Возникновение химической атомистики

Открытие радиоактивности  урана Беккерелем невозможно переоценить, хотя важность этого открытия поняли не сразу. В тот период физики были полностью поглощены работами по изучению свойств рентгеновского излучения, и потому высказывались предположения, что явление радиоактивности  сродни рентгеновскому излучению. Но рентгеновское  излучение возникает при электрическом  разряде, происходящем в сильно разреженном  газе, независимо от природы газа, независимо от вещества, из которого сделаны электроды. Радиоактивность же солей урана, обнаруженная Беккерелем, не требует  электрического напряжения - ни большого, ни малого. Не нужен и разреженный  газ. Рентгеновское излучение возникает  только в присутствии электрического разряда, излучение, открытое Беккерелем, – всегда, непрерывно, и его излучает только уран.

Но только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-Кюри. Таким образом, был открыт новый  этап исследований, который провели  супруги Кюри.

Мария Кюри воспользовалась  наблюдением Беккереля, что под  влиянием излучения, испускаемого ураном, воздух становится проводником электричества. Это упростило поиск веществ, которые испускают так называемые беккерелевы лучи. М. Кюри натолкнулась на удивительный факт: урановая смолка – руда, из которой добывают металлический  уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. В результате супруги  Кюри открыли два новых радиоактивных  вещества, которые они назвали  полонием и радием.

Всем веществам, которые  способны излучать лучи Беккереля, Мария  Кюри дала общее название – радиоактивные (что означает способные испускать лучи).

С помощью метода сцинтилляций, камеры Вильсона, ионизационной камеры и другой аппаратуры Марии и Пьеру  Кюри, Резерфорду, Содди, Вилларду и  другим ученым либо независимо, либо совместно  удалось обнаружить и изучить  три типа лучей Беккереля, испускаемых  ураном. Каждый из них получил свое название: альфа, бета, гамма. Альфа-лучами назвали те лучи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных частиц. Бета-лучами назвали лучи, которые магнитным полем отклоняются сравнительно сильно и представляют собой поток электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. Гамма-лучами назвали лучи, которые магнитным полем не отклоняются вовсе.

Успехи физики XIX в. позволили  существенно продвинуться в создании целостной системы, объединяющей механику Ньютона и электродинамику Максвелла  и Лоренца. Теория электромагнитного  поля, созданная Максвеллом, вошла  в историю науки наряду с такими фундаментальными обобщениями, как  ньютонова механика, квантовая механика. Процесс коренного преобразования физики подготавливался научными открытиями конца XIX в., сделанными В. Рентгеном (рентгеновские  лучи, 1895 г.), А. Беккерелем (естественная радиоактивность урана, 1896 г.), Дж. Томсоном (открытие электрона, 1897 г., первая модель строения атома), М. Склодовской-Кюри (радиоактивные  элементы – полоний и радий, 1898 г.), М. Планком (теория квантов, 1900 г.) и  др. Выполненные к началу XX в. работы химиков и физиков, теоретиков и  экспериментаторов, вплотную приблизили науку об атоме к проблеме высвобождения  ядерной энергии атома.

Атомистика  первой половины XX в.

Исследования по радиоактивности стали проводиться в России почти сразу после открытия Беккереля. Ученые И. И. Боргман (1900 г.) и А. П. Афанасьев исследовали свойства радиоактивного излучения, в частности лечебные свойства целебных грязей. В. К. Лебединский (1902 г.) и И. А. Леонтьев (1903 г.) изучали влияние радиоактивности на искровые разряды и определили одними из первых природу гамма-лучей. Н. А. Орлов исследовал действие радия на металлы, парафин, легкоплавкие органические вещества. Кроме Петербургского университета такого рода работы велись в Медицинской академии, в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные результаты в этой области были получены В. А. Бородовским, Г. Н. Антоновым, Л. С. Коловрат-Червинским.

В. А. Бородовский, закончив физико-математический факультет Юрьевского университета в 1902 г., работал с 1908 г. в Англии в лаборатории Кенсингтона, а затем в лаборатории Кавендиша (Кембридж). Им написана работа «Поглощение бета-лучей радия», он одним из первых установил наличие радия в ферганской радиоактивной руде. Именно из нее в 1921 г. В. Г. Хлопин получил отечественный препарат радия.

Г. Н. Антонов работал несколько лет в лаборатории Резерфорда. В 1911 г. он открыл уран V. Среди ученых были сомнения. Тогда Резерфорд по рекомендации Содой передал Антонову 60 г ураннитрата, с помощью которого в России Антонов доказал свою правоту. «Уран превращается одновременно в два продукта, - докладывал Антонов на заседании Российского физико-химического общества (РФХО), – в уран Х и в меньшем количестве в уран V».

Результаты работ Л. С. Коловрат-Червинского по радиоактивности  имели большое научное значение. С 1906 г. он в течение пяти лет работал  в лаборатории М. Кюри, провел эксперименты по исследованию бета-лучей и составил «Таблицы констант радиоактивных веществ». Его работы нашли отражение в монографии Марии Кюри и в книге Резерфорда «Радиоактивные вещества и их излучение». Коловрат-Червинским было написано около 250 научных трудов. Он был одним из первых крупных ученых дореволюционной России, который после Октябрьской революции развернул в нашей стране работы по радиологии. Смерть в 1921 г. в возрасте 49 лет прервала его работу в Государственном рентгенологическом и радиологическом институте.

В 1910 г. в Одессе была создана  радиологическая лаборатория, в  Томске спустя некоторое время была организована аналогичная лаборатория.

После 1917 г. был создан Радиевый институт под руководством В. И. Вернадского, заместителем которого стал В. Г. Хлопин. В послереволюционные годы было создано радиевое производство на базе отечественных месторождений.

Без участия в этих работах  русских ученых-радиологов всех направлений  не было бы базы для создания отечественной радиевой промышленности и развития советской радиологии, а в будущем советской атомной науки и промышленности.

История высвобождения и  использования внутриядерной энергии атома не могла идти самостоятельным, каким-то отдельным путем, это история развития многих наук, прежде всего физики и химии.

В открытии и высвобождении  внутриядерной энергии атома  приняли участие ученые многих стран мира, разных национальностей и разнообразных профессий. Этот невиданный ранее источник энергии, скрывающийся в недрах атома, принадлежит всему человечеству.

В 1900 г. немецкий физик-теоретик М. Планк (1858-1947) ввел новую универсальную постоянную, названную им элементарным квантом действия. Введя понятие кванта энергии, он сформулировал квантовую гипотезу, положив тем самым начало квантовой теории, или, коротко, атомизации действия. В первые годы эта теория не имела «шумного успеха», пока ее не применил А. Эйнштейн и не показал ее Незаменимость для понимания явлений, происходящих в микромире.

В 1910-1914 гг. А. Эйнштейн (1879-1955) создал общую теорию относительности, в которой сформулировал новый подход к проблеме пространства и времени. Принцип относительности Эйнштейна – закон такой же абсолютной силы и значения, как и закон сохранения энергии. Позже Эйнштейн был вынужден эмигрировать из Германии и отказаться от немецкого гражданства. Он уехал в 1932 г. из гитлеровской Германии, стал эмигрантом, переселился в США и приступил к работе в Принстоне в Институте высших исследований. Принимал участие в антивоенном движении, выступал против фашизма.

Но фашизм наступал. Гитлеровская Германия в марте 1938 г. захватила Австрию, в марте 1939 г. аннексировала Чехословакию.

Великобритания и Франция  шли на уступки территориальным  притязаниям гитлеровского правительства, надеясь этим удовлетворить поползновения гитлеровской Германии и направить ее военную силу против СССР.

Общественность всех стран  чувствовала, что мировая война становится неизбежной. Ученые США, в частности, понимали, к каким тяжелым последствиям она может привести, поскольку гитлеровская Германия обладала очень сильным научным и техническим потенциалом. Немецкие ученые вплотную подошли к возможности применения внутриядерной энергии атомов урана в военных целях. Именно в Германии впервые было осуществлено деление ядер урана. Вот почему ученые – физики-эмигранты, и среди них Сцилард и Теллер, - убеждали Альберта Эйнштейна обратиться к президенту Соединенных Штатов Ф. Рузвельту с предложением развернуть в США работы по созданию ядерного оружия, ядерной бомбы, с тем чтобы опередить Германию.

После длительных размышлений  и внутренней борьбы Эйнштейн предложил начать работы по созданию ядерной бомбы, хотя по натуре своей он был убежденным пацифистом.

2 августа 1939 г. Альберт  Эйнштейн направил письмо президенту  США Франклину Делано Рузвельту.

Ф. Д. Рузвельту

Президенту Соединенных  Штатов

Белый дом, Вашингтон

Сэр!

Некоторые недавние работы Ферми и Сциларда, прочитанные мной в рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый и важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и, при необходимости, быстрых действий со стороны правительства. Я считаю своим долгом обратить Ваше внимание на следующие факты и рекомендации.

В течение последних четырех  месяцев благодаря работам Жолио во Франции, а также Ферми и Сциларда в Америке стало реальным получение ядерной реакции при больших количествах урана, вследствие чего можно освободить значительную энергию и получить большие количества радиоактивных элементов. Можно считать почти достоверным, что это будет достигнуто в ближайшем будущем. В свою очередь это может способствовать созданию бомб, возможно, исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей к нему территорией. Такие бомбы могут оказаться слишком тяжелыми для воздушной перевозки.

Соединенные Штаты обладают малым количеством урана. Ценные месторождения его находятся  в Канаде и Чехословакии. Серьезные источники – в Бельгийском Конго. Ввиду этого было бы желательным установление постоянного контакта между правительством и группой физиков, исследующих в Америке проблемы цепной реакции.

Для такого контакта Вы могли  бы уполномочить лицо, пользующееся Вашим доверием, неофициально выполнять следующие обязанности:

а) поддерживать связь с  правительственными учреждениями, информировать их об исследованиях и давать им необходимые рекомендации, в особенности в части обеспечения Соединенных Штатов ураном;

б) содействовать ускорению  экспериментальных работ, ведущихся сейчас за счет внутренних средств университетских лабораторий, путем привлечения частных лиц и промышленных лабораторий, обладающих нужным оборудованием.

Мне известно, что Германия в настоящее время прекратила продажу урана из захваченных чехословацких рудников.

Необходимость таких шагов, быть может, станет понятна, если учесть, что сын заместителя германского  министра иностранных дел фон  Вайцзеккер прикомандирован к Физическому институту Общества кайзера Вильгельма в Берлине, где в настоящее время повторяются американские работы по урану.

Искренне Ваш Альберт  Эйнштейн

Олд Гров Ред, Нассау-Пойнт-Пеконик, Лонг Айленд

2 августа 1939 г.

В интервью японской газете в 1951 г. А. Эйнштейн так объяснил свою роль в создании ядерной бомбы:

«Мое участие в создании ядерной бомбы состояло в одном-единственном поступке, я подписал письмо президенту Рузвельту, в котором подчеркивал необходимость проведения в крупных масштабах экспериментов по изучению возможности создания ядерной бомбы. Я полностью отдавал себе отчет в том, какую опасность для человечества означает успех этого мероприятия. Однако вероятность того, что над той же самой проблемой с надеждой на успех могла работать и нацистская Германия, заставила меня решиться на этот шаг. Я не имел другого выбора, хотя я всегда был убежденным пацифистом...»

Письмо А. Эйнштейна не сразу привело к действиям  администрации США.

Рузвельт распорядился о  создании Консультативного комитета по урану в тот же день, когда ответил на письмо Эйнштейна, но решение о развертывании крупномасштабной программы создания ядерного оружия было принято только в октябре 1941 г., после получения сведений о работе англичан в этом направлении.

Нападение японских военно-воздушных сил на Пирл-Харбор 8 декабря 1941 г. привело к тому, что США объявили войну Японии, Германии и Италии. После вступления США в войну программа создания ядерной бомбы перешла из стадии научных исследований в стадию практических разработок.

В середине 1942 г. администрация  США поняла, что «...несколько килограммов урана-235 или плутония-239 представляют собой взрывчатку, эквивалентную по своей мощи нескольким тысячам тонн обычных взрывчатых веществ» (из доклада В. Буша 17 июня 1942 г. президенту США Ф. Д. Рузвельту).

В результате указаний президента США 13 августа 1942 г. был создан специальный  округ инженерных войск под названием  Манхэттенский в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, в пустыне, недалеко от Санта-Фэ. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен бригадный генерал инженерных войск Л. Гровс, а научным руководителем – физик-теоретик Юлиус Роберт Оппенгеймер.

С этого времени началась работа огромного масштаба, поглотившая  колоссальные средства, материальные ресурсы, человеческие усилия и приведшая к созданию ядерной бомбы невиданной мощи в июле 1945 г.

Но вернемся к истокам  освоения нового источника энергии.

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871-1937) сделал в Манчестере доклад «Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома». X. Гейгер и Э. Марсден провели экспериментальную проверку идеи Резерфорда о строении атома. Они подтвердили существование ядра атома как устойчивой его части, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным зарядом.

В 1913 г. Н. Бор (1885-1962) опубликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике. Примерно в это же время начались, как известно, первые трудности электромагнитной концепции микромира. Уже квантовая механика несла в себе совершенно новые взгляды на микропроцессы. Так, в основу многих уравнений квантовой механики входило значение массы микрочастиц, а открытие спина (от английского spin – вращение), т. е. собственного момента количества движения, у электрона С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком (1925 г.) и выдвижение принципа запрета В. Паули (1925г.) противоречили существовавшим представлениям в физике. Но наиболее важной оказалась гипотеза нейтрино, выдвинутая в 1931 г. Паули с целью объяснения кажущихся аномалий в энергетическом распределении электронов, вылетающих при бета-распаде. Нейтрино было четвертой элементарной частицей (после электрона, фотона и протона), с которой столкнулась физика того времени.