Текст книги "Курчатов"

Буря и натиск

Интерес Курчатова к новой области науки – физике атомного ядра – возник не внезапно. Этот интерес постепенно, неуклонно нарастал в нем уже с того времени, когда его мысли были заняты сегнетоэлектриками, диэлектриками, разрядниками.

Тот факт, что он все больше и больше занимался новой тематикой, говорит в пользу его интуиции как ученого.

– Ни у кого я не видел такого дальнего прицела в науке, как у Игоря Васильевича, – сказал ученик Курчатова Константин Антонович Петржак.

Дальний прицел... Это, пожалуй, очень точное выражение. И в том, что Игорь Васильевич в 1932 году занялся ядерной тематикой, во многом сыграл роль этот прицел.

И то, что это произошло в 1932 году, тоже не случайность. 1932 год на пути проникновения в тайны атомного ядра имеет особое значение. В этом году английский ученый Дж. Чадвик открыл новую частицу – нейтрон, не несущую электрического заряда. Тогда же в физико-техническом институте родилась протонно-нейтронная модель ядра, идею которой выдвинул Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

По инициативе А. Ф. Иоффе И. В. Курчатов, Д. Д. Иваненко, А. И. Алиханов и Д. В. Скобельцын расширяли фронт ядерных исследований в институте.

С ноября 1932 года стали регулярно проводиться ядерные семинары – по четвертым дням пятидневки, то есть пять раз в месяц. На них обсуждались все новейшие исследования по ОДРУ, квантовой механике, космическим лучам. Кроме сотрудников физтеха, на заседания приходили научные работники Других институтов. В среднем собиралось до 30—35 человек.

В январе 1933 года на одном из заседаний ядерного семинара Игорь Васильевич выступал с докладом «О некоторых работах из области строения ядра», в котором дал обзор последних исследований.

Второе выступление Игоря Васильевича состоялось в марте 1933 года. Темой выступления Игоря Васильевича было «расщепление ядер». Запомним дату: март 1933 года. Через два года уже выйдет в свет монография И. В. Курчатова; посвященная этому новому для науки явлению.

Участники семинаров услышали от Игоря Васильевича рассказ об искусственных превращениях ядер элементов под действием ядер тяжелого водорода (дейтерия), называемых дейтонами – частицами, состоящими из протона и нейтрона.

Эти реакции, впервые полученные группой американских атомников, тут же изученные И. В. Курчатовым, имеют важное значение и в настоящее время.

– При бомбардировке быстрыми дейтонами, – объяснял Курчатов участникам семинара, – все испытанные мишени, а именно: уголь, золото, платина, фтористый литий, окись кремния и латунь – излучают протоны с одними тем же пробегом... То обстоятельство, что во всех случаях получались протоны с одним и тем же пробегом, и привело в первый раз к представлению о расщеплении дейтона на протон и нейтрон...

В апреле 1933 года Игорь Васильевич выступил с сообщениями о работах Резерфорда по бомбардировке ядра тяжелыми частицами. Резерфорд еще в 1919 году обнаружил излучение протонов при бомбардировке азота альфа-частицами. Два года спустя он с Чадвиком опубликовал подробное исследование этого явления, в котором установил зависимость максимальной энергии протона, выброшенного в направлении движения альфа-частицы, от ее энергии.

– Так впервые было показано, – пояснил Курчатов потом в лекции в Московском университете, – что мы можем изменить строение ядра при помощи внешних воздействий. Этими работами было положено начало исследованиям над ядерными превращениями.

Причину успеха Резерфорда Курчатов видел в том, что он применил потоки альфа-частиц, движущихся со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Зачем нужны такие скорости?

«Атом в целом электрически нейтрален, – пояснял Курчатов. – Благодаря этому возможно тесное сближение атомов разных элементов и этим обусловливается большая вероятность нормальных химических реакций, идущих за счет электронных обменов внешней оболочки атомов.

Нетрудно видеть, что совсем другие условия господствуют для ядер. При сближении ядер они будут испытывать громадное электростатическое отталкивание, так как очевидно, что на малых расстояниях (меньших диаметра орбит) электронные оболочки уже не будут компенсировать больших положительных зарядов ядра. Только в том случае и возможно тесное сближение ядер, когда ядра движутся с большой относительной скоростью и, несмотря на отталкивание, все же могут подойти одно к другому на небольшие расстояния».

– Вполне понятно, – говорил он, – что проще могут быть реализованы расщепления легких ядер, имеющих меньший заряд, чем тяжелых. Далее ясно, что легче вызвать расщепление частицами, имеющими малый заряд ядра, и лучше всего употреблять для этой цели атомы водорода, заряд ядра которых равен единице.

Именно стремление бомбардировать ядра по возможности легкими частицами с малым зарядом и привлекло внимание физиков и самого Курчатова к дейтонам и протонам.

– Эти представления явились программой работ ряда больших лабораторий и институтов, занимавшихся исследованием свойств ядра, – говорил Курчатов. – Предполагалось, что, употребляя в качестве снарядов разрушения протоны, удастся вызвать ядерные реакции при относительных скоростях частиц, меньших, чем те, с которыми оперировал Резерфорд. Эти предположения оправдались. Кокрофту и Уолтону в Кембридже первым удалось вызвать разрушение ядер лития пучком протонов. Они получали протоны больших скоростей, ускоряя их в электрическом поле в трубках, напоминающих обычные рентгеновские трубки и работающих на еще более высоких напряжениях...

Сделал новый шаг и сам Резерфорд. Он установил, что ядерная реакция между ядрами водорода идет при скоростях частиц, равных 1300 километрам в секунду.

– Казалось бы, – комментировал Игорь Васильевич этот результат, – реакция водорода с водородом ставит нижний предел для скоростей частиц, которые еще могут вызывать ядерные превращения, в этом случае отталкивающие силы между ядрами минимальные. Но поразительные открытия последних лет показалиоднако, что это оказывается неверным. Были обнаружены новые частицы – нейтроны, масса которых равна массе протона, а заряд равен нулю. Очевидно, что для нейтронов, не имеющих заряда, не будут существовать те ограничительные условия для сближения с ядрами, которые так сильно затрудняют взаимодействие ядер во всех других случаях, и apriori ясно, что нейтроны будут очень эффективны в ядерных превращениях.

В 1933 году еще не было условия для изучения взаимодействия нейтронов с веществом, так как не существовало доступных источников нейтронов. Поэтому свое внимание Игорь Васильевич обратил пока на протоны.

И источники протонов тогда были у нас еще малодоступны. «Хотя нам удавалось ставить интересные эксперименты по ядерной физике, – вспоминает академик А. И. Алиханов, – это было очень и очень нелегко. Дело в том, что в физико-техническом институте не было самого главного для исследования ядра – не было источника частиц для бомбардировки и расщепления ими ядер. В то время источниками частиц с большой энергией были естественные радиоактивные элементы – продукты распада радия. Радий был в количестве одного грамма в Ленинградском радиевом институте (теперь институт имени В. Г. Хлопина), и мы, пользуясь любезностью хозяев этого грамма радия, получали раз в 7—10 дней в запаянной стеклянной ампуле выделенную радием эманацию радия».

С целью создания новых источников заряженных частиц началось строительство высоковольтной установки в Украинском физико-техническом институте и ускорителя протонов в Ленинградском физико-техническом институте.

«В те годы в Ленинградском физико-техническом институте, – вспоминает академик И. К. Кикоин, – почти не было „ядерной“ культуры, если не считать небольшой лаборатории Д. В. Скобельцына, занимавшегося физикой космических лучей».

И Игорь Васильевич взялся за создание этой «ядерной» культуры. В физтехе был сооружен ускоритель протонов. Начала работать и высоковольтная установка в Харькове. На построенной своими руками аппаратуре для получения быстрых протонов И. В. Курчатов совместно с К. Д. Синельниковым, Г. Я. Щепкиным, А. И. Вибе выполнил свои первые работы по расщеплению ядер бора и лития.

Но для развития исследований недостаточно было построить ускорители протонов. Прогресс был немыслим без устройств, которые бы позволяли наблюдать за тем, что происходит с ядрами. Техника наблюдений за ядерными превращениями тогда только зарождалась, и опять у ее истоков в нашей стране стоял Игорь Васильевич Курчатов.

Вот как он сам описывает методы наблюдения за ядерными процессами:

«В виду крайней редкости событий, случающихся с ядрами, все эти методы построены на обнаружении одного атома, одного ядра или одного электрона. Решение такой задачи возможно только потому, что частицы в ядерных процессах имеют большие скорости и этим резко отличаются от мириад атомов и электронов, образующих применяемую в исследовании аппаратуру.

Очень большое значение в методике ядерных исследований имеют камера Вильсона и счетчик Гейгера».

Игорь Васильевич много работал над усовершенствованием этих приборов. Сохранилась ученическая тетрадь с надписью на обложке: «По методике к камере Вильсона. И. Курчатов».

Под руководством Игоря Васильевича была сконструирована автоматическая камера и проведены исследования по определению наилучшего режима ее работы; был сконструирован и счетчик Гейгера.

Все эти исследования проводились в очень сложных условиях. Мало того, что аппаратура для ядерных исследований тогда не выпускалась промышленностью, приходилось порой доказывать необходимость продолжения этих работ вообще. Член-корреспондент Академии наук СССР К. И. Щелкин вспоминает:

«Заниматься ядерной физикой в то время было нелегко. Некоторые консервативно настроенные лица считали ее наукой, „оторванной от жизни“, „не приносящей пользы производству“. А. Ф. Иоффе, как рассказывают, на время приезда различных обследователей иногда отсылал И. В. Курчатова из института и помалкивал об „оторванных от практики“ работах. Мне самому приходилось слышать на собраниях нападки на ученых, „не желающих помогать производству“ и занимающихся „никому не нужной“ ядерной физикой. К счастью, такие суждения не разделялись Коммунистической партией, Советским правительством, и в нашей стране еще в 30-х годах выросла сильная школа физиков».

Смотром сил, работающих на новом направлении физики, стала первая Всесоюзная конференция по атомному ядру, созванная физико-техническим институтом в Ленинграде осенью 1933 года. И. В. Курчатов, возглавивший оргкомитет конференции, с присущей ему способностью отдаваться целиком всякому делу, взялся за ее подготовку.

Он знакомился с представляемыми на конференцию докладами, определял состав участников, разрабатывал программу. Сохранились архивные документы, свидетельствующие об этом. В одном из них рукой Курчатова намечены основные направления работы конференции:

«1) нейтроны и позитроны,

2) космические лучи,

3) уровни ядра,

4) расщепление ядра».

В связи с этим совершенно очевидна ошибочность появившихся в печати утверждений, что И. В. Курчатов долгое время чувствовал себя новичком в новой области знаний и его участие в конференции по ядру якобы было неожиданным для многих физиков.

Печать широко освещала работу конференции. В день ее открытия профессор К. П. Яковлев в статье «За пределами атома», опубликованной в «Известиях», писал: «Необычайная важность проблемы изучения атома придает особый интерес и значение Всесоюзной конференции по атомному ядру, которая сегодня начинает в Ленинграде свою работу».

На конференции, сообщали «Известия» 26 сентября 1933 года, «...присутствуют крупнейшие советские ученые: академики Иоффе, Вавилов, Мандельштам, Чернышев, профессора Курчатов, Гамов, Иваненко, Скобельцын, Френкель, Дорфман, Неменов, украинские физики Синельников, Лейпунский, Вальтер, Финкельштейн...» Газеты также сообщали, что в президиуме конференции находились многие зарубежные ученые: Ф. Жолио, А. Перрен (Франция), Грей (Англия), Россети (Италия). В дальнейшем, уже в ходе работы конференции, к ним присоединились Дирак (Англия), Бек (Чехословакия) и Вайскопф (Дания).

В кратком вступительном слове академик А. Ф. Иоффе отметил, что за два года, предшествовавших конференции, произошла великая революция во взглядах на атомное ядро. Наметить дальнейшие пути в этой революции – так сформулировал он цель конференции.

Участие крупнейших ученых разных стран обеспечило успех конференции, которая показала всему миру, что советские ученые ни в чем не уступают своим зарубежным коллегам в области изучения атомного ядра. Их доклады на конференции были не менее интересны и значительны, чем доклады зарубежных коллег, их выступления в дискуссиях показали высокий уровень подготовки советских ученых, которые на равных с западными учеными могли обсуждать кардинальные проблемы своей науки.

Всесоюзная конференция по атомному ядру закончилась торжественным заседанием в Выборгском доме культуры. Выступили А. П. Карпинский, А. Ф. Иоффе, Поль Дирак. Профессор Вальтер рассказал собравшимся о новейших советских и иностранных установках по расщеплению атомного ядра.

Конференция закончила работу 1 октября. Оценивая ее значение, «Правда» писала: «Эта конференция во многом определила программу работ физико-технического комбината академика Иоффе».

Сам Иоффе так сказал в заключительном слове: «В качестве основной проблемы на вторую пятилетку мы намечаем также проблему ядра атома. Методы, которыми пользуется физика для разрушения ядра атома, смогут уже в ближайшем будущем найти себе применение в медицине и во многих других областях».

Успех конференции был и успехом оргкомитета во главе с Игорем Васильевичем Курчатовым, успехом всего физико-технического института.

Окончание работы ядерной конференции совпало с торжеством по случаю пятнадцатилетия института.

Пятнадцатилетие со дня создания ЛФТИ было отмечено приказом по Народному комиссариату тяжелой промышленности № 862 от 1 октября 1933 года, который гласил:

«За 15 лет своего существования Ленинградский физико-технический комбинат благодаря энергии руководителей, научных работников... сумевших направить свои знания и опыт на службу социалистическому строительству, имеет ряд крупнейших заслуг перед тяжелой промышленностью».

В пункте третьем речь шла о поощрении:

«Объявить благодарность за ценные научные достижения академику Семенову Н. Н., научным работникам: тт. Талмуду Д. Л., Курчатову И. В. ...»

Настоящую бурю вызвало в лаборатории И. В. Курчатова известие об открытии Энрико Ферми наведенной активности под действием нейтронов. При бомбардировке альфа-частицами некоторые вещества испускают не протоны, электроны или другие заряженные частицы, а нейтроны. Это давало ученым источники нейтронов, поисками которых упорно занимались во многих лабораториях мира.

Источник нейтроновоказался легкодоступным. Достаточно было заключить в стеклянную трубку альфа-активный газ (радон) и порошок бериллия, чтобы получить поток нейтронов. Под действием альфа-частиц бериллий испускал нейтральные частицы. На их пути надо было лишь поставить мишень. (Мишень применяли в форме, цилиндра, внутрь которого и помещен источник нейтронов.) В качестве мишени использовали поочередно разные вещества.

Еще недавно возможные только теоретически исследования взаимодействия нейтрона с веществом вдруг стали практически осуществимыми. Открывшиеся перспективы воодушевляли Курчатова. Он не знал покоя, экспериментировал без конца.

Академик И. К. Кикоин вспоминает:

«Когда И. В. Курчатов работал уже в области ядерной тематики, сотрудники института часто были свидетелями такой „забавной“ сцены. По длинному коридору института со скоростью участника стометрового забега мчался человек с каким-то крохотным предметом в руке. Это был И. В. Курчатов, торопившийся доставить только что облученную нейтронами мишень в лабораторию для исследования очередного короткоживущего ядра».

Любопытно, что подобную же картину описывает и Лаура Ферми в книге «Атомы у нас дома». Энрико Ферми так же, как Курчатов, носился по длинному коридору с только что облученными мишенями. Дело в том, что счетчик Гейгера надо было располагать как можно дальше от того места, где проводилось облучение, – иначе сильный фон гамма-лучей путал бы исследователям карты; в то же время облученную мишень надо было как можно скорее поднести к счетчику, так как ее активность резко падала за считанные минуты...

Ампулы с радон-бериллиевыми источниками изготовляли для Курчатова в радиевом институте. Но количество их было недостаточным, поток нейтронов небольшим, а хотелось использовать возможности нового метода, как говорится, до дна. Игорь Васильевич нередко оставался на ночь в институте. По воспоминаниям работавших с ним, он, как, впрочем, и все тогда, не заботился об элементарной защите от излучений – на его пальцах постоянно была розовая молодая кожа – результат радиоактивных ожогов.

Перед нами стопа статей о его работах, относящихся к весне и лету 1934 года. Среди тех, кто помогал ему тогда, брат Борис Васильевич, Л. Мысовский – заведующий отделом физики радиевого института, основной поставщик ампулок.

За этой стопкой статей – часы раздумий и обсуждений.

Первые же опыты Ферми показали, что почти все элементы после облучения нейтронами испускают электроны. Это свидетельствовало о происходящих под действием нейтронов ядерных превращениях.

Каков характер этих превращений? Прежде всего удалось установить, что активность элемента, подвергнутого действию нейтронов, падает по определенному закону: у каждого свой период полураспада. Так, после облучения кремния его активность падала вдвое через каждые 2,3 минуты, независимо от того, через сколько времени после окончания облучения начинаются измерения. Поскольку больше никаких полупериодов не обнаружилось, можно было сказать: в результате воздействия нейтронов здесь образуется лишь одно радиоактивное ядро с периодом полураспада в 2,3 минуты. Но уже алюминий дал более сложную картину.

Было известно, что после облучения нейтронами алюминий становится радиоактивным, причем период полураспада составляет около 12 минут. И вот Игорь Васильевич с товарищами обнаруживают совершенно другое излучение – с периодом полураспада 15 часов!.. Тщательно перепроверяют результаты и наталкиваются на третье излучение! – период полураспада 2,3 минуты...

Значит при облучении обычного алюминия образуются ядра трех сортов!

Прежде всего было ясно, что новые радиоактивные ядра не могут сильно отличаться по своему заряду и массе от ядер исходного элемента и должны занимать соседние места в таблице Менделеева. Такими элементами могли быть натрий и магний. Исследователи проводят необходимый радиохимический анализ – так и есть! Обнаруживаются радиоактивный изотоп магния (период полураспада 10 минут) и натрия (период полураспада 15 часов). А каково третье вещество?

«Стараемся отделить химическим путем его от алюминия. Не удается, – рассказывал Игорь Васильевич в одной из своих лекций. – И не мудрено, ибо это вещество есть не что иное, как радиоактивный изотоп того же алюминия с периодом полураспада 2,3 минуты».

...Еще раньше в лаборатории Игоря Васильевича было установлено, что при облучении одноизотопного элемента фосфора также идут две независимые реакции с образованием радиоактивных изотопов алюминия и кремния. Так была раскрыта еще °дна тайна ядерных превращений – разветвление ядерных реакций под действием нейтронов. Но, конечно, далеко не последняя.

Когда Игорь Васильевич и Лев Ильич Русинов начали опыты с облучением нейтронами брома, состоящего из смеси двух изотопов, ничто, казалось, не предвещало неожиданностей. Реле счетчика щелкало, отсчитывая частицы, излучаемые облученным бромом, уже выявились два новых радиоактивных ядра – и это было вполне закономерно: из двух устойчивых изотопов с массовыми числами 79 и 81 получались ядра с массовыми числами 80 и 82. Им и соответствовали два периода полураспада.

Наблюдения продолжались... Постепенно менялось выражение лиц у экспериментаторов. В щелчках реле они явственно чувствовали, как дает о себе знать еще одно радиоактивное ядро, которого не должнобы быть. Неожиданное появление третьего периода полураспада было либо результатом ошибки, либо... открытием. И Курчатов, и Русинов, и Мысовский еще и еще раз проверяли, нет ли ошибки. Но сомнения постепенно отпадали: обнаружен еще один элемент с периодом полураспа да 36 часов.

Решено было прежде всего по примеру того, как поступали с облученным алюминием, выделить неизвестный элемент при помощи химического анализа.

Однако никакими ухищрениями нового элемента обнаружить не удавалось. Но отрицательный результат в науке тоже зультат. В данном случае он говорил о том, что под действием нейтронов образовался не новый элемент, а третий радио активный изотоп брома.

...О странном, возбуждающем интерес эксперименте узнал весь институт. Заинтересовался им и Абрам Федорович Иоффе, хотя мысль его была занята проблемами полупроводников. Откуда появился у брома третий «незаконный» близнец?

Поначалу решили, что он возникает в результате реакции нового типа, которая проходит без захвата нейтрона а сопровождается выбрасыванием еще одного ядерного нейтрона.

Но экспериментаторы опровергли такое предположение. По расчетам теоретиков, реакция, сопровождающаяся испусканием нейтрона, должна бы требовать затраты энергии, а это возможно только при бомбардировке ядер быстрыми нейтронами. Она же, как доказали Игорь Васильевич и Лев Ильич Русинов, шла не только на быстрых частицах, но и на медленных...

Получалось, что новый изотоп по своему массовому числу... не отличается от уже исследованного. В нем столько же протонов и нейтронов, но совершенно другие свойства.

Так был сделан новый, принципиальной важности шаг в глубины атомного ядра. Оказалось, что свойства ядра зависят не только от количества частиц, но и от структуры. Ядра с одинаковым числом протонов и нейтронов, но разной структурой Курчатов назвал изомерами, а явление – ядерной изомерией.

Но какой же из изотопов брома «рождает» изомеры? Позднее установили, что бром с массовым числом 80 дает при взаимодействии с нейтронами два изотопа с периодами полураспада 18 минут и 4,2 часа.

Сейчас явление ядерной изомерии стало хрестоматийным, вошло во все учебники по ядерной физике. Оно подробно изучено, в том числе и самим Игорем Васильевичем, до конца жизни интересовавшимся судьбой своего открытия. Уже известно около сотни ядер-изомеров.

В краткой энциклопедии «Атомная энергия» так оценена эта работа И. В. Курчатова и его товарищей: «Примером выдающихся новых результатов, непосредственно связанных с развернувшимся в мировом масштабе изучением искусственной радиоактивности, может служить открытие ядерной изомерии искусственно активизированных веществ. И. В. Курчатов, Б. В. Курчатов, Л. И. Русинов, Л. В. Мысовский впервые наблюдали это явление в 1935 году в случае радиоактивного брома (Br^80). Значение ядерной изомерии в связи с вопросами структуры ядер начинает выясняться в самое последнее время».

Показательно и то, что в этом случае экспериментаторы, работавшие под руководством Игоря Васильевича, сами искали теоретическое обоснование открытому явлению. В связи с этим на одном из семинаров, где И. В. Курчатов и Л. И. Русинов докладывали о своих взглядах на процессы в ядрах-изомерах, Иоффе горячо поздравил их с успехом и высказал упрек в адрес теоретиков ядра.

– Жаль, что наши теоретики, – отметил он, – ничем не помогали экспериментаторам и им пришлось трудиться на два фронта: и выполнять сложнейшие опыты и тут же истолковывать факты. Тем знаменательнее их успех!

1935 год – поистине феноменальный по плодовитости даже для такого необычайно трудолюбивого ученого, каким был Игорь Васильевич. В этом году было опубликовано 17 его оригинальных работ. В качестве участников исследований выступали Г. Д. Латышев, Л. М. Неменов, М. А. Еремеев, И. П. Селинов, Д. 3. Вудницкий, Л. В. Мысовский, Л. А. Арцимович и другие.

О некоторых из этих ученых мы уже говорили и расскажем впоследствии, о двух же из них есть смысл рассказать здесь.

Л. М. Неменов, сын известного рентгенолога, основателя рентгеновского института, еще студентом по настоянию отца пришел в физтех. Иоффе определил юношу в лабораторию Курчатова:

– Вот, Игорь Васильевич, знакомьтесь – Буба Неменов. Будет вам помогать.

Давая поручения, Курчатов скоро заметил, с какой добросовестностью Буба берется за любое дело: красит детали, прокладывает трубы. Лаборатория пришлась Бубе по душе. Он окончил институт, был переведен в другой отдел на самостоятельную работу. Но в дни «радиоактивной лихорадки» Неменов пришел к Курчатову, принял участие в нескольких работах и «заболел» ядерной физикой окончательно. Л. М. Неменов так и остался работать с Игорем Васильевичем.

Владимир Иосифович Бернашевский работал механиком на одном из заводов. Проходя после смены мимо здания физтеха, где сверкали молнии, раздавался зловещий треск, он останавливался как зачарованный. Однажды он зашел туда попроситься на работу. Его взяли. В первые же. дни на него обратил внимание Игорь Васильевич. Уж очень увлекался опытами парень! И вот уже он не механик Володька, а уважаемый соавтор уважаемого ученого.

Знакомясь с именами тех, кто работал с Игорем Васильевичем, мы не можем не заметить, что число их год от году росло. Академик А. П. Александров справедливо писал по этому поводу: «Создание „задела“ на будущее, расширение фронта работ, привлечение новых сил – вот стиль Игоря Васильевича. В новую область физики И. В. Курчатов входил, как в битву, собирая силы на главном направлении, создавая резервы для будущего».