Текст книги "Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 7 страниц)
Бета-минус-распад (0)
Бета-плюс-распад (3+)
При р--распаде один из нейтронов превращается в протон, испускается одно антинейтрино и один электрон. У такого элемента, как углерод, имеющего 6 протонов, их становится 7, элемент трансмутирует в азот. При p+-распаде, напротив, протон превращается в нейтрон, испускается одно нейтрино и один позитрон. В этом случае у атома углерода становится 5 протонов, элемент превращается в бор.
В 1909 году были организованы конференции в австрийском Зальцбурге. Темой встреч стала революция, вызванная квантовой теорией. Планк, Ган и Мейтнер не могли не приехать на это собрание ученых с мировым именем. Одним из докладчиков был Альберт Эйнштейн, и его лекция – первое публичное представление теории относительности – имела решающее значение для молодой исследовательницы. Спустя несколько десятилетий она вспоминала:
«В ходе лекции он говорил о теории относительности, а затем перешел к уравнению: энергия = масса на скорость света в квадрате. Он показал, что каждому излучению нужно присвоить инертную массу».
Для Мейтнер это были «угнетающе новые и удивительные» идеи.
Несмотря на то что Лиза уже занимала свое место в ряду значимых ученых, жить ей приходилось очень скромно, так как она не получала за свою работу жалования. Источником дохода для Мейтнер стали переводы научных статей, а также несколько написанных ею научно-просветительских работ. С 1909 года режим дискриминации женщин в Берлинском университете значительно смягчился – их начали принимать на обучение. Это изменение правил позволило Мейтнер в конце концов попасть в кабинеты института химии.
Работа Мейтнер и Гана получила определенное признание, и директор института предложил им расширить свою лабораторию, чтобы они могли проводить больше опытов. Мейтнер работала в подвале института в течение пяти лет.
ИНСТИТУТ КАЙЗЕРА ВИЛЬГЕЛЬМА
Политика Германии в тот период была направлена на то, чтобы создать в стране сеть научных институтов, призванных «поддерживать и наращивать лидерство Германии в науке и промышленности, двух столпах немецкого могущества». Так было создано Общество кайзера Вильгельма, одной из задач которого была подготовка к созданию исследовательских центров.
Членом правления общества был и Макс Планк.
Учредители считали, что исследовательские центры будут работать при поддержке правительства и промышленных предприятий. В финансировании проекта участвовали крупнейшие банки и предприниматели, благодаря этому в 1912 году были построены три здания. Одно из них предназначалось для Института химии имени кайзера Вильгельма. Этот независимый исследовательский центр находился недалеко от Берлина, в городке Далем, и располагал специальным отделом для изучения радиоактивности. Казалось, это было подходящее место для Гана и Мейтнер. Первый директор центра Эрнест Бекманн сразу же принял Отто Гана на работу в качестве директора отдела радиоактивности – эта должность предполагала хорошую оплату. Мейтнер пришлось довольствоваться тем, что ее приняли в качестве приглашенного исследователя, не получающего вознаграждения.
В начале обстоятельства складывались непросто для Лизы.
Отто Ган
Однако в тот же год Макс Планк принял ее на работу как своего ассистента. Это была не только большая честь – для Мейтнер это стало своеобразным «паспортом на ведение научной деятельности в существующем научном сообществе, а также помогало преодолеть множество предрассудков относительно женщин в академической среде». В ее задачи входило исправление работ нескольких сотен студентов, и еженедельно она выбирала из них работу, которая зачитывалась публично.
Это непростое занятие отнимало у исследовательницы много времени.
В новом институте она также наравне с Ганом встала во главе отдела радиоактивности. Казалось, карьера Мейтнер идет в гору. После двух лет работы в Институте кайзера Вильгельма Пражский университет предложил ей академическую должность с хорошей зарплатой. Однако директор берлинского института не хотел, чтобы Мейтнер уезжала, поэтому сразу же увеличил размер ее жалованья.
ФИЗИКА И ХИМИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ
Радиоактивность постепенно оформлялась в отдельный раздел физики.
Так, для изучения свойств излучений использовались магнитные и электрические поля. Однако очень скоро физикам пришлось прибегнуть к химии, чтобы определить, например, химические свойства радиоактивных веществ, идентифицировать вещества по их атомному весу, выделять вещества химическими методами. Так, Марии Кюри приходилось осуществлять много химических операций, она при обнаружении радия даже сотрудничала с французским химиком Гюставом Бемоном (1857-1932). Резерфорд также работал вместе с английским химиком Фредериком Содди, сыгравшим важнейшую роль в понимании процесса радиоактивного распада. Перед химиками стояла сложная задача: радиоактивный материал часто сразу после синтеза подвергался быстрому распаду. Для того чтобы химик мог работать с радиоактивностью, требовалась специальная подготовка, поэтому университеты приступили к обучению химиков в новой сфере – радиохимии. Сначала физики приблизились к химии, а теперь химики должны были протянуть руку физикам. Радиоактивность неизбежно требовала междисциплинарного сближения, что доказывает успех, достигнутый в содружестве Отто Гана, одного из первых радиохимиков, и физика Лизы Мейтнер.
Международный символ, сообщающий о присутствии радиации.
В новом институте Ган и Мейтнер заговорили о необходимости исключительных мер гигиены и ввели специальные протоколы для того, чтобы избежать радиоактивного загрязнения образцов и инструментов. Благодаря предпринятым мерам предосторожности существовала гарантия, что измерения будут как можно более точными. В прежней столярной мастерской все эти меры не предпринимались, но в новых лабораториях, например, было запрещено здороваться за руку, а для манипуляций с конкретными радиоактивными веществами использовались отдельные стулья. Возможно, благодаря этим мерам безопасности исследователи защитились от опасного воздействия радиоактивности на организм.
В 1911 году в Брюсселе (Бельгия) был организован первый Сольвеевский конгресс на тему «Радиация и кванты». На нем собрались значительные ученые эпохи, среди которых были Макс Планк (стоит, первый слева), Мария Кюри (сидит, вторая справа), Альберт Эйнштейн (стоит, первый справа) и Эрнест Резерфорд (стоит, третий справа).
Бор и Эйнштейн в 1925 году. Лиза Мейтнер была поражена их исследованиями. Вскоре и она заслужила их уважение и встала с ними на одну ступеньку.
Отто Ган и Лиза Мейтнер в лаборатории Института кайзера Вильгельма в 1913 году.
ВОЙНА
В 1914 году началась Первая мировая война. Большинство работников Института химии имени кайзера Вильгельма были призваны в армию, включая Отто Гана, который недавно женился на студентке факультета искусства Эдит Юнгганс (они познакомились в 1911 году во время круиза). Мейтнер оставалась в институте и писала Гану обо всех событиях, а также передавала дошедшие до нее известия о гибели их товарищей на фронте.
Ган был обычным солдатом немецкой армии до тех пор, пока не было принято решение о привлечении солдат, имеющих научное или техническое образование, к разработке военных технологий. На следующий год его записали в программу разработки химического оружия Фрица Габера, немецкого химика, который впоследствии, в 1918 году, получил Нобелевскую премию. Габер, руководивший молодой командой исследователей, прославился после получения азота из воздуха. Азот применялся в производстве аммиака – основного компонента для удобрений, и это открытие вызвало революцию в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Но в военное время Габеру было поручена разработка ядовитых газов, и ученый оказался втянут в один из наиболее трагических эпизодов войны. По иронии судьбы, после прихода к власти нацистов Габеру пришлось бежать из Германии.
Несмотря на колебания, которые вызвала проблема использования отравляющих газов в военных целях, Ган оказался среди тех, кто считал, что использование такого оружия приблизит конец войны и победу Германии и таким образом позволит сократить количество жертв. Ган считал, что газ в каком-то смысле может спасти много жизней. Однако его ожидания не сбылись: новое оружие вызывало ужасную, мучительную смерть солдат противника.
Я чувствовал глубокий стыд.
Отто Ган о применении отравляющего газа
Ган должен был определить, при каких метеорологических условиях и рельефе местности газ наносит противнику наибольший ущерб, не подвергая опасности немецких солдат. Сам ученый мог наблюдать воздействие газа на российском фронте:
«Вначале мы атаковали русских нашими газами, а затем, когда увидели, что несчастные лежат там, медленно умирая, то использовали собственные средства защиты для того, чтобы им было легче дышать».
Война была бессмысленной, и химическое оружие лишний раз это доказывало. В одном интервью в преклонные годы Ган размышлял:
«Это заставило нас понять всю бессмысленность войны. [...] Сначала ты делаешь все возможное, чтобы покончить с иностранцами, находящимися во вражеских траншеях, а когда оказываешься лицом к лицу с противником, не можешь смотреть ему в глаза от стыда за то, что сделал, и пытаешься помочь. Но мы не смогли спасти тех несчастных».
Несмотря на этот опыт, Ган продолжал заниматься разработкой новых видов газа. В качестве добровольца и даже рискуя жизнью он участвовал в экспериментах, позволяющих проверить надежность противогазов.
В своей автобиографии ученый останавливается на некоторых анекдотических ситуациях, произошедших с ним во время войны. Например, однажды один полковник представил его высшему начальнику, прибавив, что Ган является открывателем мезотория, на что тот ответил: «Я понимаю, что лейтенант Ган химик, но какое это имеет отношение в допотопной фауне?» Он спутал химический элемент с вымершим видом млекопитающих, имеющих схожее название. Ископаемые этого вида как раз были найдены в тот период.
Я никогда не думала, что это может быть так ужасно. Эти несчастные, которые останутся калеками, страдают от ужасной боли. Их крики и стоны слышатся со всей отчетливостью, видны и их страшные раны...
Лиза Мейтнер о своем опыте во время Первой мировой войны
В 1915 году Мейтнер также записалась в армию. Она прошла курс в больнице и могла работать техническим специалистом по рентгеновской диагностике. Лизу отправили в госпиталь недалеко от линии фронта, и она занималась тем же, чем и Мария Кюри с дочерью Ирен на стороне французов. Так как работа ассистента лучевой диагностики не требовала много времени, Мейтнер выполняла и обязанности медсестры. Она посмотрела в лицо ужасам войны. «Так как мы были в 40 км от фронта, к нам привозили самых тяжелых раненых – так я говорила, утешая сама себя», – писала Мейтнер впоследствии. Для нее это был очень тяжелый опыт, поэтому она на всю жизнь сохранила отвращение к войне и, верная своим принципам, отказалась участвовать в разработке атомной бомбы.
В 1917 году Мейтнер вернулась в Институт кайзера Вильгельма. Она вспоминала:
«За исключением нашего небольшого отдела, остальные помещения института были переданы в распоряжение профессора Габера и его группы для военных целей».
Нужно было уберечь материалы, над которыми они работали. Гана в то время также направили в Берлин, так что он периодически мог заходить в институт, и они с Мейтнер, как прежде, работали в команде. Один из их экспериментальных проектов привел к открытию протактиния.
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ
Периодическая таблица – способ классификации химических элементов. Профессор Санкт-Петербургского университета Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) заметил, что достаточно полного учебника по общей химии не существует, но такой учебник был необходим ему для занятий, поэтому исследователь приступил к его созданию. Науке были известны 72 элемента. Менделеев поставил перед собой задачу классифицировать их на основании четких критериев.
С одной стороны, между элементами существовало химическое сходство, позволяющее объединять их в семьи и группы. С другой стороны, еще одним критерием для создания таблицы должен стать атомный вес. Эти два критерия по отдельности не могли помочь в разработке классификации, но вместе давали ключ к пониманию свойств разных веществ. Можно было расположить элементы по их атомному весу, и с определенной периодичностью их химические характеристики повторялись.
Дмитрий Менделеев в 1897 году.
Заполняя пустые графы
Во время работы над таблицей Менделеев столкнулся с двумя проблемами. Во-первых, некоторые элементы не подходили для таблицы, во-вторых, оставались пустые графы. Ученый решил, что у неподходящих элементов может быть неправильно рассчитан атомный вес. Он также предсказал, что в будущем недостающие элементы будут найдены и добавлены в пустые графы. По своей таблице Менделеев даже смог предположить, какими химическими свойствами и атомным весом будут обладать эти еще неизвестные элементы. В 1871 году он дал детальный прогноз потрем из них. Четыре года спустя был найден галлий, который прекрасно подошел под предсказанные характеристики. Таблица была существенно дополнена после открытия благородных газов. В 1895 году Уильям Рамзай вместе с лордом Рэлеем открыли аргон – инертный газ, не вступавший в химические реакции с другими элементами. Впоследствии Рамзай открыл гелий, неон и ксенон. Кроме того что эти газы были инертны, стало очевидно, что в периодической таблице нет графы, соответствующей их весу. Для решения этой проблемы в 1900 году Менделеев предложил изменить таблицу и добавить в нее новую колонку – специально для группы благородных газов.
ПРОТАКТИНИЙ
С одной стороны, было известно, что в периодической таблице элементов между ураном и торием существовала пустая графа. С другой стороны, Ган внимательно изучал актиний, очень редкий радиоактивный элемент голубоватого цвета, открытый в 1899 году французским физиком и химиком Андре-Луи Дебьерном (1874-1949). Было известно, что этот элемент легко распадается. Так как актиний можно было обнаружить в минералах вместе с ураном, логично предположить, что он относился к какому-то из рядов распада. Связь между ураном и актинием не была ясна до конца; казалось, для полноты картины не хватает какого-то элемента.
Еще до начала войны Ган и Мейтнер начали искать новый элемент в урановой смолке – минерале, в котором впервые был обнаружен уран, а Кюри нашли там же полоний и радий. Война заставила отложить исследования, но в начале 1917 года Мейтнер решительно собиралась довести дело до конца, пусть даже в одиночку. Это была трудная задача для одного человека. Мейтнер много переписывалась с Ганом и в одном из писем объясняла ему, оправдываясь за медленное продвижение работы:
«Поверь мне, это не зависит от моего желания, это просто нехватка времени. Я не могу делать ту же работу, которую мы делали втроем».
Лиза приступила к растворению урановой смолки в кислоте. Далее она отделила химическим способом уже известные радиоактивные элементы, такие как радий. Изучая полученный результат, она пришла к выводу, что в нем «содержится новое вещество», испускающее сильное и специфическое альфа-излучение. В это время Ган также был в лаборатории и внес в открытие свой вклад, химически описав новое вещество и некоторые его свойства.
Исследование длилось несколько месяцев, результаты были опубликованы в 1918 году. В тот же году война закончилась поражением Германии. Были восстановлены научные обмены, и, к огромному удивлению Гана и Мейтнер, пришло известие, что команда из Великобритании, в которую входили Фредерик Содди и Джон Кранстон, также опубликовала статью об открытии нового элемента. Однако британцы не смогли с такой точностью описать его характеристики, и научный комитет отдал приоритет открытия Гану и Мейтнер. Обсуждение названия нового элемента также было очень длительным (предлагали назвать его лизониумом – в честь Лизы Мейтнер). В конце концов выбрали вариант «протактиний» (Ра), элемент занял место № 91 в периодической таблице.
Несмотря на все ужасы войны Институт кайзера Вильгельма получил большой импульс к развитию. Высшие армейские чины стали понимать важность науки, и немецкая промышленность бросила все силы на исследования в области химии, которая считалась ключевой отраслью для восстановления страны. Кроме того, институт обладал существенной автономией, поэтому ученые могли много времени посвящать собственным проектам. В конце 1918 года Мейтнер назначили главой отдела физики.
ВСТРЕЧА С БОРОМ
Мейтнер оказалась в эпицентре научной революции, которая происходила в ту эпоху в физике. Она переписывалась с Эйнштейном, который в одном из писем спрашивал Мейтнер: «Что вы думаете об этой проблеме? Позвоните мне и скажите ваше мнение». Мейтнер заслужила уважение главных ученых того времени и наконец получила место, которого заслуживала. Всю жизнь она вспоминала о знакомстве с Нильсом Бором:
«Во время Первой мировой войны физика начала работать на новой, по существу, основе, как экспериментальная, так и теоретическая. [...] Основная причина этого преобразования лежит в Нильсе Боре и его работе о строении атома».
Мейтнер считала, что Бор был одним из основных ученых своей эпохи:
«Не думаю, что есть какой-либо другой ученый, который имел бы большее влияние на мировую науку, чем Нильс Бор в течение как минимум двух поколений физиков».
РИС. 1
При переходе с одного энергетического уровня на другой электроны испускают или поглощают один фотон с определенной энергией.
Бор предложил свою модель атома в 1913 году. Эта модель относилась прежде всего к атому водорода и коренным образом отличалась от всех предыдущих моделей, особенно в том, что касалось состояния и поведения электронов. Бор отверг законы классической механики, воспользовавшись вместо нее новой квантовой теорией. Он предположил, что электрон, находящийся на определенной орбите, не испускает и не поглощает энергию, хотя согласно законам классической физики при описании кривой траектории должно испускаться электромагнитное излучение, при этом электрон смещался бы с орбиты. По его мнению, каждая орбита соответствовала определенному энергетическому уровню, эти уровни квантовались; то есть возможны были только определенные дискретные величины. Каждая орбита соответствовала определенному энергетическому уровню, связанному с электромагнитными спектрами поглощения водорода, известными с XIX века.
Когда электроны перескакивали с одних орбит на другие, происходило испускание или поглощение энергии (см. рисунок 1). Ближайшие к ядру уровни обладают меньшей энергией; когда электроны перескакивают на более высокие уровни, они поглощают один фотон. Напротив, когда электрон переходит с более возбужденного на нижний уровень, один фотон испускается. Дискретные испускания и поглощения энергии можно представить на спектрах элементов в виде характерных полос испускания и поглощения (см. рисунок 2).
Бор смог объяснить спектры поглощения и испускания простых элементов, таких как водород, на основе своей атомной модели. Каждая полоса соответствовала дискретному уровню энергии, на котором может происходить испускание или поглощение света электронами. В верхней части схемы представлен спектр поглощения водорода, в нижней – спектр испускания.
Лиза познакомилась с Бором в 1920 году, когда он был приглашен в Берлин, чтобы прочесть лекцию. Как рассказывала Мейтнер, она вышла с лекции «немного подавленная, потому что чувствовала, что понимает очень немного». Они с Ганом воспользовались приездом Бора и пригласили его в институт, чтобы провести целый день со знаменитым ученым и попросить его рассказать подробнее о своих гипотезах и идеях. Но дружба между Бором и Мейтнер укрепилась еще больше, когда ее саму пригласили прочесть лекцию в Копенгагене в 1921 году. Часть лета она провела в компании Бора и его семьи. «Даже сегодня я вспоминаю нашу первую встречу как чудо», – рассказывала Мейтнер. В конце лета у нее появилось время, чтобы поехать в Швецию и поработать с физиком Манне Сигбаном (1886– 1978). Все эти контакты впоследствии имели большое значение для Мейтнер, когда ей пришлось спасаться от нацистов. Как раз в следующем 1922 году весь мир обратил внимание на Бора, удостоившегося Нобелевской премии, и его институт.
ОТ РЕЗЕРФОРДА К БОРУ
Открытие атомного ядра в 1911 году означало большой шаг вперед на пути познания материи. Однако Резерфорда и других ученых останавливал парадокс, казавшийся неразрешимым.
Электроны должны были вращаться вокруг ядра, описывая концентрические круги, но законы термодинамики говорили о том, что в ходе этого процесса электроны должны были испускать энергию, а при ее потере – упасть на ядро. Бор первым пришел к выводу о том, что законы, работающие для макроскопических объектов и наблюдаемые ежедневно, не действуют для субатомного мира. Нильс Бор, работая под руководством Резерфорда, использовал для объяснения субатомного мира квантовые законы. Бор определил, каким образом электроны организованы по уровням: электроны, обладающие меньшей энергией, располагаются ближе к ядру, а электроны с большей энергией – дальше от ядра. Энергетические уровни дискретны и квантуются. Для скачка электрона с одного уровня на другой он должен поглотить или испустить энергию в виде фотонов.
Эрнест Резерфорд около 1910 года.
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ
После поражения Германии в 1919 году была принята новая конституция, поставившая окончательную точку на имперской эпохе и открывшая дорогу либеральной республиканской демократии. Родилась Веймарская Республика, названная так в честь города, где была утверждена конституция. Это был очень нестабильный период. В политическом плане постоянно происходили государственные перевороты. В экономическом – началась гиперинфляция, пожиравшая накопления среднего и рабочего класса. Социальные недуги помогли подготовить плодородную почву, на которой взросли расистские и националистические идеи партии Адольфа Гитлера, пришедшего к власти в 1933 году.
Антисемитские настроения распространились и в научном сообществе. Основной целью нападок стал Эйнштейн, воплотивший в себе «еврейскую науку», которую арийцы осыпали проклятиями. Мейтнер писала Гану об антисемитских выступлениях и нападках, от которых страдал Эйнштейн:
«От всего сердца хочу заявить, что конференции против Эйнштейна с антисемитским подтекстом не делают чести немцам, здесь и правда можно говорить о варварстве. [...] Неужели снова появится Святая инквизиция с герром Герке [немецкий физик] в качестве Великого инквизитора?»
В эти смутные времена карьера Мейтнер шла вверх. В 1922 году она получила право вести занятия и таким образом стала первой женщиной – университетским преподавателем в Германии. Этой деятельностью она занималась последующие десять лет. Венская академия наук присудила Мейтнер премию Игнация Либера в качестве признания ее заслуг и открытий, также она была награждена серебряной медалью Лейбница. Уже в 1923 году Ган и Мейтнер по предложению Макса Планка были выдвинуты на Нобелевскую премию.
Ученые продолжали сотрудничество с Институтом кайзера Вильгельма, но теперь каждый из них руководил собственным отделом: Мейтнер возглавила отдел радиофизики, Ган – радиохимии. Ган проявил особый талант в общении с крупными промышленниками и поиске источников финансирования для института. Эта задача во времена инфляции стояла перед всеми руководителями, если они не хотели остаться без средств для продолжения исследований. Со временем Ган получал все больше полномочий в руководстве институтом.
Мейтнер так вспоминала о том времени:
«В результате разделения института на два отдела Ган и я не работали вместе с 1920 года. В отделе химии Ган и его сотрудники рассматривали важные задачи по прикладной радиохимии. [...] Наша работа, естественно, относилась к физике; например, мы исследовали спектральные линии бета-излучения, смогли установить связь с гамма-излучением».
Мейтнер продолжала общаться с Ганом, но их постоянные контакты прекратились. Ей приходилось наблюдать за работой выпускников, которых Лиза заставляла следовать всем протоколам, позволяющим поддерживать безопасность работы в лаборатории. Также она была заинтересована в фундаментальных исследованиях и начала использовать для изучения субатомных частиц туманную камеру. В 1922 году Мейтнер опубликовала еще одну важнейшую статью, в этот раз объясняющую феномен, получивший название эффекта Оже. В результате бомбардировки материалов рентгеновскими лучами (высокоэнергетичное электромагнитное излучение) электроны, находящиеся ближе к ядру, могут выбиваться; начинается процесс, при котором данный энергетический уровень захватывают электроны из высших уровней. В результате испускается один фотон энергии, что характерно для смены энергетических уровней. Большая стабильность достигается в результате испускания одного из электронов верхних уровней. Потеря этого второго электрона лежит в основе явления, называемого эффектом Оже (см. рисунок 3).
В 1925 году мир физики снова вздрогнул – причиной стала публикация новой теоремы квантовой теории, предтечей которой стал молодой Вернер Гейзенберг (1901-1976). Мейтнер получала информацию о новых теориях из первых рук и участвовала в многочисленных обсуждениях и конгрессах. В этот период в Берлин приехал ее племянник Отто Роберт Фриш, только что закончивший физический факультет. Он, как уже упоминалось выше, сыграл значительную роль не только в жизни Лизы Мейтнер, но и в истории открытия расщепления ядра.
РИС.З
При облучении рентгеновскими лучами атом теряет электрон с уровней, наиболее близких к ядру, – шаг а. Пустое место занимает электрон из более высокого уровня – шаг Ь. При этом атом может испускать электрон с верхних уровней. Этот феномен называют эффектом Оже, а второй испускаемый электрон – электроном Оже.
ПУТЬ К РАСЩЕПЛЕНИЮ
«В 1932 году у нас работали 28 исследователей в двух отделах [у Гана и у Мейтнер]», – так говорила Лиза, гордясь успехами, достигнутыми институтом со времени создания. Но на следующий год Адольф Гитлер, не добившийся победы на выборах, стал первым канцлером Германии. Поворотным стал еще 1929 год, когда после смерти канцлера Густава Штреземана, стоявшего во главе страны в период республики, время словно ускорило ход. Эйнштейн, находившийся в США, после прихода к власти Гитлера принял решение не возвращаться на родину.
Нацистская партия стала приспосабливать законодательство к своей расистской идеологии. Были приняты законы, заставлявшие увольняться граждан, которые не могли доказать чистоту расы, то есть то, что ни их родители, ни родители родителей не были евреями. Хотя Мейтнер давно стала протестанткой, для расистов она оставалась еврейкой, пусть и защищенной австрийским гражданством. Однажды после того, как Мейтнер заполнила анкету о своих родственниках, ей сообщили, что она больше не может заниматься преподаванием. Вмешательство Планка и Гана не принесло плодов.
Многие ученые-евреи бежали из Германии, хотя устроиться на новом месте в условиях кризиса было довольно сложно. Мейтнер, со своей стороны, решила не замечать угроз и полных ненависти речей, считая это временным явлением. Она сохранила должность в Институте кайзера Вильгельма и продолжала работу. Именно в тот момент исследовательница приступила к новой серии экспериментов, для которой они с Ганом вновь начали работать вместе. Ученые шли вслед за Энрико Ферми, исследуя бомбардировку урана нейтронами. Эта работа привела Мейтнер и Гана к открытию расщепления ядра.
ГЛАВА 4
Расщепление ядра
Вследствие бомбардировки атомов урана нейтронами может получиться так, что ядро расколется на две примерно равные части, высвобождая в ходе этого процесса значительное количество энергии. Этот опыт помог Мейтнер и Гану, при участии Штрассмана и Фишера, открыть расщепление ядра. Ученые основывали свои исследования на работах других физиков – Ферми, Резерфорда, Жолио и Кюри.
Открытие расщепления ядра разделило на до и после не только историю физики, но и историю человечества. Это открытие было совершено благодаря работе Мейтнер и Гана. Незаменимым их помощником был Фриц Штрассман, который заступал на место Гана, когда тому нужно было вернуться к исполнению бюрократических обязанностей, связанных с функционированием Института кайзера Вильгельма. Также нужно вспомнить и о вкладе Отто Роберта Фриша, племянника Мейтнер.
К несчастью, расщепление ядра позволило создать атомную бомбу, разработанную в США во время Второй мировой войны и использованную против японских городов Хиросимы и Нагасаки. Однако впоследствии расщепление нашло применение в мирных целях: для производства энергии были построены атомные электростанции.
Как мы увидим в этой главе, в основу исследований легли работы Резерфорда, Ирен Кюри и Фредерика Жолио, но непосредственное влияние на них оказал Энрико Ферми – итальянский физик, вдохновитель множества экспериментов. Мейтнер жила в очень напряженную эпоху: в то время когда она вела самое главное в своей жизни исследование, к власти пришли нацисты. Расщепление ядра было открыто в годы господства подлости, расизма и ксенофобии.
ДЕЛЕНИЕ ЯДРА
Путь, который привел к открытию расщепления ядра, был намечен в начале XX века при открытии ядра атома. Резерфорд не только открыл его как составную часть атома, но и стал первым, кто попытался разделить атом, чтобы изучить его внутреннюю структуру. В одном из опытов, поставленных в 1917 году, он бомбардировал ядра атомов азота альфа-частицами из двух протонов и двух нейтронов, которые появляются при радиоактивном распаде таких элементов, как полоний. Ядро азота, поглощая альфа-частицу, утрачивало стабильность, происходила эжекция протона. Расчеты баланса частиц понятны: у азота – семь протонов, к которым можно добавить еще два протона от поглощаемой альфа-частицы. При испускании протона в ядре остается восемь протонов, что соответствует кислороду. Таким образом, было доказано, что элементы могут трансмутировать, в том числе возможна искусственная трансмутация.
Никто не думал о расщеплении до его открытия.
Лиза Мейтнер
В 1932 году Резерфорд руководил Кавендишской лабораторией в Кембридже, а двое его учеников, Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон, построили ускоритель частиц. Этот аппарат позволял им запускать обладающие высокой энергией протоны в направлении, например, литиевой пластинки. При поглощении одного протона ядром лития, состоящим из трех протонов, возникала дестабилизация нового ядра, и можно было наблюдать, как оно распадается на два фрагмента одинаковой массы. Каждый фрагмент состоял из частицы с двумя протонами и двумя нейтронами, или, другими словами, литий превращался в альфа-частицу (см. рисунок 1). Идентификация продуктов распада осуществлялась с помощью фосфоресцирующих экранов, воздействие альфа-частиц на которые имело вид характерной вспышки.
