Атомный меч Апокалипсиса

Между тем гость отнюдь не сидел без дела. Втащив с собой еще и большую вязанку дров с кулем угля, он тут же развел огонь в камине и заварил в большом фарфоровом чайнике полпачки отличного «Липтона». Все так же слушая разошедшегося не на шутку хозяина, он разыскал на кирпичной полке две выщербленные фарфоровые чашки и, ловко вскрыв большую банку сгущенного молока, приготовил божественный напиток. На очередную кирпичную конструкцию под названием «обеденный стол» был расстелен старый номер газеты «Таймс». На пиршественном столе расположилась горка бисквитов и банка джема.

Прихлебывая мелкими аккуратными глотками крепчайший чай, сдобренный изрядной порцией сгущенного молока, и с наслаждением поглощая бисквиты, старик продолжал свой рассказ:

– Мысль о внутренней структуре атома, конечно, не столь уж и необычна, хотя на фоне глупостей из учебников о «единой и неделимой всеобщей частице вещества» еще тогда, в начале девяностых, выглядела достаточно новой. Поэтому, когда кембриджский Джи-Джи (Джозеф Джон Томсон) 30 апреля 1897 года доложил на очередном заседании Королевского общества об открытии неких «корпускул», составляющих катодные лучи, я мгновенно понял, что это и есть отрицательная компонента атомарных структур, ныне называемая электронами.

При этих словах брови гостя удивленно поползли вверх, и он, не выдержав, попытался вставить в поток красноречия хозяина Хоумфилда:

– Однако, дорогой Оливер, не хотите ли вы сказать…

– А почему бы и нет, милейший Три? – казалось, глубокое изумление гостя весьма позабавило старика. Налив себе еще порцию черного как деготь чаю, он не спеша влил в него несколько столовых ложек сгущенного молока и, ловко подхватив очередной бисквит, хитро прищурился:

– Дело в том, дорогой Три, что свою модель «луковичного атома» я сконструировал за десятилетие до дурацкого «пудинга» Джи-Джи… И сконструировал на основе опытных данных! – видя, что его гость не в силах больше сдерживать эмоции, вот-вот готов вскочить из-за «обеденного стола», хозяин успокаивающе поднял вверх ладонь. – Спокойствие, милейший Три, только спокойствие! Все дело в том, что как-то я получил письмо из Америки от тогда лично мне совершенно неизвестного изобретателя-электротехника Николы Теслы. Он выразил мне всяческую поддержку в споре с этим лжеученым Присом (Уильям Г. Прис был техническим экспертом Главного почтового управления Великобритании) и в конце рассказал о своих опытах по применению ионизирующего действия X-лучей для изучения прохождения электричества через газы. Оказывается, Тесла еще в те годы освоил в совершенстве мастерство стеклодува и сконструировал множество вакуумированных трубок. Помещая эти трубки с электродами между полюсами сильных магнитов и обкладок мощных конденсаторов, мой американский знакомый выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости движения неких отрицательно заряженных частиц, составляющих катодные лучи. И тут мне сразу же стало ясно, что электроны должны располагаться где-то в составе атомов и что представление об «абсолютной неделимости» атомов следует выбросить на свалку истории. Разумеется, я еще не мог сделать из этого какие-либо практические выводы, но вспомните, дорогой Три, что приблизительно в этот же период велись еще и опыты по радиоактивности… Между тем мой друг Джи-Джи после переоткрытия X-лучей Рентгеном организовал бурную экспериментальную деятельность в данном направлении и в 1903 году издал монографию «Прохождение электричества через газы». Вот так и были открыты электроны, представление о которых уже много лет в виде «корпускулярных составляющих электроэфирной консистенции» использовал Тесла.

– Дорогой Оливер, – в отчаянии вскричал гость. – А как же все это, – его руки простерлись к каминной полке с собранием ежегодных трудов Королевского общества. – Ведь общепризнано, именно профессор Томсон доказал, что порядок отношения заряда к массе универсален вне всякой зависимости от природы катодных лучей. И также общепризнано, что именно он первым назвал эти мельчайшие частицы вещества корпускулами электричества, для которых в 1891 году наш соотечественник Джордж Джонсон Стони придумал название «электроны»…

– Ну что вы, право, дорогой Три! – казалось, что хозяин Хоумфилда откусил половину лимона. – Ведь я же ясно говорю вам, что мы с мистером Теслой обсуждали модели, где электроны являются составными частями атомов всех веществ, еще за много лет до того, как ваш ирландский профессор произнес само слово «электрон». К тому же, – старик недоуменно пожал плечами, – сам Джи-Джи построил довольно несуразную электромагнитную модель атома, предположив, что, наподобие изюма в пудинге, отрицательно заряженные корпускулы-электроны располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. А у вашего покорного слуги с самого начала возникла куда более реальная схема «оболочечного» атома, напоминающего кочан капусты, в котором орбиты электронов заметают последовательность листьев, а внутри находится очень компактная ядерная кочерыжка. Причем скорость движения электронов в моей модели была близка к скорости света, а «оболочечное» распределение определялось волновыми законами. Ну чем это хуже наисовременнейших моделей атома Резерфорда – Бора? – последнюю фразу хозяин Неистощимой пещеры сопроводил взрывом саркастического смеха.

– Знаете что, дорогой Оливер, – гость просто задыхался от возмущения. – Должен же быть предел вашим критическим замечаниям. Ведь методы мистера Томсона имеют фундаментальное значение и лежат в основе устройства всех современных электронно-лучевых трубок, первые модели которых были построены в Кембридже еще самим Томсоном. И все современные ученые считают, что мистер Томсон не только заложил основы электронной оптики, но и первым создал прообразы электронных ламп, продемонстрировав, как надо ускорять и регулировать потоки мельчайших частиц электричества. Если хотите, дорогой Оливер, мистер Томсон впервые научил физиков управлять электронами! В этом его основная заслуга, за которую, а точнее за исследование прохождения электричества через газы, в 1906 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

– Дорогой Три, – хозяин Неистощимой пещеры неожиданно успокоился и, схватив очередную кружку крепчайшего чайного напитка, раскачивался в кресле. – Я вовсе не возражаю по сути ваших замечаний, к тому же считаю Джи-Джи милейшим человеком, разработавшим методы изучения отрицательных и положительных частиц. Читал я и его довольно дельную монографию 1913 года «Лучи положительного электричества», которая положила начало масс-спектроскопии. Однако не надо забывать, что прообраз современных масс-спектрометров для разделения изотопов построил все же мой друг Никола. А вот в разработке методов анализа и измерения элементарного электрического заряда пальму первенства вполне можно отдать Кавендишской команде, тем более что они умудрились наблюдать движения заряженного облака в электрическом поле. И все же именно мы с Теслой самыми первыми разглядели, как вдали возникли проблески атомного века…

Глава 3. Кулуары Сольвеевских конгрессов

Мы недавно показали при помощи метода Вильсона, что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их альфа-лучами полония. По нашему предположению, эмиссия бериллием положительных электронов вызывается внутренней материализацией гамма-излучения, в то время как положительные электроны, излучаемые бором и алюминием, являются электронами атомных превращений, которые сопровождают эмиссию нейтронов.

Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. «Новый тип радиоактивности»

Эрнест Гастон Сольве, видный бельгийский химик-технолог, предприниматель и глава одноименной химической компании, был известен далеко за пределами своей маленькой родины разработками аммиачных способов получения соды из поваренной соли. Однако в историю этот представитель редкого типа ученых-предпринимателей вошел как инициатор международных форумов физиков, именуемых в честь него Сольвеевскими конгрессами.

Считается, что к организации серии представительных конгрессов Сольве подтолкнул выдающийся немецкий физико-химик, будущий нобелевский лауреат Вальтер Герман Нернст, широко известный работами по термодинамике. В 1911 году под руководством основанного Сольве Международного института физики состоялся первый конгресс под председательством Хендрика Лоренца, посвященный теме «Излучение и кванты». Так возникла уникальная возможность обсуждения самых разных актуальнейших фундаментальных проблем в физике и смежных разделах науки. В силу сложившихся обстоятельств довоенные Сольвеевские конгрессы во многих отношениях стимулировали развитие атомной и ядерной физики.

VII Сольвеевский конгресс

Самым значимым для предвоенной науки стал последний, седьмой конгресс «Структура и свойства атомного ядра», состоявшийся в октябре 1933 года под председательством Поля Ланжевена. Наверное, это была одна из последних встреч ведущих представителей научного сообщества, еще не разделенных на враждующие политические лагеря. Давайте и мы заглянем на этот авторитетнейший научный форум, с которого тянутся многие нити тайн атомного века.

Несомненно, одной из самых колоритных фигур на конгрессе был сэр Эрнест Резерфорд. Всегда в окружении своих учеников, коллег и друзей он, энергично жестикулируя, громогласно делился воспоминаниями о «яростном периоде становления новой науки»:

– Вернемся к радиоактивности, когда Беккерель обнаружил и тщательно исследовал свойство урановых лучей делать электропроводящим воздух, его заметке предшествовало наше исследование, показывавшей, что рентгеновские лучи делают воздух электропроводящим благодаря ионизирующему действию. Так был открыт важнейший метод исследования радиоактивности…

– Между тем еще Пьер Кюри допускал возможность наличия и иных механизмов выделения радиационной энергии, – все повернулись на негромкий, но четкий женский голос с немного грассирующим произношением. В группе французов стояла болезненно-бледная (сказывалась длительная работа с радиоактивными препаратами), миниатюрно-хрупкая Мария Склодовская-Кюри, самая знаменитая женщина в науке, дважды лауреат Нобелевской премии. Рядом с ней постоянно находилась старшая дочь Ирен и зять Фредерик Жолио, молодые исследователи, уже зарекомендовавшие себя в науке десятком экспериментальных работ по физике ядерных процессов. Немного смущаясь, Фредерик задал давно интересовавший его вопрос, обращаясь к своей знаменитой теще:

– А правда ли, вы вначале считали, что радиоактивные элементы берут энергию из внешнего пространства и оно постоянно пронизывается некоторыми неизвестными еще радиациями, которые при встрече с радиоактивными телами задерживаются и преобразуются в радиоактивную энергию?

На бледном лице Склодовской-Кюри мелькнула болезненная улыбка:

– Все правильно, Фредерик, эта ошибочная гипотеза была высказана в самый последний год уходящего прошлого века, однако сегодня можно признать, что в ней было зерно замечательной идеи космических излучений, которые сейчас исследуются в высокогорных лабораториях. К тому же уже через несколько лет я публично признала, что новейшие исследования благоприятствуют именно гипотезе атомных превращений радия.

Резерфорд, все еще находящийся под впечатлением только что прослушанного доклада Вернера Гейзенберга об использовании недавно обнаруженных нейтронов для объяснения некоторых интригующих особенностей структуры атомного ядра, только энергично хмыкал, жестикулируя давно погасшей трубкой:

– Что бы тут ни говорила несравненная мадам Кюри, но главное в исследованиях радиоактивного излучения – это то, что, используя теорию квантов Планка, мы получили квантовую модель атома. Вспомните, как созданию нашей модели предшествовали бесплодные попытки построить структуру атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

– Вы, наверное, имеете в виду атомную модель Хантаро Нагаоки? – рискнул вставить вопрос в громогласные рассуждения мэтра Жолио.

– Именно так, мой юный друг, именно так, – забывшись, Резерфорд извлек свистящий звук из своей трубки, вызвав улыбки у окружающих. С досадой переложив трубку в другую руку, он продолжил: – Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Сатурна и представлял себе строение атомарных структур аналогичным схеме Солнечной системы. Поэтому его модель включала положительно заряженную центральную область – Солнце, вокруг которого по выделенным кольцеобразным орбитам вращались электроны – планеты. Причем при орбитальных возмущениях тут же возбуждались электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, были того же порядка, что и спектральные частоты некоторых элементов.

Из окружения Резерфорда выдвинулся его ученик Джеймс Чедвик, автор недавнего открытия нейтронов:

– Любопытно, почему же при всех своих достоинствах планетарная модель атома довольно долго безуспешно конкурировала с томсоновской схемой?

Крокодил (так за глаза все называли Резерфорда с легкой руки его любимого ученика П. Л. Капицы) удовлетворенно взмахнул трубкой:

– Атом Томсона в действительности был хорошо структурированной моделью, в которой положительное электричество было как бы размазано по сфере, с вкраплениями отрицательных зарядов. В этом томсоновском атомном пудинге с изюмом электронов было, конечно, много необычного. Так, в простейшем атоме водорода электрон находился точно в центре пудинга и при всяком смещении на него должна была бы действовать квазиупругая сила электростатического притяжения, под действием которой он бы и совершал колебания. Теоретически частота подобных колебаний электрона должна была бы определяться радиусом сферы, зарядом и массой электрона, и если радиус сферы совпадает с атомным радиусом, то и частота этих колебаний будет совпадать с частотой излучаемой спектральной линии. Для многоэлектронных атомов Джи-Джи рассчитал вполне устойчивые конфигурации, считая, что каждая из них определяет химические свойства атомов. На основании своих построений он даже предпринял попытку теоретически построить периодическую систему элементов.

Еще один ученик Резерфорда, Патрик Блэккет, недавно прославившийся открытием в космических лучах одновременно с американцем Карлом Андерсеном удивительных положительных электронов-позитронов, улыбаясь слушал громогласные восклицания своего шефа, который, казалось, признавал только резкие суждения, попытался тоже подать реплику:

– Тем не менее ведь и Бор позднее назвал попытку атомного моделирования Джи-Джи «знаменитой» и указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом более новых воззрений. Отмечая, что теория Томсона в целом несовместима с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что эта теория содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной теории…

Недалеко от спорящих, как всегда особняком, стоял, нахмурившись, Поль Дирак. Его известность в ученом мире была связана со знаменитым образом Моря Дирака, позволившем удачно предсказать существование позитронов. Подвинувшись поближе, он, как всегда кратко, заметил:

– Модель планетарного атома приходила в голову многим, например, о ней писал Пуанкаре, ее обсуждали тот же Вин и Перрен, который в своем нобелевском докладе прямо причислял себя к пионерам подобных построений. Однако эта модель наталкивалась на именно ту непреодолимую трудность, на которую указывал Вин, и именно поэтому доминировал атом Томсона. Лишь новые опытные факты опровергли атомный пудинг, открыв двери планетарной модели, и эти факты были прежде всего открыты сэром Эрнестом. – Дирак сделал полупоклон в сторону довольно улыбающегося Резерфорда.

Из-за спины Дирака показался его круглолицый насмешливый друг Вольфганг Паули – вот уж два абсолютно разных характера. Дирак постоянно был мрачно серьезен, а Паули всюду находил повод для очередной шутки. Он рассказывал анекдот: когда его поезд сделал короткую остановку на Геттингенском вокзале, в местной лаборатории Джеймса Франка тут же прогремел взрыв, что явилось проявлением дистанционного эффекта Паули. Вздернув высокие брови, отчего его лицо приобрело хитроватое выражение, он воспользовался случаем задать свой вопрос Резерфорду:

– Скажите, сэр Эрнест, а как вы сами из далекой перспективы оцениваете фундаментальность своего открытия атомного ядра и ввод его в планетарную модель атома? – поскольку Крокодил только хмыкнул и пробурчал что-то невнятное, Паули продолжил с улыбкой:

– Вот тут нам напомнили, – тут он под смех окружающих постучал себя по лбу, – а некоторые и так прекрасно помнят, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале нашего века (напомним в очередной раз: речь идет о XX столетии). Но эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако почему-то никто не отметил, что, если меня не подводит память, еще в 1904 году Вильям Брэгг в Австралии начал исследования, приведшие к утверждению одной из первых планетарных схем во время изучения прохождения альфа-частиц через вещество.

Поль Дирак, Вольфганг Паули и Рудольф Пайерлс

В круг Паули бочком протиснулся Энрико Ферми, невысокий угловатый итальянец, чувствовавший себя как-то не на месте среди собравшихся вокруг знаменитостей. Паули громко обратился к застенчивому итальянцу:

– А вот вы, Энрико, как относитесь к планетарным построениям для атомарных структур? Может быть, вам чем-то не нравится атом Резерфорда – Бора?

Ферми слегка пожал плечами и сдержанно заметил:

– Как вы знаете, я считаю, что начинать всегда надо с анализа экспериментальных методов исследования…

– И тут вспоминается крылатая фраза сэра Эрнеста, которая сегодня вошла во все учебники: это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги! – все обернулись в сторону говорившего, круг раздвинулся и стала видна плотная коренастая фигура Нильса Бора, рядом с которым, вежливо улыбаясь, стоял американский физик Эрнест Лоуренс. Этот подвижный и очень энергичный ученый привлекал всеобщее внимание с самого начала конгресса, ведь в его лаборатории в Беркли работал один из первых в мире ускорителей элементарных частиц, циклотрон, позволявший легко обходиться без редких и дорогостоящих радиоактивных веществ, крайне необходимых в атомных экспериментах. Ощутив, что все внимание сосредоточено на нем, Бор смущенно улыбнулся и что-то неразборчиво пробормотал своему американскому коллеге. Лоуренс тут же расплылся ослепительной американской улыбкой (впоследствии ее стали называть голливудской) и громко провозгласил, обводя окружающих самоуверенным взглядом:

– Нильс попросил меня продолжить его мысль, поскольку как экспериментатору данная тема представляется мне более близкой… Так вот, манчестерские ученые, обсчитав атомную модель Томсона, показали, что из нее не следуют большие отклонения даже при многих столкновениях с частицей. И вот здесь на сцене впервые показалась планетарная модель экспериментального плана, – последние слова Лоуренс выделил многозначительным тоном. – Получалось, что когда альфа-частица пролетает мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной зарядам ядра и частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она должна перемещаться по ветви гиперболы, отклоняясь на наблюдаемые углы рассеяния. И тогда присутствующий здесь Кроко… миль пардон, сэр Эрнест, сделал свой гениальный доклад в философском обществе Манчестера… Может быть, кто-то из «мальчиков сэра Эрнеста» напомнит его название? – закончил под смех присутствующих свой американский спич Лоуренс и слегка поклонился в сторону англичан.

Нахмурившийся Резерфорд ответил ему наигранно сердитым взглядом и пророкотал:

– Главное было в том, что рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины.

Остановившись, Крокодил непроизвольно вздохнул, видимо, вспомнив славные времена манчестерских достижений, и, сердито посапывая, занялся своей трубкой. Наступившую паузу заполнил голос Бора:

– Действительно, в то время мы все с волнением наблюдали, как в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра. С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом…

Тут слова великого датчанина были прерваны мелодичным звоном колокольчика секретаря конгресса, которым он приглашал участников на очередное заседание. Столы в зале проведения конгресса образовывали большой квадрат, заполнявший свободное пространство, оставался лишь проход между стенами. Резерфорд с Чедвиком и Блэккетом заняли соседние места рядом со сосредоточенным на каких-то мыслях Полем Дираком. «Мальчики Крокодила» продолжали кулуарные споры. Наконец в зал вошли последние делегаты – Бор с Лоуренсом и невысокая, в строгом темном платье с белым воротником, немка Лиза Мейтнер. Ирен Кюри с тревогой переглянулась с Жолио и шепнула мужу:

– Ланжевен сказал, что Мейтнер сделала заявку на выступление в прениях по теме нашего доклада. От нее можно ожидать очень неприятных сюрпризов, особенно после того, как она прославилась своим открытием вместе с Отто Ганном элемента протактиния.

Последним в зал стремительно вошел, как всегда изысканно одетый, Вернер Гейзенберг. Увидев Паули, он ринулся к своему другу и разместился между ним и Дираком.

– Знаете, я немного узнал о сути будущего доклада супругов Жолио-Кюри. – Гейзенберг поочередно поворачивался к своим друзьям. – И ситуация все больше напоминает мне то время, когда в исследование нового загадочного явления радиоактивности включились Пьер и Мария Кюри. Помните, как мадам Кюри начала исследования радиоактивных явлений, измеряя напряженность урановых лучей, по их свойству сообщать воздуху электропроводность…

Чувствовалось, что Гейзенберг еще полностью не отошел от утреннего доклада, посвященного новой теории атомного ядра. Тридцатидвухлетний лейпцигский профессор только что стал лауреатом Нобелевской премии, ему было важно показать своим докладом на Сольвеевском конгрессе, что научная карьера еще далека от завершения.

Паули насмешливо подмигнул Дираку:

– Мы тоже помним, какая неразбериха царила в умах, когда все ринулись на поиск других веществ, обладающих свойствами урана. Во Франции первыми, мне помнится, мадам Кюри нашла что-то вроде соединений тория, а в Германии аналогичный результат был заявлен Шмидтом.

Тут председательствующий Ланжевен потряс колокольчиком и, обежав взглядом под нависшими бровями притихших делегатов, объявил начало заседания.

– Этот удивительный склад материи мира, – патетически восклицал, вздергивая крупную голову с седой эспаньолкой Ланжевен, – двери которого так долго не могли открыть ни теоретические расчеты, ни бомбардировки альфа-снарядами, ни отмычки гамма-лучей, настойчиво требует какого-то иного ключа, нежели те, что имеются в арсенале современной науки. Все мы уже догадываемся, что в ядре атома таится неисчислимая энергия, что в тесной его темнице закован Прометей, освобождение которого приведет человечество в подлинный золотой век. Однако мы еще только подбираемся к ядерным тайнам, о наличии которых прямо свидетельствуют исторгаемые ядром в процессе радиоактивного распада альфа-частицы, бета-электроны и гамма-лучи. Это показывает, что внутри ядра непрерывно бушуют загадочные радиоактивные процессы, воздействовать на которые современная наука пока еще не в силах, ведь ни высокие температуры, ни громадные давления, ни химические реакции, ни электрические и магнитные поля нисколько не воздействуют на скорость радиоактивного распада. Тем более пока еще не найдено способов прекращения и возобновления радиоактивности, что явилось бы прямым путем к владению циклопической энергией, заключенной в ядерных глубинах. Однако научный прогресс не стоит на месте! – казалось, патетика председательствующего достигла предела. – Всего лишь несколько месяцев назад произошло удивительное открытие двух новых кирпичиков мироздания, из которых слагается материя вселенной: нейтрона и позитрона. И я с большим удовольствием предоставляю слово моему молодому другу Фредерику Жолио, он от имени мадам Ирен Кюри и своего расскажет о серии блестящих опытов, в которых совершенно неожиданным образом обнаружились эти новые микроскопические частицы.