Предисловие

Рассказ о том, как объединенными усилиями многих организаций была создана в Америке атомная бомба, представляет собой увлекательный, но сугубо научный отчет. Разумеется, в данное время этот отчет не может быть написан со всеми подробностями по соображениям военной безопасности. Однако, нет причин, по которым историю административно-организационных мероприятий по изготовлению атомной бомбы и основные научные представления, послужившие фундаментом для различных практических выводов, нельзя было бы сделать достоянием широкой публики. Для этого и издается отчет профессора Т. Д. Смита.

В этой книге содержатся все научные данные, опубликование которых не может нарушить интересы национальной безопасности. К частным лицам или организациям, участвовавшим прямо или косвенно в осуществлении проекта, обращаться с просьбами о сообщении дополнительных сведений не следует. Лица, разглашающие или собирающие любым способом дополнительные данные, подлежат суровым наказаниям, предусмотренным законом о шпионаже.

Работа увенчалась успехом благодаря усилиям многих тысяч ученых, инженеров, рабочих и руководящего персонала, чей упорный труд, молчаливая настойчивость и товарищеское сотрудничество сделали возможными описанные ниже беспримерные технические достижения.

Военное Министерство

Вашингтон

Август 1945 г.

Л. Р. Гроувз

Генерал-майор США

От автора

Ответственность за нашу национальную политику лежит, в конечном счете, на наших гражданах, которые только тогда могут сознательно выполнить свой долг, когда они достаточно формированы. От среднего гражданина невозможно ожидать ясного понимания устройства атомной бомбы или ее действия; но в нашей стране имеется значительное количество инженеров и ученых, которые могут понять такие вещи и которые могут объяснить своим согражданам возможности, скрытые в атомных бомбах. Настоящая работа предназначается для этой группы специалистов; она представляет собой основанный на фактах, общий отчет о работах по созданию атомных бомб, которые проводились в Соединенных Штатах с 1939 года. Этот доклад не является ни официальным документальным отчетом, ни научным трудом для специалистов.

Требования сохранения военной тайны отразились как на отдельных местах, так и на общих установках книги, так что множество интересных данных было опущено.

Ссылки на работы в Англии и Канаде не претендуют на полноту, так как все написанное в книге относится к деятельности, протекавшей в Соединенных Штатах Америки.

Автор надеется, что благодаря сотрудничеству всех групп, участвовавших в осуществлении проекта, настоящий отчет достаточно точен; за все ошибки, которые могли быть допущены, он принимает на себя полную ответственность.

1 июля 1945 г. Г. Д. Смит

* * *

Во втором издании внесены лишь небольшие изменения. От отчета, опубликованного 12 августа 1945 г., оно отличается следующим: 1) небольшими пояснениями в исправлениями опечаток, 2) включением параграфа о радиоактивных эффектах, разрешенного Военным Министерством в качестве дополнения к первому изданию отчета, 3) добавлением нескольких замечаний о достижениях по предотвращению вредного влияния предприятий по производству атомных бомб на здоровье окружающего населения, 4) добавлением нескольких имен, 5) добавлением Приложения 6, представляющего собой разрешенный Военным Министерством отчет об испытании атомной бомбы в Нью-Мексико 16 июля 1945 г., 6) добавлением фотоснимков и 7) добавлением указателей.

1 сентября 1945 г. Г. Д. С.

Глава I. Введение

1.1. Цель настоящего отчета дать описание научных и технических достижений в США с 1940 г., способствовавших военному применению атомной энергии. Предмет изложен здесь не в популярной форме, и книга рассчитана на научных работников и инженеров, а также на других лиц с высшим образованием, имеющих хорошую подготовку по физике и химии. Эквивалентность массы и энергии выбрана в качестве руководящего принципа при изложении основных данных Введения.

СОХРАНЕНИЕ МАССЫ И ЭНЕРГИИ

1.2. Существуют два принципа, ставшие краеугольными камнями здания современной науки. Первый принцип материя не создается и не уничтожается и лишь переходит из одного вида в другой был высказан в XVIII веке и знаком каждому изучающему химию; он известен под названием закона сохранения массы. Второй принцип энергия не создается и не уничтожается и лишь переходит из одного вида в другой появился в XIX веке и с тех пор всегда был бичом изобретателей вечного двигателя; он известен под названием закона сохранения энергии.

1.3. Эти два принципа постоянно направляли и дисциплинировали развитие науки и ее технических применений. Для нужд практики они считались неизменными и независимыми друг от друга принципами еще пять лет тому назад. Для большинства практических приложений они и до сего времени остаются такими, но, в действительности, эти два принципа являются двумя аспектами единого принципа, так как мы убедились, что вещество может иногда превращаться в энергию, и энергия в вещество. В частности, такое превращение наблюдается в процессе деления ядер урана, во время которого атомное ядро расщепляется на осколки с освобождением огромного количества энергии. Военное применение этой энергии стало целью научных и научно-технических исследований; проекты производства ее описаны в настоящем отчете.

ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ МАССЫ И ЭНЕРГИИ

1.4. Один из выводов, полученных на довольно ранней стадии развития теории относительности, состоял в том, что инертная масса движущегося тела увеличивается с возрастанием его скорости. Это означало эквивалентность изменения энергии движения тела, т. е. его кинетической энергии, и изменения его массы. Для большинства физиков-практиков и инженеров это утверждение казалось математической фикцией, лишенной практического значения. Даже Эйнштейн едва ли мог предвидеть современные приложения этого принципа, но еще в 1905 году он ясно утверждал, что масса и энергия эквивалентны, и предположил, что доказать эту эквивалентность можно было бы путем изучения радиоактивных веществ. Количество энергии Е, эквивалентное массе m, по Эйнштейну, определяется уравнением:

E = mc 2

где с есть скорость света. Это уравнение приводит к удивительным результатам. Оно показывает, что один килограмм вещества, полностью превращенного в энергию, дал бы 25 миллиардов киловатт-часов энергии. Это равно энергии, которую выработала бы вся электроэнергетическая промышленность Соединенных Штатов (при уровне производства 1939 г.) при работе в течение приблизительно двух месяцев. Сравните эту фантастическую цифру с 8,5 киловатт-часами тепловой энергии, получаемой при сжигании такого же количества угля.

1.5. Огромное число, выражающее это превращение, интересно в нескольких отношениях. Во-первых, оно объясняет, почему эквивалентность массы и энергии никогда не наблюдалась при обычном химическом сжигании. Теперь мы знаем, что при таком сжигании выделяющееся тепло соответствует некоторой массе, но эта масса так мала, что не может быть обнаружена самыми чувствительными весами, какие только существуют. (Она порядка нескольких миллиардных долей грамма на одну грамм-молекулу). Во-вторых, стало ясно, что во всех знакомых нам земных процессах никакие заметные количества вещества не превращались в энергию, так как такие большие источники энергии на земле не были известны. В-третьих, возможность вызвать превращение вещества в энергию или как-либо управлять этим превращением стала казаться весьма отдаленной. Наконец, величина самого коэффициента превращения давала благодатную почву для размышлений философам, физикам, инженерам и эстрадным комикам. В течение двадцати пяти лет эти размышления не находили экспериментальных подтверждений, но, начиная с 1930 года, такие подтверждения стали появляться в быстро растущих количествах. Прежде, чем обсуждать эти экспериментальные доказательства и практические методы частичного превращения вещества в энергию (что является нашей главной темой), мы сделаем обзор основных положений атомной и ядерной физики. При этом мы предполагаем у читателя общее знакомство с атомной природой вещества и с существованием электронов^[1].

РАДИОАКТИВНОСТЬ И СТРОЕНИЕ АТОМА

1.6. Явления радиоактивности, открытые А. Беккерелем в 1896 г. и вслед затем изучавшиеся Пьером и Марией Кюри, Э. Резерфордом и многими другими, сыграли ведущую роль в открытии общих законов строения атома и в подтверждении эквивалентности массы и энергии.

ИОНИЗАЦИЯ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

1.7. Первым из наблюдавшихся явлений радиоактивности было явление почернения фотографической пластинки под действием минералов, содержащих уран. Хотя до некоторой степени еще и сейчас пользуются этим свойством при исследовании радиоактивности, наибольшее научное значение имеет способность радиоактивных веществ ионизовать газы. Воздух и другие газы в нормальных условиях не проводят электричества иначе невозможно было бы эксплоатировать линии электропередачи и электрические машины на открытом воздухе. Однако, при некоторых условиях молекулы воздуха распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы, называемые ионами. Ионизованный таким образом воздух становится проводником электричества. Через несколько месяцев после первого открытия радиоактивности Беккерель обнаружил способность урана ионизовать воздух. В частности, он нашел, что заряд электроскопа очень быстро исчезает, вследствие ионизации воздуха, если вблизи электроскопа поместить какую-нибудь из солей урана. (То же самое произойдет с зарядом аккумулятора, если близко к нему поднести достаточное количество радиоактивного вещества). С того времени скорость разрядки электроскопа всегда служит мерой интенсивности радиоактивности. Более того, почти все современные приборы для изучения явлений радиоактивности прямо или косвенно основаны на ионизационном эффекте. Элементарное описание подобных приборов электроскопов, счетчиков Гейгера-Мюллера, ионизационных камер и камер Вильсона приведено в Приложении 1.

РАЗЛИЧНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЧАСТИЦЫ

1.8. На различия в природе «излучений» указывает тот факт, что ионизующая способность разных радиоактивных веществ различна как по своему характеру, так и по интенсивности. Некоторые излучения обладают значительно большей проникающей способностью. чем другие; следовательно, два радиоактивные образца, оказывающие одинаковое действие на неэкранированный электроскоп, могут совершенно по разному действовать на электроскоп, если он экранирован, т. е. если между электроскопом и образцом помещены экраны.

1.9. Изучение поглощения и других явлений показало, что радиоактивные вещества испускают три типа «излучений»: α -частицы, являющиеся очень быстрыми ионизованными атомами гелия (ядрами атомов гелия), β -частицы, являющиеся очень быстро движущимися электронами, и γ -лучи, представляющие собою электромагнитное излучение, подобное рентгеновским лучам. Из всех этих излучений лишь γ -лучи правильно называть излучением, но даже они со своему действию весьма напоминают частицы, благодаря своей малой длине волны. Такая «частица», или квант γ -излучения, называется фотоном, γ -лучи обладают весьма большой проникающей способностью, α - и β -лучи меньшей. Но даже несмотря на то, что α - и β -лучи обладают не очень большой проникающей способностью, кинетическая энергия их для частиц атомных размеров огромна она в тысячи раз превосходит кинетическую энергию газовых молекул, которую они имеют благодаря тепловому движению, и в тысячи раз больше, чем изменения энергии на один атом в химических реакциях. Именно по этой причине Эйнштейн предположил, что изучение радиоактивности сможет доказать эквивалентность массы и энергии.

АТОМ

1.10. Прежде чем рассматривать вопрос о том, какие атомы испускают α -, β - и γ -лучи, и обсуждать законы, управляющие этим испусканием, мы изложим общепринятые представления о строении атомов, частично основанные на изучении радиоактивности.

1.11. Согласно нашим современным взглядам, каждый атом состоит из небольшого тяжелого ядра с диаметром, примерно в 10 -12 см, окруженного большой пустой областью с диаметром 10-8 см, в которой, в некоторой степени подобно планетам вокруг солнца, движутся электроны. Ядро несет целое число положительных зарядов, каждый из которых равен 1.610 -19 кулонов. (Единицы см. в Приложении 2). Каждый электрон несет один отрицательный заряд такой же величины, а число электронов, обращающихся вокруг ядра, равно числу положительных зарядов ядра, так что заряд атома в целом равен нулю.

1.12. Атомный номер и электронная структура. Число положительных зарядов ядра называется атомным номером X. Он определяет число электронов во внеядерной структуре атома, которое, в свою очередь, определяет его химические свойства. Таким образом все атомы данного химического элемента имеют один и тот же атомный номер, и обратно, все атомы, имеющие одинаковые атомные номера, являются атомами одного и того же элемента, независимо от возможных различий в строении их ядер. Внеядерные электроны атома располагаются последовательными оболочками, согласно твердо установленным законам. Оптические спектры возникают вследствие возмущений в наружных частях этой электронной структуры; рентгеновские лучи возникают в результате возмущений электронов оболочек, близких к ядру. Химические свойства атома зависят от наиболее удаленных от ядра электронов, и образование химических соединений сопровождается незначительными перегруппировками этих электронных структур. Отсюда следует, что когда при окислении, горении, взрыве или каком-либо другом химическом процессе выделяется энергия, она выделяется за счет этих структур, так что группировка электронов в атомах, образовавшихся в результате реакции, должна иметь меньшую энергию. (Предполагают, что общая масса этих продуктов соответственно меньше, но обнаружить это пока невозможно). Атомные ядра не испытывают изменений при обычных химических реакциях.

1.13. Массовое число. Не только положительный заряд ядра всегда выражается целым числом, равным числу электронных зарядов, но и масса ядра всегда приближенно равна целому кратному основной единицы массы, почти равной массе протона ядра атома водорода (см. Приложение 2). Это целое число называют массовым числом А; оно всегда по меньшей мере вдвое больше атомного номера; исключение составляет водород и редкий изотоп гелия. Так как масса протона примерно в 1800 раз больше массы электрона, то масса ядра почти равна массе всего атома.

1.14. Изотопы и изобары. Атомы, имеющие один и тот же атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Химически они тождественны, будучи лишь разновидностями одного и того же химического элемента. Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разные атомные номера, называются изобарами и представляют собою различные химические элементы.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЯДЕРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

1.15. Если атом испускает α -частицу (которая имеет атомный номер два и массовое число четыре), то он становится атомом уже другого элемента, атомный номер которого меньше на две, а массовое число на четыре единицы. При испускании ядром β -частицы атомный номер на единицу возрастает, а массовое число остается неизменным. В некоторых случаях эти изменения сопровождаются испусканием γ -лучей. Элементы, которые самопроизвольно изменяются или «распадаются» указанным образом неустойчивы и их принято называть «радиоактивными». Это свойство испускать α - или β -частицы обнаруживают только те естественные элементы (за редкими исключениями), которые имеют очень большие атомные номера и массовые числа, например, уран, торий, радий и актиний, т. е. элементы с самым сложным строением ядер.

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА; РАДИОАКТИВНЫЕ ЯДРА

1.16. Все атомы данного радиоактивного изотопа обладают одинаковой вероятностью распада в заданный промежуток времени, так что достаточно большой образец радиоактивного вещества, содержащий многие миллионы атомов, всегда превращается или «распадается» с одной и той же скоростью. Эта скорость, с которой вещество меняется или «распадается», выражается через «период полураспада» время, необходимое для распада половины всего первоначального количества атомов; это время, очевидно, постоянно для каждой данной разновидности атомов. Периоды полураспада (или просто периоды) радиоактивных веществ лежат в интервале от долей секунды для самых неустойчивых из них до миллиардов лет для тех веществ, которые лишь слегка неустойчивы. Часто «дочернее» ядро, подобно своему радиоактивному «родителю», само является радиоактивным и распадается и т. д., пока через несколько последующих поколений ядер не образуется устойчивое ядро. Существуют три такие семейства или ряда, включающие в общей сложности около сорока разных радиоактивных веществ (рис. 1). Ряд радия начинается с одного изотопа урана, ряд актиния с другого изотопа урана и ряд тория начинается с тория. Конечными продуктами каждого ряда, образующимися после десяти или двенадцати последовательных испусканий α - и β -частиц, являются устойчивые изотопы свинца.

ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ ИСКУССТВЕННОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ЯДРА

1.17. До 1919 года никому не удавалось нарушить устойчивость обычных ядер или повлиять на скорости распада радиоактивных ядер. В 1919 г. Резерфорд показал, что α -частицы, обладающие большой энергией, способны вызвать изменения в ядре обычного

Рис. 1. Начальные участки трех естественных рядов и новые трансурановые элементы нептуний и плутоний.

элемента. В частности, ему удалось превратить несколько атомов азота, бомбардируя их α -частицами, в атомы кислорода. Процесс можно представить в таком виде:

Это символическое равенство означает, что ядро гелия с массовым числом 4 ( α -частица), сталкиваясь с ядром азота, имеющим массовое число 14, дает ядро кислорода с массовым числом 17 и ядро водорода с массовым числом 1. Ядро водорода, называемое Протоном, играет особенно важную роль, так как из всех ядер оно обладает наименьшей массой. Хотя в естественных радиоактивных процессах протоны не обнаруживаются, имеется много прямых указаний на то, что они могут быть выбиты из ядер.

НЕЙТРОН

1.18. В течение десятилетия, последовавшего за работами Резерфорда, было произведено много аналогичных экспериментов с подобными же результатами. Один ряд экспериментов этого типа привел к открытию нейтрона частицы, свойства которой будут рассмотрены подробнее, так как именно она является основой в осуществлении всего проекта.

1.19. В 1930 г. В. Боте и Г. Беккер в Германии нашли, что когда очень быстрые естественные α -частицы из полония попадали на легкие элементы бериллий, бор и литий, то последние испускали излучение необычайно большой проникающей способности. Сперва это излучение было принято за γ -излучение, хотя оно было более проникающим, чем все известные γ -лучи, и объяснить с этой точки зрения детали результатов опыта было весьма трудно. Следующий важный шаг был сделан в 1932 г. в Париже Ирен Кюри и Ф. Жолио. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или на какое-нибудь другое соединение. содержащее водород, то это вещество выбрасывает протоны, обладающие очень большой энергией. Появление быстрых протонов само по себе не противоречило предположению, что новое излучение по своей природе состоит из γ -лучей, но эту гипотезу оказывалось все труднее и труднее примирить с детальным количественным анализом экспериментальных данных. Наконец (позднее, в 1932 г.), Дж. Чэдвик в Англии произвел ряд опытов, показавших, что гипотеза γ -лучей несостоятельна. Он предположил, что в действительности новое излучение состоит из незаряженных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона, и это предположение подтвердил рядом опытов. Такие незаряженные частицы называются теперь нейтронами.

1.20. Одной из особенностей нейтронов, отличающих их от других субатомных частиц, является отсутствие у них заряда. Это свойство нейтронов, задержавшее их открытие, делает невозможным их непосредственное наблюдение и придает им большую проникающую способность. Благодаря отсутствию заряда нейтроны являются важными агентами в ядерных превращениях. Атом, разумеется, в своем нормальном состоянии также незаряжен, но он в десять тысяч раз больше нейтрона и состоит из сложной системы отрицательно заряженных электронов, расположенных на больших расстояниях вокруг положительно заряженного ядра. Заряженные частицы, например, протоны, электроны или α -частицы, и электромагнитные излучения (например, γ -лучи), проходя через вещество, теряют энергию. При этом возникают электрические взаимодействия, сопровождающиеся ионизацией атомов вещества. (Именно благодаря такому процессу ионизации воздух становится электропроводным на пути электрических искр или вспышек молнии). Энергия, затраченная на ионизацию, равна энергии, потерянной заряженными частицами, которые при этом замедляются, или γ -лучами, которые при этом поглощаются. Однако, такие силы действовать на нейтрон не могут; на него может оказывать влияние лишь сила очень близкого действия, т. е. сила, проявляющая себя только тогда, когда нейтрон подходит к атомному ядру на очень малое расстояние. Это те же силы, которые удерживают вместе составные части ядра, несмотря на силы взаимного отталкивания положительных зарядов внутри него.

Свободный нейтрон движется беспрепятственно до тех пор, пока он не испытает «лобового» столкновения с атомным ядром. Так как ядра очень малы, то такие столкновения происходят довольно редко, и до столкновения нейтрон проходит длинный путь. В случае столкновения «упругого» типа обычный закон сохранения количества движения применяется таким же образом, как и в случае упругого удара биллиардных шаров. Если масса ядра, воспринявшего удар, велика, то оно приобретает относительно малую скорость; но если удар воспринят протоном, масса которого приблизительно равна массе нейтрона, то протон полетит вперед, получив значительную часть начальной скорости нейтрона, который сам соответственно замедлится. Можно обнаружить при этом атомы отдачи, образовавшиеся в результате этих столкновений, так как они заряжены и вызывают ионизацию.

Отсутствие электрического заряда у нейтрона затрудняет не только его обнаружение, но и управление им. Заряженные частицы могут быть ускорены, замедлены или отклонены электрическим или магнитным полями; на нейтроны же последние совершенно не действуют. Свободные нейтроны могут быть получены только в результате распада атомных ядер; естественного источника их нет. Единственный способ управления свободными нейтронами поставить на их пути ядра, которые будут их замедлять и отклонять или поглощать при столкновениях. Как мы увидим, эти явления имеют величайшее практическое значение.

ПОЗИТРОН И ДЕЙТРОН

1.21. В 1932 г. был открыт не только нейтрон, но также и позитрон. Позитрон впервые наблюдался К. Д. Андерсоном в Технологическом институте в Калифорнии. Масса его равна массе электрона, заряд по абсолютной величине такой же, как и у электрона, но имеет положительный знак.

Позитрон для нас интересен лишь как частица, испускаемая искусственными радиоактивными ядрами.

1.22. 1932 год был отмечен также другим важным открытием. Г. К. Юри, Ф. Г. Брикуэдде и Дж. М. Мерфи обнаружили у водорода изотоп с массовым числом 2, содержащийся в естественном водороде в количестве 1:5000. Благодаря особому значению этого тяжелого изотопа водорода, ему дали специальное название «дейтерий», а соответствующее ядро назвали дейтроном. Подобно α -частице, дейтрон не является одной из основных частиц, но он играет важную роль в некоторых процессах, вызывающих распад ядра.

СТРОЕНИЕ ЯДРА

1.23. Все элементы состоят из нескольких основных частиц мысль уже не новая. Теперь это твердо установлено. Мы считаем, что существуют три основные частицы нейтрон, протон и электрон.

В фундаментальных работах обычно рассматривают еще позитрон, о котором мы уже упоминали, нейтрино и мезотрон. Дейтрон и α -частица о них мы уже тоже говорили являются сложными частицами, играющими важную роль.

1.24. Согласно нашим современным взглядам, ядра всех атомов состоят из нейтронов и протонов. Число протонов равно атомному номеру Z. Число нейтронов, N, равно разности между массовым числом и атомным номером, т. е. А-Z.

Существуют два вида сил, действующих на эти частицы: обычные кулоновские силы электрического отталкивания между положительными зарядами и силы притяжения между всеми частицами, действующие на очень малых расстояниях. Последние силы не вполне изучены, и мы не будем пытаться рассматривать их. Достаточно сказать, что результирующее действие этих сил притяжения и отталкивания таково, что устойчивы только некоторые комбинации нейтронов и протонов. Если число нейтронов и протонов невелико, то комбинация устойчива, когда их количества примерно равны. Для больших ядер относительное число нейтронов. необходимых для устойчивости, больше. Наконец, в конце периодической таблицы, где число протонов свыше 90 и число нейтронов около 150, не существует вполне устойчивых ядер. (Некоторые из тяжелых ядер почти устойчивы, что подтверждается их очень большими периодами полураспада). Если искусственно образовать неустойчивое ядро путем добавления лишнего нейтрона или протона, то, в конце концов, происходит превращение, приводящее к устойчивому ядру. Как ни странно, это превращение сопровождается выбрасыванием не протона или нейтрона, а позитрона или электрона; по-видимому, внутри ядра протон превращается в нейтрон и позитрон (или нейтрон превращается в протон и электрон), а легкая заряженная частица выбрасывается. Другими словами, массовое число остается тем же самым, но атомный номер меняется. Условия устойчивости не очень строги, так что для данного массового числа, т. е. для данного общего числа протонов и нейтронов, может существовать несколько устойчивых расположений протонов и нейтронов (максимум три или пять), дающих несколько изобар. Для данного атомного номера, т. е. для данного числа протонов, условия могут варьироваться в еще более широких пределах, так что некоторые из тяжелых элементов имеют десять или двенадцать устойчивых изотопов. Известно около двухсот пятидесяти различных устойчивых ядер, для которых массовое число колеблется от единицы до двухсот тридцати восьми, а атомный номер от единицы до девяносто двух.

1.25. Все высказанные нами утверждения основаны на экспериментальных данных. Теория ядерных сил пока не завершена, но на основе принципов квантовой механики она была развита настолько, чтобы с ее помощью можно было объяснить не только описанные выше наблюдения, но и более подробные эмпирические данные об искусственной радиоактивности и о различиях между ядрами с четными и нечетными массовыми числами.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

1.26. Выше мы упоминали об испускании позитронов или электронов ядрами, стремящимися к устойчивости. Испускание электронов ( β -лучей) уже было известно из изучения естественных радиоактивных веществ, но испускания позитронов для таких веществ обнаружено не было. В действительности, общие рассуждения, изложенные выше, были основаны частично на данных, которые выходят за рамки настоящего отчета. Однако, мы дадим краткое описание открытия «искусственной» радиоактивности и того, что мы о ней знаем.

1.27. В 1934 г. Кюри и Жолио сообщили о том, что некоторые легкие элементы (бор, магний, алюминий), подвергнутые бомбардировке α -частицами, в течение известного времени продолжали испускать позитроны после того, как бомбардировка была прекращена. Другими словами, в результате бомбардировки α -частицами бор, магний и алюминий становились радиоактивными. Кюри и Жолио измерили периоды полураспада радиоактивных веществ, образовавшихся под действием α -частиц; они оказались равными 14 минутам, 2,5 минутам и 3,25 минутам соответственно.

1.28. Результаты, полученные Кюри и Жолио, послужили стимулом для проведения подобных опытов во всем мире. В частности, Э. Ферми пришел к выводу, что нейтроны, благодаря отсутствию у них заряда, должны, сравнительно легко проникать и внутрь тех ядер, которые имеют высокие атомные номера и в сильной степени отталкивают протоны и α -частицы. Свое предположение он смог почти сразу подтвердить, обнаружив, что ядро атома, подвергшегося бомбардировке, захватывало нейтрон и что таким образом получалось неустойчивое ядро, которое затем приходило в устойчивое состояние путем испускания электрона. Следовательно, конечное устойчивое ядро имело массовое число на единицу выше, а также атомный номер на единицу выше, чем первоначальное ядро-мишень.

1.29. В результате множества опытов, проведенных с 1934 г. мы можем теперь получать радиоактивные изотопы почти каждого элемента периодической таблицы. Некоторые из них возвращаются к устойчивому состоянию испусканием позитронов, некоторые испусканием электронов, некоторые при помощи процесса, известного под названием захвата K-электрона, которого мы рассматривать не будем, и небольшое число ядер (вероятно три) становятся снова устойчивыми благодаря испусканию α -частицы. Всего наблюдалось примерно пятьсот неустойчивых ядерных видов, и в большинстве случаев их атомные номера и массовые числа были установлены.

1.30. Искусственные радиоактивные элементы играют важную роль не только в осуществлении всего проекта, в котором мы заинтересованы, их будущее значение в медицине, в химии «меченых атомов» и во многих других областях научно-исследовательской работы вряд ли можно переоценить.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ

ЭНЕРГИЯ ЯДЕРНЫХ СВЯЗЕЙ

1.31. При описании радиоактивности и строения атома мы умышленно умолчали о количественных данных и не упомянули о приложениях принципа эквивалентности массы и энергии, который мы провозгласили руководящим принципом настоящего отчета. Теперь пришло время сказать не только об общих принципах, но и о количественных деталях.

1.32. Мы уже говорили об устойчивых и неустойчивых ядрах, состоящих из совокупности протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Для разрушения устойчивой системы необходимо произвести работу это общий физический принцип. Так, если группа нейтронов и протонов устойчива, на разделение составляющих ее частиц должна быть затрачена энергия. Если действительно энергия и масса эквивалентны, то общая масса устойчивого ядра должна быть меньше общей массы отдельных протонов и нейтронов, которые его составляют. Эта разность масс должна быть эквивалентна энергии, необходимой для полного разрушения ядра и называемой энергией связи. Вспомним, что массы всех ядер являются «приблизительно» целыми числами; небольшие отличия от целых чисел играют большую роль.

1.33. Возьмем, например, α -частицу; она устойчива. Так как ее массовое число четыре, а атомный номер два, то она состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона 1,00758, масса нейтрона 1,00893 (см. Приложение 2), так что общая масса отдельных компонент ядра гелия равна

21,00758 + 21,00893 = 4,03302,

тогда как масса самого ядра гелия 4,00280. Пренебрегая двумя последними знаками, мы получим числа 4,033 и 4,003 с разностью в 0,030 единицы массы. Эта разность и выражает «энергию связи» протонов и нейтронов в ядре гелия. Она кажется малой, но, обращаясь к уравнению Эйнштейна, Е = mc 2, мы видим, что небольшое количество массы эквивалентно большому количеству энергии. Действительно, 0,030 единицы массы равны 4,510 -5 эрг на ядро, или 2,710 19 эрг на грамм-молекулу гелия. В единицах, более знакомых инженеру или химику, это означает, что для разрушения всех ядер атомов гелия в одном грамме гелия потребовалось бы затратить 1,6210 11 кал или 190 000 kWh энергии. Наоборот, если бы можно было свободные протоны и нейтроны сгруппировать в ядро гелия, эта энергия освободилась бы.

1.34. Очевидно, стоит изучать возможность получения энергии путем соединения протонов и нейтронов или превращения ядра одного вида в другое. Приступим теперь к обзору современных знаний об энергиях связи различных ядер.

МАССОВЫЕ СПЕКТРЫ И ЭНЕРГИИ СВЯЗИ

1.35. Определение химического атомного веса дает средний атомный вес большого числа атомов данного элемента. Если элемент обладает не одним изотопом, то химический атомный вес непропорционален массе отдельных атомов. Масс-спектрограф, построенный Ф. В. Астоном и другими на основе более раннего прибора Дж. Дж. Томсона, измеряет массы отдельных изотопов. Именно этими измерениями было доказано существование изотопов и показано, что на шкале атомных весов массы всех видов атомов очень близки к целым числам. Эти целые числа, найденные экспериментально, являются массовыми числами, которые мы определили выше и которые представляют собою суммы количеств протонов и нейтронов; их открытие значительно содействовало укреплению мысли о том, что все ядра суть комбинации нейтронов и протонов.

1.36. Результаты, полученные с помощью усовершенствованного масс-спектрографа для нескольких случаев ядерных реакций, дают точные величины энергий связи для многих видов атомов во всем диапазоне атомных масс. Эта энергия связи, В, пропорциональна разности между истинной массой ядра, М, и суммой масс всех нейтронов и протонов в ядре. Мы имеем

где M p и M n соответственно, массы протона и нейтрона, Z количество протонов, N = А — Z количество нейтронов и М истинная масса ядра. Изучение энергии связи, приходящейся на одну частицу, В/А, представляет больший интерес, чем изучение самого В. Такое изучение показывает, что, если оставить в стороне вопрос о колебаниях в легких ядрах, энергия связи на частицу имеет тенденцию к быстрому возрастанию до плоского максимума в окрестности А = 60 (никель) и затем опять к постепенному уменьшению. Очевидно, ядра в средней части периодической таблицы (ядра с массовыми числами от 40 до 100) связаны сильнее всего. В ядерных реакциях, при которых частицы результирующего ядра связаны сильнее, чем частицы первоначального ядра, энергия будет выделяться. Говоря на языке термохимии. такие реакции будут экзотермическими. Таким образом, вообще, можно получить выигрыш энергии путем комбинации легких ядер для образования более тяжелых, или путем расщепления очень тяжелых ядер на два или три меньшие осколка. Кроме того, существует несколько особых случаев экзотермических распадов ядра; это относится к первым десяти или двенадцати элементам периодической таблицы, где энергия связи на частицу изменяется неравномерно от одного элемента к другому.

1.37. До сих пор мы, как будто, нагромождали одно предположение на другое. Сперва мы приняли, что масса и энергия эквивалентны; теперь мы предполагаем, что атомные ядра можно перегруппировать с последующим уменьшением их общей массы; при этом освобождается энергия, которая может быть использована. Сейчас уместно будет поговорить о некоторых экспериментах, убедивших физиков в справедливости этих положений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ЭНЕРГИИ И МАССЫ

1.38. Как мы уже сказали, работы Резерфорда в 1919 г. по искусственному расщеплению ядер были продолжены множеством аналогичных экспериментов. Постепенное усовершенствование высоковольтной техники позволило заменить естественные α -частицы искусственно получаемыми быстрыми ионами водорода или гелия. Дж. Д. Кокрофту и Э. Т. С. Уолтону в лаборатории Резерфорда первым удалось осуществить ядерные превращения подобными методами. В 1932 г. они бомбардировали мишень лития протонами с энергией в 700 kV и обнаружили, что в результате бомбардировки из мишени выбрасывались α -частицы. Ядерную реакцию, которая при этом имела место, можно записать символически следующим образом:

где нижние индексы представляют положительные заряды ядер (атомные номера), а верхние индексы количества протонов и нейтронов в ядрах (массовые числа). Как и в химическом уравнении, сумма количеств в левой части должна быть равна сумме количеств в правой части; таким образом сумма нижних индексов 4 и сумма верхних индексов 8 для обеих частей в отдельности одна и та же.

1.39. В это уравнение не вошли ни масса, ни энергия. Ударяющий протон и результирующие α -частицы обладают каждая кинетической энергией. Масса двух α -частиц не в точности равна сумме масс протона и атома лития. Сумма массы и энергии должна оставаться постоянной до и после реакции. Массы были найдены из массовых спектров. Слева (Li 7 +H 1 ) они составили в сумме 8.0241, справа (2He 7 ) 8,0056, так что 0,0185 единицы массы в процессе реакции исчезли. Экспериментально определенные энергии α -частиц дали приблизительно 8,5 миллионов eV (электрон-вольт) каждая; в сравнении с этой величиной кинетической энергией ударяющего протона можно пренебречь. Таким образом 0,0185 единицы массы исчезло, а 17 MeV кинетической энергии появилось. Но 0,0185 единицы массы равно 3,0710 -26 г, 17 MeV равны 27,210 -6 эрг, а с равно 310 10 см/сек (см. Приложение 2). Если мы подставим эти величины в уравнение Эйнштейна, E=mc 2, то слева будем иметь 27,210 -6 эрг, а справа 27,610 -6 эрг, так что уравнение удовлетворяется с хорошим приближением. Другими словами, эти экспериментальные результаты доказывают, что эквивалентность массы и энергии правильно формулирована Эйнштейном.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

МЕТОДЫ БОМБАРДИРОВКИ ЯДЕР

1.40. Кокрофт и Уолтон получали протоны с достаточно большой энергией путем ионизации газообразного водорода и последующего ускорения ионов высоковольтной установкой с трансформатором и выпрямителем. Подобный же метод можно использовать для получения дейтронов с большой энергией из дейтерия или α -частиц с большой энергией из гелия. Более высокие значения энергии могут быть получены путем ускорения ионов в циклотронах или в генераторах Ван-де-Граафа. Однако, для получения излучения с большой энергией или что важнее всего нейтронов, в качестве источников необходимо пользоваться самими ядерными реакциями. Излучения достаточно высокой энергии испускаются некоторыми естественными радиоактивными элементами или при некоторых случаях бомбардировки. Нейтроны обычно получаются бомбардировкой бериллия или бора естественными α -частицами или бомбардировкой подходящих мишеней протонами или дейтронами. Самым обычным источником нейтронов является смесь радия и бериллия, где α -частицы радия и продуктов его распада проникают в ядра Ве *, которые затем отдают нейтроны и превращаются в устойчивые ядра С 13 (обыкновенный углерод). Для получения нейтронов часто используют удары быстро движущихся дейтронов о лед из «тяжелой» воды. Здесь дейтроны, летящие с большой скоростью, ударяют в дейтроны мишени и вызывают появление нейтронов и ядер Не 3. Применяется также полдюжина других реакций, в которых в качестве мишени участвуют дейтерий, литий, бериллий или бор. Заметим, что во всех этих реакциях общее массовое число и общее число зарядов не меняются.

1.41. Итак, агентами, оказавшимися способными вызывать ядерные реакции, являются следующие (в примерном порядке их важности); нейтроны, дейтроны, протоны, α -частицы, γ -лучи и, в редких случаях, более тяжелые частицы.

РЕЗУЛЬТАТЫ БОМБАРДИРОВКИ ЯДЕР

1.42. Большинство атомных ядер может допускать проникновение атомных частиц по меньшей мере одного типа (или γ -излучения). Каждое такое проникновение может вызвать перегруппировку ядра, во время которой выбрасывается основная частица (протон или нейтрон) или происходит излучение, либо осуществляется то и другое. Получившееся в результате ядро может оказаться одним из естественных устойчивых видов или, что более вероятно, атомом иного типа, который радиоактивен и превращается в новое ядро. Это последнее, в свою очередь, может быть радиоактивным и в этом случае опять будет распадаться. Процесс продолжается до тех пор, пока все ядра не превратятся в устойчивые. Искусственные радиоактивные вещества отличаются от естественных в двух отношениях: многие из них испускают позитроны (неизвестные в естественной радиоактивности) и очень немногие испускают α -частицы. Во всех случаях, когда производились точные измерения, была доказана эквивалентность массы и энергии и постоянство общей суммы массы-энергии. (Иногда для сохранения массы-энергии необходимо привлечь для рассмотрения нейтрино).

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

1.43. Полное описание ядерной реакции должно включать: природу, массу и энергию ударяющей частицы, затем природу (массовое число и атомный номер), массу и энергию (обычно нулевую) частицы-мишени, далее, природу, массу и энергию выброшенной частицы (или излучения) и, наконец, природу, массу и энергию остатка. Но все это редко известно, и для многих целей полное описание не является необходимым. Часто для ядерной реакции пользуются обозначением, в котором сперва обозначена мишень химическим символом и массовым числом (если оно известно), затем частица, служащая для бомбардировки в качестве снаряда, далее, частица, которая выбрасывается, и, наконец, остаток. По этой схеме нейтрон обозначается буквой n, протон буквой p, дейтрон d, α -частица α и γ -лучи γ. Таким образом радие-бериллиевая нейтронная реакция может быть записана так: Be 9 ( d, n )C 12, а дейтрон-дейтронная реакция так: Н 2 ( d, n )He 3.

ТИПЫ РЕАКЦИЙ

1.44. Рассматривая пять различных частиц ( n, p, d, α, γ ) как в качестве снарядов, так и в качестве испускаемых частиц, мы можем ожидать осуществления двадцати пяти возможных сочетаний. В действительности же дейтрон в качестве продукта реакции встречается очень редко, а фотон вызывает реакции только двух типов. Существует, однако, несколько других типов реакций, такие как ( n, 2 n ), ( d, H 2 ) и деление, которые доводят общее количество известных типов до приблизительно двадцати пяти. Стоит особо упомянуть о реакции ( n, γ ), так как она весьма важна в одном процессе, который будет нас особенно интересовать. Она часто называется реакцией радиационного захвата, так как нейтрон остается в ядре, и испускается лишь γ -излучение.

ВЕРОЯТНОСТЬ И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ

1.45. До сих пор ничего не было сказано о вероятности ядерных реакций. В действительности, вероятность меняется в широких пределах. Нет никакой гарантии того, что нейтрон или протон, направленный в ядро, проникнет внутрь него. Это зависит от ядра и от ударяющей частицы. В ядерной физике вероятность какого-нибудь события принято выражать при помощи «поперечного сечения». Статистически, центры атомов в тонком слое можно рассматривать как точки, равномерно распределенные по плоскости. Частица, направленная в атом, ударяясь в эту плоскость. имеет определенную геометрическую вероятность того. что центр ее пройдет внутри круга радиуса к с центром в какой-нибудь из этих точек. Если на площади А плоскости имеется № атомных центров, то эта вероятность есть nπr 2 /А, что является просто отношением суммарной площади всех кружков радиуса r описанных вокруг точек, ко всей площади. Если рассматривать атомы как непроницаемые стальные диски, а ударяющуюся частицу как пулю пренебрежимо малого диаметра, то это отношение есть вероятность попадания пули в какой-нибудь стальной диск, т. е. вероятность остановки атомного снаряда слоем. Если предметом измерения служит доля тех из ударяющих частиц, которые проходят сквозь слой, то полученное поперечное сечение можно назвать полным тормозным поперечным сечением атомов. Это понятие можно распространить на всякое взаимодействие между ударяющей частицей и атомами мишени. Например, вероятность того, что α -частица, попавшая в мишень-бериллий, вырвет из ядра нейтрон, можно заменить эквивалентным поперечным сечением бериллия для реакции этого типа.

1.46. В ядерной физике принято считать, что диаметры сталкивающихся частиц пренебрежимо малы. Поэтому научное определение поперечного сечения для любого ядерного процесса выражается так:

число происходящих процессов / число первоначальных частиц = (число ядер в мишени на см 2 ) × (поперечное сечение ядра в см 2 ),

Следует заметить, что это определение дано для поперечного сечения на ядро. Поперечные сечения могут быть вычислены для любого процесса, например, для захвата, рассеяния, вырывания нейтронов и т. д. Во многих случаях число частиц, испускаемых или рассеиваемых в ядерных процессах, не измеряется непосредственно; измеряют только ослабление параллельного пучка первоначальных частиц, вызванное помещением на его пути определенного вещества известной толщины. Поперечное сечение, полученное таким путем, называется полным поперечным сечением и обозначается буквой σ.

1.47. Как указывалось в параграфе 1.11, диаметр ядра имеет порядок 10 -12 см. Мы можем поэтому ожидать, что для ядерных реакций поперечные сечения будут порядка πd 2 /4 или, грубо 10 -24 см 2, и эта величина обычно служит единицей для их выражения. Фактически же наблюдаемые поперечные сечения меняются в очень широких пределах. Так, для медленных нейтронов в реакциях ( n, γ ), поперечное сечение в некоторых случаях достигает величины 100010 -24 см 2 у а для превращений, происходящих в результате поглощения γ -лучей, поперечные сечения имеют порядок 1/100010 -24 см 2.

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ В 1939 г.

НЕБОЛЬШОЙ МАСШТАБ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

1.48. Мы говорили свободно об эквивалентности массы и энергии и о ядерных реакциях, таких, например, как реакция действия протонов на литий, когда высвобождается энергия в сравнительно больших количествах. Теперь спросим себя, почему атомные силовые установки не возникли во всем мире в тридцатых годах? В конце концов, коль скоро мы можем получить 2,7610 -8 эрг из атома лития, разрушенного протоном, мы могли бы ожидать получения, примерно, полмиллиона киловатт-часов, комбинируя один грамм водорода с семью граммами лития. Это выглядит заманчивее, чем сжигание угля. Трудности заключаются здесь в получении быстрых протонов и в управлении освобождаемой энергией. Все эксперименты, о которых мы говорили, были проделаны с весьма малыми количествами веществ, которых, конечно, было достаточно много по количеству атомов, но бесконечно мало в обычных единицах массы не тонны или граммы, а миллионные доли грамма. Величина энергии, требовавшейся для выполнения эксперимента, была всегда значительно больше энергии, освобождаемой в процессе ядерной реакции.

1.49. Нейтроны весьма действенны для осуществления ядерного распада. Почему они не применялись? Если их первоначальным источником был пучок ионов, обстреливающий мишень, то имели место ограничения, разобранные в предыдущем параграфе. Если же применялся радиево-бериллиевый источник, то трудность состояла в том, что радий встречается в природе в очень малых количествах.

НЕОБХОДИМОСТЬ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

1.50. Обычные наши источники энергии, кроме солнца и воды, суть химические реакции сжигание угля и нефти. Эти реакции освобождают энергию в результате перегруппировок в внешних электронных оболочках атомов тот же процесс, который дает энергию нашему телу. Горение есть самораспространяющийся процесс; так, если зажечь спичку, то выделившегося тепла хватит для воспламенения окружающего топлива, которое выделит еще тепло, зажигающее топливо дальше, и т. д. В описанных нами выше ядерных реакциях это, вообще говоря, не так: ни выделившейся энергии, ни вновь образовавшихся частиц не достаточно для поддержания реакции. Но мы можем представить себе ядерные реакции, сопровождающиеся испусканием частиц того же вида, что и частицы, вызвавшие эти реакции, и притом в количестве, достаточном для продолжения реакции в соседних ядрах. Такая саморазвивающаяся реакция называется «цепной реакцией», и такие условия должны быть достигнуты, если энергию ядерных реакций мы желаем применять в большом масштабе.

ПЕРИОД ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.51. Хотя в тридцатых годах атомные силовые установки не были построены, было много открытий в области ядерной физики и достаточно много чисто теоретических работ. Г. Бете выдвинул теорию для объяснения образования теплоты солнца посредством цикла ядерных превращений, в которых участвуют углерод, водород, азот и кислород; этот цикл реакций в конечном счете при- водит к образованию гелия.

(Ряд постулированных реакций был такой:

Конечный результат превращение водорода в гелий и позитроны (обозначенные через 1 e 0 ) и выделение около тридцати миллионов электрон-вольт энергии.)

Теперь эта теория общепринята. Открытие нескольких ядерных реакций типа ( n, 2 n ) (т. е. реакций, которые вызываются нейтронами и сами производят нейтроны) указывало на то, что при соответствующих условиях может начаться саморазвивающаяся цепная реакция. Много было разговоров об атомной энергии; некоторые рассуждения велись также и об атомных бомбах. Но последний важный шаг в этот подготовительный период был сделан лишь после четырех лет ошибок и исканий. Некоторые талантливые физики исследовали действие бомбардировки нейтронами ядер урана, самого сложного из всех известных элементов. Результаты были поразительны, но вызвали недоумение. История их постепенного истолкования представляет собой запутанный и сугубо специальный, но увлекательный рассказ о теории и эксперименте. Оставляя в стороне ранние несостоятельные объяснения, мы сразу перейдем к окончательному объяснению, которое, как это часто бывает, сравнительно просто.

ОТКРЫТИЕ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР УРАНА

1.52. Как уже упоминалось, нейтрон оказался частицей, наиболее пригодной для осуществления ядерных превращений. Особенно это относилось к элементам с самыми высокими атомными номерами и атомными весами; у этих элементов большой заряд ядра обусловливает значительные отталкивательные силы, действующие на дейтроны или протоны, но не действующие на незаряженные нейтроны. Результаты бомбардировки урана нейтронами оказались интересными и загадочными. Изученные впервые в 1934 г. Ферми и его сотрудниками, эти результаты были правильно объяснены лишь через несколько лет.

1.53. 16 января 1939 года Нильс Бор (Копенгаген, Дания) прибыл в США, чтобы провести несколько месяцев в Принстоне (Нью-Джерси); он с нетерпением ждал случая обсудить некоторые теоретические вопросы с А. Эйнштейном. (Четыре года спустя Бор вынужден был бежать из оккупированной нацистами Дании на маленьком пароходе). Как раз перед тем, как Бор покинул Данию, двое из его сотрудников О. Р. Фриш и Л. Мейтнер (оба эмигранты из Германии) поделились с ним своей догадкой о том, что поглощение нейтрона ядром урана иногда вызывает расщепление этого ядра на две приблизительно равные части, сопровождающееся освобождением колоссальных количеств энергии; этот процесс стал вскоре называться «делением» ядра. Поводом для этой гипотезы послужило важное открытие О. Гана и Ф. Штрасмана в Германии (опубликовано в первых числах января 1939 г. в журнале Naturwissenschaften ), которые доказали, что при действии нейтронов на уран получается изотоп бария. Немедленно по приезде в Соединенные Штаты Бор сообщил эту мысль своему ученику Дж. А. Уилеру и другим в Принстоне, а от них эта новость постепенно стала известна физикам соседних городов, в частности Э. Ферми в Колумбийском университете. В результате бесед между Ферми, Дж. Р. Данингом и Дж. Б. Пеграмом, в Колумбии были предприняты поиски больших ионизационных импульсов, которых следовало ожидать от летящих осколков уранового ядра. 26 января 1939 г. в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физике, созванная Вашингтонским университетом и институтом Карнеги в Вашингтоне. Ферми покинул Нью-Йорк, чтобы принять участие в этой конференции, раньше, чем были проделаны в Колумбийском университете опыты по делению ядра.

На конференции Бор и Ферми обсуждали проблему деления, и, в частности, Ферми упомянул, что могут испускаться нейтроны. Хотя это было лишь догадкой, из нее с очевидностью вытекала возможность цепной реакции. По вопросу о делении в печати был опубликован ряд сенсационных статей. Прежде чем конференция в Вашингтоне закончилась, было предпринято несколько других экспериментов, чтобы подтвердить наличие деления ядер, и в четырех лабораториях (Колумбийский университет, Институт Карнеги в Вашингтоне, Университет Джона Гопкинса, Калифорнийский университет) это было экспериментально подтверждено, о чем сообщалось в Physical Review от 15 февраля 1939 г. К этому времени Бор узнал о том. что подобные же эксперименты были произведены в его лаборатории в Копенгагене около 15 января. (Письмо Фриша в Nature, от 16 января 1939 г., опубликованное в номере от 18 февраля). В Comptes Rendus (Париж) 30 января 1939 г. Ф. Жолио также опубликовал свои первые результаты.

С тех пор непрерывный поток научных докладов о делении ядер не прекращался, так что к тому времени, когда Тэрнер написал большую обзорную статью на эту тему (6 декабря 1939 г.), напечатанную в Reviews of Modern Physics появилось уже около сотни научных докладов. Полный анализ и обсуждение этих работ даны в статье Тэрнера и в других местах.

ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ ВОПРОСА О ДЕЛЕНИИ

1.54. Рассмотрим предположение Фриша и Мейтнер в свете двух главных закономерностей, обнаруженных в строении ядра: во-первых, относительное число нейтронов в ядре возрастает с атомным номером; во-вторых, энергия связи, отнесенная к частице, достигает максимума для ядер с промежуточными атомными номерами. Допустим, что ядро U-238 распалось точно пополам (рис. 2); тогда, пренебрегая массой первоначального нейтрона,

Рис. 2

мы получим два ядра с атомным номером 46 и массовым числом 119. Самый тяжелый устойчивый изотоп палладия (Z=46) имеет массовое число лишь 110. Следовательно, чтобы достигнуть устойчивости, два воображаемые новые ядра должны выбросить девять нейтронов, превратившись в ядра 46 Pd 110; или четыре нейтрона в каждом ядре должны превратиться в протоны, испуская электроны, тем самым образуя устойчивые ядра олова с массовым числом 119 и атомным номером 50; могут осуществиться и другие какие-либо комбинации этих испусканий и превращений, дающие некоторые новые пары устойчивых ядер. В действительности, как показали Ган и Штрасман на примере бария (Z=56, A= от 135 до 140), как продукта деления, расщепление происходит таким образом, что получаются две неравные части с массовыми числами около 140 и 90, с испусканием нескольких нейтронов и последующим радиоактивным распадом путем испускания электронов, которое не прекращается до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра. Вычисления на основании данных об энергии связи показывают, что всякая такая перегруппировка дает общую результирующую массу, значительно меньшую, чем первоначальная масса ядра урана, и таким образом должно освободиться большое количество энергии.

1.55. Очевидно, из явления деления вытекали три главные следствия: освобождение энергии, получение радиоактивных веществ и возможность нейтронной цепной реакции. Выделившаяся энергия могла обнаружиться в кинетической энергии осколков деления и в последующем радиоактивном распаде продуктов. Возможность нейтронной цепной реакции зависела от того, выбрасывались ли фактически нейтроны, что нуждалось в исследовании.

1.56. Таковы были задачи, возникшие благодаря открытию деления. О характере этих задач сообщалось в журналах в 1939 и 1940 г.г., а с тех пор результаты исследований в значительной мере сохранялись в тайне. Изучение самого процесса деления, ядер, включая получение нейтронов и быстрых осколков, выполнялось в основном физиками с помощью счетчиков, камер Вильсона и т. д. Изучение продуктов деления и определение их природы производились главным образом химиками, которым приходилось быстро разделять субмикроскопические количества веществ и совершать повторные определения периодов полураспада неустойчивых изотопов.

Резюмируем состояние научных знаний к июню 1940 года.

Основные факты о ядерном делении открыты и сделаны достоянием научного мира. Цепная реакция не осуществлена, но ее возможность по крайней мере в принципе ясна, и намечены несколько путей, которые могли бы привести к цели.

СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ В ИЮНЕ 1940 г.

ТВЕРДО УСТАНОВЛЕННЫЕ И ОБЩЕИЗВЕСТНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕЛЕНИИ

1.57. Все перечисленные ниже сведения были общеизвестны к июню 1940 г. в Соединенных Штатах и за границей:

(1) Три элемента уран, торий и протактиний при бомбардировке их нейтронами иногда расщепляются на приблизительно равные осколки, являющиеся изотопами элементов средней части периодической таблицы, от селена (Z=34) до лантана (Z=57).

(2) Большинство осколков неустойчиво; осколки претерпевают радиоактивный распад последовательным испусканием β -частиц, переходя через ряд элементов к различным устойчивым изотопам.

(3) Осколки обладают очень большой кинетической энергией.

(4) Деление тория и протактиния вызывается только быстрыми нейтронами (со скоростями порядка тысяч миль в секунду).

(5) Деление урана может быть вызвано как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами: тепловые нейтроны вызывают деление только U-235, но не U-238; быстрые нейтроны обладают меньшей вероятностью расщепить U-235, чем медленные (тепловые) нейтроны.

(6) При некоторых скоростях поперечное сечение захвата нейтронов U-238, приводящее к образованию U-239, но не к делению, велико.

(7) Энергия, освобождаемая при делении ядра урана, составляет около 200 миллионов электрон-вольт.

(8) В процессе деления выбрасываются быстрые нейтроны.

(9) Среднее количество нейтронов, испускаемых при одном делении, составляет от одного до трех.

(10) Очень быстрые нейтроны теряют энергию путем неупругих соударений с ядрами урана; при этом какие-либо ядерные реакции не происходят.

(11) Большая часть этих сведений находилась в согласии с полуэмпирической теорией строения ядра, разработанной Бором и Уилером и другими; это говорило о том, что предсказания, основанные на этой теории, должны оправдаться.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ О ДЕЛЕНИИ ПЛУТОНИЯ

1.58. Казалось вероятным, что радиационный захват нейтронов ураном-238 должен приводить, после двух последовательных β -превращений, к образованию ядра с Z=94 и А=239. Выводы из теории Бора-Уилера и некоторые эмпирические соотношения, установленные Л. А. Тэрнером и другими, подсказывали, что это ядро должно быть довольно устойчиво, испускать α -частицы и делиться при бомбардировке тепловыми нейтронами. Позднее в частных письмах и беседах стали появляться догадки о важности такого теплового деления для поддержания цепной реакции. В современных обозначениях и при существующем уровне наших знаний эта реакция запишется так:

где Np и Pu химические символы двух новых элементов, нептуния и плутония, 0 n 1 нейтрон, а -1 e 0 обычный (отрицательный) электрон. Плутоний-239, по предположению, может делиться под действием тепловых нейтронов. Это будет подробно рассмотрено в последующих главах.

ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ФИЗИКИ ЯДРА

1.59. К 1940 году ядерные реакции напряженно изучались уже свыше десяти лет. Было опубликовано несколько обзорных статей и издано несколько книг по ядерной физике. Для получения и управления частицами, которыми обстреливается ядро, для изучения искусственной радиоактивности, а также для разделения ничтожно малых количеств химических элементов, получаемых при ядерных реакциях, была разработана новая техника. Массы изотопов были точно определены. Были также измерены поперечные сечения захвата нейтронов. Были разработаны способы замедления нейтронов. Наблюдались физиологические действия нейтронов; они даже были испытаны для лечения рака. Все подобные сведения были известны всем, но они были весьма неполны. Много было еще пробелов и неточностей. Техника была слишком громоздка, а количества имеющихся веществ были ничтожно малы. Хотя основные принципы были ясны, теория изобиловала непроверенными допущениями, и производить вычисления было трудно. Предсказания, сделанные в 1940 г. разными физиками, одинаково известными и талантливыми, часто сильно расходились. Предмет исследований во многом напоминал скорее искусство, чем науку.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

1.60. Оглядываясь на 1940 год, мы видим, что все предпосылки для серьезных попыток решения проблемы производства атомных бомб и управления атомной энергией были налицо. Была доказана эквивалентность массы и энергии. Было доказано, что нейтроны, начав деление урана, сами воспроизводились при этом процессе, и что, поэтому, могла осуществиться, с силою взрыва, расходящаяся цепная реакция. Разумеется, никто не знал, можно ли будет достичь требуемых условий, но многие ученые ясно представляли себе все проблемы и возможные пути их решения. Следующая глава дает постановку задач и помогает понять достижения последних пяти лет.

Глава II. Постановка задачи

ВВЕДЕНИЕ

2.1.Со времени первых открытий, показавших, что при ядерных реакциях выделяются большие количества энергии, и до открытия деления урана, идея использования атомной энергии, или даже создания атомных бомб, время от времени обсуждалась в научных кругах. Открытие деления сделало как будто эту идею более обоснованной, но использование атомной энергии казалось все еще делом отдаленного будущего, и у многих ученых было инстинктивное чувство, что в действительности атомная энергия не сможет когда-либо быть использована. В течение 1939 и 1940 г.г. многие известные ученые в своих публичных выступлениях обращали внимание на громадное количество энергии, заключенной в уране, которую можно было бы использовать как для взрыва, так и для управляемого производства энергии; благодаря этому U-235 приобрел большую известность и стал нарицательным именем больших событий в будущем. Возможность военного применения деления урана привлекла внимание правительства США (см. гл. III). В марте 1939 г. на конференции с представителями Военно-морского министерства Ферми указал на возможность осуществления управляемой реакции при использовании медленных нейтронов и реакции взрывного характера — при использовании быстрых нейтронов. Он подчеркнул, однако, что имеющиеся данные еще недостаточны для точных предсказаний.

2.2. Летом 1940 г. появилась возможность ясно сформулировать задачу, хотя еще невозможно было ответить на отдельные конкретные вопросы или даже решить, будет ли когда-либо осуществлена цепная реакция. В настоящей главе мы осветим состояние проблемы во всей ее полноте. Для большей ясности мы используем некоторые сведения, которые на самом деле были получены позднее.

ПРОБЛЕМА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

2.3. Принцип действия атомных бомб или силовой установки, использующей деление урана, достаточно прост. Если один нейтрон вызывает деление, которое приводит к освобождению нескольких новых нейтронов, то число делений может чрезвычайно быстро возрасти с выделением огромных количеств энергии (рис. 3). Возможность такого нарастания определяется относительной вероятностью ряда процессов. Нейтроны, освобождаемые в процессе деления, могут вылететь из области пространства, занятой ураном, могут быть захвачены ураном в процессе, приводящем к делению, или же могут быть захвачены посторонними примесями. Таким образом, вопрос о том, будет или не будет развиваться цепная реакция, зависит от результата соревнования между четырьмя процессами:

(1) Вылет нейтронов из урана,(2) захват нейтронов ураном без деления,(3) захват нейтронов примесями.(4) захват нейтронов ураном с делением.

Если потеря нейтронов в первых трех процессах меньше количества нейтронов, освобождаемых в четвертом, то цепная реакция происходит; в противном случае она невозможна. Очевидно, какой-либо из первых трех процессов может иметь такую большую вероятность в данном расположении, что избыток нейтронов, освобождаемых при делении, не в состоянии обеспечить продолжение реакции. Например, в том случае, когда процесс (2) — захват ураном без деления — имеет намного большую вероятность, чем захват с делением, цепная реакция невозможна.

2.4. Дополнительная трудность заключается в том, что естественный уран состоит из трех изотопов: U-234, U-235 и U-238, содержащихся в количествах, приблизительно 0,006, 0,7 и 99,3 % соответственно. Мы уже видели, что вероятности процессов (2) и (4) различны для разных изотопов. Мы видели также, что эти вероятности различны для нейтронов, обладающих различными энергиями.

Рис. 3. Схема цепной реакции деления без учета влияния скоростей нейтронов. В взрывной реакции число нейтронов неограниченно возрастает. В управляемой реакции число нейтронов увеличивается до определенного уровня и затем остается постоянным.

Рис. 4. Схема цепной реакции деления с применением замедлителя для замедления нейтронов до скоростей, при которых они в состоянии вызывать деления.

2.5. Рассмотрим теперь ограничения, налагаемые первыми тремя процессами, и средства, при помощи которых можно уменьшить их влияние.

ВЫЛЕТ НЕЙТРОНОВ ИЗ УРАНА; КРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ

2.6. Относительное количество нейтронов, которые вылетают из урана, может быть уменьшено изменением размеров и формы. В сфере поверхностные эффекты пропорциональны квадрату, а объемные — кубу радиуса. Вылет нейтронов из урана является поверхностным эффектом, зависящим от величины поверхности; захват с делением происходит во всем объеме, занимаемом материалом, и поэтому является объемным эффектом. Чем больше количество урана, тем меньше, поэтому, вероятность того, что вылет нейтронов из объема урана будет преобладать над захватами с делением и препятствовать цепной реакции. Потеря нейтронов на захваты без деления является объемным эффектом, подобно освобождению нейтронов при захвате с делением, так что увеличение размеров не изменяет их относительной важности.

2.7. Критические размеры устройства, содержащего уран, можно определить как размеры, при которых количество освобождаемых при делении нейтронов в точности равно их потере вследствие вылета и захватов, не сопровождающихся делением. Другими словами, если размеры меньше критических, то, по определению, цепная реакция не может развиться. Принципиально уже в 1940 г. можно было определить критические размеры, однако неточность в определении необходимых для расчета постоянных была практически столь велика, что разные их оценки отличались друг от друга в очень широких пределах. Не была исключена возможность, что критические размеры могли оказаться слишком большими для практических целей. Даже сейчас оценки для проектируемых установок время от времени изменяются в некоторых пределах по мере получения новых данных.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ

2.8. В главе I мы указали, что тепловые нейтроны обладают наибольшей вероятностью производить деление U-235 и что нейтроны, испускаемые в процессе деления, имеют большие скорости.

Разумеется, было бы слишком большим упрощением сказать, что цепная реакция может продолжаться тогда, когда при делении освобождается большее число нейтронов, чем поглощается. В самом деле, вероятности захвата с делением и захвата без деления зависят от скоростей нейтронов. К сожалению, скорость, при которой захват без деления наиболее вероятен, находится между скоростью нейтронов, испускаемых в процессе деления, и скоростью, при которой захват с делением наиболее вероятен.

2.9. В течение нескольких лет до открытия деления общепринятый способ замедления нейтронов состоял в том, что их заставляли пройти через вещество с малым атомным весом, например какой-нибудь из материалов, содержащих водород. Процесс замедления представляет собой процесс упругого соударения частицы, имеющей большую скорость, и частицы, практически находящейся в состоянии покоя. Чем ближе масса нейтрона к массе ударяемой частицы, тем большую долю своей кинетической энергии теряет нейтрон. Поэтому легкие элементы наиболее эффективны в качестве «замедлителей», т. е. веществ, уменьшающих скорость нейтронов.

2.10. Многие физики считали, что можно было бы смешать уран с замедлителем для того, чтобы быстрые нейтроны за время между их освобождением при делении урана и встречей с ядрами урана могли уменьшить свою скорость до значения меньшего, чем скорость, при которой очень велика вероятность захвата без деления. Хороший замедлитель должен обладать малым атомным весом и не иметь тенденции поглощать нейтроны. Литий и бор не удовлетворяют второму требованию. Гелий трудно применить, потому что он является газом и потому что он не образует никаких соединений. Для выбора замедлителя, поэтому, остаются водород, дейтерий, бериллий и углерод. Даже теперь ни одно из этих веществ не может быть исключено. Предложение об использовании графита в качестве замедлителя исходило от Э. Ферми и Л. Сциларда.

ПРИМЕНЕНИЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ

2.11. Общая схема применения замедлителя, смешанного с ураном, совершенно очевидна. Специальный прием употребления замедлителя был впервые предложен в США, — насколько нам известно, Ферми и Сцилардом. Идея заключалась в применении кусков урана значительных размеров, включенных в виде пространственной решетки в материал замедлителя. Такая система имеет значительные преимущества перед однородной смесью. Когда константы были определены более точно, появилась возможность теоретически вычислить наиболее эффективный тип решетки.

УМЕНЬШЕНИЕ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ ПУТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

2.12. В главе I было установлено, что для нейтронов в определенном диапазоне скоростей (соответствующем энергиям в несколько электрон-вольт) U-238 имеет большое поперечное сечение захвата для образования U-239, но не для деления. Существует также значительная вероятность неупругих (т. е. не приводящих к захвату) столкновений быстрых нейтронов с ядрами U-238. Таким образом присутствие U-238 приводит к уменьшению скорости быстрых нейтронов и к поглощению нейтронов с умеренными скоростями. Хотя случаи захвата без деления ядрами U-235 могут также иметь место, все же очевидно, что если бы мы могли отделить U-235 от U-238 и избавиться от U-238, то нам удалось бы уменьшить число захватов без деления и, таким образом, добиться развития цепной реакции. Вероятность деления U-235 быстрыми нейтронами может оказаться достаточно большой, чтобы сделать ненужным применение замедлителя, коль скоро U-238 удален.

К сожалению, U-235 содержится в природном уране только в отношении приблизительно 1:140, а относительно малое различие масс обоих изотопов затрудняет разделение. В 1940 г. разделение изотопов в большом масштабе было осуществлено только для водорода, массы двух изотопов которого относятся друг к другу, как 1:2. Тем не менее, возможность выделения U-235 из обычного урана была с самого начала признана весьма важной, и разделение изотопов урана стало одним из двух основных направлений приложения усилий в течение последующих пяти лет.

ПРОИЗВОДСТВО И ОЧИСТКА МАТЕРИАЛОВ

2.13. Выше было установлено, что поперечное сечение захвата нейтронов меняется в очень широких пределах у различных веществ.

У некоторых оно очень велико по сравнению с максимальным поперечным сечением урана. Для осуществления цепной реакции необходимо уменьшить захват нейтронов примесями до такого значения, когда он не сможет оказать существенного влияния. Это требует очень тщательной очистки металлического урана и замедлителя. Вычисления показывают, что максимально допустимые концентрации многих элементов-примесей составляют несколько частей на миллион как для урана, так и для замедлителя. Если вспомнить, что до 1940 г. все производство металлического урана в США не превышало нескольких граммов вещества сомнительной чистоты, что все количество добытого в США металлического бериллия достигало лишь нескольких фунтов, что все производство концентрированного дейтерия составляло не более нескольких фунтов и что углерод никогда до этого не производился в тех количествах и с той степенью очистки, какие необходимы для замедлителя, — станет ясным, что проблема производства и очистки материалов была весьма важна.

УПРАВЛЕНИЕ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИЕЙ

2.14. Все проблемы, рассмотренные выше, относятся лишь к осуществлению цепной реакции. Если для такой реакции хотят найти целесообразное применение, то нужно уметь управлять ею. Проблема управления ставится по разному, в зависимости от того, что мы хотим получить: постепенное освобождение энергии или взрыв. Непрерывное производство атомной энергии требует проведения цепной реакции на медленных нейтронах в смеси урана и замедлителя, в то время как для атомной бомбы необходима цепная реакция на быстрых нейтронах, которая происходит в U-235 или Pu−239, хотя в них могут иметь место оба типа деления. Казалось правдоподобным, даже в 1940 г., что, применяя вещества, поглощающие нейтроны, удастся управлять цепной реакцией. Казалось также достаточно ясным, хотя и не совсем достоверным, что такая цепная реакция должна быть самоограничивающейся ввиду более низкого значения вероятности захвата, сопровождаемого делением, при достижении высоких температур. Тем не менее, не было исключено, что цепная реакция может выйти из под контроля, и, поэтому, казалось необходимым проведение опытов по цепным реакциям в ненаселенной местности.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

2.15. До сих пор мы рассматривали, каким образом можно осуществить ядерную цепную реакцию и управлять ею, не затрагивая вопроса о том, как ее использовать. Технологический разрыв между получением управляемой цепной реакции и использованием ее в качестве мощного источника энергии или взрывчатого вещества подобен разрыву, существовавшему между открытием огня и производством паровозов.

2.16. Несмотря на то, что производство энергии никогда не было главной целью этих работ, достаточное внимание было уделено выяснению главной трудности — установлению режима работы при высокой температуре. Эффективная тепловая машина должна быть не только источником теплоты, но развивать ее при высокой температуре. Проведение цепной реакции при высокой температуре и превращение тепла в полезную работу значительно более трудно, чем проведение цепной реакции при низкой температуре.

2.17. Доказательства возможности осуществления цепной реакции еще недостаточно для уверенности в том, что ядерная энергия будет эффективна в бомбах. Для получения эффективного взрыва необходимо, чтобы цепная реакция развивалась чрезвычайно быстро; в противном случае лишь незначительное количество ядерной энергии будет использовано до того, как бомба разлетится на части и реакция прекратится. Необходимо предотвратить, кроме того, преждевременный взрыв. Эта проблема полной «детонации» была и все еще остается одной из самых трудных проблем при создании высокоэффективной атомной бомбы.

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛУТОНИЯ

2.18. До сих пор рассматривались только возможности применения самого урана. Мы уже упоминали о предположении, что элемент с атомным номером 94 и массой 239, обычно называемый плутонием, мог бы оказаться очень эффективным. Действительно, теперь уже известно, что он по своей ценности приближается к чистому U-235. Мы упоминали о трудности отделения U-235 от более распространенного изотопа U-238. Эти два изотопа в химическом отношении, конечно, тождественны. Однако плутоний, хотя и получается из U-238, является отличным в химическом отношении элементом. Поэтому, если возможен процесс превращения U-238 в плутоний, то химическое отделение плутония от урана может оказаться более практичным, чем разделение изотопов U-235 и U-238.

2.19. Предположим, что удалось создать управляемую цепную реакцию в решетке из обычного урана и замедлителя, например, углерода в виде графита. Тогда, в процессе цепной реакции, при делении U-235 испускаются нейтроны, и многие из них поглощаются U-238. В результате этого образуется U-239, каждый атом которого испускает β -частицу, превращаясь в нептуний ( 93 Np 239 ). Нептуний, в свою очередь, испускает β — частицу, превращаясь в плутоний ( 94 Pu 239 ); этот последний после α -распада снова превращается в U-235, но так медленно, что его можно практически рассматривать, как устойчивый элемент (см. рис. 1). Если после длительного протекания реакции смесь металлов изолировать, то окажется возможным выделить плутоний химическими методами и после очистки употребить его в цепной реакции с делением, имеющей взрывной характер.

ОБОГАЩЕННЫЕ КОТЛЫ

2.20. Мы говорили о трех способах увеличения возможности осуществления цепной реакции: применении замедлителя, получении материалов высокой чистоты, использовании таких специальных материалов, как U-235 или Pu−239. Эти три способа не исключают друг друга, и было предложено много схем с применением небольших количеств выделенных U-235 или Pu−239 в решетках, состоящих в основном из обычного урана или окиси урана и замедлителя или двух различных замедлителей. Эти устройства обычно называются «обогащенными котлами».

ПРИМЕНЕНИЕ ТОРИЯ, ПРОТАКТИНИЯ ИЛИ ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ

2.21. Все предыдущие рассуждения концентрировались вокруг того или иного использования урана; однако, известно, что как торий, так и протактиний также подвергаются делению при бомбардировке быстрыми нейтронами. Большим преимуществом урана, по крайней мере для предварительных работ, является его восприимчивость к медленным нейтронам. Другим двум элементам уделялось немного внимания. Протактиний можно исключить, так как он редко встречается в природе. Торий относительно часто встречается, однако и он не имеет явных преимуществ перед ураном.

2.22. Не следует забывать, что теоретически многие ядерные реакции могут быть использованы для получения энергии. В настоящее время мы не можем указать другого пути возбуждения и управления реакциями, помимо применения реакций деления; однако может случиться, что лабораторным путем будет воспроизведена одна из тех реакций синтеза, о которых уже упоминалось, как об источнике солнечной энергии.

НЕОБХОДИМЫЕ КОЛИЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ

2.23. Летом 1940 г. невозможно было итти дальше догадок относительно количеств материалов, необходимых для осуществления:

(1) цепной реакции с применением замедлителя,(2) бомбы, основанной на использовании цепной реакции в чистом или по меньшей мере в обогащенном U-235 или плутонии.

В то время в качестве критических размеров бомбы обычно назывались цифры от одного до ста килограммов U-235, который должен был быть выделен из природного урана, взятого в количестве, по крайней мере, в 140 раз большем. Было почти очевидно, что для проведения цепной реакции с медленными нейтронами потребуются тонны урана и замедлителя.

ДОСТУПНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

2.24. Данные о составе земной коры указывают на значительное содержание урана и тория (около 4:106 урана и около 12:106 тория по весу). В настоящее время известны залежи урановой руды в Колорадо, в районе Большого Медвежьего озера (Северная Канада), в Иоахимстале (Чехословакия) и в Бельгийском Конго. Известны многие другие месторождения урановой руды, однако их размеры в большинстве случаев не разведаны. Уран всегда встречается вместе с радием, хотя и в значительно больших количествах. Оба часто встречаются вместе с ванадиевыми рудами.

2.25. Торий тоже достаточно широко распространен и встречается в виде окиси тория в весьма большой концентрации в монацитовых песках, имеющихся кое-где в США, но главным образом в Бразилии и в Британской Индии.

2.26. По предварительным грубым оценкам, которые, вероятно, оптимистичны, ядерная энергия, содержащаяся в разведанных месторождениях урана, достаточна для удовлетворения всех энергетических потребностей США на 200 лет (предполагая использование как U-238, так и U-235).

2.27. Как уже было указано, до 1940 года металлического урана было произведено очень мало; сведения об уране были столь скудными, что даже точка плавления его оставалась неизвестной (например, в Handbook of Physics and Chemistry на 1943–1944 гг. указано только, что точка плавления находится ниже 1850 °C в то время, как в настоящее время известно, что она лежит вблизи 1150°). Очевидно, поскольку речь идет об уране, не было непреодолимых трудностей в получении сырья и в производстве металла, однако очень серьезным вопросом было, сколько это займет времени, и во что обойдется производство необходимого количества чистого металла.

2.28. Из материалов, упомянутых выше в качестве пригодных для замедлителей, наиболее очевидными преимуществами обладает дейтерий. Его содержание в обычном водороде составляет приблизительно 1:5000. К 1940 году были разработаны различные методы выделения его из водорода, и в США было получено для экспериментальных целей несколько литров. Единственное крупное производство было сосредоточено на Норвежском заводе, откуда было получено несколько сотен литров тяжелой воды (D2O, окись дейтерия). Как и в отношении урана, решение проблемы зависело только от времени и денег.

2.29. Бериллий в виде силикатов широко распространен, однако лишь в малых по количеству руды месторождениях. В последние несколько лет он нашел широкое применение в качестве компонента в сплавах; однако, для такого применения нет нужды в получении бериллия в виде металла. В 1940 г. в США было произведено только 700 фунтов этого металла.

2.30. В отношении углерода дело обстояло совсем по другому. В США ежегодно производилось много сотен тонн графита. Это являлось одной из причин, делавших графит желательным в качестве замедлителя. Трудности заключались в получении достаточного количества графита требуемой чистоты, в особенности в связи с возросшими потребностями военной промышленности.

ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ И СТОИМОСТИ

2.31. Требования, связанные со средствами и временем, зависели не только от многих неизвестных научных и технологических факторов, но и от политических обстоятельств. Очевидно, для достижения конечной цели могли потребоваться годы и миллионы долларов. Почти все, чего добивались в это время, ограничивалось оценкой, сколько времени и сколько денег потребуется для выяснения научных и технологических перспектив. Казалось, что осуществление и развитие цепной реакции с тепловыми нейтронами в решетке из графита и урана в размерах, позволяющих ответить на вопрос о возможности протекания реакции в действительности, является не очень крупный предприятием. Оценка, сделанная тогда, определяла время, необходимое для получения ответа, сроком в один год и затраты — суммой в 100 000 долларов. Такая оценка относилась к созданию системы цепной реакции очень малой мощности без системы охлаждения и без всяких приспособлений для использования освобождающейся энергии.

ВРЕДНОСТЬ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ

2.32. Как уже давно известно, радиоактивные вещества вредно действуют на здоровье. Они испускают весьма проникающие γ -лучи, которые по своему физиологическому воздействию подобны рентгеновским лучам. Радиоактивные вещества испускают также α - и β -лучи, которые хотя и не обладают большой проникающей способностью, но также могут нанести вред здоровью. Количество радия, употребляемое в госпиталях и в обычных физических установках, ограничивается лишь несколькими миллиграммами. Количество радиоактивных материалов, получающихся при делении урана в сравнительно малых установках для цепных реакций, может быть эквивалентно сотням или тысячам граммов радия. Установка для цепной реакции испускает также интенсивное нейтронное излучение, которое по своему вредному действию на здоровье сравнимо с действием γ -лучей. Независимо от своих радиоактивных свойств, уран является в химическом отношении ядом. Таким образом, почти вся работа в этой области, в особенности при наличии цепных реакций и образующихся при этом радиоактивных продуктов, весьма вредна для здоровья.

МЕТОД ПОДХОДА К ЗАДАЧЕ

2.33. Были два пути разрешения проблемы. Один заключался в постановке ряда точных физических измерений поперечных сечений поглощения различных веществ для различных процессов, вызываемых нейтронами, и для различных энергий нейтронов. Коль скоро такие данные были бы получены, представлялось бы возможным рассчитать с достаточной точностью ход цепной реакции. Другой путь — чисто эмпирический — состоял в смешивании урана или его соединений различными способами с разными замедлителями и в наблюдении происходящих при этом процессов. Подобные же два крайние метода были возможны и в случае решения проблемы разделения изотопов. В действительности в обоих случаях применялся компромиссный способ.

ЭНЕРГИЯ ИЛИ БОМБА?

2.34. Предполагавшиеся военные преимущества урановых бомб внешне значительно эффектнее, чем преимущества использования урана в качестве источника энергии. Очевидно, что небольшое число урановых бомб может сыграть решающую роль в выигрыше войны стороной, впервые их применившей. Это очень хорошо понимали люди, работавшие в данной области; однако необходимым предварительным этапом развития наших знаний, казалось, было достижение цепной реакции с медленными нейтронами, и оно стало первоочередной задачей группы заинтересованных работников. Решение этой задачи казалось необходимым также для того, чтобы убедить военные власти и более скептически настроенных ученых в том, что вся идея не является просто фантастическим сном. Частью по этим соображениям, частью из-за чрезвычайной секретности идея атомной бомбы не появлялась более в письменных материалах между летом 1940 г. и осенью 1941 г.

ВОЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

2.35. Если все атомы килограмма U-235 подвергнутся делению, то освобожденная при этом энергия будет эквивалентна энергии, получающейся при взрыве 20 000 тонн тринитротолуола. Если критические размеры бомбы окажутся практически осуществимыми — в пределах, скажем, от одного до сотни килограммов — и все другие проблемы могут быть разрешены, останутся еще два вопроса. Первый, — какой процент способных к делению ядер успеет испытать деление прежде, чем реакция закончится. т. е. какова будет эффективность взрыва? Второй, — каково действие столь мощной концентрации освобождаемой энергии? Если даже будет освобожден только один процент теоретически возможной энергии, то порядок величины взрыва будет совершенно отличным от взрыва, происходящего при действии любых известных до настоящего времени бомб. Таким образом военные эксперты должны были весьма обстоятельно изучить вопрос о значении такой бомбы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

2.36. Было установлено, (1) что деление урана происходит с освобождением большого количества энергии и (2) что в этом процессе освобождаются избыточные нейтроны, благодаря чему может начаться цепная реакция. То, что такая реакция должна будет происходить и что она может иметь важное военное применение в бомбах, не противоречило никакому из известных до того времени принципов. Однако, идея эта была новой и поэтому казалась сомнительной. Одно было несомненно — что изготовлению такой бомбы должно предшествовать разрешение ряда технических вопросов большой трудности. Вероятно, единственными материалами, пригодными для этих бомб, являются либо U-235, который должен быть отделен от в 140 раз более распространенного изотопа U-238, либо Pu−239, — изотоп совершенно неизвестного до тех пор элемента — плутония, который сам получается в управляемом процессе цепной реакции, также до того времени неизвестном. Было очевидно, что для получения управляемой реакции могла появиться необходимость производства металлического урана и тяжелой воды, бериллия или углерода и притом в больших количествах и высокой чистоты. Коль скоро материал для бомбы получен, необходимо технически разработать способ его безопасного и эффективного использования. В ряде процессов придется встретиться с необходимостью техники безопасности нового типа.

ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ПРОБЛЕМА

2.37. Организованный летом 1940 г. Комитет Исследований Национальной Обороны (National Defense Research Committee — NDRC) предложил многим ученым страны работать над различными важными военными проблемами. Количество ученых было ограниченное (хотя в то время это еще не было полностью осознано). Поэтому возникли значительные трудности при решении вопроса о масштабах, в которых должна вестись работа по атомной бомбе. В течение последующих четырех лет решения приходилось часто пересматривать. Обзор того, как осуществлялись эти решения, сделан в главах III и V.

Глава III. Административно-организационные мероприятия по декабрь 1941 г.

ИНТЕРЕС К ВОЕННЫМ ВОЗМОЖНОСТЯМ

3.1. Как уже было изложено в главе I, сообщения о гипотезе деления ядра и ее экспериментальном подтверждении были опубликованы в январе 1939 г. Непосредственный интерес представляла возможность использования больших количеств энергии, освобождаемой в процессе деления, для военных целей. В это время использование науки в интересах войны было настолько необычно для американских ядерных физиков, что они едва ли представляли, что от них требуется. Первые усилия в деле ограничения публикации и обеспечения поддержки правительства были предприняты маленькой группой физиков-эмигрантов, состоявшей из Э. Вигнера, Э. Теллера, В. Ф. Вейскопфа и Э. Ферми и возглавлявшейся Л. Сцилардом.

ОГРАНИЧЕНИЯ ПУБЛИКАЦИИ

3.2. Весной 1939 г. указанная группа заручилась поддержкой Нильса Бора в попытке прекратить публикацию дальнейших данных путем добровольного соглашения. Ведущие американские и британские физики согласились с этим. Однако, Ф. Жолио, выдающийся французский ученый в области физики ядра, отказался, очевидно, в связи с опубликованием редакцией Phisical Review письма, отправленного еще до того, как к соглашению присоединились все американцы. Вследствие этого в течение почти всего следующего года продолжалась беспрепятственная публикация работ, хотя несколько статей и было задержано самими авторами.

3.3. В апреле 1940 г. на заседании физического отделения Национального Исследовательского Совета (National Research Council) Г. Брейт предложил образовать цензурный комитет для контроля статей, публикуемых во всех научных американских журналах. Хотя первоначальным мотивом этого предложения было стремление установить контроль над публикацией статей по делению урана, сформировавшийся несколько позднее Проверочный Комитет (при Национальном Исследовательском Совете) стал общим руководящим органом проведения издательской политики во всех областях, представлявших военный интерес. Председатель Комитета был Л. П. Эйзенхарт, члены: Г. Брейт, В. М. Кларк, Г. Флетчер, Э. Б. Фред, Дж. Б. Пеграм, Г. К. Юри, Л.X. Уид и Э. Г. Уивер. Были организованы различные подкомитеты, из которых первый должен был заниматься делением урана. Председатель этого комитета был Г. Врейт, члены: Дж. В. Бимс, Л.Дж. Бригс, Дж. Б. Пеграм, Г. К. Юри и Э. Вигнер. Редакторы различных журналов должны были представлять копии статей, относящихся к указанной выше области, в случае сомнений в их допустимости к печати, либо непосредственно Г. Брейту, либо через Эйзенхарта. Брейт обычно рассылал статьи всем членам подкомитета для обсуждения допустимости их к печати и информировал о результатах редакторов. Эта организация оказалась очень успешной для контроля публикаций. В измененном виде она существовала номинально и в июне 1945 года. Фактически загруженность большинства физиков страны военной работой того или иного рода скоро свела на нет количество статей, подлежащих рассмотрению Комитета. Интересно отметить, что упомянутая цензурная организация была полностью добровольной. Можно приветствовать такое содружество ученых страны. Надо надеяться, что после войны появится возможность опубликовать хотя бы часть статей по указанным вопросам, чтобы авторы их получили должное признание своих заслуг.

ПЕРВЫЕ ОБРАЩЕНИЯ К ПРАВИТЕЛЬСТВУ. ПЕРВЫЙ КОМИТЕТ

3.4. Получение правительственной поддержки для проведения исследовательских работ по физике ядра оказалось делом гораздо более сложным. Первый контакт с правительством был установлен Пеграмом (Колумбийский университет) в марте 1939 г. Пеграм организовал конференцию представителей Военно-морского министерства с участием Ферми. Единственным результатом этой конференции было то, что Морское министерство заинтересовалось и просило регулярной информации.

Инициатива в следующей попытке заинтересовать правительство принадлежала Сциларду и Вигнеру. В июле 1939 г. они совещались с Эйнштейном, а несколько позже Эйнштейн, Вигнер и Сцилард обсудили вопрос с Александром Саксом (Нью-Йорк). Осенью Сакс, с письменной поддержкой Эйнштейна, объяснил президенту Рузвельту желательность поощрения работ по физике ядра. Президент назначил комитет, известный под названием «Консультативного комитета по урану» (Advisory Committee on Uranium) и состоявший из директора Бюро Стандартов Бригса (председатель), полковника К. Ф. Адамсона (Управление артиллерии армии) и капитана 3-го ранга Дж. С. Гувера (Управление артиллерии военно-морского флота). Комитету было поручено изучить вопрос. Это был единственный официальный комитет по урану до образования Исследовательского Комитета Национальной Обороны в июне 1940 г. Комитет часто заседал и привлекал ученых к своей работе.

3.5. Первое заседание Уранового Комитета состоялось в октябре 1939 г. с привлечением, помимо членов, следующих лиц: Ф. Л. Молера, А. Сакса, Л. Сциларда, Э. Вигнера, Э. Теллера и Р. Б. Робертса. Результатом этого заседания был доклад от 1 ноября 1939 г., представленный Бригсом, Адамсоном и Гувером президенту Рузвельту. Доклад содержал восемь предложений, детально перечислять которые здесь нет необходимости. Следует, однако, отметить, что в докладе специально упоминаются и атомная энергия, и атомная бомба, как реальные возможности. В докладе рекомендовалась закупка для измерений поперечного сечения поглощения углерода 4 тонн графита и 50 тонн окиси урана. Остальные рекомендации были или общего порядка или никогда не были выполнены. По-видимому, записка, составленная Сцилардом, послужила основой обсуждения на этом совещании.

3.6. О первой субсидии (6000 долларов) от армии и флота для закупки материалов, в соответствии с решениями, принятыми 1 ноября, Бригс доложил генералу Э. М. Ватсону (помощник президента Рузвельта) 20 февраля 1940 г. Следующее заседание Консультативного комитета по урану состоялось 28 апреля 1940 г. в составе Сакса, Вигнера, Пеграма, Ферми, Сциларда, Бригса, адмирала Бауэна, полковника Адамсона и капитана 3-го ранга Гувера. Ко времени этого заседания возникли два новых важных фактора. Во-первых, было открыто, что деление урана, вызываемое нейтронами с тепловыми скоростями, происходит только в U-235. Во-вторых, было доложено, что немцы для исследований по урану выделили большую часть Института кайзера Вильгельма (Берлин). Несмотря на то, что лейтмотивом этого заседания было обеспечение наибольшего продвижения работ, определенных решений выработано не было. Было указано, что решающие измерения с углеродом в Колумбийском университете уже производятся и скоро дадут результаты, и было предложено воздержаться от выработки решений до получения этих результатов.

3.7. В течение последующих недель многие заинтересованные лица, в особенности Сакс, поставили вопрос о более эффективной поддержке работ и лучшей их организации. Их требования были подкреплены результатами, полученными в Колумбии (как указывается, например, в письме Сакса генералу Ватсону от 15 мая 1940 г.). Опыты в Колумбийском университете показали, что поглощающая способность углерода заметно ниже, чем предполагалось, и вероятность того, что углерод окажется удовлетворительным замедлителем, стала очень велика. Сакс интересовался также вопросами поставки руды; 1 июня 1940 г. Сакс, Бригс и Юри встретились с адмиралом Бауэном для обсуждения вопроса об установлении связи с руководством Union Mintére Бельгийского Конго. Такая связь вскоре Саксом была установлена.

3.8. 15 июня 1940 г. специальная консультативная группа, со- званная Бригсом в Национальном Бюро Стандартов, обсудила общее состояние проблемы. На заседании присутствовали: Бригс, Юри, М. А. Тьюв, Вигнер, Врейт, Ферми, Сцилард и Пеграм.

«После детального обсуждения группой было вынесено пожелание Урановому комитету изыскать фонды для поддержки исследовательских работ по урано-углеродной системе. Работы должны были вестись по двум линиям: А. Дальнейшие измерения ядерных констант, имеющих значение для предложенного типа реакции. В. Эксперименты с количествами урана и углерода, составляющими 1 / 5 — 1 / 4 от количества, считающегося минимальным для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции. Было установлено, что для дальнейших измерений основных констант необходимо около 40 000 долларов и что для промежуточных экспериментов потребуется около 100 000 долларов на приобретение металлического урана и чистого графита». (Выдержка из записки Пеграма Бригсу от 14 августа 1940 г.).

РЕОРГАНИЗАЦИЯ КОМИТЕТА С ПОДЧИНЕНИЕМ ЕГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМУ КОМИТЕТУ НАЦИОНАЛЬНОЙ ОБОРОНЫ

3.9. Не успели указанные выше решения начать претворяться в жизнь, как был организован в июне 1940 г. Исследовательский Комитет Национальной Обороны (National Defense Reseach Committee). Президент Рузвельт дал указание о преобразовании Уранового Комитета в подкомитет Исследовательского Комитета Национальной Обороны (НДРК, председатель — Ванневар Буш). Реорганизованный Урановый Комитет имел следующий состав: Бригс (председатель), Пеграм, Юри, Бимс, Тьюв, Р. Гэн и Брейт. С одобрения Бригса, Брейт часто консультировался у Вигнера и Теллера, хотя они не были членами Комитета. С этого времени до лета 1941 г. комитет продолжал работать примерно с постоянным составом членов. Его пожелания передавались Бригсом в НДРК, и НДРК заключал соответствующие контракты с различными научно-исследовательскими институтами. Первые фонды, однако, поступили не от НДРК, а от армии и флота.

СУБСИДИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.10. Первый контракт был заключен с Колумбийским университетом на проведение работ по двум линиям, рекомендованным на заседании 15 июня, как указывалось выше. Проект ведения работ был утвержден Исследовательским Комитетом, и подписание контракта (NDCrc-32) состоялось 8 ноября 1940 года на срок с 1 ноября 1940 г. по 1 ноября 1941 г. Стоимость контракта составляла 40 000 долларов.

3.11. До вступления контракта в силу были сделаны очень незначительные затраты. На графит и кадмий было израсходовано, например, около 3200 долларов из суммы 6000 долларов, отпущенной армией и флотом в феврале 1940 г.

3.12. Мы не будем детально перечислять другие контракты, заключенные до декабря 1941 г. Их количество и объем постепенно росли. Юри начал работать над разделением изотопов методом центрифугирования по контракту с флотом осенью 1940 г. Контракты были заключены с Колумбийским университетом, Принстонским университетом, фирмой Стандарт Ойл, Корнельским университетом, Институтом Карнеги в Вашингтоне, Миннезотским университетом, Колледжем штата Айова, Университетом Дж. Гопкинса, Национальным бюро стандартов, Виргинским университетом, Чикагским и Калифорнийским университетами. В течение зимы и весны 1940-41 г.г. и до ноября 1941 г. общее количество утвержденных контрактов составляло 16 на сумму 300 000 долларов.

3.13. Масштаб затрат является до некоторой степени показателем работы. Поэтому не лишено интереса сравнение цифр затрат с таковыми же в других областях военных исследований. К ноябрю 1941 г. общий, утвержденный Исследовательским Комитетом Национальной Обороны, бюджет для лаборатории излучения при Массачузетском технологическом институте составлял несколько миллионов долларов. Даже на такую сравнительно небольшую программу, как программа секции S отделения А Исследовательского Комитета, было израсходовано или было разрешено израсходовать 136 000 долларов на работы, которые являлись ценными, но которые не могли итти ни в какое сравнение с важностью работ по урану.

РЕОРГАНИЗАЦИЯ КОМИТЕТА ЛЕТОМ 1941 г

3.14. Урановый Комитет в том виде, как он был образован летом 1940 года, оставался без существенных изменений до лета 1941 года, когда комитет был несколько расширен; в это время были созданы подкомитеты по разделению изотопов, по теоретическим вопросам, по вопросам производства энергии и тяжелой воды.

(Секция урана: Бригс — председатель, Пеграм — заместитель председателя, Алисон, Бимс, Брейт, Смит, Юри.

Подсекция разделения изотопов: Юри — председатель, Бимс.

Подсекция производства энергии: Пеграм — председатель, Алисон, Ферми, Смит, Сцилард.

Подсекция тяжелой воды: Юри — председатель, Чилтон.

Подсекция теоретических вопросов: Ферми — председатель, Брейт, Экарт, Смит, Сцилард, Уилер.)

С этого времени Комитет стал называться Урановой секцией или Секцией S-1 НДРК (Исследовательского Комитета Национальной Обороны). Хотя формально реорганизованный Комитет не был расформирован до лета 1942 года, он был значительно преобразован в декабре 1941 года (см. главу V).

ОБЗОРНЫЙ КОМИТЕТ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК

3.15. Весной 1941 года Бригc, понимая необходимость в объективном обзоре проблемы, обратился к Бушу с просьбой об учреждении Обзорного комитета. Тогда Буш, в официальном письме к Ф. Б. Джюитту, президенту Национальной Академии Наук, просил назначить такой комитет. Джюитт согласился, назначив комитет в следующем составе: А.X. Комптон — председатель; В. Д. Кулидж, Э. О. Лоуренс, Дж. К. Слэйтер, Дж. Г. Ван-Флек и Б. Герарди (из-за болезни Герарди работать не смог). Этот комитет должен был оценить военное значение проблемы урана и рекомендовать размеры затрат, необходимых для ее исследования.

3.16. В мае Обзорный комитет собрался и составил для Буша доклад. (Этот и последующие доклады будут резюмированы в следующей главе). На основе этого доклада и устного выступления Бригса на заседании НДРК, последним, на заседании 18 июля 1941 года, было утверждено ассигнование в 267 000 долларов и указано на возможность того, что потребуются более значительные расходы. Буш потребовал представления второго доклада, в котором было бы обращено особенное внимание на технические вопросы. Для того, чтобы удовлетворить этому требованию, в комитет были введены О. Э. Бэкли (телефонные лаборатории Бэлла) и Л. У. Чэб (Westinghouse Electrical and Manufacturing Co.) (Комптон был летом в Южной Америке и в летних заседаниях комитета не участвовал). Второй доклад был представлен Кулиджем. В результате новых измерений поперечного сечения деления U-235 и возросшей уверенности в том, что разделение изотопов возможно, Комптон и Лоуренс в сентябре 1941 г. указали члену НДРК Дж. Б. Конанту, тесно сотрудничавшему с Бушем, на целесообразность представления третьего доклада. Так как Буш и Конант узнали летом 1941 года о том, что англичане также смотрели на дело со все возрастающим оптимизмом, комитету было предложено снова изучить весь вопрос в целом. Для этого комитет был значительно расширен введением в его состав В. К. Льюиса, Р. Мэлликена и Г. Б. Кистяковского. Этот третий доклад был представлен Комптоном 6 ноября 1941 года.

СВЕДЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ОТ АНГЛИЧАН

3.17. Начиная с 1940 года существовал обмен материалами с англичанами. Летом 1941 г. англичане дали обзор своей работы за период с апреля до июля. Они также интересовались возможностью применения плутония: в письме Дж. Д. Кокрофта к Р. Г. Фаулеру от 28 декабря 1940 г. указывается на целесообразность изучения плутония. Фаулер, который в то время был английским уполномоченным в Вашингтоне по научным связям обеих стран, передал письмо Кокрофта Лоуренсу. Англичане никогда не развивали дальше возможности применения плутония, так как понимали, что свои ограниченные людские резервы они должны концентрировать на U-235. Чэдвик, по крайней мере, был убежден в том, что бомбу с U-235, обладающую большой разрушительной силой, изготовить можно, и вся группа английских ученых считала, что выделение U-235 путем диффузии, вероятно, осуществимо.

3.18. Сообщения о точке зрения англичан, включая и первый набросок английского доклада, содержащего обзор вопроса, стали неофициально известны Бушу и Конанту в течение лета 1941 г.; официальный же английский доклад от 15 июля был впервые передан Конанту Дж. П. Томсоном 3 октября. Но так как Национальная Академия Наук не имела в своем распоряжении английского обзора, то в ее докладах и в докладах англичан давались совершенно независимые оценки перспектив производства атомных бомб.

3.19. Наряду с официальными и полуофициальными совещаниями, состоялось много неофициальных обсуждений, из которые одно было связано с приездом из Англии в США летом 1941 года М. Л. Э. Олифанта. В качестве примера такого неофициального обсуждения можно упомянуть беседы между Конантом, Комптоном и Лоуренсом, имевшие место в сентябре 1941 года во время празднования пятидесятилетия Чикагского университета. Все были убеждены в необходимости ускорить осуществление программы, и эта мысль в разных вариантах сообщалась рядом лиц Бушу.

3.20. Осенью 1941 года Юри и Пеграм были командированы в Англию для того, чтобы из первоисточника узнать, как там обстояло дело. Это был первый случай, когда кто-либо из американцев был в Англии специально в связи с проблемами урана. Доклад, представленный Юри и Пеграмом, подтверждал и расширял сведения, полученные раньше.

РЕШЕНИЕ О РАСШИРЕНИИ И РЕОРГАНИЗАЦИИ

3.21. В результате докладов, которые были представлены Комитетом Национальной Академии Наук. британскими учеными и Юри и Пеграмом, а также по настоянию ряда физиков. Буш, как начальник Управления Научно-Исследовательских работ (ОСРД) (Office of Scientific Research and Development), в которое НДРК входит, как часть, решил, что работу по вопросам урана необходимо продвинуть вперед более энергично.

3.22. Прежде чем был составлен третий доклад Национальной Академии Наук и до того, как Пеграм и Юри посетили Англию, Буш передал все вопросы, связанные с ураном, на рассмотрение президенту Рузвельту и вице-президенту Уоллесу. Буш кратко изложил им сущность английской точки зрения, которая в общем была оптимистичной, и отметил ненадежность предсказаний. Президент согласился, что необходимо расширить программу работ, обеспечить иную организацию, изыскать средства из специального источника и осуществить обмен подробной информацией с англичанами. Было принято решение поручить обсуждение вопросов общей политики следующей группе: президент, вице-президент, военный министр, начальник генерального штаба, Буш и Конант. Эта группа часто упоминалась под названием Высшей Политической Группы (Top Policy Group).

3.23. Ко времени представления Национальной Академией третьего доклада и возвращения Юри и Пеграма из Англии начал вырисовываться общий план реорганизации. Как указывал Буш в письме к президенту Рузвельту от 27 ноября 1941 г., доклад Академии был сдержаннее, чем доклад англичан. Тем не менее, он был достаточно оптимистичен, чтобы поддержать план расширения работ. Предложенная реорганизация обсуждалась на собрании секции урана непосредственно перед нападением на Пирл Харбор, и описана в главе V.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

3.24. На возможное военное значение деления урана уже через несколько недель после открытия явления, в марте 1939 г., было обращено внимание правительства. Осенью 1939 г. был создан первый правительственный комитет по урану. Весной 1940 г. был создан аппарат для ограничения публикации статей, имеющих значение в данной области. Когда в июне 1940 г. был учрежден НДРК, Урановый комитет был преобразован и передан НДРК. Однако, вплоть до осени 1941 г. общие затраты были сравнительно малы. В декабре 1941 г., после представления доклада Национальной Академией Наук и получения информации от англичан, было принято решение об изменении и расширении программы.

Глава IV. Развёртывание работ по декабрь 1941 г.

НЕОТЛОЖНЫЕ ВОПРОСЫ

4.1. В главе II были изложены общие проблемы, связанные с получением цепной реакции и применением ее для военных нужд. В начале лета 1940 года наибольшую важность приобрели следующие вопросы:

(1) Возможно ли найти такие условия, при которых происходила бы цепная реакция?(2) Можно ли добиться выделения изотопа U-235 в промышленном масштабе?(3) Можно ли получить замедлитель и другие материалы достаточной чистоты и в нужном количестве?

Эти три вопроса, как видно из дальнейшего, предопределили ход работ за последующие восемнадцать месяцев, хотя и было много других второстепенных задач.

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

ПРОГРАММА, ПРЕДЛОЖЕННАЯ 15 ИЮНЯ 1940 г

4.2. В июне 1940 г. почти вся работа по вопросам цепной реакции была сосредоточена в Колумбии под общим руководством Пеграма и при ближайшем участии Ферми и Сциларда. Было установлено, что самыми благоприятными условиями для цепной реакции являются, вероятно, те, в которых деление происходит в неоднородной смеси графита и урана под действием тепловых нейтронов. Весной 1940 года Ферми, Сцилард и Г.Л. Андерсон повысили точность измерения поперечного сечения захвата нейтронов углеродом, резонансного поглощения нейтронов (промежуточных скоростей) изотопом U-238 и более детально изучили замедление нейтронов в углероде.

4.3. Пеграм, в записке Бригсу от 14 августа 1940 года писал: «Не очень легко измерять эти величины с большой точностью, не применяя больших количеств веществ. Результаты этих опытов весною 1940 года свидетельствовали о том, что возможность цепной реакции с достоверностью не доказана, хотя еще меньше можно считать ее полностью опровергнутой. В целом полученный указания были более благоприятны, чем выводы, сделанные из предыдущих результатов.»

4.4. На собрании 15 июня (см. главу III) были обсуждены эти результаты и было рекомендовано, чтобы: (А) были проведены дальнейшие измерения ядерных постоянных и (В) были произведены опыты над решетками из урана и углерода, содержащими уран в количествах 1/3-1/4 вычисленных критических количеств.

РЕЗУЛЬТАТЫ, ДОСТИГНУТЫЕ К 15 ФЕВРАЛЯ 1941 г

4.5. Доклад Пеграма от 15 февраля 1941 г. показывает, что большая часть работ, выполненных к этому времени, относилась к пункту (А), тогда как работы по пункту (В) — так называемому промежуточному эксперименту — задерживались из-за недостатка материалов.

4.6. Перефразируя доклад Пеграма, можно представить главные результаты в следующем виде:

(а) Замедление нейтронов в графите было исследовано путем изучения интенсивности активации различных детекторов (родий, индий, йод), расположенных различным образом внутри прямоугольной графитовой колонны, имеющей размеры 338 футов, когда в нее помещался источник нейтронов. Подбирая соответствующие кадмиевые экраны, можно было исследовать действия резонансных и тепловых нейтронов в отдельности.^[2]

Математический анализ экспериментальных данных, основанный на теории диффузии, позволил предсказать результаты, ожидаемые в других расположениях. Эти результаты в сочетании с теоретическим изучением диффузии тепловых нейтронов послужили основой для расчета числа тепловых и резонансных нейтронов, обнаруживаемых в какой-нибудь точке в массе графита заданной формы, если источник нейтронов помещается в определенном положении внутри графита или вблизи него.

(b) Число нейтронов, испускаемых при делении. Опыты по замедлению нейтронов показали, что практически почти все нейтроны, обладающие большой энергией (быстрые), как, например, нейтроны, получающиеся при делении, снижают свою энергию до тепловой, проходя через слой графита толщиною в 40 см или более. Уран, помещенный в область образования тепловых нейтронов, поглощает их и — поскольку происходит деление — сам испускает быстрые нейтроны, легко отличимые от тепловых нейтронов. Производя ряд измерений, в присутствии урана и без него, с помощью разного рода детекторов и поглотителей можно получить значение константы η — числа нейтронов, испускаемых на один тепловой нейтрон, поглощенный ураном. Эта величина не есть число испускаемых нейтронов, приходящихся на деление, она несколько меньше этого числа, так как не каждое поглощение вызывает деление урана.

(c) Теория решетки. Производились обширные вычисления ожидаемого числа нейтронов, вылетающих за пределы решеток различных конструкций и размеров. Эти вычисления служили основой для так называемого промежуточного эксперимента, упомянутого выше в пункте (В).

НАЧАЛО ВЫПОЛНЕНИЯ НОВЫХ ПРОГРАММ

4.7. Интерес, проявленный отдельными учеными институтов в Принстоне, Чикаго и Калифорнии к проблеме цепной реакции, привел к постановке ряда исследований в этих институтах. С тех пор работа этих групп согласовывалась с работой в Колумбии, образуя части единой большой программы.

РАБОТА ПО РЕЗОНАНСНОМУ ПОГЛОЩЕНИЮ

(Термин «резонансное поглощение» применяется для описания весьма сильного поглощения нейтронов ураном-238, когда энергии нейтронов занимают определенные интервалы в пределах от 0 до 1000 электрон-вольт. Резонансное поглощение доказывает существование ядерных энергетических уровней при соответствующих значениях энергий. В некоторых случаях этот термин применяется ко всей энергетической области в окрестности таких уровней.)

4.8. В главе II утверждалось, что решетчатая конструкция с правильным распределением блоков урана в замедлителе представляет известные преимущества. Именно над этой системой и работала колумбийская группа. Как это часто бывает, основная идея весьма проста. Если уран и замедлитель представляют однородную смесь, то нейтроны, теряя в среднем энергию небольшими порциями между прохождениями сквозь уран в процессе уменьшения скоростей до тепловых, будут иметь большую вероятность столкновений с атомами урана с заданной скоростью, например, со скоростью, соответствующей резонансному поглощению. Однако, если уран расположен в замедлителе блоками, с большими промежутками между ними, то энергия, теряемая нейтронами при переходе от одного блока урана к другому через замедлитель, будет велика, и вероятность того, что нейтроны достигнут блока урана с энергией, как раз равной энергии резонансного поглощения, будет относительно мала. Таким образом, вероятность поглощения нейтронов ураном-238 с образованием урана-239, в сравнении с вероятностью поглощения тепловых нейтронов, приводящего к делению, может быть достаточно уменьшена, для того, чтобы цепная реакция могла развиться. Если бы были известны точные значения поперечных сечений каждого изотопа урана для каждого типа поглощения и для любых интервалов скоростей нейтронов, и если бы имелись аналогичные сведения относительно замедлителя, то можно было бы рассчитать «оптимальную решетку», т. е. наиболее благоприятные размеры и форму блоков урана и расстояния в замедлителе. Так как подобные данные были известны лишь частично, необходим был непосредственный экспериментальный подход к проблеме. Поэтому было предложено измерять поглощение нейтронов ураном в условиях, подобных тем, которых можно ожидать в действующем котле с графитом в качестве замедлителя.

4.9. Эксперименты такого рода были начаты в Колумбии и продолжены в Принстоне в феврале 1941 г. Опыты состояли в изучении поглощения нейтронов в интервале энергий от нескольких тысяч электрон-вольт до долей электрон-вольта (тепловые энергии), причем поглощение имело место в различных слоях сфер из урана или окиси урана, уложенных в графите.

4.10. В этих экспериментах нейтроны получались при бомбардировке бериллиевой мишени протонами, ускоренными в циклотроне (выход нейтронов был эквивалентен радие-бериллиевому источнику с интенсивностью около 3500 кюри). Нейтроны, полученные таким образом, обладали широким непрерывным распределением скоростей. От этого источника они проходили в большой графитовый блок. Помещая различные сферы из урана или окиси урана внутри графита в различных положениях на все возрастающих расстояниях от источника, можно было изучать поглощение нейтронов, средние скорости которых уменьшались до тепловых. Было найдено, что общее поглощение нейтронов такими сферами могло быть выражено через «поверхностный» эффект и «объемный» эффект.