— Слово «атом» довольно часто встречается в газетах, журналах и книгах, произносится в передачах радио и телевидения, и мы к нему уже привыкли. А вот об атомном ядре слышим гораздо реже. Наверное, эта деталь атома несущественна и интересна лишь для специалистов?

— Отнюдь! В тех случаях, когда говорят «атомная энергия» или «атомные электростанции», смело можно считать, что подразумеваются ядерная энергия и ядерные электростанции.

— Ну а когда поэт называет наш век атомным — это оговорка или результат того, что лирики не знают физики?

— Не совсем так. Непопулярность атомного ядра отражает некий объективный факт.

Колыбелью ядерной физики была атомная физика. В начале нашего века ученые еще не догадывались о существовании ядра и все его проявления приписывали странностям и чудачествам загадочного, как тогда казалось, атома. Английский химик Д. Дальтон в начале XIX века нашел первое научное доказательство атомного строения вещества. Но еще и через сто лет известный австрийский ученый Э. Мах имел некоторые основания саркастически спрашивать у тех, кто верил в атомы: «А вы видели хоть один?»

На протяжении столетия понятие «атом», почти лишенное реального содержания, будоражило воображение и привлекало к себе внимание общественности. На страницах «Войны и мира» Л. Толстого, «Рудина» И. Тургенева, «Истории одного города» М. Салтыкова-Щедрина и других художественных произведений слово «атом», вероятно, встречалось чаще, чем в научных трудах того времени. Понятие же «атомное ядро» не успело еще выйти за пределы научного круга, как уже приобрело полную определенность. Может быть, поэтому оно и оказалось в тени, отбрасываемой огромной популярностью атома.

Сердцевина атома — ядро — не только хранит и отдает всю энергию атома, от нее зависит химическая индивидуальность атома, она задает ритм эволюции гигантских звезд в просторах вселенной.

Но то, что импонировало в понятии «атом» литераторам, заставляло физиков относиться с недоверием к самой сущности мельчайшей структурной единицы вещества. «Искусство удивляется, наука сомневается…» — писал М. Пришвин. И сомневалась она до тех пор, пока три великих открытия, сделанные буквально в течение нескольких последних лет прошлого века, не заставили естествоиспытателей признать существование и делимость атомов.

Знаменитый английский ученый Дж. Дж. Томсон обнаружил электроны — частицы, которые отрывались от атомов под действием электрического напряжения.

Профессор Вюрцбургского университета В. Рентген первым заметил, что в определенных условиях атомы могут испускать мощный электромагнитный сигнал, который впоследствии назвали рентгеновскими лучами. И наконец была обнаружена радиоактивность — явление, непосредственно связанное с атомным ядром. По иронии судьбы это странное качество некоторых веществ поначалу приписывалось атомам. Но в конце концов истина восторжествовала. Исследование невидимого, чрезвычайно проникающего излучения, которое, как это установил французский ученый А. Беккерель, испускала урановая соль, и привело впоследствии к открытию атомного ядра.

Удивительное это событие в науке — открытие. А еще удивительнее сам процесс выбора того единственного, всегда нового, всегда уникального пути, которым приходит к нему человек. В самом деле, ну каким образом невидимые лучи из щепотки урановой соли могли навести А. Беккереля на мысль об имеющемся в атоме ядре? Немецкий поэт И. Гёте писал: «…Человек должен верить, что непонятное можно понять, иначе он не стал бы размышлять о нем». Прекрасной иллюстрацией главного таинства науки — перехода от полного незнания о чем-то к знанию — была короткая и бурная история открытия атомного ядра.

Одно из естественных проявлений свойств атомного ядра — радиоактивный распад. Когда ядро распадается, из него вылетают: тяжелые, положительно заряженные частицы — их назвали альфа-частицами; отрицательно заряженные легкие частицы — бета-частицы (электроны); и гамма-лучи, не имеющие заряда. Такое необычное поведение ядер не могло не привлечь внимания ученых. Нашелся человек, который прямо поставил вопрос: «Что происходит с атомами, которые являются источниками радиоактивного излучения?» Этим человеком был будущий отец ядерной физики Э. Резерфорд.

Молодой ученый после окончания Новозеландского университета приехал на стажировку в Англию, в Кавендишскую лабораторию к Дж. Дж. Томсону. В научном багаже будущего директора этой одной из лучших лабораторий мира не было почти ничего, кроме довольно расплывчатой идеи об эволюции химических элементов. Впрочем, это была даже не идея, а нечто вроде научной легенды, уходящей корнями в эпоху алхимии, когда казалось, что нет непреодолимых границ между разными веществами.

К этому времени химики все более и более убеждались, что невозможно один элемент превратить в другой. На основе своих наблюдений они уже в XVIII веке установили закон постоянства элементов, который гласил: «Качество и количество начал (элементов) остаются теми же самыми, происходят лишь перестановки, перемещения».

Этот эмпирический закон подкрепила созданная Д. Менделеевым периодическая система элементов. Идея о превращаемости элементов была как будто выдворена за пределы науки.

Но именно она предопределила научную судьбу Э. Резерфорда. Его чрезвычайно заинтересовала радиоактивность — это только что открытое новое свойство атомов, как тогда думали. Не намек ли это на нестабильность некоторых веществ?

Главную атаку на радиоактивность Э. Резерфорд начинает в Монреальском университете Мак-Гилла, куда его пригласили на должность профессора. Двадцатисемилетний ученый трудится как одержимый. «Я постоянно торчу в лаборатории, — пишет он своей невесте, — из семи вечеров провожу там пять и, как правило, довожу дело до конца; в прошлый четверг я послал еще одну большую статью в журнал… в ней тысяча новых фактов, о которых никто даже не подозревает». И столько же новых мыслей зреет у него в голове.

К изучению радиоактивности он привлекает лучших сотрудников университета. С ним начинает работать инженер-электрик Р. Оуэнс, который сообщил Э. Резерфорду, что, экспериментируя с радиоактивным торием, он обнаружил «„нечто“, что не было ни торием, ни альфа-, ни бета-лучами, но улетало, если на него подуть».

Через некоторое время Э. Резерфорд доказал, что таинственное «нечто», обнаруженное Р. Оуэнсом, — газообразный химический элемент радон, возникающий при распаде атомов тория.

В запаянном сосуде, содержащем радиоактивный элемент радон, ученый через некоторое время нашел другой химический элемент, инертный газ — гелий. Вывод ясен — радиоактивное вещество, распадаясь, изменяется.

В итоге десятилетней упорной и трудоемкой работы, которая не походила на работу только физика или только химика и в то же время была и работой физика, и работой химика, Э. Резерфорд находит экспериментальное подтверждение гипотезы о превращаемости элементов.

Вместе с молодым талантливым химиком Ф. Содди он обнаружил три «генеалогических древа» радиоактивных превращений урана, тория и актиния. Три самых тяжелых элемента периодической системы оказались родоначальниками радиоактивных семейств, каждое из которых в результате последовательных превращений его членов заканчивалось одним и тем же более легким стабильным элементом — свинцом.

Э. Резерфорд и Ф. Содди представили научной общественности убедительные факты, из которых следовало, что радиоактивность — это проявление внутренних изменений атомов.

— Ну и что? Разве из одного-единственного факта изменения атомов следовало, что у них есть ядра?

— Конечно, нет. Даже если бы Э. Резерфорд обладал способностями талантливого детектива, он и тогда не догадался бы еще, что все дело в атомном ядре.

Иногда на нетерпеливые расспросы своего друга Уотсона Шерлок Холмс отвечал, что не может пока делать каких бы то ни было предположений, так как не располагает достаточным количеством необходимых фактов.

Фактами, которые могли бы навести на мысль о существовании в атоме ядра, не располагал и Э. Резерфорд. Он знал одно: атомы некоторых веществ могут самопроизвольно изменяться. Но даже этот скромный вывод находился в резком противоречии с убеждением естествоиспытателей о неизменности атомов.

В то время казалось, что периодическая система элементов навечно закрепила положение каждого из них в своей клетке в соответствии с атомным весом. Ну как тут можно было усомниться в главных устоях периодического закона: в неделимости атома, в неизменности его массы и в непревращаемости химических элементов.

От сторонников подобных взглядов Э. Резерфорд вынужден был выслушивать намеки на то, что его радикальные идеи о нестабильности материальных атомов могут бросить тень на весь университет.

Но большинство коллег поддержали смелого ученого, и он получил возможность продолжать свои исследования радиоактивности.

Справедливо говорят, что правильно поставленный вопрос содержит в себе половину ответа. Сказанное целиком и полностью относится и к новому вопросу, на который теперь ищет ответа Э. Резерфорд.

Почему, пытается понять он, бета-распад, при котором вылетает электрон, необратимо меняет физические и химические свойства радиоактивного атома, а отрыв точно такого же электрона от стабильного атома, например при электрическом разряде в газе, ничего не меняет? Стабильный атом лишь на короткое время превращается в положительно заряженный ион.

Сам того не ведая, Э. Резерфорд уже четко отделил атомное явление — ионизацию (потерю электрона с внешней электронной оболочки) — от ядерного — испускания электрона при радиоактивном превращении атомного ядра. Теперь исследователю предстояло сделать только один шаг. Но куда? Э. Резерфорд должен был поставить такой эксперимент, который дал бы однозначный ответ на все мучившие его вопросы. Но как догадаться, какой именно эксперимент?

Никакой теории практически не существовало, ничто не освещало ему дорогу. Модель Дж. Дж. Томсона, в которой атомы воображались в виде положительно заряженной сферы, заполненной электронами, вела, как чувствовал Э. Резерфорд, в какой-то тупик. Его мысль металась в замкнутом пространстве, не находя для себя никакой опоры.

А результаты экспериментов не давали покоя. Он должен, он обязан был выяснить, откуда в момент радиоактивного распада появляются альфа-частицы, в восемь с лишним тысяч раз более тяжелые, чем электроны?

Увлеченный разрешением всех этих проблем, Э. Резерфорд, уже известный мировой научной общественности сорокалетний профессор, получает в свое полное распоряжение большую физическую лабораторию в Манчестерском университете. Здесь сразу же возникла атмосфера творческого подъема.

Казалось, сам воздух в лаборатории был насыщен ожиданием чего-то необычного.

Это и понятно. Интуиция не изменила Э. Резерфорду. Шеф лаборатории впервые поставил эксперименты, цель которых состояла не в изучении собственно радиоактивных веществ, а в наблюдении взаимодействия альфа-лучей с тонкими пленками разных веществ.

Дни владычества атомной модели Дж. Дж. Томсона были сочтены.

Неожиданный и интересный поворот в работе заинтересовал всех сотрудников лаборатории. «Молодые люди быстро почувствовали, что пошли навстречу славным дням», — вспоминал потом один из ближайших помощников Э. Резерфорда, Г. Гейгер.

И они наступили, эти славные дни, но не раньше того, как за них сполна было заплачено тяжким трудом. Более миллиона вспышек от альфа-частиц подсчитали коллеги Э. Резерфорда собственными глазами на фосфоресцирующем экране. И результат воздал за все сторицей.

Почти все альфа-частицы беспрепятственно пролетали через тонкие пленки, едва заметно отклоняясь в ту или иную сторону от центра экрана. Так и должно было быть, если атом в самом деле начинен только легкими электронами. Но удивительным было поведение незначительной части этих микроснарядов. Иногда вспышки от них появлялись и на краю экрана. Так сильно отклонить альфа-частицы могло только тело с большим зарядом и массой, значительно большей, чем у электрона. Что же встречали на пути те редкие альфа-частицы, которые отскакивали от пленки почти назад?

Сразу можно было сказать, что в атомах есть что-то и посущественнее электронов. Э. Резерфорд уже не сомневался в том, что положительный электрический заряд и масса атома сконцентрированы в его середине, в ядре.

Представление о размерах ядра можно было получить из тех же экспериментов с альфа-частицами. По вероятности столкновения их с тяжелыми сердцевинами атомов физики нашли ту область, которую занимало атомное ядро. Размеры ее оказались порядка 10–13 сантиметра, тогда как размеры всего атома 10–8 сантиметра.

Огромный зал университетской аудитории и крошечная булавочная головка в центре — в такой пропорции находились размеры атома и атомного ядра.

Итак, ядерная физика родилась.

Открытие ядра сразу заменило старую, атомную, вывеску радиоактивности на новую — ядерную. И на все вопросы, связанные с радиоактивным излучением, должна была ответить ядерная физика.

— А что еще тут было отвечать? Ведь сразу стало понятно, что неустойчивые (нестабильные) ядра распадаются, а устойчивые (стабильные) остаются сами собой. Вот и все.

— Нет, далеко не все. Открытие атомного ядра вовсе не дало ответа на все вопросы, связанные с радиоактивностью.

— Что же именно осталось непонятным?

— Совершенно таинственной казалась природа источника энергии в этом процессе. Что заставляло альфа- и бета-частицы вылетать из ядра с огромной скоростью?

Эксперименты с рентгеновскими лучами, например, никогда не вызывали никаких волнений ни у физиков, ни у широкой публики по поводу того, откуда это излучение черпает энергию.

К рентгеновской трубке подключали электрическое напряжение, и электрическая энергия переходила в энергию электромагнитного излучения. Все было просто и понятно.

Но к радиоактивному урану ничего не подключали, а он «работал». И А. Беккерель, едва справившись с волнением по поводу открытия радиоактивности, вторично был потрясен тем, что интенсивность излучения соли урана заметно не изменялась в течение нескольких дней и даже месяцев.

Химический элемент радий бесконечно долго светился в стеклянной трубочке, нагревал ее стенки и исправно, изо дня в день, ионизировал вокруг себя воздух, заставляя спадаться листочки стоящего рядом электроскопа. Подобное чудо часто демонстрировалось на публичных лекциях о радиоактивности.

Поразительное зрелище! Энергия возникала из кусочка инертного вещества. Мозг отказывался воспринимать то, что видели глаза.

Случай был беспрецедентный. Люди, далекие от науки, объявили эту невесть откуда сочившуюся энергию неисповедимой тайной природы. А что говорили ученые?

Физики знали, что чудес не бывает, но сказать что-либо более определенное они пока не могли. А. Беккерель черным по белому писал в 1903 году, что «источник, из которого они (радиоактивные тела. — Авт.) черпают испускаемую энергию, нам неизвестен».

Источник энергии неизвестен — тяжелое признание для физика.

Человечество на протяжении долгих столетий всегда убеждалось в том, что энергия никогда не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. И вдруг веками выстраданное знание оказалось бесполезным. Это грозило катастрофой всему зданию науки.

Один из крупнейших ученых того времени А. Пуанкаре прямо говорил, что «радий подрывает принцип сохранения энергии». Часто, как заклинание, повторяли: «Если масса вещества превращается в энергию, значит масса не сохраняется». А когда вспомнили, что массу, как это было принято со времен И. Ньютона, можно отождествить с понятием материи, стало совсем страшно. Не умея открыть дверь, ведущую к разгадке тайны энергии радиоактивных веществ, некоторые ученые потеряли всякий ориентир. Но вместо того чтобы кричать «ау», как это делают заблудившиеся, они возопили: «Материя исчезла!»

Другие ученые (например, известный физикохимик В. Оствальд) использовали открытие радиоактивности для обоснования давно вывешенного ими философского лозунга, который гласил, что понятие материи надо отбросить как «ненужное умственное построение», что «мир состоит исключительно из энергетического материала».

Решение конкретных физических проблем задевало самые основы философии, и среди философов разгорелся жаркий спор.

В этот момент небывалого по своей остроте столкновения идей вышла книга В. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм». В. Ленин писал: «„Материя исчезает“ — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. п.) и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное „свойство“ материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания».

Дальнейшее развитие физики подтвердило правоту этих замечательных слов великого материалиста и диалектика.

При радиоактивном распаде материя не исчезала, закон сохранения энергии не нарушался, а радиоактивное излучение действительно черпало энергию, запасенную ранее в недрах атомных ядер.

Естествоиспытатели подготовили основы для этого важного вывода. Пока обыватели ошарашенно глядели на пробирку с радием и скребли в затылке, ученые, после некоторого замешательства, энергично засучив рукава, принялись за дело.

Известный французский ученый П. Кюри поместил эту злополучную трубочку, содержащую радий, в специальный сосуд с водой — калориметр, чтобы оценить количество энергии, выделяемой при радиоактивном распаде вещества.

В воде поглощались почти все вылетающие из препарата альфа-частицы, электроны и гамма-лучи, и ее температура повышалась.

По степени нагревания воды П. Кюри установил, что один атом радия, превращаясь в радон, выделял в миллион раз больше энергии, чем можно было получить при образовании молекулы воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А эта химическая реакция славилась своей высокой отдачей энергии.

Радиоактивные вещества представлялись чем-то вроде хранилищ, наполненных величайшей драгоценностью — энергией, которую с большим трудом добывали люди, сжигая извлекаемое из-под земли топливо.

Физики видели, что нет принципиальной разницы между обычными веществами и радиоактивными. По их мнению, атомы всех химических элементов должны были иметь большие запасы энергии. Но только радиоактивный распад атомов давал возможность обнаружить эти запасы, часть которых уносили альфа-частицы, электроны и гамма-лучи.

Осознание того, что вот тут, под рукой, кругом есть энергия, которую, может быть, удастся использовать в будущем, радовало и восхищало.

В то же время некоторые ученые уже задумывались об опасности, которую таит в себе это будущее. Выдержит ли человечество предстоящее ему испытание? Во зло обратит оно свое могущество или с его помощью ускорит развитие цивилизации?

Но мало кто заглядывал так далеко вперед. Пока проблема внутриядерной энергии имела чисто фундаментальное значение и большинство ученых заботило совсем иное: как докопаться до самой сути, узнать, каково назначение энергии, запертой в веществе, и когда возник там этот запас?

Не теряя веры в закон сохранения энергии, надеялись и здесь вскрыть привычный ее круговорот. Все эти благие пожелания так и остались бы пожеланиями, если б не помогла удивительная история, связанная с атомным весом.

— Атомный вес? Что в нем может быть интересного? При распаде ядра по крайней мере что-то происходит — вылетают частицы, выделяется энергия. А что может приключиться с атомным весом?

— Представьте себе, атомный вес поведал физикам немало ценных сведений о микромире. Особенно когда они нежданно-негаданно оказались в роли ревизоров.

— ?!

— Да, да, физикам-ревизорам однажды крупно повезло. Они вскрыли недостачу в атомном весе.

Чтобы понять, как удалось им это сделать, обратимся к… философии. Люди всегда жаждали узнать, из чего состоит мир.

Двадцать с лишним веков назад на эту тему можно было только философствовать. Так и поступали. Демокрит, которого, по-видимому, больше интересовала, так сказать, структура всего сущего, изрек однажды: «Мир состоит из атомов».

А современник Демокрита Эмпедокл подходил к этой проблеме с другой стороны. Он искал элементы, общие для всей природы, и нашел, что миром владеют четыре стихии: земля, огонь, вода и воздух.

От философов не требовали и не требуют доказательств. Поэтому известному последователю школы Эмпедокла Аристотелю не стоило большого напряжения утверждение о том, что материя состоит из одного первичного вещества — «протила». Все равно никто не знал, что это такое, в том числе и сам философ.

Но в начале XIX века английский врач и химик У. Праут как будто догадался, что представляет собой «протил». Учение Демокрита и предположение Аристотеля в гипотезе У. Праута гармонично слились в идею о материальном единстве мира.

Мир построен из атомов, а атомы всех химических элементов построены из одних и тех же стандартных деталей — из атомов водорода. Водород — вот он, «протил» древних, — полагал У. Праут.

Однако XIX век отличался от века, в котором жили древние мыслители, гораздо большей недоверчивостью. Одного утверждения людям было мало, требовались и доказательства. Если гипотеза У. Праута соответствовала действительности, то атомные веса элементов должны были быть целыми, кратными атомному весу водорода.

Но беда в том, что тогда еще не умели взвешивать атомы. А гипотеза была заманчива, ее стоило проверить. Первую попытку сделал упоминавшийся нами Д. Дальтон. Косвенно, из расчета количества участвующих в химической реакции веществ, он нашел атомные веса нескольких элементов. И… У. Праут потерпел поражение. Атомные веса имели дробные значения. Последующие уточнения не изменили сложившейся ситуации.

Гипотеза о типовом принципе строения вселенной из водорода пролежала в забвении почти сто лет, пока атомным весом не заинтересовались физики.

В это время они беспечно занимались изучением радиоактивности. С удовлетворением наблюдали, как при радиоактивном превращении атомов одних элементов возникали атомы новых химических элементов, подчас тоже радиоактивные. Не успевая придумывать новые названия, они на ходу развешивали временные этикетки вроде: радий-А или торий-С″. Когда же пришла пора на основе химических свойств точно определить место каждого из этих элементов в периодической таблице, вышел конфуз. Некоторые из тех веществ, которые физики легко различали по атомному весу и разным типам радиоактивного распада, химики, к своему ужасу, должны были признать одинаковыми: химические свойства этих веществ были совершенно идентичны. Куда их помещать? Подходящих свободных клеточек оставалось совсем немного.

До сих пор именно атомный вес был главным распорядителем в периодической системе элементов. Каждый элемент водворялся на место в строгом соответствии со своей массой: легкие — в начало, тяжелые — в конец.

Теперь же несколько десятков новых тяжелых радиоактивных элементов претендовали всего лишь на несколько свободных мест.

Неслыханное дело! Конкурс в таблице элементов! Но элементы не абитуриенты, а таблица — не университет, который не может принять всех желающих. Но если она претендовала на универсальность, то должна была предоставить место всем элементам сколько бы их вдруг ни нахлынуло!

Наконец, бывший сотрудник Э. Резерфорда по Канадскому университету Ф. Содди высказал предположение, что в природе, по-видимому, существуют разновидности химических элементов с разными атомными весами и несколько отличающимися физическими свойствами, и разновидности эти должны занимать одно и то же место в периодической системе.

Последнее обстоятельство и было отражено в том названии, которое они получили: «изотопы» (от греческих слов «изос» — «одинаковый» и «топос» — «место»).

Открытие изотопов у тяжелых, а вскоре и у легких элементов заставило, в свою очередь, схватиться за голову физиков. Ведь атомные веса измерялись косвенно, с помощью химических реакций, в которых изотопы элементов неразличимы. Не оставалось никаких иллюзий относительно того, что химическими методами никогда не удалось бы узнать вес каждого изотопа, и физики решили сами заняться точным взвешиванием атомов с помощью специально для этой цели созданного прибора, масс-спектрографа. Истинный атомный вес изотопа можно было найти только одним путем — путем взвешивания каждого отдельного атома. Метод взвешивания таков. Сначала свободные атомы химического элемента превращают в ионы. Затем их ускоряют и направляют в специальную камеру, из которой предварительно выкачивают воздух. В вакуумной камере под действием магнитного поля ионы двигаются по орбитам с радиусом, соответствующим массе этих частиц. И если взвешиваемые атомы состоят из смеси изотопов, то на фотопластинке, поставленной на их пути, можно наблюдать почернения в тех местах, где на нее попадают частицы разной массы. Количество пятнышек соответствует числу изотопов. Абсолютный же вес атомов каждого изотопа можно найти, зная положение соответствующего пятнышка на фотопластинке.

Первые же полученные результаты окончательно рассеяли почти вековое заблуждение. Те дробные значения, которые раньше принимали за атомный вес элементов, на самом деле были средними арифметическими атомных весов всех изотопов этих элементов.

Взвешивание атомов подтвердило гипотезу У. Праута. Атомный вес каждого изотопа оказался кратным атомному весу водорода.

Все как будто складывалось к лучшему: нашли изотопы, исправили атомные веса, наконец, обнаружили атомное ядро.

Подобно герою пьесы «Мещанин во дворянстве», который удивился, узнав, что всю жизнь говорил прозой, физики тоже испытали чувство приятного удивления, когда узнали, что уже целый век толкуют о ядерном весе. Ведь масса атомных электронов ничтожно мала.

Атомный вес, прежде полновластный распорядитель в периодической системе, полностью утратил свой авторитет после появления нового кумира — атомного ядра. Порядковый номер элементов точно совпадал с величиной электрического заряда ядер и был одинаков у всех изотопов каждого элемента.

Физики были счастливы, но недолго. Любознательность непреодолима и не признает никаких границ. Захотелось поточнее измерить ядерный вес, и как только Р. Астон, ближайший сотрудник Э. Резерфорда в Манчестерском университете, закончил работу по усовершенствованию своего масс-спектрографа, началась новая ревизия. Тут-то и обнаружилась недостача.

Массы атомных ядер совсем немного, всего лишь на несколько десятых и даже сотых долей процента от массы водорода, недотягивали до ближайшего целого числа.

Экспериментаторы только развели руками. В их глазах атомные ядра теперь выглядели не только хранителями огромных запасов энергии, но и расточителями собственной массы.

— Кража в микромире? Феноменально! Что же показало расследование?

— Объяснить, с чем связана крошечная потеря в атомном весе, было для физиков намного труднее, чем следователю найти самого хитрого расхитителя.

— В мире атомов и ядер все непросто. Догадываюсь, что там два плюс два не совсем четыре и обычная математика не годится.

— Виноватой оказалась не арифметика, а основы мироздания. Недостающие ничтожно малые доли грамма, так называемый «дефект масс», как выяснилось с помощью специальной теории относительности, были математически точной мерой энергии радиоактивного излучения.

Ученые, увлеченные исследованиями атомных ядер, не сразу догадались, что необходимые для следствия материалы уже несколько лет назад найдены специальной теорией относительности, которая вверх дном перевернула все представления о пространстве, времени, материи и движении. Не следует, однако, думать, что крупнейшие теоретики в начале нашего века ставили перед собой именно такую задачу: расчистить дорогу, ведущую к познанию микромира.

В то время еще не было видно ни самой этой дороги, ни препятствий, которые необходимо было устранить. Об атомном ядре пока ничего не знали. Известно было лишь одно: атомы имеют сложную структуру. Ведь они содержали электроны, а при радиоактивном распаде испускали альфа-, бета- и гамма-лучи.

Экспериментаторы и занимались в основном изучением свойств радиоактивных веществ и только-только начали поставлять материал теоретикам для размышлений. Окно в микромир было едва приоткрыто.

И тем не менее в первые годы XX века был разоблачен и решительно отброшен тот поверхностный подход к основным взаимосвязям в природе, что царил в физике несколько столетий. Наука сформулировала новые, более глубокие основы, на которых затем выросла физика атомного ядра и элементарных частиц. Как же это могло произойти?

Обычно пересмотр старых понятий происходит в тот момент, когда они приходят в противоречие с новыми экспериментальными фактами.

У физиков, пытавшихся разобраться в строении вещества, имелось тогда в руках одно необычное открытие — радиоактивный распад атомов. Но явление радиоактивности оказалось настолько непонятным, что невозможно было установить, в чем же конкретно выражалось его несоответствие сложившейся картине мира.

«Не было счастья, да несчастье помогло», — утверждает пословица. Был еще один факт, который, безусловно, противоречил механике И. Ньютона. Такие известные ученые, как Г. Лоренц, А. Пуанкаре, П. Ланжевен и другие, пытались в это время примирить классическую физику с обнаруженным экспериментаторами странным свойством света. Его скорость совершенно не зависела от движения источника, испускающего свет. Приближался ли источник света или удалялся от приемника, свет приходил к нему всегда с одинаковой скоростью. Для него не существовало правила сложения скоростей!

Этот единственный непонятный факт в микромире, до сих пор послушном законам классической физики, чрезвычайно тревожил ученых, и они прилагали огромные усилия, чтобы приспособить его к основам механики И. Ньютона.

А на самом-то деле необычное свойство света вскрыло неблагополучие в фундаменте, казалось, полностью завершенного здания физики; неблагополучие, связанное с ограниченным толкованием понятий пространства, времени, материи и движения, то есть всех тех понятий, соотношения между которыми особенно выпукло проявились потом в микромире.

Заинтересовался этой проблемой и молодой А. Эйнштейн, который после окончания Цюрихской технической школы работал в швейцарском бюро патентов в должности эксперта.

Кроме близких друзей, никто и не знал, что молодой эксперт в свободные от службы часы вел напряженную научную работу. Его начальник и не догадывался, кто занимается у него оформлением патентных свидетельств. Когда будущий лауреат Нобелевской премии вручил ему заявление об уходе с работы и объяснил, что приглашен на должность профессора в Цюрихский университет, последовала бурная реакция: «Это неправда, господин Эйнштейн. Я вам не верю. Это очень глупая шутка».

Ученый, получивший результаты, без которых невозможно было построить ни один ускоритель, невозможно было ни оценить запасы атомной энергии, ни рассчитать энергетический баланс ядерных реакций, не занимался, как Э. Резерфорд, исследованием радиоактивности или поисками атомного ядра и не открыл ни одной элементарной частицы. Вся его лаборатория, все его орудия труда легко умещались в кармане. Это был карандаш, к помощи которого он прибегал, чтобы сделать необходимые расчеты.

А. Эйнштейн первым понял, что именно тянет за собой факт «неповиновения» скорости света обычным правилам классической физики. Он показал, что этот факт вместе с математическими формулами, с помощью которых хотели ликвидировать расхождение между ним и механикой Ньютона, необходимо положить в основание новой теории — специальной теории относительности. А старые правила считать приближенными и справедливыми только для объектов, движущихся со скоростью, намного меньшей скорости света.

Специальная теория относительности утверждала, что чем быстрее движется тело, тем сильнее оно сопротивляется движению, увеличивая массу. Заметить эту необычную метаморфозу можно было только при одном чрезвычайно жестком и практически, как тогда казалось, невыполнимом условии: тело должно было двигаться со скоростью, близкой к скорости света.

Новая теория была создана как будто «по заказу» микромира, хотя и несколько раньше, чем он поступил. На Земле просто не были известны объекты, движущиеся со столь высокими скоростями. И это дало повод Э. Резерфорду отметить как-то, что недостаток теории относительности заключается, по его мнению, в чрезмерной абстрактности этой теории и оторванности ее от действительности.

На самом же деле предсказанное теорией изменение массы тела, движущегося с околосветовой скоростью, уже наблюдал знаменитый Дж. Дж. Томсон. Обнаружив электрон в разрядной трубке, он измерил его массу и понял, что быстродвижущийся электрон тяжелее покоящегося.

Наконец, спустя шесть лет Э. Резерфорд обнаружил атомное ядро и раскрыл окно в микрокосмос, населенный частицами-лихачами, обладающими огромными энергиями, — мир, совершенно неподвластный законам классической физики.

Микромир стал великолепной ареной, на которой теории относительности удалось продемонстрировать всю свою глубину и всеобъемлемость.

Ни в макромире, ни в мире атомных ядер и элементарных частиц нет ничего выходящего за пределы четырех основных понятий: «пространство», «время», «материя» и «движение».

Основатели диалектического материализма К. Маркс и Ф. Энгельс еще задолго до создания теории относительности утверждали, что если время и пространство суть формы существования материи, то они должны быть теснейшим образом связаны с нею и между собой, и что непременно должна обнаружиться взаимозависимость между материей и движением.

Но тогдашняя наука о природе не давала никаких реальных подтверждений этим философским принципам. Ни один эксперимент не нарушал наивного мнения, что пространство — это «пустое вместилище, наполненное материальными телами». Ничто не мешало и вере в некое абсолютное время, не зависящее от свойств материи.

Теория относительности впервые в истории науки показала, как тесно на самом деле переплетены свойства пространства и времени.

Вскоре после того, как в журнале «Анналы физики» была напечатана статья А. Эйнштейна по специальной теории относительности, он в письме своему другу высказал очень важное соображение, что масса тела должна быть непосредственной мерой заключенной в нем энергии.

В то время уже были известны результаты тончайших экспериментов, с удивительным мастерством поставленных выдающимся русским физиком П. Лебедевым. Он доказал, что свет оказывает давление на поверхность предметов.

«Свет переносит массу, — писал А. Эйнштейн. — Заметное убывание массы должно было бы наблюдаться у радия. Такие соображения веселят и подкупают; но не потешается ли господь бог и не водит ли он меня за нос — этого я не могу знать». Шутливое опасение А. Эйнштейна не оправдалось. А свои мысли о взаимосвязи между массой и энергией он сформулировал на трех печатных страницах и опубликовал спустя несколько месяцев в том же журнале. «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» На этот вопрос, вынесенный в заголовок, статья отвечала утвердительно.

Новые представления о пространстве и времени позволили А. Эйнштейну доказать общее положение о тесной взаимосвязи между массой — мерой инертности тел, и энергией — мерой количества их движения. Исследования микромира подтвердили выводы теории.

Навсегда была засыпана казавшаяся раньше ученым непреодолимой пропасть между материей и движением; пропасть, существование которой никогда не признавалось творцами философии диалектического материализма.

А. Эйнштейн показал, что приращение массы движущегося тела связано с увеличением его кинетической энергии. Масса неподвижного тела, так называемая масса покоя, связана с полным запасом «внутренней» энергии покоящегося тела. А запас этот состоит из энергии молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц.

Формула А. Эйнштейна E = mc2 говорила о том, что при изменении массы энергия изменяется в том же направлении, но с огромным коэффициентом пропорциональности «с», равным скорости света 3 · 1010 сантиметров в секунду, возведенным в квадрат. Причем, энергия измеряется в джоулях, а масса — в граммах.

Практически невозможно обнаружить изменение массы покоя, например, у реагирующих веществ в химических реакциях, так как слишком мала порция выделяющейся энергии. «Не исключена возможность, — писал он, — что проверка теории удастся для тел, у которых содержание энергии в высшей степени изменчиво… например, у солей радия».

Гениальный ученый попал в точку! Так заранее был подготовлен тот необходимый материал, без которого никак не могло завершиться дело о «дефекте масс», а вместе с ним и решение проблемы внутриядерной энергии.

Вот где соприкоснулись две такие разные линии развития науки: непосредственное экспериментальное исследование радиоактивности и теоретическое проникновение в глубочайшие свойства пространства и времени. Они сблизились, и это дало возможность в дальнейшем широко распахнуть дверь, ведущую к познанию свойств атомного ядра.

А. Эйнштейн говорил впоследствии: «Я сосредоточил свои усилия на отвлеченной теории, в то время как Резерфорд сумел достичь глубоких познаний путем довольно простых размышлений и использования сравнительно несложных экспериментальных средств».

Э. Резерфорд и А. Эйнштейн выполнили самую первую необходимую работу для проникновения в микромир.

В сторону были сдвинуты такие колоссы, как ньютоновские представления о пространстве и времени, закон неизменности массы тел.

Знаменитая формула А. Эйнштейна заставила всех по-иному посмотреть на радиоактивный распад. Не надо было тщиться рассмотреть его сразу с двух отдельных вершин: закона сохранения энергии и закона сохранения массы. Достаточно было взойти на одну-единственную, но гораздо более высокую и удобную для обозрения вершину под названием «единый», или «обобщенный, закон сохранения массы и энергии».

С этой вершины уже можно было заметить, что потеря части ядерной энергии при радиоактивном распаде обязательно должна сопровождаться потерей и части его массы.

На первом же международном Сольвейском конгрессе, посвященном строению вещества, в 1913 году, уже после открытия атомного ядра, французский ученый П. Ланжевен впервые высказал мысль о том, что недостача в атомном весе изотопов по формуле E = mC2 связана с изменением энергии атомных ядер.

— Значит, по формуле А. Эйнштейна можно найти запас энергии ядра, соответствующий величине «дефекта массы»?

— Недостача в массе означает потерю энергии, а не ее запас. Залог существования каждой упакованной из отдельных составных частей системы, в том числе и ядра, — энергия, выделяемая при образовании системы.

— Из каких же запасов черпает энергию радиоактивное излучение?

— Тяжелые нестабильные ядра имеют меньший «дефект масс», чем более плотно упакованные ядра среднего веса. Энергия, соответствующая разнице между этими недостачами, и есть тот заряд, который делает тяжелые ядра нестабильными и при случае взрывает их, сообщая большую скорость частицам радиоактивного излучения.

Понять, почему атомные ядра облагаются налогом за право существования, самим физикам удалось только после того, как они разобрались в структуре ядра.

Первые же сведения о зарядах и массах «точечных» ядер атомов наводили на мысль, что эти точки, в свою очередь, слеплены из других частиц. Но из чего могло состоять ядро?

Идея У. Праута о типовом строении атомов всех элементов из атомов самого легкого элемента — водорода, в переводе на ядерный язык звучала так: все ядра состоят из ядер атомов водорода.

И в самом деле, из ядер водорода (их назвали протонами) легко можно было получить массу любого изотопа, а их единичные положительные электрические заряды определяли заряд ядра.

Беспокоило только одно обстоятельство, которое никак не удавалось обойти. Если сложить положительные заряды всех протонов, участвующих в построении ядра с определенной массой, то сумма получалась больше, чем был заряд, который на самом деле имело ядро.

Деваться было некуда. Физики пошли на компромисс и признали, что ядра не могли состоять из одних протонов. Что-то должно было нейтрализовать какое-то число зарядов протонов.

Тут бы и разгуляться воображению, тут бы… Но суровая реальность подрезала крылья фантазии. Ассортимент подходящего строительного материала для ядер был очень беден. Приходилось брать не то, что надо, а то, что есть. А кроме протона, на учете у ученых была только одна-единственная частица — электрон с единичным отрицательным электрическим зарядом. Масса у электронов небольшая, поэтому практически, не меняя веса ядра, они могли нейтрализовать какое-то число положительных зарядов протонов.

Однако вскоре обнаружилась «несовместимость» протонов с электронами в ядрах, доставившая физикам массу забот и хлопот в объяснении многих ядерных свойств.

Только через двадцать лет ученик Э. Резерфорда Дж. Чедвик обнаружил настоящего компаньона протона по ядру — нейтрон. Новая элементарная частица имела почти такую же массу, как и протон, но была нейтральной, без электрического заряда. Это было как раз то, что нужно.

Теперь старинный лейтмотив о единстве строения материи уверенно и мощно зазвучал в переложении на ядерный, нейтронно-протонный лад.

В новом переложении была та долгожданная гармония, которая до конца прояснила самую суть явления радиоактивности, как превращения ядерных протонов или нейтронов.

Например, радиоактивный бета-распад есть не что иное, как превращение одного из нейтронов ядра в протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон его покидает. От этого в исходном сообществе нуклонов (такое общее название имеют протоны и нейтроны) появляется лишний протон; заряд ядра увеличивается на единицу, и атом с таким ядром представляет собой атом элемента, у которого порядковый номер на единицу больше.

Осталось уяснить последнее. Почему общая масса протонов и нейтронов, находящихся в ядре, всегда меньше суммы масс такого же числа свободных нуклонов?

Можно было бы сказать коротко: потому что нейтроны и протоны в ядре связаны. Но легко догадаться, что подобный ответ повлек бы за собой следующую реплику: «А что значит связаны?»

К сожалению, в макромире невозможно найти точной аналогии тому, что происходит в ядре с нуклонами. Не годятся и поверхностные сравнения с клеем или цементом. Возможно, поможет такой образ. Связывает нуклоны тот налог, который в момент образования ядра взимается с него самым строгим фининспектором — природой.

Отдав часть своей энергии, свободные прежде нейтроны и протоны поступают в полное распоряжение мощных сил притяжения, действующих на расстоянии, сравнимом с размером ядра. А по формуле А. Эйнштейна: теряющий энергию теряет и в массе. Так возникает недостача в массе атомного ядра.

Энергия, выплачиваемая ядром за право быть самим собой и равная той, которую следует затратить при желании расчленить его на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Чем она больше, тем труднее разрушить ядерную систему нуклонов.

Так уж случилось, что природа с каждого нуклона самых легких и самых тяжелых ядер взимает налог меньший, чем с нуклона средних ядер.

Избыток энергии, обладателями которого легкие и тяжелые ядра становились с момента рождения где-то в глубинах гигантских звезд, стал для человека драгоценным подарком природы.

В устойчивых ядрах этот подарок хранился так же надежно, как деньги в недоступных и несгораемых сейфах банка.

Заманчивый излишек энергии содержался и в куске урана, и в колбе с тяжелой водой, в молекулах которой находится тяжелый изотоп водорода — дейтерий. А воспользоваться им было невозможно: настоящий «неразменный рубль» из сказки. Только самопроизвольное радиоактивное превращение тяжелых ядер распахивало двери сейфа, и под носом у физиков альфа-частицы, электроны и гамма-кванты разносили часть хранившейся там энергии на все четыре стороны.

Перед людьми встала задача огромной важности — научиться вскрывать хранилища ядерной энергии.

Ученые долго не знали, как это сделать; у них не было подходящих для этой цели инструментов.

В химических реакциях вещества отдают энергию лишь в момент перестроения электронных оболочек атомов и молекул.

Знакомство с явлением радиоактивности еще раз убеждало, что некоторую долю внутренней энергии атомы тяжелых нестабильных элементов излучают только во время перестройки своих ядер. Как же вызвать ядерную реакцию?

У химиков никогда не было подобных затруднений. С помощью обычной спиртовки они легко сообщали молекулам реагирующих веществ те доли электрон-вольта, что требовались для начала химической реакции. На реорганизацию же крепко связанного коллектива нуклонов требовалось гораздо больше усилий. Ведь энергия связи ядер достигала десятков и сотен миллионов электрон-вольт.

И когда окончательно прояснилось, что плетью обуха не перешибешь и что с энергией меньше миллиона электрон-вольт в руках ядро не переделать, физики попытались обстрелять легкие атомные ядра такими снарядами, как альфа-частицы радиоактивного излучения. И вдруг удача. Альфа-частицы с энергией в несколько миллионов электрон-вольт так разворошили ядра азота, что они стали распадаться на ядра кислорода и протоны. Это была ядерная реакция, осуществленная по желанию человека.

«Резерфорд был первым человеческим существом, — писал один из создателей квантовой механики, Луи де Бройль, — которому посчастливилось осуществить вековую мечту алхимиков — искусственно превратить один химический элемент в другой». Но если алхимики искали способ получения из дешевых веществ лишь золота, то в результате успеха «ядерной алхимии» человечество получало гораздо более ценное сокровище — новый источник энергии.

Наблюдая за первой ядерной реакцией, расщеплением ядер азота, Э. Резерфорд заметил, что протоны, которые он регистрировал, уносили из распадавшегося ядра энергию большую, чем приносили в него альфа-частицы. Так исследователь впервые сумел чуть-чуть приоткрыть ядерный сейф с запасом энергии.

Позже было обнаружено, что с выделением энергии расщеплялись и некоторые другие ядра. Химические реакции, в которых выделяется энергия, называются экзотермическими. Это же наименование получили и ядерные реакции. Но какая разница была в количестве выделяемой энергии! Перестройка одной молекулы в химической реакции давала энергетический выигрыш максимум в несколько электрон-вольт. Щедрость ядерной реакции поразила современников. Первое же распавшееся ядро (ядро азота) наделяло вылетающий протон энергией в миллион раз большей.

Узнав об экспериментах по расщеплению ядер, Ф. Содди писал в 1919 году: «Эти открытия показали, что суровая борьба за существование, за истощенные источники природной энергии, которую вело человечество до сих пор, вовсе не является единственным и неизбежным уделом человека. Ничто не мешает нам думать, что наступит день, когда мы сможем использовать для наших нужд первичные источники энергии, которые природа ревностно хранит для будущего».

Среди гула восхищенных голосов людей, у которых новые достижения науки всколыхнули надежды на решение извечной проблемы топлива, остался неуслышанным одинокий голос поэта.

писал в 1921 году А. Белый в поэме «Первое свидание».

Но люди пока не склонны прислушиваться к предвидению чувств, не доверяют тому, что не основано на расчетах и формулах. А грядущая опасность как раз гнездилась в сфере чувств и моральных устоев. Уже во время первой мировой войны возник интерес к вопросу об использовании радиоактивных излучений в военных целях.

Э. Резерфорд вынужден был заявить, что ученые стремятся использовать внутреннюю энергию радия в своих познавательных целях. «К счастью, — добавил отец ядерной физики, — в настоящее время мы не нашли метода для применения энергии радия», — и выразил надежду на то, что он не будет найден до тех пор, «пока человек не будет жить мирно со своими соседями».

Впрочем, в то время еще не было особых поводов ни для опасений, ни для восторгов.

Химические реакции обладали пока очень важным преимуществом по сравнению с ядерными. Например, реакции горения были самоподдерживающимися, в них участвовала сразу большая масса вещества, а ядерные реакции расщепления оставались всего лишь изредка вспыхивающими искорками.

Ядра по сравнению с молекулами обладают огромной энергией, но расстаются с ней только те, в которые попадает альфа-частица. Вероятность же такого события не больше вероятности попадания из дробовика в глаза мухе, сидящей на вершине дерева. Ядро легкого атома поражается в эксперименте одной из 100 000 альфа-частиц. А в тяжелое ядро попадает и того меньше — одна частица из миллиона.

Ситуация не изменилась и после запуска первого ускорителя протонов в лаборатории Э. Резерфорда. Были обнаружены новые экзотермические ядерные реакции — и только.

Сокровище — ядерная энергия — лежало рядом. Человек научился «своими руками» добывать небольшую частицу ядерного «огня», но о практическом использовании его пока не могло быть и речи.

Открытие естественных радиоактивных веществ, которые долгие годы испускают небольшие порции внутриядерной энергии, несколько походило на приобретение «вечной свечи». А выигрыш в энергии от ядерных реакций, вызываемых ускоренными протонами, был не больше копеечного приза, полученного в тире незадачливым человеком, растратившим на выстрелы всю свою зарплату. Гораздо больше энергии затрачивалось на ускорение частиц, чем выделялось в результате реакции.

Какой уж тут оптимизм! Даже в 1937 году Э. Резерфорд говорил: «Перспектива получения энергии при искусственных процессах превращения не выглядит обещающей».

Он оказался прав. С помощью отдельных экзотермических ядерных реакций невозможно было получить энергию в тех количествах, в которых нуждалось человечество.

— А существует ли вообще такая реакция, в которой ядро сразу отдавало бы весь свой энергетический запас?

— В принципе физики знали, как этот запас получить целиком. Уверенность им придавал «дефект масс». Максимальная энергия могла выделиться при превращении ядра самого тяжелого элемента в ядро элемента из средней частицы таблицы. Трудность заключалась лишь в том, как разбить тяжелое ядро на более мелкие.

— А не проще соединять самые легкие ядра, имеющие, кажется, тоже маленький «дефект масс» и обладающие избытком энергии?

— Такие реакции идут в раскаленных звездах. Но в лаборатории ускоритель расходовал так много энергии на сближение двух ядер, например, изотопа водорода — дейтерия, — что слова о возможном ее выигрыше звучат как насмешка. И все же ученым вскоре удалось найти путь к овладению ядерной энергией.

В 1934 году французские ученые Ф. Жолио-Кюри и его жена И. Кюри, дочь знаменитой М. Склодовской-Кюри, открыли новое явление — искусственную радиоактивность атомных ядер. Супруги Жолио-Кюри облучали альфа-частицами ядра алюминия. В результате ядерной реакции впервые был получен не существующий в природе радиоактивный изотоп фосфора.

Так через сорок лет потеряла свою уникальность естественная радиоактивность атомных ядер. Человек научился превращать любые стабильные вещества в радиоактивные, бомбардируя ядра разных химических элементов протонами, нейтронами и альфа-частицами.

Нейтроны играли особую роль в создании искусственных радиоактивных изотопов. У этих частиц нет электрического заряда, поэтому они легко преодолевали электростатический барьер (одноименные заряды отталкиваются), которым окружены тяжелые заряженные ядра.

С нейтронами предпочитал работать молодой, но уже известный итальянский ученый Э. Ферми. Открытие французских ученых его чрезвычайно заинтересовало. Физик-теоретик Римского университета, создатель теории радиоактивного бета-распада, он решил вместе со своими коллегами начать эксперименты по облучению тяжелых ядер нейтронами.

Почему именно тяжелых?

Э. Ферми задумал перешагнуть границу периодической таблицы и получить элемент, ядра которого имели бы протонов больше, чем их в ядрах самого тяжелого из известных элементов. Ученый был убежден, что нейтроны, попадая в переполненные нуклонами ядра урана, принудят их к радиоактивному бета-распаду. А если это так, то ядро урана и приобретет вожделенный дополнительный протон.

Необходимое для нейтронной атаки урана оборудование состояло из источника нейтронов, урановой мишени и ящика со свинцовыми стенками, обложенными изнутри парафином, для защиты экспериментаторов от радиоактивного излучения.

О ящике, казалось бы, можно было и не упоминать, но совершенно неожиданное влияние его на измерения натолкнуло Э. Ферми на открытие, которое значительно ускорило путь к овладению ядерной энергией.

После нескольких опытов ученые с удивлением обнаружили, что в разных местах ящика уран «глотает» нейтроны, так сказать, с разным аппетитом. Мистика? Досадная помеха?

Э. Ферми увидел в этом нечто большее. Утром он пришел в университет с готовым объяснением. А чуть позже на одной из улиц Вечного города произошло странное событие. Группа молодых людей, выскочив из ворот университета, помчалась прямо к ближайшему фонтану. Они опустили в воду источник нейтронов, мишень, и… идея Э. Ферми блестяще подтвердилась.

Обдумав полученные накануне результаты, Э. Ферми предположил следующее. Вероятно, все дело в том, что поглощение нейтронов тяжелыми ядрами зависит от энергии самих нейтронов.

Вода — прекрасный замедлитель для нейтронов. Сталкиваясь с ядрами водорода — протонами, — нейтральные частицы быстро затормаживаются до скорости теплового движения молекул воды (такие нейтроны называют тепловыми). А замедлившиеся в толще воды тепловые нейтроны с гораздо большей вероятностью захватывались ядрами урана. В тот памятный день фонтан стал очень важной деталью экспериментальной установки.

Обнаруженное явление полностью разъяснило и историю с ящиком. Отражаясь от парафиновых блоков, нейтроны теряли энергию, замедлялись и гораздо охотнее вступали в реакцию с ядрами мишени. Только в разных местах ящика из-за его формы количество таких замедленных нейтронов было неодинаковым. Вот и вся мистика.

Наконец настал день, когда можно было приступить к анализу полученных радиоактивных ядер. Тишина университетских коридоров то и дело нарушалась топотом ног. Это в химическую лабораторию проносился с облученной мишенью в руках очередной сотрудник группы Э. Ферми или он сам.

А вот и результаты: обнаружен новый радиоактивный элемент!

Э. Ферми называет его «трансурановым», то есть расположенным в периодической таблице за элементом урана.

Но это был не заключительный акт, а только пролог к богатой своими последствиями истории с ураном. Опытами по облучению урана тепловыми нейтронами занимались и другие ученые. «Ядерная лихорадка» охватила многие лаборатории мира. В 1938 году И. Жолио-Кюри и югославский физик П. Савич тоже повторили эксперимент Э. Ферми, но получили совершенно противоположный результат.

В облученной мишени они обнаружили изотопы элементов не более тяжелых, чем уран, а похожих по своим химическим свойствам на элементы из середины периодической таблицы.

Так какие все-таки получаются ядра? Сверхтяжелые или, наоборот, более легкие? Кто прав, Э. Ферми или И. Жолио-Кюри и П. Савич?

Заинтригованы были и экспериментаторы и теоретики. Над этой проблемой интенсивно работали не только в Париже, но и в Германии, и в Швеции.

А оказалось, что никакого противоречия не было. При облучении урановой мишени возникал не только новый трансурановый элемент, но еще около двадцати более легких химических элементов. Каждому из них надо было задать вопрос: «Маска, кто вы?» И никто не предполагал, что под двумя наиболее простыми из них, барием и лантаном, скрываются свидетели и участники совершенно необычной реакции — реакции деления ядер урана. Вот эта реакция и преподнесла людям энергию, запасенную в ядрах еще со времени их образования.

Распознать все компоненты полученной Э. Ферми смеси изотопов удалось только в 1939 году благодаря усилиям таких ученых, как И. Жолио-Кюри и П. Савич, Л. Мейтнер и О. Фриш, О. Ган и Ф. Штрассман.

Когда полностью рассеялся туман предположений, ошибок, гипотез и старых представлений, все полученные при облучении урана нейтронами изотопы были расставлены по клеточкам таблицы элементов.

Прежде всего точно установили, что урановая мишень состояла из двух изотопов урана с атомным номером 92 и числом нуклонов, равным 235 и 238.

Уран-238, как и предполагал Э. Ферми, захватывая нейтрон, превращался в радиоактивный уран-239. Один из нейтронов этого ядра превращался потом в протон и электрон. А этот дополнительный протон увеличивал на единицу атомный номер вещества.

Э. Ферми действительно получил ядро первого трансуранового элемента, девяносто третьего, названного нептунием.

Нептуний, в свою очередь, испытывал бета-радиоактивный распад и превращался в ядро следующего трансуранового элемента, который получил название «плутоний».

Но неошибочным было и сообщение из Парижа.

Ядра более легкого изотопа урана, поглощая тепловые нейтроны, совершали головокружительный «трюк» — скачок сразу через несколько десятков клеточек таблицы Менделеева. Они делились на две примерно одинаковые части; из одного тяжелого ядра урана возникало два — ядро элемента лантана и ядро элемента бария, оба в более легкой весовой категории.

Капитальная перестройка этой огромной, слабо связанной системы, состоящей из нескольких сотен нуклонов, в крепко связанные небольшие коллективы нуклонов ядер среднего веса, конечно, не обошлась без «усушки» и «утруски».

«Дефект масс» у новых изотопов был больше, и по формуле E = mc2 можно было подсчитать, что при делении каждого ядра урана должна была освобождаться энергия около 200 миллионов электрон-вольт. Эксперимент подтвердил реальность этой величины.

— Да, это число потрясает. Наконец мечта людей осуществилась и они получили новый источник энергии?

— Нет. Реакция деления отдельных ядер еще не обеспечивает выход практически используемой энергии.

— Почему?

— Она не может конкурировать с химической реакцией горения, в которой участвует сразу огромное количество молекул. Вот если бы и реакция деления обладала таким свойством!

— Значит, овладение ядерной энергией целиком и полностью зависело от того, как идет реакция деления?

— По сути дела, да.

Ф. Жолио-Кюри еще в 1935 году в своей Нобелевской лекции говорил: «Если заглянем в прошлое и охватим взором прогресс науки, который происходит все более и более нарастающими темпами, мы получим право думать, что исследователи, которые создают или разрушают элементы по своему желанию, сумеют добиться превращений, имеющих характер взрыва, добиться настоящих цепных реакций. Если мы сможем осуществить подобные превращения, то удастся высвободить огромное количество энергии, которую можно будет использовать».

Не одиночные реакции деления ядра урана, а цепные реакции, в которых принимают участие атомные ядра большой массы вещества, — вот единственная тропинка, которая могла привести к практическому использованию ядерной энергии!

До открытия реакции деления об этой тропинке ничего не было известно. Но в 1939 году Ф. Жолио-Кюри уже знал, где ее искать.

Деление каждого ядра урана сопровождается рождением нескольких нейтронов. Казалось бы, эти нейтроны могли, в свою очередь, вызывать деление новых ядер, и в реакцию была бы вовлечена большая масса вещества. Однако окончательный вывод о том, могут ли развиваться цепные реакции в уране, зависел от количества нейтронов, сопровождающих деление.

Итак: вопрос: «Получит или не получит человечество новый источник энергии?» — можно было поставить более конкретно: «Сколько нейтронов испускается при делении одного ядра урана?» Окажись их в среднем меньше двух с половиной — и реакция деления представляла бы только чисто научный интерес.

Ф. Жолио-Кюри в сотрудничестве с Г. Альбаном установил, что при делении урана испускается в среднем около трех вторичных нейтронов. И этот факт сразу показал, что цепные ядерные реакции оказались реальным способом получения ядерной энергии.

Но, как и всякое открытие в любой области науки, цепные ядерные реакции деления можно было использовать как в мирных, так и военных целях. Настало время, когда человечество должно было сделать свой выбор: строить реакторы, где ядра урана под контролем непрерывно отдавали бы избыток энергии, или создавать бомбы, в которых неконтролируемые цепные реакции вызывали бы взрыв колоссальной разрушительной силы. Вторая мировая война способствовала осуществлению трагического предвидения поэта А. Белого. И лишь после окончания войны были перевернуты последние страницы истории овладения ядерной энергией. Атомные ядра приобрели, наконец, мирную профессию, и приобрели ее поначалу в Советском Союзе.

Первая в мире ядерная электростанция — Обнинская — продемонстрировала всему миру, какую пользу может принести людям управляемая ядерная реакция.

Но, подарив людям ядерную реакцию, физики еще очень мало знали о самом ядре. Бытовые подробности жизни крепко спаянного ядерного коллектива нуклонов оставались неизвестными. Как протон и нейтрон ведут себя в ядре, как общаются друг с другом, каким они подчиняются законам?

Исследователи вправе были ожидать, что познание этих законов даст им возможность управлять атомными ядрами, по желанию создавать необходимые людям вещества, одним словом, «вить из ядра веревки».

Многие полагали, что кратчайший путь к этой цели ведет через тщательное изучение взаимодействий двух отдельных нуклонов. Наблюдения за столкновением протона с протоном, протона с нейтроном, казалось, должны были в значительной мере прояснить взаимоотношения между этими частицами в ядрах.

В крупнейших лабораториях мира были созданы ускорители протонов. В огромных установках, похожих на заводы, с помощью сложнейших приборов ученые следили за моментом встречи между двумя свободными нуклонами. Частицы сталкивались, разлетались, образовывались новые частицы, а тайна строения ядра оставалась неразгаданной. Думали, что еще немного терпения, еще серия экспериментов, еще сильнее разогнать протоны, и можно будет понять основные принципы поведения нуклонов в ядрах. Но… наращивая свою мощь, ускорители увеличивались в размерах, разгоняемые ими протоны становились все более быстрыми, наблюдения накапливались, а ядро продолжало оставаться столь же загадочным и полным тайн, как улыбка леонардовской Моны Лизы.

Ожидания физиков-ядерщиков не оправдались. Мимолетные встречи нуклонов большой энергии мало походили на отношения, сложившиеся в долгоживущем сгустке ядерных нуклонов, пропитанном мощными ядерными силами. Чем с большей энергией сталкивались нуклоны, тем с большей вероятностью рождались новые частицы, не имевшие никакого отношения к ядру.

Неожиданно перед физиками открылся густонаселенный мир элементарных частиц и возникли сотни новых труднейших вопросов. Этими вопросами и занялась выросшая из недр «Ядерной физики» «Физика элементарных частиц». А исследователи атомных ядер начали нелегкую работу по вскрытию глубинных пластов сокровенных свойств атомных ядер.

Все, что было известно о сердцевине атома, подталкивало к мысли, что ядро нельзя рассматривать как сообщество отдельных нуклонов, как нельзя и организм считать простой суммой большого количества клеток.