Зато на пятом, последнем предвоенном совещании по физике в 1940 году была снова продемонстрирована не просто неоспоримая состоятельность школы Курчатова, а мировая её неоспоримая состоятельность. Здесь прозвучало сообщение об открытии К.А. Петржаком и Г.Н. Флёровым спонтанного деления ядер урана. То есть об открытии нового вида радиоактивных превращений.
К этому открытию привела короткая по времени, но исполненная препятствий дорога.
В начале 1939 года Фредерик Жолио-Кюри поделился знанием, что ядро урана легко разбивается нейтронами. И очень скоро Отто Хан (Otto Hahn) и Фридрих Штрассман (Friedrich Wilhelm Straßmann) расщепление урана осуществили, получив ядра с примерно в два раза меньшей массой. То есть получили другие элементы. Мечта алхимика!
Решение Президиума АН СССР об утверждении И.В. Курчатова заведующим лабораторией ЛФТИ. [НИЦ «Курчатовский институт»]
К.А. Петржак.
[Из открытых источников]
Г.Н. Флёров в 1940 г.
[Из открытых источников]
Только, как нередко и бывало в то время в атомной физике, было непонятно, что именно произошло в этом опыте. Но вскоре Отто Фриш (Otto Robert Frisch) и Лиза Мейтнер (Lise Meitner) дали физическое объяснение этого процесса, впервые назвав его «расщеплением». Притом сам Отто Хан не верил в им же открытое расщепление ядра, пока Мейтнер не убедила его в этом.
Но по факту она открыла (ну или обосновала; впрочем, это не меньшее открытие, чем в ходе того самого эксперимента Хана и Штрассмана) нечто большее. Она открыла-обосновала цепную реакцию, показав, что разбиваемые нейтронами ядра урана распадались на ядра бария и криптона с выделением новых нейтронов и большого количества энергии. А дальше – простая логика. В получившихся осколках будет избыток нейтронов. Которые – что? – верно, будут выстреливаться дальше и разбивать новые ядра. Которые снова выделят вторичные нейтроны. И так далее.
Цепная реакция…
Это была бомба! Как в эмоционально-переносном, так и в военно-перспективном смысле. Недаром Лео Силард (Leо Szilаrd) вместе с Эдвардом Теллером (Edward Teller) и Юджином Вигнером (Wigner Jenő Pál), прочитав публикации и содрогнувшись от мысли, что явно напрашивающееся в руки оружие невероятной силы окажется в руках гитлеровской Германии, обратились к Альберту Эйнштейну (Albert Einstein) и убедили того как всемирно признанного авторитета в физике предложить президенту США заняться этой темой вплотную.
В результате возникло «письмо Эйнштейна – Силарда», которое, правда, удалось передать Франклину Рузвельту (Franklin Delano Roosevelt) далеко не сразу – лишь в октябре 1939 года. И что характерно, президент отнёсся к изложенной идее и аргументам довольно скептически. А как ещё – деньги-то предстояло затратить просто фантастические! Но после ряда консультаций Рузвельт всё же учредил урановый комитет, который и дал начало «Манхэттенскому проекту».
В СССР же руководство, в том числе и научное, возникшую опасность появления у геополитических соперников нового разрушительного оружия не просчитало. Во всяком случае, поначалу. Несмотря даже на то, что ещё в 1914 году пусть и фантаст, но Герберт Уэллс описывал открытие человечеством расщепления атома и разрушающие города ядерные бомбы в ходе Последней Войны. Пусть технология была описана и наивно – именно на уровне 1914 года, – но это всё ж писатель, а не физик. Но даже писатель вполне стройно сумел вывести мощную энергию и «вредное излучение» из известных ему данных о радиоактивных элементах и их распаде. Словом, это ещё тогда витало в воздухе, и особого дара предвидения не требовалось, чтобы понять, куда приведут неизбежные открытия в уже неостановимых исследованиях по ядерной физике…
И практически один только И.В. Курчатов и нацелился на эту новую и до мурашек на коже перспективную тему. Ему нужен был точный ответ на точный вопрос: при каких условиях возможна цепная ядерная реакция в уране, как, в каких и в каких цифровых величинах происходит размножение нейтронов в различных сочетаниях урана и замедлителя? Разных замедлителей?
Задачу провести соответствующие опыты он поставил перед двумя своими сотрудниками. Или учениками, что тоже будет верно: Георгий Флёров был курчатовским дипломником и работал в ЛФТИ, Константин Петржак тоже готовил диплом под руководством Игоря Васильевича, только числился при Радиевом институте. Но фактически входил в группу сотрудников лично Курчатова.
То есть это была миниатюрная коллаборация двух институтов. С Игорем Васильевичем в роли руководителя-координатора. Кстати, скорее всего, именно по этой причине он отказался – а он отказался – поставить свою подпись под сообщением об открытии спонтанного деления урана. Не только потому, что, как пишут, опасался затмить своим именем заслуги молодёжи, но и потому, что предельно щепетильно относился к научной этике. Той самой, в которой гласно и негласно не одобряется, когда директор, руководитель, начальник ставит свою подпись под работами подчинённых. Хотя, конечно, в организации и обеспечении, а то и научном руководстве его роль отрицать нельзя, но вот не одобряется, и всё тут! Если ты непосредственно над установкой не корпел, над опытами ночами не сидел, свою формулу не предложил, то не должен ты претендовать на участие в открытии. Или в публикации.
Это не нынешние – вздохнём – научные нравы, когда под вполне ординарной статейкой можно обнаружить десятки, а то и сотни имён. Включая чуть ли не электриков и водителей. Это если ещё к насмешкам злых языков над «братскими могилами» не прислушиваться – те смеются, что в сообщениях от ЦЕРНа (где Большой адронный коллайдер спорадически включают) и тысячи подписей встречаются.
Но в описываемые времена справедливость считалась всё-таки не тысячами.
Как бы то ни было, Петржак и Флёров дополняли друг друга так, что арифметика пасовала: один плюс один было больше двух. Действительно, ученики сделали всё сами.
Для намеченных опытов требовался индикатор нейтронов, на порядок, а лучше на два более чувствительный, нежели уже имевшиеся. И Флёров с Петржаком с этой задачей справились: сделали настолько чуткую – на три порядка чувствительнее конкурентной американской – установку, что на ней и удалось зарегистрировать четвёртый вид радиоактивного распада. Того самого спонтанного.
Но главным в этом эксперименте был ответ на основной вопрос: вторичных нейтронов рождается достаточно, чтобы мог пойти цепной процесс. Флёров и Петржак не только подтвердили, что вторичные нейтроны существуют, но и сумели измерить среднее их число на один акт деления – то, что ныне обозначается символом ν (ню) или νf.
Согласно первым прикидкам Курчатова – Флёрова – Петржака, ν равнялась трём. Плюс-минус единица – значения νf зависят от нескольких факторов, в том числе непостоянных, как, к примеру, энергия первичных нейтронов. И собственно, по тем временам были получены достаточно точные данные: как известно сегодня, для урана в основном его изотопном состоянии – уран-238 – νf при энергиях быстрых первичных нейтронов составляет 2,788. Серьёзное попадание в цель, если учесть, что современные данные точнее первых не только на 80 лет истории, но и на несчётное количество экспериментов и измерений, в том числе и во время ядерных взрывов.
Но, как ни странно на первый взгляд, для Курчатова это открытие уже не представлялось важным. То есть он всё понимал и вполне сумел даже добиться разрешения продолжить эксперимент под слоем земли в 80 метров, в глубинах станции метро «Динамо» в Москве, чтобы исключить фиксацию аппаратурой космического излучения. Но теперь главным он считал уже не спонтанное, а искусственное деление урана – цепную реакцию на медленных нейтронах, вызванную человеческой рукою.
Именно о возможности цепной реакции на медленных нейтронах он и говорил на самом последнем Всесоюзном совещании по физике атомного ядра в ноябре 1940 года. И вкупе со строгим теоретическим расчётом Ю.Б. Харитона и Я.Б. Зельдовича по цепной реакции деления урана вплоть до взрыва становился ясен следующий рубеж – расчёт такой критической массы урана, которая даст ядерный взрыв.
И – что опять же важно для дальнейшего понимания как его выбора, так и выбора его для руководства Атомным проектом – тогда же И.В. Курчатов предлагает рабочий план по цепным реакциям, распределённый по четырём главным физическим институтам.
Одновременно он кинул себя и силы, коими располагал, в прорыв, который на военном языке мог бы быть охарактеризован как оперативный, но с перспективой перехода в стратегический. А именно на поиск подходящего замедлителя цепной реакции. Пока это тоже – чисто лабораторные попытки по определению необходимых свойств потребного вещества, длины замедления и длины диффузии нейтронов и всего, с этим связанного. Но уже становилось ясно, что возможны два варианта – с замедлителем в виде тяжёлой воды и с замедлителем из графита. Только очень чистого. И если всё это обмозговать технически, то можно выйти на вариант создания реактора на основе уран-графитовой решётки.
А это уже управляемая цепная реакция. С той самой необозримой энергией ядра, которую можно будет черпать полными руками!
Вот только не всё пока было ясно. Да, известно точно: нейтроны в уране замедляются. Но как именно, как протекает процесс, что в нём будет преобладать – этого пока никто не знал. Это только предстояло установить.
И устанавливали.
Так, было выяснено, что спонтанно – а значит, и при минимальном энергетическом воздействии – делится нейтронами изотоп урана с массовым числом 235. То есть, на жаргоне физиков, это «топливное» нечётное ядро, которое легко делится любыми, даже малоэнергичными тепловыми, нейтронами. Вот только урана-235 в природе – доли процента. А изотоп 238U, основной распространённый, с чётно-чётным ядром (или «сырьевым» на том же жаргоне), тепловыми нейтронами не делится и требует для развития цепной реакции быстрых нейтронов. Или помещения в бассейн с тяжёлой водой: эта жидкость, с дейтерием вместо водорода в молекуле, хорошо замедляет нейтроны, то есть делает значительную их часть пригодными для «усвоения» ядром – с последующим его распадом.