Э. Резерфорд, переехав в Кембридж, делает несколько важных открытий. Во-первых, что при воздействии альфа-частиц на атомы легких газов происходят ядерные превращения, а значит, их можно вызвать искусственно. Во вторых, при этом в ряде случаев испускаются положительно заряженные частицы, которые служат основными структурными элементами ядер (Э. Резерфорд назвал их протонами). И наконец, логика подсказывает, что должен существовать еще один структурный элемент ядра, а точнее – нейтральная частица с массой, равной массе протона, и эта частица, как пророчески заметил Э. Резерфорд, должна "свободно проникать в структуру атомов", а поэтому стать "новым эффективным инструментом ее исследования".
1932. "Год чудес" в "Великое трехлетие" ядерной физики (1932-1934)
В 1932 году Джеймс Чэдвик наконец открывает нейтрон, предсказанный Э. Резерфордом, его учителем по Кембриджу. И едва исследователи получили в руки этот "эффективный инструмент", как открытия хлынули лавиной.
Дмитрий Дмитриевич Иваненко (СССР) и Вернер Гейзенберг (Германия) создают протонно-нейтронную модель атомного ядра. Ученики Э. Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон расщепляют ядра лития протонами, ускоренными с помощью электростатического ускорителя. В США Гаролд Юри с сотрудниками открывают дейтерий, тяжелый протон водорода. Еще один американец, Карл Андерсон, открывает в космических лучах позитрон, положительно заряженный аналог электрона.
В 1933 году Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини подтверждают открытие Андерсона. Гилберт Льюис и Р. Макдональд в США открывают тяжелую воду. Сразу во Франции (Ирен и Фредерик Жолио-Кюри), в Англии (Блэкетт, Оккиалини и Чэдвик), в США (Андерсон) и в Германии (Л. Мейтнер) обнаруживают рождение электронно позитронных пар из жестких гамма квантов вблизи ядер достаточно тяжелых элементов.
В 1934 году Энрико Ферми, добавив гипотезу Вольфганга Паули о нейтрино (безмассовой нейтральной частице, вылетающей при бета-распаде) к протонно-нейтронной модели ядра, создает теорию бета-распада. Тот же Ферми публикует первые работы по облучению урана медленными нейтронами, где приходит к выводу, что ему удалось получить новые элементы номер 93 и 94 (их химическую идентификацию провести Ферми не удалось – не было достаточного количества для анализа).
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри экспериментально открывают явление искусственной радиоактивности химических элементов.
Ида Ноддак (Германия) теоретически предсказывает возможность деления ядер урана.
Лео Сциллард в Англии высказывает мысль о цепной ядерной реакции при облучении бериллия нейтронами, что, как он считает, можно использовать для получения мощной взрывчатки нового типа.
Маркус Олифант, Пол Хартек и Эрнест Резерфорд открывают тритий, сверхтяжелый изотоп водорода.
Прорыв в ядерной физике за эти три года оказался таким значительным, что, уже в 1934 году физики имели все теоретические предпосылки для создания атомной бомбы – деление урана, цепной характер этого деления и, по сути, уже открытый плутоний.
Однако потребовалось еще несколько лет исследований физиков в содружестве с химиками, чтобы открыть феномен деления урана с помощью медленных нейтронов.
1938 – 1939. "Томный" характер атомной энергии
На этот раз вперед вышли немцы. Отто Ган и Фриц Штрассман уверенно фиксируют, что при бомбардировке атомов урана медленными нейтронами некоторые ядра расщепляются на две примерно равные части с высвобождением большого количества ядерной энергии. А теоретическое объяснение явлению дают Лизе Мейтнер и Отто Фриш, вынужденные эмигрировать из фашистской Германии в Швецию. Они же в очередной раз, но теперь не умозрительно, а строго доказательно, указывают на то, что деление ядер должно сопровождаться высвобождением огромного количества энергии, что Фриш подтверждает экспериментально.
С начала 1939 года новое явление изучают сразу в Англии, Франции, США и Советском Союзе. Нильс Бор и Джон Уилер в Соединенных Штатах и Яков Ильич Френкель в СССР предлагают теорию деления ядер, и почти сразу выясняется цепной характер деления (В. Цинн и Лео Сциллард (США), Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон (СССР)). Появляется понятие крической массы урана, при достижении которой начинается процесс деления (Френсис Перрен, Франция). Выясняется решающая роль изотопа урана-235 (актиноурана, как тогда говорили), составляющего в природной урановой смеси всего 0,71% (Нильс Бор). Открывают два трансурановых элемента, 93-й и 94-й – нептуний и плутоний (Эдвин Макмиллан, Филипп Абельсон, Гленн Сиборг, США), и устанавливают, что плутоний так же хорошо делится под действием нейтронов, как и уран-235 (Джозеф Кеннеди, Сиборг, Эмилио Сегре, Артур Валь, США).
Таким образом, окончательно стало известно все необходимое для извлечения атомной энергии. Позже Содди предлагал назвать эту энергию как полагается: "томной", то есть "делительной" (слово "атомная" означает как раз "неделимую"). Но неологизм Ф. Содди не привился.
Финишный рывок
Европа была накануне Второй мировой войны, и потенциальное обладание таким мощным оружием подталкивало милитаристские круги на быстрейшее его создание, но тормозом стала проблема наличия большого количества урановой руды для широкомасштабных исследований. Над созданием атомного оружия трудились физики Германии, Англии, США, Японии. Понимая, что без достаточного количества урановой руды невозможно вести работы, США в сентябре 1940 года закупили большое количество требуемой руды по подставным документам у Бельгии, что и позволило им вести работы над созданием ядерного оружия полным ходом. В Лос-Аламосе был создан научный центр по разработке ядерного оружия (Манхэттенский проект). Возглавил его генерал Лесли Гровс, а руководителем научного проекта был назначен Роберт Оппенгеймер.
В 1939 году началась Вторая мировая война. Но еще на ее пороге физики-ядерщики, похоже, окончательно осознали, к чему на самом деле могут привести их открытия. 2 августа 1939 года Альберт Эйнштейн (после настоятельных уговоров Лео Сцилларда и Юджина Вигнера) пишет письмо президенту Рузвельту, и в США в октябре 1939 года появляется первый правительственный комитет по атомной энергии. Понимая, к каким последствиям для человека может привести создание ядерного оружия, датский физик Нильс Бор (лауреат Нобелевской премии 1913 года, автор модели строения атома) обратился к правительствам стран и народам с воззванием о запрещении применения ядерной энергии в военных целях, но к его голосу никто не прислушался, и разработки ядерного оружия продолжались полным ходом, слишком заманчива была цель – стать обладателем такого мощного оружия.
В Англии, где развертываются работы по военному применению урана-235, предпочитают не пользоваться эвфемизмами типа "атомная энергия", а называют вещи своими именами. Летом 1941 года Чэдвик заявляет: "Мы убеждены, что создание атомной бомбы реально и может сыграть решающую роль в войне".
Аналогичные призывы слышны в Кремле и от советских ученых. Но после 22 июня 1941 года ядерные заботы отошли здесь на второй план.
Но в результате массовых бомбардировок немецкой авиацией городов Англии атомный проект “Tub Alloys” подвергся опасности, и Англия добровольно передала США свои разработки и ведущих ученых проекта, что позволило США занять ведущее положение в развитии ядерной физики и создании ядерного оружия.
В Германии в 1942 году неудачи на германо-советском фронте повлияли на сокращение работ из-за недостатка финансирования “уранового проекта”, т.к. он не давал сиюминутных выгод по созданию ядерного оружия.
А в США работа тем временем идет по двум направлениям: выделение урана-235 из природной смеси, а точнее – поиск наиболее эффективного метода разделения изотопов урана, и сооружение ядерного реактора для наработки плутония-239, который, как и уран-235, годился для "томной" бомбы. Первый в мире реактор был запущен в США под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 года.
Советский Союз под давлением данных разведки тоже вынужден принять государственную программу по созданию атомной бомбы. В феврале 1943 года в Москве возникает секретная Лаборатория N2 АН СССР, где под руководством Игоря Васильевича Курчатова ведут работу по тем же двум направлениям, что и американцы. При этом разведывательный канал из США продолжал действовать всю войну и после нее и существенно корректировал советскую программу.
К осени 1944 года, когда работы по созданию атомной бомбы подходили к завершению, в США был создан 509-й авиаполк “летающих крепостей” "Boeing B-29 Superfortress", командиром которого был назначен опытный летчик полковник Тиббетс. Полк приступил к регулярным длительным тренировочным полетам над океаном на высотах 10-13 тысяч метров.
10 мая 1945 года в “Пентагоне” собрался комитет по выбору целей для нанесения первых ядерных ударов. Для победного завершения Второй мировой войны необходимо было разгромить Японию – союзника гитлеровской Германии. Начало боевых действий было назначено на 10 августа 1945 года. США хотели продемонстрировать всему миру, каким мощным оружием они обладают, поэтому первыми целями для ядерных ударов были выбраны японские города (Хиросима, Нагасаки, Кокура, Ниигата), которые не должны были подвергаться обычной бомбардировки с воздуха американскими ВВС.
В июле 1945 года американцы испытывают на полигоне в Аламогордо первую в мире плутониевую бомбу. Наступило время действовать...
Утром 6 августа 1945 г. над Хиросимой было ясное, безоблачное небо. Как и прежде, приближение с востока двух американских самолетов (один из них назывался Энола Гей) на высоте 10-13 км не вызвало тревоги (каждый день они показывались в небе над Хиросимой). Один из самолетов спикировал и что-то сбросил, а затем оба самолета повернули и улетели. Сброшенный предмет на парашюте медленно спускался и вдруг на высоте 600 м над землей взорвался. Одним ударом город был уничтожен: из 90 тысяч зданий разрушено 65 тысяч, из 250 тысяч жителей убито и ранено 160 тысяч.