Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.

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.

[Лиза Мейтнер] это наша Мария Кюри.

Альберт Эйнштейн

Неподалеку от Музея естественной истории, где работал Беккерель, молодая женщина-исследователь польского происхождения начала заниматься только что открытой радиацией и посвятила ей свою диссертацию. Речь идет о Марии Кюри — первой женщине, получившей Нобелевскую премию (в 1903 году по физике), и первом исследователе, получившем Нобелевскую премию дважды (второй раз — в 1911 году, по химии). Вместе с мужем Пьером Кюри Мария принялась искать другие вещества, для которых была свойственна радиоактивность, и супруги обнаружили торий, полоний (назван в честь родины Марии Кюри) и радий. Для определения атомного веса радия требовались тысячи тонн урановой смолки — минерала, содержащего ничтожное количество урана (примерно один грамм чистого урана на килограмм минерала) и таящего в себе интенсивный источник радиации. После напряженных трудов Кюри удалось получить достаточное количество материала и произвести фундаментальное исследование.

Изучение катодных лучей началось после наблюдения учеными любопытного феномена. В 1857 году Генрих Гейслер (1814-1879), занимавшийся изготовлением стеклянных трубок, изобрел вакуумный насос — устройство для откачки воздуха из сосуда, позволявшее получить в трубке низкое давление. Разместив внутри такой трубки электроды, он обнаружил, что в ней возникает странное свечение. Позже английский химик Вильям Крукс (1832-1919) усовершенствовал вакуумный насос и наблюдал то же явление, но у него трубка не освещалась внутри, а свет концентрировался в одном из ее концов, прямо на стекле. Если внутри трубки, между электродом и ее концом, расположить какой-либо объект, например мальтийский крест, на противоположном конце трубки отпечатается тень этого объекта (см. схему). Это означало, что катод испускает какой-то луч, коллимированный свет, проявляющийся на стенке трубки. Если на этой стенке размещали фосфоресцентное вещество, оно под воздействием луча начинало светиться. В отличие от флуоресценции, фосфоресценция минерала продолжается, даже когда источник возбуждения убирают. Период отдачи света может длиться от нескольких долей секунды до нескольких лет — этим объясняется свечение таких минералов в темноте. Так были открыты катодные лучи, то есть испускание электронов.

Изучая природу новых лучей, венгерский физик Филипп Ленард (1862- 1947) сделал важное открытие, благодаря которому получил Нобелевскую премию по физике в 1905 году. Ленард хотел попробовать исследовать лучи вне трубки Крукса. Проблема состояла в том, что для создания вакуума нужно было стекло, — без этого невозможно было получить катодные лучи, но с другой стороны, этот материал поглощает лучи, поэтому их невозможно изучать, находясь снаружи сосуда. Необходимо было сделать сосуд из другого материала, при этом в нем нужно было создать внутренний вакуум, но катодные лучи должны каким-то образом выходить из сосуда. В конце концов Ленард понял, что если на стенке сосуда сделать маленькую щель, которая впоследствии в его честь была названа окном Ленарда, и прикрыть ее алюминием, лучи смогут «убегать» через нее, — это было обнаружено с помощью фосфоресцирующего вещества, расположенного в нескольких сантиметрах от трубки. Так было установлено, что лучи могут проходить сквозь алюминий и освещать фосфор. При этом если фосфоресцирующее вещество размещали на расстоянии более 10 см от трубки, воздух ослаблял лучи, препятствуя индуцированию фосфоресцентного минерала.

В 1895 году немецкий физик, профессор Университета Вюрцбурга Вильгельм Рентген (1845-1923) заинтересовался экспериментами Филиппа Ленарда. Рентген даже устроил дома маленькую лабораторию для изучения катодных лучей в трубках с окнами Ленарда. Однажды вечером он, чтобы помешать выходу катодных лучей, закрыл алюминиевое окошко куском картона. После этого Рентген подключил к трубке напряжение и неожиданно увидел свечение на расстоянии метра. После отключения напряжения свечение исчезало. В этом опыте освещался экран, покрытый платиноцианистым барием — флуоресцентным веществом. Результаты опыта показали, что обнаруженные лучи отличаются от катодных: воздух не поглощал их, более того, лучи могли проходить сквозь разные материалы. Исследователь сделал вывод, что процессы, происходящие в трубке Крукса, вызывают новый вид излучения с высокой проникающей способностью. Новое излучение проходило через твердые материалы и живые ткани (это было доказано с помощью опыта, в котором был сделан снимок руки жены ученого), присутствие лучей можно было установить по возбуждающему действию, которое они оказывали на флуоресцентные материалы. Так были открыты Х-лучи, которые сегодня широко применяются в медицине. Благодаря этому открытию была учреждена Нобелевская премия по физике, впервые врученная в 1901 году, — конечно же, лауреатом стал Рентген.

Открытие электрона неразрывно связано с исследованиями трубки Крукса и наблюдениями за катодными лучами. Крукс заметил, что катодные лучи под воздействием магнитного поля отклоняются, и это позволило ему установить их отрицательный заряд. В 1896 году британский ученый Джозеф Джон Томсон (1856-1940) провел серию опытов, установив, что катодные лучи состоят из частиц (или корпускул, как он их сам называл). Томсону удалось создать трубку Крукса со степенью разрежения, наиболее близкой к абсолютному вакууму.

Воздействуя электромагнитным полем на области вокруг трубки, ученый смог определить глобальное соотношение массы и заряда электронов. Используя разные материалы для катода и анода, изменяя разреженные газы в трубке, он сделал вывод, что обнаруженная частица едина для атомов любых элементов. Эти опыты привели его к созданию атомной модели, которую назвали «пудинговой»: атом состоял из электронов, которые, словно изюм в пудинге, равномерно располагались в положительно заряженном облаке. Заряды облака и электронов взаимно компенсируются.

В «пудинговой» модели атома, предложенной Томсоном, отрицательно заряженные электроны равномерно распределяются в положительно заряженном облаке, словно изюм в пудинге.

Открытие новых радиоактивных элементов стало важным шагом, но необходимо было проанализировать и другие аспекты этого явления. Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) вместе с английским химиком Фредериком Содди (1877-1956) стали авторами самых невероятных открытий в этой области, когда в 1935 году в Университете Макгилла в Канаде опубликовали данные о том, что радиоактивность проявляется в виде разных типов излучения, которые различаются по проникающей способности (а также, как стало известно позже, по электрическому заряду). Резерфорд назвал альфа-излучением радиацию с наименьшей проникающей способностью. Впоследствии сам ученый подтвердил, что альфа-частицы имеют положительный заряд. Бета-излучение, в свою очередь, имеет большую проникающую способность.

Установить заряд этого вида излучения удалось Антуану Анри Беккерелю в 1900 году: он аналогичен заряду катодных лучей, то есть речь шла о той же частице, которую открыл Томсон несколько лет назад, — электроне.

Электрон по своему размеру в соотношении с атомом подобен бейсбольному мячику в сравнении с Землей. Или, как утверждал Оливер Лодж, если бы мы могли увеличить атом водорода до размера собора, электрон был бы в нем как маленькая пылинка.

Вальдемар Кемпферт (1877-1956), американский научный редактор и писатель

Гамма-лучи были открыты последними — из-за того, что заряд у них отсутствует. Этот тип лучей не состоял из частиц, они были похожи на рентгеновские, хотя несли гораздо больше энергии. Гамма-лучи открыл в 1900 году Поль Виллар (1860-1934), вначале спутавший их с рентгеновскими. Благодаря Резерфорду было установлено, что все это — разные виды электромагнитного излучения.

Так как три типа излучения имеют разный заряд — положительный, отрицательный или нейтральный, — у них различная проникающая способность (см. рисунок 1), по-разному они ведут себя и в присутствии электрических и магнитных полей (см. рисунок 2). При прохождении через электрическое поле альфа-лучи притягиваются к отрицательному полюсу, бета-лучи — к положительному. Траектория гамма-лучей под действием магнитного поля не изменяется.

Все эти события разворачивались, когда Мейтнер решила изучать физику. Но как могла молодая девушка еврейского происхождения не только посвятить себя науке, но и стать одной из главных фигур среди исследователей своей эпохи? Пришло время обратить свой взгляд на Вену, родной город Лизы, в котором можно найти ключ к тайне ее превращения в одного из известнейших ученых своего времени.

РИС. 1

Одна из отличительных характеристик трех типов излучения — проникающая способность.

РИС. 2

При воздействии электрического поля альфа-частицы (обладают положительным зарядом) притягиваются к отрицательному полюсу, их траектория отклоняется в этом направлении, отрицательно заряженные бета-частицы отклоняются к положительному полюсу. Нейтральные гамма-лучи сохраняют свою прямолинейную траекторию.

Мейтнер родилась в 1878 году в Вене, в то время город был столицей Австро-Венгерской империи. Лиза с раннего возраста увлекалась математикой и физикой, но женщинам было запрещено получать высшее образование. К счастью, именно в эту эпоху в Австро-Венгрии начались масштабные социальные преобразования, благоприятно отразившиеся, например, на евреях, которые получили доступ к обучению в вузах. Так мечты Лизы об изучении физики начали сбываться.

Мейтнер прожила в Вене 29 лет, но, покинув ее, больше на родину не возвращалась, хотя и сохранила австрийское подданство. Ее родители, Филипп Мейтнер и Хедвиг Сковран, были моравскими евреями. В семье росло восемь детей, Лиза — третья из них.

С середины XIX века в Австро-Венгрии начался процесс либеральных преобразований, которые затронули многие стороны жизни. В этот период город начал стремительно расти, принимая тысячи приезжих, которых в основном влекли бурная театральная и музыкальная жизнь столицы. Но условия, в которых должны были селиться вновь прибывшие, не всегда можно было назвать благоприятными: тесные жилища, ужасная антисанитария, отсутствие постоянных заработков при высокой безработице.

Большинство венцев исповедовали католичество, евреев же в этом городе преследовали: они были ограничены в правах по сравнению с другими жителями, как показывает пример с университетским образованием. Положение в корне изменилось в 1867 году, с введением конституции, защищавшей «фундаментальные права всех граждан». Несмотря на то что антисемитизм по-прежнему был характерен для венского общества, Филипп Мейтнер благодаря происходящим изменениям смог получить диплом юриста и стал одним из первых евреев, освоивших эту профессию. Филиппа очень волновала политическая жизнь, и в его доме часто шли дискуссии о будущем страны.

В 1866 году в результате войны, продолжавшейся несколько недель, Австрия была разбита Пруссией, во главе которой стоял Отто фон Бисмарк. После этого так называемые германские государства объединились вокруг Пруссии, образовав Германскую империю, а Австрия объединилась с Венгрией под Австро-Венгерской короной. В конце XIX века высшее общество Вены продолжало жить в мире корсетов и сословных привилегий — в соответствии со свойственными империи представлениями. Но в этой атмосфере возник и критический дух, интеллектуалы эпохи сыграли важнейшие роли в истории различных научных дисциплин. В Вене конца XIX века жили, например, психоаналитик Зигмунд Фрейд и великолепный музыкант Густав Малер, журналист-сатирик Карл Краус, который со страниц газеты Die Fackel («Факел») разоблачал лицемерие современного общества. Нельзя также не отметить философов Людвига Витгенштейна и Карла Поппера, физиков Людвига Больцмана и Лизу Мейтнер. Вся эта бурная жизнь имперской столицы неожиданно прервалась в 1914 году, со смертью наследника австро-венгерского трона и началом Первой мировой войны.

Карл Краус

и Людвиг Витгенштейн были частью многообразного культурного сообщества, сложившегося в Вене в конце XIX века.

Сегодня это кажется невероятным, но глядя назад, я поражаюсь, сколько трудностей существовало тогда для молодых девушек. Одной из самых больших проблем было получение нормального образования.

Лиза Мейтнер

Мейтнер впоследствии говорила о «необыкновенно стимулирующей интеллектуальной атмосфере», в которой выросла она сама, а также ее братья и сестры. Мать Лизы приложила немало усилий, чтобы дети получили прекрасное музыкальное образование. Все они научились играть на фортепиано, а Августа — или, как ее называли, Густи — даже стала профессиональной пианисткой. Именно Густи была матерью Отто Роберта Фриша, который под влиянием своей прославленной тетки стал блестящим физиком. Как мы уже говорили, Фриш непосредственно участвовал в исследованиях по расщеплению ядра.

Семья Мейтнеров жила в районе Леопольдштадт, где селились в основном евреи, и поэтому здесь было много синагог. Мейтнеры не исповедовали никакой религии. Крещение могло бы облегчить их жизнь, но родители предпочли, чтобы религия не имела решающего влияния на их детей. Уже в зрелые годы Мейтнер решила креститься и стала протестанткой.

Лиза как-то рассказывала, что в детстве бабушка предупредила ее: если она будет шить в шаббат, на нее обрушатся небеса. Девочка захотела проверить, так ли это, и однажды в субботнее утро села вышивать. Первые стежки она делала очень осторожно и неуверенно, но довольно скоро поняла, что ничего страшного не происходит. Да, любопытство очень часто подталкивало Лизу в ее поступках. Многодетная семья Мейтнеров вела не очень богатую жизнь и даже испытывала стеснение в средствах, но при этом в доме всегда было много книг, и все дети получили высшее образование.

Женщинам было запрещено поступать в университеты. Не было у них доступа и к среднему образованию. Когда в 1892 году Мейтнер закончила базовый курс школы, она не смогла продолжить обучение. Считалось, что в этом возрасте, примерно с 13 лет, любая молодая венка должна начать готовиться к браку и учиться вести домашнее хозяйство. Писатель Стефан Цвейг отзывался об этом так: «[...] именно такими общество желало видеть молодых женщин: глупенькими и необразованными». Единственной возможностью продолжать учебу была специализация на одном предмете, чтобы стать учительницей, — университетского диплома для такой работы не требовалось. Лиза выбрала французский.

Но в империи подул ветер перемен. В 1897 году женщинам было позволено поступать в австрийские университеты, и это стало для Мейтнер великой возможностью. В одной из бесед с отцом она рассказала о своем желании получить образование в области науки и попросила его поддержки. Этот путь не был легким, но на помощь родителей девушка могла рассчитывать всегда.

Для поступления в университет необходимо было иметь среднее образование (что предполагало учебу в течение восьми лет), а также сдать вступительный экзамен (Matura). Женщинам, которые хотели поступить в университет, но не прошли курс среднего образования, была предоставлена возможность ограничиться сдачей вступительного экзамена. Курс, который обычно слушали восемь лет, Лиза самостоятельно прошла всего за два года. Девушка очень серьезно относилась к учебе, так что братья даже начали подшучивать над ней: в те редкие минуты, когда они видели Лизу без книги, они предостерегали, что ее ждет провал на экзаменах.

Лиза была очень благодарна своему наставнику, физику Артуру Сарваши, о котором писала: «У него был невероятный дар преподавания математики и физики в очень увлекательной манере». Кроме того, Сарваши показал Мейтнер некоторые приборы, которые исследователи использовали в лабораториях. В 1901 году Мейтнер отправилась сдавать экзамен вместе с еще 14 претендентками, среди которых была и дочь Больцмана, впоследствии оказавшего значительное влияние на карьеру Мейтнер. Выдержали экзамен только четыре девушки. Несмотря на то что Лиза очень интересовалась физикой, она испытывала некоторые колебания, поскольку разрывалась между страстью к этой дисциплине и желанием оказывать помощь другим:

«Когда мне было 23 года и я собиралась поступать в университет, я лелеяла мысль о том, что буду учиться медицине, а в свободное время — заниматься математикой и физикой».

Конец сомнениям положил отец, посоветовавший Лизе не отклоняться от первоначальной цели:

«Отец ясно объяснил мне, что такое возможно только для гения, каким был Герман Гельмгольц, но не для обычного человека».

Мейтнер с большим уважением относилась к советам отца, поэтому остановила свой выбор на физике.

Она приступила к учебе в Венском университете в 1901 году. Лиза была немного старше других студентов и при этом одной из немногих женщин. Она постоянно чувствовала неуверенность из-за того, что не прослушала обычную программу среднего образования, и считала, что в ее знаниях много пробелов. Желая устранить их, Лиза записалась на изучение множества разных дисциплин.

Скрытность Мейтнер стала причиной неприятного эпизода на одном из первых занятий по математике, что окончательно заставило ее сосредоточиться на физике, — профессор попросил Лизу найти ошибку в расчетах. Вот что вспоминала об этом она сама:

«Мне потребовалась значительная его помощь, чтобы найти ошибку, и когда он любезно предложил опубликовать это решение под моим именем, я поняла, что не могу на это пойти».

Профессор был очень обеспокоен отказом Мейтнер продолжать изучение математики, хотя Лиза всего лишь стремилась к абсолютной честности — это стремление руководило ею на протяжении всей жизни. Благодаря этому эпизоду девушка избавилась от последних сомнений:

«Инцидент помог мне окончательно понять, что я хотела стать физиком, а не математиком».

Мейтнер повезло с преподавателями, которые следили за новейшими открытиями в области физики и делились ими со студентами. Франц Экснер, один из преподавателей экспериментальной физики, был другом Вильгельма Рентгена, поэтому знал обо всех открытиях, связанных с Х-лучами. Также этот преподаватель интересовался радиоактивностью и был знаком с Марией и Пьером Кюри, предоставлявшими ему для экспериментов уран.

Начиная со второго года обучения преподавать у Мейтнер стал Людвиг Больцман, уроки которого она называла «блестящими и увлекательными». Больцману удавалось заразить слушателей собственным энтузиазмом, с которым он занимался физикой. Общение с ним было настолько захватывающим, что «после каждого занятия оставалось ощущение, будто перед нами открылся чудесный и совершенно новый мир». Можно сказать, что в формировании Мейтнер как физика принимал участие один из самых видных ученых эпохи и прекрасный оратор, заставлявший замирать аудиторию. Мейтнер считала, что «этот преподаватель был так талантлив из-за своей нетипичной человеческой природы»: она имела в виду в том числе и частую смену настроений, которой был подвержен Больцман.

Больцман дал ей [Лизе Мейтнер] видение физики как сражения за последнюю истину, и это видение оставалось с ней всю жизнь.

Отто Фриш

Благодаря Больцману Мейтнер стала свидетельницей одного из самых напряженных интеллектуальных диспутов той эпохи, посвященных существованию атомов. Больцман был защитником атомизма, в то время как большинство химиков и физиков эпохи поддерживали философское течение, известное как позитивизм, согласно которому единственным источником знаний являются чувства. Для позитивизма какое-либо понятие имеет значение, только если оно связано с эмпирической реальностью. В противном случае такое понятие нельзя считать частью научного знания, оно относится к области метафизики, что, по мнению позитивистов, было синонимом чего-то нереального, существование чего не подкреплено доказательствами. Именно это происходило с понятием атома до XIX века: о его существовании можно было догадаться по некоторым признакам, но экспериментальных доказательств не существовало. Атомы для ученых представляли собой абстрактные единицы, поэтому позитивисты считали их метафизическим понятием. Больцман, в свою очередь, утверждал, что существование атомов необходимо признать для объяснения известной нам реальности.

В 1900 году Больцман вел занятия в Лейпциге, и там ему пришлось столкнуться с суровой критикой, которая его просто опустошила. В 1902 году ученый отправился с семьей обратно в Вену, где хотел набраться сил, чтобы вернуться к преподаванию. Мейтнер присутствовала на первом занятии Больцмана и так вспоминала об этом:

«Он рассказал нам о больших трудностях и противостоянии, с которыми столкнулся в связи со своей убежденностью в существовании атомов, о том, как на него нападали, основываясь на философских заключениях, при этом Больцман никак не мог понять, что конкретно имели против него философы».

Я осознаю, что я всего лишь человек, который бессильно борется с течениями времени.

Людвиг Больцман

В 1905 году Мейтнер начала исследовательскую работу, которая должна была принести ей степень доктора, руководителем был Франц Экснер.

Больцман (1844-1906) является ключевой фигурой в истории физики. Его вклад в науку в основном лежит в области статистической механики — отдела физики, изучающего термодинамическое поведение сложных систем, состоящих из большого количества частиц. Он изучал физику в Венском университете и защитил диссертацию по кинетической теории газов.

Через три года Больцман был назначен профессором математической физики в Университете Граца, затем преподавал в Мюнхене и Лейпциге.

В 1872 году ученый познакомился с Генриеттой фон Айгентлер, которая направила прошение об изучении физики и математики в Университете Граца (но оно было отклонено). Пользуясь поддержкой Больцмана, Генриетта подала апелляцию и была принята на исключительных условиях. После интенсивной переписки, длившейся четыре года, она вышла замуж за Больцмана, и в этом браке родились пятеро детей. С тех пор Больцман стал непреклонным защитником женщин, особенно в части их права на высшее образование. В1873 году он вернулся в Вену и на протяжении трех лет занимал должность профессора математики. В 1876 году Больцман вновь переехал в Грац, и там начался самый плодотворный период жизни ученого, продолжавшийся 14 лет.

Среди его учеников был, например, Сванте Аррениус (1859-1927). Больцман возглавлял университет и сформулировал свои основные теории. В 1890 году ему предложили кафедру в Венском университете, и он вновь вернулся в родной город, где в то же время преподавал один из главных противников атомизма, авторитетный австрийский физик Эрнст Мах (1838-1916). После этого Больцман вновь уехал — в Лейпцигский университет, а потом опять вернулся в Вену. В этот раз среди его учеников были Лиза Мейтнер, Пауль Эренфест (1880-1933) и многие другие видные впоследствии ученые. В1906 году Больцман совершил самоубийство в Дуино, Италия. Причиной этого поступка часто называют нервное истощение физика, к которому его привели дискуссии вокруг атомизма. Те, кто был близко знаком с Больцманом, знали, что он склонен к резким переменам настроения и депрессии. Мейтнер не сомневалась, что самоубийство было результатом «умственной нестабильности». После смерти Больцмана она писала:

«Он мог сильно страдать из-за вещей, которые другой, более толстокожий человек, едва почувствовал бы».

Сегодня считается, что ученый страдал маниакальной депрессией. «Больцман не скрывал своего энтузиазма, когда говорил, увлекая за собой слушателей», — вспоминала Лиза. Он поддерживал дружеские отношения со многими своими учениками, так что Мейтнер вместе с другими студентами неоднократно присутствовала на вечерах в доме Больцмана, когда он играл на фортепиано и много шутил.

Юная австрийская исследовательница изучала теплопроводность в негомогенных твердых телах — тема, связанная с лекциями Больцмана. Также Мейтнер постаралась применить для объяснения теплопроводности законы Максвелла и экспериментально подтвердила свои гипотезы. В знак признания этого труда она получила высшую оценку за свою работу и стала в 1906 году доктором наук.

В одной из своих биографических записей Мейтнер с радостью вспоминает, как Пауль Эренфест связался с ней, чтобы поближе познакомиться с теорией Больцмана и Рэлея:

«Я впервые познакомилась с Эренфестом во время учебы в Вене. Он приехал из Гёттингена в Вену, чтобы учиться у Больцмана. [...] Кто-то сказал ему, что я прилежно конспектирую все его занятия».

Мейтнер решила, что предложение Эренфеста изучать вместе с ним идеи Рэлея и Больцмана довольно любопытно, и сразу же согласилась. Лиза вспоминала: «Эренфест был гораздо лучше подготовлен для решения теоретических задач, чем я сама, кроме того, он был прекрасным и увлеченным преподавателем». Сотрудничество Мейтнер с Эренфестом, который впоследствии прославился своими достижениями в статистической физике и квантовой механике, было очень благотворным. Они получили некоторые результаты, которые подтолкнули Лизу продолжать карьеру исследователя.

Больцман яростно защищал атомизм с 1872 года. Для него атомы были реальными, объективно существующими. В то же время его оппоненты считали, что невозможно увидеть атомы или доказать их существование физическими экспериментами, а значит, это всего лишь предполагаемые единицы, существование которых проявляется косвенно, как это свойственно метафизическим понятиям. Исходя из этой точки зрения атомизм нельзя считать научной теорией. Больцман полагал, что без атомов невозможно объяснить материальную «реальность в том виде, в каком она предстает перед нами». Выдающимся позитивистом XIX века был Вильгельм Оствальд (1853-1932), который на одной из конференций ответил Больцману, что в задачи науки не входит отображение реальности:

«Не нужно пытаться сделать ни изображение, ни правдоподобное приближение! Наша задача — не смотреть на мир в более или менее кривом или мутном зеркале, а видеть его непосредственно, как может позволить природа нашего разума. [...] Данную задачу невозможно выполнить, гипостазируя [то есть приписывая реальные свойства] гипотетические представления, можно только подтверждать взаимосвязь между измеряемыми величинами».

В 1890 году Больцман и Оствальд встретились на конференции в Галле. В перерыве ученые вновь начали дискутировать о существовании атомов. Оствальд пытался убедить противника, рассказав ему о преимуществах энергетической доктрины, которая должна была объяснить все природные явления, основываясь на понятии энергии. Эта концепция была разработана им самим в противовес атомизму. Однако Больцман ответил:

«Не вижу причин, препятствующих тому, чтобы сама энергия была разделена на атомы».

В этот момент рядом оказался Макс Планк, и, возможно, это повлияло на его концепцию квантов энергии, которую он разработал несколько лет спустя. В споре об атомах одним из аргументов, которым позитивисты пользовались с большой ловкостью и долей сарказма, было следующее: никто не может увидеть атомы. Как объясняет историк Джеральд Холтон, этот аргумент был окончательно отвергнут, когда Чарльз Вильсон придумал свою туманную камеру — сосуд со стеклянной крышкой, заполненный воздухом, насыщенным парами воды при низкой температуре. Когда ионизирующая частица, например альфа-частица, проникает в камеру, водяной пар конденсируется по пути ее следования так, что после частицы остается туманный след, как от самолета в небе. Этот способ рассмотреть частицы окончательно сокрушил скепсис вокруг атомов. С помощью туманной камеры была обнаружена большая часть элементарных частиц, таких как нейтрино в 1936 году.

В туманной камере частицы оставляют след, а их траектория определяется взаимодействием частиц с электромагнитными полями.

Как правило, тех, кто защитил диссертацию и хотел продолжать заниматься наукой, ждала работа в университете в качестве ассистента какого-нибудь профессора. Эта должность была одной из низших в иерархии, поэтому считалась сравнительно доступной, но никогда прежде ее не занимала женщина. Мейтнер была второй женщиной, получившей докторскую степень в университете, но стать ассистентом ей не удалось, хотя она и мечтала о будущем исследователя. Лиза решила просить о поддержке Марию Кюри, однако и в ее лаборатории не было свободных мест.

По совету родителей, которые хотели, чтобы их дочь наконец нашла работу и могла содержать себя, Мейтнер стала преподавателем в женской школе. Для нее это было временным решением, так как исследования вызывали гораздо больший ее интерес. Лиза решила, что вечерами будет продолжать исследовательскую работу в Институте теоретической физики — в лаборатории, которую возглавлял Больцман вплоть до своей смерти. Мейтнер писала, что эта лаборатория была больше похожа не на научное учреждение, а на какой-то курятник.

Директором института стал Стефан Майер, бывший ассистент Больцмана. Его основные интересы лежали в области изучения радиоактивности, поэтому одним из первых экспериментов, которые были доверены Мейтнер, было наблюдение за тем, как разные металлы поглощают альфа-и бета-лучи. Мейтнер при этом не получила никаких новейших результатов, но такая работа помогла ей освоить некоторые приборы, такие как электроскоп, владение которыми было необходимо любому исследователю.

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.

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 — 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.

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 (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.

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.

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.

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.