Страница 4 из 28
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.
Беккерель начал изучать разные флуоресцентные элементы, проверяя, испускают ли они рентгеновские лучи под воздействием света. Он взял соль урана, подверг ее воздействию солнечного света, а затем разместил на фотопластинке, прикрыв тканью. Беккерель обнаружил, что на пластинке отпечатались очертания кусочка соли урана, и решил: это подтверждение гипотезы о том, что солнечные лучи возбуждают материал, а затем испускаются в виде рентгеновского излучения в ходе процесса флуоресценции. На другой день он решил повторить эксперимент, но было облачно. В соответствии с гипотезой ученого отсутствие солнца не позволяло индуцировать флуоресценцию в минерале, так что Беккерель убрал уран и пластинку в ящик стола. К его удивлению, через несколько дней на пластинке он обнаружил такой же отпечаток, как и после воздействия солнечного света. Это означало, что излучение, испускаемое ураном, имеет мало общего с рентгеновскими лучами и флуоресценцией. Также Беккерель поместил между ураном и фотопластинкой медный крест, и его силуэт проявился на пластинке в виде тени. Речь шла о неизвестном явлении, которое несколько лет спустя было названо радиоактивностью.