Суперциклотрон
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 — U238. 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-сантиметровый 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[28].
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.