Клаус Гофман
МОЖНО ЛИ СДЕЛАТЬ ЗОЛОТО?
Глава 6.
ЭЛЕМЕНТЫ, СОЗДАННЫЕ РУКОЙ ЧЕЛОВЕКА
Плутоний - первый искусственный элемент, увиденный
человеческим глазом
93-й элемент, нептуний,
испускает бета-излучение. Поэтому его первооткрыватели, Мак-Миллан
и Абельсон, довольно однозначно утверждали в статье
от 14 июня 1940 года, что элемент 94 наверняка содержится в продуктах распада
нептуния. Однако обнаружить это им не удалось. Препараты были слишком слабы,
чтобы можно было идентифицировать элемент 94, по-видимому, весьма долгоживущий.
Поэтому Мак-Миллан совместно с коллегами Сиборгом, Сегрэ, Кеннеди и Валем пошли по другому пути.
В декабре 1940 года в Беркли они облучили уран
дейтронами, разогнанными в 60-дюймовом циклотроне. Изотоп нептуния, возникающий
в результате элементарного превращения по уравнению
238U + 2D = 238Np +
2n
должен был распасться в изотоп-238 элемента 94 с
излучением бета-частиц. Тогда в Беркли никто не сомневался в этом. Однако, чтобы обнаружить элемент 94, американцам пришлось
затратить несколько месяцев. Ведь элемент считается открытым только тогда,
когда однозначно выделен один из его изотопов, охарактеризован физически и
химически и определен его порядковый номер. Совершенно новый элемент должен
проявлять свойства, которые явно отличают его от уже известных соседей по
периодической системе. В ночь на 23 февраля 1941 года пробил час рождения 94-го
элемента, вернее, его изотопа-238. Мак-Миллан уже не
мог непосредственно участвовать в этом открытии. В конце 1940 года он был
призван на военную службу.
Необходимо вернуться по времени немного назад. Решение
о том, чтобы провести опыты по получению элемента 94 с помощью циклотрона в
Беркли, было принято на совещании физиков 15 и 16 декабря 1940 года в
Колумбийском университете, в Нью-Йорке. Лоуренс
уступил натиску своих коллег Сегрэ и Ферми и выразил
готовность предоставить в их пользование свой циклотрон.
Все находились под впечатлением смелого полета мысли Ферми. Ведь эмигрировавший
итальянец уже давно занимался теоретическим обоснованием "урановой
машины". Он весьма убедительно доказал своим коллегам, что в таком
"урановом котле" должен образовываться 94-й элемент.
Последний должен был предположительно обладать той же способностью деления, что
и уран-235. Поэтому, считал ученый, настоятельно необходимо пытаться наладить
синтез этого элемента, хотя бы в малых масштабах, с тем, чтобы узнать его
свойства.
Историки науки многократно подчеркивают, что
Нью-Йоркская конференция явилась историческим поворотным моментом: в декабре
1940 года впервые была развита теория делимости неизвестного 94-го элемента.
Однако в это время всемирный обмен научными идеями был уже сильно ограничен
секретными преградами, поставленными войной. В американском специальном журнале
"Физикл ревью",
очень популярном, с июля-августа 1940 года не появлялось никаких сообщений по
урановой проблеме.
Поэтому историки не заметили работу немецкого физика
Карла фон Вейцзекера. В то время, когда все
физики-атомщики уповали на получение ядерной энергии путем деления урана-235, Вейцзекер основывался уже на возможности получения энергии
из урана-238. Эти соображения содержались в его докладе от 17 июля 1940 года,
подготовленном для отдела вооружения армии.
По представлениям Вейцзекера,
в запущенной урановой машине из
неделящегося урана-238, считавшегося бесполезным, должен был путем поглощения
нейтронов образовываться трансурановый 94-й элемент. Его изотоп-239, как и
уран-235, является атомным делящимся веществом. Быть может, вообще было бы
выгоднее, полагал Вейцзекер, сосредоточить свое
внимание на легко выделяемом элементе 94, чем проводить трудоемкоеобогащение
и отделение урана-235.
Вернемся к событиям 1941 года в США. Для элемента 94
уже известен был изотоп-238; он был неделящимся, следовательно, неинтересным.
Поэтому физики-атомщики США направили все усилия на получение делящегося
изотопа-239. В марте 1941 года 1,2 кг чистейшей соли урана,
замурованной в большой парафиновый блок подвергли в циклотроне
бомбардировке нейтронами. Это было до тех пор самое большое количество
вещества, которое подвергли превращению.
Два дня и две ночи длилась бомбардировка "крепости" уранового ядра.
Были получены приблизительно 0,5 мкг изотопа-239 элемента 94. Появление нового
элемента, как и было предсказано теорией,
сопровождалось потоком альфа-частиц.
28 марта 1941 года американские физики собрались в
Беркли для решающего эксперимента. Сиборг, Сергэ, Кеннеди, Лоуренс
взволнованно следили за экраном осциллографа, который должен был показать,
способен ли новый элемент к делению. Опыт полностью подтвердил теорию: было
найдено второе атомное взрывчатое вещество, даже мощнее предыдущего, так как
для него требовалась меньшая критическая масса.
Начиная с этого момента все исследовательские работы с
элементом 94 стали в США строго секретными. Номер 49 - таков был код для
изотопа-239 элемента 94. И все те, кто работал над атомной бомбой, изготовляемой
из 94-го элемента, так и назывались - сорок девятые. В сообщении от мая 1941
года Лоуренс подвел итоги достигнутым успехам и
рекомендовал как можно скорее получить необходимое количество 94-го элемента
для уранового котла. Не зная соображений Вейцзекера,
в США пришли к тем же выводам.
Немецкие исследователи атома тоже не оставались
бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена
были разработаны основы для получения 94-го элемента. В августе 1941 года гость
института, физик Фриц Хоутерманс, закончил свой
секретный доклад "К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций". В
нем он указывал теоретические возможности для изготовления в урановом котле
нового взрывчатого вещества из природного урана.
94-й элемент обладает тем преимуществом, что он явно
отличается по своим свойствам от урана, так что их сравнительно легко
разделить. Такое химическое разделение происходит гораздо проще, чем трудоемкое
отделение изотопов урана-235 и урана-238. Чтобы предпринять разделение в
лаборатории, а затем - как предусмотрено - в производственном масштабе,
безусловно, необходимо было заранее установить свойства этого искусственного
элемента. Однако для аналитических химических исследований требовались весомые
количества вещества. Откуда их взять? Ведь речь идет об элементе, которого нет
на Земле. Или это все же не так?
В течение 1942 года американцы весьма серьезно
занимались поисками трансуранов 93 и 94 в природных минералах. Трудоемкая
переработка урановых руд из Колорадо и Нью-Мексико дала отрицательный
результат. Если 94-й элемент там вообще есть, утверждали американские
специалисты, то содержится он в рудных концентратах в соотношении 1 : 1014 что
говорит о невозможности его выделения. До последнего момента возлагали большие
надежды на урановую смоляную руду из района Большого Медвежьего озера в Канаде.
В руде, которая содержит сорок различных элементов, надеялись найти трансураны.
Однако и эта надежда не оправдалась.
Единственное, что нашли, так это подходящее название
для нового элемента. Снова представилась возможность провести параллель с
астрономией. В 1930 году произошло знаменательное событие: по ту сторону
Нептуна была открыта новая планета - Плутон. Английский астроном Ловелл уже давно предсказывал ее существование и тем самым
проявил себя не только как автор фантастических рассказов.
Элемент 94 назвали в честь новой планеты плутонием. В
таком наименовании заключено предзнаменование: ведь 94-й элемент, как следует
из классической мифологии, носит имя бога смерти. Как же шло дело с попытками
получения заметных количеств плутония? В циклотроне
были получены лишь микрограммовые количества -
тысячные доли миллиграмма. Использование циклотрона для синтеза искусственных
элементов означало большой технический прогресс. Было высчитано, что с обычными
радиево-бериллиевыми источниками нейтронов на
получение 0,15 г плутония из урана потребовалось бы 200 лет. Такое же
количество в циклотроне можно было получить за два дня, если использовать
нейтроны, выбиваемые разогнанными дейтронами из бериллиевой мишени.
В августе 1942 года американцам Каннингему
и Вернеру удалось получить около 1 мкг плутония. Через месяц, 10 сентября 1942
года, впервые было взвешено видимое количество искусственно изготовленного
элемента: 2,77 мкг оксида плутония. Для этого специально были сконструированы
микровесы с кварцевой нитью. В конце 1942 года уже имелось 500 мкг -
полмиллиграмма соли плутония. Это количество слишком мало даже для того, чтобы
изготовить булавочную головку.
Поразительна разработанная Каннингемом
техника работы, ставшая основой ультрамикроанализа;
необходимость работы с микроколичествами вещества
заставила использовать совершенно новые формы искусства химического
эксперимента.
Лабораторный стол уступил место микроскопу. Почти все
манипуляции пришлось проводить под стереомикроскопом. Обычные лабораторные
стаканы и Колбы сократились до размеров тончайших капилляров с внутренним
диаметром от 0,1 до 1 мм. В них помещали объемы жидкости от 10-1 до 10-5 мл и
проводили химические реакции. Об этих работах значительной научной ценности по
выделению и изучению 94-го элемента научный мир узнал только в послевоенные
годы, когда с них была снята завеса секретности.
Основываясь на свойствах плутония, изученных ультрамикрометодами, был сделан смелый шаг: проектирование
и постройка промышленных установок для изготовления и очистки этого делящегося
элемента в масштабе 1:1000 000 000. Работа была
начата в США в то время, когда еще не функционировал ни один реактор для
синтеза плутония. Последний американцы запустили лишь 2 декабря 1942 года: под
трибуной спортивного стадиона в Чикаго Энрико Ферми
успешно поджег урановый котел, состоящий из слоев 6 т урана,
36,6 т оксида урана и 315
тчистейшего графита.
В ход была пущена самоподдерживающаяся цепная реакция: управляемая, а
следовательно, не разрушительная, как того боялись. Впервые "урановая
машина" вырабатывала энергию, хотя сначала только 200 Вт. Также впервые в
урановом реакторе образовывался элемент плутоний: элементы в реакторе
искусственно превращались друг в друга в весомых количествах.
Для атомной промышленности США удачный эксперимент
Ферми означал последний этап к осуществлению производства плутония в Хэнфорде. С невероятной поспешностью были установлены три
гигантских урановых котла на южном берегу реки Колумбия. Атомный реактор Ферми
работал, как часы. Когда в годы войны эти реакторы были запущены на полную
мощность, они помимо большого числа радиоактивных изотопов вырабатывали
ежедневно около 1,5 кг плутония. Кроме того, в процессе ядерного деления
выделялось много энергии, которая не находила применения и лишь нагревала воду
реки.
Когда американскому журналисту Вильяму Лоуренсу, автору нескольких популярных брошюр по атомной
энергии, разрешено было побывать в Хэнфорде,
увиденное поразило его. По его словам, не было никакого признака того, что в
этом гиганте, построенном рукой человека, свирепствует космический огонь; что в
его утробе происходит тот процесс созидания элементов, который, вероятно,
протекал миллионы лет назад, когда возникали основы нашего мироздания. Все
казалось каким-то нереальным. Установка работала в неестественной тишине, в
которой можно было услышать биение собственного сердца.
Ферми использовал для своего реактора графит в
качестве замедлителя. Немцы, как известно, предпочли тяжелую воду. Однако таким
путем они не достигли цели. К тому же фашистская Германия была близка к гибели
и не располагала теми мощными материальными и техническими средствами, которые
имелись в США. Немецкая модель урановой машины не достигла критической массы;
нельзя было получить 94-й элемент. Все другие работы по выделению атомного
взрывчатого вещества уран-235 тоже не были закончены до конца войны.
К счастью для народов, гитлеровская атомная бомба так
и осталась страшным видением.