Мысль о том, что цепная реакция деления урана может послужить основой для создания бомбы, возникла у Джеймса Чедвика поздней осенью 1939 года. Как он думал, реакция, распространяемая медленными нейтронами (единственный вариант, рассматривавшийся в то время), способна вызвать эффект, лишь ненамного отличавшийся от того, который дает сильно взрывчатое химическое вещество. Поэтому, чтобы изготовить новый вид оружия, нужно получить цепную реакцию, инициируемую быстрыми нейтронами. Такая реакция казалась невозможной в природном уране, хотя бы и в большом объеме. Чедвик решил исследовать уран-235, установив раз и навсегда его эффективное поперечное сечение на быстрых нейтронах.
Серию экспериментов на циклотроне он начал в январе 1940 года. Непосредственной работой занимался Джозеф Ротблат. После запуска циклотрона записывающие приборы показали ежеминутное возникновение нескольких перемежающихся всплесков на кривой. Затем настала очередь урана-235. Разница в результатах оказалась громадной: аппаратура записала очень высокую активность. Атомы урана-235 расщеплялись со скоростью, которая в 10 000 раз и более превосходила скорость деления атомов урана-238. Теперь оставалось определить, какая критическая масса урана-235 потребуется для того, чтобы вызвать атомный взрыв.
Эмигрантская бомба
Одной из ключевых фигур британского атомного проекта стал знакомый нам австрийский физик Отто Фриш – племянник Лизы Мейтнер, вместе с которой он открыл распад ядра урана под воздействием нейтронов. Зимой 1939 года Отто Фриш жил с семьей в Стокгольме, но чувствовал, что мирная жизнь заканчивается. Росло чувство незащищенности. Когда в лабораторию Нильса Бора в Копенгагене приехали британец Патрик Блэкетт и австралиец Марк Олифант, Фриш попросил их о помощи. Олифант очень участливо отнесся к просьбе Фриша и вскоре прислал ему письмо, в котором приглашал его посетить Бирмингем летом 1939 года. Спокойствие и уверенность Олифанта весьма впечатлили Фриша, который никак не мог выйти из депрессии, и он не стал ждать еще одного приглашения. Упаковав два маленьких чемодана, он выехал в Англию в качестве туриста.
Австралиец устроил Фриша на должность младшего преподавателя. Тот работал со студентами не на постоянной основе, поэтому, имея достаточно свободного времени, мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто Фриш провел несколько небольших экспериментов по обогащению урана-235 методом термодиффузии. Прогресс, однако, был невелик.
Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал по достижениям в области изучения атомов. Рассказывая в своей статье о расщеплении ядра, Отто Фриш повторял общепринятое на тот момент мнение: если однажды и удастся осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то с учетом того, что в ней должны использоваться медленные нейтроны, взорвать атомную бомбу будет практически невозможно. Но, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент заключается в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывает быстрые нейтроны, имеющие определенную «резонансную» скорость; для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Если построить цепную реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его еще до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать всё меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.
Все ведущие физики пришли к такому же мнению. Однако Фриша очень интересовал ответ на вопрос: что все-таки произойдет, если использовать быстрые нейтроны? Вдруг для цепной реакции на быстрых нейтронах окажется достаточно меньшего количества урана-235, чем считалось прежде?
Отто Фриш поделился своими мыслями с Рудольфом Пайерлсом, который, как мы помним, в июне 1939 года вывел формулу расчета критической массы материала, необходимой для поддержания цепной ядерной реакции. Пайерлс использовал свою формулу для расчета смеси изотопов с большим содержанием урана-238. Фришу необходимо было проводить вычисления другого порядка – с участием чистого урана-235 в присутствии не медленных, а быстрых нейтронов. Проблема заключалась в том, что никто пока не знал, какой должна быть доля урана-235, чтобы обеспечить успешное участие в реакции быстрых нейронов. А не знали этого ученые потому, что пока еще никому не удалось получить достаточное количество урана-235 в чистом виде.
В такой ситуации оставалось только выдвигать предположения. Например, можно было допустить, что каждый нейтрон, попадающий в ядро урана-235, вызывает его немедленный распад. Подобное допущение заметно упростило расчеты. Теперь оставалось только вычислить, какое количество урана-235 необходимо для того, чтобы он легко расщеплялся быстрыми нейтронами.
Отто Фриш и Рудольф Пайерлс подставили в формулу новые числа и были сражены полученным результатом. О десятках тонн урана теперь и речи не шло. Критическая масса, согласно расчетам, составляла всего несколько килограммов. Для вещества с плотностью урана объем такого количества не превышал бы величины мячика для гольфа. По оценкам Фриша, столько урана-235 можно получить за несколько недель, использовав сто тысяч обогатительных аппаратов, подобных тому, который он собрал в бирмингемской лаборатории. В тот момент физики осознали, что создать атомную бомбу все-таки возможно.
Интересно, что поляк Джозеф Ротблат, живший в Ливерпуле, пришел примерно к такому же выводу, что и его коллеги. Зверства, которые творили гитлеровцы у него на родине, подтолкнули Ротблата в конце ноября 1939 года сделать Джеймсу Чедвику предложение обдумать проблему создания атомной бомбы. О своих чувствах поляк писал впоследствии так: «В то время я просто места себе не находил, пытаясь решить, возможно, самую ужасную дилемму из тех, что могут встать перед ученым. Работа над оружием массового поражения ломала все мои убеждения – убеждения о том, каким целям должна служить наука, – но любым идеалам все равно пришел бы конец, если бы в руках у Гитлера всё-таки оказалась бомба».
Ротблат самостоятельно пришел к выводу о том, что расщепление урана-235 медленными нейтронами не породит взрывное выделение ядерной энергии – это возможно только при использовании быстрых нейтронов. Чедвик, выслушав его, лишь хмыкнул в ответ. Однако первоначальный скептицизм англичанина вскоре уступил место нарастающему интересу, а приведенные Ротблатом аргументы подтверждали некоторые догадки Чедвика по данному вопросу. В итоге они вместе сели обсуждать эксперименты, необходимые для достижения поставленной цели.
В это время Отто Фриш и Рудольф Пайерлс обсудили новейшие полученные результаты с австралийцем Марком Олифантом. Тот сразу согласился с приведенными аргументами и рекомендовал изложить их в коротком меморандуме. Ученые составили меморандум в двух частях, обе датированы мартом 1940 года. В первой части рассказывалось главным образом о реальной возможности создать «супербомбу» с использованием урана-235 и о физических принципах, на которых основывалось ее действие. Вторая часть, озаглавленная «Краткое сообщение о свойствах радиоактивной супербомбы», содержала в себе множество удивительно точных предсказаний самого разного толка. Авторы утверждали, что создание атомного оружия – «дело ближайшего времени»; что применение атомной бомбы невозможно без «гибели большого количества мирного населения»; что, «по всей вероятности, Германия действительно занимается разработкой этого оружия».
