[1317], принадлежавшей братьям Борису и Александру Прегелям, родом из России. Борис учился в Радиевом институте в Париже; компания Eldorado занималась торговлей редкими минералами и владела крупным месторождением урана на Большом Медвежьем озере на Северо-Западных территориях Канады.
Как и в предыдущем эксперименте Ферми и Андерсона, новый проект предполагал оценку производства нейтронов в резервуаре с жидкостью. Для получения более точных данных экспериментаторам требовалась выдержка более длительная, чем позволяла получить родиевая фольга с 44-секундной радиоактивностью, которую они использовали обычно. Вместо этого они планировали наполнить резервуар 10-процентным раствором сульфата марганца, похожего на железо металла, который придает аметисту фиолетовый цвет и дает при бомбардировке нейтронами радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 3 часов. «Уровень [радио]активности, наведенной в марганце, – объясняли они впоследствии в своем отчете, – пропорционален числу присутствующих [медленных] нейтронов»[1318]. Таким образом, водород, содержащийся в воде, должен был обеспечивать замедление как первичных нейтронов из центрального нейтронного источника, так и всех вторичных нейтронов, возникающих в распаде, а марганец, растворенный в воде, позволял измерить их количество – схема эксперимента отличалась элегантной экономичностью.
Атомы, расположенные на поверхности массы урана, более подвержены воздействию нейтронов[1319], чем атомы, находящиеся в ее глубине. Поэтому Ферми и Сцилард решили не складывать весь свой оксид урана в один большой контейнер, а распределить его по всему резервуару, упаковав его в пятьдесят две банки размерами приблизительно с обрезки водопроводной трубы – около пяти сантиметров диаметром и чуть больше полуметра длиной.
Упаковка банок и смешивание марганцевого раствора, который приходилось менять, выделяя из него марганец, после каждого эксперимента, требовали большого труда. Нелегким делом было и измерение радиоактивности марганца, занимавшее каждый раз по полночи. Ферми взялся за работу с энтузиазмом. «Он любил работать усерднее, чем все остальные, – отмечает Андерсон, – но и все остальные работали очень усердно». Кроме Сциларда. «Сцилард считал, что его время должно быть посвящено размышлениям»[1320]. Ферми негодовал. «Сцилард совершил смертный грех, – вспоминает Сегре, присоединяясь к мнению Ферми. – Он сказал: “Я не хочу работать, пачкая руки, будто какой-нибудь подручный маляра”»[1321]. Когда Сцилард сказал, что нанял себе заместителя, молодого человека, оказавшегося, как вспоминает Андерсон, «весьма компетентным»[1322], Ферми согласился на это без каких-либо комментариев. Однако он никогда больше не участвовал в совместных экспериментальных работах со Сцилардом.
В окончательном варианте схема установки выглядела так:
Источник Сциларда, Ra + Be, находится в центре резервуара, содержащего 540 литров раствора марганца; 52 банки UO 2 расположены вокруг него
Эксперимент удался. Три физика обнаружили, что нейтронная активность «в присутствии оксида урана приблизительно на 10 % выше, чем без него. Этот результат показывает, что число нейтронов, испускаемых ураном в нашей установке, превышает число нейтронов, поглощаемых ураном»[1323]. Однако этот эксперимент породил и некоторые неясные вопросы. Например, резонансное поглощение явно оказалось препятствием, поскольку оно приводило к захвату нейтронов, которые в противном случае могли бы участвовать в цепной реакции. По оценке отчета об эксперименте, «среднее испускание [вторичных нейтронов] составляет около 1,2 нейтрона на тепловой нейтрон», но отмечалось, что «это число следует увеличить, возможно, до 1,5»[1324], потому что некоторые из нейтронов, очевидно, оказались захвачены, так и не вызвав деления, – в подтверждение большого резонанса захвата около 25 эВ, который Бор относил на своих графиках на счет 238U.
Другая трудность была связана с использованием в качестве замедлителя воды. Как группа Ферми установила в Риме в 1934 году, водород более эффективно замедляет нейтроны, чем любой другой элемент, а медленные нейтроны избегают паразитного резонанса захвата 238U. Но сам водород также поглощает некоторые из медленных нейтронов, что еще более уменьшает число нейтронов, способных вызвать деление урана. К тому времени уже было ясно, что для запуска цепной реакции в природном уране необходимо бережно хранить все до единого возможные вторичные нейтроны. Георг Плачек, приехавший в гости из Корнелла, в котором он теперь обосновался, осмотрел установку и проницательно предрешил ее будущее. Вот как рассказывает об этом Сцилард:
Мы были склонны считать, что… водно-урановая система будет способна поддерживать цепную реакцию… Плачек сказал, что этот вывод ошибочен, потому что для получения цепной реакции нам пришлось бы устранить поглощение [нейтронов] водой; то есть нужно было бы уменьшить количество воды в системе, а уменьшив количество воды в системе, мы увеличили бы паразитическое поглощение [нейтронов] ураном [так как в отсутствие воды уменьшилось бы число замедленных нейтронов]. Он посоветовал нам отказаться от водно-урановой системы и использовать для замедления нейтронов гелий. Ферми это показалось забавным, и после этого Ферми неизменно называл гелий «плачековым гелием»[1325].
В июне группа из Колумбийского университета написала отчет о своем эксперименте отправила получившуюся статью под названием «Образование и поглощение нейтронов в уране»[1326] в Physical Review, в котором она была получена 3 июля. Ферми уехал в Анн-Арбор на летнюю школу по теоретической физике и, по словам Андерсона, отвлекся «на интересную задачу из области космических лучей»[1327]. Либо Ферми не был согласен со Сцилардом относительно срочности исследований цепной реакции, либо он хотел забыть, хотя бы на время, о безразличии флота и убедительной критике его уран-водной системы, которую высказал Плачек; вероятно, сыграли свою роль оба этих фактора. Андерсон занялся тем временем исследованием резонансного поглощения в уране, которое впоследствии стало темой его диссертации.
Сцилард остался в жарком и влажном городе: «Я остался в Нью-Йорке в одиночестве. У меня по-прежнему не было должности в Колумбийском университете; мой трехмесячный период [доступа к работе в лаборатории] закончился, но никаких экспериментов все равно не проводилось, и мне оставалось только думать»[1328].
Сначала Сцилард думал о возможностях замены воды другими веществами. Ближайшим в периодической системе распространенным материалом, который мог подойти – то есть имел сечение захвата значительно меньшее, чем у водорода, был дешевым и стабильным, термически и химически, – был углерод. Неорганический углерод, химически идентичный алмазу, но имеющий другую кристаллическую структуру, – это графит, черный, маслянистый, непрозрачный, блестящий материал, из которого по большей части состоят карандашные грифели. Хотя углерод замедляет нейтроны гораздо слабее, чем водород, в тщательно продуманной конструкции можно было выгодно использовать даже это различие.
Льюис Штраус уезжал в Европу на неделе, начавшейся после 2 июля. Надеясь, что финансист сможет добиться поддержки исследований урана от бельгийской компании Union Minière, Сцилард в последний момент послал Штраусу письмо, в котором утверждал, что цепная реакция в уране «станет возможна в ближайшем будущем»[1329], но предпочел не упоминать о своей новой уран-графитовой концепции. По-видимому, он хотел сначала обсудить ее с Ферми; в тот же день, 3 июля, он подробно написал о ней итальянскому лауреату. «Сейчас мне кажется, – писал он, – что углерод с высокой вероятностью может оказаться хорошей заменой водороду, и я испытываю сильное искушение сделать ставку на эту вероятность». Он хотел попробовать провести «крупномасштабный эксперимент со смесью углерода и оксида урана», как только можно будет накопить достаточное количество материалов. Тем временем он собирался организовать эксперимент меньших размеров для более точного измерения сечения захвата углерода, для которого на тот момент был известен только верхний предел значений. Если бы углерод оказался материалом неподходящим, «следующим перспективным кандидатом могла бы стать тяжелая вода», обогащенная дейтерием, хотя потребовалось бы «несколько тонн» этой редкой и дорогой жидкости. Дейтерий, 2H, имеет гораздо меньшее сечение захвата нейтронов, чем обычный водород.
В дни, близкие к сто шестьдесят третьей годовщине Декларации независимости[1330], идеи Сциларда развивались стремительно. 5 июня он посетил National Carbon Company of New York[1331], чтобы разузнать о возможности покупки блоков высокоочищенного графита (так как инородные вкрапления, например бора с его большим сечением захвата, вызвали бы поглощение слишком большого количества нейтронов). В тот же день он написал Ферми о том, что ему удалось узнать: «По-видимому, достаточно чистый углерод можно приобрести по разумной цене»[1332]. Он также упомянул о послойном расположении урана и углерода.