235U. В этом и состояла суть его наития.
Он продолжил рассматривать тонкости энергетики этих реакций. Торий легче, чем 235U, 238U тяжелее, но средний по массе изотоп отличается от двух других и в другом важном отношении. Когда 232Th поглощает нейтрон, он превращается в ядро с нечетным массовым числом, 233Th. Когда нейтрон поглощает 238U, он тоже становится ядром с нечетным массовым числом, 239U. Но при поглощении нейтрона ядром 235U получается ядро с четным массовым числом, 236U. А превратности строения ядра таковы, как объяснял однажды в одной из своих позднейших лекций Ферми, что «переход от нечетного числа нейтронов к четному высвобождает один или два МэВ»[1264]. Из чего следовало, что 235U исходно обладает энергетическим преимуществом перед обоими своими конкурентами: в отличие от них он получает энергию, способствующую делению, благодаря одному только изменению массы ядра.
Лиза Мейтнер и Отто Фриш поняли в Кунгэльве, что для возбуждения в ядре процесса деления требуется некоторое количество энергии, но не рассматривали это поступление энергии в подробностях. Их больше интересовало гигантское высвобождение энергии, равное 200 МэВ. На самом деле для деления ядра урана требуется ввод в него приблизительно 6 МэВ. Это количество энергии необходимо для возмущения ядра до такого состояния, в котором оно вытянется и начнет расщепляться на две части. Поглощение любого нейтрона, какой бы ни была его скорость, приносит около 5,3 МэВ энергии связи. Но 238U не хватает еще около 1 МэВ, и именно поэтому для его деления необходимы быстрые нейтроны с энергией, по меньшей мере равной пороговой.
Ядро 235U также получает при поглощении нейтрона 5,3 МэВ. Но в дополнение к этому оно получает еще и упомянутые Ферми «один или два МэВ» просто благодаря переходу от нечетного массового числа к четному. Поэтому суммарный прирост энергии оказывается больше 6 МэВ. Таким образом, деление 235U вызывает любой нейтрон – медленный, быстрый или промежуточной энергии. Именно это демонстрировал третий график Бора: предположительно непрерывное сечение деления 235U. От изображенных слева медленных нейтронов, энергия которых отличается от нулевой всего лишь на какие-то доли электрон-вольта, до расположенных справа быстрых нейтронов с энергией свыше 1 МэВ, способных также вызвать деление 238U, – любой нейтрон, попавший в атом 235U, возбуждает его ядро до деления. В природном уране непрерывная способность 235U к делению маскируется более распространенным 238U, который поглощает бо́льшую часть нейтронов. Только замедлив нейтроны при помощи парафина до энергий, меньших резонанса поглощения 238U на 25 эВ, экспериментаторы – Ган, Штрассман, Фриш и другие – смогли выманить столь склонный к делению 235U из укрытия. Это озарение позволило Бору ответить на возражения Плачека и укрепить модель жидкой капли.
В январе Бор написал за три дня статью из 700 слов, чтобы защитить приоритет своих европейских коллег. Теперь, стремясь поделиться известием об особой роли, которую 235U играет в делении, он написал за два дня статью из 1800 слов и отослал ее в Physical Review 7 февраля. Тем не менее статья «Резонансные явления в расщеплении урана и тория и деление ядер»[1265] была написана очень тщательно, – гораздо более тщательно, чем ее читали. Основная гипотеза – что за деление урана под воздействием медленных нейтронов отвечает 235U, а не 238U, – была понятна всем, хотя не все были согласны с такой интерпретацией без подтверждения экспериментальными данными. Но, вероятно, потому, что, как вспоминал Ферми, в то время изотопы «считались почти что мистически неразделимыми»[1266], никто не обратил внимания на более дальние следствия. В этом же месяце Сцилард объяснял Льюису Штраусу, что «по-видимому, медленные нейтроны вызывают деление изотопа урана, содержание которого в уране составляет около 1 %»[1267]. Ричард Робертс с ФЗМ утверждал в написанной в 1940 году черновой редакции доклада, имевшего большое значение, что «Бор… приписал реакцию с [медленными] нейтронами изотопу 235U, а реакцию с быстрыми нейтронами – изотопу 238U»[1268]. Ошибочное утверждение Робертса, вероятно, было лишь грубым первым приближением, и в окончательном варианте доклада он, возможно, исправил бы его. Однако замечания Сциларда и Робертса показывают, что сначала деление 235U медленными нейтронами интересовало физиков больше, чем другая, более зловещая возможность.
Бор косвенным образом признал это в своей статье в Physical Review. Деление 235U медленными нейтронами вышло на передний план его рассуждений, потому что оно объясняло загадочные различия между ураном и торием. Но Бор также рассматривал и поведение 235U при бомбардировке быстрыми нейтронами. «В случае быстрых нейтронов, – писал он ближе к концу своей статьи, – в связи с малым содержанием рассматриваемого изотопа уровень деления должен быть гораздо ниже, чем получаемый при столкновении нейтронов с более распространенным изотопом»[1269]. Это утверждение подразумевает, прямо его не высказывая, один вопрос, имеющий далеко идущие последствия: каким был бы уровень деления быстрыми нейтронами, если бы 235U удалось отделить от 238U?
Очередным воплощением бассейна с рыбками из римского сада Орсо Корбино стал бак с водой[1270] метровой ширины и метровой глубины, который Ферми и Андерсон установили этой зимой в подвале Пьюпин-холла. Они собирались вставить нейтронный источник из радона и бериллия в центр 13-сантиметровой сферической колбы и опустить колбу в центр бака. Рассеяние выделяемых бериллием нейтронов в окружающей воде должно было их замедлить. Нейтроны должны были порождать в расположенных на разных расстояниях от колбы полосках родиевой фольги, любимом нейтронном детекторе Ферми, характеристическую активность с 44-секундным периодом полураспада. Определив фоновый уровень нейтронной активности от источника Rn + Be, Ферми собирался поместить в колбу оксид урана, расположив его вокруг источника, и провести вторую серию измерений. Если бы в присутствии урана в баке с водой появлялось больше нейтронов, чем без него, он мог бы заключить, что при делении урана вырабатываются вторичные нейтроны, и приблизительно оценить их число. Одного нейтрона на выходе на каждый нейтрон на входе было бы недостаточно для поддержания цепной реакции, так как некоторые из нейтронов неизбежно оказывались бы захваченными, а другие просто улетали бы без взаимодействия; требовалось, чтобы число вторичных нейтронов превышало число первичных предпочтительно по меньшей мере в два раза.
Выше, на седьмом этаже того же здания, Лео Сцилард обнаружил другой уже идущий эксперимент. Уолтер Зинн, высокий светловолосый научный сотрудник из Канады, преподававший в Городском колледже, бомбардировал уран нейтронами с энергией 2,5 МэВ, полученными с помощью небольшого ускорителя. Он рассуждал с точки зрения энергии, а не количества нейтронов, пытаясь продемонстрировать производство вторичных нейтронов по наличию нейтронов с энергией больше 2,5 МэВ. Пока что его результаты не позволяли сделать каких-либо окончательных выводов.
«Сцилард с большим интересом наблюдал за моим экспериментом, – вспоминает Зинн, – а затем предположил, что, возможно, результаты будут лучше, если использовать нейтроны с меньшей энергией. Я сказал: “Очень хорошо, но где их взять?” Лео ответил: “Положитесь на меня, я их достану”»[1271].
Сцилард действительно хотел помочь Зинну, но, кроме того, он жаждал заполучить его ионизационную камеру. «Нужно было только, – говорил он впоследствии, – добыть грамм радия, взять бериллиевый блок, облучить кусок урана нейтронами, которые испускает бериллий, а затем посмотреть при помощи ионизационной камеры, которую Зинн уже построил, испускаются ли при этом быстрые нейтроны. Если оборудование уже было собрано и имелся нейтронный источник, такой эксперимент можно было провести всего за час или два. Но у нас, разумеется, не было радия»[1272].
Вопрос по-прежнему упирался в деньги. Radium Chemical Company of New York and Chicago[1273], филиал бельгийского концерна Union Minière du Haut Katanga[1274], готова была предоставить грамм радия не менее чем на три месяца за 125 долларов в месяц. 13 февраля Сцилард послал Льюису Штраусу на его ферму в Виргинии письмо, в котором «хотел узнать, сможете ли Вы одобрить такие расходы» и предусмотрительно информировал финансиста о значении последних событий. Самый важный абзац этого письма касается новой гипотезы Бора относительно роли 235U в делении природного урана медленными нейтронами:
Если этот изотоп можно использовать для поддержания цепной реакции, его нужно будет отделить от общей массы урана. Это, несомненно, будет сделано, если окажется необходимым, но осуществление этой операции на промышленном уровне может занять от пяти до десяти лет. Если эксперименты малого масштаба покажут, что торий и природный уран не действуют, а действует редкий изотоп урана, нам придется немедленно взяться за решение задачи концентрации этого редкого изотопа[1275]