Текст книги "Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 7 страниц)
Радиоактивность привлекала всех молодых ученых, которые стремились совершить в этой области решающие открытия. Исследователи обнаруживали все новые и новые радиоактивные элементы. Первым был найден уран в 1896 году, всего четыре года спустя были открыты полоний, радий, торий, актиний. Количество новых элементов неумолимо росло, в том числе и потому, что еще не существовало понятия изотопа.
Антуан Анри Беккерель в своей лаборатории, где он занимался магнитными полями.
Лиза Мейтнер в 1906 году.
Пьер и Мария Кюри в парижской лаборатории в 1906 году. Знаменитая супружеская пара прославилась благодаря изучению радиоактивности.
Исследователи считали различные свойства веществ следствием того, что они являются разными элементами.
Майер сделал важное открытие, доказав, что бета-излучение состоит из потока электронов. К такому же выводу одновременно пришли Беккерель и Фридрих Гизель. Ученые также стремились определить электрический заряд альфа-частиц, но это удалось сделать лишь Резерфорду в 1906 году, использовав мощные магнитные поля.
РАССЕЯНИЕ АЛЬФА-ЛУЧЕЙ
В конце 1906 года Мейтнер начала новые исследования, связанные с радиоактивностью. Было известно, что альфа-частицы обладают слабой проникающей способностью, однако требовалось выяснить, рассеиваются они, как утверждал Резерфорд, или поглощаются материей. Если происходит рассеяние, то это означало, по словам Резерфорда, что «атомы материи находятся в поле действия интенсивных электрических сил». Мейтнер в конце жизни вспоминала о том, как начала заниматься этой темой:
«Помню, как я занималась радиоактивностью в Вене, работая над вопросом рассеяния альфа-лучей на малые углы. Мое исследование началось в результате дискуссии одного физика из Праги и другого из Берлина. [...] Один из них говорил, что рассеяния на малых углах не существует, а второй настаивал на обратном. Тогда я подумала, что это можно было бы доказать экспериментально, и занялась данной темой в институте Стефана Майера. Венцы очень заинтересовались этим проектом. Майер и Швайдлер осуществили большую работу по радиоактивности».
Ее экспериментальная система для доказательства рассеяния лучей должна была направлять пучок альфа-частиц так, чтобы лучи проходили через матрицу из мелких параллельных металлических трубочек. Цель Мейтнер состояла в том, чтобы коллимировать лучи, то есть направить их вдоль металлических трубочек. Затем альфа-пучок должен был пройти через металлическую пластинку, после чего его вновь коллимировали при прохождении через еще одну систему трубочек. При изменении расстояния между коллиматорами ослабление было разным, и это доказывало, что альфа-лучи на самом деле при прохождении через пластинку рассеиваются. Этот эксперимент имел еще одно следствие: стало очевидным, что в зависимости от атомной массы металлической пластинки меняется показатель рассеяния, – чем больше была атомная масса атомов металла, тем больше рассеяние.
Мейтнер опубликовала результат эксперимента в 1907 году в немецком журнале Physikalische Zeitschrift («Физический жур-нал»} – одном из самых престижных научных изданий того времени. Так был дан старт ее научной карьере.
ИЗОТОПЫ
Изотопы – разновидности одного элемента, однако ядро их атома содержит разное количество нейтронов. Физики, приступившие к изучению радиоактивности в тот период, когда отсутствовало полное понимание внутренней структуры атома, думали, что существует гораздо больше элементов, чем это есть на самом деле. Для них все вещества с разной атомной массой были разными элементами. В1910 году Фредерик Содди заметил, что «элементы с разным атомным весом [сейчас мы называем его атомной массой] могут иметь одинаковые свойства», то есть соответствовать одной позиции в периодической системе. Он смог доказать это, сравнив атомные массы свинца, полученного в ходе серии ядерных распадов из урана, и свинца, полученного в результате превращений тория. Их массы отличались, и это подтверждало догадку Содди. Появление новых инструментов, таких как масс-спектрометр, позволило анализировать атомные ядра в зависимости от их соотношения масса – заряд. Это помогло установить, что казавшиеся новыми вещества были изотопами одного элемента.
Ядро протия состоит только из одного протона. В дейтерии, кроме протона, есть еще один нейтрон. В тритии ядро состоит из трех частиц – протона и двух нейтронов.
Вклад Чедвика
Благодаря открытию нейтрона, сделанному в 1932 году Джеймсом Чедвиком, стало возможным обосновать существование изотопов в соответствии с их ядерной структурой. Изменяющееся число нейтронов в атомном ядре объясняло изменение массы одного и того же элемента. Самый простой пример изотопов в природе мы можем привести, вспомнив о водороде. У этого элемента один протон в ядре. Если у него нет нейтронов, он образует изотоп протий; когда добавляется один нейтрон, получается дейтерий; изотоп с двумя нейтронами называется тритий (см. рисунок).
ЭЛЕКТРОСКОП
Электроскоп (см. рисунок 1) – это прибор для обнаружения электрического заряда. Он состоит из двух листов фольги – обычно из золота или алюминия, – подвешенных к металлическому стержню. Устройство размещается в стеклянном или металлическом сосуде. Стержень выступает из сосуда с одной из сторон, а при воздействии на него заряженным телом два листа заряжаются и вследствие электростатической силы взаимно отталкиваются. Таким образом можно было установить, имеет тот или иной объект электрический заряд. Первый электроскоп был сконструирован Уильямом Гильбертом (1544– 1603), английским физиком, пионером изучения свойств магнитов. Когда листы в электроскопе возвращались в первоначальную позицию, это означало, что они теряют заряд, несмотря на то что внутреннее устройство было электрически изолировано.
РИС. 1
Скоро был сделан вывод о том, что поскольку воздух слегка ионизирован, заряд может переходить от металлических листов к стенкам электроскопа. Однако существовали и сомнения, которые необходимо было развеять: почему воздух ионизируется? В1900 году Чарльз Вильсон (1869-1959), шотландский физик, получивший в 1927 году Нобелевскую премию за разработку туманной камеры, смог установить, что ионизация воздуха происходит вследствие естественной радиации, которая есть повсюду. Поэтому в электроскопах мы можем наблюдать, что заряженные листы постепенно возвращаются в начальное положение (см. рисунок 2). В присутствии радиоактивных веществ этот процесс ускоряется, и чем выше интенсивность радиации, тем он быстрее. Так электроскоп превратился в инструмент для измерения фоновой радиации радиоактивных материалов.
РИС. 2
Листы электроскопа, вид сбоку. Проводящие пластинки или листы, имеющие одноименный электрический заряд, взаимно отталкиваются.
ОТКРЫТИЕ ЯДРА
Мейтнер не стала исследовать, что именно вызывает рассеяние альфа-частиц. А Резерфорд, напротив, был одержим поиском ответа на этот вопрос, что привело его к исключительному открытию, – мы говорим об открытии атомного ядра в 1911 году. Взяв тончайшую металлическую пластину и приступив к ее бомбардировке альфа-частицами, он сделал следующий прогноз: если предложенная Томсоном пудинговая модель атома верна, то воздействующие на пластинку частицы не должны отклоняться от своей траектории. Электроны, плавающие в положительно заряженном облаке, имеют слишком небольшой размер, чтобы вызвать отклонение альфа-лучей от линейной траектории. Однако когда опыт, поставленный Марсденом и Гейгером (см. рисунок 3) указал на отклонение альфа-частиц, Резерфорд сделал вывод: «Если принять во внимание данное свидетельство в общем виде, самым простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, расположенный в очень малом объеме». Так было открыто атомное ядро (см. рисунок 4).
РИСУНОК 3: Резерфорд предложил новую модель атома, согласно которой его ядро, в котором сконцентрированы масса и положительный заряд, располагается в центре атома. Это позволяло объяснить, почему некоторые альфа-частицы, направленные на металлическую поверхность, отскакивают назад.
РИСУНОК 4: Опыт, позволивший Резерфорду открыть атомное ядро, состоял в бомбардировке тонкой золотой фольги альфа-частицами.
АЛЬФА-РАСПАД
Эрнеста Резерфорда называют отцом ядерной физики. В1902 году он открыл, что радиоактивность происходит из самих атомов. Вместе с Фредериком Содди Резерфорд пришел к выводу, что «радиоактивность – явление, происходящее в атомах, с сопутствующими химическими изменениями, при которых появляются новые типы материи». То есть радиоактивные атомы подвергаются распаду, а испускаемая радиация является следствием разложения атомов, способным спонтанно привести атом к распаду. До 1911 года не было ясно, что этот распад затрагивает только ядро. Альфа-лучи должны были состоять из частиц атома, при их испускании они меняли саму природу атома: при испускании альфа-частиц такой элемент, как уран, превращался в торий. Альфа-распад (см. рисунок) представляет собой испускание из атомного ядра одной частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, идентичной, таким образом, ионизированному ядру гелия. Альфа-распад начинается спонтанно в энергетически нестабильных ядрах с большим количеством протонов и нейтронов – другими словами, в результате действия сил отталкивания внутри ядра, как это происходит с ураном.
Химическая трансмутация элемента после испускания альфа-частицы состоит, ввиду потери двух протонов и двух нейтронов, в изменении количества ядерных частиц и пропорции нейтронов и протонов в ядре.
ВСТРЕЧА С ПЛАНКОМ
После смерти Больцмана в сентябре 1906 года нужно было найти ему преемника, который мог бы занять место ученого в Венском университете. Администрация университета предложила кандидатуру Макса Планка. Он в это время возглавлял в Берлине кафедру теоретической физики и не планировал менять место работы, но все же решился поехать в Вену в знак уважения к памяти Больцмана. Благодаря этой поездке состоялось его знакомство с Мейтнер.
Лиза в то время не знала работ Планка и его революционной гипотезы о квантовании энергии. Исследовательница так описывала ситуацию:
«Я часто спрашивала себя, почему Больцман никогда ни словом не упомянул [квантовую теорию Макса Планка]. Надо сказать, что я посещала его лекции в течение пяти лет после этого открытия. Однако нужен был длительный период времени для принятия квантовой теории. При этом Планк не смог бы разработать свою теорию, если бы не принял атомную теорию Больцмана, а также не воспользовался введенными им статистическими методами».
После этого знакомства Мейтнер решила оставить Вену и уехать в Берлин, чтобы учиться у Планка, в надежде, что это откроет перед ней новые горизонты.
ГЛАВА 3
Открытие радиоактивных элементов
Открытие протактиния, элемента с высокой радиоактивностью, было одним из самых заметных достижений Лизы Мейтнер и Отто Гана в Берлине. Эта пара ученых стала одной из основных команд той эпохи, исследовавших радиоактивность.
В 1907 году Макс Планк был уже уважаемым ученым. По мере того как его идеи распространялись в научном сообществе, росло и количество молодых исследователей (включая Мейтнер), которые хотели слушать лекции ученого в Берлинском университете. Планк стал учителем Лизы, хотя его характер очень отличался от характера Больцмана. Планк был серьезным, сдержанным, сухим и лаконичным – полная противоположность энтузиасту-Больцману. Мейтнер писала:
«...должна признать, что в начале была немного разочарована лекциями Планка, несмотря на их чрезвычайную ясность. [...] Иногда они выглядели довольно бесцветными в сравнении с Больцманом».
Планк не возражал против присутствия женщин в университете, хотя считал, что женщина, обладающая способностями и интересом к теоретической физике, – скорее исключение из правила. Это не замедлило проявиться в самом начале его знакомства с Мейтнер. Лиза рассказывала об этих первых встречах так:
«Когда я записалась в Берлинский университет, чтобы слушать лекции Планка, он принял меня очень любезно и почти сразу пригласил к себе. Когда я впервые побывала у него дома, он сказал мне: «Но у тебя же уже есть докторская степень! Чего еще ты можешь желать?» На это я ответила, что хотела бы достигнуть настоящего понимания физики. Тогда он дал мне краткий дружеский ответ и больше не углублялся в данный вопрос. Я сделала вывод, что он был не очень высокого мнения о женщинах, занимавшихся наукой. Предполагаю также, что в какой-то степени для той эпохи он был прав».
Со временем взаимное уважение Планка и Мейтнер росло. Планк помогал Лизе в ее восхождении по карьерной лестнице, он всегда старался, чтобы она получала за свою работу достойное вознаграждение, в связи с чем несколько раз выдвигал ее на Нобелевскую премию. Мейтнер, в свою очередь, отмечала «чистоту характера» Планка, и ее уважение к нему как к ученому постоянно росло. Она даже близко подружилась с близнецами – дочерьми Планка.
В физике мы работаем не ради одного дня, не ради сиюминутного успеха, мы работаем для вечности.
Макс Планк
Мейтнер не планировала задержаться в Берлине дольше чем на два года, поэтому стремилась использовать отпущенный самой себе короткий срок максимально эффективно. В первую очередь Лиза постаралась получить собственную лабораторию, чтобы продолжать исследования радиоактивности. Для этого она отправилась к Генриху Рубенсу, директору по экспериментальной физике университета. «Для меня не было места», – таким был неутешительный итог этого визита. Рубенс предложил Мейтнер поработать в его собственной лаборатории и под его руководством, но Лизу это предложение не привлекло. У нее уже была одна опубликованная работа, и она знала, что должна продолжить собственные исследования.
Все тот же Рубенс рассказал Мейтнер о молодом химике, научные интересы которого совпадали с интересами Мейтнер и который даже хотел с ней познакомиться. Так Лиза встретилась с Отто Ганом.
МАКС ПЛАНК
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в Киле (Германия) в 1858 году. Вскоре его семья переехала в Мюнхен. Там в университете Планк изучал физику и в возрасте 21 года защитил диссертацию по второму началу термодинамики в 1879 году. После этого он стал доцентом университета в Киле. В 1887 году умер Густав Кирхгофф, знаменитый профессор Берлинского университета, его место вначале предложили Больцману, а когда тот отказался (о чем после сожалел) – Планку. Для Планка это назначение было большой честью, в том числе потому, что ему предстояло работать вместе с Гельмгольцем, легендой физики XIX века. В Берлинском университете Планк оставался до конца своей научной карьеры. Он представил Прусской академии наук 14 декабря 1900 года результаты своих исследований по энергетическому взаимообмену матери – надо сказать, очень неудобные результаты.
Был единственный способ примирить наблюдения с теорией – признать, что энергия распределялась в форме пакетов, которые Планк назвал квантами энергии. Это утверждение опровергало законы электромагнитного излучения, установленные Максвеллом в середине XIX века, и сам Планк не был до конца уверен в своей идее. По сути немецкий физик считал, что его решение – это некий формальный шаг. Он и сам не верил в существование квантов и ожидал, что дальнейшие исследования в этом направлении позволят на основании новых физических знаний получить корректную модель. Науке нужно было подождать до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн подтвердит идею о существовании энергии в форме пакетов и объяснит с ее помощью фотоэффект. Затем последовала работа датского физика Нильса Бора, основанная на принципе квантования энергии и призванная объяснить характерные для каждого вещества спектральные линии поглощения. Окончательно упрочила положение квантов энергии новая модель атома.
Макс Планк в 1901 году.
ГАН ДО ЗНАКОМСТВА С МЕЙТНЕР
Отто Ган родился во Франкфурте (Германия) в 1879 году. Он был младшим из трех детей в семье довольно скромного происхождения. Однако дела его отца шли успешно, и они не испытывали финансовых ограничений. Как писал в автобиографии Отто, его отец желал для сына карьеры архитектора, хотя сам Ган не чувствовал в себе способностей к этому делу:
«У меня отсутствовала какая бы то ни было склонность к рисованию. [...] У меня не было артистического воображения, в целом я совершенно не был приспособлен к этой профессии».
В юношеские годы Отто превратил прачечную в своем доме в импровизированную химическую лабораторию и так увлекся экспериментами, что твердо решил стать химиком.
В 1897 году он поступил в Марбургский университет, но, как сам говорил впоследствии, «наше внимание к науке было не слишком заметным». В тот период Гана скорее привлекали развлечения, а не наука:
«Я не планировал превращаться в ученого, мне быстро стало понятно, что для работы в промышленности достаточно освоить основы».
Он понимал, что после окончания обучения ему несложно будет найти работу в немецкой химической промышленности, переживавшей бурное развитие, поэтому в университетские годы много времени проводил в тавернах вместе с друзьями, и это были «беззаботные и счастливые часы». Однако по предметам, напрямую связанным с химией, Ган получал высшие оценки.
После окончания учебы он прошел обязательную военную службу, а затем стал ассистентом одного из профессоров Марбургского университета. Для получения работы в промышленности Гану требовалось иметь опыт работы за рубежом и знать иностранные языки. Отто решил, что для расширения полученных знаний лучше всего отправиться в Лондон. Этот простой план имел неожиданные результаты.
В 1904 году Ган прибыл в Лондон, чтобы работать вместе с шотландским химиком и экспертом по благородным газам Уильямом Рамзаем (1852-1916). Тот открыл, среди прочего, газ гелий и в этом же году получил Нобелевскую премию. Исследования Рамзая были посвящены радиоактивности, он находился на пике своей научной карьеры. Увы, через несколько лет химик занялся проектом добычи золота из морской воды, и в связи с этим его карьера пошла на спад. Для Гана сотрудничество с Рамзаем открывало множество возможностей, которыми он не преминул воспользоваться.
У Гана есть институт для открытия новых элементов.
Эрнест Резерфорд
«Это был год моей «трансмутации» из специалиста по органической химии в радиохимика», – вспоминал Ган. Его знания по радиоактивности были скудными, а опыта у него не было совсем. Однако Рамзай считал, что отсутствие знаний может стать преимуществом: такой исследователь свободен от предрассудков. Скоро изучение радия, открытого Кюри в начале века, привело Гана к выводу, что он обнаружил новый радиоактивный элемент. Отто назвал его радиоторием, так как его связь с торием была очевидна. Рамзай заметил способности Гана, сулившие блестящую карьеру исследователя, и попросил своего новоиспеченного помощника продолжать исследования в области радиоактивности. Позднее сам Ган признавал:
«Как это вещество [радиоторий] попало в образец радия? Объяснение состояло в том, что образец был взят не из жилы чистого урана, а из торианита, который залегает на Цейлоне [сегодня Шри-Ланка] и содержит, кроме урана, большой процент тория. Строго говоря, открытие радиотория было делом удачи».
Пребывание в Лондоне подходило к концу. Гана ожидало крупное химическое предприятие, занимавшее прочные позиции в экономике страны и обещавшее юноше широкие перспективы. Это была стабильная и хорошо оплачиваемая работа.
РАДИОТОРИЙ, РАДИОАКТИНИЙ, МЕЗОТОРИЙ И РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ
Если в 1900 году было известно совсем немного радиоактивных элементов, то очень скоро ученые начали открывать все новые и новые. Идентификация радиоактивных элементов (или, как их называли, радиоэлементов) происходила хаотично. Эрнест Резерфорд заметил, что при распаде радиоактивные элементы испускают излучение (альфа, бета и гамма) и в определенных случаях трансмутируют в другие вещества, которые, как правило, также являются радиоактивными. Химическая трансмутация и испускание излучения связаны, испускаемые частицы – ключ для понимания превращения элементов. Во время радиоактивных процессов меняется соотношение частиц в атоме элемента и происходит его превращение. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди установили, что на самом деле все разнообразие радиоактивных элементов можно классифицировать по семействам и организовать в простую схему, напоминающую родословное древо, – так были сформированы ряды распада. От родительского элемента – урана или тория – при последующих распадах и испускании частиц появлялись дочерние элементы, или продукты распада. Новые вещества, открытые Ганом, должны были распределяться по радиоактивным рядам. В 1904 году Резерфорд опубликовал первые ряды, показывающие связи между разными радиоактивными элементами. На рисунке можно увидеть семейства радия и тория, которые в ходе серии распадов испускают частицы, также указанные на схеме (Чт – сокращение для обозначения частиц, в данном случае альфа или бета).
Понятие изотопа было введено Содди в 1913 году и помогло классифицировать все радиоэлементы заново. Ган замечал:
«Все мои попытки отделить друг от друга «элементы» радий и мезоторий окончились неудачей. Так же трудно было отделить радиоторий от тория. Химическое сходство между этими элементами было очевидным и значительно большим, чем сходство между редкоземельными элементами; однако никто не задумывался о возможности существования изотопов».
Изотопы одного элемента имели одинаковые химические характеристики, поэтому некоторая путаница была вполне объяснима. Разное массовое число заставляло считать каждый изотоп новым элементом. Кстати, впоследствии было выяснено, что мезоторий, открытый Ганом в 1907 году, – это радиоактивный изотоп радия (если быть точными, речь идет о радии-228) как продукт распада тория.
Но Рамзай ввел Отто в новый мир, в котором он почувствовал себя как рыба в воде. Исследовательская работа означала весьма неопределенное и нестабильное будущее, но и открывала интересные возможности. Рамзай, со своей стороны, сказал Гану, что для продвижения в науке необходимо отправиться в Канаду и поработать там в Университете Макгилла с главным экспертом по радиоактивности – Эрнестом Резерфордом. Гану необходимо было принять решение: возвращаться на родину или просить Резерфорда принять его в качестве помощника в лаборатории. Он выбрал второй вариант, но впоследствии наладил плодотворное сотрудничество и с предприятиями химической промышленности, финансировавшими часть его проектов.
Отто Ган работал в Университете Макгилла у Эрнеста Резерфорда в течение полутора лет. Вначале Резерфорд не слишком высоко оценил открытие радиотория. Не доверял он и методам, которые использовал Уильям Рамзай. Ученый даже написал Гану, что тот должен «поучиться физике и отделаться от своего элемента». Однако постепенно между Резерфордом и Ганом завязалась дружба на всю жизнь, а канадский период работы стал для Отто очень плодотворным и, как говорил он сам, «памятным». Здесь Гану удалось найти вещество, которое он назвал радиоактинием.
Вернувшись в Германию, Ган нашел место в Берлинском химическом институте. Берлин, казалось, был идеальным городом для химика, так как в нем находились основные предприятия химической промышленности. Ганом заинтересовался сам директор института Эмиль Фишер, известный ученый, получивший Нобелевскую премию в 1902 году за изучение пурина.
Радиоактивность была областью исследований, еще не получившей достаточного внимания в университете, но открытие мезотория, сделанное в 1907 году, вызвало большой интерес со стороны промышленных предприятий. Химически этот элемент был сходен с радием, но его производство обходилось значительно дешевле. Мезоторий обладает рядом интересных характеристик, и благодаря своему открытию Ган получил некоторую известность в стране. Позже выяснилось, что все три открытых им элемента – радиоторий, радиоактиний и мезоторий – в действительности являются изотопами уже известных веществ.
ИССЛЕДОВАНИЕ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ
Мейтнер и Ган встретились впервые в Берлинском университете в конце 1907 года. С первого момента они прекрасно поняли друг друга, так что Ган сразу же предложил Лизе работать в химическом институте вместе с ним. Однако на это нужно было испросить разрешения директора Фишера. Тот поначалу сопротивлялся идее Гана, так как нормы университета запрещали женщинам присутствовать в здании, да и он сам хотел бы воздержаться от совместной работы в лаборатории с женщиной. Наконец он уступил и позволил Мейтнер работать в институте – при условии, что их лаборатория будет находиться в подвале, в помещении, где до этого была столярная мастерская. Мейтнер запрещалось входить в основное здание, даже туалетной комнатой ей приходилось пользоваться в соседнем отеле. «Мне пришлось пообещать, что я не буду входить в химический институт, где работали студенты-мужчины и Ган ставил свои химические опыты», – рассказывала она впоследствии.
В те дни женщинам было запрещено работать в институте. Когда я предложил Эмилю Фишеру принять Лизу Мейтнер, чтобы она работала со мной в столярной мастерской в подвале института, [...] он просил ее, чтобы она не входила в учебные аудитории, так как это стало бы плохим прецедентом.
Отто Ган
По утрам Мейтнер приходила на занятия в университет как слушатель – это было основной причиной ее пребывания в Берлине. Ган, в свою очередь, в течение рабочего дня занимался подготовкой к открытию отдела радиохимии института.
В их полном распоряжении для экспериментов оставались только вечера.
Отношения между исследователями всегда были дружескими и очень уважительными. В течение многих лет они обращались друг к другу на «вы», не встречались за стенами лаборатории и никогда не обедали вместе во время работы. Однако, несмотря на некоторую отдаленность, Ган считал, что они были «очень хорошими друзьями», а Мейтнер всегда вспоминала об этом периоде с теплотой, говоря об искреннем расположении Гана, а также о «его любезности и увлеченности музыкой». Ган обладал невероятной музыкальной памятью и часто во время трудоемких экспериментов насвистывал симфонии Бетховена и Чайковского. Экстраверт Ган и застенчивая Лиза Мейтнер хорошо дополняли друг друга.
В ПОДВАЛЕ
Оборудование в их лаборатории было очень простым: три электроскопа, сконструированные по образцу моделей, используемых Резерфордом. Эти аппараты нужны были для измерения и учета различных излучений при радиоактивных процессах. Первой большой целью ученых стало исследование бета-излучения, и они проанализировали этот тип испускания частиц для всех известных элементов. В результате в журнале Physikalische Zeitschrift была опубликована первая совместная статья Гана и Мейтнер под заголовком «О поглощении бета-лучей разных радиоэлементов». Если Ган был одержим идеей открытия новых элементов, то для Мейтнер более интересным казалось «распутывать излучения». В последующие два года они опубликовали восемь статей в том же журнале.
В следующем 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии за открытия в области радиоактивности, и это вызвало рост интереса исследователей к этой сфере. Ган и Мейтнер замечали, что их все больше принимают всерьез, их работы привлекают все большее внимание и признание коллег. Резерфорд, отправившийся за Нобелевской премией в Стокгольм, по дороге заехал в Германию, к своему ученику Гану, и познакомился с Мейтнер, о достижениях которой уже был наслышан.
Неустанная работа двух ученых приносила все новые плоды, такие как обнаружение в 1908 году нового радиоэлемента – актиния С. Для более полного анализа бета-излучения они начали применять мощный магнит, чтобы отклонять потоки частиц и измерять их электрический заряд. В этот период Мейтнер обнаружила и экспериментально доказала радиоактивную отдачу – этот эффект ранее предсказал Резерфорд, но сам он его не обнаружил. Ядро радиоактивного атома, испуская альфа-частицу, испытывает откат назад – словно в результате отдачи после выстрела из ружья.
А я думал, что вы мужчина!
Эрнест Резерфорд при личном знакомстве с Мейтнер
В этот период, наполненный интенсивной работой и исследованиями, Мейтнер завязала дружбу с некоторыми учеными и студентами, которые собирались в доме Макса Планка. Тогда же она познакомилась с Эвой фон Бар-Бергиус, шведской исследовательницей, работавшей вместе с немецким физиком Генрихом Рубенсом (1865-1922). Как мы уже говорили, Эва стала близкой подругой Мейтнер, поддерживавшей ее в самые трудные периоды жизни. Раз в неделю Лиза посещала семинары с участием таких ученых, как Планк и Эйнштейн, на которых обсуждались эксперименты, исследования, открытия. Как вспоминала Мейтнер, «эти беседы были настоящим центром интеллектуальной работы». Она оказалась в эпицентре развития науки своего времени.
Ган неоднократно обращался к Резерфорду с просьбой отправить ему образцы радиоактивных элементов, чтобы продолжать работу. Однажды почтальон подошел к бывшей мастерской и ничего еще не успел сказать, как появилась Мейтнер и воскликнула: «А, вы принесли мне пакет от Резерфорда». Удивленный почтальон посмотрел на пакет и убедился, что отправитель – действительно Резерфорд. Все много шутили над интуицией Мейтнер, хотя этот эпизод имел простое объяснение: в пакете находились радиоактивные вещества, а приборы в лаборатории Лизы улавливали присутствие радиации, поэтому Мейтнер нетрудно было угадать имя отправителя.
БЕТА-РАСПАД
Мейтнер и Ган сконцентрировали свои усилия на изучении бета-распада. Об этом явлении было известно с 1899 года, когда Резерфорд показал его отличие от альфа-излучения. В том же году Мария Кюри предположила, что излучение состоит из частиц. Но это необходимо было подтвердить. На бета-излучение воздействовали магнитным полем, чтобы доказать: поле меняет траекторию лучей, а значит, частицы, их составляющие, несут определенный электрический заряд. Используя источник радиации (такой как радий) и фосфоресцирующие экраны для обнаружения гамма-лучей, в октябре 1899 года Фридрих Гизель увидел, что при изменении полюсов магнита точки воздействия на экран смещаются. Следовательно, бета-излучение состоит из частиц. На следующем этапе Беккерель установил, что эти частицы – электроны.
Другие открытия
История бета-распада на этом не оканчивается. В 1928 году британский физик Поль Дирак (1902-1984) предсказал существование частицы, имеющей такую же массу, как электрон, но противоположный заряд, поэтому частицу назвали позитроном. Через четыре года американский физик Карл Дейвид Андерсон (1905-1991) открыл присутствие позитронов в космических лучах. Благодаря туманной камере он увидел, что под действием магнитного поля позитроны описывают траекторию, идентичную траектории электронов, поскольку масса частиц совпадала, но направление движения было противоположным, как и их заряды. Кроме того что была подтверждена гипотеза Дирака, почти сразу стало понятно, что эта частица связана с бета-распадом. Фредерик Жолио и Ирен Кюри начали бомбардировку алюминиевой пластины альфа-частицами и увидели, что под их действием алюминий превратился в радиоактивный изотоп фосфора. Так эта пара французских ученых открыла не только возможность искусственной радиоактивности, но и установила, что при этом возникает большое количество позитронов. Бета-распад вызывал не только появление электронов, но и новых частиц. Это означало, что имелось два типа бета-распада: р-, когда испускался электрон, и р+, когда испускался позитрон. В истории бета-распада должны были появиться новые открытия. Австрийский физик Вольфганг Паули (1900-1958) заметил, что при бета-распаде происходят странные явления. После испускания электрона ядро не возвращалось к прежнему состоянию в направлении, противоположном импульсу, полученному электроном, и это со всей очевидностью доказывало, что не сохранялись ни импульс, ни энергия. В письме, которое он направил на физический симпозиум в 1930 году, был сделан прогноз относительно того, что для решения данной проблемы в процессе должна быть задействована новая частица, которую до сих пор никто не мог обнаружить. По мнению Паули, эта частица практически не имела массы и совсем не имела энергии. Когда в 1932 году состоялось открытие нейтрона, решили, что Паули говорил не о нем, поскольку нейтрон был достаточно массивен. Для того чтобы отличать предполагаемую частицу от нейтрона, итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) предложил название «нейтрино». Нейтрино были открыты в 1956 году, когда американские физики Клайд Коуэн (1919-1974) и Фредерик Райнес (1918-1998) обнаружили при проведении опыта миллиарды этих частиц. Исследования бета-распада были завершены, когда ученые установили, что при р~ испускалось одно антинейтрино, и р+ – одно нейтрино.
