемент фтор обнаружил сильную радиоактивность. Радиоактивными становились и следующие за фтором элементы. Теперь дело пошло быстрее.
Полученные радиоактивные атомы отделялись от основного вещества тем самым методом, который использовали супруги Жолио-Кюри. А после этого обычный химический анализ позволял определить, какому химическому элементу принадлежат выделенные атомы.
В общем, оказывалось, что заряд ядер при бомбардировке их нейтронами повышается на единицу и соответствующий химический элемент сдвигается на одну клеточку вправо в периодической системе элементов. Так дошли до урана. И сообщение, появившееся в итальянском научном журнале «Ричерка шентифика» («Научные исследования»), известило мир о том, что впервые получен химический элемент, не существующий в природе под номером 93.
Ферми описал это открытие с присущей ему осторожностью. Но, что ни говори, оно было сенсационным. Фашистское правительство Муссолини, весьма и весьма нуждавшееся в повышении своего пошатнувшегося престижа, конечно, немедленно ухватилось за это открытие. За границей пишут, что в Италии наука в годы режима Муссолини предана забвению. Так вот вам, пожалуйста, открытие Ферми, которое говорит о совершенно противоположном!
А зарубежные физики перенесли свое недоверие к тираническому режиму Муссолини на открытие Ферми, о котором звонила в колокола итальянская печать. Элемент 93 то открывался, то снова закрывался, пока, наконец, пять лет спустя, его существование не было окончательно подтверждено двумя крупнейшими немецкими учеными Луизой Майтнер и Отто Ганом.
На пороге атомного века
Но за эти пять лет Ферми сделал еще одно открытие. Благодаря этому открытию он получил Нобелевскую премию, а человечество — атомную энергию.
Летом 1934 года к небольшой группе физиков, возглавляемой «папой» Ферми (это прозвище он получил в знак уважения перед всегдашней непогрешимостью его физических суждений), присоединился молодой человек, только что — в двадцать один год — окончивший Римский университет. Звали этого молодого человека Бруно Понтекорво.
Однажды осенним утром Понтекорво вместе с другим сотрудником группы — Эдоардо Амальди — проверяли на радиоактивность образцы из серебра. Эти образцы имели вид полых цилиндриков, чтобы радиоактивный препарат — источник нейтронов — можно было вносить внутрь их. Чтобы уменьшить облучение экспериментаторов, образцы помещали в свинцовый ящик.
Опыт шел по заведенному порядку, каким до него шли уже десятки опытов. Мирно пощелкивал счетчик, исследователи записывали его показания.
И вдруг Понтекорво заметил что-то необычное: активность цилиндриков менялась в зависимости от того, где они стояли — в середине или в углу ящика. Опыт был приостановлен, и молодые люди в полном недоумении направились к Ферми.
Тот заинтересовался, посоветовал вынуть образец из ящика и снова измерить его активность. Здесь можно лишний раз убедиться в дотошности настоящего ученого. Другой мог бы отмахнуться: мол, какие-то ошибки опыта, стоит ли обращать внимание.
И тут началось нечто невообразимое. Стрелка прибора, связанного со счетчиком, металась на шкале, совсем как магнитная стрелка возле железа. Стоило поставить образец на деревянную подставку — и стрелка летела в правый конец шкалы. Заменили деревянную подставку чугунной — стрелка еле-еле отклонилась.
Тогда стали ставить разные вещества между препаратом и образцом. Свинец немного увеличивал активность серебра. Давайте попробуем что-нибудь полегче, предложил Ферми и, памятуя об известном опыте супругов Жолио-Кюри, добавил, — скажем, парафин. Это было 22 октября 1934 года.
Взяли кусок парафина, выдолбили в нем ямку и в нее поместили источник нейтронов. Облученный серебряный цилиндрик поднесли к счетчику Гейгера, — и возгласы изумления заполнили тихую лабораторию. Парафин увеличил активность серебра в добрую сотню раз!
В полдень физики неохотно разошлись на перерыв, который объявил Ферми. «Пошли завтракать!» — эту знаменитую фразу Ферми повторит в декабре 1942 года перед тем, как пустить в ход созданный его головой и руками первый в истории атомный реактор. Эта фраза — символ величайшего хладнокровия и вместе с тем верное средство сосредоточить все умственные и душевные силы перед серьезным испытанием.
И когда физики в то осеннее утро вернулись с завтрака, в голове Ферми уже была разрешена загадка странного действия парафина на нейтроны. Бильярд!
Нейтроны, сталкиваясь с протонами, не только выбивают их из парафина. Сами нейтроны при этом постепенно растрачивают свою энергию, замедляются. Так вел бы себя помеченный бильярдный шар, пущенный в толпу таких же шаров. В результате из парафина выходят медленные нейтроны.
А вероятность того, что такие нейтроны будут захвачены ядрами серебра, должна быть гораздо выше, чем та же вероятность для быстрых нейтронов. В самом деле, легче вскочить в медленно идущий поезд, чем в несущийся с курьерской скоростью. Или, продолжая наше сравнение с бильярдом, только на этот раз с детским: чем медленнее движется шар, тем легче он провалится в лунку. Этой лункой служит ядро серебра.
Но если все это так, как рассказал Ферми, то, значит, любое вещество, содержащее много легких атомов, будет действовать подобно парафину. Например, вода.
И наши энтузиасты отправляются к большому фонтану с золотыми рыбками позади здания лаборатории. Спустя несколько минут захлебывающийся треск счетчика Гейгера показывает им, что вода действительно во много раз увеличивает радиоактивность серебряных цилиндриков. Мысль Ферми подтвердилась.
93-й элемент, замедление нейтронов… Два гигантских шага на порог атомного века. И все-таки, выступая в Стокгольме в конце 1938 года по поводу вручения ему Нобелевской премии, Ферми далек от мысли, что этот порог близок, невероятно близок.
Ферми, без сомнения, знает о словах знаменитого французского физика Поля Ланжевена, сказанных им вскоре после открытия нейтрона и искусственной радиоактивности. «Исследование этой области начинается, оно таит в себе немало сюрпризов и колоссальные возможности в виде использования огромных ресурсов внутриядерной энергии, высвобождаемой в результате ядерной реакции. Прометей, который бы научил людей, как зажечь этот молниеносный костер ядерных реакций, еще не появился, и это, возможно, к лучшему!»
Он ошибался, Поль Ланжевен. Вот Прометей, он стоит на трибуне концертного зала в Стокгольме и после церемонии вручения ему Нобелевской премии читает лекцию. Читает внешне сухо, бесстрастно, хотя переполнен понятным волнением. И ему даже в голову не приходит, что спустя месяц в Германии и здесь, в Стокгольме, четыре человека сделают последний, завершающий шаг на порог атомного века.
Последний шаг
Да, физика быстро идет к эпохальному открытию. А мир столь же быстро идет к войне. Собственно говоря, она уже началась! Гитлер вторгся в Австрию, ждет своей участи Чехословакия, выданная западными «союзниками» Гитлеру. Осталось совсем немного времени — и застонут земли Польши, Франции, Югославии под тяжелым гулом немецких танковых армад.
И, может быть, поэтому неспроста физики повторяют как заклинание: «Прометей еще не появился, и это к лучшему!» Они понимают, что может натворить чудовищная энергия, запрятанная в атомных ядрах, если она попадет в руки воинственных варваров. Нет, быть не может, это возможно только в далеком будущем, если вообще возможно! — чуть ли не с мольбой повторяют друг за другом крупнейшие физики мира.
Но остановить развитие науки, даже если кажется, что она идет во вред человечеству, — этого еще никому не удавалось. Опыты Ферми с облучением ядер урана нейтронами спустя несколько лет были продолжены во Франции и в Германии.
В 1938 году Ирен Жолио-Кюри вместе с ее учеником-югославом Павле Савичем, пытаясь установить химические свойства 93-го элемента… не нашли этого элемента. Вместо него в уране, облученном нейтронами, оказался почему-то лантан, 57-й элемент периодической системы. Это было невероятно, хотя все новые химические анализы подтверждали присутствие лантана. Французские исследователи долго ломали голову над загадочным явлением лантана, но так и не смогли решить загадку.
Фредерик Жолио-Кюри в 1938 году поехал в Рим на конгресс итальянского химического объединения и, познакомившись там с крупным немецким химиком Отто Ганом, рассказал ему о работах своей жены и Савича.
Ган не поверил, но Жолио-Кюри убедил его повторить опыты, проведенные в Париже. Ган вернулся в Берлин. До недавнего времени в течение почти тридцати лет он работал вместе с замечательной женщиной-физиком Луизой Майтнер и химиком Фридрихом Штрассманом.
Теперь они остались вдвоем. Луиза Майтнер была еврейкой. Немецкие антисемитские законы в первые годы после прихода Гитлера к власти не коснулись ее только потому, что она имела австрийское подданство. Когда Австрия пала, Майтнер, ученая с мировым именем, вынуждена была, как за несколько лет до этого Эйнштейн, бежать из Германии.
На некоторое время она обосновалась в Стокгольме. Туда и заехал к ней работавший у Нильса Бора в Копенгагене ее племянник, известный физик Отто Фриш. И как раз в эти дни Майтнер получила письмо от своих берлинских друзей. Ган и Штрассман с поистине немецкой скрупулезностью повторили опыты Ирен Жолио-Кюри и Савича и вне всякого сомнения обнаружили лантан. И не только лантан: в продуктах радиоактивного распада урана оказался и 56-й элемент — барий.
Майтнер первая догадалась, в чем дело. Ядро урана, вместо того чтобы избавиться от неустойчивости, выбрасывая несколько лишних частиц, как «делали» до него все ядра и оно само при естественной радиоактивности, на сей раз разделилось на крупные осколки. Этими осколками и были ядра лантана и бария!
Фриш срочно вернулся в Копенгаген, чтобы проверить догадку опытом. Майтнер не имела возможности экспериментировать, она вела лишь расчеты.
Фриш немедленно поставил в известность об открытии своего учителя Нильса Бора. В середине февраля 1939 года Бор поехал в США и рассказал об открытии деления урана на лекции в Принстонском университете. В тот же день об этом узнал Ферми. После вручения ему Нобелевской премии Ферми решил не возвращаться в фашистскую Италию и переехал в США.
Майтнер и Фриш тем временем направили в английский журнал «Нэйчур» («Природа») письмо о своем открытии. Их заметка появилась в журнале 18 февраля 1939 года. Но уже 30 января 1939 года Фредерик Жолио-Кюри представил в «Труды Парижской академии наук» статью, под названием «Взрывное расщепление ядер урана и тория под действием нейтронов».
В ней он смог экспериментально доказать деление ядер урана. А еще через три недели он же первый увидел замечательную реакцию. На девятьсот второй фотографии, снятой в камере Вильсона, наполненной газообразным соединением урана, четко вырисовался след нового ядра, возникшего при делении ядра урана.
Широкие исследования нового явления начались и в Советском Союзе. В Ленинграде, в Радиевом институте, ими руководил крупнейший ученый Виталий Григорьевич Хлопин. Замечательный теоретик Яков Ильич Френкель разработал первую теорию деления атомных ядер. А еще спустя несколько месяцев молодые советские физики Георгий Николаевич Флеров и Константин Антонович Петржак, руководствуясь работами Френкеля, достигли нового успеха. Они открыли, что ядра урана могут делиться на крупные части даже без бомбардировки нейтронами — сами по себе, настолько они неустойчивы.
Конечно, не надо понимать эту неустойчивость как поголовный распад всех урановых ядер за короткое время. Вероятность такого самопроизвольного деления уранового ядра — величина совершенно ничтожная. Но даже в небольшом кусочке урана ядер столь много, что каждый час несколько из них разваливается на осколки.
Огромной выдумки и терпения потребовал этот неимоверно чувствительный опыт. Чтобы оградить его от космических частиц, которые тоже могли бы вызвать такое деление, Флеров и Петржак ушли под землю. В тихие ночные часы, когда московский метрополитен кончал свою работу, в самом глубоком туннеле включали ученые свою сложную аппаратуру.
Проходили день за днем, неделя за неделей. И, наконец, сомнений больше не осталось. Тяжелое урановое ядро, до предела нагруженное протонами и нейтронами, может — пусть и очень редко — само по себе разваливаться на куски.
Следующее важнейшее открытие: при развале каждого ядра урана появляется несколько свободных нейтронов. Часть из них покидает кусок урана, уходит в воздух, но часть остается блуждать в куске. В уране всегда есть свободные нейтроны. И если увеличивать массу и размеры этого куска, то в конце концов наступит такой критический момент, когда число рождающихся в куске нейтронов превысит число ускользающих из него. Не нужна никакая бомбардировка урана нейтронами извне! Их поставляет сам же уран. А когда его размеры и масса приближаются к критическим, уран становится взрывоопасным. В нем должна начаться цепная реакция деления. И незадолго перед войной первый расчет такой реакции выполняют советские ученые, ныне академики, Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон.
Началась не виданная еще в науке лихорадочная гонка. В нее включились большие научные коллективы и огромные промышленные предприятия. Первый этап этой гонки выиграла группа Ферми. 2 декабря 1942 года под сводами заброшенного стадиона в Чикаго эти люди пустили в ход первое в истории человечества искусственное ядерное солнце.
Здесь нет нужды описывать первые годы атомного века. Они и без того хорошо известны. Нейтрон вошел в жизнь человечества, окруженный «ореолом» чудовищных взрывов американских атомных бомб над Хиросимой и Нагасаки, в еще более чудовищных огненных смерчах испытаний водородных бомб.
Но в те же годы над потрясенным миром зажглась и заря надежды. В Советском Союзе большая группа ученых под руководством Игоря Васильевича Курчатова ввела в строй первую в мире атомную электростанцию. Начал взламывать тяжелые льды Арктики атомоход «Ленин».
Нейтрон включился в работу на благо мира. Эта работа колоссальна. Нейтрон — самая «работящая» частица атомного мира после электрона и фотона. Он дробит ядра в топках атомных электростанций и атомных двигателей. Он создает искусственные радиоактивные элементы, которые нашли широчайшее применение в науке и технике сегодняшнего дня — от обнаружения дефектов в изделиях рук человеческих до излечения дефектов самого тела человека. Он исследует недра земные, ищет нефть и другие ценнейшие ископаемые.
И, заканчивая первую часть нашей повести о самой драматической частице в истории физики, можно сказать: большая жизнь нейтрона — впереди!
А теперь вторая часть истории нейтрона. Для естествознания она ничуть не менее важна, чем первая.