В своей второй статье Зельдович и Харитон исследовали возможность цепной реакции на медленных нейтронах в природном уране{244}. Опыты, проведенные Ферми совместно с Лео Сцилардом и Гербертом Андерсоном в Колумбийском университете в Нью-Йорке и Жолио и его сотрудниками в Париже, показали, что на возможность цепной реакции в природном уране существенным образом влияет резонансное поглощение нейтронов в уране-238 до того, как они замедлятся и смогут вызвать деление урана-235. Ферми с сотрудниками провели свои опыты с ураном, помещенным в бак с водой. Они пришли к выводу, что «даже при оптимальной концентрации водорода остается крайне неопределенным, превзойдет ли выход нейтронов их полное резонансное поглощение»{245}. Иными словами, не было ясно, сможет ли водород существенно замедлить нейтроны таким образом, чтобы избежать резонансного захвата и тем самым сделать возможной цепную реакцию.
Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные Жолио и Ферми, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, и сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран — вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции «необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород или, быть может, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата… Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом 235». Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3%, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы вода или водород{246}.[55]
На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра, состоявшейся в ноябре 1939 г. в Харькове, Харитон доложил о работе, выполненной им совместно с Зельдовичем. Из его доклада следовало, что «из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа 235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта»{247}. На конференции возникла дискуссия об использовании деления ядра в качестве источника энергии или для взрывов, но никто из ее участников не считал, что это дело близкого будущего{248}.
Нильс Бор и Джон Уилер опубликовали важнейшую работу по теории деления в журнале «Физикэл Ревью» 1 сентября 1939 г., за два дня до начала войны в Европе[56]. Помимо прочего, эта работа содержала теоретическое обоснование гипотезы Бора, согласно которой именно уран-235 делится медленными нейтронами. Александр Лейпунский, который представил на Харьковской конференции обзор состояния исследований по ядру, большую его часть посвятил теории Бора и Уилера. Он сказал, что в течение очень долгого времени нельзя будет осуществить разделение изотопов, и утверждал, что цепная реакция на медленных нейтронах «весьма сомнительна». Более того, добавил он, ничего нельзя сказать о возможности реакции на быстрых нейтронах, поскольку отсутствуют данные о таких процессах, как замедление быстрых нейтронов{249}.
Большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Говорят, что Игорь Тамм в августе 1939 г., комментируя работу Зельдовича и Харитона, сказал: «Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров [от эпицентра взрыва]»{250}.[57],[58] Но такого рода оценка была исключением. Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 г., отметил, что представляется маловероятным, что в этом случае возможно использование результатов ядерной физики в практических целях{251}. Капица в 1940 г. по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Понадобится разделить изотопы, а для этого необходимо будет «затратить энергии больше, чем можно рассчитывать получить от ядерной реакции». Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы возможность использовать атомную энергию превратилась в реальность{252}.[59]
Исследования условий осуществления цепной реакции деления продолжались и после харьковской конференции. Курчатов предложил провести несколько экспериментов, которые могли бы установить; будет ли уран-238 делиться быстрыми нейтронами. Он поручил проведение одного из этих экспериментов Флерову и Константину Петржаку, молодому исследователю из Радиевого института. Задача опыта состояла в наблюдении за тем, как меняется величина потока нейтронов из урановой сферы, если внутри нее поместить источники нейтронов с различными спектрами энергий. Петржак и Флеров построили очень чувствительную ионизационную камеру для регистрации актов деления. Когда в начале 1940 г. они приступили к опытам, то, к своему большому удивлению, обнаружили, что ионизационная камера продолжает срабатывать, т. е. регистрировать деление, и тогда, когда они убрали источник нейтронов. Вскоре они пришли к заключению, что открыли спонтанное деление — деление, происходящее без бомбардировки нейтронами. Теоретически такой процесс был предсказан Френкелем, а также Бором и Уилером, но Петржак и Флеров первыми экспериментально доказали это явление{253}.
Курчатов предложил Петржаку и Флерову провести ряд контрольных опытов, чтобы исключить возможность ошибки в эксперименте. Один из этих опытов был проведен под землей — в помещении станции московского метро «Динамо», чтобы показать, что деление не вызывается космическими лучами. В конце концов Курчатов убедился в том, что они открыли спонтанное деление. В мае 1940 г. Хлопин и Курчатов доложили об этом открытии в Академии наук, и вскоре в советских журналах появились соответствующие статьи{254}. Курчатов, всегда придававший значение мнению иностранных физиков, послал короткое телеграфное сообщение об открытии в американский журнал «Физикэл Ревью», и оно было опубликовано в номере от 1 июля 1940 г. Флеров и Петржак хотели включить имя Курчатова в число авторов, поскольку это он предложил схему эксперимента и помогал им в анализе его результатов, но Курчатов отклонил это предложение. По-видимому, он опасался, что его молодые сотрудники не получат должного признания, если статья будет подписана и его именем{255}.[60] В Советском Союзе это открытие привлекло большое внимание. Его рассматривали как свидетельство того, что Курчатов и его сотрудники работают теперь на том же уровне, что и ученые ведущих исследовательских центров на Западе. Позднее Флеров говорил: «…Тогда, до войны, в нас очень были сильны приоритетные страсти. Все дрались за первенство»{256}. Американец Уиллард Либби тоже пытался экспериментально обнаружить явление спонтанного деления, но потерпел неудачу. Это сделало успех советских физиков еще более приятным событием.
