Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

На обеде, состоявшемся несколькими неделями ранее, я слышал, как Джордж Шульц, бывший государственный секретарь США, говорил: уничтожение ядерного оружия – главный побудительный мотив его политической деятельности. В тот момент я не до конца осознал его мотивацию, но, стоя в Парке мира и размышляя над событиями тех дней, я все понял. Нечто подобное было со мной в Мемориальном музее Холокоста в Вашингтоне – туда мы ходили с матерью. Почти все ее родственники погибли во время Второй мировой войны. Сама она пережила ужасы Освенцима. К людям нельзя относиться как к паразитам, подлежащим уничтожению. Холокост был спланированной бесчеловечной программой во имя зла; бомбардировка Хиросимы – единичным ужасным событием, призванным остановить продолжение бесчеловечной войны. Я плакал, глядя, как моя мать ставит свечу в мемориале Освенцима. И когда мы покидали музей, мать спросила меня: «Почему ты плачешь? Ведь это просто музей. Здесь нет ни того шума, ни того запаха». Так она напомнила мне: здесь не место сентиментальности. Только ясный реализм.

Опыт Хиросимы убедительно показывает: использование химических элементов может приносить и зло, и добро. В атомной бомбе использовалась колоссальная энергия урана, обрушившаяся на Хиросиму в августе 1945 г. и с тех пор навсегда изменившая мир [6].

Расщепление атома

Уран впервые был обнаружен в составе настурана, или уранинита, называемого также урановой смолкой и «несчастливой скальной породой». В Средние века в горах на территории Богемии рудокопы в серебряных рудниках часто вонзали кирки в горную породу только для того, чтобы отколоть от нее глыбу «несчастливой руды». Когда в шахте находили уранинит, это обычно означало, что серебряная жила заканчивается и нужно приступать к тяжелой проходке новой шахты.

На протяжении веков урановую руду выбрасывали в отвалы пустой породы, но на рубеже XIX–XX вв. она стала привлекать пристальное внимание ученых. Именно с помощью солей урана в феврале 1896 г. Анри Беккерель открыл природное радиационное излучение. Он помещал какое-то количество соли урана на фотографическую пластину, и вскоре на ней появлялось пятно, контуры которого соответствовали контурам насыпанной соли. Эффект не казался необычным: уже давно знали, что уран сходным образом влияет и на фотопленку, и Беккерель подумал: это происходит в результате химической реакции, вызванной действием солнечного света. Так как следующие несколько дней в Париже были пасмурными, Беккерель решил отложить эксперименты и убрал фотопластины и соли урана в ящик стола.

Вернувшись через несколько дней в лабораторию, он обнаружил, что на пластинах чудесным образом появились те же силуэты соли. Солнечный свет не мог попасть на них, и значит, некое свойство, присущее урану, породило этот эффект. Он назвал это радиацией, или излучением.

Об открытии Беккереля услышала другой парижский физик, Мария Кюри. Чтобы продолжить эксперимент, она приобрела тонну уранинита, добытого в горах Богемии, который по-прежнему считался пустой породой. Она использовала уранинит для получения солей урана, продемонстрировав прямую зависимость между интенсивностью радиации и массой урана. Неважно, целый кусок урана использовался или порошок, подвергался он воздействию тепла или солнечного света. Эксперименты позволили Кюри выдвинуть гипотезу о том, что радиация зарождается внутри самих атомов, а не возникает в результате неких химических процессов между ними. Излучение послужило первым признаком неустойчивости атома урана.

В дальнейшем Кюри открыла еще два радиоактивных элемента, радий и полоний, и в 1903 г. вместе с мужем Пьером Кюри и Анри Беккерелем была удостоена Нобелевской премии по физике. Однако Мария и Пьер Кюри заплатили высокую цену за радиоактивные исследования. У них началась странная, загадочная болезнь, имевшая для Марии фатальные последствия. Сегодня мы знаем, что заболевание вызвано воздействием радиации, которая сначала считалась безвредной [7].

Я впервые узнал об удивительных свойствах урана, когда изучал естественные науки в Кембридже в конце 1960-х гг. Именно там 40 годами ранее проводились новаторские эксперименты по изучению атомного ядра. В 1920 г. Эрнест Резерфорд, «отец ядерной физики» и тогдашний директор Кавендишской лаборатории, выдвинул гипотезу: атомы состоят не только из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов, удерживаемых вместе противоположными зарядами, но также и из нейтральных частиц, которые он назвал нейтронами [8]. Двенадцать лет спустя Джеймс Чедвик, помощник Резерфорда, доказал существование нейтронов [9]. Оказалось, что открытие дает ключ к расщеплению атомов урана.

Ко времени моего приезда в Оксфорд Кавендишская лаборатория во многом утратила репутацию флагмана ядерной физики. Приятным исключением было присутствие Отто Фриша, физика-ядерщика, сыгравшего заметную роль в осуществлении проекта «Манхэттен» – именно там создали атомную бомбу, сброшенную на Хиросиму. Теоретическую основу для ее изготовления дал как раз Фриш, объяснив необычные результаты некоего эксперимента.

В 1938 г. Фриш проводил Рождество в Швеции со своей тетей, известным физиком Лизой Мейтнер. Мейтнер работала в Институте химии кайзера Вильгельма в Далеме (Германия), но эмигрировала в Швецию, опасаясь преследования нацистов. Ее немецкие коллеги Отто Ган и Фриц Штрассман держали ее в курсе исследований и в последнем по времени письме рассказали о странном результате эксперимента. Бомбардируя нейтронами атомы урана, они среди «осколков» обнаружили намного более легкие частицы, чем ядра урана, – их вес был почти вдвое меньше [10]. Это выглядело нелогично: нейтроны не обладают достаточной энергией, чтобы отрывать такие большие куски атомов. Чтобы поразмышлять над этим загадочным результатом, племянник и тетя решили отправиться в дальнюю пешую прогулку.

Гуляя по окрестностям шведской столицы в компании Лизы Мейтнер, Фриш пришел к выводу: ядра урана крайне неустойчивы. Атомы его настолько велики, что «клей», удерживающий вместе протоны и нейтроны, способен справиться лишь с силами отталкивания положительно заряженных протонов, воздействующих друг на друга [11]. Если ядро урана поглощает направляемый на него нейтрон, то полученной энергии достаточно для дестабилизации и расщепления атома. Когда он объяснял свою идею Мейтнер, оба они остановились, присели на скамейку и начали быстро делать расчеты на листках бумаги. Вот их вывод: ядро урана напоминает «очень неустойчивую каплю, готовую разделиться при малейшем воздействии» [12]. Фриш провел несколько экспериментов для подтверждения этой гипотезы, а потом в феврале 1939 г. вместе с Мейтнер написал две статьи для журнала Nature. Он назвал феномен расщепления «делением ядра» [13].

При делении ядра выделяется огромное количество энергии. При расщеплении ядра урана образуется два меньших ядра с меньшей суммарной массой. Исчезающая масса (m), равная примерно одной пятой массы протона, преобразуется в энергию (E) в соответствии с уравнением Эйнштейна: E = mc2. Так как скорость света (с) составляет 299 792 458 м/с, даже маленькая масса производит большое количество энергии. Фриш подсчитал: расщепления одного атома урана было бы достаточно, чтобы поднять в воздух одну песчинку, которая сама содержит около сотни триллионов атомов.