На пороге создания атомной бомбы

В 1936 г. в немецком журнале появилась статья И. Нордак. Автор указывала на то, что под действием нейтронов ядра расщепляются на изотопы, не являющимися соседями бомбардируемых элементов в периодической таблице Д.И. Менделеева. Но физики и химики сочли это предположение Нордак абсурдным. Однако в 1938 г. благодаря работам И. Кюри, П. Савича, О. Гана, О. Штрассмана и Л. Мейтнер стало ясно, что Нордак была права.

Наиболее четкие выводы о том, что при облучении урана нейтронами возникают щелочноземельные элементы металлы, были сделаны Ганом и Штрассманом в январе 1938 г., хотя сами они в этих выводах сомневались.

Оба исследователя после множества опытов в середине декабря 1938 г. убедились, что ядро урана-235 при облучении медленными нейтронами расщепляется на два более легких атомных ядра. 22 декабря 1938 г. они закончили рукопись своего первого сообщения и отдали в печать. Статья появилась в журнале «Натурвиссеншафт» б января 1939 г.

Мейтнер, узнав о работах Гана и Штрассмана, вместе со своим племянником О. Фришем окончательно разрешила этот вопрос: ядро урана делится под действием нейтрона на два осколка, приобретающих энергию около 200 МэВ, что соответствовало энергии дефекта массы. Наличие связи между массой и энергией было установлено А. Эйнштейном. В небольшой статье, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн писал: «Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии». Так появилось в науке знаменитое соотношение Е = тс².

Заметка Мейтнер и Фриша о делении урана была опубликована 16 января 1939 г., а 26 января 1939 г. Н. Бор, выступая на конференции по физике в Вашингтоне, сообщил об открытии деления урана.

Многочисленные опыты разных ученых в различных лабораториях подтвердили деление урана. В 1939-1940 гг. появились теоретические работы советского физика Якова Ильича Френкеля (СССР) и Нильса Бора совместно с американским физиком Джоном Уиллером (США) по теории деления ядра. В апреле 1939 г. Н. Бор отметил, что под действием нейтронов любых энергий делится лишь легкий изотоп урана.

В марте 1939 г. Фредерик Жолио-Кюри, Ганс Халбан и Лев Коварски в Коллеж де Франс установили, что деление ядра урана, вызванное одним нейтроном, помимо образования продуктов деления и высвобождения соответствующей энергии сопровождается вылетом нескольких нейтронов. Независимо от них это было установлено венгерским физиком Лео Сциллардом и Энрико Ферми в Нью-Йорке.

В том же году Л. И. Русинов и Г. Н. Флёров, работая в Ленинградском Физико-техническом институте, установили, что при делении ядра урана испускается в среднем около трех вторичных нейтронов. Это было открытие, позволяющее говорить об осуществлении цепной реакции деления ядер.

Русинов и Флёров в этих же опытах обнаружили, что захват нейтронов ядром основного изотопа урана ²³⁸ U не приводит к делению, а стало быть, образуется радиоактивное ядро ²³⁹U. Они установили, что наблюдающееся на опыте деление урана тепловыми нейтронами следует приписать мало распространенному изотопу урана ²³⁵U.

В 1939 г. французский физик Фрэнсис Перрен опубликовал первые оценки размеров уранового шара, нагреваемого за счет реакции деления, и отметил, что возможность протекания цепной реакции деления ядер зависит от критических объема и массы делящегося материала. Эти расчеты были очень грубы вследствие отсутствия каких-либо точных сведениях о сечениях деления и числе освобождающихся при делении нейтронов.

В 1940 г. Чэдвик рассчитал величину критической массы урана-235.

В Советском Союзе центром исследований в области деления я пер продолжал оставаться Ленинградский Физико-технический институт. Велись такие исследования и в Физико-техническом институте в Харькове, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева и в Институте химической физики в Москве, в Радиевом институте и в Педагогическом институте в Ленинграде, п также и в других исследовательских организациях. Руководителем работ в этой области выступал И. В. Курчатов, работавший в Ленинградском Физико-техническом институте.

В 1937 г. в Москве состоялась II Всесоюзная конференция по атомному ядру. Конференция показала, что сделано многое, но слабым местом остается аппаратура для физических экспериментов, в частности, ускорители заряженных частиц для возбуждения ядерных реакций. К этому времени в Англии Дж. Кокрофт на сконструированном им вместе с Э. Уолтоном высоковольтном каскадном ускорителе уже осуществлял ядерные реакции с искусственно ускоренными протонами.

И. В. Курчатов принимается за создание ускорителей. Эта работа выполняется не на пустом месте. В 1933 г. М. А. Еремеев Физико-техническом институте построил по поручении) И.В. Курчатова небольшой циклотрон, который давал слабый пучок протонов с энергией около 530 кэВ. С 1937 г. в Радиевом институте работал более мощный циклотрон. Но это не удовлетворяло физиков. Ядерные исследования требовали получения ядер-снарядов с более высокими энергиями.

В Академии наук СССР была создана комиссия по урановой проблеме во главе с директором Радиевого института академиком В. Г. Хлопиным. Правительством было принято решение построить в Физико-техническом институте новый, более совершенный циклотрон. 21 июня 1941 г. в советских газетах было опубликовано сообщение, что работа над циклотроном близка к завершению. Его планировали запустить в 1942 г., но война помешала ЭТО осуществить. Строительство завершилось уже после войны в 1949-1950 гг.

Ежегодно, в 1938, 1939, 1940 гг., проводились совещания по атомному ядру. Основная тема — деление ядер. В 1939 г. на научном совещании наших физиков в московском Доме ученых обсуждалась возможность возникновения цепной реакции деления урана. Однако еще не хватало экспериментальных данных, а те, которые имелись, были еще недостаточно точны. Поэтому определенно говорить о возможности самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер было еще рановато.

На совещании физико-математического отделения АН СССР в Харькове 15 20 ноября 1939 г. по атомному ядру несколько докладов было посвящено делению урана и тория. Ю. Б. Харитон изложил проведенное с Я. Б. Зельдовичем детальное теоретическое исследование течения ценной реакции в уране на быстрых и медленных нейтронах. Они пришли к выводу, что для осуществления ценной реакции деления необходимо обогащать уран легким изотопом урана, ураном-235, что является очень трудной задачей. Однако для надежного обоснования выводов не хватало значений сечений деления на нейтронах разных энергий.

В 1940 г. ученик Курчатова Г. Н. Флеров вместе со своим студентом-дипломником К. А. Петржаком в лаборатории Физико-технического института наблюдал деление ядер урана под действием внешних нейтронов. Закончив работу, убрав источник нейтронов, они собирались уже уходить из лаборатории, но вернулись, так как не выключили прибор, детектирующий нейтроны деления. К их удивлению в отсутствии внешних нейтронов детектор продолжал считать. Деление продолжалось. Сразу пришло в голову, что эта «грязь» вызвана радиационным фоном и космическими излучением.

Чтобы исключить их влияние, пришлось провести опыты на глубине 40 м на станции метро «Динамо» в Москве. Деление в отсутствии внешних нейтронов не исчезло. Стало очевидным, что уран испытывает самопроизвольное, так называемое спонтанное деление. В Москве в ноябре 1940 г. Флёров сделал доклад об этом открытии и направил совместно с Петржаком сообщение в журнал Physical review».

Письмо было опубликовано, но никаких откликов мировой научной общественности не последовало. Не было активного обсуждения и незадолго до этого опубликованных работ Я. Б. Зельдовича и Ю. Харитона, где они впервые дали расчет цепной реакции деления урана, обогащенного легким изотопом урана, уpaном-235 с замедлителем — водой.

Уровень теоретических и экспериментальных работ советских физиков, охватывавших как деление ядра, так и цепную реакцию деления, был настолько высок, что позволил Курчатову уже весной 1940 г. заявить: «Цель реальна и жизненна». Эту мысль он повторяет в сообщении на сессии отделения физико-математических наук AН СССР 26-27 января 1940 г. На V Всесоюзной конференции по атомному ядру, где Курчатов выступает с обзорным докладом, остро встает вопрос об обращении к правительству за ассигнованием больших средств для исследовательских работ.

Становится очевидным также военное значение цепной реакции деления. В 1940 г. академик Н. Н. Семёнов, получивший Нобелевскую премию за исследование цепных реакций, обращается с письмом в Наркомат тяжелой промышленности о появившейся возможности создания на базе урана «фантастического» оружия, разрушительная сила которого несравненна с тем, что человечество имело ранее.

Принципиальная возможность осуществления взрывной реакции деления урана с освобождением колоссальной внутриядерной энергии привела в ужас эмигрировавших из оккупированной фашистами Европы физиков Сцилларда, Теллера, Вигнера, Вайскопфа, Ферми и других. Они покинули Европу, когда к власти пришли фашисты и в Германии и в Италии начались преследования евреев, в том числе и деятелей науки. Был страх, что немецкие физики сделают атомную бомбу.

Еще в феврале 1939 г., находясь в Нью-Йорке, Сциллард обращается ко всем ученым стран, возможных союзников в приближающейся войне, с предложением прекратить публикацию материалов по проблеме ядерного деления. Но ученых, стремящихся доказать свои приоритеты, не так-то просто удержать от публикаций.

В октябре 1939 г. президенту США Франклину Рузвельту были вручены письмо Эйнштейна и доклад Сцилларда. Письмо датировано 2 августа 1939 г. Вот выдержки из этого письма.

«Сэр... Последняя работа Э. Ферми и Л. Сцилларда, результаты которой мне сообщили в докладе, привели меня к убеждению, что уран достаточно быстро может стать новым, важным источником энергии в самое ближайшее время... Это новое явление может также привести к созданию бомбы... Я знаю, что Германия прекратила продажу урана из шахт в Чехословакии. Искренне Ваш, Альберт Эйнштейн.»

Рузвельтом было решено создать Консультативный комитет по урану. Однако этот комитет слабо руководил научными исследованиями.

В марте 1940 г. Эйнштейн вновь обращает внимание президента США на то, что в Германии после начала Второй мировой войны резко возрос интерес к урану.

В это время в США продолжаются работы по урановой проблеме. Многие результаты засекречиваются. В конце 1940 г. на циклотроне Калифорнийского университета Глен Сиборг в сотрудничестве с другими учеными показал возможность превращения урана-238 под действием нейтронов в плутоний-239 и выделил несколько микрограммов этого элемента. В 1941 г. Роберт Оппенгеймер в Калифорнийском университете при определении критической массы урана получил тот же результат, что и Чэдвик в 1940 г. Он также установил, что критическая масса плутония меньше критической массы урана.

Летом 1941 г. Рузвельт мобилизует научно-исследовательские силы. Он создает «Управление по развитию научно-исследовательских работ» во главе с Ванневаром Бушем.

С началом Великой Отечественной войны в Советском Союзе работы по делению урана фактически прекратились. Пустели лаборатории и институты. Все ценное оборудование упаковывалось и отправлялось в тыл. Сотрудники, даже освобожденные от мобилизации на фронт, записывались добровольцами в ополчение. Ушли в действующую армию Флёров и Петржак. И. В. Курчатов вместе с А. П. Александровым на Черноморском флоте занимается размагничиванием кораблей.

Международное содружество ученых распалось. Обмен информацией прекратился. В США началась напряженная работа над созданием атомного оружия. С некоторым отставанием, несмотря на тяжелую войну, начались работы и в Советском Союзе. Каждый сохранял свои работы в строжайшей тайне.

Теперь историю создания ядерного оружия следует рассматривать отдельно в каждой из стран. Начнем с инициатора разработки США, единственного в мире государства, применившего ядерное оружие по живым целям.