"Превращение элементов" - читать интересную книгу автора (Казаков Борис Игнатьевич)

…Тем больше абсурда?

Искусственная радиоактивность произвела на всех ошеломляющее впечатление, и группа молодых итальянских физиков, возглавляемых Энрико Ферми, задалась вопросом: а что, если произвести аналогичную работу, но в качестве снарядов использовать не альфа-частицы, а нейтроны, которые в ядро будут проникать несравненно легче?

Ферми был замечательным теоретиком, но в экспериментальной физике не имел тогда достаточного опыта, а дело было совершенно новое. Прежде всего необходимо было располагать источником нейтронов. Полоний-бериллиевый источник был испробован на облучении нескольких элементов, но никаких признаков наведённой активности обнаружено не было. Тогда Ферми решил его заменить более сильным — радон-бериллиевым. В этом молодым физикам помог директор физической лаборатории департамента здравоохранения Джулио Трабакки, которого шутливо называли «божьим промыслом» за то, что у него, как у человека, педантично любившего порядок, можно было найти всё, начиная с отвёртки и кончая источником нейтронов.

Один грамм радия, хранившийся в подвалах физического института, непрерывно отделял при своём распаде благородный и радиоактивный же газ радон. Его-то и отдал «божий промысел» Ферми и его группе. Трубочку, в которой был бериллий, заполняли радоном, погружали конец её в жидкий воздух, чтобы газ сконденсировался; после этого трубочку запаивали, и она становилась источником нейтронов. Так как активность радона через несколько дней исчезала, трубочки приходилось всё время изготовлять заново.

Ферми не предполагал провести какой-то единичный лабораторный эксперимент, он хотел проверить нейтронным облучением все элементы периодической системы. Для этого, конечно, нужно было располагать ими, если и не в чистом виде, то хотя бы в соединениях. Эмилио Сегре, ставший потом знаменитым учёным, повесил на плечо сумку и отправился «в поход за добычей» к известному тогда торговцу химикалиями Троколли. К великому удивлению и счастью, Сегре удалось набить свою сумку сразу же чуть ли не всеми нужными химикалиями, причём торговец проявил отсутствие какой бы то ни было корысти. Когда Сегре, просмотрев свой список, дошёл до цезия и рубидия, Троколли отдал две банки бесплатно, сказав, что их никто не спрашивал уже 15 лет, и возгласил при этом торжественно по-латыни: «Даю тебе рубидий и цезий даром из любви к Господу нашему».

Облучение элементов нейтронами было начато строго систематически в порядке возрастания атомного веса. Начали с водорода, затем облучили литий, бор, углерод, азот, кислород и… не получили никакого эффекта. Наступил период разочарования и уныния. А у кого он в своё время не наступает? Тут важно не упасть духом и найти в себе силы преодолеть этот неприятный и трудный рубеж. Ферми сумел преодолеть и продолжил работу. И вот первый, пока ещё слабый успех: облучённый фтор заставил несколько раз щёлкнуть счётчик Гейгера — Мюллера.

Дальше пошло лучше.

Чтобы измерения не искажались радиацией источника нейтронов, счётчики находились в комнате, далеко отстоящей от лаборатории, где проводилось облучение. Возбуждённая радиоактивность в том или ином элементе бывала очень непродолжительной, и, чтобы успеть её зарегистрировать, экспериментаторы неслись по коридору сломя голову.

Понятно, что одного щёлканья счётчика для каких-то научных выводов из эксперимента было недостаточно; следовало определить, что же получается из элемента, подвергшегося воздействию нейтронов. Для этого нужен был профессиональный химик. «Божий промысел» располагал и этим. В его лаборатории работал Оскар Д'Агостино, и профессор Трабакки познакомил с ним всех нейтронных энтузиастов группы Ферми. Правда, Д'Агостино стажировался тогда в области радиохимии в Париже, в лаборатории М.Кюри, в Риме же он находился лишь на пасхальных каникулах. Но узнав о работе, которую предлагает ему Ферми, он «не воспользовался обратным билетом в Париж», по выражению Сегре.

Определение образовавшихся элементов проводилось по методу, который использовал недавно Фредерик Жолио-Кюри. Эксперименты велись систематически и последовательно освещались в научном журнале.

Резерфорд, которому Ферми направил отчёт о своих опытах по наведению радиоактивности с помощью нейтронов, не замедлил горячо поблагодарить молодого физика. «Поздравляю Вас, — писал он, — с успешным побегом из сферы теоретической физики! По-видимому, Вы откопали неплохое занятие для начала. Возможно, Вам будет интересно узнать, что профессор Дирак также проводит некие опыты. Это кажется хорошим предзнаменованием для будущего теоретической физики!».

Следует иметь в виду, что вовсе не обязательно, чтобы после воздействия нейтронов на ядро в нём возбуждалась позитронная эмиссия. Стандарта не было: при ядерных превращениях наблюдалось выделение альфа-частиц или протонов, гамма-лучей или электронов. При поглощении нейтрона ядро становилось неустойчивым, нестабильным, но предугадать, какого характера излучения последует за этим, в то время не представлялось возможным.

Приняв все предосторожности, Ферми и его группа обстреляла нейтронами уран, установила, что он активизируется, и стала выяснять, какой элемент получается в результате ядерного превращения. Уже описанным методом соосаждения и последующей регистрацией активности молодые итальянцы искали в осадке элементы, расположенные согласно периодическому закону в непосредственном соседстве с ураном. Ни один из элементов, начиная с атомного номера 86 и кончая ближайшим к урану номером 91, не регистрировался. Оставалось предположить, что образуется совершенно новый, в природе неизвестный элемент, номер которого больше последнего в таблице, т. е. 93.

Рассуждение было вполне логичным: при захвате нейтрона ядро элемента становилось неустойчивым, после чего выбрасывался электрон и образовывалось устойчивое ядро большего порядкового номера.

Сообщение о проделанных опытах было очень осторожным, и в нём не упоминалось об открытии нового элемента, ибо Ферми и его группа считали, что для такого утверждения требуются более веские доказательства.

Вся исследовательская группа римских физиков организовалась стараниями декана физического факультета профессора Корбино. Он всегда покровительствовал ей, помогал во всём, был в курсе всех её работ и гордился достижением своих мальчуганов, как он их называл. Крайне обрадованный их успехами, Корбино на сессии академии в присутствии короля выступил с речью и обронил неосторожные слова: «По этим успешным опытам, за которыми я слежу ежедневно, я полагаю себе вправе заключить, что этот элемент (93-й. — Б.К.) уже получен». Страстная речь патрона очень обеспокоила Ферми, настолько, что он не спал по ночам. Дело в том, что фашистская печать на следующий день подняла трезвон о «культурных завоеваниях фашизма», о том, что «Италия при фашистском строе снова выступает в своей давнишней роли учителя и представляет собой ведущую силу во всех областях».

Сам Ферми не имел абсолютной уверенности в получении им элемента № 93, не говоря уже о том, что шумиха вокруг этого события ему просто претила. Он чувствовал, что вся его репутация учёного поставлена на карту: его легко могут обвинить в неоправданных спекуляциях, хотя он сам к этому не имеет никакого отношения. А тут ещё в одной из итальянских газет появилась сенсационная выдумка о том, что Ферми подарил королеве Италии маленький флакончик с 93-м элементом.

Зарубежная пресса живо откликнулась на известие о новом элементе — броские заголовки останавливали внимание физиков всего мира. В Лондоне отнеслись ко всему этому с большой осторожностью: «Известие из Рима об искусственном получении нового элемента… вызвало огромный интерес в научных кругах. Английские учёные воздерживаются от каких-либо выводов до получения дальнейших подробностей о работе академика Ферми, а до тех пор не считают возможным согласиться с предположением, высказанным сенатором Корбино».

Ферми был страшно огорчён: ведь английских физиков возглавлял не кто иной, как Резерфорд, который, конечно, был для него непререкаемым авторитетом. Именно от него так недавно было получено замечательное, одобряющее и ободряющее письмо, вдохновляющее на продолжение работ по наведению радиоактивности с помощью нейтронов. Сейчас же Ферми чувствовал, что сомнения английских физиков, и Резерфорда в том числе, вполне правомерны.

Корбино, с которым посоветовался Ферми, несмотря на свою убеждённость в том, что открытие состоялось, согласился с доводом, что подобные заявления слишком опасны, и необходимо как-то утихомирить разбушевавшиеся страсти. Совместно они написали заметку в газету, где Ферми указывал на то, что его работы показали лишь возникновение радиоактивности в элементах, обстреливаемых нейтронами, и превращение их в другие элементы; открытие элемента № 93 пока только предположительное; чтобы считать его доказанным, потребуется ещё немало тщательнейших исследований… С полной недвусмысленностью Ферми указывал, что главная цель исследований его группы заключается не в том, чтобы получить новый элемент, а в изучении явления в целом.

Это заявление Ферми мало чему помогло, и вокруг 93-го элемента в учёной среде разгорелись споры и дискуссии.

Когда-то алхимики верили в существование «философского камня», с помощью которого можно было бы превращать одни элементы в другие, прежде всего, конечно, неблагородные металлы в золото. Теперь же передовые учёные склонялись к мысли, что нечто подобное найдено. Нейтрон — это истинный философский камень, именно он превращает одни элементы в другие. Какое там золото! С помощью нейтрона удалось получить элемент, какого и в природе не существует!

Но удалось ли? Физики разных стран повторяли эксперимент Ферми, проверяли, уточняли и расходились во мнениях. У приверженцев получения 93-го элемента складывалось мнение, что он тоже радиоактивный элемент. В общем, представлялась такая же картина, какую давно уже выявили физики — цепь радиоактивных превращений урана или тория, только идущая за пределы периодической системы. Среди опровергателей особенно выделились немецкие физики супруги Ида и Вальтер Ноддак, которым принадлежала честь открытия редчайшего элемента рения. Ида Ноддак в серьёзном научном журнале выступила со статьёй, в которой указала на возможность получения при бомбардировке урана нейтронами не новых тяжёлых («сверхтяжёлых» — по таблице) элементов, а наоборот, уже хорошо известных — лёгких, образующихся в результате распада ядра на два или несколько крупных осколков.

Несмотря на большой авторитет Ноддак, к их предположению никто из ведущих физиков с серьёзностью не отнёсся, слишком оно казалось невероятным. Ида Ноддак уговорила своего мужа обратиться по этому вопросу к его близкому другу, ученику Резерфорда — Отто Гану, состоявшему профессором в Институте кайзера Вильгельма. Свидание учёных состоялось, но осталось без последствий. Отто Ган, выслушав своего друга, придал своему лицу суровое, даже воинственное выражение и, затянувшись сигарой, безапелляционно заявил: «Это невозможно!» Он предложил Ноддакам оставить сумасбродную идею о расщеплении урана и никогда о ней не вспоминать, ибо в научном мире такую глупость никогда не простят. Ида Ноддак свою статью прислала Ферми, но ни сам он, никто из его группы не придал ей значения.

В работе группы Ферми произошло такое, что заставило заняться исключительно новым непонятным явлением. По-прежнему испытывали на радиоактивность некоторые металлы, облучённые нейтронами. Однажды, когда таким металлом было серебро, вдруг заметили, что радиоактивность его изменяется в зависимости от… находящихся поблизости предметов. Сначала, конечно, это было приписано неточности измерения, ошибке опыта, но проверка показала, что всё правильно. Стали между источником нейтронов и облучённым металлом помещать различные экраны. Свинцовая пластинка очень незначительно повлияла на величину возбуждённой радиоактивности. Тогда Ферми рассудил: свинец — вещество тяжёлое, испытаем лёгкое, и поставил парафин. Облучив нейтронами, прошедшими через парафиновый экран, серебряный цилиндрик, его поднесли к счётчику — он словно с цепи сорвался, показав увеличение радиоактивности серебра в сотню раз. Это казалось какой-то чёрной магией: наиболее массивное вещество свинец ничем почти не воспрепятствовал потоку нейтронов, а лёгкое, парафин, сделало что-то невообразимое.

Ферми очень скоро объяснил неожиданный эффект. В парафине много водорода. Его ядра (протоны) обладают такой же массой, как нейтроны. Сначала происходит столкновение нейтрона с протоном, а затем уже попадание его в ядро серебра. При столкновении теряется значительная часть энергии нейтрона (как у двух бильярдных шаров), и он замедляет своё движение. Медленный же нейтрон с гораздо большей вероятностью будет захвачен ядром серебра и вызовет превращение.

Если такое объяснение правильно, то ещё больший эффект можно будет наблюдать от нейтронов, прошедших через большое количество воды. Чтобы проверить это, физики отправились к дому Корбино, в сад, где находился большой бассейн с золотыми рыбками. Они погрузили источник нейтронов и серебряный цилиндрик в воду на определённом расстоянии, после чего замерили наведённую радиоактивность. Предположение Ферми блестяще подтвердилось. В тот же вечер физики собрались на квартире, чтобы написать первое сообщение о неожиданном эффекте в научный журнал. Все кричали, подсказывали, спорили друг с другом, срывались с места и носились по комнате. Когда они ушли, прислуга вежливо спросила хозяйку дома, с чего это они так перепились?

Предстояла большая работа — последовательно изучать радиоактивность, наведённую воздействием замедленных нейтронов, а пока следовало написать подробный отчёт о своих опытах. Через два дня их посетил профессор Корбино, который, как уже говорилось, всё время был в курсе того, что они делали и чего достигли. Узнав об их намерении, он довольно энергично воспротивился тому, чтобы об их открытии узнала печать. «Неужели вы не понимаете, — говорил он, — что ваше открытие может иметь промышленное значение? Вы должны сначала взять патент, а потом уже сообщать подробности вашего способа производства искусственных радиоактивных веществ».

Для молодых исследователей такая постановка вопроса была совершенно новой и неожиданной. Правила и порядки промышленности им были совсем неизвестны, едва ли они представляли себе, что их открытие может составить интерес для производства большого масштаба, а затем — в обычае ли учёных брать патент на свои открытия? Но Корбино настоял на своём. Мальчуганы привыкли слушать его советы и полностью им доверять. Совместная заявка была ими подана; авторами значились Ферми, Розетти, Сегре, Амальди, Д'Агостино, Понтекорво и Трабакки. Они не забывали своего «божьего промысла», который так старался помочь им во всех их исследованиях.

Однако попытки заинтересовать кого-нибудь из промышленников открытием оказались безуспешными: руководители фирм оставляли тогда ядерную энергию любителям фантастики.

На фоне многих интересных достижений новой физики не столь шумным и заметным было сообщение Ф.Панета в лондонском журнале «Природа» об опытах по бомбардировке бора нейтронами.

Между тем эти опыты имели принципиальное значение. Дело в том, что до сих пор последствия бомбардировки элементов нейтронами наблюдались лишь по косвенным показателям — регистрацией радиоактивности и по наличию следа элементарной частицы на фотопластинке. Ф.Панет, в течение семи недель обстреливая бор нейтронами, получил литий и гелий. Показать наличие гелия спектроскопически не составляло труда, но Панет не ограничился этим и измерил количество полученного газа. Это был первый случай, когда продукт превращения элементов стал доступен непосредственному измерению.

Но что же всё-таки 93-й элемент, получил его Ферми или не получил? Неужели этот вопрос ведущими физиками и химиками был оставлен без внимания? Нет, конечно, опыты Ферми повторялись, но выводы из них у учёных были неодинаковы. Гипотеза Иды Ноддак показалась Отто Гану настолько дикой, что он не желал о ней даже упоминать, сказав её супругу Вальтеру, что не хочет выставлять учёного в смешном виде, ибо предположение о раскалывании ядра урана — чистейший абсурд.

Да, в это, действительно, было трудно поверить, чтобы нейтроны ничтожной энергии производили бы такие разрушения в ядре, каких не удавалось добиться воздействием на него самых мощных снарядов. «Это напоминало, — по выражению Р.Юнга, автора книги «Ярче тысячи солнц», — то, как если бы на войне кто-нибудь предложил артиллеристам, безуспешно ведущим огонь снарядами самых крупных калибров по укрывшемуся в подземных убежищах противнику, попытаться добиться успеха с помощью шариков для пинг-понга».

Отто Ган и Лиза Мейтнер в 1917 г. заполнили 91-ю клетку периодической системы неизвестным ранее элементом протактинием. Теперь вместе с радиохимиком Фрицем Штрассманом они воспроизвели все эксперименты Ферми по воздействию нейтронов на уран и пришли к выводу, что при этом получались не один, а последовательно несколько заурановых (радиоактивных) элементов с порядковыми номерами от 93-го до 96-го.

К этому времени весьма интересные результаты получили Ирен Жолио-Кюри и югославский радиохимик Павел Савич. В продуктах реакции после обстрела урана нейтронами они, как сообщалось, обнаружили новый элемент, химическими свойствами напоминающий актиний. Однако более тщательное исследование показало, что новый элемент не может быть актинием; он, хотя и напоминает его, но ещё более похож на соседа по третьей группе — на лантан. Это было не что иное, как подтверждение абсурдной гипотезы Иды Ноддак. Ирен в неё не верила и старалась отделить новообразованный элемент от настоящего лантана. Ей казалось, что разделения удалось добиться методом фракционной перегонки. Судя по всему, новый элемент — трансурановый, но не из тех, что получены группой немецких физиков. Узнав обо всём этом, Ган сказал, что «Кюри и Савич очень сильно запутались». Он написал им частное письмо с просьбой повторить эксперименты с большей тщательностью. И не получил ответа. А вскоре вышла вторая статья Ирен, дополняющая первую. Оскорблённый Ган не захотел её читать, но Штрассман с таким жаром пересказал ему основные положения этой статьи, что Ган положил горящую сигарету на письменный стол и помчался в лабораторию. Выявилась фатальная ошибка Жолио-Кюри: не «похожий на лантан», а сам лантан обнаружила она!

Ган и Штрассман — первоклассные химики, они со всей несомненностью установили в продуктах реакции присутствие таких элементов, как лантан, барий и церий. Ошибка Жолио-Кюри состояла в убеждении, что она отделила от лантана элемент, «похожий на лантан», тогда как она отделила барий или церий. Но как могло это произойти, откуда здесь взялись элементы № 56, 57 и 58, так далеко отстоящие от урана? Это всё равно, как если бы в инкубатор положили яйцо страуса, а вылупились цыплёнок и голубь. Выходит, что атом урана под воздействием нейтрона расщеплялся на приблизительно равные части. В соответствии с общепринятыми в физике взглядами, это был чистейший абсурд, и разве сам Ган не то же самое говорил Вальтеру Ноддак? Тем не менее всё было настолько очевидным, что и химикам, и физикам ничего не оставалось, как заняться многократной и тщательной проверкой. У Гана и Штрассмана не осталось больше никаких сомнений в правильности полученных результатов. Они подготовили статью, в которой описали всё, но, проявляя исключительную осторожность, оговорились, что «как ядерные химики, тесно примыкающие к физикам, они не могут заставить себя совершить этот скачок, столь противоречащий всем явлениям, до сих пор наблюдавшимся в ядерной физике». Они даже допускали, что «редкое стечение случайностей привело их к ошибочным наблюдениям».

Почему же только Ган и Штрассман, а где же Лиза Мейтнер? Она не могла участвовать в этих экспериментах. «Коричневая чума» захлестнула Европу. Разжигалась расовая ненависть. Антисемитские законы гитлеровцев заставили многих учёных искать спасения вне пределов Германии. Эйнштейн был объявлен главарём «еврейской физики». Когда Германия захватила Австрию, Эрвин Шрёдингер, виднейший физик-теоретик, перешёл границу с одним лишь рюкзаком за плечами, добрался до Рима и отправился к Ферми с просьбой проводить его в Ватикан, где он надеялся найти убежище. Сам Ферми, слава итальянской науки, дождался вызова в Стокгольм на церемонию присуждения ему Нобелевской премии, поехал туда, зная, что уже не вернётся в Италию. Он давно уже обдумал свою эмиграцию, ибо расовые законы свирепствовали и в Италии, а жена Ферми была еврейкой. Лиза Мейтнер также была еврейкой, но пока она была австрийской подданной, ей не препятствовали работать в берлинской лаборатории. Когда же Австрии не стало, то ясно было, что она попадёт под действие фашистских антисемитских законов. Это грозило физическим уничтожением. Ей помогли голландские коллеги, доставшие разрешение на въезд в Голландию без паспорта. Оттуда она направилась в Стокгольм и тем избежала трагической участи.

Именно Лизе Мейтнер написал Отто Ган обо всех своих экспериментах и полученных результатах, прежде чем решился кому-нибудь о них сообщить. Он безоговорочно доверял её острому взгляду и наблюдательности, боялся строгой критики и ответа её ждал с большим волнением.

Лиза Мейтнер получила письмо Гана в то время, когда у неё гостил Отто Фриш, её племянник, тоже физик. Мейтнер рассказала ему о расщеплении урана в экспериментах Гана, но Фриш от какого бы то ни было обсуждения старался уклониться, ему это казалось пустой тратой времени; он хотел поговорить о перспективах своей работы — за этим, собственно, он и приехал к своей знаменитой тётке. Но от неё не так легко было отделаться. Он предложил пойти прогуляться и надел лыжи, надеясь, что свежий воздух охладит тётушку. Какое там! Она шла за ним и настойчиво говорила об одном и том же, не позволяя уклониться от темы. И она добилась своего, увлекла его новой проблемой, заставила спорить о природе открытия, выставляя аргументы и контраргументы. Своей матери он написал тогда: «Я чувствую себя как человек, который, пробираясь через джунгли, не желая этого, поймал за хвост слона и сейчас не знает, что с ним делать». Прежде всего они решили известить Нильса Бора. Когда Фриш добрался до Копенгагена и рассказал обо всём знаменитому учёному, тот воскликнул: «Как мы могли не замечать этого так долго!» Он был так взволнован, что едва не опоздал на пароход, отправляющийся в Швецию, откуда он должен был отбыть в США. Там он намеревался провести несколько месяцев в Институте прогрессивных исследований, где работал в то время А.Эйнштейн. Но, прибыв на место, Бор отправился прежде всего не к Эйнштейну, чтобы обсуждать с ним теории космоса, как предполагалось ранее, а к своему ученику Д.Уиллеру, профессору физики Принстонского университета, и сообщил ему об опыте Гана и Штрассмана и истолковании этого опыта Мейтнер и Фришем.

Если ранее развитие событий в исследованиях по физике атома исчислялось годами, то с этого момента стали решать дни и даже часы.