Жизнь под знаком Урана

Как два молодых советских физика исправили ошибку Нильса Бора

Чем дальше эксперимент от теории, тем он ближе к Нобелевской премии
(Ф. Жолио-Кюри)

Константин Антонович Петржак, выдающийся ученый, крупнейший физик-радиолог, стоявший у истоков создания ядерного щита страны… Его имя вписано в историю науки благодаря одному из наиболее ярких событий в ядерной физике XX века – открытию спонтанного деления урана, сделанному им вместе с Г.Н. Флеровым в 1940 году. Работы К.А. Петржака обогатили науку целым рядом выдающихся достижений, оказавших непосредственное влияние на развитие ядерной физики и практическое освоение внутриядерной энергии.

Константин Антонович родился в польском г. Лукув, но начало его биографии – в г. Малая Вишера Новгородской губернии, где польская семья Пе́тржаков обосновалась в начале XX в. 12-летним подростком Константин пришел работать на Маловишерский стекольный завод, в живописный цех, и вскоре освоил все тонкости росписи по стеклу и фарфору. Здесь же, на заводе, мастером-стеклодувом трудился его старший брат (к сожалению, Василий Антонович Петржак был репрессирован в 1937 г. и осужден по 58-й «антисоветской» статье).

В 1928 году судьба, в виде заводского комитета, предложила юному живописцу Константину Петржаку новую жизнь, и он не стал от нее отказываться. По рекомендации Маловишерского завода он поступил на рабфак Ленинградского университета, а в марте 1931-го начал учебу на физико-математическом факультете ЛГУ, в группе по специальности «радиология».

В 1935 году Константин Петржак впервые встретился с Игорем Курчатовым, будущим создателем отечественной ядерной энергетики. Курчатов был назначен руководителем дипломного проекта студента Петржака; он же сформулировал и его тему: определение константы распада 232Th с задачей создания импульсной ионизационной камеры и электроники к ней – альфа-излучателей с большими энергиями. Молодой дипломант Петржак предложил совершенно оригинальное решение: он сконструировал сферическую камеру с радиусом, равным пробегу альфа-частиц 232Th. Для простых смертных, завороженных этим умопомрачительным текстом, наблюдательный факт состоит в том, что уже в студенческой работе Константин Петржак проявил свой дар оригинально мыслящего ученого и блестящего экспериментатора. Эта работа удостоилась высокой оценки Курчатова, диплома Всесоюзного конкурса молодых ученых и похвалы супругов Жолио-Кюри, посетивших в 1937 г. Радиевый институт.

После окончания в 1936 г. физико-математического факультета Ленинградского университета К. Петржак был зачислен сначала в штат, а в декабре 1936 года поступил в аспирантуру Радиевого института (РИАН), где научными руководителями его были академики В.Г. Хлопин и И.В. Курчатов.

В 1940 году аспирантами Константином Петржаком и Георгием Флеровым было сделано фундаментальное открытие, принесшее молодым ученым мировую известность: они обнаружили новое физическое явление – спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана. Открытие спонтанного деления ядер урана стало «заключительным аккордом» в каскаде великолепных, ни с чем несравнимых открытий 1930-х годов, ставших основой современной ядерной физики и атомной энергетики – расщепления уранового ядра и открытия цепной реакции его деления. Открытое же Петржаком и Флеровым спонтанное деление легло в основу принципа создания управляемых ядерных реакций.

Если наука – это драма идей, тогда и у каждого открытия – своя драматургия, достойная внимания. Сценарий «От ядра-капли к четвертому виду радиоактивности» в общих чертах выглядел так.

В 1928 году, когда Константин Петржак только-только приступил к занятиям на рабфаке ЛГУ, выпускник этого университета Георгий Гамов, на то время сотрудник Физико-технического института, высказал удивительное предположение о том, что ядро похоже на каплю заряженной жидкости. «Капельная» модель оказалась весьма плодотворной. Она позволила самому Гамову создать теорию альфа-распада и объяснить явление радиоактивности, которое было открыто еще в 1898 году Анри Беккерелем, а К. Вайцзеккеру вывести знаменитую формулу для расчета потенциальной энергии ядра. Нильс Бор и Джон Уилер на основе «капельной модели» создали классическую (капельную) теорию деления.

Ядерное деление было открыто в 1939 году в Германии: ученые Отто Ган и Фриц Штрассман из берлинского Химического института кайзера Вильгельма впервые наблюдали образование осколков деления при облучении урановых слоев потоком нейтронов. Причем, открытие произошло как бы случайно: они пытались получить новый элемент, а натолкнулись на новое явление. В статье в «Ди Натурвиссеншафтен» от 6 января 1939 г. оба автора честно признались, что «как химики-ядерщики, в определенном смысле близкие к физике, они еще не могут решиться прийти к заключению, которое противоречит всем прежним представлениям ядерной физики». Пытаясь объяснить результаты экспериментов Гана и Штрассмана, ученые Лиза Мейтнер и Отто Фриш пришли к выводу, что «ядро урана могло и в самом деле походить на подвижную и нестабильную каплю, готовую разделиться под действием самого незначительного импульса, например, удара нейтроном» (Мейтнер сравнила этот процесс с делением биологической клетки). Следовательно, эта новая реакция, которую Фриш и Мейтнер назвали «делением».

Для нашей истории, которую мы рассказываем, важно, что из теории Бора и Уилера следовало также, что уран и без дополнительной энергии может самопроизвольно (спонтанно) разделиться на две части. Однако они же указывали на исключительную редкость этого процесса из-за гигантского времени такого распада – возраст Вселенной меньше этого времени распада почти в миллион раз! В первом эксперименте американского физика и химика Уилларда Либби спонтанное деление урана не было обнаружено, он рассчитал только нижний предел – 1015 лет.

Но вернемся в 1939-й год. Весть об открытии деления урана взбудоражила ученые умы. Новое явление поражало своим энерговыделением – огромным количеством энергии, высвобождавшейся при каждом элементарном акте развала атомного ядра. И если до открытия деления ученые скептически относились к возможности освоения ядерной энергии в ближайшие 100-200 лет, то теперь взгляды на перспективы ее практического применения резко изменились. Тысячи ученых во всех физических лабораториях мира занялись исследованиями урана.

В Советском Союзе результаты Гана и Штрассмана, прежде всего их энергетическая сторона, заинтересовали И.В. Курчатова – одного из немногих ученых в стране, кто верил в огромные прикладные возможности ядерной физики.

В начале 1940 г. Игорь Васильевич Курчатов поручил двум свои аспирантам, Петржаку и Флерову, повторить опыты Гана и Штрассмана: исследовать зависимость процесса деления урана от энергии нейтронов и выяснить, не будут ли ядра урана делиться и под действием быстрых нейтронов.

Георгию Флерову – 26, он задиристый, самолюбивый, энергичный и подвижный, как ртуть. Константин Петржак – на 7 лет старше, ему 33, он красивый и спокойный. Однако этот тандем противоположностей оказался на редкость удачным для успешного творческого содружества: оба были молоды, отважны, не боялись трудностей и ошибок и взялись за дело с большим энтузиазмом.

Для регистрации актов деления Петржак и Флеров построили очень чувствительную ионизационную камеру и приступили к экспериментам. По совету Курчатова, они резко увеличили рабочую поверхность окиси урана - вместо обычных 2-х поставили 15 пластин. И решили измерять не сопутствующее делению излучение (нейтроны или гамма-лучи), как это делал американец Либби – бессмысленно продолжать делать то же самое и ждать других результатов! В отличие от метода Либби, Флеров и Петржак стали измерять непосредственно осколки деления и достигли очень высокой, просто рекордной чувствительности при их регистрации.

Экспериментаторы знают, что в каждом «приличном» опыте первым делом нужно смотреть нулевой эффект, т.е. узнать, что дают измерения при отсутствии возбудителя процесса. Когда молодые исследователи убрали источник нейтронов, то к своему большому удивлению обнаружили: нулевой эффект не был равен нулю – камера продолжает срабатывать, т. е. регистрировать деление. Ученые заподозрили спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана, но уверенности у них не было: классической теорией Бора-Уилера черным по белому было указано, что из-за гигантского времени распада ядра урана такое явление ни увидит никто и никогда.

Об удивительных результатах Флеров и Петржак сообщили Курчатову, но тот их отругал: «Это какая-то грязь». Как вспоминал К.А. Петржак, для чистоты эксперимента, «от греха подальше, т.е. от риановских источников нейтронов, перебрались из РИАНа в Физтех. Измерения в ленинградском Физико-техническом институте проводились только ночью, чтобы не мешали трамваи, которые искрят и создают электрический фон. Мы часами сидели в темном помещении, всматриваясь в экран осциллографа, на котором была видна всегда мелкая рябь – сигналы от альфа-частиц урана. Но иногда в этом частоколе наблюдался всплеск, большой сигнал от осколков деления. Спонтанное деление! И такой сигнал приходил раз в полчаса, иногда в час. Мы сидели часами и ждали, когда вновь появятся эти сигналы. И они появлялись…».

Исключать возможность нового явления – самопроизвольного деления ядер – уже не было оснований. Реакция Курчатова, с его чутьем на открытия, была бурной: «Если действительно так, если наблюдается у вас новое явление, то это... Это бывает раз в жизни, и то не у всех. И нужно бросить все и заниматься явлением – год, два, десять, сколько понадобится». Под руководством Курчатова была составлена программа исследований и контрольных измерений. Вскоре молодые физики пришли к заключению, что открыли спонтанное деление, происходящее без бомбардировки нейтронами. И хотя теоретически такой процесс был предсказан (Френкелем, Бором и Уилером), Петржак и Флеров первыми экспериментально доказали это явление.

-----------------
Из отчета 1940 г. К.А. Петржака и Г.Н. Флерова: 

«Можно утверждать что установленный эффект спонтанных импульсов обусловлен актами деления урана. Такой процесс представляет новый вид радиоактивности, принципиально отличной от известных ранее видов радиоактивности с испусканием альфа и бета частиц. 

Расхождение между экспериментально наблюдаемым временем жизни урана и указанным Бором и Уиллером объясняется тем, что формула прохождения частицы через барьер очень чувствительна к выбранной высоте и ширине барьера, а выбор этих величин в значительной мере произволен. 

Выражаем искреннюю благодарность нашему руководителю, проф. И.В. Курчатову, наметившему все основные контрольные опыты и принимавшему самое непосредственное участие в обсуждении результатов».
----------------- 

В мае 1940 г. Хлопин и Курчатов доложили об этом открытии в Академии наук. Догадаемся, что было дальше? Советская научная элита отнеслась к открытию скептически: ну не может быть, чтобы вероятность спонтанного деления уран была в сто раз меньше экспериментального предела Либби и в миллион раз выше предсказанной великим Н. Бором! «Понятно, молодые люди увлеклись, им кажется, что они сделали величайшее открытие. Они, может быть, еще не знают, что есть космические лучи, которые могут вызвать деление урана, а космического излучения в камере много. Но куда смотрит Курчатов?»

Петржак и Флеров были настроены защищать свое открытие решительно. Было написано письмо наркому путей сообщения Кагановичу с просьбой о проведении контрольных измерений в московском метро, где на глубине интенсивность потока космических лучей в 1000 раз меньше, чем на поверхности. Вскоре пришел положительный ответ, как вспоминал Константин Антонович, «на красивой зеленой бумаге». Прибыв в столицу, молодые ученые обосновались на самой глубокой в то время станции метро «Динамо» (60 метров), и с нетерпением ожидали ночи, когда в метро остановится последний поезд и можно будет повторить опыты по самопроизвольному делению урана. Измерения длились с часу ночи до пяти утра в течение шести-восьми месяцев, до конца 1940 г. Эффект спонтанного деления полностью повторился.

Абрам Федорович Иоффе, академик с мировым именем, «пригревший» команду первооткрывателей в своем Физтехе, на радостях послал телеграфом сообщение об открытии в американский журнал «Physical Review».

Так, через 42 года после открытия радиоактивности легендарными Беккерелем, Пьером и Марией Кюри, молодыми советскими физиками Константином Петржаком и Георгием Флеровым был обнаружен новый, 4-й вид радиоактивности, новый тип распада ядер урана – спонтанное деление. Научное открытие вошло в Государственный реестр открытий СССР под номером 33 с приоритетом от 14 июня 1940 года.

Флеров и Петржак очень хотели включить Курчатова в число авторов – ведь именно он предложил схему эксперимента, а затем участвовал в анализе результатов. Однако Игорь Васильевич наотрез отказался стать соавтором работы, сделанной руками его учеников – из опасения, что его научный авторитет помешает молодым ученым получить должное признание.

В Советском Союзе успех молодых физиков привлек большое внимание, прежде всего с позиций государственного престижа. Ведь открытие означало, что Курчатов и его сотрудники работают теперь на уровне ведущих зарубежных исследовательских центров. Особенно льстил факт, что открытие молодых физиков произошло на фоне неудачи американца У. Либби, также пытавшегося экспериментально обнаружить явление спонтанного деления.

Великий Нильс Бор, будучи очень высокого мнения о советской физике в целом и следивший за ее исследованиями, тоже был осведомлен об открытии. В письме к академику Иоффе от 23 декабря 1940 г. он написал: «крайне интересно, что эксперименты Петржака и Флерова, кажется, на самом деле подтверждают наши [Бора и Уиллера] ожидания. Очень желательно, чтобы эти важные эксперименты были в дальнейшем продолжены».

Забегая вперед, скажем, что в 1946 г. за открытие спонтанного деления урана Константин Антонович Петржак был удостоен Сталинской премии.

А пока молодой ученый по результатам открытия готовил к защите кандидатскую диссертацию. Однако защитить ее Константин Антонович не успел – началась Великая Отечественная война. Уже 22 июня 1941 года он был призван в действующую армию. В должности начальника разведки артиллерийско-зенитной части участвовал в боях на ленинградском направлении – на Карельском перешейке и на Волховском фронте.

20 марта 1942 г. лейтенант Петржак по приказу Государственного комитета обороны был демобилизован и направлен в Казань. Там, в эвакуированном из Ленинграда Радиевом институте шли работы, приблизившие страну к обладанию ядерным оружием. (Ядерная физика уже привлекла большое внимание воюющих правительств и в ядерные разработки были вложены огромные средства. Было известно, что Германия пытается создать грозное оружие, использующее огромную энергию деления урана. В 1943 г. в США и в 1946 г. в СССР были построены первые ядерные реакторы, где в результате облучения урана начали нарабатывать искусственный плутоний, выступающий новым топливом).

11 ноября 1942 года К.А. Петржак, наконец, защитил кандидатскую диссертацию. Вернувшийся к тому времени с фронта Курчатов подключил Петржака к работам по советскому атомному проекту и предложил ему разработать эффективный способ измерения выходов нейтронных источников. В результате был создан метод, названный впоследствии «методом сопутствующих частиц». Материалы этого исследования, крайне важные для создававшейся советской атомной промышленности, легли в основу докторской диссертации Петржака, которую он защитил 31 декабря 1948 г.

Кроме собственных фундаментальных исследований, величайшей заслугой Константина Антоновича Петржака является формирование им научной школы исследователей в области физики деления ядер и радиационного материаловедения. В конце 1947 г. ученый создал в Радиевом институте лабораторию нейтронной физики и физики деления, которой руководил более 40 лет. А в 1961 году организовал Проблемную лабораторию ядерной энергетики в Ленинградском Технологическом институте им. Ленсовета (нынешний Санкт-Петербургский государственный Технологический институт). В этом учебном заведении в полной мере проявились педагогические способности и организаторский талант Константина Антоновича. Здесь, на инженерном физико-химическом факультете, он создал в 1949 году кафедру ядерной физики, на которой проработал около 35 лет, в течение 25 лет возглавляя ее. Сотни выпускников инженерного физико-химического факультета прошли престижную, со знаком качества, школу Петржака.

Константину Антоновичу Петржаку было отпущено активное творческое долголетие. Так, с середины 1970-х и вплоть до 1991 г. он был участником международных исследований деления урана, проводившихся в Техническом университете Дрездена; в 1990-х руководил и консультировал международные проекты по проблеме отработанного ядерного топлива.

К.А. Петржак воспитал несколько десятков кандидатов и докторов наук; его научное наследие насчитывает более 300 публикаций, защищенных авторскими свидетельствами.
Замечательный ученый, наш земляк, Константин Антонович Петржак скончался в 1998 году. Был похоронен на Серафимовском кладбище Санкт-Петербурга.

27 апреля 2003 г. на совместном торжественном заседании Ученых советов НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина», Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) с представителями Общественного Объединения «Золотая Книга Санкт-Петербурга» и других общественных организаций города состоялась тожественная акция занесения имени К.А. Петржака в Листы Памяти Золотой Книги Санкт-Петербурга.

***

Эту яркую, насыщенную научную биографию ученого Константина Антоновича Петржака очень тепло дополняют воспоминания о нем – коллег, друзей, учеников.

В них предстает перед нами спокойный и жизнерадостный человек (не в этом ли секрет его долголетия?), бесконечно преданный своему делу. Обожавший своих учеников – все эту веселую, шумную и талантливую студенческую братию, любившую щегольнуть заковыристыми терминами из арсенала ядерной физики в компании зачарованных барышень и гордившуюся своей причастностью к передовой, «модной» науке (вспомним СССР 1960-х с его магазинами и кафе «Электрон», «Импульс» и конфетами «Радий»!).

Долгие годы дружил с академиком Георгием Николаевичем Флеровым, своим сотоварищем по знаменитому открытию. В путешествие на свою малую родину, в Малую Вишеру, Константин Антонович в 1978 году пригласил именно его. Профессор и академик прошлись по цехам Маловишерского стекольного завода, встретились с ветеранами предприятия, которые еще помнили юного Константина Петржака, расписывавшего стекло и фарфор в живописном цехе завода.

С живописью Константин Антонович не расставался никогда: несмотря на обширную научную и педагогическую деятельность, он всегда находил время для мольберта. Среди созданных им полотен – портреты учителей И.В. Курчатова и В.Г. Хлопина, друга и соратника Г.Н. Флерова, многочисленные пейзажи с видами любимого Карельского перешейка. Одиннадцать пейзажей вдова ученого Галина Ивановна Петржак в 2009 г. передала в дар музею Технологического института.

А еще он прекрасно играл на скрипке и гитаре, самостоятельно освоил фортепиано. Когда Константин Антонович Петржак выступал в институтских концертах или в задорной художественной самодеятельности вместе со своими студентами, зрители забывали, что перед ними вообще-то – один из основателей советской экспериментальной ядерной физики и лауреат двух Сталинских премий…

Литература к статье:

1. Петржак К.А. Спонтанное деление тяжелых ядер / К.А. Петржак, Г.Н. Флеров // Пятьдесят лет ядерной физики. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – С. 105-109.
2. Петржак К. Как было открыто спонтанное деление // Химия и жизнь. – 1970. - № 4.
3. Снегов С. Творцы: историческая повесть о современниках // Знамя. – 1976. – № 5. – С. 9.
4. Кокин А. Полпроцента удача: книга о людях науки. – М.: Советская Россия, 1976. – С. 82-137.
5. В гостях у земляков // Новгородская правда. – 1978. – 23 марта.
6. Храмов Ю.А. Физики: биографический справочник. – 2-е изд. – М.: Наука, 1983. – С. 378.
7. Знаменитые люди Маловишерского района: памятка читателю / составитель Е.Н. Щербакова; МБУК «Межпосел. библ. система Маловишер. р-на», Маловишер. центр. район. б-ка им. А.С. Пушкина. – Малая Вишера, 2014. – 28 с.: фот. цв.