238U, хотя и не напрямую.
Следующим после урана элементом периодической системы должен быть элемент 93. Однако Тернер считал наиболее вероятным кандидатом на деление не, а следующий за ним элемент, в который элемент 93, вероятно, должен распадаться: он назвал этот элемент «эка-осмием»[1563][1564]. А, предполагал Тернер, число нейтронов в котором изменилось с четного на нечетное при поглощении нейтрона перед распадом (239 нуклонов – 94 протона = 145 нейтронов + 1 = 146), так же как при превращении 235U в 236U, должен быть даже еще более склонен к делению, чем более легкий изотоп урана: «В … избыточная энергия должна быть даже больше, чем в, и следует ожидать большего сечения деления»[1565].
Пока Тернер обдумывал эти теории, два человека в Беркли, Эдвин М. Макмиллан и Филипп М. Абельсон, независимо от него приближались к демонстрации их справедливости. Экспериментатор Макмиллан, худой, веснушчатый человек родом из Калифорнии, был одним из тех, кто в 1930-х годах внес самый большой вклад в доведение циклотронов Эрнеста Лоуренса до такого состояния, в котором они стабильно работали и давали достоверные результаты. Вскоре после того, как в конце января 1939 года до Беркли дошла новость об открытии деления, он разработал простой и изящный эксперимент для изучения этого явления. «Когда ядро урана поглощает нейтрон и происходит деление, – впоследствии говорил Макмиллан в одном из своих выступлений, – два получившихся фрагмента разлетаются в разные стороны с огромной силой, достаточной, чтобы они смогли пролететь в воздухе или другой среде на некоторое расстояние. Величина этого расстояния, называемая “пробегом”, представляет значительный интерес, и я взялся ее измерить». Сначала он взял для этого тонкие листы алюминиевой фольги, «как книжные страницы»[1566], сложенные стопкой поверх слоя оксида урана, под который была подложена фильтровальная бумага. Он бомбардировал уран медленными нейтронами. Некоторые из фрагментов от деления вылетали вверх в стопку фольги; каждый из таких фрагментов, достигнув конца своего пробега, длина которого зависела от его массы, оставался в одном из листов фольги; затем Макмиллан мог просто последовательно проверить листы в ионизационной камере, найти характеристический период полураспада различных продуктов деления и определить длину их пробега (ядро урана может делиться многими способами с образованием ядер множества разных более легких элементов).
Однако нейтронная бомбардировка вызывает радиоактивность и в самом алюминии, что затрудняло измерения периодов полураспада. Поэтому Макмиллан заменил фольгу на стопку папиросной бумаги, предварительно обработанной кислотой, чтобы удалить любые следы минералов, которые могут стать радиоактивными под воздействием нейтронов. «Ничего особо интересного в отношении фрагментов от деления из этого не выяснилось»[1567], – отмечает он. Зато в урановом покрытии фильтровальной бумаги, лежавшей под стопкой папиросной бумаги, «обнаружилось нечто весьма интересное». Он нашел там два радиоактивных элемента с периодами полураспада, отличными от периодов вылетавших продуктов деления. А так как то, что оставалось в урановом слое, никуда не вылетало, эти два элемента, видимо, не были продуктами деления. Вероятно, они получились из урана в результате захвата нейтронов. Макмиллан подозревал, что один из этих двух элементов, период полураспада которого составлял 23 минуты, был тем же элементом, который Ган, Мейтнер и Штрассман в 1939 году определили как 239U, «изотоп урана, порожденный резонансным захватом нейтрона»[1568]. Другой радиоактивный элемент, остающийся в урановом слое, имел более долгий период полураспада, около 2 суток. В отчете о своих экспериментах с фольгой и папиросной бумагой Макмиллан предпочел не высказывать предположений о природе этого второго элемента, но про себя, как он вспоминает, он думал, что «элемент с двухсуточным периодом может… быть продуктом бета-распада урана-239 и, следовательно, изотопом [трансуранового] элемента 93; собственно говоря, это объяснение было самым разумным»[1569].
Чтобы проверить это толкование, Макмиллану нужно было узнать что-нибудь о химических свойствах этого вещества. Он ожидал, что элемент 93 будет химически подобен рению, металлу с атомным номером 75, стоящему в периодической системе рядом с осмием, – то есть будет, если использовать старую терминологию, «эка-рением». Он бомбардировал более крупный образец урана и обратился за помощью к Эмилио Сегре, работавшему тогда в Беркли научным сотрудником. «Сегре был очень хорошо знаком с химией [рения], потому что в 1937 году он и его коллеги [исследуя рений] открыли [сходный элемент], который теперь называют технецием». Сегре начал химический анализ облученного урана; тем временем Макмиллан повысил точность своих измерений периода полураспада и получил 2,3 суток. Сегре, говорит Макмиллан, «показал, что материал с периодом полураспада в 2,3 суток не имеет никаких свойств рения, а ведет себя как редкоземельный элемент». Редкие земли, элементы с 57-го (лантан) по 71-й (лютеций), образуют последовательность близкородственных и странных с точки зрения химии элементов, расположенных между барием и гафнием. Поскольку они обладают средними в периодической системе атомными весами, близкими к барию, они часто оказываются продуктами деления. Когда Сегре обнаружил, что элемент с периодом полураспада 2,3 суток вопреки ожиданиям ведет себя не как рений, а как редкая земля, Макмиллан решил, что дело именно в этом: «Поскольку среди продуктов деления много редкоземельных элементов, в то время казалось, что это открытие означает конец всей этой истории»[1570]. Сегре даже опубликовал о своей работе статью «Безуспешные поиски трансурановых элементов» (An unsuccessful search for transuranic elements).
Возможно, Макмиллан на этом и успокоился бы, но тот факт, что вещество с периодом полураспада 2,3 суток не вылетает из уранового слоя, продолжал его тревожить. «Шло время, и по мере того, как процесс деления становился все понятнее, мне было все сложнее поверить, что один из продуктов деления может вести себя настолько не похоже на остальные, и в начале 1940 года я вернулся к этой задаче». К тому времени уже работал новый полутораметровый циклотрон с массивным магнитом в прямоугольной раме, достаточно большой, чтобы в ней разместилась для фотографии вся группа Лоуренса – двадцать семь человек; два ряда сидело на нижней челюсти чудовища (в центре хорошо виден сам Лоуренс), а третий стоял внутри его пасти. Макмиллан использовал его для более подробного исследования изотопа с периодом полураспада 2,3 суток. Кроме того, он изучал это вещество с химической точки зрения и обнаружил одно важное обстоятельство: оно не всегда выделялось из раствора при фракционной кристаллизации, как можно было бы ожидать, будь оно действительно редкоземельным элементом.
«К тому времени наступила весна 1940 года, – продолжает Макмиллан, – и в Беркли приехал в краткосрочный отпуск д-р Филипп Абельсон»[1571]. Абельсон был тем самым молодым экспериментатором, которому Луис Альварес бросился сообщать новость об открытии деления, выскочив недостриженным из парикмахерского кресла в Беркли. Он получил в Беркли докторскую степень и устроился на работу на ФЗМ под руководством Мерла Тьюва. Как и Макмиллан, он сомневался в том, что вещество с периодом полураспада 2,3 суток – всего лишь очередной редкоземельный продукт деления. В апреле 1940-го он нашел время начать разбираться с его химией – хотя в аспирантуре он занимался физикой, еще до этого он получил в Университете штата Вашингтон степень бакалавра по химии. Но ему нужен был более крупный образец подвергнутого бомбардировке урана, чем можно было получить на оборудовании ФЗМ. «Когда он приехал в отпуск, – говорит Макмиллан, – и мы выяснили, что у нас есть общие интересы, мы решили поработать вместе»[1572]. Макмиллан изготовил новую партию облученного урана. Абельсон занялся химическими исследованиями.
«Не прошло и дня, – вспоминает Абельсон, – как я установил, что химические свойства вещества с 2,3-суточной активностью отличаются от свойств всех известных элементов… [Оно] вело себя очень похоже на уран»[1573]. Оказалось, что трансураны – не металлы, подобные рению и осмию, а схожие с ураном члены новой последовательности элементов, похожих на редкоземельные. Чтобы располагать строгим доказательством того, что они получили именно трансуран, они выделили образец чистого урана с сильной 23-минутной активностью 239U и показали при помощи измерений периодов полураспада, что интенсивность 2,3-суточной активности возрастает по мере ослабления активности 23-минутной. Если вещество с 2,3-суточной активностью химически отличается от любого другого элемента и возникает в результате распада 239U, значит, оно должно быть элементом 93. Макмиллан и Абельсон описали полученные результаты. Макмиллан уже придумал название для нового элемента – нептуний, по аналогии с названием планеты, следующей за Ураном, – но они решили не предлагать названия в своем отчете. Они отослали свой отчет под названием «Радиоактивный элемент 93» (Radioactive element 93)[1574] в Physical Review 27 мая 1940 года, в тот же день, когда Луис Тернер послал Сциларду свои теории относительно трансуранов: так близко друг к другу иногда оказываются в науке предвидение и открытие.