начинали распознавать исследователи.
Плачек был настроен скептически. «Ситуация стала еще более непонятной, чем когда-либо раньше» [1256], – сказал он Бору. После этого он начал описывать конкретные причины такой неясности. Он прямо ставил под сомнение применимость модели ядра как жидкой капли, которую использовал Бор. Датский лауреат внимательно слушал.
Физики используют для описания вероятности возникновения ядерных реакций условную величину, которую они называют «сечением». Физик-теоретик Рудольф Пайерлс однажды объяснил суть этой величины, используя следующую аналогию:
Например, допустим, что, если я брошу мяч в оконное стекло площадью один квадратный метр, в одном случае из десяти стекло разобьется, а в девяти случаях из десяти мяч просто отскочит от него. Физики сказали бы, что при данном конкретном способе бросания мяча данное конкретное окно имеет «сечение распада», равное 1/10 квадратного метра, и «сечение упругого отражения», равное 9/10 квадратного метра [1257].
Сечение многих разных ядерных реакций можно измерить, и измеряют его обычно не квадратными метрами, а малыми долями квадратного сантиметра, чаще всего 10–24, поскольку окном из аналогии Пайерлса становится невообразимо малое атомное ядро [1258]. В разговоре с Бором Плачека занимало сечение реакции захвата: вероятность того, что налетающий нейтрон будет захвачен ядром. Снова вернувшись к аналогии Пайерлса, можно сказать, что сечение захвата определяет вероятность того, что к моменту прилета мяча окно окажется открытым, и мяч может пролететь сквозь окно в гостиную.
Ядра захватывают нейтроны с некоторыми энергиями чаще, чем нейтроны с другими энергиями. Они, так сказать, естественно настроены на определенные уровни энергии – как если бы окно Пайерлса легко открывалось только при попадании в него мячей, летящих с определенными скоростями. Это явление называют резонансом. Неясность, о которой с таким удовольствием рассказывал Плачек, касалась резонансов в сечениях захвата нейтронов ядрами урана и тория.
Плачек отметил, что и для урана, и для тория обнаруживается резонанс захвата нейтронов со средними энергиями около 25 электрон-вольт. Прежде всего это означало, что, хотя деление и является одним из возможных вариантов поведения урана при бомбардировке нейтронами, захват нейтронов и последующее преобразование по-прежнему остаются другим вариантом. Надежды на избавление от всех этих неудобных «трансуранов» у Бора не было. Некоторые из них были реальными.
Например, проникновение нейтрона в ядро урана может привести к его делению. Но, если на момент такого проникновения нейтрон имеет соответствующую энергию – где-то в районе 25 эВ, – высока вероятность того, что ядро захватит его без деления. Затем произойдет бета-распад, в результате которого заряд ядра увеличится на одну единицу; в результате получится новый, еще не имеющий названия трансурановый элемент с атомным номером 93. Таково было одно из ключевых утверждений Плачека. Впоследствии оказалось, что оно имело жизненно важное значение.
Другая неясность была проще. Кроме того, она была более непосредственно связана с вопросом о возможности практического использования ядерной энергии. Речь шла о различиях между ураном и торием.
Торий, элемент номер 90, – это мягкий, тяжелый, блестящий серебристо-белый металл, который впервые выделил в 1828 году прославленный шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус. Берцелиус назвал новый элемент в честь Тора, скандинавского бога-громовержца. Начиная с конца XIX века оксид тория нашел промышленное применение в качестве основного компонента хрупких калильных сеток газовых фонарей – при нагревании он светится ослепительно-белым светом. Поскольку торий обладает небольшой радиоактивностью, а одно время считалось, что радиоактивность оказывает тонизирующее воздействие, в течение нескольких лет торий входил в состав популярной немецкой зубной пасты «Дорамад». Эту зубную пасту выпускала компания Auer – та же, которая производила и немецкие газовые фонари. Ган, Мейтнер и Штрассман, так же как Жолио-Кюри и другие, регулярно исследовали торий вместе с ураном. Их поведение часто бывало схожим. Отто Фриш первым продемонстрировал деление тория. Он бомбардировал его нейтронами сразу после урана в эксперименте, который проводил в Копенгагене в январе, – том самом эксперименте, который он обсуждал с Бором после возвращения из Кунгэльва и защита которого стоила Бору стольких усилий в Соединенных Штатах.
Именно Фриш первым заметил и различия в характеристиках деления тория и урана. На торий не действовала магия парафина; замедление нейтронов на него не влияло. Ричард Б. Робертс и его коллеги по факультету земного магнетизма вашингтонского Института Карнеги независимо подтвердили и дополнили данные Фриша. Их 5-мегавольтовый генератор Ван де Граафа позволял получать нейтроны с несколькими разными известными энергиями. Продолжая свои эксперименты после демонстрации, устроенной в субботу вечером для участников Вашингтонской конференции, они сравнили деление урана и тория при разных энергиях, чего Фриш, имевший один-единственный источник нейтронов, сделать не мог. К своему удивлению (статья Фриша в Nature еще не вышла), они обнаружили, что, хотя бомбардировка быстрыми нейтронами вызывает деление как урана, так и тория, при бомбардировке медленными нейтронами делится только уран. Нижний порог деления быстрыми нейтронами для обоих элементов находился где-то между 0,5 и 2,5 МэВ. Бор и Джон Уилер, начинавшие разрабатывать теорию деления в Принстоне, оценили пороговую энергию величиной, близкой к 1 МэВ. Медленные нейтроны, вызывавшие деление урана, действовали при гораздо более низких энергиях. «Из этих сравнений, – говорилось в выводах группы с ФЗМ, опубликованных в их февральской статье, – по-видимому, следует, что деление урана быстрыми и медленными нейтронами вызывается разными механизмами» [1259].
Почему же, спрашивал теперь Плачек Бора, уран и торий имеют близкие резонансы захвата и близкие пороги деления быстрыми нейтронами, но по-разному реагируют на медленные нейтроны? Если модель жидкой капли была хоть сколько-нибудь верна, такое различие никак нельзя было объяснить.
Бор внезапно понял причину и оцепенел. Чтобы не потерять то озарение, которое только что его посетило, он, забыв всякую вежливость, вскочил со стула и ринулся прочь из столовой и из клуба. Розенфельд устремился за ним. «Поспешно попрощавшись с Плачеком, я догнал Бора, который шел молча, погруженный в глубокие размышления, которым я старался не помешать». В полном молчании они прошли через заснеженный принстонский кампус в Файн-холл, кирпичное неоготическое здание, в котором размещался тогда Институт перспективных исследований. Они пришли в кабинет Бора, который одолжил ему Альберт Эйнштейн. Это было просторное помещение с витражными окнами, камином, большой классной доской и восточным ковром, покрывавшим холодный пол. Эйнштейн, в отличие от Бора не склонный к кочевому образу жизни, нашел его слишком большим и переехал в расположенную поблизости маленькую секретарскую комнату.
«Как только мы вошли в кабинет, – вспоминает Розенфельд, – [Бор] бросился к доске, сказав мне: “Слушайте, я все понял”. И начал – опять же не говоря ни слова – чертить на доске графики» [1260].
Первый график, который нарисовал
