Вместо тысячи солнц

Отто Фриш

О. Фриш
Открытие деления ядер

Успехи, ошибки и явные неудачи нескольких ученых из различных стран придали своеобразный колорит начальному периоду изучения деления ядер. Удачное сочетание пытливой мысли и счастливого случая превратило эту волнующую идею в реальность.

Это начиналось так

В 1932 г. был открыт нейтрон. Почему, спрашивается, прошло семь лет, прежде чем было обнаружено деление ядер? Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов. Почему же так долго не могли открыть деление ядер? Для ответа на этот вопрос лучше всего рассмотреть ситуацию в Европе с точки зрения физика-экспериментатора.

Исследования в Европе

В Европе было несколько лабораторий, занимавшихся ядерной физикой, но я думаю, что термин «группа» не успел еще войти в научный обиход. В то время наука развивалась благодаря разрозненным усилиям отдельных ученых, каждый из которых работал только с одним или двумя студентами и ассистентами.

В Париже имелось несколько лабораторий из числа самых активных исследовательских учреждений в Европе. Здесь была открыта радиоактивность. В Париже работала Мария Кюри (до самой кончины в 1934 г.). Ее влияние было огромным. В то время техника измерений – ионизационные камеры и электрометры – была совсем проста, та же, что и на рубеже двух столетий. Этого было вполне достаточно при измерении естественной радиоактивности элементов, но такое оборудование совершенно не отвечало требованиям, которые возникали при выполнении многих работ, посвященных исследованию деления ядер. К теории Мария Кюри относилась без особого уважения. Однажды, когда один из ее студентов, предлагая эксперимент, добавил, что физики-теоретики уверены в том, что он будет успешным, она ответила: «Это не важно, мы поставили бы этот опыт в любом случае». Возможно, из-за такого отношения к теории в этой лаборатории не открыли нейтрон.

Вторым местом, представляющим интерес, был Кембридж. Эрнесту Резерфорду, который стоит за всеми исследованиями, выполненными в Кембридже, удалось расщепить в 1919 г. атомное ядро. С 1909 г. он с особым интересом занимался вопросами обнаружения и счета отдельных ядерных частиц. Им впервые был введен сцинтилляционный метод, который был его любимым детищем. Главные достоинства работ Резерфорда заключались в простоте и безыскусственности применяемых им методов; этим можно объяснить то недоверие, с которым он относился к сложным приборам. Даже в 1932 г., когда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон впервые расщепили ядро с помощью искусственно ускоренных протонов, для регистрации была использована сцинтилляционная методика. К этому времени Резерфорд понял необходимость развития электронных методов счета частиц. Причиной этого явились очевидные недостатки сцинтилляционного метода: он оказался непригодным как при очень больших, так и при очень малых скоростях счета, а его надежность оставляла желать лучшего. Эти недостатки еще более заметны, если вспомнить о результатах, полученных в третьей лаборатории, а именно в венской.

В Вене начиналась моя деятельность. В то время это место было enfant terrible ядерной физики. Например, некоторые физики там утверждали, что не только азот и еще одно или два легких ядра, но практически каждое из легких ядер может быть расщеплено α-частицами и при этом вылетает значительно большее количество протонов, чем то, которое до сих пор удалось наблюдать. Я до сих пор не понимаю, как они могли прийти к таким ошибочным заключениям. Очевидно, они заставили вести подсчет числа сцинтилляций студентов, которым ничего не говорилось о предполагаемом числе отсчетов. На первый взгляд такая методика измерений кажется весьма объективной, потому что студенты свободны от каких бы то ни было предубеждений. Однако у них быстро выявилась тенденция в пользу больших чисел, так как они чувствовали, что заслужат одобрение, если обнаружат много частиц. Вполне вероятно, что неверные результаты были получены как в силу такой тенденции, так и вследствие некритического отношения к собственным результатам и желания во что бы то ни стало победить англичан.

Я хорошо помню, как в момент моего отъезда из Вены (после того как мне удалось избежать обычной участи студентов – подсчета числа сцинтилляций) мой руководитель, Карл Пшибрам, сказал мне унылым голосом: «Не сомневаюсь, что Вы скажете „им“ в Берлине, что мы вовсе не так плохи, как они о нас думают». Убедить «их» мне не удалось.

В Германии исследования по ядерной физике велись в нескольких местах. Группа Отто Гана и Лизе Мейтнер (это была одна их первых групп, где начали изучать радиоактивные элементы) к этому времени разделилась на две группы, проводившие независимые исследования. Ган работал над различными приложениями радиоактивности для изучения химических реакций, структуры осадков и аналогичных явлений; Лизе Мейтнер использовала радиоактивные материалы в основном для изучения процессов β- и γ-излучения и взаимодействий γ-лучей с веществом.

Кроме того, в Германии работал Ганс Гейгер. Еще до 1909 г. в дни, предшествовавшие открытию ядра, он работал у Резерфорда. Резерфорд чувствовал ненадежность сцинтилляционного метода и попросил Гейгера разработать для проверки этого метода электрический счетчик. Но как только Резерфорд увидел, что эти два метода дают один и тот же результат, он вернулся к сцинтилляционной методике, которая казалась ему более простой и надежной, если применять ее с соответствующими мерами предосторожности. Гейгер, возвратившись в Германию, продолжал улучшать электрические счетчики и в 1928 г. вместе с В. Мюллером разработал счетчик для регистрации β-лучей. Ранее созданные счетчики были непригодны для этой цели, а регистрировать β-лучи сцинтилляционным методом нельзя было. Однако и новые счетчики никак нельзя было назвать быстродействующими, так как разряд между центральным электродом и цилиндрической оболочкой гасился на большом сопротивлении (многомегомном), включенном в цепь; соответственно скорость счета была ненамного больше, чем у сцинтилляционного метода. Даже при нескольких сотнях частиц в минуту необходимы были существенные поправки.

Вальтер Боте первым применил метод совпадений, как при попытках исследовать некоторые характеристики космических лучей, так и для измерения энергии γ-лучей по образовавшимся вторичным электронам. Фактически это был первый надежный метод измерения энергии слабого γ-излучения.

До 1932 г. единственными источниками, применявшимися для расщепления атомного ядра, были элементы, обладающие естественной α-радиоактивностью. К ним относились: полоний, достать который было очень трудно (практически весь его запас был в Париже), и один из короткоживущих продуктов распада радия. Хотя последний получался без примесей, он обладал малым временем жизни и давал сильное γ-излучение.

Год открытий

В 1932 г., который с полным правом можно назвать «годом чудес», был открыт нейтрон и, кроме того, произошли два других важнейших события. В США Эрнест О. Лоуренс запустил первый циклотрон, перспективы которого казались многообещающими, а в Англии Кокрофт и Уолтон построили первый ускоритель протонов, которые были способны расщеплять ядра. Нет необходимости говорить, что эти машины положили начало огромному скачку в развитии ядерной физики. Большинство физиков, занимавшихся ядром, впоследствии не могли обойтись по крайней мере без одного из этих двух инструментов для исследования ядра. Однако самое интересное заключается в том, что оба эти прибора практически не смогли указать тот путь, который привел к открытию деления ядер.

Я не хочу очень подробно останавливаться на истории открытия нейтрона, потому что этому было посвящено несколько интересных лекций на Конгрессе по истории науки, состоявшемся в 1962 г. в Итаке (штат Нью-Йорк). В опубликованном сборнике трудов этого конгресса есть интересные доклады Нормана Фэзера и сэра Джеймса Чадвика. Там сказано, что открытие нейтрона в Кембридже было не просто удачей, которая может выпасть на долю каждого исследователя, а явилось результатом поисков нейтрона, проводившихся в Кембридже (несмотря на ошибочные теоретические идеи). Это открытие окрылило ученых Кембриджа. Они обнаружили важное явление, которое могло бы остаться незамеченным. X. К. Вебстер нашел, что интенсивность странных проникающих лучей, испускаемых бериллием при облучении его α-частицами, была больше в направлении движения падающих α-частиц, чем в противоположном. Этот результат был абсолютно непонятен, если бы испускались γ-лучи, как думали в то время. Даже французские физики Кюри и Жолио разделяли эту точку зрения, которая существенно подкреплялась всеми теоретическими предсказаниями. Затем эксперименты Чадвика ясно показали, что мистическое излучение состоит из частиц с массой, приблизительно равной массе протона. Возникло некоторое замешательство, так как Энрико Ферми и Вольфганг Паули уже назвали «нейтроном» частицу, позже переименованную в «нейтрино».

Конечно, после открытия нейтронов интерес к ним заметно возрос, но никто не знал, что именно надо делать. Нейтроны, в конце концов, были вторичными продуктами расщепления ядер, число их было невелико. Выход нейтронов был мал, так как для облучения использовались элементы с естественной α-радиоактивностью.