Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Исход противоборства между «склеивающими» ядерными силами и электрическим отталкиванием в конечном счете определяется размером ядра. В маленьких ядрах сильное взаимодействие легко побеждает, а добавление новых протонов и нейтронов обычно делает ядро еще крепче. Но ядерные силы могут действовать только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами самого протона, – не больше, чем одна триллионная доля миллиметра (эту единицу длины назвали ферми в честь Энрико). Начиная с некоторого размера ядро становится слишком большим, электрическая сила начинает побеждать ядерную, и поэтому, чем больше в ядре становится протонов и нейтронов, тем неустойчивее оно становится. Критический размер достигается ядрами никеля (28 протонов и 34 нейтрона) и железа (26 протонов и 30–32 нейтрона). Ядра бо́льших размеров менее устойчивы, а начиная со свинца, в ядре которого 82 протона и больше 100 нейтронов, они и вовсе теряют устойчивость.

Уран находится далеко за пределами этой точки. С его 92 протонами уже не важно, сколько нейтронов вы добавите в его ядро, – оно все равно рано или поздно распадется. Но две разновидности уранового ядра, прежде чем распасться, могут просуществовать миллиарды лет: уран-235 и уран-238. Эти числа обозначают общее количество протонов и нейтронов в ядрах. У U-235 143 нейтрона и 92 протона, итого 235. В ядре U-238 на 3 нейтрона больше, то есть оно немного тяжелее. Но и то и другое вещество – уран: химическая идентичность атомных ядер определяется только количеством протонов в нем. Химия сводится к электромагнитному взаимодействию атомов. Но химические свойства атома целиком определяются количеством электронов в нем, а число электронов, окружающих данное атомное ядро, в свою очередь определяется количеством протонов в этом ядре. Ядра с одним и тем же числом протонов, но различными количествами нейтронов – различные изотопы одного и того же элемента, они отличаются весом, но не своими химическими свойствами.

Бор и Уилер, основываясь на работе физика Лизы Мейтнер, беженки из Европы, и ее племянника Отто Фриша, обнаружили, что свойства ядер этих двух изотопов урана очень отличаются. А именно, если в ядро U-235 попадает нейтрон, оно распадается: расщепляется на два меньших ядра, высвобождая при этом невероятное количество энергии вместе с несколькими свободными нейтронами. Если урана U-235 достаточно много – достигнута «критическая масса», то нейтроны, выделившиеся при распаде, попадут в другие ядра U-235, которые тоже распадутся, образовав еще больше нейтронов. Начнется цепная реакция. И если не принять никаких мер, то 120 фунтов чистого U-235 – маленькая сфера из плотного металла, диаметром меньше двадцати сантиметров – в результате цепной реакции взорвется, выделив столько же энергии, что и 15 000 тонн тринитротолуола. Этого достаточно, чтобы мгновенно сровнять с землей небольшой город. Если же этой реакцией управлять, поглощая часть выделяющихся нейтронов, то теми же 120 фунтами U-235 можно обеспечивать этот город энергией несколько дней.

С U-238 дела обстоят иначе. Три лишних нейтрона чуть добавляют ему устойчивости, и если в ядро попадет нейтрон, оно так легко не развалится. Поэтому из U-238 сделать бомбу невозможно[170]. К счастью, около 99,3 процента урана в природе – это U-238. Чтобы сделать атомную бомбу, вам придется выделить малое количество U-235 из огромного объема U-238 – и так как они химически идентичны, то единственный способ это сделать – воспользоваться тем, что U-238 на 1,3 процента тяжелее, чем U-235. Данное обстоятельство позволяло гарантировать, что использовать ядерную энергию было бы исключительно трудно: потребовались бы громадные количества урана, а также центрифуги и промышленные мощности для диффузии – все это заняло бы территорию размером с город. «Ничего не выйдет, если только вы не превратите Соединенные Штаты в одну огромную фабрику»[171], – заключил Бор.

И все же отказаться от попыток овладеть ядерной энергией было слишком рискованно. Если бы нацистская Германия создала атомную бомбу, война была бы проиграна. Все Эйнштейны, Ферми и Боры в мире уже не смогли бы никуда убежать. «Одна вот такая маленькая бомбочка, – показывал руками Ферми, глядя с высоты на Манхэттен, – и все это исчезло бы»[172].

* * *