Top

Цепная реакция открытий

В 1934 году великий итальянский физик Энрико Ферми высказал предположение о существовании трансурановых элементов. Это его заявление породило своего рода соревнование между известными европейскими физиками и радиохимиками. Все они пытались получить трансурановые элементы и считали, что это будет теоретическая работа, за которой последует Нобелевская премия. Никто из них не предполагал, что эти абстрактные исследования приведут к одному из величайших открытий двадцатого века и закончатся созданием ядерного оружия.

Из цикла «Жизнь замечательных идей»

Эра ядерной физики началась в конце 19 века, когда французский учёный Антуан Анри Беккерель в 1896 году открыл явление естественной радиоактивности.

Справка: Радиоактивность – это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного элемента в изотоп другого элемента.

Во времена Беккереля об изотопах и превращениях ещё ничего не было известно. В своих опытах французский физик наблюдал самопроизвольное испускание солями урана невидимых лучей. Эти лучи вызывали ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсионных пластин.
Спустя два года французские физики супруги Пьер Кюри и Мари Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория, а также выделили из солей урана полоний и радий. Радиоактивность полония оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана.
В начале двадцатого века изучением радиоактивности занялся великий британский физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд. Он выяснил, что радиоактивное излучение не однородно, и что существует три типа лучей.

Справка: Альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц – ядер гелия-четыре. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных частиц – электронов. Гамма-лучи – электромагнитное излучение, не имеющее никакого заряда.

В 1919 году Резерфорд облучил альфа-частицами азот и в результате этой бомбардировки получил следующий по очереди элемент – кислород. Но Резерфорд сумел подвергнуть химическим превращениям лишь ядра лёгких элементов.
Опыты Резерфорда по расщеплению атомных ядер открыли дорогу «современной алхимии» — химическим превращениям одних элементов в другие, более тяжёлые.

Истории про физиков
«В 1908 году Эрнест Резерфорд был награжден Нобелевской премией по химии за создание теории радиоактивного распада атомов. На вопрос журналиста: как ему, физику, удалось получить премию по химии, профессор ответил: «Мне приходилось иметь дело со всевозможными превращениями, весьма различной длительности, но быстрейшее из всех, мне известных, это моё собственное превращение из физика в химика: оно произошло в мгновение ока».  Из книги «Физики продолжают шутить».

Париж, Институт радия
В двадцатые годы практически во всех физических лабораториях мира физики-экспериментаторы были увлечены опытами по бомбардировке альфа-частицами различных мишеней. Занимались подобными исследованиями и молодые французские учёные — супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.
Ирен была дочерью знаменитых французских физиков – Мари и Пьера Кюри. Она училась в очень необычной школе, которую организовала при университете Сорбонны её мать вместе со своими коллегами. В этой школе было всего лишь десять учеников. Но зато математику им преподавал великий Поль Ланжевен, а физику сама Мари Кюри, чья слава была сопоставима со славой Альберта Эйнштейна.
После окончания Сорбонны Ирен работала лаборанткой в Институте радия. Здесь же защитила докторскую диссертацию, в которой исследовала альфа-частицы, испускаемые полонием. И здесь познакомилась с ассистентом матери молодым учёным Фредериком Жолио. Вскоре молодые люди соединили не только свои судьбы, но и фамилии.
В 1932 году Ирен и Фредерик занялись исследованием излучения Боте-Беккера. Это излучение было обнаружено двумя годами раньше немецкими учёными профессором Вальтером Боте` и физиком-теоретиком Рихардом Беккером. Обстреливая альфа-частицами некоторые лёгкие элементы, такие, например, как бериллий, они зафиксировали излучение с очень сильной проникающей способностью. Но суть этого явления осталась для них загадкой.
Супруги Жолио-Кюри, располагая очень мощным полониевым источником альфа-частиц, решили повторить эксперименты Боте-Беккера. Они направили излучение на более тяжёлые атомы и обнаружили, что под воздействием этих неизвестных лучей элементы становятся радиоактивными.
Так была открыта искусственная радиоактивность. Но идентифицировать частицы, обладающие столь невероятной мощью, французские физики не сумели.
Это удалось сделать спустя всего месяц английскому физику — ученику Резерфорда — Джеймсу Чедвику. Повторив опыты супругов Жолио-Кюри, он не просто подтвердил возникновение искусственной радиоактивности, но и выяснил из каких частиц состоит излучение Боте-Беккера. Оказалось, что это нейтроны – крупные частицы без заряда, с массой чуть больше протонов.
Многие учёные считают, что французских физиков супругов Жолио-Кюри можно считать полноправными соавторами Джеймса Чедвика. По крайней мере, они создали предпосылки для его открытия.
С появлением у физиков-экспериментаторов новых «снарядов для обстрела» начался совершенно новый этап ядерной физики. Тридцатые годы иногда называют радиоактивными. Потому что открытия в этой области следовали буквально одно за другим. И почти каждое из них было удостоено Нобелевской премии.
Джеймс Чедвик и супруги Жолио-Кюри стали Нобелевскими лауреатами в 1935 году. Британский учёный получил премию по физике за открытие нейтрона, а французская чета – премию по химии за открытие явления искусственной радиоактивности.

Истории про физиков
«На первый взгляд казалось, что характеры молодых супругов Ирен и Фредерика Жолио-Кюри очень несходны. Фредерик – порывист, Ирен – сдержанна и методична. Но у них были одинаковые взгляды на науку, на спорт, на семейную жизнь. Иногда они поддразнивали друг друга. Ирен говорила друзьям: «Есть мужья, которые бережно хранят фотографию жены. Попросите Фреда показать карточку, которую он носит в своём портфеле». Это была карточка не Ирен, а великолепной щуки, пойманной Фредериком». Из воспоминаний Эжени Коттон

Италия, Римский университет
Первые крупные экспериментальные работы в области ядерной физики, связанные с облучением элементов нейтронами, были выполнены в 1934 году в физической лаборатории Римского университета профессором Энрико Ферми.
Энрико Ферми был младшим ребёнком в семье железнодорожного служащего и учительницы. Математикой и физикой он увлёкся еще в детстве. В семнадцать лет Ферми поступил в высшую школу при Пизанском университете и уже через четыре года получил докторскую степень по физике за работу по экспериментальному исследованию рентгеновских лучей.
Затем была стажировка в Германии и Голландии. Его учителями были знаменитые физики Макс Борн и Пауль Эренфест.
В 1927 году Энрико Ферми возглавил в Римском университете кафедру теоретической физики и основал первую в Италии школу современной физики. В международных научных кругах её стали называть «группой Ферми».

В середине 30-х годов объектом пристального внимания всех физиков мира, в том числе и группы Ферми, стали нейтроны. Исследуя новую элементарную частицу, итальянский физик обнаружил, что нейтроны, в отличие от положительно заряженных альфа-частиц, даже на небольшой скорости легко проникают внутрь атомных ядер, не отталкиваясь их положительным зарядом.
Энрико Ферми и сотрудники его римской лаборатории провели целую серию экспериментов по облучению нейтронами элементов периодической системы. И в тридцати семи случаях подтвердили явление искусственной радиоактивности.
Результаты всех опытов были сходными. Сначала ядро атома захватывало нейтрон, и облучаемый химический элемент превращался в нестабильный радиоактивный изотоп. Затем нестабильный изотоп распадался и превращался в ближайший более высокий элемент.
Попутно Энрико Ферми сделал ещё одно очень важное открытие. Он обнаружил, что если на пути нейтронов находится парафин или вода, замедляющие движение частиц, то результат бомбардировки в некоторых случаях повышается в сто раз.

Справка: Эффект замедления нейтронов независимо от Ферми и почти в то же самое время обнаружили супруги Жолио-Кюри. Но в истории физики он остался, как «эффект Ферми».

Продвигаясь по периодической системе все дальше Ферми, наконец, добрался до самого тяжёлого природного химического элемента – урана. Он предположил, что атом урана-238 после обстрела нейтронами сначала превратится в нестабильный изотоп — уран-239, а затем в неизвестный элемент тяжелее урана и стоящий следом за ним в периодической таблице, то есть, трансурановый. И дальнейшие опыты приведут к открытию целой группы трансурановых элементов.
Много лет спустя советский физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво скажет, что это была единственная ошибка Ферми в течение его долгой и блестящей исследовательской деятельности.
Удивительно, но именно эта ошибка великого Ферми привела, в конце концов, к открытию реакции деления урана.

Истории про физиков
«Энрико Ферми был членом Итальянской академии наук. Заседания её проходили во дворце и обставлялись всегда чрезвычайно пышно. Опаздывая на одно из заседаний, Ферми подъехал ко дворцу на своём маленьком «фиате». Выглядел он совсем не по-профессорски, был без положенной мантии и треуголки. Ферми решил всё же попытаться проникнуть во дворец. Преградившим ему путь карабинерам он отрекомендовался как «шофёр Его Превосходительства профессора Ферми». Все обошлось благополучно». Из книги «Физики продолжают шутить»

Париж, Институт радия
Вскоре после получения Нобелевской премии Фредерик Жолио-Кюри возглавил кафедру ядерной химии в Сорбонне. А его жена Ирен осталась работать в Институте радия.
В 1936 году вместе со своим коллегой югославским физиком Павле Савичем Ирен Кюри приступила к серии экспериментов с целью получить трансурановые элементы. Но при бомбардировке природного урана нейтронами она получила странное вещество со свойствами… лантана! Этот редкоземельный элемент, чья атомная масса составляла чуть более половины атомной массы урана, никак не мог быть трансурановым элементом.
Тогда Ирен Кюри и Павле Савич решили перепроверить всю цепочку экспериментов Ферми. Оказалось, что выводы Ферми верны для всей таблицы Менделеева. Кроме урана. Ирен Кюри и Павле Савич проводили с ураном опыт за опытом. И каждый раз вместо тяжёлого трансуранового элемента получали лёгкий редкоземельный, похожий по химическим свойствам на лантан.

В 1938 году в Риме проходил Национальный Химический конгресс. Туда съехались все ведущие учёные Европы. В один из дней в частной беседе Фредерик Жолио-Кюри рассказал о том, что его жена получила вместо трансуранового элемента лантан, знаменитому немецкому радиохимику, ученику Резерфорда Отто Гану.
Профессор Ган сказал Фредерику: «Я восхищён вашей женой и очень дружелюбно к ней отношусь, но мне кажется, что она ошибается».

Германия, Берлин-Далем, Институт Химии
Отто Ган родился в семье владельца стекольной мастерской. Отец хотел, чтобы сын стал архитектором, а Отто увлёкся химией. Он закончил Марбургский университет и получил докторскую степень.
Свое первое открытие Отто Ган сделал, когда стажировался в Лондоне у профессора Вильяма Рамзая. Он обнаружил новый радиоактивный элемент – изотоп тория, который назвал «радиоторем». С этого момента все научные интересы Гана были связаны только с радиоактивностью. В Монреале, в лаборатории знаменитого Эрнеста Резерфорда он изучил все известные на тот момент закономерности радиоактивных процессов.
Вернувшись в Германию, Ган получил место доцента в Химическом институте Берлинского университета. Для экспериментов с радиоактивными веществами ему выделили старую столярную мастерскую института. Осенью 1907 года в ней появился новый сотрудник — физик-экспериментатор из Австрии Лиза Мейтнер.
Лиза Мейтнер родилась в Вене в семье адвоката. Она была первой женщиной, получившей в Венском университете степень доктора философии. В Берлин Лиза приехала на стажировку к Максу Планку – ведущему физику-теоретику того времени. Она рассчитывала пробыть здесь два года, но знакомство с Отто Ганом и совместная исследовательская работа задержали её в Берлине на тридцать лет. К началу тридцатых годов Лиза Мейтнер опубликовала более сорока научных работ. Часть из них была написана в соавторстве с Отто Ганом.
Весной 1933 года в Германии был принят закон «О переаттестации профессиональной бюрократии». На основании этого закона лица неарийского происхождения лишались прав преподавать в институтах и университетах. Лизу Мейтнер уволили из Берлинского университета, но разрешили продолжать исследовательскую работу в лаборатории Гана.
После того, как Энрико Ферми опубликовал данные своих радиоактивных исследований, Отто Ган и Лиза Мейтнер, как и парижская группа Ирен Кюри, поставили перед собой цель получить трансурановые элементы.
В 1935 году к их совместным исследованиям присоединился молодой ученый Фриц Штрассманн – блестящий специалист в области неорганической химии и анализа. Вместе им удалось подтвердить фундаментальное открытие Энрико Ферми и получить «эка-рений», «эка-осмий», «эка-иридий» и «эка-платину». Все эти элементы находились в периодической таблице прямо под рением, осмием, иридием и платиной, а главное — имели схожие с ними химические свойства.
Но на уране группа Гана, как и группа Кюри, споткнулась.

Истории про физиков
В 1919 году Лиза Мейтнер получила звание профессора и спустя три года ей разрешили преподавать физику в Берлинском университете. Свою первую публичную лекцию «Значение радиоактивности для космических процессов» доцент Мейтнер прочла 31 октября 1922 года. Отто Ган вспоминал позже, что одна из ежедневных берлинских газет в своём сообщении о лекции нового доцента допустила знаковую ошибку: вместо слова «космических» было напечатано «косметических». Естественно, о каких же ещё проблемах может говорить женщина!

Германия, Берлин-Далем, Институт химии
Летом 1938 года, вернувшись из Италии с Химического конгресса, Отто Ган рассказал своим коллегам о странных результатах опытов Ирен Кюри и о таинственном превращении урана в лантан. В тот момент французы еще не опубликовали ход своих экспериментов, поэтому берлинская группа двинулась, что называется, на ощупь, экспериментируя с урановыми и ториевыми препаратами. И тут же получила свой весьма странный результат – после облучения соединений урана нейтронами выделился… барий! Элемент такой же лёгкий по отношению к урану, как и лантан.
Химики Ган и Штрассманн не могли ошибиться в идентификации этого элемента. Но физик Лиза Мейтнер поверить в столь странное превращение не хотела. Она была убеждена, что Штрассманн ошибся.
Руководитель группы Отто Ган предложил коллегам сосредоточить все усилия на этом эксперименте. Но в этот самый момент Лизе Мейтнер пришлось срочно покинуть Германию. Австрийский паспорт уже не спасал её от преследований на расовой почве.
13 июля 1938 года шестидесятилетняя Лиза Мейтнер, известная на весь мир женщина-физик, тайно перешла голландскую границу, а затем перебралась в Швецию. Первое пристанище и работу ей помог найти Нильс Бор.
Для двух химиков – Гана и Штрассманна – потеря физика-теоретика в разгар экспериментов была очень ощутимой. Тем более что результаты этих экспериментов противоречили всем законам физики. Учёные раз за разом повторяли опыты, пытаясь найти ошибку. Но получали одно и то же: уран расщеплялся до бария. Все подробности опытов Ган сообщал своей бывшей коллеге, он писал ей письма почти каждый день.

«Может быть, всё-таки здесь речь идёт о каком-то совпадении, но мы вновь и вновь возвращаемся к ужасному выводу: наш изотоп «радия» ведёт себя не как радий, а как барий…» Из письма Отто Гана Лизе Мейтнер

Девятнадцатого декабря 1938 года была завершена последняя контрольная серия экспериментов. Ган пришёл к окончательному выводу, что ядро урана лопается и распадается на две примерно равные части. Одна из частей превращается в более лёгкий элемент, а вторая… просто исчезает!

Двадцать второго декабря 1938 года Отто Ган и Фриц Штрассманн опубликовали в немецком научном журнале «Натурвиссеншафтен» (Naturwissenschaften) статью «О доказательстве получения и поведении земельно-щелочных металлов, возникающих при облучении урана нейтронами».
Эта дата теперь считается датой открытия процесса расщепления тяжёлых ядер, хотя в самой статье об открытии не было сказано ни слова. Более того, авторы сочли нужным уточнить:

«…Мы ещё не можем решиться на этот противоречащий всему прошлому опыту ядерной физики прыжок». Отто Ган и Фриц Штрассманн

Тем временем Лиза Мейтнер рассказала об открытии Гана своему племяннику Отто Фришу — тоже физику и австрийскому беженцу. Фриш приехал в Стокгольм на рождественские каникулы. Каникулы закончились, не начавшись – Мейтнер и Фриш засели за расчёты. Через неделю, уже после Нового года, они нашли теоретическое объяснение распаду ядра урана: исчезнувшая часть, согласно известной формуле Эйнштейна E = mc2, превращается в энергию.

Спустя несколько лет знаменитый немецкий физик-теоретик Макс Борн скажет, что формула Эйнштейна с открытием расщепления урана и цепной реакции стала своего рода связующим звеном между физикой и политикой.

В январе 1939 года данные химических экспериментов Гана и Штрассманна были опубликованы в английском журнале «Nature». Через месяц в том же журнале появилась статья Лизы Мейтнер и Отто Фриша «Деление урана с помощью нейтронов: новый тип ядерной реакции», где было дано физическое обоснование экспериментов Гана. В этой статье впервые был употреблен термин «расщепление ядра», а также высказано предположение, что процесс ядерного деления может породить цепную реакцию, которая приведёт к большим выбросам энергии.
Еще в январе, до своей публикации, Лиза Мейтнер послала Нильсу Бору телеграмму, в которой сообщила обо всех подробностях экспериментов Гана и собственных теоретических обоснованиях. Она считала, что если их с Фришем выводы подтвердятся, и всё окажется правильным, человечество будет располагать либо новым источником энергии, либо мощным орудием массового уничтожения.
К слову говоря, отправление этой телеграммы из Копенгагена в Нью-Йорк, обошлось в четыреста долларов.
Нильс Бор сразу же рассказал об открытии процесса деления ядер урана американским физикам, в числе которых было много эмигрантов из Европы, бежавших от фашистского режима. Всем было ясно, что до овладения атомной энергией человечеству осталось сделать один шаг.

Что было дальше – известно всем.
Первый ядерный реактор, спроектированный и сконструированный Энрико Ферми на теннисном корте Чикагского университета. Первая цепная реакция, осуществленная второго января 1942 года. Письмо Альберта Эйнштейна президенту США Теодору Рузвельту. Манхэттенский проект, Лос Аламос, бомбёжка Хиросимы и Нагасаки, сотни тысяч жертв…

Кстати, когда Лизе Мейтнер предложили работу в Лос Аламосе, она сказала: «Я не буду делать бомбу!»
Отто Ган в мае 1945 года был арестован сотрудниками британской разведки и вывезен в Англию, в Фарм-Холл. Вместе с ним были задержаны девять его коллег — физиков-ядерщиков. Союзники считали, что немецкие учёные работали над созданием атомной бомбы.

Находясь под арестом в Фарм-Холле, профессор Ган узнал, что ещё год назад Шведская академия присудила ему Нобелевскую премию по химии за открытие распада тяжёлого ядра. И здесь же, вечером шестого августа 1945 года, Отто Ган услышал по радио о бомбардировке Хиросимы. Он очень тяжело воспринял эту новость, считая себя лично ответственным за гибель сотен тысяч людей.
После войны Отто Ган принял на себя руководство Обществом имени Макса Планка в Гёттингене. Вместе со своим бывшим сотрудником Фрицем Штрассманном Ган был в числе тех восемнадцати учёных, которые подписали известное «Гёттингенское обращение», торжественно заявив, что никогда не будут участвовать в изготовлении, испытании или применении атомного оружия в каком бы то ни было виде.

P.S. 30 октября 1949 года в Парижской академии наук был вскрыт конверт, запечатанный ровно десять лет назад Фредериком Жолио-Кюри. В конверте находились заявки на патенты, в которых были предложения о постройке и использовании ядерных реакторов. А также материалы, в которых излагалась возможность создания в урановой среде практически бесконечных цепных реакций. Таким образом, группа Жолио-Кюри на много лет опередила учёных из Лос Аламоса. Но в спор за приоритет этого открытия французы по понятным причинам не вступили.

Ссылка на видео: Режиссер Татьяна Малова, «Цивилизация», 2012 год. (В эфире был под названием «Этот двуликий атом»)