Как известно, ни один химический процесс не может разделить изотопы одного и того же элемента: они обладают совершенно одинаковыми свойствами, входят вместе в одни и те же соединения и не могут быть идентифицированы ни одним химическим реактивом. Единственное, что отличает их друг от друга, – это разность между массами их ядер, определяемая числом нейтронов. Следовательно, надо было изыскивать такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, используя эту разность масс. Для легких элементов этот относительный сдвиг между атомными весами двух изотопов может быть довольно значительным: например, масса атома водорода 2 («тяжелый» водород, или дейтерий), содержащего один протон и один нейтрон, вдвое больше массы атома водорода 1 (обычный водород), в котором содержится только один протон. Однако у элементов, находящихся на другом конце таблицы Менделеева, разность масс в несколько нейтронов составляет только небольшую часть от общей массы атома. Таким образом, разделение изотопов, достаточно трудное даже для легких элементов, представляло почти неразрешимую задачу для тяжелых элементов и требовало огромной технической изобретательности и необыкновенного терпения.
Лоуренс предпринял в Беркли попытку разделить в природном уране изотопы 235 и 238, используя принцип действия масс-спектрографа – лабораторного прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Предварительно ионизованные атомы ускоряются электрическим полем, а затем пропускаются через магнитное поле, в котором они описывают полуокружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий пропорциональны произведению массы на скорость, легкие ионы оказываются на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые ионы. Если в этой плоскости поместить фотопластинку, то каждой химической группе атомов будет соответствовать отрезок прямой, а различным изотопам элемента – семейство прямых, распределенных в виде спектра (отсюда – название масс-спектрографа). Если же вместо пластинки поместить накопительные устройства, то можно раздельно собирать различные изотопы.
Но масс-спектрограф может накопить не более, миллионных долей грамма в день, а речь шла о добыче килограммов урана-235. Необходимость экстраполяции метода масс-спектрографа на большие масштабы натолкнулась на множество трудностей. Работать с газообразными соединениями урана весьма затруднительно, потому что в большом потоке ионов возбуждаются паразитные электрические эффекты, препятствующие разделению изотопов.
Оппенгеймер добровольно предложил Лоуренсу свое сотрудничество. Он внес предложение, которое позволило сэкономить три четверти средств, ассигнованных на разработку этого метода. Был сконструирован калютрон (циклотрон Калифорнийского университета), который использовался на гигантском заводе в Ок-Ридже вместе с другими установками для разделения изотопов.
Эффективная помощь, оказанная добровольно Оппенгеймером Лоуренсу, не могла остаться не замеченной руководителями работ по созданию ядерного оружия. Осенью 1941. года лауреат Нобелевской премии Комптон пригласил его принять участие в работе специальной комиссии Национальной академии наук, которая в течение двух дней обсуждала проблемы использования атомной энергии в военных целях. Через несколько месяцев эпизодическое участие Оппенгеймера в работе комиссии перешло в постоянное сотрудничество.
В июле Оппенгеймер взял на себя руководство группой теоретической физики, которая упорно продолжала искать наилучшую модель ядерной бомбы. Именно тогда и именно в этой группе впервые была серьезно исследована возможность высвобождения ядерной энергии в процессе, который можно, в известном смысле, считать обратным делению урана, – в процессе синтеза легких ядер, в частности водорода. Мы уже знаем, что дефект массы достигает максимума для элементов среднего атомного веса, находящихся в середине таблицы Менделеева. Этим объясняется то, что деление более тяжелых ядер, дающее средние ядра, сопровождается выделением энергии, соответствующей потерянной массе. Однако если использовать элементы с другого края таблицы, то оказывается, что при синтезе легких ядер (таких, как водород), образующих ядра более тяжелых элементов, также происходит переход к повышению дефекта массы, сопровождающийся выделением энергии. Этот тип ядерной реакции порождает энергию, испускаемую Солнцем и другими звездами. Оппенгеймер и его сотрудники установили, что осуществление взрывной реакции ядерного синтеза теоретически возможно, но потребует решения таких проблем, которыми следует заняться несколько позднее.
Соединенные Штаты вступили в войну; обстановка требовала решительных действий; перспектива создания урановой бомбы прояснялась с каждым днем, и та из воюющих сторон, которая первой стала бы обладательницей такой бомбы, могла быть уверена в своей полной победе.
