Торий

По горизонтальной оси была отложена энергия нейтронов, увеличивающаяся слева направо – от медленных к быстрым. По вертикальной оси было отложено сечение – вероятность возникновения конкретной ядерной реакции; кривая изображала сразу два процесса. Участок в виде опрокинутой буквы «S», занимающий бо́льшую часть графика, соответствует сечению захвата торием нейтронов с разными энергиями; его крутой центральный пик иллюстрирует резонанс в области средних энергий, около 25 эВ. А хвост, поднимающийся от горизонтальной оси в правой части графика, изображает другое сечение: сечение деления тория, начинающегося при более высоких энергиях, превышающих порог в 1 МэВ. Таким образом, Бор изобразил изменяющуюся реакцию тория на бомбардировку нейтронами по мере возрастания их энергии.

Переместившись к другой части доски, Бор нарисовал второй график. Он пометил его массовым числом изотопа, наиболее часто встречающегося в природном уране. «Он записал массовое число 238 очень крупными цифрами, – говорит Розенфельд, – сломав в процессе несколько кусков мела»[1261]. Спешка, в которой Бор чертил этот график, отражала приближение к сути озарившей его идеи. Второй график выглядел в точности так же, как первый:

Но затем появился третий график.

Когда Фрэнсис Астон впервые пропустил уран через свой масс-спектрограф в Кавендишской лаборатории, он нашел только 238U. В 1935 году, используя более совершенный прибор, физик Артур Джеффри Демпстер из Чикагского университета обнаружил второй, более легкий изотоп. «Оказалось, – заявил Демпстер в одной из своих лекций, – что для основного компонента 238, о котором сообщал д-р Астон, достаточно выдержки в несколько секунд, но при более долгой выдержке также обнаруживается присутствие менее распространенного компонента с массовым числом 235»[1262]. Три года спустя одаренный молодой научный сотрудник Гарварда Альфред Отто Карл Нир, происходивший из рабочей семьи, эмигрировавшей из Германии в Миннесоту, определил, что отношение количеств 235U и 238U в природном уране равно 1:139, то есть содержание 235U составляет около 0,7 %[1263]. Торий же в своей природной форме состоит, по сути дела, только из одного изотопа, 232Th. Именно эта естественная разница между составами двух элементов навела Бора на размышления. Он начертил третий график. На нем он изобразил одно сечение, а не два:

Зафиксировав таким образом свое внезапное озарение, Бор наконец был готов объясниться.

Исходя из теоретических оснований, можно ожидать, что торий и 238U будут вести себя сходным образом, сказал он Розенфельду: делиться только под воздействием быстрых нейтронов с энергией свыше 1 МэВ. По-видимому, так оно и есть. Остается 235U. Логично предположить, торжествующе сказал Бор, что за деление медленными нейтронами отвечает именно 235U. В этом и состояла суть его наития.

Он продолжил рассматривать тонкости энергетики этих реакций. Торий легче, чем 235U, 238U тяжелее, но средний по массе изотоп отличается от двух других и в другом важном отношении. Когда 232Th поглощает нейтрон, он превращается в ядро с нечетным массовым числом, 233Th. Когда нейтрон поглощает 238U, он тоже становится ядром с нечетным массовым числом, 239U. Но при поглощении нейтрона ядром 235U получается ядро с четным массовым числом, 236U. А превратности строения ядра таковы, как объяснял однажды в одной из своих позднейших лекций Ферми, что «переход от нечетного числа нейтронов к четному высвобождает один или два МэВ»[1264]. Из чего следовало, что 235U исходно обладает энергетическим преимуществом перед обоими своими конкурентами: в отличие от них он получает энергию, способствующую делению, благодаря одному только изменению массы ядра.

Лиза Мейтнер и Отто Фриш поняли в Кунгэльве, что для возбуждения в ядре процесса деления требуется некоторое количество энергии, но не рассматривали это поступление энергии в подробностях. Их больше интересовало гигантское высвобождение энергии, равное 200 МэВ. На самом деле для деления ядра урана требуется ввод в него приблизительно 6 МэВ. Это количество энергии необходимо для возмущения ядра до такого состояния, в котором оно вытянется и начнет расщепляться на две части. Поглощение любого нейтрона, какой бы ни была его скорость, приносит около 5,3 МэВ энергии связи. Но 238U не хватает еще около 1 МэВ, и именно поэтому для его деления необходимы быстрые нейтроны с энергией, по меньшей мере равной пороговой.

Ядро 235U также получает при поглощении нейтрона 5,3 МэВ. Но в дополнение к этому оно получает еще и упомянутые Ферми «один или два МэВ» просто благодаря переходу от нечетного массового числа к четному. Поэтому суммарный прирост энергии оказывается больше 6 МэВ. Таким образом, деление 235U вызывает любой нейтрон – медленный, быстрый или промежуточной энергии. Именно это демонстрировал третий график Бора: предположительно непрерывное сечение деления 235U. От изображенных слева медленных нейтронов, энергия которых отличается от нулевой всего лишь на какие-то доли электрон-вольта, до расположенных справа быстрых нейтронов с энергией свыше 1 МэВ, способных также вызвать деление 238U, – любой нейтрон, попавший в атом 235U, возбуждает его ядро до деления. В природном уране непрерывная способность 235U к делению маскируется более распространенным 238U, который поглощает бо́льшую часть нейтронов. Только замедлив нейтроны при помощи парафина до энергий, меньших резонанса поглощения 238U на 25 эВ, экспериментаторы – Ган, Штрассман, Фриш и другие – смогли выманить столь склонный к делению 235U из укрытия. Это озарение позволило Бору ответить на возражения Плачека и укрепить модель жидкой капли.

В январе Бор написал за три дня статью из 700 слов, чтобы защитить приоритет своих европейских коллег. Теперь, стремясь поделиться известием об особой роли, которую 235U играет в делении, он написал за два дня статью из 1800 слов и отослал ее в Physical Review 7 февраля. Тем не менее статья «Резонансные явления в расщеплении урана и тория и деление ядер»[1265] была написана очень тщательно, – гораздо более тщательно, чем ее читали. Основная гипотеза – что за деление урана под воздействием медленных нейтронов отвечает 235U, а не 238U, – была понятна всем, хотя не все были согласны с такой интерпретацией без подтверждения экспериментальными данными. Но, вероятно, потому, что, как вспоминал Ферми, в то время изотопы «считались почти что мистически неразделимыми»[1266], никто не обратил внимания на более дальние следствия. В этом же месяце Сцилард объяснял Льюису Штраусу, что «по-видимому, медленные нейтроны вызывают деление изотопа урана,