Атомный проект. История сверхоружия - Антон Первушин

Но кудесники XX века, по-видимому, овладели не всеми заклятиями для власти над вызванным им духом разрушения и смерти по каким-то непонятным причинам, – историки объясняют их различно: непредвиденным случаем или умышленным вмешательством агентов Восточных держав, – последний решающий опыт повлек за собою небывалую катастрофу. Атомы отдали скрытую в них энергию, Прометей разорвал свои цепи, но это стоило гибели почти половине Европы.

На много километров кругом не осталось в живых никого, кто мог бы рассказать, что случилось. Катастрофа произошла ночью. <…> Ужасающей силы взрыв развернул недра земли; оттуда хлынула огненная лава и смешалась с водами океана, превратившись в облако необъятных размеров. Огненный столб был виден во всей Европе, Северной Африке, а отблески его наблюдались даже на границе Лапландии и в западной части России. Почти молниеносная сила взрыва вызвала настоящее землетрясение, разрушившее то, что осталось после опустошительного бега воздушной волны. Волна эта дважды промчалась вокруг всего земного шара, достигнув антиподов Парижа в виде громовых раскатов на ясном, безоблачном небе.

Последствия этой почти космической катастрофы были ужасны. На месте самого взрыва осталась огромная пропасть – кратер нового вулкана. Дождь земли и камней, обрушившихся с высоты нескольких сот километров, завалил под собою десятки цветущих городов Франции и Южной Англии, создав новые бесчисленные Геркуланумы и Помпеи, засыпал Ла-Манш, разделявший обе эти страны, и в смертельном объятии спаял их в один материк… Дальше шла зона, опустошенная силой воздушной волны и сотрясения почвы. Зона эта охватывала почти всю Англию, Францию, Бельгию, часть Испании, запад Германии и север Италии. Небывалой силы вихрь разметал все суда в Средиземном море и в восточной части Атлантического океана, подняв волны невиданной высоты. Взрыв сопровождался, кроме того, каким-то странным электрическим разрядом огромной проницающей силы, вызвавшим детонацию почти всех взрывчатых материалов в западной части Европы. Большинство арсеналов, набитых снарядами, превратились при этом в развалины. Общие цифры убытков и жертв никогда не могли быть приведены в ясность. Как бы то ни было, погибло больше восьми миллионов народа, пострадавших было по крайней мере в два раза больше, разрушена была масса заводов, домов и разных строений. Потрясение хозяйственной и военной мощи двух величайших европейских держав было настолько велико, что капиталистическая система Европы дала зияющую трещину в самом своем основании. Взрыв сорок пятого года ускорил процесс естественного разложения старого мира, и тщетны были попытки Франции и Италии отвлечь внимание широких народных масс войной с возрожденной Россией, которой западные державы – особенно Англия – пыталась навязать роль виновницы страшного атомного взрыва…

Как видите, Вадим Никольский пророчески угадал срок первого атомного взрыва – 1945 год.

Обращает на себя внимание, что фантасты первых десятилетий ХХ века связывали будущее атомной бомбы, атомной энергетики и атомного взрыва с Европой и более конкретно – с Францией и Германией. И в этом не было ничего удивительного: именно физикам этих стран удалось совершить реальный, а не фантастический прорыв в технологии управления внутриатомными процессами.

Глава 2

Цепная реакция

Место изотопов

В 1902 году Эрнест Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди экспериментально доказали, что, когда атомы урана испускают альфа-частицы, образуется новый вид атома, который больше не является урановым. Со временем именно этот новый атом испускал бета-частицы, после чего завершалось образование нового элемента.

Исследование Резерфорда и Содди положило начало целому направлению исследований, благодаря которому к 1907 году стало ясно, что существует ряд радиоактивных элементов, каждый из которых последовательно разрушается, испуская альфа– или бета-частицы, пока наконец не образуется атом свинца, не являющийся радиоактивным. Проще говоря, можно представить распад в виде радиоактивных серий: одна из них начинается с урана (атомный вес 92) и заканчивается свинцом (атомный номер 82); другая начиналась с тория (атомный номер 90) и также заканчивается свинцом; и, наконец, третий элемент, актиний (атомный номер 89), также имеет свою серию, заканчивавшуюся свинцом.

Различные атомы, входившие в три названные радиоактивные серии, вовсе не были такими уж разными. Когда атом урана испускал альфа-частицу, образовывался атом, названный «ураном-икс-первым». После тщательных исследований оказалось, что этот уран-икс-первый обладает химическими свойствами тория, но его радиоактивные свойства отличались от свойств обычного тория. При этом уран-икс-первый разлагался так быстро, выделяя при распаде бета-частицы, что половина его первоначального количества распадалась всего за 24 часа. Можно сказать и иначе (формулировка предложена Резерфордом): за 24 часа элемент икс-первый проживал половину своей жизни. Однако обыкновенный торий выпускал не бета-, а альфа-частицы, и это происходило так медленно, что половина его жизни составляла 14 миллиардов лет!

В списке элементов по химическим стандартам уран-икс-первый и обыкновенный торий располагались на одном и том же месте, но ученым было ясно, что между ними существует какое-то различие.

Аналогичное явление было зафиксировано и у другого радиоактивного элемента. В 1913 году британский химик Александр Флек изучал два элемента из радиоактивной серии урана, названные «радий-В» и «радий-D», а также «торий-В» из радиоактивной серии актиния. По химическим свойствам все четыре элемента совпадали с обыкновенным свинцом и соответственно находились на одном месте в списке элементов. Однако они отличались по радиоактивным свойствам. Хотя все элементы испускали бета-частицы, у радия-В половина жизни составляла 27 минут, у радия-D около 19 лет, а у тория-В – 11 часов.

В 1913 году Фредерик Содди предложил называть атомы, которые находились на одном и том же месте в списке элементов, но имели различные радиоактивные свойства, изотопами (от греческого словосочетания «одно место»).

Вначале казалось, что изотопы различаются лишь радиоактивными свойствами и речь идет только о радиоактивных атомах. Вскоре оказалось, что все совсем не так: один и тот же элемент может обладать несколькими формами, совершенно различными по свойствам. Серии урана, тория и актиния завершались свинцом, но были ли идентичны атомы свинца в каждом случае?

Содди исследовал способ, с помощью которого изменялся атомный вес при потере альфа– или бета-частиц, испускаемых атомом. Исследуя три радиоактивные серии, он понял, что атомы свинца в каждом случае имеют разный атомный вес. Он установил, что серия урана оканчивалась атомами свинца, имевшими атомный вес 206, серия тория образовывала свинец с атомным весом 208, а серия актиния заканчивалась атомами свинца с атомным весом 207.

Если все обстоит именно так, то в результате распада образовываются три изотопа свинца, которые отличаются не радиоактивными свойствами, а атомным весом. Изотопы можно было бы отнести к свинцу-206, свинцу-207 и свинцу-208. Сделанные в 1914 году дополнительные измерения атомного веса подтвердили гипотезу Содди.

Все три свинцовых изотопа имеют один и тот же атомный номер 82. У атомов всех трех изотопов есть ядра с электрическим зарядом +82, и у всех трех в атоме находится 82 электрона, которые уравновешивают этот положительный ядерный заряд. Различие, таким образом, заключалось только в массе ядер.

Но что же в таком случае представляет собой обыкновенный свинец с атомным весом 207,2, который извлекают из горных пород, находящихся вдали от каких-либо природных радиоактивных веществ, и который, видимо, был стабилен на протяжении всей истории Земли? Состоит ли этот стабильный свинец из атомов еще одного изотопа, имевшего дробный атомный вес? Или стабильный свинец представлял собой смесь изотопов, каждый из которых обладает различным целым атомным весом? Является ли суммарный атомный вес дробным, потому что представляет собой некую среднюю величину?

Ответить на все эти непростые вопросы, связанные со свинцом, в то время не смогли, но истина все-таки была найдена в связи с исследованиями другого элемента – редкого газа неона, имевшего атомный вес 20,2.

В 1912 году Джозеф Томсон занялся изучением неона, пропуская через него все тот же пучок катодных лучей. Электроны сталкивались с атомами неона и выбивали их собственные электроны. В результате оставался неоновый ион (атом с зарядом, образующийся в результате потери электронов), несущий один положительный заряд. Ионы неона двигались в электрическом поле точно так же, как это делали электроны, но в противоположном направлении, поскольку имели положительный заряд. Если бы все неоновые ионы обладали одинаковой массой, то у них должна была бы быть общая траектория. Если бы масса была различна, то более тяжелые должны были бы двигаться по другой траектории. Во время опытов, проводимых Томсоном, ионы неона попадали на фотографическую пластинку, которая затемнялась в соответствующем месте. Если бы все ионы имели одну массу, то на пластинке получилось бы одно пятно. Однако Томсон получил две области затемнения, доказав, что существуют два типа ионов, обладающих различными массами, которые образовывали траектории двух видов, завершавшиеся в разных местах. Изучив расстояние между точками, Томсон показал, что один изотоп неона имеет атомный вес 20, а другой – атомный вес 22. Далее, исходя из степени затемнения каждого пятна, он сделал вывод, что обыкновенный неон состоял из атомов, которые на 90 % были неоном-20 и на 10 % неоном-22. Вот и получалось, что общий атомный вес неона составляет 20,2 – то есть средний атомный вес двух изотопов.