Текст книги "В поисках чуда (с илл.)"

Автор книги: Лев Бобров

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 25 страниц)

Двойники и самоубийцы

Три десятилетия с лишним наука об атоме «пробавлялась» только тремя видами радиоактивных излучений: альфа, бета и гамма. Первые два были открыты Резерфордом в 1899 году. Третий – французским ученым Вилларом в 1901-м. Лишь в 1934 году супруги Жолио-Кюри опознали среди ядерных беглецов положительного двойника электрона (несколько раньше его поймали в космических лучах).

Наступил 1935 год.

Братья Курчатовы, несмотря на молодость, не были «зелеными» новичками ни в физике вообще, ни в атомной в частности. Тридцатидвухлетний Игорь Васильевич вот уже десятый год работал в Ленинградском физико-техническом институте, а с 1932 года возглавлял отдел ядерной физики. Борису Васильевичу тоже не были чужды проблемы радиоактивности, хотя он и занимался больше полупроводниками.

Однако явление, с которым столкнулись ученые, могло озадачить и маститого ветерана науки об атоме.

В начале 1935 года счетчик ядерных излучений бесстрастно возвестил сотрудникам Курчатовской лаборатории о том, чего на первый взгляд быть не должно. Исследователи бомбардировали бром недавно открытыми нейтронами. Ожидалось, что элемент № 35 даст при этом две свои активные разновидности – одну с 18-минутным периодом полураспада, другую – с 4-часовым. Так по крайней мере свидетельствовали опыты Энрико Ферми. И действительно, полученная смесь давала радиацию обоих типов.

Но одновременно обнаружилось и другое излучение: оно уменьшало свою интенсивность вдвое не через 18 минут и не через 4 часа, а лишь по прошествии полутора суток. Странно! Ведь у брома два стабильных изотопа: один с массовым числом 79, другой – 81. Поглотив нейтрон, первый превращается в бром-80, второй – в бром-82. Оба новорожденных активны, причем ни один из них, судя по результатам Ферми, не должен быть столь долговечным. Откуда взяться более живучему? Быть может, в смеси перед облучением содержался какой-то третий, до сих пор не известный изотоп, который потом под действием нейтронов тоже сделался из стабильного радиоактивным, только с другой константой распада?

Эксперимент отмел такую версию.

Тщательный химический анализ, проведенный Б. В. Курчатовым, исследования и расчеты Л. И. Русанова, Л. В. Мысовского, других сотрудников привели к однозначному заключению: налицо не новый изотоп, а новый тип радиоактивности, ускользнувший от зорких глаз Ферми.

Выяснилось, что полуторасуточным периодом обладает бром-82. Ни один из двух других упомянутых сроков жизни, более коротких, к нему касательства не имеет. Оба они относятся к брому-80.

Парадоксально, но факт: атомы-близнецы неодинаковы! При полной идентичности ядерной и электронной структуры часть атомов брома-80 уполовинивает общую интенсивность излучения через 18 минут, часть – через 4 часа. Как оказалось, в последнем случае особинка ядер в том, что они возбуждены. Излучая гамма-кванты, они переходят в основное, более устойчивое состояние, после чего начинают испускать те же электроны, что и их более спокойные двойники.

Так к уже известным типам радиоактивных превращений примкнула ядерная изомерия.

Сейчас былые «диковинки» – ядерные изомеры – исчисляются многими дюжинами.

Эффект, обнаруженный братьями Курчатовыми,

Мысовским и Русиновым, встал в один ряд с открытиями Резерфорда, Виллара и Жолио-Кюри.

Не сразу признали русскую находку. «Трудно поверить в существование изомерных атомных ядер, то есть таких, которые при равном атомном весе и равном атомном номере обладают различными радиоактивными свойствами… Мы надеемся после проведения экспериментов узнать, стоит ли заниматься вопросом об изомерных ядрах». Так на физическом съезде в Цюрихе в 1936 году говорила та самая Лиза Мейтнер, которой суждено было вскоре узреть то, чего не видел или не хотел видеть Отто Ган, – деление урановых ядер. Правда, оценивая значение «невероятного» открытия, Лиза Мейтнер добавила, не могла не добавить: «Предположение о существовании изомерных ядер дало бы возможность объяснить искусственные превращения урана».

Искусственные превращения урана! Так ведь это та самая проблема, решение которой преобразило мир и над которой с 1934 года бились лучшие умы: сначала Ферми, а впоследствии Ноддак, Савич, Жолио-Кюри, Ган и Штрассман, наконец, Мейтнер вместе с Фришем. Интересно: в 1939 году именно Лиза Мейтнер сделала последний шаг, завершивший одно из крупнейших открытий века, рассеявший последние сомнения в способности уранового ядра разваливаться на крупные осколки. Она сделала этот шаг вопреки необоримому скепсису Гана. А тогда, в Цюрихе, Мейтнер сама выступала в роли скептика, вливая яд сомнения в души физиков…

В качестве постскриптума остается добавить следующее. В 1938 году, на три года позже наших соотечественников, ядерную изомерию обнаружили Н. Фезер и Э. Бретчер (Англия) – вторично. И все же в 1963 году один канадский научный журнал, посвященный проблемам ядерной энергии, поместил таблицу видов радиоактивности, где в качестве первооткрывателей фигурировали именно британские ученые. Неосведомленность? Интересно, как отнесся бы к этому сюрпризу соотечественник Фезера и Бретчера Рональд Кларк, благородно ратующий, если помните, за честность записей в свитках истории.

С именем И. В. Курчатова связан еще один эпизод в истории радиоактивности.

– Это произошло за год до начала Великой Отечественной войны, – вспоминает член-корреспондент АН СССР Г. Н. Флеров. – Отгромыхав по рельсам, нырнул в тоннель последний голубой экспресс московской подземки. Столица затихла. А на станции метро «Динамо» тем временем появилась группа довольно странных полуночников. На них не было метростроевских комбинезонов… Они были одеты в лабораторные халаты, а в руках держали хрупкие приборы… Описанный эпизод, – продолжает Георгий Николаевич, – мне запомнился вовсе не потому, что он произошел в столь необычной обстановке. Дело в другом: подземный эксперимент, проведенный Константином Антоновичем Петржаком и мною, завершал длительную серию исследований. Выйдя после ночного бдения из метро, мы тут же дали телеграмму в Ленинград нашему руководителю профессору Игорю Васильевичу Курчатову: «Есть спонтанное деление!»

К тому времени уже было открыто деление урана, но вынужденное – под действием нейтронов. Как продемонстрировали Ган и Штрассман, а затем обосновали Мейтнер и Фриш, ядро урана-235, впустив нейтрон, разваливается на два крупных куска.

Флеров и Петржак доказали: чтобы пала ядерная крепость, вовсе не обязателен троянский конь, намеренно забрасываемый в нее физиками. Такие катастрофы случаются сами собой – спонтанно. Чем же интересна эта находка?

Счетчик Флерова и Петржака отмечал на круг шесть таких «самоубийств» в час, хотя вес препарата (природная смесь урановых изотопов) измерялся граммами. В атомный же котел загружаются тонны урана. Так что самопроизвольных вспышек там больше чем достаточно. Сама природа сняла с человека заботу о первотолчке, порождающем цепную лавину в реакторе. Открытие Флерова и Петржака показало, что «запальные» устройства уже есть в самом ядерном топливе и делать их специально не имеет смысла.

Деление, правда, могут вызвать также случайные микроскопические гости, жалующие к нам из глубин вселенной и прошибающие даже толстые крыши, – космические лучи. Потому-то ученые и отгораживались от неба земляным сводом метро.

Сейчас спонтанное деление замечено прочти у трех десятков изотопов. И чем крупнее ядро, тем ярче выражена склонность к такому самоуничтожению.

К примеру, у урана спонтанное деление наблюдается в миллионы раз реже, чем альфа-распад. Зато у рукотворного элемента № 104 (для него предложено название «курчатовий» – он синтезирован недавно группой Г. Н. Флерова) самопроизвольное деление преобладает. Именно оно обусловливает очень короткий период полураспада у курчатовия – треть секунды.

Совсем недавно в Дубне одна из флеровских групп, руководимая С. М. Поликановым, впервые обнаружила самопроизвольное деление ядер из возбужденного изомерного состояния. Так в работах молодых советских физиков сошлись, словно на перекрестке, два больших открытия, сделанных ученым старшего поколения – Курчатовым и его учениками.

Грозный фейерверк микромира

В 1936 году начался новый этап в «беге на стартовой дорожке», как назвал Резерфорд лихорадочную исследовательскую гонку после открытия нейтрона.

Прицельную пальбу нейтронной картечью по ядерной Бастилии ведут взапуски канониры всех известных атомных лабораторий. Они жадно всматриваются в результаты экспериментов. Что получится, если нейтронная дробинка, таранив ядро, застрянет в нем?

«Это может привести к взрыву ядра», – говорит Нильс Бор.

В 1936 году член-корреспондент АН СССР Я. И. Френкель одновременно с Н. Бором теоретически анализирует явления, протекающие в атомной сердцевине, когда она ранена пулей, посланной человеком. Он уподобляет нуклонный сгусток капле сверхплотной жидкости, которая, захватив нейтрон, начинает «кипеть», разбрызгивая ядерные частицы.

Френкель впервые вводит условное представление о температуре ядра. Он публикует цикл работ, где облекает свои соображения в математически строгую форму, уточняет первоначальную модель.

Мысли Френкеля получают признание и развитие в трудах самого Бора (1938 год).

В кульминационный момент ядерной эпопеи, когда мир узнает об опытах Гана, Френкель тотчас печатает классическую работу по делению тяжелых ядер медленными нейтронами (1939 год). Лишь несколькими месяцами позднее появится аналогичная и, понятно, более детализированная с количественной стороны публикация Бора и Уилера.

В 1939 году, по горячим следам открытий Гана и Штрассмана, Мейтнер и Фриша, выходит статья «К вопросу о цепном распаде основного изотопа урана». Ее авторы – Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон.

В 1940 году они продолжают свои исследования: «Деление и цепной распад урана», «О цепном распаде урана под действием медленных нейтронов», «Кинетика цепного распада урана», «К теории развала ядер» (совместно с Ю. А. Зысиным). И в 1941 году – «Механизм деления ядра».

В первых же работах советские ученые наметили конкретные пути, как технически реализовать идею, которая так долго считалась неосуществимой.

В начале 1939 года «великий старец» Нильс Бор в беседе с Юджином Вигнером перечислил 15 веских доводов, из-за которых, по его мнению, практическое использование ядерного деления абсолютно исключено. Альберт Эйнштейн уверял одного американского репортера в том, что все эти перспективы не более как химера.

Кто осмелится укорять ученых в наивности или пессимизме? Буквально до 1940 года уровень знаний о тонкостях ядерного деления не давал оснований для смелых прогнозов. Либо, наоборот, вдохновлял на беспочвенные прожекты. До позднего лета 1939 года специалисты сомневались в справедливости воровского предположения, высказанного еще в феврале: делению подвержен не уран-238, а уран-235 (сам этот изотоп был открыт совсем недавно – в 1935 году).

Лишь весной 1939 года выяснилась необходимость замедлять нейтроны.

О том, насколько скудными и противоречивыми сведениями располагали ученые, говорят первые оценки критической массы. Они колебались в широком диапазоне – от фунта до многих тонн. Франсис Перрэн, например, подсчитал: достаточно получить 40 тонн урана, чтобы произошел взрыв.

«Деление урана, казалось, можно было легко осуществить, – вспоминает о некоторых заблуждениях того времени академик Я. Б. Зельдович. – Перрэн предполагал, что извержение вулканов – это и есть результат цепной реакции деления урана, случайно скопившегося в недрах Земли. На самом деле все оказалось гораздо сложнее. В 1939 году в Институте химической физики АН СССР вместе с Харитоном мы анализировали условия, которые действительно нужны, чтобы могла осуществиться цепная реакция деления. Было показано, что уран-238, а также и природная смесь изотопов урана не пригодны для осуществления деления (впоследствии И. В. Курчатов, проделав титаническую работу по измерению ядерных констант, которые в довоенное время были определены неточно, установил, что природную урановую смесь тоже можно использовать в качестве топлива для реактора. – Л. Б.)… С другой стороны, сама организация ядерной реакции оказалась проще, чем представлял себе Перрэн. Не зная в подробностях цепной теории, он предполагал, что стоит создать критическую массу, как произойдет взрыв.

На самом деле в критической массе реакция идет не разгоняясь и не затухая: 100 нейтронов при делении дают 250 нейтронов, из них 150 теряются и поглощаются, остается ровно 100. Реакцию легко проводить в строго постоянных условиях».

В ноябре 1940 года на Всесоюзном совещании по физике атомного ядра обсуждался вопрос о том, чтобы обратиться к правительству за ассигнованием крупных средств на создание первого уранового реактора. В Президиум Академии наук поступил план предстоящих работ по цепным ядерным реакциям.

Работы наших ученых шли в фарватере мировых достижений.

От меча и погибнет!

22 июня 1941 года на улицы наших городов упали первые бомбы. Поднятые по тревоге пограничные заставы приняли первый бой. Мимо пылающих хат загрохотали танки с тевтонскими крестами на башнях, колонны моторизованной пехоты исполинскими удавами поползли по старинным русским дорогам.

Физики пошли на фронт, стали работать на оборону. Но атом не забыт, не может быть забыт.

И. В. Курчатов по всей стране скликает рать физиков.

25 декабря 1946 года советский реактор пущен!

Первый в Европе. Это произошло всего через четыре года после того, как в декабре 1942 года под трибунами чикагского стадиона заработал котел Энрико Ферми. Четыре года – много это или мало? Два с половиной из них – всенародная военная страда, дорога скорби и мужества, бесконечно долгая, обильно политая кровью и потом. Остальные полтора – залечивание ран, преодоление страшной разрухи.

Годы, которые вместили эпоху…

Советский народ, только что переживший опустошительную войну, не мог сквозь пальцы смотреть, как западные дипломаты снова играют с огнем, теперь уже у бочки с ядерным порохом. Наученный горьким опытом, он должен был гарантировать от любых посягательств свою свободу и право на мирный труд, отвоеванные столь дорогой ценой. Таким гарантом стал наш атомный часовой, заступивший на пост в 1949 году.

«Для ученых все это было чудовищным сюрпризом, – свидетельствует Роберт Юнг в книге „Ярче тысячи солнц“. – …Широко распространенная на Западе в послевоенные годы недооценка возможностей России изготовить атомную бомбу в ближайшее время, пожалуй, еще более поразительна, чем прежняя переоценка атомных возможностей Германии…

Ошибочный вывод, сделанный в Америке из краха атомного проекта в третьем рейхе, заключался в недооценке русских атомных разработок и общего прогресса, достигнутого Советским государством».

А 12 августа 1953 года над советским испытательным полигоном взметнулся термоядерный взрыв.

Девятью месяцами раньше, в ноябре 1952 года, на тихоокеанском атолле Эниветок испытывалось американское термоядерное устройство (операция «Майк»). Но, как признали сами его творцы, оно являлось громоздким и нетранспортабельным. Вместе с холодильником для сжижения дейтериево-тритиевой смеси оно весило 65 тонн! Настоящую водородную бомбу США взорвали только 1 марта 1954 года. Это была та самая операция «Кастл», из-за которой пострадали 23 японских рыбака.

Создав надежный атомный щит, Страна Советов еще настоятельней, чем прежде, предложила запретить все виды нового оружия. Тем временем уже полным ходом шли работы над проектом первой АЭС.

И над укрощением термоядерной реакции.

Солнце на земле

25 апреля 1956 года британский ядерный центр Харуэлл посетила советская делегация. Перед учеными, собравшимися в конференц-зале, с полуторачасовой лекцией выступил высокий бородатый человек с открытым, приветливым лицом и пронзительным взглядом темных глаз. На следующий день «Дейли экспресс» писала: «Курчатов поразил аудиторию, сообщив, во-первых, что русские закончили эксперименты, которые в Харуэлле находятся только в стадии планирования; во-вторых, тем, что он без утайки привел все методические детали, иллюстрируя их цифрами и формулами, которые в Англии и США считались совершенно секретными».

Эдвард Теллер, «отец» американской водородной бомбы, заявил: доклад Курчатова имеет огромное значение и свидетельствует о высоком техническом уровне исследований, проводимых Советским Союзом.

«Я прилетел из Чикаго в Вашингтон, надеясь услышать отчет Теллера о нашей работе, – пишет американский физик Ральф Лэпп. – …Теллер не знал, что все присутствующие получили по экземпляру текста Курчатовского доклада. Слушая Теллера, мы испытывали не только разочарование, но и досаду из-за того, что человеку, находящемуся по ту сторону „железного занавеса“, пришлось поведать Западу об управляемой термоядерной реакции».

Да, Курчатов говорил о достижениях и перспективах термоядерной энергетики.

В огненном клубке плазмы, возникающем при термоядерном взрыве, протекают примерно те же процессы, что и в недрах Солнца. Чтобы «звездная» реакция началась, необходимы колоссальные температуры. Недаром детонатором взрыва служит атомная бомба.* Только в этих условиях легкие ядра, разгоняясь до сверхвысоких скоростей, преодолевают взаимное отталкивание и сливаются, высвобождая энергию. 40 миллионов градусов – вот сколько нужно для соединения дейтерия с тритием. Казалось бы, ни один материал, даже самый жаропрочный, не выдержит такого нагревания. Между тем проблема выворачивается наизнанку: опасаться за свое существование надо не столько термоядерной «печи», сколько самому горючему.

В газообразной и весьма «разжиженной» форме заполняет оно герметичную камеру, где царит глубокий вакуум: концентрация частиц там в миллионы раз ниже, чем в воздухе на уровне моря. Так что, если начнется термоядерный синтез, давление отнюдь не подскочит до миллионов атмосфер, как при взрыве водородной бомбы. Оно превысит нормальное всего раз в сто. Ну, а солнечные температуры?

Вы можете попробовать на ощупь десятки тысяч градусов без малейшего риска обжечься – прикоснитесь к газосветной лампе, скажем, к одной из тех, что заливают вечерние улицы огнями неоновых реклам: под стеклом трубки витают частички, которые раскалены именно до такой температуры! Имеется в виду их кинетическая температура, вернее, энергия, а по сути дела – скорость их суетливой беготни.

Намного более бешеная стремительность, соответствующая полумиллиарду градусов, нужна дейтронам, чтобы они при сближении смогли превозмочь взаимную неприязнь и слиться. Мы говорим «дейтронам», а не «дейтериевым атомам» потому, что перед нами плазма – нейтральная в целом смесь оголенных ядер и сорванных с них электронных оболочек. Что же касается энергии этих крупинок вещества, то ее не хватит даже на заметное нагревание их обиталища – до тех пор, пока не начнется термоядерный синтез.

Зато само плазменное облачко как огня боится окружающей его твердо% поверхности. При соприкосновении с нею оно тотчас охлаждается. Как не допустить столь опасную для него встречу со стенками?

В 1950 году академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм впервые предложили использовать для этого магнитное поле. Оно должно собрать ядра и электроны в густой рой посредине камеры и поддерживать его на весу до тех пор, пока не начнется реакция. Сетку силовых линий легко ввести внутрь полого кольца или цилиндра с помощью наружного электромагнита. А можно сделать иначе – перевести плазму на самообслуживание.

Вот проволочки, расположенные рядом, взаимно параллельно, как гитарные струны. Если пропустить через них ток в одном направлении, они потянутся друг к другу. Их обоюдное влечение порождено нимбом электромагнитного поля, окутывающим каждую из них этакой незримой муфтой. А если ток пройдет через газовую смесь? Скажем, в виде мощного разряда – в десятки тысяч ампер? Разумеется, кратковременного, в миллионные доли секунды: иначе просто не выдержит аппаратура. Тогда отдельные «волоконца» искусственной «молнии» будут стремиться сойтись, увлекая за собой заряженные частицы – те самые, что во время пробоя образовались из нейтральных атомов. Сжимаясь в тонкий длинный жгут, плазма разогреется до сверхвысоких температур (это явление получило в английском языке название пинч-эффекта).

Теорию быстрых линейных пинчей создали в 1953 году академик М. А. Леонтович и С. М. Осовец, а впоследствии независимо от них американский ученый М. Розенблют. Советские физики впервые обратили внимание на огромную роль, которую играет полностью ионизированная токопроводящая оболочка газового столба (скин-эффект – от английского «шкура»). Мгновенно сужаясь, она порождает цилиндрическую ударную волну, направленную внутрь, к собственной оси. Распространяясь по радиусу со скоростью свыше 100 километров в секунду, этот необычный взрыв превращает нейтральную газовую сердцевину шнура в высокотемпературную плазму.

В своих опытах над самосжимающимся разрядом ученые впервые столкнулись с явлением плазменной неустойчивости. Электрические струйки искусственной «молнии», не обладая жесткостью, вихлялись и тем самым способствовали быстрому разрушению осевого ядерно-электронного сгустка. Нужно было сделать эфемерное облачко плазмы более стабильным.

Советский физик Г. И. Будкер, ныне академик, возглавляющий Институт ядерной физики в новосибирском Академгородке, высказал, а потом (в 1953 году) обосновал идею «магнитной бутылки». По такому принципу действует знаменитая «Огра» («объемный газовый разряд») – самая большая в мире ловушка подобного типа, пущенная в 1958 году. Она рассчитывалась и строилась под научным руководством И. Н. Головина. Это установка цилиндрической формы поперечником 1,4 метра, а в длину – целых 20. Здесь магнитное поле создано неподвижным соленоидом, намотанным снаружи на трубу. Таким образом, силовые линии, удерживающие плазму, не «гуляют», они как бы закреплены в пространстве жесткой сеткой. Поле внутри вакуумной камеры напоминает бутыль, у которой на месте донца второе горлышко. «Пробки» тоже магнитные – они создаются парой катушек с током, расположенных по обоим торцам цилиндра.

Применяются не только цилиндрические камеры, но и изогнутые – скажем, наподобие восьмерки («Стелларатор»). Или в виде бублика (английские «Зета» и «Скептр»); советская «Альфа», сконструированная по образцу «Зеты»; семья оригинальных советских установок («Токамак»).

«Если рассматривать результаты исследований, выполненных на установках „Зета“, „Скептр“, „Альфа“ и других, с точки зрения тех перспектив, которые они открывают для решения задачи об управляемом термоядерном синтезе, то эти перспективы будут иметь весьма пессимистическую окраску», – говорил академик Л. А. Арцимович. Зато дальнейшая работа с системами типа «Токамак», по его словам, «имеет серьезные перспективы».

Несмотря на все ухищрения, плазма увертывается от магнитной упряжи, отлынивает от мирной работы.

Но, обнажая с каждым разом все новые черточки своего норовистого характера, она тем самым подсказывает ученым и инженерам, как им лучше идти на следующий приступ.