Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.