Путь к созданию атомной бомбы: Атомный проект Англии и США

Началом пути можно считать открытие Э. Резерфордом в 1911 году структуры атома. Бомбардируя тонкие слои различных веществ а-частицами (ядрами гелия) Резерфорд обнаружил, что их отклонения от первоначального движения разделяются на две группы: малые отклонения — их много и большие отклонения — они встречаются сравнительно редко. Он интерпретировал этот результат так: атом размером порядка 10^-8 см состоит из центрального ядра, размером порядка 10^-13 см, состоящего из протонов, и облака электронов, двигающегося вокруг ядра на расстояниях порядка 10 ⁸ см.

До открытия, сделанного Резерфордом, наиболее популярной была модель Дж.Дж. Томсона, в которой атом представлялся шариком, равномерно заполненным электронами и протонами. Структура атома была объяснена в 1924 году с созданием де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером квантовой механики, в которой энергии электронов в атоме дискретны. Другим источником, которое привело к созданию атомной бомбы, явилось явление радиоактивности открытое Анри Беккерелем в 1898 году и исследованном Мари и Пьером Кюри и Резерфордом. При радиоактивном распаде ядер вылетают ядра Не, электроны, позитроны, фотоны и нейтрино. Резерфорд назвал эти частицы — ядра Не, электроны и фотоны — а, р и у-излучением и такое название укоренилось.

В 1931 году Жолио и Ирэн Кюри добились нового прогресса в излучении радиоактивности — они обнаружили, что радиоактивность может быть получена искусственно — путем облучения различных веществ у-лучами^[1]. Но они не поняли, что в случае бериллия, искусственная радиоактивность возникает не за счет у-лучей, а за счет нейтронов. В 1932 году Кокрофт и Уолтон, облучая литий протонами с энергией 600 МэВ, добились его расщепления на две а-частицы. Это была первая ядерная реакция, созданная искусственно, путем облучения ядер протонами^[2]. Еще в 1920 году Резерфорд высказал гипотезу о существовании нейтрона, частицы с массой, близкой к протону, но с равным нулю электрическим зарядом. Тогда эти гипотеза не была воспринята. Нейтрон был открыт Чэдвиком в 1932 году. Поставив специальные опыты с излучением из бериллия, он доказал, что при облучении различных веществ энергия возникающего радиоактивного излучения в несколько раз превосходит ту, которая была бы, если на эти вещества падали у-кванты. Тем самым было сделано фундаментальное открытие — был открыт нейтрон, и стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов, т. е. исчезло противоречие между атомным номером — числом протонов в ядре и атомным весом ядра.

Впервые мысль, что, используя нейтроны, можно получить цепную ядерную реакцию, высказал Сцилард. Венгерский еврей, Сцилард, обучался и работал в Германии, но в 1933 году ввиду расистских законов в Германии, перебрался в Англию. Сцилард много размышлял о возможности цепной ядерной реакции, аналогичной той, которая была известна в химии и была открыта Семеновым. Интересен факт, как пришла в голову Сциларду эта мысль. Он стоял на перекрестке в Лондоне, ожидая зеленого сигнала светофора. И вдруг его осенило, что, если при падении нейтрона на ядро, произойдет такая ядерная реакция, при которой в среднем вылетят больше одного нейтрона, то пойдет цепная ядерная реакция.

Следующий шаг в понимании структуры атомного ядра был сделан Ферми и его сотрудниками (Амальди, Розетти, Сегре и Понтекорво) в 1934 году. Они облучали различные вещества нейтронами. Источником нейтронов была сначала смесь полония с бериллием, а затем они перешли на радон +Ве, которые давали странную вещь: результат измерения зависел от того, в каком месте стояла установка на деревянном столе или в углу комнаты. Случайно, они поставили между источником нейтроном и образцом кусок парафина и счет резко возрос. Это было удивительно. После долгих размышлений и обсуждения этого явления, Ферми сказал «Пойдемте обедать». Когда они вернулись, Ферми предложил объяснение. Парафин, в котором много водорода, сильно замедляет нейтроны в результате их столкновения с атомами водорода, а у медленных нейтронов сечение их взаимодействия значительно больше^[3]. Физическое объяснение этого явления было дано Бором в 1936 году. Бор рассматривал ядро, как состоящее из протонов и нейтронов. Когда нейтрон попадает в ядро, то ввиду сильного взаимодействия со средой, он многократно рассеивается на протонах и нейтронах внутри ядра, т. е. «запутывается"в ядре. Ясно, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше вероятность его запутывания. Так возникла боровская концепция «компаунд ядра» и теперь мы знаем, что при малых энергиях нейтронов сечение взаимодействия их с ядрами ведет себя как 1/о, где и — скорость нейтрона.

Ферми предполагал, что при поглощении нейтронов тяжелыми ядрами типа урана, возникают новые «трансурановые» элементы. Эта его точка зрения была раскритикована Ноддак (лауреат Нобелевской премии по химии 1925 года), которая доказала, что после поглощения нейтрона ядро разваливается и возникают ядра среднего атомного веса. Как показало дальнейшее развитие, оба были правы.

Деление урана нейтронами было открыто в 1938 году Ганом и Лизой Мейтнер, к которым присоединился молодой физик Штрассман.

Облучая уран нейтронами, они обнаружили много различных активностей и полагали, так же как и Ферми, что эти активности возникают от трансурановых элементов. Работали они в Институте Кайзера Вильгельма в Берлине. Мейтнер еврейка, но подданная Австрии, думала, что расистские законы её не коснутся. Но в 1938 году Гитлер захватил Австрию и присоединил её к Германии. Мейтнер пришлось бежать в Швецию. Здесь, со своим племянником Отто Фришем, хорошим физиком, доказали, что при захвате нейтрона ураном происходит деление ядра урана, а не образование трансурановых элементов и все наблюдавшиеся активности суть активности продуктов деления урана, которых очень много. Было найдено, что при делении выделяется 200 МэВ энергии. Однако, Нобелевскую премию за открытие деления урана получили только Ган и Штрассман, Мейтнер не получила, хотя ее представляли на премию Эйнштейн и Бор.

Когда известие о делении урана и большом энерговыделении дошли до Сциларда, ему представилось несомненным, что при делении урана должны образовываться нейтроны и, если их будет больше одного, то возможна цепная реакция. Но тогда может быть создана атомная бомба невероятной разрушительной силы. В письме в Британское Адмиралтейство Сцилард потребовал, чтобы его патент 1936 года, где формулировалась возможность цепной реакции, вызываемой нейтронами, был упразднен, поскольку Сцилард опасался, что его открытие станет известным немцам. Сравнивая уран с торием (в тории деление медленными нейтронами не наблюдалось) и замечая, что уран существует в виде двух изотопов ²³⁸Е/ и ²³⁵?/, а у тория есть только один изотоп ^2S2Th, т. е. в ²³²7Тг и ²³⁸17 имеется четное число нейтронов, а в ²³⁵Е/ — нечетное, Н. Бор пришел к выводу, что за деление медленными нейтронами ответственен изотоп ²³⁵[/, которого в естественном уране всего лишь 0,7%. В дальнейшем утверждение Бора, что именно изотоп 17−235 ответственен за деление медленными нейтронами было подтверждено экспериментально. Тем временем Жолио, Хальбан и Коварски опубликовали в апрельском номере 1940 г. Nature статью, где утверждалось, что при делении возникают 3,5 вторичных нейтрона. Сцилард написал им письмо, убеждая не публиковать статью, поскольку нацистская Германия может воспользоваться этим открытием для создания атомного оружия, но письмо не возымело действия.

Решающим моментом в Атомном проекте стало письмо Эйнштейна президенту США Рузвельту о возможности создания атомной бомбы, взрывная мощность которой на много порядков превосходило бы мощность обычного оружия (в делении урана выделяется ~ 200 MeV = 2 108 eV на атом, тогда как в химических реакциях, т. е. при взрыве обычных снарядов или бомб выделяемая энергия ~ 1 — 10 еУ/атом.).

Написать такое письмо Эйнштейна убедили Сцилард, Вигнер и Теллер. Письмо взялся передать лично Рузвельту Сакс, экономист и юрист, который играл видную роль в предвыборной кампании Рузвельта. Немалую роль сыграло и то, что в Европе уже началась война: Германия напала на Польшу, бомбила Варшаву, Англия и Франция объявила Германии войну. Сакс читал письма Эйнштейна и Сциларда Рузвельту вслух. Из предыдущего общения с президентом он знал, как подать содержание этих писем. Рузвельт слушал внимательно и стал действовать. Он распорядился немедленно создать урановый комитет во главе с Бриггсом из физиков и представителей армии и флота и выделить ему деньги.

В Англии атомным проектом занялся Пайерлс, эмигрировавший из Германии из-за тех же расовых законов. Он вывел формулу для критической массы урана, когда процесс идет за счет быстрых нейтронов. Совместно с Фришем они нашли, что в случае изотопа ²³⁵С/ критическая масса оказывается порядка нескольких килограммов и процесс идет столь быстро, что когда два подкритических куска урана-235 сталкиваются, то они не успевают разлететься и идет цепная реакция деления.

В Германии Вернер Гейзенберг считал, что цепная реакция деления может происходить в естественном уране на медленных нейтронах, если только найти подходящий замедлитель. В качестве замедлителя годились тяжелая вода и графит, но очень чистый графит, очищенный от всяких примесей, особенно от бора, сильно поглощающего нейтроны. Немецкий экспериментатор Боте провел опыты по поглощению нейтронов и пришел к выводу, что в графите поглощение велико и графит не может быть использован в качестве замедлителя. В дальнейшем оказалось, что опыты Боте ошибочны, графит может быть использован. По-видимому у Боте был недостаточно чистый графит. Оставалась только тяжелая вода — D-zO. Тяжелая вода в то время производилась методом электролиза и на единственном заводе, расположенном на севере Норвегии, где был накоплен уже порядочный запас. Немецкая фирма попыталась купить весь этот запас. Но немцы давали низкую цену и норвежцы отказались ее продать. Жолио тоже хотел купить, и он обратился к министру вооружения Франции. Тот убедил французский банк выдать кредит и вода была куплена Францией и поступила в распоряжение Жолио. Когда Германия захватила Норвегию, завод попал в немецкие руки, но англичане дважды посылали диверсионные группы, которые уничтожали накопленные на заводе запасы тяжелой воды.

Весной 1940 г. физик из Принстона Луис Тэрнер, сравнивая деление ²³⁵С/ с отсутствием его у ^2S2Th пришел к выводу, что делиться должен трансурановый элемент 94Х ²³⁹, который получается при захвате нейтрона основным изотопом урана ²³⁸С/ с последующем двумя (3-распадами. В марте 1941 г. Кеннеди, Сегре и Сиборг в опытах на циклотроне доказали эту гипотезу экспериментально и назвали новый трансурановый элемент с атомным номером 94 плутонием (элемент с Z = 93 ранее был назван нептунием). Тот факт, что плутоний делится тепловыми нейтронами следовал из теории Бора и Уилера. С тех пор развитие атомного проекта в США шло параллельно двумя путями: выделение изотопа урана-235 и получение плутония в реакторе путем облучения нейтронами основного изотопа ²³⁸?/.

Начиная с 1941 года США и Британия объединили свои усилия и основная работа по атомному проекту была перенесена в США, поскольку Англия подвергалась германским бомбардировкам. В США переехали основные участники британского проекта: Пайерлс, Фриш, Симон (который предложил для разделения ²³⁸[/ и ²³⁵{/, продувать уран в газовой фазе — флорид урана через микропористое вещество), а также Фукс. Новые люди, до этого не участвовавшие в атомном проекте, вошли в него: Оппенгеймер, Бете, Кистяковский и другие. Решено было делать критический опыт, используя высокоочищенный графит в качестве замедлителя. Местом проведения опыта был выбран подземный зал стадиона в Чикаго. Сцилард, используя фонды, выделенные президентом Рузвельтом, договорился о поставке 400 т чистого графита, 40 т оксида урана и 6 т металлического урана. Систему предполагалось сделать гетерогенной с урановыми блоками переслоенными графитом, для того, чтобы быстрые нейтроны замедлялись в графите и уже замедлившись, падали на уран. Для регулирования реактора использовались кадмиевые стержни. Критический опыт проводил Ферми. 2-го декабря 1942 года был проведен критический опыт, реактор достиг критичности и осуществление цепной реакции в системе естественный уран-графит было доказано.

В том же 1942 году в беседе с Теллером Ферми высказал новую идею — использовать атомную бомбу для зажигания термоядерной реакции D + Т (Т-тритий) или D + D, которые происходят при более высоких температурах и бомба может быть сделана сколько угодно большой. Теллер загорелся этой идеей и начал работать.

7 декабря 1941 года японские самолеты атаковали базу американского флота в Перл Харбор на Гавайских островах. Япония вступила в войну. США одновременно объявили войну Германии.

После того как была сформулирована программа действия и стало ясно, что она осуществима были необходимы организационные формы. Атомный проект получил название «Манхэттенский». Его главой стал генерал Гровс, имевший большой инженерный опыт и назначенный военным министром. Нужно было построить новую лабораторию, большого масштаба и достаточно изолированную — ведь предстояла секретная работа. Директором новой лаборатории был назначен Оппенгеймер, блестящий физик и человек с острым умом и быстро соображающий. Гровс считал его гением хотя, например, Лоуренса, создавшего первый циклотрон и лауреата Нобелевской премии, он гением не считал. Нужно было выбрать место для новой лаборатории. Оно было выбрано в Лос-Аламосе, 35 миль к Северо-западу от Санта Фе, в весьма пустынном месте. Необходимо было построить лабораторные здания, дома для сотрудников, провести линии электропередач и линии снабжения газом, создать хорошо работающую связь и, наконец, просто провести дороги. Поскольку в новой лаборатории должно было работать значительно больше сотрудников, чем в предыдущих экспериментах, (около 10 000), нужно было организовывать их обучение новой профессии. Все это было сделано менее, чем за один-два года. Физическая задача, которую нужно было еще решить состояла в том, что оба куска урана или плутония не продетонировали до начала общего взрыва и вместе с тем не разлетались раньше взрыва, т. е. обеспечить возможно полную реакцию. Эта проблема была решена путем создания сферически симметричной имплозии, т. е. взрыва обычного вещества вокруг оболочки, окружающей ядерный заряд. Такой взрыв создавал давление внутрь и обеспечивал выполнение всех требований. В центре ядерного вещества располагался радиоактивный источник Ро + Be. Были построены заводы большой мощности по производству плутония в Ханфорде (штат Вашингтон) и диффузионные заводы по разделению изотопов урана в Ок-Ридже (штат Теннесси).

Бор по-прежнему находился в Копенгагене, оккупированном немецкими войсками. Его посетили в сентябре 1941 года Гейзенберг и фон Вейзеккер и попытались привлечь его к немецкому атомному проекту, но он отказался. Бор был наполовину еврей и по расистским законам он подлежал уничтожению. В 1943 году ему с сыном Ааге Бором удалось эмигрировать — сначала на лодке в Швецию, а затем в бомбовом люке британского бомбардировщика — в Англию. В бомбовом люке он потерял сознание, но когда самолет сел в Англии, сознание к нему вернулось. Германские репрессивные законы против евреев были введены в Дании, но датчане с помощью шведских пограничников смогли переправить почти всех, живших в Дании 7200 евреев, в Швецию. Датский король появился на улицах Копенгагена с нашитой на рукаве желтой звездой щита Давида, чего требовали расистские законы от евреев. Он не был евреем, но тем самым хотел продемонстрировать свое отношение к этим законам.

Бор поехал в Америку и посетил Лос-Аламос. Его точка зрения состояла в том, что не нужно сбрасывать атомную бомбу на населенные места, а провести испытания в безлюдном месте, пригласив представителей противника и убедить их в том, что при таком мощном оружии их поражение неизбежно. Затем атомное оружие должно быть взято под международный контроль, в котором участвовал бы и СССР. Бор излагал свою точку зрения видным политическим деятелям в США, а затем беседовал с Черчиллем. Но его точку зрения они не разделяли.

В ноябре 1943 года в Оак-Ридж вступил в строй охлаждаемый воздухом реактор для производства плутония. При этом выяснилась новая проблема: помимо плутония 239 реактор производил, но в значительно меньшем количестве Ри-240: чтобы производить Ри-239, уран-238 должен был поглотить один нейтрон, тогда как Ри-240 возникал путем захвата Ри-239 еще одного нейтрона. Однако, Ри-240 обладал значительно большей, чем Ри-239 вероятностью спонтанного деления, что могло привести к предетонации. Выход был найден в том, что продолжительность кампании по наработке Ри-239 была ограничена. Тогда вероятность поглощения дополнительного нейтрона была мала. 26 сентября 1944 года был запущен большой реактор для производства плутония. Однако реактор вскоре остановился, потерял критичность. После долгого размышления Ферми и Уилер поняли в чем дело: среди продуктов деления был йод с временем жизни 6,7 часов, который распадался на ксенон-135 (с временем жизни 9,1 часа). Хе¹³⁵ обладал колоссальным сечением поглощения нейтронов, захват нейтронов ксеноном и остановил реактор. Когда ксенон распался, реактор снова пошел. Но надо было выделить небольшое количество плутония из большой массы урана. В США были химики высокого класса (Кистяковский и другие) и химическое выделение плутония из урана прошло успешно. Одновременно в Лос-Аламос стал поступать практически чистый (95%) изотоп ²³⁵U. Наступила пора испытания бомбы. Место испытания было выбрано вблизи Аламагордо, в южной части штата Нью-Мексико. Испытание получило название Тринити. Были построены прикрытые землей бункеры с бетонным потолком. К Северу, в 6 милях от места взрыва были поставлены инструменты для наблюдения с высокоскоростными кинокамерами. В пяти милях к Югу находились помещения для наблюдателей, в 20 милях к Северо-востоку — место для VIP гостей. Одна башня была построена на предполагаемом месте взрыва, другая в 700 метрах от него, высотой около 6 м. Взрыв предполагалось фотографировать, использовать сейсмографы, регистрировать давление, оптические и ядерные эффекты. Два танка, прикрытые свинцом и герметизированные также стояли наготове. Бомба была из плутония. Взрыв Тринити произошел в 5.30 16 июля 1945 г. Сила взрыва была, по оценкам Ферми, свыше 10 Кт тринитротолуола, по более поздним и точным оценкам 18,6 Кт.

6 августа 1945 года на Хиросиму была сброшена бомба из 17−235, жертвами ее стали 200 тысяч человек, 9 августа плутониевая бомба была сброшена на Нагасаки, число жертв — 70 тысяч человек. Война окончилась. 14 августа выступая по радио, император принял Потсдамскую декларацию, т. е. признал безоговорочную капитуляцию Японии.

• [1] В 1927 году они поженились и в 1929 году Жолио принял фамилию Жолио-Кюри, супруги стали именоваться Жолио-Кюри.
• [2] Идея этого эксперимента была подсказана Гамовым.
• [3] Сечение — термин, широко используемый в физике — величинаразмерности площади, пропорциональная вероятности данного процесса.