Константин Рыжов 100 великих изобретений 100 великих – 0
жүктеу/скачать 8,62 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 81. МАГНИТОФОН
- 82. ПЕНИЦИЛЛИН
- 83. АТОМНАЯ БОМБА
80. РАДАР Одной из важнейших областей применения радио стала радиолокация, то есть использование радиоволн для определения местонахождения невидимой цели (а также скорости ее движения). Физической основой радиолокации является способность радиоволн отражаться (рассеиваться) от объектов, электрические свойства которых отличаются от электрических свойств окружающей среды. Еще в 1886 году Генрих Герц обнаружил, что радиоволны способны отражаться металлическими и диэлектрическими телами, а в 1897 году, работая со своим радиопередатчиком, Попов открыл, что радиоволны отражаются от металлических частей кораблей и их корпуса, однако ни тот ни другой не стали глубоко изучать это явление. Впервые идея радара пришла в голову немецкому изобретателю Хюльсмайеру, который в 1905 году получил патент на устройство, в котором эффект отражения радиоволн использовался для обнаружения кораблей. Хюльсмайер предлагал применить радиопередатчик, вращающиеся антенны направленного действия, радиоприемник со световым или звуковым индикатором, воспринимающим отраженные предметами волны. При всей своей несовершенности устройство Хюльсмайера содержало в себе все основные элементы современного локатора. В патенте, выданном в 1906 году, Хюльсмайер описал способ определения расстояния до отражающего объекта. Однако разработки Хюльсмайера практического применения не получили. Понадобилось тридцать лет, прежде чем идея применить радиоволны для обнаружения самолетов и кораблей смогла быть претворена в реальную аппаратуру. Осуществить это раньше было невозможно по следующим причинам. Как Герц, так и Попов пользовались для своих опытов короткими волнами. Практически же радиотехника вплоть до 30‑х годов XX века применяла очень длинные волны. Между тем лучшее отражение происходит при условии, что длина волны по меньшей мере равна или (что еще лучше) меньше размеров отражающего объекта (корабля или самолета). Следовательно, длинные волны, применявшиеся в радиосвязи, не могли дать хорошего отражения. Лишь в 20‑е годы радиолюбители США, которым было разрешено пользоваться для своих опытов по радиосвязи короткими волнами, показали, что на самом деле эти волны по неизвестным в то время причинам распространяются на необычайно большие расстояния. При ничтожной мощности радиопередатчиков радиолюбителям удавалось осуществить связь через Атлантический океан. Это привлекло к коротким волнам внимание ученых и профессионалов. В 1922 году сотрудники радиоотдела морской исследовательской лаборатории Тейлор и Юнг, работая в диапазоне ультракоротких волн, наблюдали явление радиолокации. Им сейчас же пришла мысль, что можно разработать такое устройство, при котором миноносцы, расположенные друг от друга на расстоянии нескольких миль, смогут немедленно обнаруживать неприятельское судно «независимо от тумана, темноты и дымовой завесы». Свой доклад об этом Тейлор и Юнг прислали в морское министерство США, но поддержки их предложение не получило. В 1930 году один из научных сотрудников Тейлора, инженер Хайланд, ведя опыты по радиосвязи на коротких волнах, заметил, что, когда самолет пересекал линию, на которой были расположены передатчик и приемник, появлялись искажения. Из этого Хайланд заключил, что с помощью радиопередатчика и приемника, работающих на коротких волнах, можно обнаружить местоположение самолета. В 1933 году Тейлор, Юнг и Хайланд взяли патент на свою идею. На этот раз радару суждено было появиться на свет — для этого сложились все технические предпосылки. Главное же заключалось в том, что он стал необходим военным. Техника противовоздушной обороны между двумя мировыми войнами не получила соответствующего развития. По‑прежнему главную роль играли посты воздушного наблюдения, оповещения и связи, аэростаты, прожекторы, звукоуловители. Вследствие роста скорости бомбардировщиков посты оповещения надо было выдвигать за 150 и более километров от того города, для защиты которого они предназначались, и прокладывать к ним длинные телефонные линии. Однако эти посты все равно не давали полной гарантии безопасности. Даже в хорошую ясную погоду наблюдатели не могли обнаружить самолеты, летящие на небольшой высоте. Ночью или в тумане, в облачную погоду такие посты вообще не видели самолетов и ограничивались сообщениями о «шуме моторов». Приходилось располагать эти посты в несколько поясов, разбрасывать их в шахматном порядке, чтобы прикрыть ими все дальние подступы. Точно так же прожекторы были надежны в борьбе против самолетов лишь в ясные ночи. При низкой облачности и тумане они становились бесполезны. Специально разработанные звукоуловители тоже были слабым средством обнаружения. Представим себе, что самолет находится за 10 км от наблюдательного поста. Звук мотора становился слышен слухачу звукоуловителя через 30 с небольшим секунд. За это время самолет, летевший со скоростью 600 км/ч, успевал пролететь 5 км, и звукоуловитель, следовательно, указывал место, где самолет находился полминуты назад. В этих условиях пользоваться звукоуловителем для того чтобы наводить с его помощью прожектор или зенитное орудие, было бессмысленно. Вот почему во всех странах Европы и в США за 6‑7 лет до Второй мировой войны начались усиленные поиски новых средств противовоздушной обороны, способных предупредить о нападении с воздуха. В конце концов важнейшая роль здесь была отведена радиолокации. Как известно, туман, облака, темнота не влияют на распространение радиоволн. Луч прожектора быстро тускнеет в густых облаках, а для радиоволн подобных препятствий не существует. Это делало очень перспективной идею применить их для нужд ПВО. Однако практическое воплощение идеи радиолокации потребовало решения целого ряда сложных научных и технических проблем. В частности, надо было создать генераторы ультракоротких волн и чувствительные приемники очень слабых отраженных от объектов сигналов. Только в 1938 году Морская исследовательская лаборатория США разработала сигнальный радиолокатор XAF с дальностью действия 8 км, который был испытан на линкоре «Нью‑Йорк». К 1941 году было изготовлено 19 таких радаров. Гораздо продуктивнее шли работы в Англии, правительство которой не скупилось на расходы. Уже в 1935 году под руководством Уотсона‑Уатта была создана первая импульсная радиолокационная станция дальнего обнаружения CH. Она работала в диапазоне волн 10‑13 м и имела дальность действия 140 км при высоте полета самолета 4, 5 км. В 1937 году на восточном побережье Англии уже было установлено 20 таких станций. В 1938 году все они приступили к круглосуточному дежурству, продолжавшемуся до конца войны. Хотя устройство любого радара очень сложно, принцип его действия понять нетрудно. Радиолокационная станция работает не непрерывно, а периодическими толчками — импульсами. Передатчик первой английской радиолокационной станции CH посылал импульсы 25 раз в секунду. (Посылка импульса длится в современных локаторах несколько миллионных долей секунды, а паузы между импульсами — несколько сотых или тысячных долей секунды.) Импульсный режим применяется для того, чтобы измерять время между посылкой импульса и его возвращением от отраженного объекта. Послав в пространство очень кратковременную «порцию» радиоволн, передатчик автоматически выключается и начинает работать радиоприемник. Встретив на пути своего распространения какое‑либо препятствие, радиоволны рассеиваются во все стороны и частично отражаются от него обратно, к месту посылки волн, то есть к радиолокационной станции. Этот процесс аналогичен отражению звуковых волн — явлению эхо. Достаточно крикнуть или ударить в ладоши в горном ущелье у подножья скалы — и через несколько секунд послышится слабое эхо — отражение звука. Так как скорость радиоволн чуть ли не в миллион раз больше скорости звуковых волн, то от скалы, находящейся на расстоянии 3500 м, эхо вернется через 20 секунд, а радиоволна — через две стотысячных доли секунды. Поэтому основной особенностью радиолокационной станции должно быть быстрое измерение кратчайших отрезков времени с точностью до миллионных долей секунды. Понятно, что если бы радиолокационная станция беспрерывно посылала свои сигналы, то среди мощных сигналов передатчика было бы невозможно уловить очень слабые отраженные радиоволны, вернувшиеся обратно. Антенна радиолокационной станции обладает направленным действием. В отличие от антенн радиовещательной станции, посылающей радиоволны во всех направлениях, импульсы, излучаемые радаром, концентрируются в очень узкий пучок, посылаемый в строго определенном направлении. Приняв отраженные импульсы, радар направлял их на электронно‑лучевую трубку. Здесь этот импульс (понятно, многократно усиленный) подавался на вертикальные пластины, управлявшие электронным лучом трубки (см. ее устройство в предыдущей главе) и вызывал вертикальный бросок луча на экране радара. Что же можно было наблюдать на этом экране? 25 раз в секунду в левой его части возникал электронный импульс (этот бросок был вызван тем, что очень небольшая часть энергии излученного импульса попадала в приемник), и за ним бежала направо линия развертки. Это длилось до тех пор, пока импульс не достигал цели, не отражался от нее и не возвращался обратно. Предположим, что линия, нарисованная электронным лучом, двигалась по экрану в течение 1 миллисекунды. За это время импульс проходил 150 км до цели, отражался от нее, возвращался обратно на станцию и высвечивался на экране в виде второго броска. У того места экрана трубки, где появился первый бросок, ставили 0, а в конце линии — 150 км. Так как скорость распространения волны постоянна, то всю эту линию можно было разделить на равные части и получить таким образом возможность считывать (в пределах 150 км) любое расстояние до цели, отраженный импульс которой был виден на экране трубки. Благодаря столь частому появлению изображения на экране, оно казалось глазу оператора как бы неподвижным и неисчезающим. Лишь импульс, отраженный от цели, медленно перемещался влево по линии, если самолет летел по направлению к станции. Все сведения об обнаруженных самолетах противника радиолокационные станции передавали на так называемый «фильтрующий центр». Здесь по донесениям отдельных станций производилось сличение и уточнение данных о воздушной обстановке. Отобранные и проверенные сведения «фильтрующий центр» передавал командованию. На центральном командном пункте имелась большая карта. Специальные операторы перемещали по карте маленькие модели самолетов. Командование таким образом могло непрерывно наблюдать воздушную обстановку и сообразно с этим принимать нужные решения. Впоследствии оказалось, что станции дальнего обнаружения могут давать и дополнительные сведения о числе вражеских самолетов, их курсе и скорости. Командные пункты ПВО по этим сведениям могли заключить, какое количество бомбардировщиков участвует в операции, установить, к какому пункту они направляются и когда к нему прибудут. Однако первые радары обладали и крупными недостатками. Поскольку они работали на волне 10 и более метров, антенны их были громоздки и неподвижны. К примеру, антенна передатчика CH подвешивалась на мачтах высотой 120 м. Неподалеку располагалась приемная станция с антенной на высоте 80 м. Обладая направленным действием, эти антенны излучали радиоволны широким конусом вперед и несколько в сторону от главного направления. Вправо, влево и назад эти антенны не излучали, и, следовательно, на этих направлениях радары не могли обнаружить самолеты. Поскольку их волны отражались от земли и воды, низколетящие цели были им недоступны. Так что самолеты, приближавшиеся к Англии на высоте менее 100 м, могли пролететь незаметно для радаров. Устранить эти изъяны можно было только созданием новых радиолокационных станций, работающих на более коротких волнах. В первые годы развития радиолокации применялись волны длиной 10‑15 м, но в дальнейшем оказалось, что удобнее использовать для этой цели волны в тысячу раз короче — порядка нескольких сантиметров. Приборы, работавшие в таком диапазоне, до начала войны являлись, по существу, лабораторными конструкциями, были очень капризны и обладали ничтожной мощностью. Известные в то время типы электронных ламп очень плохо или почти не работали на сантиметровых волнах. Все необходимое оборудование для более совершенных радаров было создано в рекордно короткие сроки уже в начале войны. Сначала перешли на волну в 1, 5 м, что позволило сразу улучшить работу радара и резко сократить размеры антенн. Тогда появилась мысль, что такую антенну можно вращать в горизонтальном направлении и рассылать импульсы локатора во все стороны, а не только вперед. Далее напрашивалось предположение, что если радар поочередно посылает импульсы и принимает их отражения, то вовсе не обязательно передающую и принимающую станции размещать отдельно: можно и должно передавать и принимать на одну и ту же антенну, поочередно подключая ее то к передатчику, то к приемнику. В 1939 году была разработана станция CHL для обнаружения низколетящих самолетов и надводных кораблей с дальностью действия 100 км. Такие станции располагались на расстоянии 40 км друг от друга, защищая устье Темзы и подходы к ней. В дальнейшем количество станций было увеличено так, чтобы прикрыть все восточное побережье Англии. Введение ряда усовершенствований позволило увеличить дальность действия радаров до 160‑190 км. Все эти меры с лихвой оправдали себя в 1939‑1940 годах, когда развернулась грандиозная битва за Англию. Не имея возможности перебросить в Англию свои войска, Гитлер двинул против нее армады своих бомбардировщиков. Английские истребители не знали покоя ни днем, ни ночью, отбивая одну за другой воздушные атаки немцев. Радиолокационные станции дальнего обнаружения играли в это время огромную роль во всей системе ПВО. Немецкие летчики вскоре убедились, что невидимые лучи радаров для них страшнее истребителей и зениток. Применение радиолокации навело вскоре англичан на мысль нацеливать с помощью радаров свои истребители на бомбардировщики врага. Для этого были созданы небольшие радиолокационные станции (GCI). Они имели меньшую дальность действия, но зато более точно определяли положение вражеских самолетов. Эти радары устанавливались неподалеку от аэродромов истребительной авиации. Получив сообщение от станций дальнего обнаружения, они начинали следить за приближающимся врагом, давая летчикам‑истребителям точные данные о местоположении врага. Для станций такого типа прежняя электронно‑лучевая трубка с горизонтальной линией развертки была неудобна, поскольку в каждый момент времени она могла наблюдать только за одним самолетом и постоянно должна была переключаться с одной цели на другую. В связи с этим произошло крупное усовершенствование радиолокационной техники — появилась так называемая трубка кругового обзора, получившая в скором времени самое широкое распространение во многих типах станций. На экране такой трубки световая линия развертки начиналась не с левого края экрана, как в прежних конструкциях, а от центра. Эта линия вращалась по часовой стрелке одновременно с вращением антенны, отражая на экране местоположение целей вокруг станции. Такой экран создавал как бы карту воздушной обстановки. Световое пятно в центре экрана отмечало местоположение радиолокационной станции. Концентрические кольца вокруг этого пятна помогали определить расстояние до отраженных импульсов, которые обозначились в виде более светлых точек. Офицер станции наведения одновременно наблюдал на таком экране за всеми интересующими его целями. Осуществление наведения значительно упрощалось. Понятно, что на таком радаре описанный выше способ работы индикатора не годился, так как все сигналы, отраженные от объектов, мгновенно пропадали с экрана. Здесь применялись экраны, обладающие так называемым «послесвечением», то есть сохраняющие свечение в течение определенного промежутка времени. В таких трубках отклонение электронного луча осуществлялось с помощью катушек, ток в которых изменялся линейно в зависимости от времени. Применение всех систем радиолокационной обороны уже в первый период войны дало ощутимые результаты. За четыре месяца 1940 года в небе над Англией было уничтожено более 3000 немецких самолетов, причем 2600 из них были сбиты истребителями, наведенными своими радиолокационными станциями. Из‑за больших потерь немцы были вынуждены прекратить дневные налеты. Однако и это не спасло их. Англичанами в срочном порядке была разработана небольшая радиолокационная станция AI, размещавшаяся на борту самолета. Она могла обнаруживать цели на расстоянии 3‑5 км. Новыми радарами были оснащены специальные ночные истребители. Кроме пилота на них размещался стрелок‑радиооператор. По наводке с земли такие самолеты приближались к немецким бомбардировщикам на расстояние видимости своего радара. После этого уже сам оператор, имея перед лицом трубку локатора, давал летчику команды по внутреннему переговорному устройству, куда направить машину, чтобы сблизиться с бомбардировщиками. К весне 1941 года система ночной радиолокационной обороны уже оправдывала свое назначение. Если в январе англичане сбили всего 4 немецких ночных бомбардировщика, то в апреле 58, а в мае 102. 81. МАГНИТОФОН Прародитель магнитофона — телеграфон — был изобретен датским физиком Вальдемаром Поульсеном. В 1898 году Поульсен создал устройство, использующее явление остаточного намагничивания и преобразующее звуковые волны в магнитные импульсы, которые записывались на тонкой стальной проволоке. На входе телеграфона подключался источник звука — микрофон. Ток с него подавался на электромагнит особой формы. Создаваемое электромагнитом магнитное поле намагничивало стальную проволоку, которая с определенной скоростью двигалась мимо магнита. В такт передаваемому звуку снимаемый с микрофона ток увеличивался или уменьшался, а следовательно, увеличивалась или уменьшалась напряженность магнитного поля, создаваемого записывающим магнитом. Для воспроизведения фонограммы проволоку пропускали мимо магнита воспроизведения. В процессе движения силовые линии магнитного поля фонограммы пересекали витки катушки, в которых вследствие закона электромагнитной индукции возникал электрический ток, соответствующий записанным на проволоку звукам. Эти слабые электрические импульсы преобразовывались в телефоне в звуковые волны. Их прослушивали без усилителя с помощью наушников. Качество звука было очень низким, и телеграфон не получил широкого распространения. Понадобилось тридцать лет, чтобы замечательное изобретение Поульсена приобрело признание. Этому способствовало прежде всего появление электронных ламп и разработка схем усилителей на их основе, а также совершенствование самого звуконосителя. Проволока имела тенденцию быстро саморазмагничиваться. Чтобы компенсировать это неприятное свойство, приходилось увеличивать скорость ее движения, которая поначалу достигала нескольких метров в секунду. Даже небольшая фонограмма требовала огромного количества проволоки. Хотя толщина ее не превышала 0, 1 мм, катушки с записью занимали много места и были очень тяжелы. Тонкая проволока рвалась, путалась, перекручивалась во время движения. Ее попытались заменять стальной лентой. Обрывы прекратились, но объем и вес звуконосителя вырос еще в несколько раз. Чтобы раскрутить катушку с такой лентой, требовался мощный электродвигатель. Ходовые механизмы получались очень громоздкими. В этот период магнитная запись давала малообещающие результаты. Коммерческий успех пришел к магнитофону только после изобретения нового звуконосителя. Немецкий изобретатель Пфеймер разработал технологию нанесения слоя порошкового железа на бумажную ленту: новый звуконоситель хорошо намагничивался и размагничивался, его можно было обрезать и склеивать. Впоследствии бумажную ленту заменили пластиковой — из ацетилцеллюлозы, более прочной, эластичной и невоспламеняемой. На ленту напыляли ферромагнитный порошок (окислы железа), предварительно смешанный со связующим веществом (например, нитролаком). Впервые такую ленту начала выпускать в 1935 году немецкая компания АЕГ. Магнитофонная пленка произвела переворот в магнитной звукозаписи. Она была легкой, компактной, хорошо сохраняла намагничивание, что позволило в несколько десятков раз сократить скорость звуконосителя. На такой пленке можно было записывать гораздо более длинное произведение, чем на проволоке. Запись на ленту происходила так же, как и на проволоку. Из всего сказанного видно, что важнейшими элементами магнитофона являлись записывающий и воспроизводящий электромагниты, которые называют магнитными головками. Обе головки представляли собой магнитные сердечники, охваченные катушками. В сердечнике имелся зазор, заполненный фольгой из специальной бронзы. Ток, проходивший через обмотку записывающей головки, образовывал магнитное поле, которое проходило по магнитному сердечнику и выходило из его рабочего зазора в окружающее пространство. Когда это поле было постоянно, оно равномерно намагничивало всю проходящую через него ленту. Когда же через обмотку головки проходил электрический ток, возникавший вследствие звукового воздействия на микрофон, магнитное поле в зазоре головке изменялось в зависимости от силы тока микрофона, то есть в соответствии с силой звуковых колебаний. Лента приобретала при этом различную намагниченность и превращалась в фонограмму. Различные ее участки оказывались различно намагниченными, как по силе, так и по направлению. Магнитные силовые линии этих отдельных участков, замыкаясь в пространстве, образовывали внешнее магнитное поле. При воспроизведении магнитной фонограммы лента с той же скоростью, что и при записи, двигалась мимо воспроизводящей головки и возбуждала в ее обмотках электрический ток, который изменялся в соответствии с силой магнитного поля ленты. Затем ток, возникший в обмотке и усиленный, поступал к динамику. Для многократного использования одной и той же ленты имелась головка стирания, питаемая от специального лампового генератора токами высокой частоты. Ток, создаваемый этим генератором, пропускался через обмотки стирающей головки. Пока лента проходила через поле, создаваемое этой головкой, она многократно перемагничивалась и в результате покидала ее в размагниченном состоянии. После стирания магнитная лента попадала в поле записывающей головки. Здесь каждый элемент ленты подвергался двойному воздействию магнитного поля, которое образовывалось, с одной стороны, током записывающего сигнала, а с другой — током дополнительного смещения, поступающим в записывающую головку из высокочастотного генератора. Это дополнительное питание током высокой частоты получило название подмагничивания. Оно необходимо для борьбы с искажениями, которые оказывали на чувствительную магнитную ленту различные части магнитофона — прежде всего лампы и трансформаторы. Во время работы вокруг них создавалось достаточно сильное магнитное поле, которое также намагничивало ленту. Долгое время это нежелательное намагничивание (проявлявшееся при прослушивании в виде шума, треска и гула) очень снижало качество фонограмм. Лишь после того как научились подмешивать к току сигнала высокочастотный ток подмагничивания, качество магнитной фонограммы возросло настолько, что стало конкурировать с механической звукозаписью — граммофонными пластинками. 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. В начале 1942 года под руководством Ферми в помещении теннисного корта под западными трибунами Чикагского стадиона началось строительство первого в истории ядерного реактора. Все работы ученые проводили сами. Управление реакцией можно осуществлять единственным способом — регулируя число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Ферми предполагал добиться этого с помощью стержней, изготовленных из таких веществ, как бор и кадмий, которые сильно поглощают нейтроны. Замедлителем служили графитовые кирпичи, из которых физики возвели колоны высотой в 3 м и шириной в 1, 2 м. Между ними были установлены прямоугольные блоки с окисью урана. На всю конструкцию пошло около 46 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Для замедления реакции служили введенные в реактор стержни из кадмия и бора. Если бы этого оказалось недостаточно, то для страховки на платформе, расположенной над реактором, стояли двое ученых с ведрами, наполненными раствором солей кадмия — они должны были вылить их на реактор, если бы реакция вышла из‑под контроля. К счастью, этого не потребовалось. 2 декабря 1942 года Ферми приказал выдвинуть все контрольные стержни, и эксперимент начался. Через четыре минуты нейтронные счетчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идет цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать ее по своей воле. Теперь уже не было сомнения, что ядерное оружие — реальность. В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре построен еще один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Он состоял из цилиндрической алюминиевой цистерны, содержащей 6, 5 тонн тяжелой воды, в которую было вертикально погружено 120 стержней из металлического урана, заключенные в алюминиевую оболочку. Семь управляющих стержней были сделаны из кадмия. Вокруг цистерны располагался графитовый отражатель, затем экран из сплавов свинца и кадмия. Вся конструкция заключалась в бетонный панцирь с толщиной стенок около 2, 5 м. Эксперименты на этих опытных реакторах подтвердили возможность промышленного производства плутония. Главным центром «Манхэттенского проекта» вскоре стал городок Ок‑Ридж в долине реки Теннеси, население которого за несколько месяцев выросло до 79 тысяч человек. Здесь в короткий срок был построен первый в истории завод по производству обогащенного урана. Тут же в 1943 году был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана, с поверхности которого путем химического разделения получали плутоний. (Для этого плутоний сначала растворяли, а потом осаждали.) Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония. Параллельно полным ходом шли исследования по разработке промышленного процесса обогащения урана. Рассмотрев разные варианты, Гровс и Оппенгеймер решили сосредоточить усилия на двух методах: газодиффузионном и электромагнитном. Газодиффузионный метод основывался на принципе, известном под названием закона Грэхэма (он был впервые сформулирован в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэхэмом и разработан в 1896 году английским физиком Рейли). В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. В ноябре 1942 года Юри и Даннинг из Колумбийского университета создали на основе метода Рейли газодиффузионный метод разделения изотопов урана. Так как природный уран — твердое вещество, то его сначала превращали во фтористый уран (UF6). Затем этот газ пропускали через микроскопические — порядка тысячных долей миллиметра — отверстия в перегородке фильтра. Так как разница в молярных весах газов была очень мала, то за перегородкой содержание урана‑235 увеличивалось всего в 1, 0002 раза. Для того чтобы увеличить количество урана‑235 еще больше, полученную смесь снова пропускают через перегородку, и количество урана опять увеличивается в 1, 0002 раза. Таким образом, чтобы повысить содержание урана‑235 до 99%, нужно было пропускать газ через 4000 фильтров. Это происходило на огромном газодиффузионном заводе в Ок‑Ридж. В 1940 году под руководством Эрнста Лоуренса в Калифорнийском университете начались исследования по разделению изотопов урана электромагнитным методом. Необходимо было найти такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, пользуясь разностью их масс. Лоуренс предпринял попытку разделить изотопы, используя принцип масс‑спектрографа — прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Принцип его действия сводился к следующему: предварительно ионизированные атомы ускорялись электрическим полем, а затем пропускались через магнитное поле, в котором они описывали окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий были пропорциональны массе, легкие ионы оказывались на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые. Если на пути атомов размещали ловушки, то можно было таким образом раздельно собирать различные изотопы. Таков был метод. В лабораторных условиях он дал неплохие результаты. Но строительство установки, на которой разделение изотопов могло бы производиться в промышленных масштабах, оказалось чрезвычайно сложным. Однако Лоуренсу в конце концов удалось преодолеть все трудности. Результатом его усилий стало появление калутрона, который был установлен на гигантском заводе в Ок‑Ридже. Этот электромагнитный завод был построен в 1943 году и оказался едва ли не самым дорогостоящим детищем «Манхэттенского проекта». Метод Лоуренса требовал большого количества сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высоким напряжением, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Масштабы затрат оказались огромны. Калутрон имел гигантский электромагнит, длина которого достигала 75 м при весе около 4000 тонн. На обмотки для этого электромагнита пошло несколько тысяч тонн серебряной проволоки. Все работы (не считая стоимости серебра на сумму 300 миллионов долларов, которое государственное казначейство предоставило только на время) обошлись в 400 миллионов долларов. Только за электроэнергию, затраченную калутроном, министерство обороны заплатило 10 миллионов. Большая часть оборудования ок‑риджского завода превосходила по масштабам и точности изготовления все, что когда‑либо разрабатывалось в этой области техники. Но все эти затраты оказались не напрасными. Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, ученые США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония. Тем временем в Лос‑Аламосской лаборатории работали над проектом самой бомбы. Принцип ее действия был в общих чертах ясен уже давно: делящееся вещество (плутоний или уран‑235) следовало в момент взрыва перевести в критическое состояние (для осуществления цепной реакции масса заряда должна быть даже заметно больше критической) и облучить пучком нейтронов, что влекло за собой начало цепной реакции. По расчетам, критическая масса заряда превосходила 50 килограмм, но ее смогли значительно уменьшить. Вообще на величину критической массы сильно влияют несколько факторов. Чем больше поверхностная площадь заряда — тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающее пространство. Наименьшей площадью поверхности обладает сфера. Следовательно, сферические заряды при прочих равных условиях имеют наименьшую критическую массу. Кроме того, величина критической массы зависит от чистоты и вида делящихся материалов. Она обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить, к примеру, уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Критическую массу, кроме того, можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана могут быть использованы свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и многие другие. Одна из возможных конструкций атомной бомбы состоит из двух кусков урана, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы. Соединение заряда и интенсивное облучение его нейтронами, как уже говорилось, вызывает цепную реакцию, в результате которой в первую же секунду температура возрастает до 1 миллиона градусов. За это время успевало разделиться всего около 5% критической массы. Остальная часть заряда в бомбах ранней конструкции испарялась без всякой пользы. Первая в истории атомная бомба (ей было дано имя «Тринити») была собрана летом 1945 года. А 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью‑Мексико) был произведен первый на Земле атомный взрыв. Бомбу поместили в центре полигона на вершине стальной 30‑метровой башни. Вокруг нее на большом расстоянии размещалась регистрирующая аппаратура. В 9 км находился наблюдательный пункт, а в 16 км — командный. На всех свидетелей этого события атомный взрыв произвел потрясающее впечатление. По описанию очевидцев, было такое ощущение, будто множество солнц соединилось в одно и разом осветило полигон. Затем над равниной возник огромный огненный шар и к нему медленно и зловеще стало подниматься круглое облако пыли и света. Оторвавшись от земли, этот огненный шар за несколько секунд взлетел на высоту более трех километров. С каждым мгновением он разрастался в размерах, вскоре его диаметр достиг 1, 5 км, и он медленно поднялся в стратосферу. Затем огненный шар уступил место столбу клубящегося дыма, который вытянулся на высоту 12 км, приняв форму гигантского гриба. Все это сопровождалось ужасным грохотом, от которого дрожала земля. Мощность взорвавшейся бомбы превзошла все ожидания. Как только позволила радиационная обстановка, несколько танков «Шерман», выложенные изнутри свинцовыми плитами, ринулись в район взрыва. На одном из них находился Ферми, которому не терпелось увидеть результаты своего труда. Его глазам предстала мертвая выжженная земля, на которой в радиусе 1, 5 км было уничтожено все живое. Песок спекся в стекловидную зеленоватую корку, покрывавшую землю. В огромной воронке лежали изуродованные остатки стальной опорной башни. Сила взрыва была оценена в 20000 тонн тротила. Следующим шагом должно было стать боевое применение бомбы против Японии, которая после капитуляции фашистской Германии одна продолжала войну с США и их союзниками. Ракет‑носителей тогда еще не было, поэтому бомбардировку предстояло осуществить с самолета. Компоненты двух бомб были с большой осторожностью доставлены крейсером «Индианаполис» на остров Тиниан, где базировалась 509‑я сводная группа ВВС США. По типу заряда и конструкции эти бомбы несколько отличались друг от друга. Первая бомба — «Малыш» — представляла собой крупногабаритную авиационную бомбу с атомным зарядом из сильно обогащенного урана‑235. Длина ее была около 3 м, диаметр — 62 см, вес — 4, 1 т. Вторая бомба — «Толстяк» — с зарядом плутония‑239 имела яйцеобразную форму с крупногабаритным стабилизатором. Длина ее составляла 3, 2 м, диаметр 1, 5 м, вес — 4, 5 т. 6 августа бомбардировщик Б‑29 «Энола Гэй» полковника Тиббетса сбросил «Малыша» на крупный японский город Хиросиму. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась, как это и было предусмотрено, на высоте 600 м от земли. Последствия взрыва были ужасны. Даже на самих пилотов вид уничтоженного ими в одно мгновение мирного города произвел гнетущее впечатление. Позже один из них признался, что они видели в эту секунду самое плохое, что только может увидеть человек. Для тех же, кто находился на земле, происходящее напоминало подлинный ад. Прежде всего, над Хиросимой прошла тепловая волна. Ее действие длилось всего несколько мгновений, но было настолько мощным, что расплавило даже черепицу и кристаллы кварца в гранитных плитах, превратило в уголь телефонные столбы на расстоянии 4 км и, наконец, настолько испепелило человеческие тела, что от них остались только тени на асфальте мостовых или на стенах домов. Затем из‑под огненного шара вырвался чудовищный порыв ветра и промчался над городом со скоростью 800 км/ч, сметая все на своем пути. Не выдержавшие его яростного натиска дома рушились как подкошенные. В гигантском круге диаметром 4 км не осталось ни одного целого здания. Через несколько минут после взрыва над городом прошел черный радиоактивный дождь — это превращенная в пар влага сконденсировалась в высоких слоях атмосферы и выпала на землю в виде крупных капель, смешанных с радиоактивной пылью. После дождя на город обрушился новый порыв ветра, на этот раз дувший в направлении эпицентра. Он был слабее первого, но все же достаточно силен, чтобы вырывать с корнем деревья. Ветер раздул гигантский пожар, в котором горело все, что только могло гореть. Из 76 тысяч зданий полностью разрушилось и сгорело 55 тысяч. Свидетели этой ужасной катастрофы вспоминали о людях‑факелах, с которых сгоревшая одежда спадала на землю вместе с лохмотьями кожи, и о толпах обезумивших людей, покрытых ужасными ожогами, которые с криком метались по улицам. В воздухе стоял удушающий смрад от горелого человеческого мяса. Всюду валялись люди, мертвые и умирающие. Было много таких, которые ослепли и оглохли и, тычась во все стороны, не могли ничего разобрать в царившем вокруг хаосе. Несчастные, находившиеся от эпицентра на расстоянии до 800 м, за доли секунды сгорели в буквальном смысле слова — их внутренности испарились, а тела превратились в комки дымящихся углей. Находившиеся от эпицентра на расстоянии 1 км, были поражены лучевой болезнью в крайне тяжелой форме. Уже через несколько часов у них началась сильнейшая рвота, температура подскочила до 39‑40 градусов, появились одышка и кровотечения. Затем на коже высыпали незаживающие язвы, состав крови резко изменился, волосы выпали. После ужасных страданий, обычно на второй или третий день, наступала смерть. Всего от взрыва и лучевой болезни погибло около 240 тысяч человек. Около 160 тысяч получили лучевую болезнь в более легкой форме — их мучительная смерть оказалась отсроченной на несколько месяцев или лет. Когда известие о катастрофе распространилось по стране, вся Япония была парализована страхом. Он еще увеличился, после того как 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил вторую бомбу на Нагасаки. Здесь также погибло и было ранено несколько сот тысяч жителей. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало — атомная бомба положила конец Второй мировой войне. Война закончилась. Она продолжалась всего шесть лет, но успела изменить мир и людей почти до неузнаваемости. Человеческая цивилизация до 1939 года и человеческая цивилизация после 1945 года разительно не похожи друг на друга. Тому есть много причин, но одна из важнейших — появление ядерного оружия. Можно без преувеличений сказать, что тень Хиросимы лежит на всей второй половине XX века. Она стала глубоким нравственным ожогом для многих миллионов людей, как бывших современниками этой катастрофы, так и родившихся через десятилетия после нее. Современный человек уже не может думать о мире так, как думали о нем до 6 августа 1945 года — он слишком ясно понимает, что этот мир может за несколько мгновений превратиться в ничто. Современный человек не может смотреть на войну, так как смотрели его деды и прадеды — он достоверно знает, что эта война будет последней, и в ней не окажется ни победителей, ни побежденных. Ядерное оружие наложило свой отпечаток на все сферы общественной жизни, и современная цивилизация не может жить по тем же законам, что шестьдесят или восемьдесят лет назад. Никто не понимал этого лучше самих создателей атомной бомбы. «Люди нашей планеты, — писал Роберт Оппенгеймер, — должны объединиться. Ужас и разрушение, посеянные последней войной, диктуют нам эту мысль. Взрывы атомных бомб доказали ее со всей жестокостью. Другие люди в другое время уже говорили подобные слова — только о другом оружии и о других войнах. Они не добились успеха. Но тот, кто и сегодня скажет, что эти слова бесполезны, введен в заблуждение превратностями истории. Нас нельзя убедить в этом. Результаты нашего труда не оставляют человечеству другого выбора, кроме как создать объединенный мир. Мир, основанный на законности и гуманизме». жүктеу/скачать 8,62 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|