100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ 33 страница

На магнитофоне имелись две катушки — подающая и приемная. Для перемещения ленты служил механизм, состоящий из электродвигателя, ведущего вала, прижимного ролика и других деталей. Обычно в магнитофоне имелось устройство для ускоренной перемотки ленты с катушки на катушку в оба направления.

82. ПЕНИЦИЛЛИН

Антибиотики — одно из замечательнейших изобретений XX века в области медицины. Современные люди далеко не всегда отдают себе отчет в том, сколь многим они обязаны этим лечебным препаратам. Человечество вообще очень быстро привыкает к поразительным достижениям своей науки, и порой требуется сделать некоторое усилие для того, чтобы представить себе жизнь такой, какой она была, к примеру, до изобретения телевизора, радио или паровоза. Так же быстро вошло в нашу жизнь огромное семейство разнообразных антибиотиков, первым из которых был пенициллин. Сегодня нам кажется удивительным, что еще в 30-х годах XX столетия ежегодно десятки тысяч людей умирали от дизентерии, что воспаление легких во многих случаях кончалось смертельным исходом, что сепсис был настоящим бичом всех хирургических больных, которые во множестве гибли от заражения крови, что тиф считался опаснейшей и трудноизлечимой болезнью, а легочная чума неизбежно вела больного к смерти. Все эти страшные болезни (и многие другие, прежде неизлечимые, например, туберкулез) были побеждены антибиотиками.

Еще более поразительно влияние этих препаратов на военную медицину. Трудно поверить, но в прежних войнах большинство солдат гибло не от пуль и осколков, а от гнойных заражений, вызванных ранением. Известно, что в окружающем нас пространстве находятся мириады микроскопических организмов микробов, среди которых немало и опасных возбудителей болезней. В обычных условиях наша кожа препятствует их проникновению внутрь организма. Но во время ранения грязь попадала в открытые раны вместе с миллионами гнилостных бактерий (кокков). Они начинали размножаться с колоссальной быстротой, проникали глубоко внутрь тканей, и через несколько часов уже никакой хирург не мог спасти человека: рана гноилась, повышалась температура, начинался сепсис или гангрена. Человек погибал не столько от самой раны, сколько от раневых осложнений. Медицина оказывалась бессильна перед ними. В лучшем случае врач успевал ампутировать пораженный орган и тем останавливал распространение болезни.

Чтобы бороться с раневыми осложнениями, надо было научиться парализовать микробов, вызывающих эти осложнения, научиться обезвреживать попавших в рану кокков. Но как этого достигнуть? Оказалось, что воевать с микроорганизмами можно непосредственно с их же помощью, так как одни микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности выделяют вещества, способные уничтожать другие микроорганизмы. Идея использовать микробов в борьбе с микробами появилась еще в XIX веке. Так, Луи Пастер открыл, что бациллы сибирской язвы погибают под действием некоторых других микробов. Но понятно, что разрешение этой проблемы требовало огромного труда — нелегко разобраться в жизни и взаимоотношениях микроорганизмов, еще труднее постичь, какие из них находятся во вражде друг с другом и чем один микроб побеждает другого. Однако сложнее всего было вообразить, что грозный враг кокков уже давно и хорошо известен человеку, что он уже тысячи лет живет бок о бок с ним, то и дело напоминая о себе. Им оказалась обыкновенная плесень — ничтожный грибок, который в виде спор всегда присутствует в воздухе и охотно разрастается на всем старом и отсыревшем, будь то стена погреба или кусок хлеба.

Впрочем, о бактерицидных свойствах плесени было известно еще в XIX веке. В 60-х годах прошлого века между двумя русскими врачами — Алексеем Полотебновым и Вячеславом Манассеиным — возник спор. Полотебнов утверждал, что плесень является родоначальником всех микробов, то есть что все микробы происходят от нее. Манассеин же доказывал, что это неверно. Чтобы обосновать свои доводы, он стал исследовать зеленые плесени (по-латыни пенициллиум глаукум). Он посеял плесень на питательной среде и с изумлением отметил: там, где рос плесневой грибок, никогда не развивались бактерии. Из этого Манассеин сделал вывод, что плесневой грибок препятствует росту микроорганизмов. То же потом наблюдал и Полотебнов: жидкость, в которой появлялась плесень, оставалась всегда прозрачной, стало быть, не содержала бактерий. Полотебнов понял, что как исследователь он был не прав в своих заключениях. Однако как врач он решил немедленно исследовать это необычное свойство такого легкодоступного вещества, как плесень. Попытка увенчалась успехом: язвы, покрытые эмульсией, в которой содержался плесневой грибок, быстро заживали. Полотебнов сделал интересный опыт: он покрывал глубокие кожные язвы больных смесью плесени с бактериями и не наблюдал в них никаких осложнений, В одной из своих статей 1872 году он рекомендовал таким же образом лечить раны и глубокие нарывы. К сожалению, опыты Полотебнова не привлекли к себе внимания, хотя от послераневых осложнений во всех хирургических клиниках тогда погибало множество народа.

Вновь замечательные свойства плесени были открыты спустя полвека шотландцем Александром Флемингом. С юности Флеминг мечтал найти вещество, которое могло бы уничтожать болезнетворных бактерий, и упорно занимался микробиологией. Лаборатория Флеминга помещалась в маленькой комнате отдела патологии одного из крупных лондонских госпиталей. В этой комнате всегда было душно, тесно и беспорядочно. Чтобы спастись от духоты, Флеминг все время держал окно открытым. Вместе с другим врачом Флеминг занимался исследованиями стафилококков. Но, не закончив работы, этот врач ушел из отдела. Старые чашки с посевами колоний микробов еще стояли на полках лаборатории — уборку своей комнаты Флеминг всегда считал зряшной тратой времени. Однажды, решив писать статью о стафилококках, Флеминг заглянул в эти чашки и обнаружил, что многие из находившихся там культур покрыла плесень. Это, впрочем, было неудивительно — очевидно, споры плесени занесло в лабораторию через окно. Удивительным было другое: когда Флеминг стал исследовать культуру, то во многих чашках не оказалось и следа стафилококков — там была только плесень и прозрачные, похожие на росу капли. Неужели обычная плесень уничтожила всех болезнетворных микробов? Флеминг немедленно решил проверить свою догадку и поместил немного плесени в пробирку с питательным бульоном. Когда грибок развился, он поселил в ту же чашку различные бактерии и поставил ее в термостат. Исследовав затем питательную среду, Флеминг обнаружил, что между плесенью и колониями бактерий образовались светлые и прозрачные пятна — плесень как бы стесняла микробов, не давая им расти около себя. Тогда Флеминг решил сделать более масштабный опыт: пересадил грибок в большой сосуд и стал наблюдать за его развитием. Вскоре поверхность сосуда покрылась " войлоком" — разросшимся и сбившимся в тесноте грибком. " Войлок" несколько раз менял свой цвет: сначала он был белым, потом зеленым, потом черным. Менял цвет и питательный бульон — из прозрачного он превратился в желтый. " Очевидно, плесень выделяет в окружающую среду какие-то вещества", — подумал Флеминг и решил проверить, обладают ли они вредными для бактерий свойствами. Новый опыт показал, что желтая жидкость разрушает те же микроорганизмы, которые разрушала и сама плесень. Причем жидкость обладала чрезвычайно большой активностью — Флеминг разводил ее в двадцать раз, а раствор все равно оставался губительным для болезнетворных бактерий.

Флеминг понял, что стоит на пороге важного открытия. Он забросил все дела, прекратил другие исследования. Плесневый грибок пенициллиум нотатум отныне целиком поглотил его внимание. Для дальнейших экспериментов Флемингу понадобились галлоны плесневого бульона — он изучал, на какой день роста, при какой температуре и на какой питательной среде действие таинственного желтого вещества окажется наиболее эффективным для уничтожения микробов. В то же время выяснилось, что сама плесень, так же как и желтый бульон, оказались безвредными для животных. Флеминг вводил их в вену кролику, в брюшную полость белой мыши, омывал бульоном кожу и даже закапывал ее в глаза — никаких неприятных явлений не наблюдалось. В пробирке разведенное желтое вещество — продукт, выделяемый плесенью, — задерживало рост стафилококков, но не нарушало функций лейкоцитов крови. Флеминг назвал это вещество пенициллином. С этих пор он постоянно думал над важным вопросом: как выделить действующее активное вещество из профильтрованного плесневого бульона? Увы, это оказалось чрезвычайно сложным делом. Между тем было ясно, что вводить в кровь человека неочищенный бульон, в котором содержался чужеродный белок, безусловно, опасно. Молодые сотрудники Флеминга, такие же, как и он, врачи, а не химики, предприняли множество попыток разрешить эту проблему. Работая в кустарных условиях, они потратили массу времени и энергии но ничего не добились. Всякий раз после предпринятой очистки пенициллин разлагался и терял целебные свойства. В конце концов, Флеминг понял, что эта задача ему не по плечу и что разрешение ее следует передать другим. В феврале 1929 года он сделал в Лондонском медицинском научно-исследовательском клубе сообщение о найденном им необыкновенно сильном антибактериальном средстве. Это сообщение не обратило на себя внимания. Однако Флеминг был упрямый шотландец. Он написал большую статью с подробным изложением своих экспериментов и поместил ее в научном журнале. На всех конгрессах и медицинских съездах он так или иначе делал напоминание о своем открытие. Постепенно о пенициллине стало известно не только в Англии, но и в Америке. Наконец, в 1939 году два английских ученых — Говард Флери, профессор патологии одного из оксфордских институтов, и Эрнст Чейн, биохимик, бежавший из Германии от преследования нацистов, — обратили на пенициллин самое пристальное внимание.

Чейн и Флери искали тему для совместной работы. Трудность задачи выделения очищенного пенициллина привлекла их. В Оксфордском университете оказался штамм (культура микробов, выделенная из определенных источников), присланный туда Флемингом. С ним-то они и стали экспериментировать. Для того чтобы превратить пенициллин в лекарственный препарат, его необходимо было связать с каким-нибудь веществом, растворимым в воде, но таким образом, чтобы, будучи очищенным, он не терял своих удивительных свойств. Долгое время эта задача казалась неразрешимой — пенициллин быстро разрушался в кислой среде (поэтому, кстати, его нельзя было принимать внутрь) и очень недолго сохранялся в щелочной, он легко переходил в эфир, но, если его не ставили на лед, разрушался и в нем. Только после многих опытов жидкость, выделенную грибком и содержащую аминопенициллиновую кислоту, удалось сложным путем отфильтровать и растворить в специальном органическом растворителе, в котором не растворялись соли калия, хорошо растворимые в воде. После воздействия ацетата калия в осадок выпали белые кристаллы калийной соли пенициллина. Проделав множество манипуляций, Чейн получил слизистую массу, которую ему удалось наконец превратить в коричневый порошок. Первые же опыты с ним имели потрясающий эффект: даже маленькая гранула пенициллина, разведенная в пропорции один на миллион, обладала мощным бактерицидным свойством — помещенные в эту среду смертоносные кокки гибли через несколько минут. В то же время введенный в вену мыши препарат не только не убил ее, но вообще не произвел на зверька никакого действия.

К опытам Чейна присоединилось еще несколько ученых. Действие пенициллина всесторонне исследовали на белых мышах. Их заражали стафилококками и стрептококками в дозах более чем смертельных. Половине из них ввели пенициллин, и все эти мыши остались живы. Остальные умерли через несколько часов. Вскоре было открыто, что пенициллин губит не только кокков, но и возбудителей гангрены. В 1942 году пенициллин опробовали на больном, который умирал от менингита. Очень скоро тот поправился. Известие об этом произвело большое впечатление. Однако наладить производство нового препарата в воюющей Англии не удалось. Флери отправился в США, и здесь в 1943 году в городе Пеории лаборатория доктора Когхилла впервые начала промышленное производство пенициллина. В 1945 году Флемингу, Флери и Чейну за их выдающиеся открытие была присуждена Нобелевская премия.

В СССР пенициллин из плесени пенициллиум крустозум (этот грибок был взят со стены одного из московских бомбоубежищ) получила в 1942 году профессор Зинаида Ермольева. Шла война. Госпитали были переполнены ранеными с гнойными поражениями, вызванными стафилококками и стрептококками, осложнявшими и без того тяжелые раны. Лечение было трудным. Много раненых умирало от гнойного заражения. В 1944 году после долгих исследований Ермольева отправилась на фронт, чтобы испытать действие своего препарата. Всем раненым перед операцией Ермольева делала внутримышечную инъекцию пенициллина. После этого у большинства бойцов раны рубцевались без всяких осложнений и нагноений, без повышения температуры. Пенициллин показался видавшим виды полевым хирургам настоящим чудом. Он вылечивал даже самых тяжелых больных, уже болевших заражением крови или воспалением легких. В том же году в СССР было налажено заводское производство пенициллина.

В дальнейшем семья антибиотиков стала быстро расширяться. Уже в 1942 году Гаузе выделил грамицидин, а в 1944 году американец украинского происхождения Ваксман получил стрептомицин. Началась эра антибиотиков, благодаря которым в последующие годы сохранили жизнь миллионы людей. Любопытно, что пенициллин так и остался незапатентованным. Те, кто его открыли и создали, отказались получать патенты — они считали, что вещество, которое может принести такую пользу человечеству, не должно служить источником дохода. Вероятно, это единственное открытие таких масштабов, на которое никто не предъявлял авторских прав.

83. АТОМНАЯ БОМБА

Мир атома настолько фантастичен, что для его понимания требуется коренная ломка привычных понятий о пространстве и времени. Атомы так малы, что если бы каплю воды можно было увеличить до размеров Земли, то каждый атом в этой капле был бы меньше апельсина. В самом деле, одна капля воды состоит из 6000 миллиардов миллиардов (6000000000000000000000) атомов водорода и кислорода. И тем не менее, несмотря на свои микроскопические размеры, атом имеет строение до некоторой степени сходное со строением нашей солнечной системы. В его непостижимо малом центре, радиус которого менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное " солнце" — ядро атома. Вокруг этого атомного " солнца" вращаются крохотные " планеты" — электроны. Ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной — протонов и нейтронов (они имеют объединяющее название — нуклоны). Электрон и протон — заряженные частицы, причем количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку: протон всегда заряжен положительно, а электрон — отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда и вследствие этого имеет очень большую проницаемость.

В атомной шкале измерений масса протона и нейтрона принята за единицу. Атомный вес любого химического элемента поэтому зависит от количества протонов и нейтронов, заключенных в его ядре. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу равную 1. Атом гелия, с ядром из двух протонов и двух нейтронов, имеет атомную массу, равную 4.

Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов и относящиеся к разновидностям одного и того же элемента, называются изотопами. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа.

Может возникнуть вопрос: почему ядро атома не разваливается? Ведь входящие в него протоны — электрически заряженные частицы с одинаковым зарядом, которые должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще и так называемые внутриядерные силы, притягивающие частицы ядра друг к другу. Эти силы компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно разлететься.

Внутриядерные силы очень велики, но действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому ядра тяжелых элементов, состоящие из сотен нуклонов, оказываются нестабильными. Частицы ядра находятся здесь в беспрерывном движении (в пределах объема ядра), и если добавить им какое-то дополнительное количество энергии, они могут преодолеть внутренние силы — ядро разделится на части. Величину этой избыточной энергии называют энергией возбуждения. Среди изотопов тяжелых элементов есть такие, которые как бы находятся на самой грани самораспада. Достаточно лишь небольшого " толчка", например, простого попадания в ядро нейтрона (причем он даже не должен разгоняться до большой скорости), чтобы пошла реакция ядерного деления. Некоторые из этих " делящихся" изотопов позже научились получать искусственно. В природе же существует только один такой изотоп — это уран-235.

Уран был открыт в 1783 году Клапротом, который выделил его из урановой смолки и назвал в честь недавно открытой планеты Уран. Как оказалось в дальнейшем, это был, собственно, не сам уран, а его оксид. Чистый уран — металл серебристо-белого цвета — был получен только в 1842 году Пелиго. Новый элемент не обладал никакими замечательными свойствами и не привлекал к себе внимания вплоть до 1896 года, когда Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. После этого уран сделался объектом научных исследований и экспериментов, но практического применения по-прежнему не имел.

Когда в первой трети XX века физикам более или менее стало понятно строение атомного ядра, они прежде всего попробовали осуществить давнюю мечту алхимиков — постарались превратить один химический элемент в другой. В 1934 году французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри доложили Французской академии наук о следующем опыте: при бомбардировке пластин алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) атомы алюминия превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые в свою очередь переходили в устойчивый изотоп кремния. Таким образом, атом алюминия, присоединив один протон и два нейтрона, превращался в более тяжелый атом кремния.

Этот опыт навел на мысль, что если " обстреливать" нейтронами ядра самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио-Кюри, взяв вместо алюминия уран. Результаты эксперимента оказались совсем не те, что они ожидали — вместо нового сверхтяжелого элемента с массовым числом больше, чем у урана, Ган и Штрассман получили легкие элементы из средней части периодической системы: барий, криптон, бром и некоторые другие. Сами экспериментаторы не смогли объяснить наблюдаемое явление. Только в следующем году физик Лиза Мейтнер, которой Ган сообщил о своих затруднениях, нашла правильное объяснение наблюдаемому феномену, предположив, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более легких элементов (вот откуда брались барий, криптон и другие вещества), а также выделяться 2–3 свободных нейтрона. Дальнейшие исследования позволили детально прояснить картину происходящего.

Природный уран состоит из смеси трех изотопов с массами 238, 234 и 235. Основное количество урана приходится на изотоп-238, в ядро которого входят 92 протона и 146 нейтронов. Уран-235 составляет всего 1/140 природного урана (0, 7%) (он имеет в своем ядре 92 протона и 143 нейтрона), а уран-234 (92 протона, 142 нейтрона) лишь — 1/17500 от общей массы урана (0, 006%). Наименее стабильным из этих изотопов является уран-235. Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, вследствие чего образуются более легкие элементы периодической системы. Процесс сопровождается выделением двух или трех свободных нейтронов, которые мчатся с огромной скоростью — около 10 тыс. км/с (их называют быстрыми нейтронами). Эти нейтроны могут попадать в другие ядра урана, вызывая ядерные реакции. Каждый изотоп ведет себя в этом случае по-разному. Ядра урана-238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны без каких-либо дальнейших превращений. Но примерно в одном случае из пяти при столкновении быстрого нейтрона с ядром изотопа-238 происходит любопытная ядерная реакция: один из нейтронов урана-238 испускает электрон, превращаясь в протон, то есть изотоп урана обращается в более тяжелый элемент — нептуний-239 (93 протона + 146 нейтронов). Но нептуний нестабилен — через несколько минут один из его нейтронов испускает электрон, превращаясь в протон, после чего изотоп нептуния обращается в следующий по счету элемент периодической системы — плутоний-239 (94 протона + 145 нейтронов). Если же нейтрон попадает в ядро неустойчивого урана-235, то немедленно происходит деление — атомы распадаются с испусканием двух или трех нейтронов. Понятно, что в природном уране, большинство атомов которого относятся к изотопу-238, никаких видимых последствий эта реакция не имеет — все свободные нейтроны окажутся в конце концов поглощенными этим изотопом.

Ну а если представить себе достаточно массивный кусок урана, целиком состоящий из изотопа-235? Здесь процесс пойдет по-другому: нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции. Для ее начала может быть достаточно считанного количества бомбардирующих частиц. Действительно, пусть уран-235 бомбардируют всего 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана. При этом выделится 250 новых нейтронов второго поколения (в среднем 2, 5 за одно деление). Нейтроны второго поколения произведут уже 250 делений, при котором выделится 625 нейтронов. В следующем поколении оно станет равным 1562, затем 3906, далее 9670 и т. д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить.

Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство. Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана-235, обладающим, как говорят, критической массой. (Эта масса при нормальных условиях равна 50 кг. ) Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (Подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля. ) Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия. Но для того чтобы это оружие стало реальностью, необходимо, чтобы заряд состоял не из природного урана, а из редкого изотопа — 235 (такой уран называют обогащенным). Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана-235.

Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году. Всему комплексу работ было присвоено наименование " Манхэттенского проекта". Административное руководство проектом осуществлял генерал Гровс, а научное — профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Оба хорошо понимали огромную сложность стоящей перед ними задачи. Поэтому первой заботой Оппенгеймера стало комплектование высокоинтеллектуального научного коллектива. В США тогда было много физиков, эмигрировавших из фашистской Германии. Нелегко было привлечь их к созданию оружия, направленного против их прежней родины. Оппенгеймер лично говорил с каждым, пуская в ход всю силу своего обаяния. Вскоре ему удалось собрать небольшую группу теоретиков, которых он шутливо называл " светилами". И в самом деле, в нее входили крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. (Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Бор, Ферми, Франк, Чедвик, Лоуренс. ) Кроме них, было много других специалистов самого разного профиля. Правительство США не скупилось на расходы, и работы с самого начала приняли грандиозный размах. В 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе. Население этого научного города вскоре достигло 9 тысяч человек. По составу ученых, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос-Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории. " Манхэттенский проект" имел свою полицию, контрразведку, систему связи, склады, поселки, заводы, лаборатории, свой колоссальный бюджет.

Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана-235 зарядом для бомбы, как уже говорилось, мог служить искусственный элемент плутоний-239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой. Гровс и Оппенгеймер согласились, что работы должны вестись одновременно по двум направлениям, поскольку невозможно наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений. В самом деле, как можно отделить друг от друга два изотопа, которые лишь незначительно отличаются своим весом и химически ведут себя совершенно одинаково? Ни наука, ни техника никогда еще не сталкивались с такой проблемой. Производство плутония тоже поначалу казалось очень проблематичным. До этого весь опыт ядерных превращений сводился к нескольким лабораторным экспериментам. Теперь же предстояло в промышленном масштабе освоить производство килограммов плутония, разработать и создать для этого специальную установку — ядерный реактор, и научиться управлять течением ядерной реакции. И там и здесь предстояло разрешить целый комплекс сложных задач. Поэтому " Манхэттенский проект" состоял из нескольких подпроектов, во главе которых стояли видные ученые. Сам Оппенгеймер был главой Лос-Аламосской научной лаборатории. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета. Ферми вел в Чикагском университете исследования по созданию ядерного реактора.

Поначалу важнейшей проблемой было получение урана. До войны этот металл фактически не имел применения. Теперь, когда он потребовался сразу в огромных количествах, оказалось, что не существует промышленного способа его производства. Компания " Вестингауз" взялась за его разработку и быстро добилась успеха. После очистки урановой смолы (в таком виде уран встречается в природе) и получения окиси урана, ее превращали в тетрафторид (UF₄), из которого путем электролиза выделялся металлический уран. Если в конце 1941 года в распоряжении американских ученых было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство на заводах фирмы " Вестингауз" достигло 6000 фунтов в месяц.

Одновременно шла работа над созданием ядерного реактора. Процесс производства плутония фактически сводился к облучению урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была обратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом могли быть делящиеся атомы урана-235, рассеянные в достаточном количестве среди атомов урана-238. Но для того чтобы поддерживать постоянное воспроизводство нейтронов, должна была начаться цепная реакция деления атомов урана-235. Между тем, как уже говорилось, на каждый атом урана-235 приходилось 140 атомов урана-238. Ясно, что у разлетающихся во все стороны нейтронов было гораздо больше вероятности встретить на своем пути именно их. То есть, огромное число выделившихся нейтронов оказывалось без всякой пользы поглощенным основным изотопом. Очевидно, что при таких условиях цепная реакция идти не могла. Как же быть? Сначала представлялось, что без разделения двух изотопов работа реактора вообще невозможна, но вскоре было установлено одно важное обстоятельство: оказалось, что уран-235 и уран-238 восприимчивы к нейтронам разных энергий. Расщепить ядро атома урана-235 можно нейтроном сравнительно небольшой энергии, имеющим скорость около 22 м/с. Такие медленные нейтроны не захватываются ядрами урана-238 — для этого те должны иметь скорость порядка сотен тысяч метров в секунду. Другими словами уран-238 бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране-235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей — не более 22 м/с. Это явление было открыто итальянским физиком Ферми, который с 1938 года жил в США и руководил здесь работами по созданию первого реактора. В качестве замедлителя нейтронов Ферми решил применить графит. По его расчетам, вылетевшие из урана-235 нейтроны, пройдя через слой графита в 40 см, должны были снизить свою скорость до 22 м/с и начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране-235. Другим замедлителем могла служить так называемая " тяжелая" вода. Поскольку атомы водорода, входящие в нее, по размерам и массе очень близки к нейтронам, они могли лучше всего замедлять их. (С быстрыми нейтронами происходит примерно то же, что с шарами: если маленький шар ударяется о большой, он откатывается назад, почти не теряя скорости, при встрече же с маленьким шаром он передает ему значительную часть своей энергии — точно так же нейтрон при упругом столкновении отскакивает от тяжелого ядра лишь незначительно замедляясь, а при столкновении с ядрами атомов водорода очень быстро теряет всю свою энергию. ) Однако обычная вода не подходит для замедления, так как ее водород имеет тенденцию поглощать нейтроны. Вот почему для этой цели следует использовать дейтерий, входящий в состав " тяжелой" воды.

⇐ Предыдущая 28 29 30 31 323334 35 36 37 Следующая ⇒