Текст книги "Роберт Оппенгеймер и атомная бомба"

Автор книги: Мишель Рузе

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 11 страниц)

В этом не совсем серьезном ответе заметна та характерная для Оппенгеймера непринужденность в беседе, которая, по свидетельству тех, кто его знал, составляла черту его личного обаяния. И даже если ему задавали вопрос, относящийся к серьезной проблеме, то он отвечал на него слишком витиевато; однако после нескольких обходных маневров смущенный собеседник замечал, что ответ, казавшийся весьма далеким от вопроса, неожиданно становится ясным и раскрывает самую суть затронутой проблемы. Не так ли когда-то изрекали свои истины оракулы и апостолы?

После того как Оппенгеймер заканчивал годовой курс лекций в Калифорнийском университете, он обычно продолжал занятия в Технологическом институте в Пасадене, неподалеку от Лос-Анжелоса, и многие студенты следовали за ним из Сан-Франциско, не желая расставаться на шесть месяцев с преподавателем, который излагал новейшую физику, как увлекательную историю приключений человеческого разума. Вдобавок ко всему, молодой преподаватель обладал привлекательной внешностью: синие глаза под густыми бровями украшали его несколько неправильное лицо, «Несмотря на молодость «Оппи» (как его называли), подрастающее поколение американских физиков, – рассказывает Юнг, – уже смотрело на него, как на образец для себя, точно так же, как всего лишь несколько лет назад он сам смотрел на великих ученых-атомников в Европе. Благоговение, которое испытывали студенты к своему кумиру, было столь велико, что сознательно или несознательно они подражали многим его личным странностям. Держали, например, головы слегка набок, как это делал он, слегка покашливали и делали многозначительные паузы между фразами, складывая во время разговора руки перед губами, употребляли туманные сравнения, которые иногда звучали весьма значительно. Оппенгеймер, заядлый курильщик, имел привычку вскакивать и щелкать зажигалкой, когда кто-нибудь вынимал сигарету или трубку. В университетских кафетериях Беркли и Пасадены его студентов можно было узнать, издалека по их привычке время от времени дергаться, подобно марионеткам, с огоньками зажигалок в руках».

Юлиус Роберт Оппенгеймер

Между тем американские и иностранные журналы продолжали из месяца в месяц публиковать статьи Оппенгеймера, представлявшие большой интерес. И то, что имя Оппенгеймера не стоит рядом с именами великих открывателей новых путей в физике, нисколько не умаляет роли Оппенгеймера, как пионера новой области познания, неистощимого в своей научной активности. В то время теория и эксперимент особенно плодотворно дополняли друг друга. Уравнения волновой механики дали возможность углубиться в сущность взаимодействий энергии и вещества, поведения электронов и составных частей ядра. Ускорители частиц предоставили в распоряжение экспериментаторов снаряды, несравненно более мощные, чем альфа-частицы, возникающие в процессе естественной радиоактивности, которыми пользовался Резерфорд. Средства наблюдения и обнаружения также стали более совершенными.

Частицы, несущие электрический заряд, проходя через влажные пары в камерах Вильсона, оставляют после себя мельчайшие капельки тумана, которые обозначают их траекторию и дают возможность наблюдать столкновения между частицами, а также происходящие при этом изменения. Несмотря на то что камеры Вильсона тогда еще были довольно несовершенными, они все же позволяли наблюдать и регистрировать малейшие «события» во внутриатомной вселенной, а также пучки удивительных космических лучей, которыми много занимался Оппенгеймер. Отсчет быстрых частиц, пересекающих небольшой объем, производился очень чувствительными усилителями. Таким образом накапливались данные о потерях энергии каждой частицы, а следовательно, и о ее физической природе.

В то время физики, вооружившись представлением о структуре атома, состоящего из ядра, которое окружено электронами, подчиняющимися законам квантовой механики, начали атаку на само ядро. 1931 год отмечен важным открытием. Во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое весьма мощное излучение. Фредерик Жолио и Ирэн Жолио-Кюри [4]4
  См. книгу этой же серии: Пьер Бикар. Фредерик Жолио-Кюри и атомная энергия. М., Госатомиздат, 1962,


[Закрыть] пропустили это излучение через парафин и заметили, что на пути неизвестных лучей возникают протоны, т.е. положительно заряженные частицы, входящие в состав атомного ядра. Новое излучение оказалось таким мощным, что оно не только выбивало электроны из атома (как это делают фотоны высоких энергий, гамма-лучи или рентгеновские лучи), но и разрушало само ядро. Это открытие наделало много шуму, но из-за недостаточности данных французские ученые неправильно истолковали природу излучения, испускаемого бериллием. Они ошибочно утверждали, что неизвестные лучи представляют собой электромагнитное излучение, т.е. фотоны, подобные гамма-лучам.

Британский ученый Чедвик, поддерживаемый Резерфордом, в лаборатории Кавендиша, оснащенной более совершенным оборудованием, чем в «героические годы», провел эксперимент, раскрывший истинную природу излучения бериллия: это оказался поток частиц, обладавших массой протона, но не имевших никакого электрического заряда.

Открытие нейтрона – так назвали новую элементарную частицу – завершило «модель» атома Резерфорда-Бора: Гейзенберг выдвинул гипотезу[5]5
  Впервые эта гипотеза была высказана советским ученым Д.Д. Иваненко. – Прим. ред.


[Закрыть] о том, что ядро состоит из протонов – носителей положительного заряда и нейтронов, лишенных электрического, заряда. Это дало возможность объяснить существование изотопов – разновидностей одного и того же вещества с разным атомным весом; ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, а следовательно, и положительных зарядов (атомное число, характеризующее их химическое сродство), но различное число нейтронов.

При изучении атомного ядра обнаружились новые затруднения. Сила, которая связывает электроны с ядром, известна – это кулоновское притяжение между разноименными электрическими зарядами. Но сила, которая соединяет протоны и нейтроны в ядро, не является ни тяготением, ни электрическим взаимодействием. Сила эта действует только на очень коротких расстояниях, но достигает громадной величины: вырвать протон или нейтрон из ядра можно только в результате бомбардировки ядра снарядами с высокими энергиями. Природа ядерных сил остается в центре дискуссий теоретической физики и на сегодняшний день.

Из работ, опубликованных Оппенгеймером в тот период, следует отметить исследование ядерного превращения лития при соударении с протоном. Ядро лития, которое содержит три протона и четыре нейтрона, поглощает падающий на него протон и изменяет свою природу: оно становится ядром бериллия – элемента с четырьмя протонами. Одновременно ядро отдает энергию в виде электромагнитного излучения – гамма-лучей с высокой энергией.

В годы, предшествовавшие второй мировой войне, было открыто множество ядерных реакций. Одни элементы превращались в другие под действием альфа-частиц, (ядра гелия), дейтронов (ядра тяжелого водорода: один протон и один нейтрон), протонов и нейтронов. Одновременно происходило излучение энергии либо в виде гамма-лучей (фотоны), либо в виде потоков различных частиц. Волновая механика продолжала оставаться инструментом теоретического анализа, с помощью которого удавалось объяснять, а иной раз и предсказывать физический механизм этих реакций и природу испускаемого излучения. Исходя из позиций волновой механики, удалось предсказать существование неизвестной еще тогда частицы – мезона, масса которого имеет промежуточное значение между массами протона и электрона. Мезон в поле ядерных сил играет роль, аналогичную роли фотона в электромагнитном поле.

Накануне мировой войны Оппенгеймер был признан одним из крупнейших теоретиков новейшей физики, а также блестящим преподавателем, воспитавшим в США плеяду молодых ученых, среди которых он пользовался огромной популярностью.

Столкновение с политикой

Так же как и в студенческие годы, интересы Оппенгеймера не ограничивались научными исследованиями. Однако теперь его волновали не средневековые поэты и не индийские мистики, а судьба мира, над которым нависла угроза гитлеризма. В немецких университетах, которые Оппенгеймер так хорошо знал, нацисты подвергли гонениям ученых «неарийского» происхождения, а вместе с ними и их коллег, которые пытались встать на защиту своих товарищей. Принуждение и страх вытеснили из Геттингена атмосферу свободного интеллектуального соперничества. Большинство немецких профессоров отступило перед натиском темных сил; это были люди, готовившие себя к тихой университетской деятельности и не обладавшие ни стойким самосознанием, ни политическим мужеством. Несколько посредственностей, а вместе с ними и два лауреата Нобелевской премии – Ленард и Штарк, активно поддерживали глумления национал-социалистов, не дожидаясь конца Веймарской республики, очевидно, следуя пословице «с волками жить – по волчьи выть». Эта группа мракобесов объявила «еврейской физикой» теорию относительности Эйнштейна и даже квантовую механику. Нильс Бор стал для них не более чем просто полуарийцем.

И, наконец, глупость достигла апогея: появились модели атомного ядра, одобряемые расовой теорией и не удовлетворяющие ей. Политический догматизм (в данном случае особенно убогий) грубо вторгался в сферы основного постулата всех научных исследований, направленных к познанию природы, – постулата о существовании объективной и рациональной истины, равнозначной для всех идеологий и всех социальных систем. Подобная обстановка не раз уже омрачала историю науки, да и сегодня приходится наблюдать подобное положение в ряде стран. Однако наступление, проводившееся против интеллигенции в гитлеровском государстве, приняло особенно варварские формы. Многие ученые в других странах почувствовали угрозу фашизма и солидаризировались с его первыми жертвами. Среди жертв было несколько близких друзей и родственников Оппенгеймера. Оппенгеймер был до этого довольно безразличен к политическим событиям, но теперь он начал размышлять, а когда в 1936 году над Испанской республикой нависла угроза фашизма, он открыто выступил в ее поддержку. В этот же период своей жизни Оппенгеймер познакомился со студенткой, изучавшей психиатрию, и собирался на ней жениться. Она познакомила его с активными членами коммунистической партии в Калифорнии.

В 1937 году скончался отец Роберта – Юлиус Оппенгеймер, оставив сыну солидное наследство, которое позволило ему систематически оказывать материальную помощь антифашистским организациям. Оппенгеймер сам писал брошюры и листовки, печатал их за свой счет и распространял через своих друзей-студентов.

Однако вскоре этот порыв прошел. Оппенгеймер познакомился с молодой женщиной-биологом и женился на ней в 1940 году.

Из Советского Союза начали приходить трагические известия о жестокости Сталина по отношению к физикам-антифашистам, пытавшимся найти там убежище. Это подействовало как холодный душ на прокоммунистические настроения многих интеллигентов Запада. Оппенгеймер отошел от коммунистической партии, членом которой он никогда и не был, но он не мог порвать отношения с теми, кто продолжал бороться в ее рядах или сочувствовал ей. Среди них были его близкие друзья и даже брат Франк, который в то время занимался изучением космических лучей и своими работами продолжал исследования Роберта.

Таковы были обстоятельства, которые определили дальнейшую судьбу профессора Роберта Оппенгеймера, в 1939 году, когда произошли два, казалось бы, не связанные друг с другом события: подготовка вторжения в Польшу и открытие расщепления урана.

III. Деление урана

Открытие нейтрона привело к новым путям исследования атомного ядра. Электрически заряженные частицы – протоны или альфа-частицы – могут столкнуться с атомным ядром, только если им сообщить энергию, достаточную для преодоления электрической силы отталкивания. Нейтрон же, лишенный какого-либо электрического заряда, беспрепятственно преодолевает потенциальный барьер, не испытывая никакого противодействия со стороны ядра. Эта частица, открытая Чедвиком, оказалась превосходным снарядом для осуществления реакции ядерного превращения. При бомбардировке различных элементов нейтронами происходят ядерные реакции, сходные с теми, которые протекают под действием протонов и альфа-частиц: после удара частицы ядро распадается, выделяя одну легкую частицу и превращаясь в ядро элемента с соседним атомным номером. Однако при наблюдении ядерной реакции урана обнаружилась совершенно иная картина: ядро после столкновения с нейтроном раскалывалось на два более легких ядра, которые соответствовали весьма далеким от урана химическим элементам.

Этот результат был настолько неожиданным, что даже тот, кто его впервые получил – итальянский физик Энрико Ферми, – ничего не понял. Он собирался воспроизвести знаменитые парижские опыты супругов Жолио, которые только что открыли искусственную радиоактивность, но вместо альфа-частиц, использованных французскими физиками для бомбардировки элементов, он решил применить нейтроны. Некоторые из элементов, подвергнутых бомбардировке, обнаружили радиоактивность, свидетельствующую о ядерных превращениях. При этом Ферми заметил, что радиоактивность значительно увеличивалась, если направляемые нейтроны предварительно пропускались через воду или через парафин. Это был парадоксальный факт. Но Ферми не представлял себе реально происходящего процесса, поэтому когда он приступил к химическому анализу веществ, возникших в результате бомбардировки урана нейтронами, то рассчитывал идентифицировать элемент, более тяжелый, чем уран, трансурановый элемент с атомным номером 93.

Элемент 93 в настоящее время хорошо известен – это нептуний. Его действительно можно получить, бомбардируя уран нейтронами в определенных условиях. Но тогда Ферми ошибался. Ядерные превращения, которые ему удалось получить, означали поворот в физике. Ферми был, безусловно, первым, кому удалось осуществить расщепление ядра урана. Такая мысль не приходила ему в голову, так как ему казалось невероятным, чтобы ядро разлетелось на куски под ударом нейтрона, в то время как это не удавалось сделать с помощью частиц гораздо больших энергий – альфа-частиц и протонов.

Опыты Ферми, повторенные многими учеными, повлекли за собой довольно бурные дискуссии. Немецкая исследовательница химик Ноддак была первой, кто правильно предугадал смысл наблюдавшегося явления. Она писала: «Ничто не противоречит допущению, что это ядерное превращение под действием нейтронов сопутствует реакциям, совершенно отличным от тех, которые возникают при бомбардировке атомных ядер протонами или альфа-частицами».

В Париже в течение 1938 года – года Мюнхена и вторжения в Чехословакию – Ирэн Жолио-Кюри со своим сотрудником Савичем провела работы по бомбардировке урана нейтронами. В результате исследований они получили вещество, сходное с лантаном – элементом, весьма далеким от урана по таблице Менделеева.

В Берлине Отто Ган, который долгие годы поддерживал гипотезу Ферми относительно трансурановых элементов, неожиданно переменил свою точку зрения и, повторив вместе со своим сотрудником Штрассманом опыты Ирэн Жолио-Кюри, доказал, что неизвестное вещество, сходное с лантаном, не что иное, как барий. Барий имеет атомный номер 56, а это означает, что его ядро содержит чуть больше половины числа протонов в ядре урана (92). Таким образом, ядро урана раскалывается на более легкие ядра, среди которых и ядро бария (в настоящее время известно, что при этом возникают и другие элементы). Отто Ган назвал этот процесс расщеплением; термин деление появился гораздо позднее.

Деление урана сопровождается выделением энергии, а также освобождением нейтронов. Но прежде чем показать, каким образом, вопреки предсказанию Резерфорда, вскоре стали использовать эту энергию в качестве источника огромной энергии и даже в виде взрыва, а также проследить за ролью Роберта Оппенгеймера, бросим беглый взгляд на те открытия, которые подтвердили возможность цепной реакции и были сделаны за несколько месяцев до второй мировой войны.

Прежде всего, откуда берется энергия, выделяющаяся во время деления ядра урана?

Если массу атомного ядра «взвесить» с помощью методов современной физики, то окажется, что она несколько меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра. Эта разность, или дефект массы, соответствует энергии, высвобождающейся при образовании ядра. Дефект массы является еще одним подтверждением знаменитого уравнения Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Если разделить дефект массы ядра на число частиц, которое оно содержит, то оказывается, что это отношение неодинаково для всех элементов. Оно достигает максимальной величины для элементов среднего атомного веса и уменьшается для более легких и более тяжелых элементов. Было обнаружено также, что при расколе ядра самого тяжелого элемента – урана – на множество ядер элементов среднего веса, сумма масс созданных новых ядер меньше массы ядра урана. Эта разность превратилась в энергию, распределившуюся между различными формами излучения, а также сообщенную осколкам деления и нейтронам в виде импульсов количества движения.

Исследования, проведенные Фришем в Копенгагене и Жолио в Париже в январе 1939 года, подтвердили теоретические расчеты: высвобождающаяся при делении одного ядра энергия оказалась равной примерно 200 миллионам электрон-вольт.

Мы уже знаем, что ядра урана, бомбардируемые нейтронами, в свою очередь испускают нейтроны. Возникает второй вопрос: откуда появляются вторичные нейтроны? Оказывается, в их происхождении нет ничего загадочного. Ядра всех элементов содержат протоны и нейтроны (кроме водорода, состоящего только из одного протона), но отношение числа нейтронов к числу протонов в тяжелых ядрах увеличивается по сравнению с ядрами легких элементов.

При расколе ядра урана появляется больше нейтронов, чем нужно для образования легких ядер, возникающих при делении. Некоторые из этих нейтронов, вошедших в новые ядра, превращаются в протоны, одновременно испуская один электрон: это отрицательная бета-радиоактивность. Избыточные нейтроны выбрасываются из ядра и остаются в течение некоторого времени в свободном состоянии.

Ученые-атомники напуганы своим открытием

Об эмиссии нескольких нейтронов расколовшимся ядром урана стало известно в начале 1939 года после сообщений, поступивших, с одной стороны, от Жолио и его сотрудников, а с другой – от Хэнни и Розенберга. Явление эмиссии натолкнуло многих физиков на одну и ту же невероятную мысль. Если деление первого ядра, находящегося где-то в толще куска урана, может создать несколько нейтронов, каждый из которых вызовет деление находящегося поблизости другого ядра, то каждое из ядер, подвергнувшихся такому делению, также выделит нейтроны и т.д. Это – цепная реакция, возможность которой была предсказана почти одновременно многими учеными, среди которых были Сциллард и Жолио.

Заметим, что нейтроны – не единственные снаряды, способные вызвать деление ядра урана, для этого годятся также положительно заряженные частицы, которым сообщено соответствующее ускорение. Но практический интерес представляет реакция только под действием нейтронов, потому что в самом процессе деления появляются нейтроны в возрастающем количестве и они, таким образом, являются бесплатными снарядами, обеспечивающими самоподдерживающую реакцию.

Цепная реакция предвещала не только переворот в науке, если учесть время, когда это грандиозное открытие появилось на горизонте.

С самого начала ядерная энергия предстала как источник энергии, несравненно превосходящий по запасам все другие известные к тому времени виды энергии. Было подсчитано, что каждый «разделенный» атом высвобождает около 200 миллионов электронвольт энергии. Сгорание одного атома углерода выделяет энергию, в пять – десять миллионов раз меньшую.

Если же сравнить не атомы, а вес (один атом углерода, разумеется, легче одного атома урана), то мы получим, что сгорание одного грамма углерода выделяет энергию 0,0089 киловатт-часа, а деление одного грамма урана – 22 000 киловатт-часов, т.е. примерно в 2,5 миллиона раз больше.

Уран не является редким металлом – наоборот. До сих пор поиски урана и его добыча велись не очень активно, и это объясняется только ограниченностью его потребления в промышленности. Если бы человечество сумело использовать энергию ядра урана, то ему не пришлось бы бояться истощения месторождений угля и нефти: страшная угроза энергетического голода отдалилась бы на много веков. Ученый-атомник стал бы современным Прометеем, похитившим у богов новый огонь.

Однако этот же огонь мог оказаться и гибельным для людей. Нельзя забывать о том времени, когда физики открыли возможность использовать цепную реакцию: это было в начале 1939 года, когда каждому здравомыслящему человеку было ясно, что надвигается вторая мировая война. Случилось так, что и теоретики, и экспериментаторы, которые до сих пор игнорировали политические события, больше не могли не замечать их. Многие наиболее прославленные ученые, гонимые фашизмом, вынуждены были искать убежища в США или, как Энрико Ферми, добровольно покидали свою страну, чтобы не служить власти, которую они презирали. Тот факт, что некоторые немецкие ученые, казалось, вошли в гитлеровскую систему, не мог не увеличить отвращения к гитлеризму со стороны таких людей, как Оппенгеймер, который был знаком с этими учеными и знал либеральный климат немецких университетов до того, как их окутали тучи коричневой чумы.

Что станет с цивилизацией, если мрак фашизма охватит всю Западную Европу, а потом, может быть, и весь мир? Уцелеют ли те интеллектуальные и моральные ценности, с которыми ученые связаны не просто как люди, а как люди науки? Ответ на этот страшный вопрос зависел от исхода предстоящей войны. И эту войну Гитлер, безусловно, выиграл бы, если бы физики дали ему в руки оружие массового уничтожения, теоретическая возможность создания которого появилась в результате открытия деления урана.

Ученые-атомники оказались перед проблемой, уклониться от которой значило пойти на сговор с собственной совестью. С одной стороны, продолжая свои исследования взрывной реакции деления урана, они шли к созданию такого оружия, которое далеко превзошло бы по своим возможностям все, что когда-либо делали люди для взаимного уничтожения, и которое могло бы поставить под угрозу существование человечества. С другой стороны, отсрочка работ или изменение их направления могли помочь вырваться вперед той горсточке физиков, которые остались служить нацизму, и тогда оружие попало бы в руки губителей всякой надежды на лучшее будущее.

Рассказывают, что когда перед Отто Ганом кто-то начал развивать возможные перспективы применения ядерных превращений, то Ган закричал: «Бог этого не допустит!». В это же самое время немецкие солдаты застегивали на себе ремни с пряжками, на которых были выбиты слова: «Gott mit uns» [6]6
  С нами бог (нем.).


[Закрыть]. Тем не менее факт остается фактом, хотя о нем достоверно стало известно только значительно позже, физики, оставшиеся в Германии, изменили направление своих исследований, проводившихся во время войны, и их работы уже не могли привести к созданию бомбы.

Что касается венгерского физика Сцилларда, эмигрировавшего в Америку, то он предложил ученым прекратить всякую публикацию работ, относящихся к делению урана, для того чтобы полученные результаты не могли быть использованы в Германии. В письме, написанном Фредерику Жолио, он сформулировал свое пожелание в следующей форме, прекрасно отражающей ту драматическую ситуацию, в которой тогда находились ученые: «Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нолю, либо недостаточно и что нам не придется больше беспокоиться по этому поводу».

Однако через несколько недель решающий эксперимент, проведенный группой Жолио, разрушил отчаянные надежды Сцилларда: на 100 делящихся ядер урана французские физики насчитали от 280 до 420 вторичных нейтронов. Возможность цепной реакции оказалась, таким образом, подтвержденной цифрами.

Изотоп 235 и условия цепной реакции

Однако до практического осуществления реакции было еще далеко. Для того чтобы научиться управлять цепной реакцией, необходимо было лучше понять особенности этого нового явления, а следовательно, снова направить теоретические исследования к познанию атомного ядра. И тогда Нильс Бор, который находился еще в Копенгагене, но тоже собирался переехать в Америку, еще раз внес важный вклад в решение этой проблемы.

Почему в некоторых случаях ядро урана под ударом нейтрона раскалывается на множество осколков (как будто в результате потери внутреннего равновесия) вместо того, чтобы совершать такое же простое ядерное превращение, какое происходит с другими элементами, которые переходят при этом из одной клетки таблицы Менделеева в соседнюю? Чтобы это объяснить, представим себе ядро урана в виде капли жидкости: эта капля довольно тяжела, а когда ее утяжеляют еще больше, то она делится на две более мелких капельки. Такое представление помогает понять, что именно ядро урана, самого тяжелого элемента в природе, может стать предметом деления, если увеличивать его заряд. «Модель» ядра в виде капли жидкости позволила предпринять первую попытку дать математическое описание ядерного деления.

Однако природа сил, играющих основную роль в сцеплении и расщеплении атомного ядра, гораздо сложнее физического механизма сцепления молекул в капле жидкости. Для того чтобы рассчитать их действие, необходимо прибегнуть к волновой механике. Если бы нейтрон был только мельчайшим кусочком вещества, имеющим сферическую форму и подчиняющимся законам классической механики, то вероятность его столкновения с атомным ядром была бы настолько мала, что ядерную реакцию можно было бы считать невозможной. Диаметры нейтрона и ядра очень малы по сравнению с пространством, в котором они перемещаются. Вещество, кажущееся нам таким плотным – кусок урана, – в действительности представляет собой пустоту, где находятся частицы, разделенные громадными по сравнению с их размерами расстояниями. У нейтрона, направленного в толщу вещества, столько же шансов попасть в ядро, сколько у одного бильярдного шара попасть в другой, находящийся на расстоянии нескольких километров.

Но частицы в отличие от бильярдных шаров обладают не только свойствами массы и количества движения; их необходимо рассматривать также в сочетании с волной определенной длины. Роберт Оппенгеймер в одной из своих лекций говорил: «Волновая природа, присущая всей материи, проявляется в условиях бомбардировки одних материальных частиц, другими (медленными, с очень большой длиной волны) таким образом, что бомбардирующие частицы могут воздействовать на свои мишени гораздо чаще, чем это было бы возможно только в процессе столкновений. И даже сама невозможность точного определения относительного положения частиц заключает в себе скрытую возможность их взаимодействия на расстояниях, характеризуемых подчас длиной волны, а не физическими размерами частиц. Это обстоятельство является одной из причин того, что следы урана-235, присутствующие в естественном уране, могут захватывать достаточное количество пролетающих по соседству нейтронов; это позволяет поддерживать цепную реакцию в атомном реакторе». Оппенгеймер, таким образом, объясняет, почему нейтронные шарики наталкиваются на ядра, разбросанные в пространстве, а также почему медленные шарики (речь идет, конечно, об относительной медлительности) достигают своей цели лучше, чем быстрые: они имеют большую длину волны, соизмеримую с радиусом ядра.

Исходя из наших предположений, на основании принципов квантовой механики довольно трудно предсказать, что же произойдет после захвата нейтрона ядром. Внедрение дополнительного нейтрона, обладающего определенной энергией, в сложную структуру атомного ядра может повлечь за собой различные явления: увеличение массы ядра на единицу без изменения числа протонов и без ядерного превращения; процесс ядерного превращения с испусканием отрицательных бета-лучей и превращением нейтрона в протон; деление ядра, сопровождающееся выделением нейтронов… Вероятность того или иного явления зависит от уровня энергии бомбардирующего нейтрона и от уровней энергии внутри ядра. Таким образом, соответствие уровня энергии бомбардирующего нейтрона одному из уровней энергии внутри ядра в какой-то мере обусловливает вероятность именно данного явления, нежели какого-либо иного.

С одной стороны, чтобы из всех возможных процессов получить именно деление ядра, надо было определить теоретически и экспериментально оптимальную энергию, которую необходимо сообщить нейтронам. При этом надо было знать весь спектр энергий нейтронов, испускаемых в процессе деления, уменьшать их энергию путем торможения до определенной величины и тем самым добиться того, чтобы наибольшее возможное число их обладало бы оптимальным уровнем энергии.

С другой стороны, вероятность того или иного ядерного события, происходящего после захвата нейтрона, зависит также от энергетических уровней ядра. Если речь идет об одном и том же элементе, то энергетические уровни оказываются различными для его изотопов. Природный уран представляет собой смесь изотопов 238 (92 протона, 146 нейтронов) и 235 (92 протона, 143 нейтрона), находящихся в весьма неравном соотношении. Еще Бору путем расчета удалось установить, что под действием медленных нейтронов происходит деление более редкого изотопа 235, который входит в состав природной смеси всего лишь в пропорции 1/140. Таким образом, выяснилось, что возникновению цепной реакции в массе урана способствуют следующие три обстоятельства:

1) в природном уране содержится 1/140 делящегося изотопа (U²³⁵);

2) уран-238, захватывающий медленные нейтроны без деления, ведет себя более сложно по отношению к быстрым нейтронам, испускаемым в результате деления соседних ядер: в некоторых случаях происходит деление;

3) простой захват одного нейтрона ядром урана-238 приводит к образованию урана-239, радиоактивного изотопа с коротким периодом распада, который в результате ядерного превращения образует элемент 93 (нептуний), превращающийся, в свою очередь, в элемент 94 (плутоний). А полученный таким образом плутоний сам делится (так же как и уран-235) под действием медленных нейтронов.

Для цепной реакции достаточно, чтобы на каждое делящееся ядро приходилось в среднем по одному нейтрону, который вызовет следующие деления. Но нетрудно догадаться, что этот коэффициент размножения для полностью расщепляющейся массы будет больше, чем для природного урана. То, что может годиться для реактора, где ставится задача получить управляемое выделение энергии, не может быть использовано для бомбы, где высвобождение всей возможной энергии должно произойти как можно быстрей, почти мгновенно.