Создание атомной бомбы - Ричард Роудс Страница 58

К моменту возвращения Астона в Кембридж в 1918 году он нашел теоретическое решение своей задачи; теперь он приступил к созданию того прецизионного прибора, который он задумал[607]. В нем газ или покрытие заряжались до тех пор, пока их материал не ионизировался до разделения на составляющие его электроны и ядра, после чего ядра вылетали через щель, формировавшую тонкий плоский пучок, похожий на пучок света, суженный щелью спектрографа. После этого пучок проходил через сильное электростатическое поле, и разные ядра распределялись по разным пучкам. Далее разделенные пучки направлялись сквозь магнитное поле; оно распределяло ядра по массе, формируя отдельные пучки разных изотопов. Наконец разделенные таким образом пучки попадали в кассету фотокамеры, и их точное расположение отмечалось на калиброванной фотопленке. Степень разделения пучков магнитным полем – и положение полосок засветки, которые они оставляли на пленке – точно соответствовала массам образующих их ядер.

Астон назвал свой вновь изобретенный прибор масс-спектрографом, так как он позволял распределять элементы и их изотопы по массе практически так же, как спектрограф оптический распределяет свет в зависимости от его частоты. Масс-спектрограф немедленно стал пользоваться громким успехом. «В письмах ко мне в январе и феврале 1920 года, – говорит Бор, – Резерфорд выражал свое удовлетворение работами Астона, в особенности открытием изотопов хлора, которые так наглядно демонстрировали статистический характер отклонений химических атомных весов от целочисленных значений. Он не без юмора комментировал также оживленные дискуссии в Кавендишской лаборатории, посвященные относительным достоинствам различных моделей атома, которые появлялись в связи с открытием Астона»[608][609]. В течение следующих двух десятилетий Астон идентифицировал 212 из 281 встречающихся в природе изотопов. Он обнаружил, что атомные веса всех измеренных им элементов (за одним лишь заметным исключением – водорода) очень близки к целым числам, что было сильным аргументом в пользу теории, утверждавшей, что природные элементы попросту состоят из наборов протонов и электронов, то есть атомов водорода. Химики не получали целочисленных атомных весов природных элементов, потому что они часто представляют собой смеси изотопов с разными атомными весами. Например, как Астон отмечал впоследствии в своих лекциях, он доказал, «что неон несомненно состоит из изотопов 20 и 22, и то, что его атомный вес равен 20,2, связано с тем, что изотопы эти присутствуют в нем в пропорции около 9 к 1»[610]. Это удовлетворило даже Дж. Дж. Томсона.

Но почему же водород был исключением из этого правила? Если элементы состоят из атомов водорода, почему сам атом водорода, их основной конструктивный элемент, причем только он один, весит 1,008 единицы? Почему вес четырех таких атомов, образующих гелий, уменьшается до 4? Почему он не равен 4,032? И почему вес гелия равен не точно 4, а 4,002, а кислорода – не точно 16, а 15,994? Что означают эти чрезвычайно малые и неодинаковые отклонения от целых чисел?

Атомы не распадаются, рассуждал Астон. Их скрепляет нечто чрезвычайно сильное. Этот скрепляющий фактор характеризуется энергией связи. Для создания связи атомы водорода, объединенные в ядро какого-либо элемента, жертвуют частью своей массы. Именно этот дефект массы и обнаружил Астон, сравнивая атом водорода с атомами других элементов с точки зрения выполнения целочисленного правила. Кроме того, утверждал он, ядра бывают более или менее плотно упакованы. В зависимости от плотности их упаковки им требуется большая или меньшая энергия связи, что, в свою очередь, требует большего или меньшего расхода массы – отсюда и берутся небольшие вариации. Разницу между измеренной массой и целочисленным значением он выразил в виде дроби, которую назвал упаковочным коэффициентом; грубо говоря, этот коэффициент равен отношению величины отклонения массы элемента от целого числа к самому этому целому числу. «Высокий упаковочный коэффициент, – предположил Астон, – соответствует неплотной упаковке и, следовательно, низкой устойчивости; низкий коэффициент указывает на обратную ситуацию»[611]. Он построил график упаковочных коэффициентов и показал, что элементы, находящиеся в широкой центральной области периодической системы, например никель, железо, олово, обладают самыми низкими коэффициентами и, следовательно, самой высокой устойчивостью, а элементы, расположенные по краям таблицы, – как самые легкие, например водород, так и самые тяжелые, например уран, – имеют высокие упаковочные коэффициенты и, таким образом, являются самыми нестабильными. Внутри всех элементов, утверждал он, но особенно в элементах с высоким упаковочным коэффициентом, заключена масса, которую можно преобразовать в энергию[612]. Если сравнить гелий с водородом, получится, что у гелия не хватает почти 1 % массы (отношение 4 к 4,032 равно 0,992, то есть 99,2 %). «Если бы мы могли преобразовать [водород] в [гелий], почти 1 % его массы аннигилировал[613] бы. Учитывая уже доказанную на опыте релятивистскую эквивалентность массы и энергии [Астон имеет в виду знаменитую формулу Эйнштейна E = mc2], количество высвобожденной энергии было бы огромным. Так, превращение в гелий водорода, содержащегося в стакане воды, дало бы достаточно энергии для перехода лайнера “Куин Мэри” через Атлантику и обратно на полной скорости»[614].

Далее в своей лекции, прочитанной в 1936 году, Астон рассуждает о возможных социальных последствиях высвобождения такой энергии. Вооружившись необходимыми знаниями, говорит он, «химики-ядерщики, я уверен, смогут синтезировать элементы точно так же, как обычные химики синтезируют химические соединения, и можно не сомневаться, что в некоторых из таких реакций будет происходить высвобождение субатомной энергии». И продолжает:

Некоторые среди нас говорят, что такие исследования должны быть запрещены законом, утверждая, что разрушительная сила человека и без того уже достаточно велика. Наверное, так же самые старые и обезьяноподобные из наших доисторических предков возражали против новинок вроде приготовленной на огне пищи и указывали на ужасные опасности, связанные с только что изобретенным использованием огня. Я лично думаю, что субатомная энергия несомненно окружает нас повсюду, и однажды человек научится извлекать и контролировать ее почти неограниченную мощь. Мы не можем помешать ему в этом, и нам остается лишь надеяться, что люди будут использовать ее не только для уничтожения друг друга[615].

Масс-спектрограф, который Фрэнсис Астон изобрел в 1919 году, не мог высвободить энергию связи атома. Но он позволил определить эту энергию связи и выявить группу элементов, сравнительная нестабильность которых предполагала, что при наличии соответствующих методов именно из них эта энергия может быть получена с наибольшей вероятностью. В 1922 году работа Астона была удостоена Нобелевской премии по химии. Получив