Страница 3 из 28
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.