Явления природы часто носят парадоксальный характер, а потому и история их открытий обычно являет собой причудливую вязь совпадений и случайностей. Именно такова история исследований расщепления урана — протянувшаяся на целых четыре года цепь ошибок, заблуждений и неверных гипотез, первым звеном в которой явились римские работы Ферми, еще в начале тридцатых годов предложившего получать искусственные радиоактивные изотопы наиболее тяжелых элементов, бомбардируя эти элементы нейтронами, открытыми незадолго до того Чедвиком.
Нейтроны — массивные ядерные частицы. Они электрически нейтральны и проникают в атом, несущий электрические заряды, с гораздо большей легкостью, чем альфа-частицы, с помощью которых Фредерик Жолио и Ирен Кюри проводили сходные эксперименты в Париже. Поскольку альфа-частицы, то есть ядра гелия, заряжены положительно, им действительно трудно подходить к ядрам бомбардируемого вещества, так как последние тоже заряжены положительно и отталкивают альфа-частицы. Что же касается нейтронов, то они способны проникать в атом, когда их скорость очень мала.
Ферми установил это почти случайно. По его наблюдениям, эффект бомбардировки нейтронами вещества мишени значительно усиливался, когда источник нейтронов бывал окружен слоем вещества, например парафина, содержащего большое количество атомов водорода. Ферми объяснил это тем, что испускаемые источником быстрые нейтроны замедляются вследствие столкновений с легкими атомами водорода в парафине и что медленные нейтроны гораздо легче захватываются ядрами атомов мишени.
Уран — самый тяжелый из существующих в природе естественных химических элементов. Он представляет собой очень твердый серый металл, ковкий и пластичный; температура его плавления ниже, чем у металлов со сходными химическими свойствами, — вольфрама, хрома, молибдена. Атомный номер урана 92, а массовое число самого распространенного изотопа урана равно 238; эти два числа указывают, что в ядре урана-238 имеется 92 протона и 146 нейтронов. Более легкий изотоп с массовым числом 235 встречается значительно реже: в каждой тысяче весовых частей природного урана его содержится всего семь частей. Химические свойства обоих изотопов абсолютно одинаковы, но физические — различны. Если бы таких различий не существовало, разделять изотопы оказалось бы невозможным, да и ненужным.
Бомбардируя ядра природного урана нейтронами, Ферми и его сотрудники выяснили, что уран как бы активируется. Это наталкивало на мысль, что некоторые ядра урана-238 захватывают нейтроны и превращаются в неустойчивые ядра урана-239. Затем каждый атом нового изотопа испускает один электрон и, теряя свое урановое первородство, превращается в элемент с атомным номером 93. Иными словами, дело представлялось так, будто уран после бомбардировки «трансмутировался» в неизвестный прежде элемент, выходивший за урановый предел периодической системы элементов.
Чтобы подтвердить сотворение трансуранового элемента, Ферми приготовил раствор из облученной нейтронами мишени, сделанной из химических соединений урана. Затем, добавляя в раствор реактивы, он постепенно перевел в осадок получившиеся химические соединения. Среди осажденных веществ по меньшей мере одно оказалось химически отличным от всех элементов, точнее от всех элементов тяжелее свинца. Вряд ли нужно говорить, как обрадовался Ферми, получив столь замечательный результат. Открытие совершенно нового элемента казалось ему несомненным. Ему, физику, и в голову не пришло сравнить неизвестное вещество с элементами, занимающими в таблице Менделеева место более раннее, чем свинец. Оно обязательно должно быть тяжелее самого тяжелого элемента — урана. В этом Ферми был убежден, ибо он не мог себе представить существование такого процесса радиоактивного распада, в ходе которого атом урана превратился бы в элемент легче свинца. Правда, фрау Ида Ноддак, немецкий химик, поставила под сомнение выводы Ферми и попыталась объяснить его открытие иначе. По ее предположению, облученный нейтронами уран не претерпевал обычного радиоактивного распада, вместо распада должно было происходить расщепление ядер урана. Однако она не сделала ничего для практической проверки своего предположения, прочие же физики не придали ему значения.
