Текст книги "Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 7 страниц)
Annotation
Женщина, еврейка и ученый – непростая комбинация для бурного XX века. Австрийка по происхождению, Лиза Мейтнер всю жизнь встречала снисходительность и даже презрение со стороны коллег-мужчин и страдала от преследований нацистов. Ее сотрудничество с немецким химиком Отто Ганом продолжалось более трех десятилетий и увенчалось открытием нового элемента – протактиния – и доказательством возможности расщепления ядра. Однако, несмотря на этот вклад, Мейтнер было отказано в Нобелевской премии. Она всегда отстаивала необходимость мирного использования ядерной энергии, в изучении которой сыграла столь заметную роль. Сегодня исследовательница стала воплощением научного гения и символом борьбы с нетерпимостью и предрассудками.
Roger Corcho Orrit
Введение
ГЛАВА 1
ГЛАВА 2
ГЛАВА 3
ГЛАВА 4
ГЛАВА 5
Список рекомендуемой литературы
Указатель
Roger Corcho Orrit
Наука. Величайшие теории Выпуск 33, Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра
Еженедельное издание
Пер. с исп. – М.: Де Агостини, 2015. – 152 с.
ISSN 2409-0069
© Roger Corcho Orrit, 2013 (текст)
© RBA Collecionables S.A., 2013 © ООО «Де Агостини», 2014-2015
Введение
«Физик Лиза Мейтнер, никогда не терявшая своей человечности», – такая эпитафия высечена на могиле этой исследовательницы и ученого в Брамли, маленьком городке в Хэмпшире, Великобритания. Слово «человечность» входит в абсолютную шкалу ценностей, верность которой Мейтнер сохраняла всю жизнь и которая в самые трудные минуты становилась для нее единственной опорой. Эту эпитафию можно расценивать и как укор, адресованный представителям ее поколения, увлекшимся нацистской идеологией с характерным для нее расизмом и ксенофобией. Мейтнер сохранила уважение к человеку в то время, когда многие, к сожалению, это уважение утратили.
Она неоднократно становилась жертвой несправедливости, причем из-за вполне конкретных людей и обстоятельств. Благодаря решимости и поддержке со стороны семьи Мейтнер смогла преодолеть социальные и юридические препоны, которые не позволяли ей учиться и впоследствии заниматься любимым делом – исследованиями. Когда Лиза начала сотрудничать с химической лабораторией в Берлине, ей выделили для исследований небольшую комнатку в подвале, поскольку женщинам доступ в здание был запрещен. И все же трудности не стали для нее непреодолимым препятствием и не помешали совершить важнейшие открытия. Впоследствии, когда исследовательницу начали притеснять за еврейское происхождение, ей оставалось только бежать, и Мейтнер оставила работу в Берлине, коллег, друзей и личные вещи. Она села в поезд, уносивший ее от прежних исследований, и это, конечно же, повлияло на дальнейшую карьеру Мейтнер.
В те годы быть женщиной, да еще иметь еврейские корни было слишком тяжким бременем и препятствием, которое, в частности, встало между Мейтнер и Нобелевской премией по химии за открытие расщепления ядра. Ее незаслуженно обошли, в то время как работавший рядом Отто Ган получил все лавры за это общее достижение. Горечь несправедливости отчасти сгладили врученные Мейтнер впоследствии медаль Макса Планка – наивысшая награда по физике в Германии – и премия Энрико Ферми в США. Исследовательница присутствовала на открытии в 1959 году Института ядерных исследований Гана – Мейтнер, основанного при поддержке Вилли Брандта, мэра Берлина в то время (учреждение существует до сих пор и называется Берлинским центром Гельмгольца). Посмертным признанием заслуг исследовательницы стало учреждение в 2000 году премии в ее честь по ядерной физике, присуждающейся раз в два года Европейским физическим обществом за наиболее выдающиеся теоретические, экспериментальные и прикладные работы в данной области. Не стоит забывать и о 109-м элементе периодической таблицы, названном в честь Мейтнер – «величайшего ученого века», по заявлению исследователей, синтезировавших новое вещество. Мейтнерий (Mt) был создан в 1982 году, а свое название получил в 1997-м.
По словам английского физика Джеймса Чедвика, содружество Мейтнер и Гана было «одним из самых плодотворных за всю историю науки». Это длительное партнерство продолжалось с перерывами на протяжении трех десятилетий, и только приход нацистов к власти смог его разрушить. Мейтнер была физиком, Ган – химиком, и оба они приложили свою мудрость и способности к разрешению множества важных задач, среди которых выделяется задача расщепления ядра. Знание принципов физики, как это было в случае с Мейтнер, и талант химика-экспериментатора Гана стали ключевыми для решения головоломки, не поддававшейся ученым в течение нескольких лет. Помимо расщепления ядра, Мейтнер в сотрудничестве с Ганом смогла выделить новый элемент, протактиний (Ра), с коротким периодом полураспада.
«Расщепление» означает раскол, разъединение, разделение. Под термином «расщепление ядра» понимается деление атомного ядра. В ядре, расположенном в центре атома, сконцентрирована практически вся его масса. Ядро состоит из двух типов частиц – положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Среди элементов с наибольшим количеством частиц в ядре можно назвать уран с 92 протонами и разным количеством нейтронов; при изменении количества нейтронов образуются так называемые изотопы, в данном случае – изотопы урана. Для их точной идентификации указывается массовое число (сумма протонов и нейтронов), так что мы говорим об уране-234, уране-235 и уране-238.
Уран в начале XX века вызывал большой интерес ученых. Этот элемент очень нестабилен, его ядро разделяется спонтанно, при этом наблюдаются два типа распада: альфа-распад (испускается частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов) и бета-распад (испускается один электрон). Во времена Мейтнер уран считался элементом с самым большим атомным числом. О существовании элементов с большим количеством протонов ничего не было известно, так что уран замыкал периодическую таблицу.
У многих ученых задача определить возможность существования элементов с большим атомным числом вызывала огромный интерес. Эти гипотетические элементы были названы трансурановыми. Сам Энрико Ферми провел серию опытов по бомбардировке урана нейтронами и пришел к выводу, что при этом образуются некие элементы, которые могут быть трансурановыми, а также возникают трудно интерпретируемые цепные реакции. Опыты по бомбардировке урана нейтронами воспроизвели другие ученые, среди которых были Мейтнер и Ган. Исследования продолжались в течение нескольких лет, и задержка в их корректной интерпретации объяснялась существовавшими в тот момент представлениями в области физики и химии. В конце концов Мейтнер и Ган смогли доказать, что бомбардировка нейтронами вызывает деление ядра урана на две части.
В ту эпоху многие ученые в разных странах совершили важнейшие открытия, касавшиеся природы атомов. Эти открытия постепенно дополняли друг друга, пока не вырисовалась невероятно сложная теоретическая картина, подтвержденная экспериментально. В основе нового понимания структуры материи лежат открытия, сделанные уникальными физиками XX века – новозеландцем Эрнестом Резерфордом, французской парой Ирен Кюри и Фредериком Жолио, американцем Эрнестом Лоуренсом и итальянцем Энрико Ферми.
Возможно, самым ценным следствием открытия расщепления атома стала возможность использовать огромное количество энергии, содержащееся в каждом ядре и выделяющееся при его распаде. После деления ядра уран превращается в более легкие химические элементы, такие как криптон и барий. Мейтнер доказала, что энергия, высвобождающаяся при распаде, то есть энергия, потенциально содержащаяся в ядре, может быть рассчитана на основе соотношения материи и энергии, открытого Альбертом Эйнштейном в его теории относительности. Так как сумма массы продуктов распада немного меньше первоначальной массы атома, мы вслед за Эйнштейном можем сказать, что разница масс трансформируется и высвобождается в виде энергии.
Количество энергии, выделяющееся при расщеплении одного ядра, может показаться незначительным в абсолютных величинах, но при распаде урана также испускаются нейтроны. Эти нейтроны, в свою очередь, могут вызвать новые расщепления. Энергия от таких цепных реакций расщепления называется ядерной энергией. Процесс цепной реакции открыли Лео Силард и Энрико Ферми. Предполагалось, что расщепление высвобождает силы, заключенные внутри атомов. Понимание механизмов их взаимодействия является фундаментальным условием контроля и возможности использования этих сил.
Расщепление ядра исторически связано с датой 6 августа 1945 года, когда бомбардировщик Enola Gay поднялся с Марианских островов, чтобы через шесть часов сбросить ядерную бомбу на город Хиросима. Разрушительная мощь «Малыша» (от англ. Little Boy), как назвали эту бомбу, превосходила мощь любого другого оружия, когда-либо изобретенного человеком. Мейтнер неизменно отказывалась от участия в разработке бомбы, хотя ее приглашали присоединиться к Манхэттенскому проекту. Несколько лет спустя Мейтнер, занимавшаяся исследованиями, направленными на мирное использование ядерной энергии, согласилась сотрудничать в этой сфере с Международным агентством по атомной энергии ООН. В 1950-х годах начали возникать многочисленные проекты, связанные с коммерческим использованием ядерной энергии, – в это время появились первые атомные станции, вырабатывающие электричество.
Лиза Мейтнер стала первой женщиной, получившей докторскую степень Венского университета, – небывалое событие для университета с 500-летней историей. Она пользовалась уважением и дружбой таких великих ученых, как Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Людвиг Больцман. Эйнштейн называл Мейтнер «нашей Марией Кюри». Большая любительница дебатов, она вела жаркие дискуссии по квантовой физике с основными представителями этого направления – Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом – на научных встречах, в том числе на Сольвеевских конгрессах. Атмосфера взаимного доверия развеялась с приходом нацистов. Мейтнер упрекала физиков немецкого происхождения Гана и Гейзенберга за то, что в национал-социалистический период они предпочли закрыть глаза и не замечать, что творит правительство. Несмотря на то что после Второй мировой войны перед исследовательницей несколько раз открывалась возможность вернуться в Германию, она отвергала такой вариант, потому что не могла представить себе сотрудничество с учеными, которые способствовали нацизму или как минимум мирились с ним. Она объясняла, что вернуться ей не позволяли «моральные принципы». Когда до Мейтнер дошли сведения о Бухенвальде и Берген-Бельзене, она написала Гану, что «нужно заставить таких людей, как Гейзенберг, посмотреть на эти лагеря и замученных людей, и на миллионы таких, как он». Лиза считала, что немцы не имеют права прикрываться своим незнанием, она утверждала: «Вы просто не хотели видеть – это было слишком неприятно».
Мейтнер стала для многих не только научным, но и моральным авторитетом. Ее стремление к знаниям, казалось, могло преодолеть все барьеры, а сама она в своем выступлении на конференции ЮНЕСКО в 1953 году утверждала:
«Наука побуждает людей бескорыстно искать истину и стремиться к объективности, учит с удивлением и восхищением принимать правду, не говоря о глубоком изумлении и радости, которые дает настоящему ученому знание естественного порядка вещей».
1878 В Вене (столице Австро-Венгерской империи) 7 ноября родилась Лиза Мейтнер, третья из восьми детей Филиппа Мейтнера и Хедвиг Сковран.
1901 Начинает изучать физику в Венском университете.
1902 Посещает занятия Людвига Больцмана.
1906 Становится первой женщиной, получившей докторскую степень в Венском университете, и начинает исследования радиоактивности.
1907 Переезжает в Берлин, чтобы слушать лекции Макса Планка. Здесь знакомится с Отто Ганом.
1908 Мейтнер открывает явление радиоактивной отдачи: ядро после испускания частицы испытывает нечто похожее на отдачу при выстреле.
1912 Становится ассистентом Планка. Приступает к работе в только что открытом Институте химии имени кайзера Вильгельма.
1915 Решает в качестве добровольца вступить в австрийскую армию как техник-рентгенолог. Ган начинает заниматься разработками ядовитых газов.
1918 Мейтнер и Ган публикуют статью об открытии 91-го элемента периодической таблицы, который после некоторых размышлений получает название протактиний (Ра).
1921 Отправляется в Копенгаген, где у нее завязывается крепкая дружба с Нильсом Бором. Через два года становится профессором Берлинского университета, где работает в течение десяти лет.
1933 К власти приходит Гитлер. Издается указ, согласно которому Мейтнер запрещено преподавать.
1934 Внимательно следит за исследованиями Энрико Ферми по трансурановым элементам. Вместе с Ганом и впоследствии со Штрассманом начинает исследования трансурановых элементов.
1938 Происходит аншлюс Австрии. В июне покидает Германию. Год спустя вместе с Отто Фришем публикует результат интерпретации опыта Гана – Штрассмана.
1947 Оставляет Институт Манне Сигбана и переходит в отдел физики Королевского технологического института Стокгольма.
1949 Мейтнер и Ган получают медаль Планка.
1959 Открывается Институт ядерных исследований Гана – Мейтнер в Берлине.
1966 Вместе с Ганом и Штрассманом получает премию Энрико Ферми за открытие расщепления атома.
1968 Умирает в Кембридже (Великобритания) 27 октября.
ГЛАВА 1
Одна зимняя прогулка
Самым главным вкладом Лизы Мейтнер в науку уже на закате карьеры стало открытие расщепления атома. Впервые ей удалось представить себе механизм этого процесса во время зимней прогулки со своим племянником, тоже ученым, Отто Робертом Фришем. Однако это открытие было не случайностью, а результатом многолетней работы Мейтнер с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.
В конце 1938 года Лиза Мейтнер получила письмо от своего коллеги, немецкого химика Отто Гана (1879-1968). Мейтнер было уже 60 лет, она жила в Стокгольме и работала в Нобелевском институте физики, научном учреждении, директором которого был физик Карл Манне Георг Сигбан. После бегства Мейтнер из нацистской Германии институт дал ей работу, но друзей он ей предоставить не мог, и исследовательница в Швеции страдала от одиночества и отсутствия хорошей лаборатории. До этого она работала в одном из главных научных учреждений Германии, где у Мейтнер сложилась блестящая карьера, а теперь, на чужбине, она была вынуждена прервать экспериментаторскую деятельность. Письмо Гана, с которым Лиза сотрудничала в течение долгих десятилетий, удивляло: коллега сообщал о результатах эксперимента, на который его вдохновила именно Мейтнер.
В ходе исследований атомного ядра вместе с немецким химиком Фрицем Штрассманом (1902-1980) Ган проводил бомбардировку урана нейтронами по методике итальянского физика Энрико Ферми (1901-1954). При этом ядро забирало один нейтрон, и начинался радиоактивный процесс, приводивший к бета-распаду. Однако среди продуктов реакции неожиданно был обнаружен барий. Для Гана присутствие бария было загадкой, и он решил поделиться этим со своей недавней коллегой.
Барий – гораздо более легкий элемент по сравнению с ураном. Для экспериментов использовались образцы чистого урана, откуда же появлялся барий? Его просто не должно было быть – все химические и физические знания эпохи никак не объясняли возможность появления бария, принципиально отличавшегося от урана.
Фройляйн Мейтнер – профессор Мейтнер – вынуждена была покинуть нашу лабораторию в июле 1938 года из-за режима Гитлера, ей пришлось уехать в Швецию. Штрассман и я начали работать в одиночку, и осенью 1938 года мы обнаружили странные результаты.
Отто Ган
Для выделения и идентификации элементов Ган использовал очень точный химический процесс – фракционную кристаллизацию, так что возможность ошибки была невелика. В письме Гана мы читаем:
«Возможно, ты натолкнешься на какое-нибудь фантастическое объяснение. Известно, что [уран] не может взорваться просто так и превратиться в барий».
В ядре бария 56 протонов, то есть примерно половина протонов урана, которых 92. Самым простым объяснением казалось, что после того как нейтрон поглощается ядром урана, он вызывает реакцию, после которой первоначальное ядро делится пополам. Однако знания о радиоактивности не позволяли установить точный механизм этого процесса.
В конце 1930-х годов существовало убеждение, что ядро – это плотная стабильная структура в центре атома, и казалось невозможным, что оно может распасться надвое из-за поглощения частицы, не имеющей электрического заряда, такой как нейтрон. Раньше некоторым физикам удавалось в результате бомбардировки ядра вырвать несколько протонов, но они не могли и представить, каким образом может разделиться тяжелое ядро урана. Научное сообщество во главе с Энрико Ферми пришло к выводу, что при поглощении нейтрона в ядре урана начинается серия реакций, в результате которых образовываются атомы с большим атомным числом, чем сам уран.
ГАН ПИШЕТ МЕЙТНЕР
Письмо, отправленное Ганом Мейтнер, датировано 19 декабря 1938 года.
Оно было написано прямо из лаборатории – словно ученому не терпелось обратиться к коллеге, не откладывая это до возвращения домой. В письме мы читаем:
«Дорогая Лиза!
Сейчас уже 11 вечера. В 11:45 придет Штрассман, и возможно, тогда я, наконец, смогу пойти отдохнуть.
Кстати, насчет «изотопов радия» есть кое-что настолько важное, что сейчас мы можем рассказать об этом только тебе. Полужизни трех изотопов были определены достаточно точно, они могут отделяться от всех элементов, кроме бария, все реакции возможны с радием. Но одна из них нелогична, по крайней мере очень необычна – фракционирование не работает. Наши изотопы радия ведут себя, как будто являются барием. [...] Пожалуйста, подумай, есть ли этому какое-то объяснение. Может быть, существует изотоп бария с атомным весом гораздо выше 137? Если тебе придет в голову что-нибудь, что можно опубликовать, это будет в некотором роде наша общая работа – всех троих».
Отто Ган в 1938 году.
Барий и радий относятся к одной группе, стоят в одной колонке периодической таблицы. Это означает, что они обладают схожими химическими характеристиками, а главное их различие заключается в массе. Радий находится близко от урана, поэтому его присутствие при поглощении ядром нейтрона можно было предсказать, но появление бария было абсолютно необъяснимым.
Обнаружение бария было удивительным и неожиданным: этот факт не соответствовал теоретической модели, на которую опирались физики и химики той эпохи. Объяснить его можно было или ошибкой в постановке и осуществлении эксперимента, или тем, что некоторые предпосылки общепринятых знаний были ошибочны.
Мейтнер следила за научным прогрессом в данной теме, несмотря на сложные жизненные обстоятельства, в результате которых она оказалась в Швеции. Исследовательнице пришлось покинуть дом, буквально сбежать из Германии с двумя чемоданами в руках и меньше чем десятью марками в кармане. Вскоре после побега Лиза узнала, что ее зять арестован и отправлен в концлагерь. Впоследствии его освободили, но Мейтнер очень переживала за близких, оставшихся в Германии. Ее научное будущее также оставалось неясным: все шло к тому, что после стольких лет работы в Институте кайзера Вильгельма в Берлине, рука об руку с самыми знаменитыми учеными эпохи, она будет вынуждена завершить карьеру.
На Рождество Мейтнер ждала в гости своего племянника Отто Роберта Фриша, который под влиянием тети также занимался физикой и работал в то время в Копенгагене, в Институте физики под руководством Нильса Бора. Фриш вспоминал:
«Лиза Мейтнер находилась в Швеции одна, поэтому я вызвался навестить ее. [...] Когда я приехал, она была погружена в размышления из-за письма Гана».
Мейтнер и Фриш встретились в Кунгэльве, рядом со Стокгольмом, где жила подруга Лизы, Эва фон Бар-Бергиус. Она также была физиком-экспериментатором, и дружба исследовательниц началась несколько десятилетий назад в Берлине. В эти трудные времена фон Бар-Бергиус оказывала значительную поддержку Мейтнер.
Фриш приехал в отель в Кунгэльве поздно вечером. Утром за завтраком он встретился с теткой, и разговор сразу же начал вращаться вокруг загадочного присутствия бария. Мейтнер сказала племяннику:
«Барий... Не могу в это поверить. Здесь должна быть какая-то ошибка. От одного удара ядро не может разлететься на сотню частиц. Это фантастика. Кажется невозможным, что это может сделать один нейтрон».
По ее словам, она полностью доверяла Гану, поскольку не раз убеждалась в его больших способностях как химика, так что возможность ошибки была исключена.
Фриш и Мейтнер решили выйти прогуляться. Шел снег, поэтому Фриш надел лыжи, а Лиза шла рядом с ним. Необходимо было найти барию место в реакции. Согласно имевшемуся пониманию ядра, отрицалась сама возможность того, что воздействие одного нейтрона может вырвать такое большое количество протонов. Кроме того, даже если ядро можно разделить, для этого необходимо огромное количество энергии, которое невозможно было получить в лаборатории Гана. И вообще нейтрон как частица, не обладающая зарядом, казалась достаточно безобидной, неспособной дестабилизировать атомное ядро.
Для Мейтнер логичной была мысль о том, что атом урана разделился, – это доказывало и присутствие бария. Но это означало, что модель атомного ядра требовала доработки. Оба ученых знали теорию советского физика Георгия Гамова (1904-1968), которую поддерживал и датчанин Нильс Бор (1885-1962): атомное ядро можно представить как каплю воды (см. рисунок). Согласно этой концепции атомное ядро не является плотной жесткой структурой, а может принимать разные формы, словно жидкость, которая сохраняет стабильность только благодаря силам поверхностного натяжения.
Если отталкиваться от такой модели ядра, разделение урана уже не казалось невозможным. Представим ядро как каплю воды. После воздействия одной частицы капля деформируется, образуется продолговатая фигура, которая в конце концов разделяется на две части.
Уран с его массивным атомом в каком-то смысле имел все основания для такого разделения. Фриш писал:
«Ядро урана было похоже на каплю, находящуюся в движении, нестабильную, готовую разделиться, как только появится необходимый возбуждающий стимул».
Модель атомного ядра в виде капли воды и этапы, предшествующие делению ядра.
Тетка и племянник долго шли по горной дороге между деревьев, а потом решили присесть на упавший ствол – отдохнуть, а заодно рассчитать, какой энергетический обмен должен происходить при реакции, и таким образом проверить возможность разделения ядра. Мейтнер достала из кармана клочок бумаги, они схематически изобразили процессы, которые могли происходить в ядре, и принялись за расчеты.
С одной стороны, нужно было учитывать поверхностное натяжение ядра, то есть его устойчивость к деформации. При разделении ядра урана должны были образовываться два ядра, оба с положительным зарядом, что вызвало бы сильное взаимное отталкивание. По расчетам Мейтнер сила отталкивания должна была быть порядка 220 МэВ.
И вся эта энергия содержалась в ядре урана – не так уж мало для одного атома. Мейтнер снова посмотрела на атомную массу урана и сумму атомных масс двух получившихся фрагментов. Они отличались на величину, эквивалентную 1/5 массы протона. Применив формулу Эйнштейна Е = тс2, Мейтнер рассчитала, что пятая часть массы протона равна энергии порядка 200 МэВ. Этот результат соответствовал предположениям, и ее догадка неожиданно получила подкрепление. Мейтнер и Фриш вернулись с прогулки, убежденные в том, что атомное ядро не обладает плотной жесткой структурой: напротив, оно может принимать разные формы, словно капля воды.
Отто Ган с Лизой Мейтнер в лаборатории в Берлине, 1913 год.
Мейтнер в 1946 году.
Отто Ган в 1944 году на вручении Нобелевской премии по химии за открытие расщепления тяжелых ядер. Премия была вручена ему в 1945 году.
На основании этого они разработали модель, которая описывала бы результаты расщепления ядра, и эта модель находит подтверждение в современной нам физике.
Фриш вернулся в Копенгаген, а Мейтнер – в Стокгольм. Им оставалось совсем немного доработать свою теорию, но это можно было сделать и по телефону. Если быть более точными, ученых волновало, как определить, по словам Мейтнер, «огромное количество энергии, высвобождаемой в процессе расщепления». Они придумали способ характеристики продуктов ядерной реакции: «или измерить ионизацию фрагментов, выталкиваемых большим количеством энергии, – этот метод предложил и реализовал Фриш, или собрать продукты расщепления в зависимости от их радиоактивной отдачи – это предложила я, а Жолио впоследствии реализовал на практике».
Фриш был очень взволнован открытием и поспешил поделиться им с Бором, однако тот как раз отплывал в США, так что смог уделить молодому ученому всего несколько минут. Бор, услышав о ходе рассуждений Мейтнер и Фриша, сразу понял, что в руках ученых все это время были все детали головоломки, но сложить их в целую картину помогло только озарение Мейтнер. Бор воскликнул: «Какими же мы были идиотами! Это прекрасно! Это так, как и должно быть. Вы с Лизой Мейтнер уже написали статью об этом?» Фриш ответил: «Пока нет, но мы скоро ее напишем». Позже один биолог объяснил Фришу, что процесс деления клеток называют расщеплением, – так же Фриш решил назвать и ядерный процесс, который они с теткой смогли объяснить.
Статья появилась в журнале Nature в начале 1939 года под заголовком «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции». Авторы – Лиза Мейтнер и Отто Фриш. Незадолго до этого вышла статья Отто Гана и Фрица Штрассмана, в которой они рассказывали о том, что после бомбардировки урана нейтронами обнаружили присутствие бария.
ЗИМНЕЕ ОТКРЫТИЕ
В биографическом тексте «Разгадки и промахи ядерной энергии» Мейтнер описывает свою прогулку с племянником по свежевыпавшему снегу и момент, когда они смогли представить себе ядро в виде капли воды. Мейтнер пишет об этом так:
«В ходе нашей дискуссии мы пришли к следующему: если ядро урана, обладающее высоким зарядом, поверхностное натяжение которого ослаблено из-за взаимного отталкивания протонов, достигает благодаря поглощаемому нейтрону коллективного движения соответствующей интенсивности, то оно может растягиваться; все большее растягивание приводит к делению на два более легких ядра, примерно равных между собой, которые стремятся разделиться еще больше из-за взаимного отталкивания. Согласно нашим расчетам, энергия, высвобождаемая в ходе процесса, равна 200 МэВ. Так как процесс напоминал деление клеток, мы по предложению Фриша назвали его расщеплением. Мы подчеркиваем, что данное исследование не публиковалось ранее, и заметку о нем называем A New Type of Nuclear Reaction [«Новый вид ядерной реакции»]».
Мейтнер говорила, что они с племянником направили статью в Nature 16 января 1939 года. До того как номер вышел из печати, Бор прибыл в США. В пути его сопровождал бельгийский физик Леон Розенфельд (1904-1974), с которым Бор в деталях обсудил процесс расщепления. Бор обещал не разглашать полученные от Фриша сведения до публикации их с Мейтнер статьи, но Розенфельд или не знал об этой договоренности, или сделал вид, что не знал, и на своих первых лекциях в Штатах сообщил аудитории об открытии. Это стало сенсацией, многие из слушателей, среди которых были физики Калифорнийского университета, решили повторить опыт, доказывающий возможность расщепления. Скоро новость облетела все научное сообщество.
Открытие расщепления ядра не было случайным. Вдохновение, посетившее Мейтнер в то снежное утро, стало заслуженным вознаграждением за долгие годы кропотливой работы, во время которых исследовательнице пришлось столкнуться с множеством неизвестных – как в научной деятельности, так и в трудовых и личных отношениях. Жизнь Мейтнер является примером противоречий и несправедливостей, характерных для той эпохи, но она также пример преодоления всех превратностей судьбы – преодоления, совершенного любознательным ученым, больше всего на свете стремящимся разгадать тайны окружающего мира.
ГЛАВА 2
Радиоактивность
В начале XX века радиоактивность стала наиболее увлекательным физическим явлением, удивительным и многообещающим. Физика привлекала Мейтнер с детства, и свою карьеру Лиза начала с изучения радиоактивности, а если быть более точными – с рассеяния альфа-частиц.
В конце XIX века были сделаны несколько важных открытий, потрясших основы физической науки. С классической физики, занимавшейся механикой, термодинамикой или оптикой, интерес ученых сместился к новым теоретическим горизонтам: квантовой теории, ядерной физике, или физике частиц, и теории относительности. Феномен ядерного расщепления необходимо рассматривать в общем контексте развития ядерной физики.
Изучение радиоактивности открыло дорогу к пониманию внутреннего строения атома. Радиация, испускаемая некоторыми элементами, такими как уран, была зафиксирована в виде частиц или излучения. Начало XX века ознаменовалось еще одним великим открытием новой физики – специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. Он открыл эквивалентность массы и энергии. «Масса и энергия – различные проявления одного», – так записал немецкий гений в 1905 году. Эта идея была воплощена в формуле: Е = mc2, в которой Е – это энергия, m – масса, с – скорость света, универсальная постоянная, равная = 3 • 108м/с. Материя – это энергия, расщепление ядра – один из феноменов, в котором проявляется эта эквивалентность.
Это был невероятный период для физики. Тот, кто, как Мейтнер, начал свои исследования в начале XX века, постоянно наталкивался на новые захватывающие идеи. Неудивительно, что Лиза увлеклась исследовательской работой и сразу же заинтересовалась опытами по радиоактивности, обнаружив свое призвание к науке, в котором позже и черпала силы для преодоления всех препятствий на этом пути.
ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
Радиоактивность была удивительным явлением, новой, неисследованной территорией. До 1896 года никто не мог и представить, что внутри материи могут спонтанно протекать подобные процессы, но именно в этот год Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл радиоактивность.
Беккерель изучал рентгеновские лучи, открытые за год до этого, чтобы выяснить, связаны ли они с флуоресценцией – явлением, при котором некоторые минералы поглощают энергию в виде электромагнитного излучения (например, видимого света) и потом испускают ее, также в виде электромагнитного излучения, но при этом длина волны отличается от первоначальной. Это явление не зависит от температуры материала; например, существуют минералы, светящиеся при температуре окружающей среды. В отличие от других люминесцентных процессов, таких как фосфоресценция, при исчезновении источника энергии, возбуждающего минерал, флуоресцентное свечение также исчезает.
