А. А. Ковальський. На лайливому полі ланцюгових реакцій

Член-кореспондент Академії наук СРСР Олександр Олексійович Ковальський був учнем, колегою та другом видатного вченого, академіка М. М. Семенова, нагородженого Нобелівською премією за розробку теорії ланцюгових хімічних реакцій.

Ковальський прожив всього 72 роки, але вони збіглися з цілою епохою в розвитку фізикохімії: від перших експериментів, що лягли в основу ланцюгової теорії, до створення ядерної зброї. Він входив до числа людей, чия величезна праця довгі роки залишалася під грифом такої суворої секретності, що навіть навколишні їхні молоді співробітники не відали про те, з якими складними завданнями успішно справлялися старші товариші.

Відтоді минуло 50 років, і завіса секретності стала злегка привідкриватися. Про основні події життя і роботи Ковальського — організатора одного з перших інститутів СО АН СРСР — нам розповідає дочка вченого, ґрунтуючись на власних спогадах, спогадах своєї матері, розповідях батька, його друзів і колег.

Щасливий старт

Дитинство і юність майбутнього фізикохіміка пройшли в невеликому провінційному місті Верному (згодом Алма-Ата). У віці семи років він втратив батька, і сім’я з 6 осіб жила на заробіток старшої сестри Анни — вчительки початкових класів. Склавши іспити за десятий клас екстерном, поїхав у Самарканд, мріючи про подальшу освіту. Сім’я вже не могла йому допомагати, і він поступив на будівництво зрошувального каналу старшим робітникам.

У 1926 р. Олександр Ковальський здійснив свою мрію — став студентом фізико-механічного факультету Ленінградського політехнічного інституту, витримавши найважчий конкурс

Перша спроба вступити до вишу в Ленінграді не вдалася. У той час студентами ставали переважно слухачі рабфаків, тому, маючи в графі «походження» запис «з міщан», важко було сподіватися потрапити до вишу. До наступного літа вважався безробітним і жив на випадкові заробітки.

У 1926 р. з ініціативи «батька радянських фізиків», академіка О.Ф. Іоффе в Ленінградський політехнічний інститут був оголошений вільний прийом в одну групу на фізико-механічний факультет, створений ще в 1919-му для підготовки кадрів, здатних до дослідницької роботи, для впровадження останніх досягнень науки у виробництво. Саме туди, витримавши конкурс у 30 осіб на місце, і вдалося вступити Олександру Ковальському.

Щасливою обставиною для Ковальського стала зустріч з М. Н. Семеновим, який запросив здібного другокурсника в свою лабораторію.

У Семенова в лабораторії молоді співробітники були рівноправними членами колективу, відповідальними за спільну справу. Вони відразу відчували відсутність дріб’язкової опіки, з самого першого дня маючи самостійну роботу з правом на власну ідею і свою методику експерименту. Про свій підхід до організації досліджень Семенов так писав у 1940 р.: «Треба озброїтися терпінням і одне за одним науково розбирати ті основні найпростіші явища, з яких складаються більш складні»….

Випуск ЛПІ 1930 р. Верхній ряд у центрі: викладачі В. Н. Кондратьєв (теж випускник ЛПІ, всього на чотири роки старший за своїх учнів) і А. Ф. Іоффе. В середньому ряду перший зліва — Ковальський

Взагалі ж інтуїція на талановитих людей у Семенова була дивовижна. У 1931 р. в його лабораторії з’явився хлопчик Яша Зельдович, якого після закінчення середньої школи привела його мама. Трохи поговоривши з ним, Семенов, не замислюючись, прийняв його в свій колектив, розгадавши в тихому худенькому хлопчику майбутнього талановитого фізика.

Правда, один раз інтуїція його підвела. Як випливає з розповіді самого Семенова, одного разу до нього прийшов молодий чоловік з пропозицією виконати експеримент, в результаті якого з поширених і дешевих матеріалів він брався організувати реакцію отримання гасу. Ідея підкріплювалася солідними теоретичними викладками.

Лабораторія Семенова в ІХФ (1930-ті роки). Нижній ряд (зліва направо): третій — М. М. Емануель, п’ятий — В. Н. Кондратьєв, шостий — Н. Н. Семенов, сьомий — Ю. Б. Харитон. Верхній рядок (зліва направо): другий — А. А. Ковальський, п’ятий — П. Садовников (талановитий фізик, єдиний з лабораторії загиблий на фронті)

Семенов, людина захоплюється, погодився на створення експериментальної установки для демонстрації результативності ідеї. Що і було зроблено. Керосін був отриманий. Тоді автору для створення більшої установки були видані гроші, з якими він і зник. А коли розібрали установку, то виявили хитро заховану посудину з керосином, звідки гас і капав. Семенов, розповідаючи про цей випадок, сміявся і говорив, що для організації такого обману потрібно бути по-справжньому талановитою людиною.

На успіхах учнів Семенова позначилося, звичайно, і те, що цей талановитий колектив друзів-однодумців працював у практично новій науці — хімічній кінетиці. Про фізичні ефекти в хімії тоді мало що було відомо — кожен новий експеримент ставав відкриттям. У лабораторії панував дух колективізму і цільової спрямованості досліджень. Навички і стиль такої роботи дозволили згодом ІХФ витягнути неймовірно важке завдання — проведення польових випробувань ядерної зброї.

Академік Микола Миколайович Семенов

Академік М. М. Семенов так писав про принципи керівництва науковою молоддю:

«Підбирай по можливості тільки здібних, талановитих учнів, притому таких, в яких видно прагнення до наукового дослідження. У спілкуванні з учнями будь простий, демократичний і принциповий. Радійте і підтримуй їх, якщо вони праві, то зможемо переконати їх, якщо вони не праві, науковими аргументами. Ніколи не приписуй свого прізвища до статей учнів, якщо не брав як вчений прямої участі в роботі… Не захоплюйся надмірним керівництвом учнями, давай їм можливість максимально проявляти свою ініціативу, самим справлятися з труднощами «.

З політехнічного інституту Ковальського випустили з характеристикою, підписаною самим академіком Іоффе: «А. А. Ковальський є дуже здібним і працездатним молодим вченим. За 2 роки роботи він виконав 4 великих дослідження і почав п’яте. У всіх роботах Ковальський виявив виняткове експериментальне чуття, поєднане з серйозним теоретичним опрацюванням питання. Він має всі дані перетворитися на великого вченого з питань газових реакцій і вибухів «.

Початок «ланцюгових реакцій»

Вже в 1934 р. вийшла у світ монографія Семенова «Ланцюгові реакції», де теоретичне обґрунтування було підтверджено в тому числі і експериментами Ковальського. Пізніше, на якомусь з ювілеїв ІХФ, Семенов, тоді вже нобелівський лауреат, при підбитті підсумків діяльності ІХФ скаже з притаманною йому скромністю: «В ІХФ створена теорія ланцюгових реакцій при моїй посильній участі». При цих словах зал зааплодував.

Логіка розвитку теорії ланцюгових реакцій природним чином призвела до розуміння механізму ланцюгових реакцій ділення атомних ядер, в якому нейтрони відіграють ту ж роль, що і активні проміжні продукти в ланцюгових хімічних перетвореннях. У 1939-40 рр. в стінах ІХФ були виконані класичні роботи Я.Б. Зельдовича і Ю.Б. Харитона з кінетики ланцюгового розпаду урану. Але тут почалася Велика Вітчизняна війна. Роботи з ядерної тематики були відставлені, і діяльність інституту була перебудована з урахуванням вимог воєнного часу: велися розробки вибухових речовин, палива для реактивної зброї тощо.

Спільно з М. М. Чирковим Ковальський розробив спосіб отримання сірки при відновленні сірчистого газу окисом вуглецю. Цей метод був впроваджений на металургійному заводі в м. Горлівка, що дало можливість СРСР припинити закупівлю сірки за кордоном

У 1934 р. практично весь колектив ІХФ отримав сильне отруєння ртуттю. За розповідями очевидців, жодних запобіжних заходів не вживали. Приміщення було настільки заражене, що якщо з оштукатуреної стіни витягали цвях, то з дірки з’являлася крапелька ртуті. Всі співробітники пройшли спеціальне лікування, але наслідки отруєння залишилися у них на все життя.

Як і більшість інших інститутів Академії наук, ІХФ був евакуйований в Казань. Велика частина вчених жила в колишньому студентському гуртожитку на пустирі на околиці Казані.

У кожній кімнаті — пічки-буржуйки з трубою, що виходить у вікно. І постійні протяги. (У кожного вченого була своя теорія, як направити пічні труби і які додати коліна для того, щоб дим не задувало в кімнату, — зовні висока будівля гуртожитку виглядала кумедно у зв’язку з різноманітним розташуванням труб.) Крім того, долали щури і блохи. Ну і, звичайно, постійне почуття голоду. Влітку 1943-го в місцевій газеті біологи опублікували статтю про те, в якій траві більше білків і як її можна використовувати в їжу. Такою травою виявилася лебеда. Для багатьох вона стала порятунком…

З. Д. Ковальська з дочками Мариною і Галиною в евакуації в Алма-Аті. Фотографія була відправлена в Казань, куди був евакуйований ІХФ. 1941 р.

У розпал війни, в лютому 1943 р. Державний комітет оборони ухвалив рішення про початок робіт з атомного проекту на чолі з І.В. Курчатовим. Під час підготовки цього рішення Курчатов назвав співробітників ІХФ Зельдовича і Харитона серед перших учених, яких потрібно було залучити до участі в проекті, і які згодом стали організаторами одного з основних центрів зі створення радянської ядерної зброї в Арзамасі-16 (нині Саров). Очевидно, що рішення про початок робіт з атомного проекту було прийнято ще раніше, оскільки за рік до цього був організований Московський механічний інститут Міністерства боєприпасів (надалі перейменований в МІФІ), який почав готувати фахівців для атомної галузі. У травні 1943 р. було прийнято рішення про переведення ІХФ до Москви, що завершилося до серпня наступного року.

У Москві інституту було передано будівлю Музею народів СРСР, який припинив своє існування під час війни. До революції це була будівля поміщичої садиби. У правому крилі, в двоповерховій квартирі оселилася велика сім’я Семенова, і в ній же — сім’ї Ковальського і Штерна.

У зв’язку з керівництвом атомним проектом прізвище Курчатова згідно з вимогами секретності було закрито. Семенов же був вельми відомою особистістю, і засекретити його було складно. Тому при ньому завжди перебував хто-небудь з охоронців, які змінювали один одного, яких в ІХФ чомусь звали «хіміками».

Лабораторія електронних явищ у ленінградському Фізико-технічному інституті була свого роду феноменом: переважна більшість її співробітників зросла у великих вчених. Початок їй було покладено в 1921 р. 25-річним М. М. Семеновим. Першими його соратниками були майбутні академіки В. Н. Кондратьєв, Ю. Б. Харитон, А. І. Лейпунський та ін.

Вже в перші роки існування лабораторії були отримані результати, що міцно увійшли до світової науки: наприклад, вперше була експериментально доведена дисоціація молекули під ударом електрону, доведено існування процесу, зворотного дисоціації, закладені експериментальні основи і створена сучасна теорія теплового пробою діелектриків тощо.

Потім лабораторія була перетворена у відділ фізичної хімії, а в 1931 р. на його базі був створений Інститут хімічної фізики (ІХФ).

Перший атомний…

У 1947 р. інститут отримав завдання уряду брати участь у випробуваннях першої атомної бомби, для чого потрібно було розробити методику вимірювання основних фізичних характеристик ядерного вибуху і провести спеціальні натурні експерименти (полігонні випробування). Необхідно було також розробити і виготовити серії різноманітних вимірювальних приладів — осциллографів, фото- і кіноустановок, що дозволяють реєструвати різні фази ядерного вибуху. Потрібні були і численні пристрої для вимірювання інтенсивності вражаючих факторів вибуху, таких як ударні повітряні хвилі, пругі хвилі в ґрунті, деформації ґрунту, а також ефектів, вироблених рентгенівським випромінюванням, потужними потоками світла, гамма-променів і нейтронів. Терміни виконання завдання були дуже жорсткими, а куратором проведення всіх ядерних випробувань був сам Л. П. Берія.

У 1946 р. Ковальський серед інших співробітників ІХФ був нагороджений орденом Трудового Червоного Прапора, який йому вручав сам «всесоюзний староста» М. І. Калінін.

Ці роботи за радянським Атомним проектом, безпосередньо здійснені співробітниками ІХФ і військовими, які пройшли там стажування з ядерної фізики, стали найбільш масовими і великомасштабними. На початку 1948 р. в інституті вже почали свою діяльність КБ приладобудування і оптико-механічна майстерня. Для розробки вимірювальної апаратури був створений відділ під керівництвом Г.Л. Шнірмана, який не тільки сам створив багато зразків складної апаратури для ядерних випробувань, але і залучив до цього інших талановитих вчених-конструкторів.

Діти співробітників ІХФ — такий же дружний колектив, як і їхні батьки — у дворі двоповерхового дерев’яного будинку з пічним опаленням на вулиці Притулковій, де жили багато співробітників ІХФ. Ленінград. 1939 р. Нижній ряд (зліва направо): друга і третя — Галина і Марина Ковальські

Місце для випробувального полігону було обрано біля Семипалатинська. Начальником полігону і керівником випробувань був призначений М. А. Садовський, заступник Семенова. На полігоні для управління приладами потрібно кілька сотень спостерігачів, для чого Садовський запропонував використовувати військових, які пройшли стажування в ІХФ. У 1949 р. перший атомний вибух був успішно проведений.

У 1949 р. був успішно проведений перший атомний вибух, при якому використовувалися складні вимірювальні пристрої, створені в ІХФ.

Директор ІХФ Семенов був стурбований не тільки успіхом ядерних випробувань, але і роботою по захисту від атомних бомб. Ковальський очолив групу, яка почала працювати в Дубні на синхрофазотроні. Їхнім завданням стали дослідження поглинання і розмноження нейтронів високої енергії (близько сотень Мев).

Як випливає зі спогадів члена групи В. І. Гольданського, інтерес до цих явищ був викликаний ідеєю Семенова про те, щоб вже скинуту з літака атомну бомбу для нейтралізації вибуху підсвітити з землі потужним потоком частинок високої енергії. Тому потрібно було на модельних об’єктах подивитися, як поглинаються нейтрони на шляху до об’єкта, в оболонці, що оточує ядерний заряд, і в самому заряді. І Ковальський придумав і в деталях розробив спосіб вимірювання окремо поглинених і розсіяних нейтронів — так званий «метод хорошої і поганої геометрії».

На початку 1950 р. був випущений перший звіт по цій роботі, в якому наведені результати досліджень перерізу поглинання нейтронів у вуглеці, урані і свинці. Нейтрони з середньою енергією 120 Мев виходили в результаті бомбардування мідної пластини дейтонами з енергією 280 Мев. Досліди з поглинання нейтронів проводилися на відстані 27 метрів від мішені. В результаті великої серії дослідів з матеріалом різної товщини були отримані перерізи так званих неупругих процесів. Ці дані внесли помітний внесок в оптичну модель, використовувану для опису взаємодії нейтронів високої енергії з ядрами атомів.

Нові корпуси Інституту хімічної фізики, побудовані в Москві відразу після війни. Кругла будівля — прискорювач

Бомба і дівчата з арифмометрами

Восени 1950 р. Курчатов, знайомий з Ковальським ще з Фізико-технічного інституту, запросив його до себе і доручив йому роботи, пов’язані з дослідженням поперечних перерізів різного роду реакцій між легкими ядрами, необхідні для створення водневої зброї. З цього часу почалася участь Олександра Олексійовича в підготовці до запуску водневої бомби.

Він став періодично їхати у відрядження, що тривали до півроку. Листів і ніяких звісток не було. Потім дзвонили дружині і повідомляли прізвище льотчика, з яким він прилітав на військовий аеродром, — дозволяли його зустріти. А через деякий час він знову виїжджав. Секретність на об’єкті була дуже високою.

Там же Ковальський познайомився і працював разом з А. Н. Туполєвим, про якого через багато років відгукувався з великою теплотою. Жили приїжджаючі в готелі, а поруч стояли корпуси, обнесені колючим дротом. Ковальський розповідав, що одного разу він спускався вранці сходами, а назустріч — озброєний солдат з пакетом у руці. Першою думкою було, що його переведуть туди, за колючий паркан. Але солдат відкозиряв і вручив пакет, привітання з ІХФ з днем народження.

Зустріч з дружиною після повернення з чергових випробувань ядерної зброї. 1956 р.

У завдання Ковальського входила теоретична (оскільки ніяких експериментальних даних не існувало) оцінка поля теплового випромінювання, що виникає при вибуху водневої бомби. Більше половини енергії, що виділяється при повітряному вибуху атомної бомби, витрачається на розігрів повітря поблизу від центру вибуху. Розпечені до кількох сотень тисяч градусів гази, що утворюють вогняну кулю, інтенсивно випромінюють світло. У вигляді теплового випромінювання, що поширюється на великі відстані від центру вибуху, виділяється близько третини всієї енергії атомного вибуху. Потрапляючи на навколишні предмети, випромінювання нагріває їх, в результаті чого горючі матеріали можуть займатися, що призводить до масових пожеж.

Для оцінки впливу теплового випромінювання найбільш істотною характеристикою є величина променистої енергії, що потрапляє на одиницю поверхні на різних відстанях від центру вибуху, тобто величина теплового імпульсу. Тому були проведені розрахунки можливого теплового імпульсу з урахуванням розсіювання і поглинання променевої енергії в атмосфері. Для розрахунків замість комп’ютерів, що не існували, використовувався арифмометр. Наприклад, один з варіантів водневої бомби розраховувався наступним чином: в одному приміщенні було зібрано 25 дівчат з арифмометрами, розбитих на 5 груп, до кожної групи був приставлений студент-п’ятикурсник з рахунковою програмою. І така робота йшла цілодобово, без вихідних і свят.

Третій орден — за КСВМ

Першу водневу бомбу планували скинути з літака. Тому було поставлено завдання: літаку потрібно було віддалитися на таку відстань від точки вибуху, щоб уникнути загибелі від теплового випромінювання. Необхідні для цього дані розрахував Ковальський. На протоколі готовності до випробувань серед багатьох інших стояв і його підпис, який гарантував безпеку льотчика.

Крило головної будівлі ІХФ, де розташовувався відділ теплових вимірювань, створений під керівництвом Ковальського

Перша воднева бомба була підірвана в серпні 1953 р. Її потужність була більш ніж у 20 разів більшою, ніж у атомної з такою ж вагою і габаритами. Все пройшло благополучно. Ковальський був нагороджений своїм другим орденом Трудового Червоного Прапора.

Перша воднева бомба була підірвана в серпні 1953 р. Її потужність більш ніж у 20 разів перевищувала потужність атомної бомби з такою ж вагою і габаритами.

5 грудня 1953 р. вдома у Ковальського зібралися Семенов, Харитон, Садовський і хтось ще з його колег, всі з дружинами. (Лише через багато років домашні дізналися, що це була зустріч з нагоди вибуху першої водневої бомби.) Дружина Ковальського відмінно готувала, тому всі любили з нагоди якихось подій збиратися у нього. Тут же був присутній і охоронець Семенова. Природно, розмовляти про роботу було не можна. Хтось із гостей запропонував випити за Конституцію. А Харитон, дуже весела і дотепна людина, відповів: «Кому подобається конституція, а на мене так краще свинячий хрящик» (на столі якраз було заливне порося). Було спільне мовчання. Охоронець, що сидить у кутку, стрепенувся. Але він, на щастя, виявився порядною людиною і не доповів по інстанції про «погляди Харитона» — в той час такі слова могли доставити багато неприємностей. Згодом, до речі, цей чоловік був прийнятий на роботу в ІХФ і пропрацював там багато років.

А. А. Ковальський з родиною. 1952 р.

Після випробування водневої бомби в ІХФ під керівництвом Ковальського був створений відділ теплових вимірювань, чиїм завданням було експериментальне вивчення величини теплового імпульсу ядерного вибуху: калориметрування потоку випромінювання, визначення ефектів впливу світлових імпульсів на горючі матеріали в натурних випробуваннях і моделювання впливу світлового потоку на горючі матеріали в лабораторних умовах. Формально відділ був розділений на три лабораторії, але чіткого поділу між ними не було: групи складалися для виконання чергової конкретної роботи.

Ковальський розробив простий і витончений метод роздільного калориметрування гомогенної і гетерогенної ланцюгових реакцій, який дав перший переконливий доказ зародження ланцюгових реакцій на поверхні і виходу гетерогенних каталітичних реакцій в об’єм. Перша публікація — в огляді В. І. Гольданського, якому Ковальський надав неопубліковані матеріали. А і В — термопари в капілярах. Вимірюється різність температур (Т) в центрі судини і на стінці. Температури істотно розрізняються в разі гомогенної і суто гетерогенної реакції

Для польових робіт був необхідний надійний, недорогий, простий за принципом дії та експлуатації прилад. Таким приладом став КСВМ (калориметр світловий механічний), що вимірював інтегральну величину теплового імпульсу ядерного вибуху, ідея якого належала Ковальському.

Сам прилад являв собою вузьку рамку, в якій знаходилася зачорнена дюралева пластина, що збільшується в розмірах за рахунок теплового розширення практично при будь-якому розігріві. Ця пластина при своєму розширенні штовхала невеликий короткий стрижень, зміщення якого можна було виміряти з точністю до 1 мкм. Для захисту від ударного впливу прилад поміщали в сталеву трубу. Кут зору приладу був близький до 180 °. Чутливість легко варіювалася зміною товщини вимірюючої пластини, внаслідок чого прилад був універсальним.

В ІХФ було виготовлено та відградовано близько тисячі таких приладів. І, починаючи з кінця 1954 р., КСВМ використовувався при всіх наземних і повітряних випробуваннях ядерних пристроїв, що зробило можливим отримання повної картини розподілу теплового випромінювання при ядерному вибуху. У 1956 р. за винахід КСВМ і організацію досліджень світлового випромінювання при ядерних вибухах А. А. Ковальський був нагороджений третім орденом Трудового Червоного Прапора.

На полігонних випробуваннях експериментально вивчалося також питання і про захист від теплового випромінювання з використанням туману, диму тощо, над яким, крім вчених, працювали військові фахівці з димових завісів.

З альбому-зошутки «Хімфізика в мистецтві» до 25-річного ювілею ІХФ (1956 р.). «Богатирі» (зліва направо): В. Н. Кондратьєв, Н. Н. Семенов, Я. Б. Зельдович

Сибіріада

Один з «батьків-засновників» Сибірського відділення Академії наук, академік С.А. Христианович, був добре знайомий з Ковальським по спільній роботі в Атомному проекті. І ще до виходу урядової постанови про створення новосибірського Академмістечка Лаврентьєв і Христианович запропонували Ковальському, в той час доктору хімічних наук, переїхати в Сибір і очолити роботи з горіння в Сибірському відділенні.

За пропозицією Семенова до складу Сибірського відділення був включений перший з хімічних інститутів