Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями

Отто Фриш

Мы знали, что мир уже не будет прежним. Несколько человек смеялись, несколько человек плакали. Большинство молчали. Я вспомнил строку из священной книги индуизма, Бхагавадгиты; Вишну пытается уговорить Принца, что тот должен выполнять свой долг, и, чтобы впечатлить его, принимает свое многорукое обличье и говорит: «Я – Смерть, великий разрушитель миров…» Эти слова Роберт Оппенгеймер произнес после того, как ядерные бомбы стерли с лица Земли Хиросиму и Нагасаки. Две бомбы, получившие имена «Малыш» и «Толстяк», стали результатом длительной работы «Манхэттенского проекта». Группа лучших ученых мира под руководством Роберта Оппенгеймера в течение нескольких лет трудилась над созданием самого мощного и опасного оружия в мире. Статьи, посвященные работе в составе «Манхэттенского проекта», и составили книгу, которую вы держите в руках.

Дж. Уилер

Механизм деления ядер

В первых числах января 1939 г. шведско-американский лайнер «Дротнингхольм» шел, пересекая бурное море, из Копенгагена в Нью-Йорк. На его борту находился Нильс Бор, который вез короткое сообщение, приведшее к тому, что центр ядерных исследований переместился из Европы, где в эти годы, совпавшие по времени с правлением Гитлера, были сделаны первые открытия в области ядерной физики, в США.

Хотя проведение этих исследований привело к роковым последствиям как для США, так и для остального мира, сам процесс передачи этого конкретного сообщения был прост: несколько слов, сказанных Отто Фришем Нильсу Бору на пристани в Копенгагене, и несколько слов, сказанных в нью-йоркском порту Энрико Ферми и мне Нильсом Бором.

На правах младшего участника всех событий, имевших место сразу же после этого и в последующие месяцы, я расскажу о той деятельности, которая привела к опубликованию в журнале «Physical Review» статьи, написанной Нильсом Бором и мной. В этой статье приводились некоторые мысли по поводу сообщения о делении ядер, была рассмотрена капельная модель ядра, которую Фриш применил для объяснения механизма деления и определения фактора упаковки, который учитывала Лизе Мейтнер, делая первые оценки энергии, освобождающейся при делении.

В то время никому не удалось при рассмотрении этого нового процесса использовать все свои знания ядерной физики и правильно интерпретировать это явление. К счастью, уже появились основные идеи, без которых нельзя было найти решение этой проблемы. Пожалуй, здесь уместно будет напомнить, как развивалась ядерная физика в предшествовавшие шесть лет.

Ключи к разгадке

1932 г. был плодотворным для многих физиков. В то время я только что получил докторскую степень. В этом году был открыт нейтрон и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Такие открытия позволяли надеяться, что скоро мы будем знать ядро так же хорошо, как атом. Эта воодушевляющая картина ободряла многих молодых людей и меня в их числе. 1933–1934 гг. я проработал у Грегори Брейта, который оказал на меня большое влияние. В эти дни как он, так и вся его группа интуитивно придерживались следующей модели ядра: нейтроны и протоны двигались в общем самосогласованном поле, аналогичном электрическому полю атома. Принятая нами модель была не только «недоработанной», она была во многом неясной. Ни один из нас, особенно Брейт с его осторожностью и проницательностью, не был ее догматическим приверженцем. Поэтому он всегда был готов считать, что в ядре могут находиться не только нейтроны и протоны, но и α-частицы. Такую точку зрения, казалась, можно было применить при рассмотрении некоторых реакций. Брейт уделял особое внимание расширению исследований, минимально зависящих от модельных представлений. Поэтому многие работы нашей группы были посвящены проникновению в ядро заряженных частиц и изучению зависимости сечений ядерных реакций от энергии. Большое внимание было уделено рассмотрению процессов рассеяния на основе фазового анализа.

По рекомендации Брейта я провел следующий год в Копенгагене в институте Нильса Бора. Здесь я приступил к изучению многих новых идей. По-моему, в ядерной физике в то время не было ничего более значительного, чем сообщение Мёллера, привезенное им весной 1935 г. после краткого визита в Рим на пасху. Он рассказывал об экспериментах Ферми с медленными нейтронами и об открытых им удивительных резонансах. Все проведенные ранее оценки показывали, что частица, проходящая через ядро, имеет чрезвычайно малую вероятность поглотиться ядром или потерять энергию на излучение, если считать верной принятую тогда модель ядра. Однако результаты опытов Ферми оказались диаметрально противоположными предсказаниям этой модели. Они установили наличие огромного сечения и резонансов, которые никак не удавалось объяснить.

Понадобилось несколько недель для того, чтобы проанализировать основные, наиболее важные результаты этого открытия. Оно произвело на всех большое впечатление, но никто не был так заинтересован, как Бор, который всюду устраивал обсуждения и был самым активным участником дискуссий.

Капельная модель ядра

История создания капельной модели и модели составного ядра хорошо известна. Но менее ясно и далеко не очевидно, чем в то время эти идеи отличались друг от друга; основным содержанием модели составного ядра было предположение, что судьба составного ядра не зависит от механизма, приведшего к его образованию; капельная модель является, так сказать, частным случаем модели составного ядра, подтверждающим целесообразность такой модели. Бор предположил, что средняя длина свободного пробега нуклона мала по сравнению с размерами ядра, тогда как, согласно всем предыдущим оценкам, она должна была быть больше. Эта новая идея сделала капельную модель ядра чрезвычайно привлекательной. Никто, оглядываясь назад, не может даже с теперешней выигрышной позиции не выразить удивления по поводу «самой большой случайности в ядерной физике» — того обстоятельства, что средняя длина свободного пробега частиц в ядре оказалась ни чрезвычайно малой по сравнению с размерами ядра (предположение модели составного ядра), ни чрезмерно большой (как предполагалось в ранних моделях), а занимает промежуточное положение. Более того, все удивительные свойства физики ядра очень сильно зависят от величины этого параметра. Не так давно Оге Бор и Бен Моттельсон показали, что даже сколь угодно точное знание этого параметра не дает возможности определить тот из многих альтернативных режимов, по которому пойдет реакция. Только наблюдения могут ответить на этот вопрос.

Имея так мало сведений об этих определяющих параметрах, как это было в 1935 г., и почти не подозревая об их высокой критичности, не оставалось ничего другого, как использование «на всю мощь» предположения о малости длины свободного пробега.

В трудах Фрица Калькара и Нильса Бора 1935–1937 гг. капельная модель получила свое дальнейшее развитие. Они использовали ее для расчета целого ряда процессов. В этом случае основным является предположение о составном ядре, т. е. концепция о двух совершенно независимых стадиях ядерной реакции. На первой стадии частица, попавшая в ядро, переводит его в возбужденное состояние; затем ядро возвращается в основное состояние, испустив γ-квант, нейтрон, α-частицу или при помощи какого-нибудь другого конкурирующего процесса.

Бор привозит новости

Сообщение Фриша, полученное Бором перед отъездом из Копенгагена, открыло перед ним новую область применения модели составного ядра. Ко времени своего приезда в Нью-Йорк Бор уже знал, что деление ядер является еще одним конкурирующим процессом наряду с переизлучением нейтрона и испусканием γ-лучей. Через четыре дня после приезда Бор с Розенфельдом окончили статью, в которой содержалась общая картина деления, для объяснения которого использовались понятия об образовании и распаде составного ядра. В течение нескольких месяцев Розенфельд совместно с Бором работал в Принстоне над проблемой измерений в квантовой электродинамике. За это время Бор прочел по этому вопросу не больше шести лекций. Тем не менее эта и многие другие проблемы отнимали у него много времени. Перед входом в его кабинет был вывешен длинный перечень неотложных дел и список лиц, с которыми надо что-то обсудить. При такой занятости легко понять радость Бора, когда он заходил в мой кабинет, чтобы поговорить о выполнявшейся в данное время работе. Мы пытались детально разобраться в механизме деления и для начала проанализировать потенциальный барьер, препятствующий делению, и выяснить, чем определяется его высота.

Прежде всего нами было выдвинуто предположение о наличии порога или барьера. Как можно было согласовать существование барьера с моделью капли?

Разве идеальная жидкость не может быть разделена на сколь угодно мелкие капли? Может ли энергия возбуждения, необходимая для того, чтобы ядро, находящееся в исходном состоянии, распалось на две части, быть произвольно малой? Ответить на эти вопросы нам помогло вариационное исчисление, теория максимумов, минимумов и критических точек. Достижения этой отрасли математики мы «осмотически» поглотили из окружающей нас среды, которая была наполнена в течение ряда лет идеями и результатами Мастона Морса. Стало ясно, что нами найдено конфигурационное пространство, совокупность точек которого описывает деформацию ядра. В этом конфигурационном пространстве можно определить различные траектории, идущие от основного состояния, когда ядро по своей форме близко к сфере, проходящие через барьер и приводящие к распавшемуся ядру. На каждой из этих траекторий энергия деформации достигает своего максимального значения. Величина максимума неодинакова для разных траекторий, образующих в этом пространстве особую точку типа «седла». Наименьший из этих максимумов определяет высоту седловой точки, т. е. порог деления или энергию активации при делении ядра.

Пока мы оценивали высоту барьера и освобождавшуюся энергию для различных типов деления, приближался день открытия пятой ежегодной конференции по теоретической физике, которая должна была начаться в Вашингтоне 26 января. Бор чувствовал свою ответственность перед Фришем и Мейтнер и, как принято в научном мире, считал, что нельзя в настоящее время ни словом обмолвиться об их предположениях и успехах до тех пор, пока им самим не представится удобный случай для публикации. Несмотря на это, Розенфельд вначале не оценил всех затруднений и сложностей в позиции Бора. В день прибытия Бора в США Розенфельд выехал поездом в Принстон. (У Бора в этот день были некоторые дела в Нью-Йорке.) Сообщение о новом открытии, сделанное Розенфельдом в клубе журналистов (открытый по понедельникам вечерний клуб), вызвало всеобщее возбуждение. Исидор И. Раби, присутствовавший там, привез эти новости к себе в штат Колумбию, где Джон Даннинг решил немедленно поставить эксперимент. Тем не менее даже 26 января Бор не хотел говорить об открытии Фриша и Мейтнер до тех пор, пока не получил сообщение о том, что эти результаты уже опубликованы. К счастью, днем ему передали выпуск «Naturwissenschaften», в котором была работа Гана и Фрица Штрассмана; теперь он мог об этом говорить. Сразу же начались новые опыты. Сообщение о первом прямом доказательстве существования деления ядер появилось в газетах 29 января.

Создание теории

В основе анализа деления лежала капельная модель, которая возвращала Бора к его излюбленной теме. Первая студенческая работа Бора была посвящена экспериментальному исследованию неустойчивости водяной струи при дроблении ее на мелкие капли. Ему была хорошо известна работа Джона У. Стрэтта, третьего лорда Рэлея. Эта работа являлась отправной точкой для нашего анализа. Однако у нас получились члены более высокого порядка, чем в вычислениях Рэлея, поскольку мы не ограничивались чисто параболической частью ядерного потенциала, т. е. той частью, которая квадратично растет с увеличением деформации. Мы рассмотрели члены третьего порядка с целью определить точку максимума у потенциала. Это дало нам возможность оценить высоту потенциального барьера по крайней мере для тех ядер, заряд которых был достаточно близок к критическому значению, соответствующему немедленному делению.

При этом нами было установлено, что вся проблема сводится к определению зависимости функции f от одной безразмерной переменной х. Этот «параметр делимости» определяется отношением квадрата заряда ядра к его массе. Величина этого параметра равна единице для неустойчивых ядер сферической формы. Для значений, близких к единице, пользуются разложением в степенной ряд около x = 1, что позволяет оценить высоту барьера. Действительно, вычисление первых двух членов разложения по степеням (1 − x) дает высоту барьера. Можно проанализировать и противоположный предельный случай. В этом пределе заряд ядра так мал, что высота барьера почти целиком определяется силами поверхностного натяжения. Ролью кулоновских сил при распаде можно пренебречь. Эти два случая (разложение в степенной ряд около точек x = 0 и x = 1) весьма сильно отличаются друг от друга. Мы понимали, что потребуется очень большая работа для того, чтобы определить свойства потенциального барьера в промежуточной области. Поэтому мы просто ограничились интерполяцией между этими двумя предельными случаями. В течение последующих 28 лет во многих работах было проведено весьма большое число вычислений, определяющих топографию энергии деформации в конфигурационном пространстве. Мы пока еще далеки от завершения этого анализа.

Здесь особенно интересно отметить ту осторожность, с которой Бор воспринял эту формулу. Он заходил к нам чуть ли не каждый день, и мы сидели, быть может, до полудня, пытаясь подойти к этому вопросу то с одной стороны, то с другой. Но его чрезвычайная осторожность проявилась особенно ярко, когда мы хотели определить число уровней в промежуточном состоянии. В наши дни эта величина носит название «числа каналов», и мы использовали ее в формуле для скорости деления, полученной с помощью теории многоканальных реакций. Кроме того, мы применили аналогичные соображения для описания других ядерных реакций. Но в то время мысль о том, что каждый отдельный канал может быть в принципе экспериментально наблюдаем, не казалась нам достаточно убедительной. Еще более сомнительным мы считали то, что каждый канал может характеризоваться своим отличным от других угловым распределением, из которого удастся определения ядер были весьма полезны. И только более поздние работы Бора помогли нам разобраться в этом вопросе. Процитируем фразу, в которой мы осторожно говорим о числе каналов: «Следует заметить, что специфические квантовомеханические эффекты, которые начинаются при энергии, меньшей или равной критической энергии деления, могут даже оказать свое влияние при энергиях, несколько бóльших критической, и вызвать слабые осцилляции в начале кривой выхода, что, возможно, допускает прямое определение числа каналов». Теперь-то мы знаем, что позже, в 50-х годах, эти отклонения были найдены Ламфером и Грином, а также другими авторами, и это привело к непосредственному измерению числа каналов.

Торжество Бора

Важнейшая часть принстонского периода деятельности Бора относится к тому времени, когда я не был непосредственно связан с Бором. Однажды снежным утром Бор шел пешком от Нассау-клуба до своего кабинета в Файн-Холле. После разговора за завтраком с Плачеком, который относился весьма скептически к соображениям о делении ядер, Бор с удвоенной энергией начал искать объяснения необычной зависимости сечения деления от энергии нейтрона. Во время прогулки он пришел к заключению, что деление U²³⁵ вызвано медленными нейтронами, а U²³⁸ — быстрыми. К моменту прихода в Файн-Холл, где собрались Плачек, Розенфельд и я, он был готов изложить эту идею на доске. Согласно предложенной им концепции, ядро U²³⁸ не испытывает деления как под действием тепловых нейтронов, так и при облучении нейтронами промежуточных энергий; эффективными оказывались нейтроны с энергией в миллион электронвольт или больше. Кроме того, наблюдавшееся при более низких энергиях деление происходило по той причине, что имеется U²³⁵, а сечение захвата нейтрона в этой области энергий обратно пропорционально скорости (~1/v). Нам уже были известны экспериментальные данные о резонансном захвате нейтронов промежуточных энергий. С помощью простых соображений мы смогли показать, что к резонансным реакциям урана с нейтронами U²³⁵не имеет никакого отношения. Мы пришли к такому заключению, так как было известно, что резонансное сечение превышает теоретический предел, равный квадрату длины волны, если U²³⁸является ответственным за резонансный эффект. Таким образам, резонанс был обусловлен U²³⁸, а сам по себе факт, что резонансные нейтроны не вызывают деления, доказывал, что U²³⁸не мог делиться под действием нейтронов такой малой энергии. Таким образом, если деление не происходило при такой энергии, оно и подавно не произошло бы при более низких энергиях; следовательно, при низких энергиях происходило деление ядра U²³⁵.

Несколькими днями позже, 16 апреля, Плачек, Вигнер, Розенфельд, Бор, я и другие обсуждали вопрос о том, возможно ли создание ядерной взрывчатки. Мысли о возможности отделения U²³⁵в то время казались столь преждевременными, что я не могу забыть слов Бора, сказанных по этому поводу: «Нужно мобилизовать силы всей страны, чтобы сделать бомбу». Он не мог предвидеть, что на самом деле для достижения этой цели понадобятся усилия тысяч людей, приехавших из трех стран.

С помощью теории стало возможным предсказать в общих чертах зависимость сечения деления от энергии. Одновременно с нашей работой по созданию теории в пальмерской физической лаборатории Рудольф Лиденберг, Джеймс Кэннер, Гейнц Г. Баршалл и Ван-Вурис измерили сечение для урана и тория в области от 2 до 3 МэВ; оказалось, что поведение сечения следует предсказаниям теории. Безусловно, что те же самые соображения можно было использовать для предсказания о делении плутония-239. Этим особенно активно занимался Луис А. Тёрнер. Он положил начало направлению, неизбежно ведущему к гигантскому плутониевому проекту, хотя на первых порах он руководствовался только теоретическими оценками.

Спонтанное деление являлось наиболее привлекательным приложением этих идей в сочетании с гипотезой о проникновении через потенциальный барьер. Другое приложение касалось разницы между быстрыми нейтронами и вторичными нейтронами. В заключение надо отметить, что деление ядра является процессом, отличным от всех других процессов, с которыми мы имели дело раньше в ядерной физике. Это отличие состоит в том, что в процессе деления превращение ядра носит коллективный характер. В этом смысле деление открыло дверь для развития в послевоенные годы коллективной модели ядра.

Принстон, США