М. Г. Мещеряков и его время

ОТКРЫТИЕ, ИЗМЕНИВШЕЕ ХОД ИСТОРИИ

ЭПИГРАФ:

Над чем бы ни работал учёный, в результате всегда получается оружие.

Неизвестный автор XX века

Научная биография М. Г. Мещерякова — это история ядерной физики в XX веке. Устраивает такая формулировка? Для неё есть основания. О рождении ядерной физики мы уже говорили — это первый-второй курс университета. А годы аспирантуры пришлись на фазовый переход, который произошёл с ядерной физикой произошёл в 1939-м, после того как в самом начале года в немецком журнале появилось краткое сообщение Отто Гана и Фрица Штрассманна о том, что при бомбардировке урана пучком нейтронов среди осколков ядер урана обнаружен барий — а это значит, что ядра урана делятся примерно пополам.

Отто Ган Фриц Штрассманн хотели внести ясность в один сильно запутанный вопрос. Они повторили опыты Ферми 1934 года, в результате которых, как заявил сам Ферми, при бомбардировке урана нейтронами был синтезирован не существующий в природе трансурановый элемент, который тогда так и не получил названия.

Изложим вкратце историю и предысторию вопроса. Завязкой послужило открытие супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности: бомбардируя альфа-частицами ядра алюминия, они получили радиоактивный изотоп фосфора; 15 января 1934 года, когда супруги Жолио-Кюри доложили результаты своего опыта, вошло в историю ядерной физики.

Ферми в это время катался на лыжах в Доломитовых Альпах. Вернувшись в лабораторию, он сразу понял, что произошло нечто великое. В 30-е годы каждый год что-нибудь великое да происходило. Это была эпоха бури и натиска. И вот теперь человек впервые научился управлять радиоактивностью. Все лаборатории мира бросились изучать искусственную радиоактивность. Ферми легко обошёл своих соперников, которые уже были на полкорпуса впереди него. До сих пор он занимался теорией. Теперь ему предстояло засучить рукава и стать экспериментатором. Легко! Но только для последнего универсала в физике XX столетия. Вместо альфа-частиц, с которыми работали Жолио-Кюри, Ферми решил ударить по атомным ядрам нейтронами.

Идея оказалась не просто плодотворной, результат превзошёл все ожидания. Ферми обнаружил, что можно создавать радиоактивные изотопы, насыщая ядра устойчивых изотопов нейтронами. Новое явление получило название эффекта Ферми и долго так называлось, пока само явление не перестало привлекать к себе внимание и не превратилось в общее место. Ферми пошёл дальше. Он попытался синтезировать первый трансурановый элемент. Расчёт был на то, что при поглощении нейтрона уран перейдёт в возбуждённое состояние и испытает бета-распад.

Облучив уран потоком нейтронов от радо-бериллиевого источника, Ферми получил результат, который интерпретировал как синтез первого трансурана. Ирен Кюри выразила сомнение, что это так. Вопрос повис в воздухе; в 1938 году Ирен Кюри как будто подтвердила сомнения госпожи Ноддак, и Ган хотел поставить точки над "и", заранее уверенный в правоте Ферми. Однако... получилось то, что получилось.

Результат в корне противоречил утвердившимся к тому времени представлениям о свойствах ядер. Противоречил настолько, что авторы открытия добавили в краткое сообщение две глубоко эмоциональные фразы: "Как химики мы уверены, что в результате получается барий... Как физики...". Ган вспоминал потом, что в последний момент, уже опустив письмо в почтовый ящик, он испытал сильное желание тут же достать его обратно.

Конечно, это открытие не изменило наших представлений о мире, как это сделали квантовая механика, теория относительности и гипотеза Большого Взрыва. Но ему суждено было очень скоро, всего через несколько лет, перерасти в новую отрасль промышленности. Оно так и осталось бы просто научным открытием, если бы не два обстоятельства: огромная по величине энергия, выделяемая при делении ядер, и вторичные нейтроны, которые сами могут вызывать деление ядер. Ядерная физика из идиллической поляны для гольфа превратилась в горячую сковородку.

Это открытие изменило ход истории. Сначала изменения коснулись самой науки. В это сейчас трудно поверить, но в 30-е годы на ядерную физику смотрели как на науку, не имеющую практически приложений. Теперь перед мысленным взором физиков замаячил призрак цепной реакции. До открытия Гана и Штрассмана ядерная физика считалась сугубо академической наукой, далёкой от повседневных нужд. И вот в одночасье всё переменилось. Теперь важно было установить число вылетающих нейтронов.

М. Г. Мещеряков: "Врезался в память семинар в Радиевом институте в январе 1939 года. С сообщением о результатах берлинской группы выступил Хлопин...".

Через год Вернадский, который в истории атомной энергии занимает такое же место, как Циолковский в истории космонавтики, запишет в дневнике: "Никогда не думал, что доживу до реальной постановки вопроса об использовании внутриатомной энергии. Огромное большинство не понимает исторического значения момента". Всего за 4 года до этого Резерфорд вполне определённо заявил, что использование внутриядерной энергии вряд ли возможно в обозримом будущем.

Удивляло, что ядра делятся от нейтронов с энергией всего 6 МэВ — оказалось, что расколоть ядро надвое гораздо легче, чем отколоть от него один нуклон. Поражала высвобождаемая при делении ядра энергия — она была в тысячи раз больше, чем при радиоактивном распаде.

Это был прорыв, и физики ринулись в этот прорыв. Вскоре из академической науки ядерная физика превратится в инструмент большой политики и породит ядерную энергетику. Через 10 лет после открытия деления ядра в Советском Союзе была создана атомная промышленность, в США она уже была и полных ходом нарабатывала оружейный плутоний, а ещё через пять лет в Обнинске была пущена первая в мире атомная электростанция. Когда в одночасье в городе отключились традиционные источники энергии, жители города впервые в истории человечества приготовили себе завтрак на энергии расщеплённых ядер урана...

Но всё это в будущем, а пока шёл 1939 год. Физики всего мира были взбудоражены, словно вторичные нейтроны, рождённые делением ядра, ударили по ним самим. Результаты следовали один за другим. 6 января 1939 года в немецком журнале появилась статья Гана и Штрассманна, а уже через месяц Лео Сцилард в частном письме к Жолио предложил прекратить публикацию работ по делению ядер, чтобы этими результатами не воспользовались немцы. Жолио удивлён до крайности. В науке это не принято. То же предложение Сцилард адресовал и Ферми. Ферми возмущён. Сцилард хочет остановить естествознание!

Хальбан, Жолио и Коварски в Париже установили, что делятся только ядра урана-235. В урановых залежах этот изотоп составляет около процента. Они же доказали, что при делении рождаются дополнительные нейтроны. Сколько? Если больше одного, возможна цепная реакция. А если так, то это можно превратить в бомбу, которая десятки тысяч раз превзойдёт все существующие химические бомбы...

В этой тройке великий Жолио занимал промежуточное положение: Хальбан был живчик, даром что немец, а Коварского называли большим русским медведем, самым крупным специалистом в ядерной физике. Через несколько лет они сойдут со страниц журналов и предстанут перед ним как живые классики науки. С Львом Коварски он познакомится в Соединённых Штатах на праздновании 200-летия Принстонского университета в 1946 году и будет пользоваться его покровительством, а Жолио-Кюри в 1958-м сам приедет в Дубну, а когда его не станет, его именем назовут Центральную улицу институтской Дубны. Джон Кокрофт окажется симпатичным весёлым человеком, как будто и не классик вовсе, как будто не он произнёс знаменитую фразу, вошедшую в историю физики: "Шеф, мы расщепили атом!". МГ и сам мог быть живым путеводителем по истории физики. Но это в будущем, а пока он ученик, делающий первые шаги в науке под присмотром своего учителя.

1 сентября 1939 года вышел в свет журнал со статьёй Бора и Уилера "Механизм деления ядер". Позже выяснилось, что за три года до них советский физик Я. И. Френкель уже рассматривал возможное деление ядра, сравнивая его с каплей. И Бор, аккуратный человек, сделал на него ссылку задним числом. Символическое совпадение: публикация статьи Бора и Уилера совпала с началом Второй мировой войны.

О ядерной бомбе думали с самого начала, но вопрос о её создании ещё не ставился. Это казалось неосуществимым. А вот к ядерной энергетике уже присматривались. Правда, тоже в военном плане. Например, можно построить ядерный двигатель для подводной лодки. Не понадобится столько кислорода для сжигания топлива...

За неполных два с половиной года было доказано деление урана-235 медленными нейтронами, предсказано и открыто спонтанное деление урана-235, рассчитана критическая масса урана, открыты вторичные нейтроны, обоснована возможность цепной реакции, предложен графит в качестве замедлителя нейтронов, выделен чистый уран-235, доказана возможность цепной ядерной реакции в системе с ураном и тяжёлой водой, открыты два трансурановых элемента, один из них — плутоний.

Каждый месяц в журналах публиковались новые результаты по делению ядра. Физики всего мира били в одну точку. И вдруг — как отрубило. В считанные месяцы статьи по делению исчезли совсем. Как будто проблема утратила актуальность. На самом деле всё было как раз наоборот. В Соединённых Штатах, а затем и в Великобритании проблема деления ядра стала задачей государственной важности. С самого начала был взят курс на создание ядерной бомбы. Это решение лоббировали беженцы из оккупированной Европы.

В Советском Союзе, не зная о работах Бора и Уилера, Я. И. Френкель также разрабатывает теорию деления атомных ядер. В начале 1940 года в Академии наук образована комиссия по проблеме урана. Вернадский: Виталий Григорьевич, я не вижу энтузиазма среди физиков. Придётся Урановую комиссию возглавить Вам. В сентябре комиссия намечает план работ на 1941 год: изучение механизма деления урана и тория, выяснение возможности цепной реакции в природном уране, разработка методов разделения изотопов урана, поиски богатых месторождений урановых руд. В октябре того же года так называемая урановая бригада геологов, организованная под руководством А. Е. Ферсмана, выезжает в Среднюю Азию, чтобы на месте ознакомиться с урановыми месторождениями и изучить перспективы их разработки. Вывод: можно добывать 10 тонн урана в год — но не раньше 1943 года. Намечены методы разделения изотопов. Проблема высвобождения внутриядерной энергии ставится как проблема энергетики, но не исключается и военный вариант. яд

В природном уране изотопа 235 содержится около 0,7 %. Маловато. В природном уране цепная реакция возможна, но потребуется 40 тонн урана. Для самолёта слишком тяжело. А значит, ядерную бомбу, даже если её создать, не удастся доставить в пункт назначения. Может быть, это благо? Ведь это означает, что применение ядерного оружия невозможно.

Простая мысль о разделении изотопов пришла не сразу, и не потому, что никому не приходила в голову. Просто она приходила... и уходила. Химически изотопы неразделимы, а физически их разделить весьма трудно. Это было затишье перед бурей.

Но оно длилось недолго. А если удастся выделить чистый уран-235? Сколько его потребуется для цепной реакции? Результат получился ошеломляющий. По расчётам Пайерлса, критическая масса урана-235 оказалась меньше четырёхсот граммов... Потом выяснилось, что не учитывались ядра урана-235, которые переходят в возбуждённое состояние, и дело заканчивается обыкновенной радиоактивностью. Чадвик пересчитал, и у него критическая масса составила 20 килограммов. Как оказалось потом, правильно — 50 килограммов. Но и это — не 40 тонн, как в природном уране, по первым оценкам Перрена.

Теперь надо было учиться разделять изотопы. С самого начала был предложен диффузионный метод. Потом появились другие. Долго пробовали электромагнитный, потом он был признан неперспективным. Научились разделять изотопы на центрифугах...

В конце 1940 года Жолио экспериментально доказал, что цепная реакция в среде урана и тяжёлой воды возможна. Проблема заключалась в тяжёлой воде. Требовалось несколько тонн, а это тяжёлая вода была большим дефицитом по тем временам. Промышленным способом её производили только в Норвегии, и мировой запас тяжёлой воды перед войной исчислялся килограммами. Вот, в частности, почему немцы сильно отстали в создании ядерной бомбы. Они сделали ставку на тяжёлую воду. А американские физики, беженцы из оккупированной Европы, для замедления нейтронов остановились на графите. Немцы тоже пробовали графит, но где-то ошиблись и сочли его непригодным. Нужен был очень чистый графит. Раньше от промышленности такой чистоты не требовалось. Но эта задача оказалась разрешимой.

Важное открытие было сделано в самом конце 1940 года: Сиборгом в США был открыт плутоний. Оказалось, что при облучении урана нейтронами часть ядер сначала превращаются в неустойчивый изотоп урана, а потом дважды испытывают бета-распад, и возникает второй трансурановый элемент. Плутоний-239, как и уран-235, делится под действием медленных нейтронов, но его критическая масса в 10 раз меньше. Если осуществить цепную реакцию в природном уране, то уран-235 будет поддерживать цепную реакцию, а уран-238 — превращаться в плутоний. И не придётся разделять изотопы, мучиться с выделением чистого урана-235. Так родилась идея ядерного реактора. За создание реактора взялся Энрико Ферми. От открытия деления урана до работающего ядерного реактора (под зрительскими трибунами на стадионе в Чикаго) пройдёт около 4 лет. Это была хорошая физика, скажет потом об это работе Ферми.

А немцы до ядерного реактора так и не добрались. Взялись, видимо, не с того конца. Насколько они превосходили всех в ракетной технике, настолько отставили в создании ядерного оружия. Один только факт: до конца войны в Германии даже не подозревали о существовании плутония. А ведь среди немецких физиков были Гейзенберг, Вайцзеккер, Лауэ; среди химиков — Отто Ган и Фриц Штрассманн...

...Для молодого человека всё происходящее в науке было фоном его работы на циклотроне. Но он успевал что-то сделать и в личной жизни. Молодой человек, а ему в то время не исполнилось ещё тридцати, выделялся среди сверстников. Крупного телосложения, с большой головой, крупными чертами лица, выразительной мимикой и большими ушами, выдававшими высокий уровень интеллекта; живота не было и в помине. Таким его увидела первая жена Лина, очень красивая женщина, сохранившая свою редкую красоту до самой старости. Он принял решение сразу. Она познакомила его со своей семьёй. У неё был сын от первого брака. После неупорядоченной жизни в общежитии на Мытнинской набережной бросался в глаза хорошо налаженный быт. Фармацевтика — наука точная. Будущий тесть был аптекарь, и всё было как в аптеке.

ВОЙНА И МИР

Михаил Григорьевич прихватил и Финскую, и Великую Отечественную войну, был командиром батареи, видел врага через прицел артиллерийского орудия, мёрз в окопах, был ранен...

Из воспоминаний Г. П. Мещеряковой: "А потом была война. Сначала первая, тихая, финская, следы от которой до сих пор видны по всему Карельскому перешейку. Мой сын находил в изобилии финские и русские патроны в тех местах, где проходила линия Маннергейма, которую никак не могли взять наши войска. Там до сих пор находят не только патроны, но и мины и снаряды, в лесах остались закопанные в землю многоэтажные укрепления, поворотные круги артиллерийских установок. Как и все выпускники физико-математического факультета, по военной специальности дядя был артиллеристом...".