То, что мюон не является одним из мезонов Юкавы, было открыто после того, как в 1939 году Ферми опубликовал свою работу Absorption of Mesotrons in Air and in Condensed Materials («Поглощение мезотронов в воздухе и в конденсированных материалах >) в которой он анализировал поглощение мезотронов, возможно пытаясь найти более легкие, чем нейтроны, частицы для бомбардировки ядра урана. Мысленные эксперименты Ферми по сталкиванию новых частиц на десятки лет опережали существовавшие тогда технологии.
К тому же у Ферми были свои счеты с «элементом 93», доставившим ему столько головной боли после того, как в июне 1934 года он опубликовал в журнале Nature статью «Возможное образование элементов с атомным номером выше 92». В статье Simple Capture of Neutrons by Uranium («Простой захват нейтронов ураном»), написанной совместно с Андерсоном, Ферми доказывал, что изотоп урана-238 в состоянии захватывать медленные нейтроны и после перехода в радиоактивный изотоп урана-239 разлагается на мелкие части. Получался элемент с атомным номером 93 и атомной массой 239, которому Макмиллан и Абельсон в Беркли дали название нептуний. А он, в свою очередь, был промежуточным этапом, ведущим к плутонию — элементу, имеющему огромное значение для ядерных технологий. Нейтроны, испускаемые при первом делении урана, рассеиваются ядрами с меньшей массой, которые находятся в замедлителе. Их энергия в ходе этих столкновений значительно уменьшается, и, следовательно, они не в состоянии вызывать последующее деление урана-238, но могут быть захвачены и участвовать в образовании урана-239.
Изотопы урана и их деление были основным объектом внимания ученых, когда в феврале 1940 года Ферми поехал в Беркли и в сотрудничестве с Сегре создал новый циклотрон, на котором ученые продемонстрировали возможности деления урана-235 с помощью альфа-частиц.
Вернувшись в Колумбийский университет, Ферми вместе с Андерсоном проанализировал создание и поглощение медленных нейтронов углеродом C126 в куске графита. Это вещество не содержит водорода и, следовательно, замедляет скорость нейтронов незначительно. Главная причина, по которой графит стали использовать, заключается в том, что он поглощает меньше нейтронов, чем другие материалы. Завершающий штрих в контроле цепной реакции Ферми поставил, применив кадмий. Вскоре выяснилось, что водород Н11 очень эффективен для захвата нейтронов и образования дейтерия Н21 и что эти нейтроны теряются в ходе цепной реакции.
Радиоактивный ряд урана-238, изученный Ферми.
Указанное время соответствует средней продолжительности жизни изотопа. Оно обозначается, когда речь идет об альфа- или бета- распаде.
Ферми вывел уравнение рассеяния, описывающее поведение нейтронов, а позже, опять же вместе с Андерсоном, определил вероятность того, что уран после деления спровоцирует каскад радиоактивных распадов (так называемый процесс разветвления), который был ему знаком со времен изучения бета-распада. Продукты многих альфа- и бета-распадов могут состоять из еще не стабильных ядер. Эти ядра распадаются снова и снова, пока не появится стабильный элемент. Совокупность этих предопределенных ядерных распадов называется радиоактивным рядом. Радиоактивный ряд урана-238 (см. рисунок), который изучал Ферми, заканчивается созданием стабильного изотопа свинца-206 и занимает 4,51·109 лет. Именно по этой причине в природных залежах урана всегда находят свинец, и именно поэтому радиоактивные останки так опасны, ведь средняя продолжительность жизни радиоактивных материалов обычно огромная. Тем временем Рузвельт отреагировал на продвижение Гитлера в Европе, создав Национальный совет по оборонным исследованиям (National Defense Research Committee, или NDRC) и в его рамках — особую комиссию по изучению урана. Ни Ферми, ни Силард сначала не были допущены в этот орган, поскольку не были гражданами США. Деление урана уже представляло собой вопрос государственной важности, а вскоре ему было суждено обрести и мировое значение. NDRC стремился направить науку на военные цели. Американское правительство знало, что рано или поздно США должны вступить в европейский военный конфликт.
Ферми был убежден, что энергия, выделяемая во время самоподдерживающейся цепной реакции с использованием урана, может быть прекрасным источником мощности. Ученый посвятил этому вопросу статью Some Remarks on the Production of Energy by a Chain Reaction in Uranium («Некоторые замечания о получении энергии с помощью цепной реакции в уране»-), которую представил комиссии по изучению урана 30 июня 1941 года. Однако для решения этой задачи требовалось отделить достаточное количество урана-235 от урана-238. Но комиссия сочла невозможным конструирование маленьких ядерных реакторов за имеющееся время для использования их в военных целях, например при запуске снарядов или подводных лодок. Таким образом, она не посчитала приоритетным подобное использование урана.
Другой возможный с технической точки зрения путь деления был открыт Отто Ганом и Лизой Мейтнер: они доказали, что уран-238 может поглощать нейтрон, трансформируясь в уран-239, то есть он становится первым известным трансурановым элементом с атомным номером 93 и атомной массой 239 — так называемым нептунием, обнаруженным в 1940 году в Калифорнийском университете Макмилланом и Абельсоном. В результате распада нептуния, в свою очередь, получался радиоактивный изотоп с атомным номером 94 и атомной массой 239 — плутоний-239 (это название предложил Солд по окончании войны, в 1947 году). Силард на собрании комиссии по урану заявил, что этот элемент обладает всеми необходимыми свойствами для создания ядерной бомбы.
Ферми не терял связи со своим другом Сегре, и когда тот в конце 1940 года приехал к нему на Рождество в Леонию (Нью-Джерси), где семья Ферми жила с лета 1939-го, коллеги обсудили результаты своих исследований. Основной темой был плутоний. Вскоре после этого Сегре и группа ученых из Калифорнийского университета получили плутоний-239. Первые доклады об атомной бомбе на основе плутония появились в июле 1941 года, но наибольшее впечатление произвел доклад, представленный 6 ноября. В нем говорилось о возможности создания ядерных бомб только на основе урана-235. Правительство США оставило открытыми обе линии исследований.
Когда мы открываем новое базовое знание, то любая попытка помешать его применению становится такой же тщетной, как, например, попытка запретить Земле вращаться вокруг Солнца.
Ферми об идее остановить распространение ядерной энергии
В Беркли Эмилио Сегре и Гленн Сиборг усовершенствовали метод получения плутония, показав, что это хороший материал для деления — примерно в 1,7 раза лучше, чем уран-235. Проблема заключалась в том, что циклотрон в Беркли не мог вырабатывать достаточное количество плутония-239. Тогда правительству США стало ясно, что исследования Ферми в Колумбийском университете представляют огромный военный интерес, поскольку он мог получить большее количество плутония.
Тем временем в Бирмингеме (Великобритания) Отто Фриш и Рудольф Пайерлс, бежавшие от нацистского режима, вместе с Жолио и его группой, приехавшими из оккупированной Франции, занимались исследованием цепных атомных реакций с тяжелой водой в качестве замедлителя (водой, в состав которой входил дейтерий Hf вместо водорода Н|) и возможности создания атомной бомбы с ураном-235. Британцы вели с американским правительством переговоры, побуждая США сконцентрироваться на совершенствовании добычи обогащенного урана, игнорируя прогресс, достигнутый в области добычи плутония.