Письмо Б.Л. Ванникова В.А. Махневу о верстке статьи Л.Д. Ландау «Атомная энергия» с представлением отзыва В.Г. Левина
17 июня 1946 г. Сов. секретно
Товарищу Махневу В.А.
На № 3/375с от 8. VI46 г.
По вопросу статьи Л. Ландау сообщаю:
Статья Л. Ландау «Атомная энергия» рассматривалась профессором Леви- чем В.Г.
Профессор Левич В.Г. считает целесообразным из статьи изъять следующие места, сообщение которых выходит за рамки официальной американской информации (книги Смита):
1. Масса бомбы — стр. 147.
2. Замечания о характере сближения частей бомбы — стр. 147.
3. Количество U-235 в американской бомбе — стр. 147.
4. Вопрос об использовании тория — стр. 151-152.
5. Обсуждение возможности цепной реакции в легких элементах — стр. 152. Произведенные сокращения не изменят существенно общий характер статьи и могут быть проведены без всякого для нее ущерба.
Заключение профессора Левича В.Г. и статья Л. Ландау прилагаются.
Б. Ванников
Приложение № 1
Отзыв на верстку статьи проф. Л. Ландау «Атомная энергия»
Секретно
Считаю, что из статьи следует изъять следующие места, выходящие за рамки официальной американской информации (книги Смита):
1. Масса бомбы — стр. 147.
2. Замечания о характере сближения частей бомбы — стр. 147.
3. Количество U-235 в американской бомбе — стр. 147.
4. Вопрос об использовании тория — стр. 151-152. (По-видимому, последний вопрос все же обсуждался в открытой американской литературе, но за краткостью времени на составление отзыва я не мог уточнить это обстоятельство.)
5. Обсуждение возможности цепной реакции в легких элементах — стр. 152.
Указанные сокращения не изменят существенно общий характер статьи и могут быть проведены без всякого для нее ущерба.
Проф. В. Аевич
КОМИТЕТ ПО РАДИОФИКАЦИИ И РАДИОВЕЩАНИЮ при СОВЕТЕ МИНИСТРОВ СССР В ПОМОЩЬ МЕСТНЫМ РАДИОКОМИТЕТАМ
На правах рукописи
МАТЕРИАЛЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
ЛАУРЕАТ СТАЛИНСКОЙ ПРЕМИИ. ДОКТОР ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК. ПРОФЕССОР ЛЕВ ДАВЫДОВИЧ ЛАНДАУ
АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ
Приложение № 2
Статья Л.Д. Ландау «Атомная энергия»
Лауреат Сталинской премии, доктор физико-математических наук, профессор Лев Давидович Ландау
Атомная энергия
О существовании внутриатомной энергии стало известно человечеству очень недавно. Можно даже назвать дату, когда она вдруг неожиданно «объявилась» и удивила физиков. Это было ровно полвека назад.
Что же представляла собой физика в то время?
Еще в конце восемнадцатого века французский химик Лавуазье показал, что все вещества окружающей природы построены из неизменных составных частей — простых тел, элементов. Вода есть соединение кислорода и водорода. Но кислород и водород ни из каких других веществ не образуются. Они неразложимы. К концу прошлого века было известно более семидесяти таких элементов. Физики знали, что все они состоят из мельчайших частичек— атомов. Это твердо установил еще английский ученый Дальтон. Легче всех— атом водорода. Самый тяжелый, почти в 240 раз тяжелее, — атом урана.
Когда великий русский химик Менделеев расположил элементы в порядке возрастающего веса их атомов, у него получилась замечательная таблица, с помощью которой он предсказал существование новых, неизвестных элементов. Они потом действительно были открыты.
Место, которое занимает каждый элемент в таблице, оказалось в дальнейшем еще более важным, чем думал сам Менделеев. Оно называется атомным номером.
Водород открывает таблицу и обозначен номером первым. За ним идет гелий — под номером два. Самый последний — уран — имеет девяносто второй номер.
В 1896 году было сделано удивительное открытие, поставившее науку в тупик. Французский физик Анри Беккерель обнаружил, что уран и все его соединения без всякой внешней причины испускают невидимые для глаз лучи. Этому явлению дали название радиоактивности (от латинского слова «радиус» — луч) и стали прилежно его изучать.
Вскоре выяснилось, что радиоактивными являются все девять последних элементов периодической системы — от восемьдесят четвертого до девяносто второго.
Радиоактивные вещества требуют большой осторожности в обращении. Беккерель держал некоторое время крупицы радия в жилетном кармане; в результате у него на груди образовалась рана, которая потребовала длительного лечения. Таково действие лучей радиоактивных веществ на живые ткани. В дальнейшем выяснилось, что еще более разрушительное действие оказывает радиоактивность на клетки раковых опухолей. Поэтому эти вещества получили широкое применение в медицине.
Природу радиоактивности объяснил один из крупнейших физиков двадцатого века — англичанин Эрнест Резерфорд. Оказалось, что считавшиеся неизменными атомы вещества на самом деле распадаются и лучи представляют собою летящие во все стороны осколки. Радий распадается на тяжелые атомы радиоактивного элемента радона и на более легкие атомы гелия, летящие с громадной скоростью пятнадцати тысяч километров в секунду и получившие название альфа-лучей.
Процесс распада радиоактивных атомов происходит с различной быстротой. Уран распадается необычайно медленно: количество его на Земле уменьшится вдвое примерно через пять миллиардов лет. За два-три миллиарда лет существования Земли около четвертой части имевшегося урана уже распалось. Гораздо быстрее распадается радий. Его запасы уменьшаются вдвое примерно за полторы тысячи лет. Ясно, что весь радий, когда-то бывший на Земле, давно исчез, а тот, что имеется сейчас, непрерывно возникает из урана. Неудивительно, что его добыто всего лишь около килограмма.
Распад атомов сопровождается выделением энергии. Один килограмм урана при распаде выделяет столько же тепла, сколько дают пятьдесят тонн угля. Казалось бы, энергии немало, но она постепенно выделяется в течение нескольких миллиардов лет. Поэтому целые тонны урана не смогут отопить даже маленькой комнаты. Легко рассчитать, что всего собранного на Земле радия хватило бы разве на то, чтобы вскипятить за сутки два больших чайника. Правда, их можно кипятить в продолжение тысячелетий, но вряд ли стоит этим заниматься. Другое дело, если процесс радиоактивного распада можно было бы ускорить. Перспектива замены ста тонн угля двумя килограммами урана выглядит очень заманчиво. Однако все попытки повлиять на скорость радиоактивного распада оказались безрезультатными. Он продолжается с точностью, далеко превосходящей лучшие часовые механизмы.
Что собою представляют таинственные атомы, которые невозможно разбить, несмотря ни на какие старания, и которые, с другой стороны, ни с того ни с сего сами распадаются? На этот вопрос наука отвечает ясно и определенно. Никакого сплошного атома не существует. Он похож на солнечную систему с тяжелым ядром посредине и легкими электронами, движущимися вокруг него. Тяжесть ядра, конечно, относительная. Самое тяжелое ядро весит в сотни миллиардов раз меньше грамма. Ученые определили и силы, которые действуют между частицами, входящими в состав атома. Это силы электрического притяжения и отталкивания. Ядро заряжено положительным электричеством, электроны — отрицательным. Поэтому электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга.
Значение этого открытия огромно. Теперь, наконец, человечество впервые узнало, как построена материя. После того как установили механику движения электронов в атоме, люди научились распознавать свойства веществ иногда лучше, чем свойства машин, которые сами создали.
Все электроны совершенно одинаковы. Их число в атоме определяется зарядом его ядра.
Электрический заряд ядра имеет для свойств атома несравненно большее значение, чем его вес или масса. Два ядра с одинаковым зарядом, но различной массой дают атомы настолько похожие, что их почти невозможно различить. Мы всегда принимаем их за атомы того же самого элемента. В действительности они не совсем одинаковы. Их называют изотопами. У водорода наряду с обычными ядрами — протонами — иногда присутствуют в ничтожном количестве дейтроны, вес которых вдвое больше. Водород с ядрами удвоенного веса называется тяжелым водородом, а вода, приготовленная из него, — тяжелой водой. Она составляет всего около сотой доли процента природной воды, и добывать ее приходится с чрезвычайным трудом. Тяжелая вода кипит при ста трех градусах, и вообще разница между обыкновенной и тяжелой водой очень невелика. У водорода, таким образом, один изотоп является ничтожной примесью. В других случаях дело обстоит иначе. Например, в любом количестве хлора около половины его атомов несколько легче, другая — тяжелее. Он состоит из смеси двух изотопов почти поровну.
Радиоактивность — это распад атомного ядра, распад той маленькой частицы, которая находится в центре атома. Но она сама имеет сложное строение. Тяжелые ядра химических элементов, стоящих в последнем ряду системы Менделеева, неустойчивы и постепенно одно за другим распадаются.
Большое количество энергии, выделяющееся при распаде, показывает, что взаимодействие частиц внутри ядер гораздо сильнее, чем взаимодействие между электронами и ядром. Это и естественно, если принять во внимание колоссальную тесноту, необычайную уплотненность вещества внутри ядер. Расстояние между частицами в ядрах в десятки тысяч раз меньше, чем расстояние между ядром и окружающими его электронами.
Физики не любят ограничиваться простым наблюдением того, что происходит в природе независимо от них. Им всегда хочется вмешаться самим. Двадцать семь лет назад Резерфорду удалось искусственным путем расщепить атомное ядро. Идея его эксперимента была очень проста. Он облучал различные вещества лучами радиоактивных элементов, то есть обстреливал их пулями, состоящими из ядер атомов гелия, движущихся со скоростью пятнадцать тысяч километров в секунду— в несколько тысяч раз быстрее, чем пушечный снаряд. При облучении азота ему удалось, наконец, осуществить превращение элементов. Это было мечтой алхимиков и почти полтора столетия считалось совершенно невозможным. В результате обстрела ядро атома азота поглотило альфа-частицу и тотчас же выбросило из себя протон. На месте азота оказался ничего общего с ним не имеющий кислород. Так азот и гелий были превращены в кислород и водород.
Только четверть века прошло с того времени, когда человек осуществил первую ядерную реакцию. Но теперь число их достигло многих сотен. Правда, возможности для этого необычайно возросли. Сейчас уже нет необходимости ограничиваться альфа-лучами радиоактивных веществ. В распоряжении физиков имеются более удобные пулеметы, дающие значительно больше пуль, движущихся с гораздо большей скоростью. Существует много различных приборов этого рода. С помощью аппарата циклотрона получают мощные пучки протонов, дейтронов или альфа-частиц, скорость которых достигает более тридцати тысяч километров в секунду.
При многих ядерных реакциях энергии выделяется больше, чем в процессе радиоактивного распада. Однако она не поддается использованию. Дело в том, что ядерные реакции крайне неэффективны. Летящие частицы, положительно заряженные, как и ядро атома, отталкиваются от него. Только очень быстро двигаясь, они могут влететь внутрь ядра и вызвать реакцию. Между тем эти частицы, находясь внутри материи, постепенно замедляются и становятся бессильными преодолеть отталкивание.
Для ничтожно малой альфа-частицы, летящей внутри вещества, расстояния между атомами, между ядрами и окружающими их электронами так велики, что вероятность попадания ее в какое-нибудь ядро крайне сомнительна. Представьте себе лес, где каждое дерево находится от другого в пяти километрах. Можно ли попасть снарядом в какое-нибудь дерево без прицела? Ясно, что при этих условиях в лучшем случае удается вызвать одну ядерную реакцию с помощью миллиона частиц. Таким образом, на ускорение множества летящих частиц в циклотроне приходится затрачивать энергии гораздо больше, чем можно получить в результате ядерной реакции. Положение выглядело настолько безнадежно, что физики долгое время относились к перспективе использования внутриядерной энергии примерно так же, как к проблеме вечного двигателя.
Хитрая природа, оказывается, только дразнила физиков. Там, где все казалось ясным, вдруг открылись новые, неожиданные явления. Ученые обнаружили, что при облучении альфа-лучами элемента бериллия из его ядра выбрасываются новые частицы, отличающиеся электрической нейтральностью. Они получили название нейтронов. Далее выяснилось, что в действительности нейтроны, наряду с протонами, являются теми кирпичами, из которых построены все ядра атомов, вся материя. Например, дейтрон — это соединение одного протона и одного нейтрона, гелий — соединение двух протонов и двух нейтронов и т.д. Ядро урана содержит девяносто два протона и сто сорок шесть нейтронов.
Открытие нейтронов произвело переворот в ядерной артиллерии. Ведь они не отталкиваются, и поэтому ничто не препятствует им проникнуть в ядро. Они путешествуют в материи до тех пор, пока не влетят в какое-нибудь ядро и не застрянут в нем, либо поглотившись, либо вызвав другую ядерную реакцию. Нейтроны во всех случаях безотказно вызывают ядерные превращения. Это заговоренные пули, которые всегда находят намеченную жертву.
Нейтрон открыл вход в зачарованный замок, где хранится внутриядерная энергия. Но здесь осталась еще более прочная дверь, как бы окованная железом. Когда нейтрон производит реакцию, из ядра вместо нейтрона вылетает заряженный протон или альфа-частица. Они застревают в материи, и реакция останавливается. Надежда на успех казалась обманчивой. Но главное все же было сделано: мысль о доступности внутриатомной энергии стала крепнуть.
Семь лет назад появилось сообщение, что ядро урана при поглощении нейтронов не выбрасывает из себя, как обычно, протона или альфа-частицы, а делится на две части. Этот новый тип ядерной реакции получил название деления.
Казалось бы, что ничего особо важного не произошло. Однако именно деление явилось тем волшебным ключом, который открыл последнюю дверь, за которой скрывалась внутриядерная энергия. Тяжелый темно-серый металл уран, известный уже около ста лет, оказался тем философским камнем, который так долго и бесплодно искали алхимики. Дело даже не в том, что деление дает энергии в десять раз больше, чем обычная ядерная реакция. Оказалось, что в процессе деления из ядра выбрасываются от двух до трех новых нейтронов. Нейтроны, таким образом, не погибают, а возрождаются в удвоенном числе, опять проникают в соседние ядра урана, делят их, и так самопроизвольно, быстро нарастая, процесс может развиваться дальше. Это произвело на физиков ошеломляющее впечатление. Открылась клетка, в которой сидел зверь, страшную силу которого мы очень хорошо себе представляли.
Однако сразу же возникли некоторые трудности. Природный уран содержит в основном изотоп с атомным весом 238 и ничтожную примесь изотопа 235. Оказалось, что уран-235 делится любыми нейтронами безотказно, а уран-238 — только очень быстрыми нейтронами. Нейтроны, движущиеся с меньшей скоростью, не только не делят ядер урана-238, но просто поглощаются им и выходят из игры. Значит, обычный, встречающийся в природе уран непригоден для деления.
Чтобы решить задачу, остается выделить из обычного урана чистый уран-235. Задача эта очень нелегкая, так как различие свойств этих двух изотопов совершенно ничтожно. Но физики нашли способ их разделения. Оставалось только преобразовать лабораторную технику в промышленную. Этим и занялись физики разных стран, подстегиваемые второй мировой войной. Грандиозность поставленной задачи видна уже из того, что американцы и англичане, имея в своем распоряжении громадные ресурсы техники и большинство физиков мира, вынуждены были напряженно работать более четырех лет.
Решить эту проблему пыталась и фашистская Германия. Обанкротившийся Гитлер лихорадочно торопился создать новое орудие разрушения. Если немцы не достигли цели, то заслуга в этом принадлежит советскому народу, который уничтожил фашистского зверя в его берлоге, не дав ему совершить последний страшный прыжок. Немало объектов, имеющих отношение к созданию атомной бомбы, разрушила на территории Германии и союзная авиация.
Когда собрано достаточное количество урана-235, то для реакции все готово. Если же его слишком мало, то нейтроны, прежде чем попасть в ядро, будут бесплодно уходить в воздух. Размножения нейтронов не произойдет, и деление прекратится. Необходимое количество урана зависит от того, как он геометрически расположен. Его потребуется всего несколько килограммов в том случае, если всю массу собрать в форме шара.
Чтобы получить мгновенный взрыв, можно, например, взять два куска урана, каждый из которых слишком мал для взрыва, и выстрелить одним в другой, «поджигая» нейтронами в момент попадания.
Как показали дальнейшие исследования, разделение изотопов урана не единственный способ получения внутриатомной энергии. Оказывается, если сильно замедлить скорость движения нейтронов, реакция деления может произойти и на природном уране. Таким замедлителем служат легкие ядра других веществ, сталкиваясь с которыми нейтроны теряют заметную часть своей энергии движения.
Лучшие замедлители — это тяжелый водород или тяжелая вода и углерод. Но этот медленный процесс деления непригоден для взрывов. Такой способ реакции был использован для создания уранового котла, настоящей ядерной кухни, в которой шныряют нейтроны и происходят ядерные реакции в неслыханных масштабах.
Для «поджигания» урана в котле нет необходимости впускать нейтроны со стороны.
В 1940 году два молодых советских физика Флеров и Петржак установили, что уран понемногу делится сам по себе. Правда, это происходит страшно медленно, но все же каждую секунду в нем рождаются сотни тысяч нейтронов, которых вполне достаточно для начала реакции. В ходе реакции в котле из урана получаются два не известных ранее новых химических элемента, следующих за ураном. Их назвали нептуний и плутоний. При этом оказалось, что плутоний годится для атомной бомбы не менее, чем уран-235. Получение его из смеси не требует чрезвычайно трудоемкого разделения изотопов. Он не изотоп урана, а самостоятельный химический элемент. Поэтому выделить его можно обычным способом. В приготовлении плутония наиболее трудным является отвод громадного количества тепла, образующегося в котле. Для охлаждения приходится выпускать на котел чуть ли не целую реку. Производство одного килограмма плутония сопровождается выделением такого количества тепла, которого достаточно, чтобы вскипятить озеро воды в двести тысяч кубометров.
Урановый котел представляет интерес еще и с другой стороны. В результате деления урана получаются радиоактивные ядра. Сроки распада их невелики — от минуты до нескольких лет. Но именно благодаря этому степень их радиоактивности чудовищна. Радиоактивность продуктов распада одного килограмма урана в миллион раз превышает радиоактивность килограмма радия, то есть всего запаса его на Земле. Урановый котел дает человечеству источник радиоактивности, совершенно несравнимый с тем, что имелось до сих пор. Трудно даже предсказать, какую роль это может сыграть, например, в медицине.
Возникает вопрос: могут ли служить источником получения внутриатомной энергии и другие химические элементы?
Надо считать, что в современных условиях для этой цели пригодны только уран и, возможно, элемент торий, запасов которого на Земле больше, чем урана.
Использование ядерной энергии в мирных целях является многообещающей, но довольно трудной проблемой. Прежде всего стоит вопрос об энергетическом применении ядерного топлива. Главная трудность здесь — в создании двигателей. Ведь объем, который занимает урановый котел, сравнительно невелик, а современная техника пока не знает способа извлечения огромных мощностей с малой поверхности. Особый интерес представляет использование урана для специальных двигателей и, в частности, для межпланетных сообщений.
Использование атомной энергии в промышленности и транспорте, несомненно, означает начало новой эры в мировой технике. Русские ученые внесли свой вклад в решение проблемы атома. Роль советской науки в этих исследованиях непрерывно возрастает.
В плане новой пятилетки восстановления и развития хозяйства намечены экспериментальные и теоретические работы, которые должны привести к практическому использованию атомной энергии на благо нашей родины и в интересах всего человечества.