Читаем Атомная энергия для военных целей онлайн бесплатно

Рассказ о том, как объединенными усилиями многих организаций была создана в Америке атомная бомба, представляет собой увлекательный, но сугубо научный отчет. Разумеется, в данное время этот отчет не может быть написан со всеми подробностями по соображениям военной безопасности. Однако, нет причин, по которым историю административно-организационных мероприятий по изготовлению атомной бомбы и основные научные представления, послужившие фундаментом для различных практических выводов, нельзя было бы сделать достоянием широкой публики. Для этого и издается отчет профессора Т. Д. Смита.

В этой книге содержатся все научные данные, опубликование которых не может нарушить интересы национальной безопасности. К частным лицам или организациям, участвовавшим прямо или косвенно в осуществлении проекта, обращаться с просьбами о сообщении дополнительных сведений не следует. Лица, разглашающие или собирающие любым способом дополнительные данные, подлежат суровым наказаниям, предусмотренным законом о шпионаже.

Работа увенчалась успехом благодаря усилиям многих тысяч ученых, инженеров, рабочих и руководящего персонала, чей упорный труд, молчаливая настойчивость и товарищеское сотрудничество сделали возможными описанные ниже беспримерные технические достижения.

Военное Министерство

Вашингтон

Август 1945 г.

Л. Р. Гроувз

Генерал-майор США

Ответственность за нашу национальную политику лежит, в конечном счете, на наших гражданах, которые только тогда могут сознательно выполнить свой долг, когда они достаточно формированы. От среднего гражданина невозможно ожидать ясного понимания устройства атомной бомбы или ее действия; но в нашей стране имеется значительное количество инженеров и ученых, которые могут понять такие вещи и которые могут объяснить своим согражданам возможности, скрытые в атомных бомбах. Настоящая работа предназначается для этой группы специалистов; она представляет собой основанный на фактах, общий отчет о работах по созданию атомных бомб, которые проводились в Соединенных Штатах с 1939 года. Этот доклад не является ни официальным документальным отчетом, ни научным трудом для специалистов.

Требования сохранения военной тайны отразились как на отдельных местах, так и на общих установках книги, так что множество интересных данных было опущено.

Ссылки на работы в Англии и Канаде не претендуют на полноту, так как все написанное в книге относится к деятельности, протекавшей в Соединенных Штатах Америки.

Автор надеется, что благодаря сотрудничеству всех групп, участвовавших в осуществлении проекта, настоящий отчет достаточно точен; за все ошибки, которые могли быть допущены, он принимает на себя полную ответственность.

1 июля 1945 г. Г. Д. Смит

* * *

Во втором издании внесены лишь небольшие изменения. От отчета, опубликованного 12 августа 1945 г., оно отличается следующим: 1) небольшими пояснениями в исправлениями опечаток, 2) включением параграфа о радиоактивных эффектах, разрешенного Военным Министерством в качестве дополнения к первому изданию отчета, 3) добавлением нескольких замечаний о достижениях по предотвращению вредного влияния предприятий по производству атомных бомб на здоровье окружающего населения, 4) добавлением нескольких имен, 5) добавлением Приложения 6, представляющего собой разрешенный Военным Министерством отчет об испытании атомной бомбы в Нью-Мексико 16 июля 1945 г., 6) добавлением фотоснимков и 7) добавлением указателей.

1 сентября 1945 г. Г. Д. С.

1.1. Цель настоящего отчета дать описание научных и технических достижений в США с 1940 г., способствовавших военному применению атомной энергии. Предмет изложен здесь не в популярной форме, и книга рассчитана на научных работников и инженеров, а также на других лиц с высшим образованием, имеющих хорошую подготовку по физике и химии. Эквивалентность массы и энергии выбрана в качестве руководящего принципа при изложении основных данных Введения.

1.2. Существуют два принципа, ставшие краеугольными камнями здания современной науки. Первый принцип материя не создается и не уничтожается и лишь переходит из одного вида в другой был высказан в XVIII веке и знаком каждому изучающему химию; он известен под названием закона сохранения массы. Второй принцип энергия не создается и не уничтожается и лишь переходит из одного вида в другой появился в XIX веке и с тех пор всегда был бичом изобретателей вечного двигателя; он известен под названием закона сохранения энергии.

1.3. Эти два принципа постоянно направляли и дисциплинировали развитие науки и ее технических применений. Для нужд практики они считались неизменными и независимыми друг от друга принципами еще пять лет тому назад. Для большинства практических приложений они и до сего времени остаются такими, но, в действительности, эти два принципа являются двумя аспектами единого принципа, так как мы убедились, что вещество может иногда превращаться в энергию, и энергия в вещество. В частности, такое превращение наблюдается в процессе деления ядер урана, во время которого атомное ядро расщепляется на осколки с освобождением огромного количества энергии. Военное применение этой энергии стало целью научных и научно-технических исследований; проекты производства ее описаны в настоящем отчете.

1.4. Один из выводов, полученных на довольно ранней стадии развития теории относительности, состоял в том, что инертная масса движущегося тела увеличивается с возрастанием его скорости. Это означало эквивалентность изменения энергии движения тела, т. е. его кинетической энергии, и изменения его массы. Для большинства физиков-практиков и инженеров это утверждение казалось математической фикцией, лишенной практического значения. Даже Эйнштейн едва ли мог предвидеть современные приложения этого принципа, но еще в 1905 году он ясно утверждал, что масса и энергия эквивалентны, и предположил, что доказать эту эквивалентность можно было бы путем изучения радиоактивных веществ. Количество энергии Е, эквивалентное массе m, по Эйнштейну, определяется уравнением:

E = mc²

где с есть скорость света. Это уравнение приводит к удивительным результатам. Оно показывает, что один килограмм вещества, полностью превращенного в энергию, дал бы 25 миллиардов киловатт-часов энергии. Это равно энергии, которую выработала бы вся электроэнергетическая промышленность Соединенных Штатов (при уровне производства 1939 г.) при работе в течение приблизительно двух месяцев. Сравните эту фантастическую цифру с 8,5 киловатт-часами тепловой энергии, получаемой при сжигании такого же количества угля.

1.5. Огромное число, выражающее это превращение, интересно в нескольких отношениях. Во-первых, оно объясняет, почему эквивалентность массы и энергии никогда не наблюдалась при обычном химическом сжигании. Теперь мы знаем, что при таком сжигании выделяющееся тепло соответствует некоторой массе, но эта масса так мала, что не может быть обнаружена самыми чувствительными весами, какие только существуют. (Она порядка нескольких миллиардных долей грамма на одну грамм-молекулу). Во-вторых, стало ясно, что во всех знакомых нам земных процессах никакие заметные количества вещества не превращались в энергию, так как такие большие источники энергии на земле не были известны. В-третьих, возможность вызвать превращение вещества в энергию или как-либо управлять этим превращением стала казаться весьма отдаленной. Наконец, величина самого коэффициента превращения давала благодатную почву для размышлений философам, физикам, инженерам и эстрадным комикам. В течение двадцати пяти лет эти размышления не находили экспериментальных подтверждений, но, начиная с 1930 года, такие подтверждения стали появляться в быстро растущих количествах. Прежде, чем обсуждать эти экспериментальные доказательства и практические методы частичного превращения вещества в энергию (что является нашей главной темой), мы сделаем обзор основных положений атомной и ядерной физики. При этом мы предполагаем у читателя общее знакомство с атомной природой вещества и с существованием электронов[1].

1.6. Явления радиоактивности, открытые А. Беккерелем в 1896 г. и вслед затем изучавшиеся Пьером и Марией Кюри, Э. Резерфордом и многими другими, сыграли ведущую роль в открытии общих законов строения атома и в подтверждении эквивалентности массы и энергии.

1.7. Первым из наблюдавшихся явлений радиоактивности было явление почернения фотографической пластинки под действием минералов, содержащих уран. Хотя до некоторой степени еще и сейчас пользуются этим свойством при исследовании радиоактивности, наибольшее научное значение имеет способность радиоактивных веществ ионизовать газы. Воздух и другие газы в нормальных условиях не проводят электричества иначе невозможно было бы эксплоатировать линии электропередачи и электрические машины на открытом воздухе. Однако, при некоторых условиях молекулы воздуха распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы, называемые ионами. Ионизованный таким образом воздух становится проводником электричества. Через несколько месяцев после первого открытия радиоактивности Беккерель обнаружил способность урана ионизовать воздух. В частности, он нашел, что заряд электроскопа очень быстро исчезает, вследствие ионизации воздуха, если вблизи электроскопа поместить какую-нибудь из солей урана. (То же самое произойдет с зарядом аккумулятора, если близко к нему поднести достаточное количество радиоактивного вещества). С того времени скорость разрядки электроскопа всегда служит мерой интенсивности радиоактивности. Более того, почти все современные приборы для изучения явлений радиоактивности прямо или косвенно основаны на ионизационном эффекте. Элементарное описание подобных приборов электроскопов, счетчиков Гейгера-Мюллера, ионизационных камер и камер Вильсона приведено в Приложении 1.

1.8. На различия в природе «излучений» указывает тот факт, что ионизующая способность разных радиоактивных веществ различна как по своему характеру, так и по интенсивности. Некоторые излучения обладают значительно большей проникающей способностью. чем другие; следовательно, два радиоактивные образца, оказывающие одинаковое действие на неэкранированный электроскоп, могут совершенно по разному действовать на электроскоп, если он экранирован, т. е. если между электроскопом и образцом помещены экраны.

1.9. Изучение поглощения и других явлений показало, что радиоактивные вещества испускают три типа «излучений»: -частицы, являющиеся очень быстрыми ионизованными атомами гелия (ядрами атомов гелия), -частицы, являющиеся очень быстро движущимися электронами, и -лучи, представляющие собою электромагнитное излучение, подобное рентгеновским лучам. Из всех этих излучений лишь -лучи правильно называть излучением, но даже они со своему действию весьма напоминают частицы, благодаря своей малой длине волны. Такая «частица», или квант -излучения, называется фотоном, -лучи обладают весьма большой проникающей способностью, - и -лучи меньшей. Но даже несмотря на то, что - и -лучи обладают не очень большой проникающей способностью, кинетическая энергия их для частиц атомных размеров огромна она в тысячи раз превосходит кинетическую энергию газовых молекул, которую они имеют благодаря тепловому движению, и в тысячи раз больше, чем изменения энергии на один атом в химических реакциях. Именно по этой причине Эйнштейн предположил, что изучение радиоактивности сможет доказать эквивалентность массы и энергии.

1.10. Прежде чем рассматривать вопрос о том, какие атомы испускают -, - и -лучи, и обсуждать законы, управляющие этим испусканием, мы изложим общепринятые представления о строении атомов, частично основанные на изучении радиоактивности.

1.11. Согласно нашим современным взглядам, каждый атом состоит из небольшого тяжелого ядра с диаметром, примерно в 10^-12 см, окруженного большой пустой областью с диаметром 10-8 см, в которой, в некоторой степени подобно планетам вокруг солнца, движутся электроны. Ядро несет целое число положительных зарядов, каждый из которых равен 1.610^-19 кулонов. (Единицы см. в Приложении 2). Каждый электрон несет один отрицательный заряд такой же величины, а число электронов, обращающихся вокруг ядра, равно числу положительных зарядов ядра, так что заряд атома в целом равен нулю.