90 лет назад Лео Силард открыл цепную реакцию

Сто лет назад, в сентябре 1933 года, Лео Силарду пришла в голову идея цепной ядерной реакции. Рассказываем непростую историю одного из создателей атомной бомбы и самых активных борцов за ядерное разоружение.

Ядерная физика зародилась в самом конце XIX века и развивалась с головокружительной скоростью. Перечислим лишь несколько самых важных достижений. В 1896 году Анри Беккерель открыл радиоактивность, а уже через год Джозеф Томсон выделил первую элементарную частицу — электрон. На рубеже веков были обнаружены новые химические элементы — радий, актиний, полоний — и их превращения при радиоактивном распаде. Физики бились над строением атома, предлагая одну модель за другой.

Архитекторы ядра

В 1911 году Эрнест Резерфорд, обобщив результаты многих экспериментов, создал ядерную модель атома. По Резерфорду, атом имеет положительно заряженное ядро, занимающее примерно триллионную долю объема атома. Вокруг него, как планеты вокруг Солнца, кружат электроны. Позже оказалось, что движение электронов намного сложнее, и для его описания потребовалось создать квантовую механику. В 1914 году Резерфорд открыл протон и доказал, что тот является ядром атома водорода.

Измерения показывали, что масса и заряд атомных ядер пропорциональны массе и заряду протона. Например, ядро гелия заряжено как два протона, а весит как четыре. Сам собой напрашивался вывод, что ядро состоит из протонов. Но почему тогда масса и заряд ядра, измеренные «в протонах», не совпадают между собой? Кроме того, положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга. Они должны сразу же разлететься, разорвав ядро на части. Почему же этого не происходит?

Некоторое время ученые полагали, что ядро состоит из протонов и электронов — единственных известных на тот момент элементарных частиц. По этой модели, в ядре гелия четыре протона и два электрона. Масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой протона, так что неудивительно, что ядро весит как четыре протона. С другой стороны, заряд электрона равен заряду протона, но он не положительный, а отрицательный. Два отрицательных заряда компенсируют два положительных. Остаются еще два — как раз заряд ядра гелия. Наконец, притяжение отрицательно заряженных электронов скрепляет протоны, не давая отталкиванию положительных зарядов разорвать ядро.

Это была красивая модель. Но измерения спина (момента импульса) ядра не оставили от нее камня на камне. Вопрос о составе ядра на десятилетия повис в воздухе.

Между тем открытия продолжались. В 1919 году все тот же Резерфорд открыл, что при столкновении ядра азота (заряд 7 протонов) с ядром гелия (заряд 2) образуется протон (заряд 1). Электрический заряд не исчезает в никуда, так что физик заключил, что азот при этом превращается в кислород (заряд 8). Это была первая искусственная ядерная реакция.

Теперь ученые могли не только пассивно наблюдать поведение ядер, но и экспериментировать над ними. Разумеется, они сполна воспользовались этой возможностью. Среди многих важных открытий выделим эксперимент Джеймса Чедвика. В 1932 году он открыл нейтрон — частицу, практически равную по массе протону, но не имеющую электрического заряда.

В том же году Дмитрий Дмитриевич Иваненко и независимо от него Вернер Гейзенберг предположили, что ядро состоит из протонов и нейтронов, а электронов в нем нет. Нейтроны притягиваются к протонам особыми ядерными силами, скрепляя их между собой. Заряд ядра равен числу протонов, а масса — суммарному числу протонов и нейтронов. Так, в упомянутом выше ядре гелия два протона и два нейтрона. Сегодня это уже не остроумная модель, а неоспоримый факт.

Мало кто тогда мог предполагать, как изменит историю это блестящее открытие. Но нашелся человек, который понял это почти сразу. Его звали Лео Силард.

Ученик Эйнштейна

Лео Силард (в другом написании Сцилард) родился в Будапеште в 1898 году. В 1922-м он окончил Берлинский технический университет и влился в плеяду блестящих немецких физиков. Уже через несколько лет, работая под руководством Эйнштейна, молодой ученый стал одним из основоположников статистической термодинамики. В начале 1930-х годов исследователь переключился на бурно развивавшуюся ядерную физику.

В 1933 году, после прихода к власти Гитлера, Силард был вынужден эмигрировать в Великобританию. Выживая из страны ученых «не той» национальности, нацисты добровольно отдавали лучшие умы Германии своим будущим военным противникам. Эта недальновидность — одна из причин, по которым гитлеровцы так и не успели создать атомную бомбу. Впрочем, в начале 1930-х мало кто задумывался о ядерном оружии.

Между тем Герберт Уэллс еще в 1914 году в романе «Освобожденный мир» описал бомбы, использующие атомную энергию. Конечно, фантаст ошибся во многих деталях. «Ядерный взрыв» продолжался у него несколько дней и основывался на радиоактивном распаде, а не на делении ядер, о котором писатель не мог знать. Но разрушительная сила атомных бомб, способных стереть с лица земли целый город, была угадана верно. Силард прочел этот роман в 1932 году и был глубоко впечатлен. Через год он придумал цепную реакцию.

Патент на цепную реакцию

Все началось с публичной лекции, прочитанной Резерфордом 11 сентября 1933 года. Простуда помешала Силарду посетить ее, и на следующий день ученый прочел выступление мэтра в «Таймс». Первооткрыватель атомного ядра скептически отзывался о перспективах извлечения из него энергии: «Это был бы очень плохой и неэффективный способ производства энергии, и любой, кто ищет источник энергии в преобразовании атомов, говорит ерунду».

Логику ученого легко понять. Чтобы инициировать ядерную реакцию, нужно попасть в ядро частицей. Резерфорд говорил не о каких-то абстрактных частицах, а о протонах. Они положительно заряжены, поэтому отталкиваются ядром. Протоны нужно разгонять, чтобы они преодолели отталкивающую силу и все-таки проникли в ядро. В том же докладе корифей с гордостью сообщал, что в будущем для ускорения протонов перед ядерной реакцией будет достаточно напряжения «всего» в десятки тысяч вольт. На поддержание такого электрического поля, разумеется, тратится энергия. И эти затраты едва ли можно окупить энергией, выделяющейся в инициируемых реакциях. Ведь последнюю еще нужно собрать и преобразовать в удобную форму, и все это с неизбежными потерями.

Трудно сказать, осознавал ли Резерфорд в 1933 году, насколько меняют ситуацию только что открытые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда. Следовательно, он не отталкивается ядром и проникает в него без разгона. Уже в 1934 году Энрико Ферми стал систематически бомбардировать атомы нейтронами. Этот метод переняли и другие физики. Таким путем было получено множество новых для науки изотопов. Но в сентябре 1933 года все это было впереди. К тому же и нейтроны нужно откуда-то взять. Первооткрыватель нейтрона Чедвик бомбардировал бериллий положительно заряженными альфа-частицами. При таком способе производства нейтронов неизбежны все те же энергетические проблемы, о которых говорил Резерфорд.

Аргументы признанного светила не убедили Силарда. Новичок в ядерной физике, он обладал проницательным и дерзким умом. Неделю или две он искал лазейку в доводах Резерфорда и обнаружил ее, прогуливаясь по лондонским улицам.

В 1960 году Силард вспоминал: «Я ждал, пока переключится свет [светофора]. И когда свет сменился на зеленый и я перешел улицу, мне внезапно пришло в голову, что если бы мы могли найти элемент, который расщепляется нейтронами и испускает два нейтрона, поглощая один нейтрон, такой элемент, будучи собран в достаточно большую массу, может поддерживать цепную ядерную реакцию. В тот момент я не представлял, как можно найти такой элемент и какие потребуются эксперименты, но идея больше не покидала меня».

Это была блестящая мысль. Не нужно создавать поток нейтронов и тратить на это энергию. Достаточно дать первый толчок, и реакция сама обеспечит себя нейтронами! Поскольку на каждый поглощенный нейтрон будет испускаться два новых, число прореагировавших ядер будет расти по экспоненте — как снежный ком, как лавина. В принципе, таким путем можно извлечь энергию из всех ядер в сколь угодно большой массе активного элемента. И вот тогда-то, господин Резерфорд, мы посмотрим, кто «говорит ерунду»!

В 1934 году Силард направил в патентное ведомство Великобритании заявку с изложением своей идеи. Читавший Уэллса физик хорошо представлял себе, куда она может завести, и уведомил об этом британских военных. Он все еще «не представлял, как можно найти такой элемент». Но до нужного открытия оставались считаные годы.

Наука как изотоп

Легко говорить громкие слова о прогулке по Лондону, изменившей ход истории. Однако в 1930-х годах дань атомному ядру отдали чуть ли не все лучшие физики того времени. Невозможно представить, чтобы они дружно прошли мимо идеи цепной реакции. Тем более что на переднем фронте химии как раз изучались цепные реакции, только химические, а не ядерные. Ход истории изменил не один человек, а вся физическая мысль того времени. Наука сама похожа на придуманный Силардом элемент: впитывая одно открытие, она порождает несколько новых. Эту лавину трудно затормозить, хотя порой и стоило бы.

В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман открыли деление ядер урана. Они облучали уран нейтронами и обнаружили, что в реакции образуется несколько элементов, в том числе барий. Это стало настоящей сенсацией. Никто не мог предположить, что уран с его 92 протонами может превратиться в барий, у которого протонов всего 56. Куда могли деться целых 36 протонов? Пришлось признать, что ядерные реакции не ограничиваются испусканием частицы с небольшим зарядом или вовсе без заряда. При попадании нейтрона ядро урана раскалывается на два крупных ядра с сопоставимыми зарядами и массами.

В 1939 году Фредерик Жолио-Кюри обнаружил, что при делении урана нейтронами выделяются новые нейтроны. В том же году Нильс Бор и Джон Уилер и независимо от них Яков Ильич Френкель разработали теорию, объясняющую деление ядер.

После этого мысль о цепной реакции уже витала в воздухе. Коль скоро нейтроны делят ядра урана, создавая при этом новые нейтроны, то… Не только Силард (хотя и он тоже) понял, что к чему. К примеру, один из первых расчетов подобной реакции осуществили в 1939–1940 годах Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон.

Разрушители миров

Вскоре все работы по цепным реакциям были засекречены во всех странах, где они велись. И было отчего. В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. В том числе такая, как взрыв тротила или аммонала. Теперь уже никакие предвидения Уэллса не требовались, чтобы сложить два и два, а уж физики знают толк в арифметике.

Конечно, реальная мощность атомных бомб по многим причинам оказалась на порядки меньше. Но сгоревших заживо жителей Хиросимы и Нагасаки едва ли утешила бы мысль, что на них сбросили «всего» несколько килотонн, а не многие мегатонны.

Лео Силард, в 1939 году переехавший в США, стоял у истоков «Манхэттенского проекта». Под руководством Ферми он вместе с другими талантливыми физиками определил критическую массу урана и в декабре 1942 года осуществил первую цепную реакцию. Уже 16 июля 1945 года США взорвали первую атомную бомбу на полигоне в Нью-Мексико. Роберт Оппенгеймер рассказывал, что в тот момент ему пришла на ум строчка из «Бхагавадгиты»: «Теперь я смерть, разрушитель миров».

Борьба с собственным порождением

Ни американские, ни советские ученые вовсе не были далекими от земных забот имморалистами. Их толкал вперед страх, что нацисты получат атомное оружие первыми. Несмотря на изгнание евреев, в Германии осталось немало физиков мирового класса, например, уже упомянутые Вернер Гейзенберг и Отто Ган. Жестокая ирония судьбы: наука впервые вышла на по-настоящему опасные рубежи как раз к началу самой кровопролитной войны в истории. Некогда было остановиться и подумать, стоит ли открывать ящик Пандоры. А потом было уже поздно: получившие «ядерную дубинку» политики не собирались выпускать ее из рук.

Летом 1945 года, когда исход войны был уже очевиден, Силард вместе с некоторыми другими физиками писал петиции к военному и политическому руководству США. Он просил не применять ядерное оружие или хотя бы применить его в безлюдном районе, дабы власти Японии могли оценить мощь взрыва и капитулировать без лишних жертв. После трагедии Хиросимы и Нагасаки Силард возглавил движение ученых за передачу контроля над атомной энергией от военных гражданским ведомствам.

Видя плоды «Манхэттенского проекта», ученый навсегда оставил исследования ядра и сосредоточился на биофизике. Один из несчастливых гениев, впустивших в мир ядерную смерть, он пытался найти утешение в изучении жизни. И здесь этот незаурядный ум тоже сделал несколько ярких открытий и изобретений.

Лео Силард умер в 1964 году. До конца жизни он боролся за ядерное разоружение и мирное использование атомной энергии.

Анатолий Глянцев, кандидат физико-математических наук