Суперциклотрон

Эрнест Лоуренс воистину стал провидцем. Вообще‑то изобретатель циклотрона разрушал все шаблонные представления об ученом‑физике. Светловолосый и голубоглазый выходец со Среднего Запада, имевший норвежские корни, он никогда не забывал о тех ценностях, которые были ему привиты вместе с лютеранским воспитанием. Эти же ценности он привносил и в науку, которой занимался. Любовь к модным костюмам и властные манеры делали Лоуренса похожим скорее на бизнесмена, чем на ученого. Однако, по правде говоря, руководство такой научной организацией, которую он старался создать на базе Беркли – радиационной лабораторией, – требовало как раз делового подхода. Подростком Лоуренсу приходилось приторговывать кухонной утварью, так что у него было достаточно опыта для проведения торговых сделок, да и про то, как собираются средства, он знал не совсем понаслышке.

Циклотрон был изобретен им в 1929 году. Чтобы заставить поток протонов двигаться по кругу, можно использовать магнит. Если затем воздействовать на протоны еще и переменным электрическим полем, то скорость движения частиц будет все возрастать. Как выяснил Лоуренс, именно так и должен работать аппарат, открывавший человеку путь к секретам атомного ядра. На постройку маленькой демонстрационной модели у него ушло всего 25 долларов. Диаметр устройства составлял чуть более 10 сантиметров. Снаружи оно было залито красным сургучом. Хотя модель пока не сообщала протонам той большой энергии, о которой говорил Лоуренс, ее работа уже в достаточной степени впечатлила его коллег и доказала, что устройство действительно эффективно. Только научное название аппарата – циклический резонансный ускоритель – было слишком неудобным и непонятным. Слово «циклотрон» звучало фантастически‑загадочно, а значит, было гораздо более привлекательным для потенциальных спонсоров.

Лоуренс мыслил уже в глобальных масштабах, так что производство подобных аппаратов он поставил на поток.

Циклотрон с магнитом, полюсный наконечник которого имел диаметр около 28 сантиметров, придавал протонам энергию, равную более чем миллиону электрон‑вольт. Затем диаметр увеличили до 68 сантиметров, а вскоре и до 94. Когда в январе 1939 года в Беркли узнали о расщеплении ядра урана, Лоуренс как раз планировал 152‑сантиметровый циклотрон, который придавал протонам энергию, равную приблизительно 20 миллионам электрон‑вольт. Вес магнита в подобном устройстве составлял 200 тонн.

Циклотрон диаметром 152 сантиметра едва только заработал в лаборатории Крокера, одном из структурных подразделений радиационной лаборатории, а Лоуренс уже трудился над новым устройством. Его очередным детищем должен был стать гигантский суперциклотрон диаметром более 300 сантиметров, магнит в котором весил уже 2000 тонн. По оценкам изобретателя, такое устройство давало протонам энергию в 100 миллионов электрон‑вольт, что практически равнялось той, которая выделяется при ядерных реакциях. Лоуренс обратился в Фонд Рокфеллера с просьбой о материальной поддержке. Энтузиазм ученого вырос еще больше, когда 9 ноября, прямо во время игры в теннисном клубе Беркли, ему сообщили о только что присужденной Нобелевской премии по физике.

Воодушевление Лоуренса росло, и незадолго до Рождества он решил еще увеличить размеры будущего суперциклотрона. Теперь в нем должен был стоять 5000‑тонный магнит с полюсным наконечником диаметром 467 сантиметра (максимальный размер имевшихся в продаже стальных пластин). По расчетам, аппарат должен был обойтись в полтора миллиона долларов.

В сентябре в Европе разразилась война, и Лоуренсу пришлось немало поволноваться – лишь после нескольких дней напряженного ожидания он узнал, что его брат, находившийся судне «Атения», потопленном 2 сентября немецкой подлодкой, не пострадал. Но в радиационной лаборатории все было как обычно. С помощью 152‑ сантиметрового циклотрона ставились интересные эксперименты с ураном, однако их проведение никак не было связано с началом войны. Пока никоим образом не ощущалось, что лаборатория вовлечена в военные исследования.

Сохранилась фотография тех времен, на которой запечатлены все сотрудники радиационной лаборатории, выстроившиеся в три ряда под 152‑сантиметровым циклотроном. Лоуренс сидит в центре первого ряда, Оппенгеймер также в центре, но в последнем ряду. Крайние справа в первом и втором рядах – двое сотрудников, занимавшихся в тот момент исследованиями урана, – Эдвин Макмиллан и Филипп Абельсон.

Макмиллан – уроженец Калифорнии – уже много лет работал с циклотронами Лоуренса. Когда стало известно о том, что атомное ядро расщепляемо, он решил провести простые эксперименты – только чтобы подтвердить данный феномен. Но теперь он уже испытывал немалый интерес к отдельным свойствам недавно открытого процесса. В результате бомбардировки нейтронами ядра урана образовалось радиоактивное вещество, период распада которого равнялся приблизительно 23 минутам. Подобно Гану, Штрассману и Мейтнер, Макмиллан посчитал его ураном‑239, полученным после резонансного захвата нейтрона преобладающим изотопом – 238U. Однако выделено было еще одно вещество с периодом распада примерно в два дня.

Макмиллан считал, что это некий новый элемент, образующийся при испускании ураном‑239 бета‑частицы – в ходе превращения нейтрона в протон. Подобно размышлявшему в берлинской подземке Вайцзеккеру, американский ученый пришел к выводу, что данное вещество – элемент с атомным номером 93, – возможно, первый в ряду трансурановых элементов. И точно так же, как это сделал Ган, Макмиллан посчитал, что новый элемент по своим свойствам должен походить на рений.

При помощи одного из научных сотрудников Беркли, а именно Эмилио Сегре, работавшего ранее в Риме вместе с Ферми, Эдвин попытался собрать экспериментальные доказательства того, что химические свойства элемента близки к тем, которыми обладает рений. Эксперименты, однако, не дали никакого заметного результата. Казалось, трансурановые элементы так и будут оставаться неизученными. Результаты исследований Сегре опубликовал в Physical Review с комментарием: «Поиск трансурановых элементов не увенчался успехом».

Макмиллан тем временем уточнил данные о периоде распада таинственного вещества за номером 2. Согласно последним измерениям, он составлял 2,3 дня. Ученый твердо намеревался распознать этот элемент. Весной 1940 года для дальнейших исследований он использовал 152‑сантиметро‑ вый циклотрон. Теперь ему помогал еще и Абельсон, который к тому времени уже перебрался в Вашингтон, в Институт Карнеги, но в апреле вернулся в Беркли, находясь в рабочем отпуске. Поскольку он занимался еще и химией, то полностью сфокусировался на распознании химических свойств неизвестного вещества.

Как оказалось, по свойствам оно не так уж сильно отличалось от урана. Известно, что еще раньше Бор высказал предположение о том, что если трансурановые элементы существуют, то их химические свойства будут схожи с теми, которыми обладает и сам уран. Дальнейшие исследования совершенно точно показали, что вещество с периодом распада в 2,3 дня образовалось напрямую из урана‑239, период распада которого составляет 23 минуты. Таким образом, напрашивался единственный вывод: это таинственное вещество – тот самый «элемент‑93».

Макмиллан уже придумал имя новому элементу – нептуний, – но решил до поры до времени не распространяться об этом. Новый элемент стоял в периодической таблице следом за ураном, точно так же, как планета Нептун в Солнечной системе находится сразу за Ураном – отсюда и название. Не видя особых причин скрывать свое открытие, 27 мая Макмиллан и Абельсон отослали в американский журнал Physical Review статью, в которой рассказывали обо всех результатах своей работы. 15 июля она была опубликована. Когда журнал получили в Берлине – уже в июле, – ее с огромным интересом начал изучать Вайцзеккер[25].

Новое открытие логичным образом породило очередной вопрос. Если элемент‑93 радиоактивен, имеет период распада, равный 2,3 дня, то во что он превращается в результате этого распада? У Макмиллана уже имелись мысли на сей счет. Он считал, что элемент‑93 распадается, возможно, также с испусканием бета‑частицы и превращением в протон еще одного нейтрона. Таким образом, образуется элемент‑94. С целью доказать это ученый немедленно взялся за исследования.