Есть ли шансы на цепную реакцию в уране, т.е. достижения ядерной физики 1939 года?

Еще до начала Второй мировой войны 1 сентября 1939 года политика нацистской Германии была настолько ясной, что ученые-ядерщики осознали, какая огромная катастрофа может произойти, если атомную бомбу удастся построить и если это сделают немцы. Первой мыслью было сохранить в тайне исследования деления урана. Однако для многих ученых западного мира это слишком сильно противоречило принципу открытого исследования.

1. Энрико Ферми получает Нобелевскую премию (общественное достояние)

Энрико Ферми (1901-1954) получил Нобелевскую премию в 1938 г. по физике (1). Он повез всю свою семью в Стокгольм на церемонию награждения. В Италию при Муссолини они не вернулись — уехали в США. Жена Ферми, Лаура (2 года), была еврейкой по происхождению и в Италии подвергалась все большей опасности. Семья Фермич прибыла в Нью-Йорк 2 января 1939 года.

16 января он прибыл в США на корабле Нильс Бор (3) (1885-1962). Он уже знал о делении ядра урана («Юный техник 3/2016»), но ему пришлось ждать сообщения от Оттона Р. Фришакогда объявления о толковании этого открытия помещаются в печать, чтобы не распространять новость до приоритета авторов, т.е. Лиза Мейтнер и Отто Фриш не будут документированы в печати. Он сопровождал Бора в его путешествии через Атлантику. Леон Розенфельдкто знал об открытии деления, но не об обещании Бора Фришу.

Высадившись, попутчики разделились. Розенфельд отправился в Принстон, где немедленно распространил новость среди всех и каждого. Неудивительно, что это было и основным сообщением открывшейся вскоре, 26 января 1939 г., пятой Вашингтонской конференции по теоретической физике, посвященной физике низких температур. Статья Лизы Мейтнер и Отто Фриша появилась в журнале Nature 11 февраля.

Визионер

2. Энрико Ферми с женой Лаурой, автором его биографии (общественное достояние)

Лео Силард (1898-1964) был венгерским физиком еврейского происхождения (4). Удивительно, но в молодости он предсказал исход Первой мировой войны. Читал также романы Джорджа Уэллса (5) (1866-1946), в т.ч. Освобожденный мир. Это захватило его воображение. прибл. В 1933 году он понял, что возможна цепная реакция в радиоактивном материале. Однако чем больше он знал о ядерной физике, тем меньше росла его вера по мере развития этой области знаний.

И, может быть, идея была бы всеми забыта, если бы не открытие деления ядра урана. Сразу же, услышав об этом, Сцилард обратился к своему видению цепной реакции, и ему показалось весьма вероятным, что в случае деления урана будет достаточно вторичных нейтронов, чтобы оно произошло.

3. Нильс Бор (общественное достояние)

Поскольку деление одного ядра урана дает 200 МэВ энергии, энергия деления макроскопических количеств, скажем, даже килограммов урана была бы почти невообразимой. Но он также сразу понял, что мысль о нейтронах, поддерживающих цепную реакцию, и все последующие идеи и открытия нужно держать в секрете, чтобы они не дошли до немцев. Он не сомневался, что лучшим немецким физикам тоже могла прийти в голову идея провести цепную реакцию, а затем построить атомную бомбу, и нужно сделать все, чтобы им не помочь. В отличие от Сциларда, Ферми скептически относился к обоим этим вопросам — как к возможности проведения цепной реакции, так и к сохранению в тайне результатов исследований.

В США новость об открытии он распространился как лесной пожар. Все физики-ядерщики бросились к своим аппаратам, чтобы наблюдать за реакцией деления урана. Пресса писала об этом открытии в воскресных выпусках. Для физиков стало ясно видение создания атомной бомбы.

Лео Сцилард (общественное достояние)

Сцилард решил начать исследование сам. Он просил прислать из Оксфорда его бериллиевый цилиндр, потом надо было как-то организовать консилиум для получения нейтронов.

Брак Жолио-Кюри узнали о делении урана из журнала Die Naturwissenschaften, который они получили 16 января. В очередной раз в своей трудовой жизни им пришлось проглотить горькую пилюлю. Опять оказалось, что они упустили свое великое открытие. Однако Фредерик Жолио немедленно приступил к работе по получению и изучению деления, и он сразу понял возможность цепной реакции в уране.

Два изотопа урана

До сих пор физики проводили исследования тория параллельно с изучением урана, ввиду схожести этих элементов. При энергии около 25 эВ наблюдается максимальный захват нейтронов на трассе и в уране. Такой нейтрон не вызовет деления, но должен дать начало радиоактивному изотопе урана 239, из которого путем бета-минус-распада должен быть получен первый новый трансурановый элемент с атомным номером 93. Тепловой (30 эВ). При облучении урана и тория быстрыми нейтронами (от 0,025 МэВ) оба распадаются. Однако поведение двух элементов не всегда копировало друг друга. Обнаружилась загадка: при облучении медленными нейтронами торий, в отличие от урана, не расщеплялся.

5. Герберт Джордж Уэллс (общественное достояние)

Бор знал, что в 1935 г. был открыт более легкий изотоп урана с массовым числом 235. Вспышкой его мысли было то, что он различал два изотопа урана и пришел к выводу, что это более легкий изотоп. изотоп расщепляется при бомбардировке медленными нейтронами. Напротив, торий и более тяжелый уран 238 могут быть расщеплены быстрыми нейтронами. В природном уране отношение более легкого изотопа к более тяжелому составляет 1:139. Более того, Ферми ранее выяснил, что при переходе ядра из нечетного массового числа в четное выделяется энергия, равная 1 или 2 МэВ. Для деления ядра урана в результате его вихляния требуется энергия 6 МэВ. Таким образом, в уране 235 вы добавляете любую энергию связи нейтрона (5,3 МэВ) и энергию, предсказанную Ферми, и мы уже имеем более 6 МэВ. Следовательно нейтрон любой энергии может расщепить уран 235. Однако в случае урана-238 (т.е. с четным массовым числом) нейтрон все равно должен иметь энергию 1 МэВ. Природный уран, в котором содержится лишь немного более легкого изотопа 235, не может самопроизвольно делиться, потому что его более тяжелый и обильный компонент поглощает нейтроны. Берлинские физики Хан и ШтрассманнКонечно, они изучали природную смесь двух изотопов в соотношении 1:139 и обнаружили деление в уране-235, потому что использовали парафиновые запаздывающие нейтроны с энергиями меньше резонансной энергии. Бор понял это 5 февраля 1939 года. Ему потребовалось два дня, чтобы описать это, и 7 февраля он отправил текст в Physical Review. Пока это была гипотеза, которую нужно было проверить.

Сейчас открылись две стратегии — или по Джона Даннинга отдельные изотопы, или, как предполагал Ферми, попытаться получить цепную реакцию в природном уране. Химические изотопы одного и того же элемента не различаются, поэтому для их разделения необходимо найти эффективный физический метод, основанный на принципе различия масс этих изотопов. Был шанс получить некоторое количество урана-235. Альфредови Нерови с помощью своего масс-спектрографа.

Они получили нейтроны в делении урана

6. Юджин Вигнер (Общественное достояние)

Ядра элементов с меньшим атомным номером имеют такое же количество протонов, как и нейтроны. Ядра элементов с более высоким атомным номером обычно содержат больше нейтронов, чем протонов. Таким образом, когда ядро ​​элемента с большим атомным номером, например урана, распадается на два гораздо меньших ядра, должны остаться один или два «дополнительных» нейтрона, называемых вторичные нейтроны. Такой нейтрон мог бы расщепить другое ядро ​​урана и начать лавина самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Для поддержания цепной реакции требуется более одного вторичного нейтрона — скажем, лучше два, так как они могут быть потеряны. Захват медленных нейтронов, производящий радиоактивный изотоп U239 из U238, и резонансное поглощение нейтронов в U238 на уровне около 25 эВ — оба крадут ценные нейтроны для цепной реакции.

В середине февраля Р. Робертс i Р. С. Мейер в Вашингтоне нашли запаздывающие нейтроны деления. Это означало, что реакция деления произвела избыток нейтронов.

Чтобы найти достаточное количество нейтронов, нужно было найти материал, который бы их правильно замедлял, не поглощая, т.е. искали замедлитель. Ферми, еще находясь в Италии, в 1934 году обнаружил, что водород замедляет нейтроны. Он понял это при весьма удивительных обстоятельствах. Эксперименты по облучению серебра нейтронами проводились на двух типах столов — деревянных и мраморных. Результаты одних и тех же опытов, проведенных на столах двух типов, сильно различались. Когда Ферми и его коллеги задались вопросом, что же произошло, он порекомендовал в соответствии со своей идеей, к которой он пришел без дальнейших размышлений, поместить парафин в источник нейтронов. Парафин работал точно так же, как деревянный стол. Парафиновый водород и дерево замедляли нейтроны.

8. Эдвард Теллер (общественное достояние)

Вернемся к началу 1939 года. Нужно было провести эксперименты, чтобы увидеть, достаточно ли нейтронов для возникновения цепной реакции. В конце февраля Ферми i Х.Л. Андерсон поместил радон-бериллиевый источник нейтронов в центр глубоководного контейнера шириной 0,9 м. Водород из воды служил для замедления нейтронов как от источника, так и от вторичного.

Детектором нейтронов служила родиевая фольга, расположенная на разном расстоянии от источника нейтронов, что наводило в нем радиоактивность с периодом полураспада 44 секунды. Затем, расположив оксид урана вокруг источника нейтронов, они проверили, получили ли они в этом случае больше нейтронов. Они подсчитали, что на каждый захваченный нейтрон они могли получить около двух нейтронов. Статья Ферми, Андерсона и HB Ханстейна trafił do „Physical Rewiev” 16 марта.

Фредерик Жолио с коллегами, Хансем фон Хальбанем i Лвем Коварским проделал аналогичный эксперимент, только уран растворил в воде. 18 марта и 22 апреля были опубликованы две их статьи на эту тему. Они подсчитали количество вторичных нейтронов от деления одного ядра урана на 3,5.

В начале марта Сциларду удалось организовать 2 грамма радия. Вместе с Уолтер Зинн, в бериллиевый цилиндр, который Сциллард получил из Англии по почте, поместили радий. Они использовали парафин в качестве замедлителя нейтронов. Нейтроны бомбардировали оксид урана. У них был кадмиевый экран, действие которого на нейтроны они тоже изучали. Они получили нейтроны, испускаемые при делении урана. Они оценили число в два для каждого расщепленного ядра. Сцилард оценил вероятность того, что когда-нибудь удастся высвободить энергию атомного ядра, в 0,5.

На этом этапе физики в основном Евгений Вигнер (6) (1902-1995) и Силард пришли к выводу, что власти США должны быть уведомлены о состоянии исследований в области ядерной физики. Ферми в военно-морском ведомстве говорил об этом целый час. Однако это не впечатлило военных. Накануне Уилер, Розенфельд и Эдвард Теллер с Бором. Бор, в отличие от остальных собеседников, более скептически относился к возможности получения ядерной энергии на практике и продолжал настаивать на необходимости прозрачности в науке.

Примерно в это же время в Лондоне Джордж П. Томсон (сын первооткрывателя электрона) заказал тонну оксида урана для исследований под влиянием публикации Жолио и его группы.

Все эти статьи заметили и немцы. 29 апреля в Берлине состоялась секретная конференция. Был создан план дальнейших работ, и Третий рейх запретил экспорт урана. Группа лучших немецких физиков-ядерщиков приняла название «Уранферайн».

В тот же день в Вашингтоне состоялась публичная конференция. Выводы из него появились в New York Times. Написано, что создать ядерное оружие очень сложно и неизвестно, возможно ли это, но в случае успеха его взрыв нанесет огромный ущерб.

Эксперимент с баком с раствором марганца

7. Расположение урановых банок в опыте с баком с раствором марганца:

N — источник нейтронов, U — урановые баллончики

В середине апреля Сциларду удалось одолжить 230 кг смолистого оксида урана, добытого на северо-западе Канады. Был проведен следующий эксперимент. В баке объемом 541 л в центре находился радиево-бериллиевый источник. Контейнер заполняли 10%-ным раствором марганца, используемым для измерения числа нейтронов. Водород из воды был замедлителем. Марганец под действием нейтронов превращается в радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 3 часов. Поскольку нейтроны легче бомбят поверхность, чем более глубокие слои урана, оксид урана был упакован в 52 банки диаметром 5 см и длиной 60 см вокруг источника нейтронов (7).

Это были трудоемкие и длительные эксперименты. Перед каждым полуночным измерением необходимо было приготовить раствор марганца и упаковать уран в банки. Сцилард, вместо того чтобы работать в знак солидарности с Ферми и другими над экспериментом, делегировал хозяину друга, чтобы не мешать его мыслям своей работой (нетрудно понять, что такое проявление отсутствия солидарности было плохо воспринято ). По опыту полученное излучение выше, чем поглощение нейтронов примерно на 10%. Нейтроны по-прежнему терялись, в основном на захват в U238, без деления, кроме того, водород сам поглощал нейтроны, которые нельзя было терять. Статья на эту тему поступила в редакцию «Физического обозрения» 3 июля.

Георг Плачек (1905-1955), который всегда ко всему относился критично, скептически относился к воде как к замедлению. Вместо этого он предложил гелий.

Дальнейшие поиски модератора — графит

Как видите, нужно было освоить торможение нейтронов, чтобы снизить энергию нейтронов ниже 238 эВ в U25, чтобы как можно меньше тратилось как можно меньше нейтронов. Использовался водород из воды или парафина, но оказалось, что поглощение нейтронов водородом было слишком высоким, чтобы могла иметь место цепная реакция. Сцилард и Ферми независимо от него предложили в качестве следующего материала для замедления нейтронов взять углерод в виде графита. А если бы этот работал плохо, то можно было бы обратить внимание на тяжелую воду. Однако это было дорого и труднодоступно.

9. Альберт Эйнштейн (общественное достояние)

Сцилард немедленно занялся поиском поставщика хорошего графита. В июле ему также пришла в голову идея укладывать уран и графит слоями. Ферми, который общался с ним по почте, самостоятельно придумал такое же решение. Такое расположение было бы лучше, чем смесь, потому что в ней быстрые нейтроны лучше замедлялись бы, прежде чем снова столкнуться с ураном. Следующей идеей были маленькие урановые шарики в графите. Сцилард назвал это решеткой, потому что она напомнила ему кристаллическую решетку. Он подсчитал, что для проведения эксперимента необходимо 5 тонн урана и 50 тонн графита. На это пришлось бы потратить 35 тысяч. долларов.

Следует также упомянуть, что осенью вышла обширная известная работа Бора и Уилера, в которой обсуждаются и обобщаются имеющиеся на сегодняшний день исследования ядерного деления урана.

Немцы, конечно, следили за появляющимися деловыми статьями. Они также пришли к тем же идеям, что и другие ученые. Вальтер Боте провел графитовое исследование, но результаты оказались неудовлетворительными. Причиной может быть, например, загрязнение углем. Затем немцы обратились к тяжелая вода.

Летом 1939 года Вернер Гейзенберг был в США. Он читал лекции, обсуждал с Ферми и другими физику, гипотетические супербомбы и политику. Ему также предложили работу в Колумбийском университете, но в августе он сел на корабль, возвращаясь в Германию.

Письмо президенту Соединенных Штатов

10. Франклин Делано Рузвельт — президент США (1933-1945) (общественное достояние)

Сцилард постоянно чувствовал необходимость в том, чтобы Соединенные Штаты как государство рассмотрели возможность создания атомной бомбы. Трое венгров — Лео Силард, Эдвард Теллер (8) (1908—2003) и Юджин Вигнер — осознавали серьезность положения. Бельгийцев тоже нужно было проинформировать, чтобы они не продавали конголезский уран Германии — Эйнштейн (9) Он лично знал бельгийскую королеву Елизавету, так что вполне мог это сделать. Вигнер и Сцилард договорились о встрече с Эйнштейном (1879–1955), который проводил лето в Пеконике, Лонг-Айленд, и навестили его 16 июля. До этого создатель теории относительности не осознавал, что существует реальная вероятность вызвать цепную реакцию в уране. Впрочем, он сразу все понял. В течение месяца у Сциларда состоялась еще одна встреча с Эйнштейном, так как он предполагал, что адресатом письма, уведомляющего власти США о серьезности проблемы, будет не кто иной, как президент США. Теллер отвез туда Сциларда на своей машине и позже пошутил, что впервые сделал что-то значительное в физике в качестве водителя Сциларда. Совместными усилиями письмо было готово в середине августа 1939 года.

Нужно было как-то добраться до Белого дома. Сциларду удалось найти такого человека — Александра Саша (1893-1973), экономист и биолог, друг и советник президента Рузвельта (10) (1882-1945), который смог донести до него этот вопрос. Сакс имел доступ к президенту, но перед лицом событий 1 сентября 1939 года Рузвельт был очень занят. Саксу не удалось встретиться с президентом до 11 октября. У него были с собой письма Эйнштейна и Сциларда, но он сказал об этом Рузвельту устно, оставив ему письма. Он начал с преимуществ использования ядерного деления для электричества или медицины. Потом он сказал о возможном строительстве атомной бомбы. Рузвельт резюмировал это следующим образом: «Дело в том, чтобы мы следили за тем, чтобы немцы нас не высадили». Он сказал адъютанту: «Вы должны действовать».

Первая встреча «Урановый комитет«Произошло 21 октября. На нем присутствовали директор Beaureau of Standards с помощником, Сакс, Сцилард, Вигнер, Теллер, Робертс и по одному участнику от армии и флота. Отчет Комитета от 1 ноября был получен президентом. В нем говорилось, что уран может приводить в движение подводные лодки, а мощность гипотетической атомной бомбы будет во много раз больше, чем у известных в то время взрывчатых веществ. По мнению Комитета, необходимо обеспечить финансовые условия для ученых, занимающихся этим вопросом. И все же отчет… он хранился в файлах несколько месяцев.

Позже Эйнштейн горько сожалел о том, что подписал это письмо. Он понимал, что немцы не будут первыми, кто произведет атомную бомбу.