Английский физик Джордж Томсон (сын знаменитого Джозефа Джона Томсона, открывшего в 1897 году электрон) в числе первых обратил внимание на один из грандиозных феноменов природы, заключающийся во взрывном выбросе огромного количества энергии при делении атомного ядра. Данный процесс основан на существовании в природе сверхтяжелых ядер таких элементов, как, например, уран или торий. Эти чрезвычайно нестабильные химические элементы тем не менее смогли пережить все пять миллионов лет существования Солнечной системы. И все же, будь они чуть менее стабильными, мир никогда не узнал бы имен Энрико Ферми, Отто Гана, Фрица Штрасмана и самого Джорджа Томсона; будь они более стабильны, и сам процесс деления атомного ядра стал бы невозможен.

Бывает так, что феномен закона природы основан на парадоксе; часто такие законы открываются вследствие цепи случайностей и совпадений. Так случилось и с открытием Отто Ганом деления уранового ядра, которому предшествовали четыре года ошибок, заблуждений и ложных гипотез. Истоки этого открытия лежат в начале 30-х годов, когда выдающийся итальянский физик Энрико Ферми предположил, что путем бомбардировки нейтронами (массивными незаряженными элементарными частицами), открытыми в 1932 году профессором Чедвиком, тяжелых химических элементов возможно получение искусственным путем их радиоактивных изотопов. Оказалось, что в тяжелые ядра, несущие большой электрический заряд, легче проникают нейтроны, нежели ядра атома гелия, так называемые альфа-частицы, которые использовали в те годы в своих экспериментах по изучению искусственной радиоактивности супруги Фредерик Жолио и Ирен Кюри. Согласно закону отталкивания одноименных зарядов, положительно заряженные альфа-частицы не могут преодолеть положительный заряд бомбардируемых ими ядер. В то же время нейтроны даже на относительно небольших скоростях легко проникают внутрь атомного ядра. Фактически случайно Ферми обнаружил, что, если источник нейтронов окружить слоем некоего вещества с высоким содержанием водорода, например твердым парафином, возможности нейтронов по воздействию на ядра некоторых тяжелых химических элементов значительно возрастают. Он доказал, что обладающие высокой скоростью нейтроны при столкновении с содержащимися в парафине легкими атомами водорода «замедляются». Такие медленные нейтроны быстрее захватываются атомным ядром.

Уран является самым тяжелым из существующих в природе химических элементов; он представляет собой чрезвычайно прочный металл белого цвета, ковкий и вязкий. Температура плавления урана значительно ниже по сравнению с другими металлами, обладающими сходными химическими свойствами, – вольфрамом, хромом и молибденом. Порядковый номер урана в таблице химических элементов 92, а номер его самого тяжелого изотопа 238. Это означает, что его ядро состоит из 92 протонов, уравновешенных 146 нейтронами. Однако в природе, кроме урана-238, в соотношении примерно 1000:7 существует его более легкий изотоп уран-235. Изотопы урана обладают одинаковыми химическими, но различными физическими свойствами. Если бы не было этой разницы физических свойств, не было бы ни возможности, ни необходимости их разделения.

Когда Ферми и его коллеги в своей лаборатории в Риме бомбардировали природный уран нейтронами, они пришли к выводу, что в результате захвата нейтрона атомом урана-238 образуется нестабильный изотоп урана-239. Затем вновь образовавшийся атом выделяет один (отрицательно заряженный) электрон и из химического элемента под номером 92 превращается в неизвестный в те времена элемент тяжелее урана, помещенный в таблице под номером 93. Для того чтобы доказать, что он действительно получил новый «трансурановый» элемент, Ферми провел серию химических реакций со всеми продуктами, полученными в результате его опыта, и к своему удовлетворению убедился в том, что хотя бы один из них по своим химическим свойствам отличается от остальных химических элементов, по крайней мере от всех существующих элементов тяжелее свинца. Как физик, он не видел смысла в сравнении свойств вновь полученного элемента с элементами, стоящими в периодической таблице ниже свинца. Ферми обосновал свой вывод тем, что полученный им новый элемент должен быть тяжелее имеющего самую большую массу из известных в то время химических элементов урана. Кроме того, он обосновал то, что в результате уже известного процесса радиоактивного распада атом урана не мог настолько уменьшиться в массе, чтобы занять в таблице место рядом со свинцом. Немецкий химик Ида Ноддак выступила против выводов Ферми: экспериментальным путем она доказала, что в результате бомбардировки нейтронами происходит деление ядра урана, а не его радиоактивный распад. Однако Ноддак отказалась от дальнейших исследований в этом направлении, поэтому ее предположение осталось незамеченным в мировой физике.

Заявление Ферми о существовании целого ряда «трансурановых» элементов не прошло незамеченным; у него сразу же появились многочисленные оппоненты. В 1934 году, практически сразу же после его открытия, в журналах «Nuovo Cimento» и «Nature» были опубликованы статьи австрийской ученой Лизы Мейтнер и знаменитого немецкого радиохимика Отто Гана, с которым Мейтнер в начале 20-х годов вместе работала над открытием мезотория и протактиния. Они вернулись к совместным исследованиям в области «трансурановых» элементов, на существовании которых настаивал Ферми. К Гану, в то время возглавлявшему лабораторию в Институте химии имени кайзера Вильгельма в Берлин-Далеме, присоединился молодой ученый доктор Фриц Штрасман, блестящий специалист в области неорганической химии и анализа, уже к тому времени хорошо знакомый с проблемами радиохимии.

Было бы излишним приводить всю программу исследований трех ученых в Берлине. Достаточно упомянуть, что за четыре года до конца последних драматических недель 1938 года Гану, Штрасману и Мейтнер удалось подтвердить фундаментальные открытия Ферми и получить те самые трансурановые элементы, что принесло им заслуженное признание в научном мире. Они получили и описали четыре новых химических элемента, которым присвоили временные названия «эка-рений», «эка-осмий»^[3], «эка-иридий» и «эка-платина»: рений, осмий, иридий и платина находились прямо над этими вновь полученными элементами в периодической таблице и, следовательно, имели схожие с ними химические свойства. Несомненно, в открытии немецких ученых еще оставались белые пятна и противоречия, однако все верили, что со временем они получат свое дальнейшее развитие и будут должным образом объяснены.

В 1938 году тщательно продуманная стройная теория трансурановых элементов стала давать первые трещины. Вслед за Ферми Ирен Кюри и югославский физик Павле Савич открыли и описали новое радиоактивное вещество, полученное ими в результате бомбардировки урана нейтронами. «Странное» вещество имело период радиоактивного полураспада три с половиной часа. Сначала парижские ученые предположили, что получили изотоп тория, стоящего в периодической таблице на две позиции ниже урана. Теоретически это можно было объяснить тем, что в результате распада после захвата атомом урана нейтрона полученное нестабильное вещество выделило альфа-частицу и превратилось в торий.

До сих пор никому еще не удавалось наблюдать за выделением альфа-частицы изотопом урана, поэтому гордость знаменитой команды Гана в Берлинской лаборатории оказалась задетой таким открытием ученых-соперников.

В 1934 году Л. Мейтнер пыталась обосновать получение изотопа тория, однако при всем старании Штрасману так и не удалось обнаружить следов этого элемента в растворе, полученном в результате проведения опытов с изотопами урана. Мейтнер упрекала Штрасмана в том, что он потерпел неудачу там, где их французские коллеги добились очевидного успеха; однако она отмечала, что французы никого не посвятили в подробности методов проведения своих экспериментов и получения столь сенсационного открытия. Мейтнер попросила Штрасмана повторить эксперимент. Штрасман выполнил ее просьбу, честно пытаясь путем химической реакции с применением в качестве катализатора железа выделить из урана торий. Через неделю расстроенный ученый заверил Мейтнер, что, независимо от того, что заявляют французские коллеги, в полученном растворе торий так и не был обнаружен.

Группа Гана могла бы опубликовать результаты своих исследований и тем самым привести парижских ученых к конфузу. Однако немцы избрали более дипломатичный путь: Ган и Мейтнер написали в Париж письмо, в котором попросили коллег перепроверить результаты их опыта, так как сама группа Гана так и не смогла получить торий. Может быть, мягко настаивали Ган и Мейтнер, Ирен Кюри совершила ошибку? Отто Ган в течение тридцати лет занимался радиохимией, и его авторитет в этой области был непререкаем. Хотя он и не получил ответа на свое письмо, мадам Кюри вскоре опубликовала очередную статью, в которой заявила, что открытое французами странное вещество вовсе не было торием. Теперь она выдвинула еще более авантюрную гипотезу. Поскольку странное вещество с периодом полураспада 3,5 часа было получено в результате реакции с применением в качестве катализатора лантана, Кюри и ее коллега делают заключение:

«Окончательный анализ показал, что свойства вещества с периодом полураспада 3,5 часа соответствуют свойствам лантана. Отсюда следует, что выделить вновь полученное вещество можно только посредством фракцинации».

С точки зрения французов, полученное вещество конечно же не могло быть лантаном, поскольку процесс радиоактивного распада ядра урана не мог зайти так далеко. Это мог быть только еще один «трансурановый» элемент. Но как найти место для «трансуранового» элемента, обладавшего свойствами аналогичными редкоземельному металлу лантану? Как для физиков, так и для химиков такая задача казалась неразрешимой.

Поскольку странное вещество было, так или иначе, зачислено в разряд «трансураниев», изучением которых занималась лаборатория Гана, последний со своими сотрудниками был вынужден сосредоточиться на изучении свойств новичка. Однако до осени 1938 года, когда лаборатория в Париже полностью опубликовала ход и результаты своих исследований, туман так и не рассеялся. К тому же в этот период Ган потерял своего сотрудника Л. Мейтнер и ее советы опытного физика. В июле 1938 года она приняла решение покинуть Германию, поскольку теперь даже австрийский паспорт не мог спасти ее от преследований на расовой почве. Таким образом, двум оставшимся химикам лаборатории в Берлине пришлось самим вести исследования, которые привели их к необычному заключению.

Бегло просмотрев новый отчет Ирен Кюри, профессор Ган передал его Штрасману со словами, что теперь француженка, наконец, опубликовала методику проведения своих экспериментов и, может быть, они представляют интерес. Штрасман внимательно изучил документ и понял, что обнаружил ошибку в выводах французов: будучи опытными физиками, они были плохо осведомлены о методах радиохимии. Поэтому, как полагал Штрасман, они приписали некоему «странному веществу» свойства двух новых веществ, полученных путем реакции воздействия на ядро атома урана.

Штрасман поделился своими подозрениями с Ганом; тот посмеялся над его теорией, однако коротко добавил, что в словах коллеги есть доля правды. В течение недели немцы проводили серию впечатляющих экспериментов, целью которых было выделить новое радиоактивное вещество или вещества из урана, протактиния, актиния, тория, а также всех трансурановых элементов. После серии экспериментов было получено два, а может быть, и более новых радиоактивных вещества. Что это были за вещества?

С помощью бария им удалось выделить три радиоактивных элемента, которые распадались на новые вещества, одно из которых, вероятно, и было тем загадочным элементом, выделенным с помощью лантана. В свете нового открытия немецкие ученые сделали вывод, что три первично полученных элемента представляли собой изотопы радия, а три последующих – изотопы актиния. Единственной альтернативой могло быть, что эти вещества являлись всего-навсего изотопами бария и лантана, что казалось немыслимым с физической точки зрения, поскольку барий и лантан с точки зрения законов физики не могли быть продуктами радиоактивного распада урана.

Когда в конце 1938 года Ган и Штрасман опубликовали свои выводы, что в результате деления ядра атома урана получены три новых вещества: изотопы радия и актиния, многие физики отказывались принять их. Они не могли себе представить химическую реакцию с мгновенным выделением двух альфа-частиц, в результате которой уран превращался в радий. Тем более, что немецкие ученые бомбардировали ядра урана «медленными» (то есть обладавшими низкой энергией) нейтронами. Во время поездки в Копенгаген профессор Ган изложил свою теорию выдающемуся датскому физику Нильсу Бору, однако даже Бор прямо заявил ему, что последовательное выделение двух альфа– частиц является «неестественным». Сам датчанин был склонен считать, что полученные в ходе реакции вещества представляли собой трансурановые элементы. Л. Мейтнер написала Гану из Стокгольма возмущенное письмо, в котором отмечала, что немецкие ученые «легкомысленно игнорируют железные законы физики, не допускающие подобного фривольного подхода к науке».

Уязвленные насмешками коллег Ган и Штрасман решили вновь исследовать полученное вещество с периодом полураспада 3,5 часа. Штрасман предложил изящный эксперимент, в котором для выделения «первичного» радиоактивного вещества из раствора, полученного в результате бомбардировки атомов урана, использовался хлорид бария. Хлорид бария выпадает в осадок в виде кристаллов, которые не могут содержать примесей многочисленных трансурановых элементов, получаемых в результате реакции. Примененное немецкими учеными решение было простым и недорогим: трубка с веществом, в состав которого входил уран, подвергалась воздействию нейтронов, источником которых была смесь одного грамма радия с бериллием. Замедление нейтронов осуществлялось с помощью парафиновой массы. Полученный в ходе реакции раствор, в котором наряду с прочими элементами наверняка содержалось таинственное радиоактивное вещество с полураспадом 3,5 часа, смешивался с хлоридом бария. При этом в состав вновь образовавшихся кристаллов наверняка входило и незначительное количество того, что, как считали Ган и Штрасман, представляло собой изотопы радия. Наличие этих изотопов впоследствии фиксировалось с помощью счетчика Гейгера – Мюллера. Эксперимент протекал трудно: незначительное количество нового радиоактивного вещества для удобства последующего исследования было необходимо отделить от массы нерадиоактивного хлорида бария. Для выделения «радия» немецкие ученые должны были прибегнуть к хорошо им знакомому процессу фракционной кристаллизации. Этим же способом ранее воспользовалась Мария Кюри для выделения радия. Гану и Штрасману, неоднократно прежде проделывавшим тот же эксперимент, хорошо была известна эта работа.

Теперь же, в очередной раз воспользовавшись этим методом, они с удивлением обнаружили, что им вовсе не удалось получить изотопы того, что они считали «радием».

Может быть, ими был каким-то образом нарушен ход химической реакции? На третьей неделе декабря Ган решил провести контрольный эксперимент. Он повторил процесс кристаллизации; при этом он заменил предполагаемый изотоп «радия» на всем известный в то время изотоп радия торий-Х. Затем он разбавил раствор, понизив радиоактивность до уровня, который показывал обнаруженный ими изотоп «радия». Контрольный эксперимент прошел так, как и было запланировано: небольшое количество атомов настоящего изотопа радия удалось выделить из хлорида бария. Все совпало с теоретическими выкладками, а это значило, что ход реакции не нарушался.

В субботу 17 декабря Ган и Штрасман все еще не могли поверить в то, что эксперимент проходил таким неожиданным путем. Однако постепенно они начинали понимать: в тот день, когда они последовательно повторили два эксперимента с использованием «своего» искусственно полученного «радия» и естественного изотопа радия мезотория-I в одном и том же растворе, последний сыграл роль «индикатора». Радиоактивные вещества поэтапно выделялись из раствора с помощью хлорида бария. При этом в процессе кристаллизации они собирались вместе. Был проделан чрезвычайно сложный эксперимент, на каждом этапе которого при кристаллизации хлорид бария проверялся на радиоактивность. Счетчик Гейгера – Мюллера показал, что на каждом этапе эксперимента истинный изотоп радия мезоторий последовательно собирался в кристаллах хлорида бария. В то же время такого не происходило с полученным ими искусственно веществом, которое они считали также изотопом радия; последний на каждом этапе эксперимента равномерно распределялся между кристаллами хлорида бария и вел себя примерно так же, как и сам барий. Такое сходство было странным, но показательным. Той ночью Ган записал в своем дневнике:

«Удивительная фракционность радия/бария/ мезотория».

Сам Ган больше не испытывал сомнений: то, что, по их мнению, было радиоактивным изотопом «радия», не могло быть химическим путем выделено из бария, поскольку на самом деле представляло собой его, бария, радиоактивный изотоп.

В результате бомбардировки медленными нейтронами самого тяжелого известного в природе элемента урана был получен барий, химический элемент, имеющий чуть больше половины атомного веса урана. Атом урана был разорван на части. Работавшим на дорогом оборудовании зарубежным ученым не удалось то, что получилось у немецких химиков, сделавших с помощью примитивных приборов открытие, которое в конечном счете привело мир физики в кромешный ад.

Отто Ган недолго