Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

ГЛАВА 3 Открытие радиоактивных элементов

Открытие протактиния, элемента с высокой радиоактивностью, было одним из самых заметных достижений Лизы Мейтнер и Отто Гана в Берлине. Эта пара ученых стала одной из основных команд той эпохи, исследовавших радиоактивность.

В 1907 году Макс Планк был уже уважаемым ученым. По мере того как его идеи распространялись в научном сообществе, росло и количество молодых исследователей (включая Мейтнер), которые хотели слушать лекции ученого в Берлинском университете. Планк стал учителем Лизы, хотя его характер очень отличался от характера Больцмана. Планк был серьезным, сдержанным, сухим и лаконичным — полная противоположность энтузиасту-Больцману. Мейтнер писала:

«...должна признать, что в начале была немного разочарована лекциями Планка, несмотря на их чрезвычайную ясность. [...] Иногда они выглядели довольно бесцветными в сравнении с Больцманом».

Планк не возражал против присутствия женщин в университете, хотя считал, что женщина, обладающая способностями и интересом к теоретической физике, — скорее исключение из правила. Это не замедлило проявиться в самом начале его знакомства с Мейтнер. Лиза рассказывала об этих первых встречах так:

«Когда я записалась в Берлинский университет, чтобы слушать лекции Планка, он принял меня очень любезно и почти сразу пригласил к себе. Когда я впервые побывала у него дома, он сказал мне: «Но у тебя же уже есть докторская степень! Чего еще ты можешь желать?» На это я ответила, что хотела бы достигнуть настоящего понимания физики. Тогда он дал мне краткий дружеский ответ и больше не углублялся в данный вопрос. Я сделала вывод, что он был не очень высокого мнения о женщинах, занимавшихся наукой. Предполагаю также, что в какой-то степени для той эпохи он был прав».

Со временем взаимное уважение Планка и Мейтнер росло. Планк помогал Лизе в ее восхождении по карьерной лестнице, он всегда старался, чтобы она получала за свою работу достойное вознаграждение, в связи с чем несколько раз выдвигал ее на Нобелевскую премию. Мейтнер, в свою очередь, отмечала «чистоту характера» Планка, и ее уважение к нему как к ученому постоянно росло. Она даже близко подружилась с близнецами — дочерьми Планка.

В физике мы работаем не ради одного дня, не ради сиюминутного успеха, мы работаем для вечности.

Макс Планк

Мейтнер не планировала задержаться в Берлине дольше чем на два года, поэтому стремилась использовать отпущенный самой себе короткий срок максимально эффективно. В первую очередь Лиза постаралась получить собственную лабораторию, чтобы продолжать исследования радиоактивности. Для этого она отправилась к Генриху Рубенсу, директору по экспериментальной физике университета. «Для меня не было места», — таким был неутешительный итог этого визита. Рубенс предложил Мейтнер поработать в его собственной лаборатории и под его руководством, но Лизу это предложение не привлекло. У нее уже была одна опубликованная работа, и она знала, что должна продолжить собственные исследования.

Все тот же Рубенс рассказал Мейтнер о молодом химике, научные интересы которого совпадали с интересами Мейтнер и который даже хотел с ней познакомиться. Так Лиза встретилась с Отто Ганом.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в Киле (Германия) в 1858 году. Вскоре его семья переехала в Мюнхен. Там в университете Планк изучал физику и в возрасте 21 года защитил диссертацию по второму началу термодинамики в 1879 году. После этого он стал доцентом университета в Киле. В 1887 году умер Густав Кирхгофф, знаменитый профессор Берлинского университета, его место вначале предложили Больцману, а когда тот отказался (о чем после сожалел) — Планку. Для Планка это назначение было большой честью, в том числе потому, что ему предстояло работать вместе с Гельмгольцем, легендой физики XIX века. В Берлинском университете Планк оставался до конца своей научной карьеры. Он представил Прусской академии наук 14 декабря 1900 года результаты своих исследований по энергетическому взаимообмену матери — надо сказать, очень неудобные результаты.

Был единственный способ примирить наблюдения с теорией — признать, что энергия распределялась в форме пакетов, которые Планк назвал квантами энергии. Это утверждение опровергало законы электромагнитного излучения, установленные Максвеллом в середине XIX века, и сам Планк не был до конца уверен в своей идее. По сути немецкий физик считал, что его решение — это некий формальный шаг. Он и сам не верил в существование квантов и ожидал, что дальнейшие исследования в этом направлении позволят на основании новых физических знаний получить корректную модель. Науке нужно было подождать до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн подтвердит идею о существовании энергии в форме пакетов и объяснит с ее помощью фотоэффект. Затем последовала работа датского физика Нильса Бора, основанная на принципе квантования энергии и призванная объяснить характерные для каждого вещества спектральные линии поглощения. Окончательно упрочила положение квантов энергии новая модель атома.

Макс Планк в 1901 году.

Отто Ган родился во Франкфурте (Германия) в 1879 году. Он был младшим из трех детей в семье довольно скромного происхождения. Однако дела его отца шли успешно, и они не испытывали финансовых ограничений. Как писал в автобиографии Отто, его отец желал для сына карьеры архитектора, хотя сам Ган не чувствовал в себе способностей к этому делу:

«У меня отсутствовала какая бы то ни было склонность к рисованию. [...] У меня не было артистического воображения, в целом я совершенно не был приспособлен к этой профессии».

В юношеские годы Отто превратил прачечную в своем доме в импровизированную химическую лабораторию и так увлекся экспериментами, что твердо решил стать химиком.

В 1897 году он поступил в Марбургский университет, но, как сам говорил впоследствии, «наше внимание к науке было не слишком заметным». В тот период Гана скорее привлекали развлечения, а не наука:

«Я не планировал превращаться в ученого, мне быстро стало понятно, что для работы в промышленности достаточно освоить основы».

Он понимал, что после окончания обучения ему несложно будет найти работу в немецкой химической промышленности, переживавшей бурное развитие, поэтому в университетские годы много времени проводил в тавернах вместе с друзьями, и это были «беззаботные и счастливые часы». Однако по предметам, напрямую связанным с химией, Ган получал высшие оценки.

После окончания учебы он прошел обязательную военную службу, а затем стал ассистентом одного из профессоров Марбургского университета. Для получения работы в промышленности Гану требовалось иметь опыт работы за рубежом и знать иностранные языки. Отто решил, что для расширения полученных знаний лучше всего отправиться в Лондон. Этот простой план имел неожиданные результаты.

В 1904 году Ган прибыл в Лондон, чтобы работать вместе с шотландским химиком и экспертом по благородным газам Уильямом Рамзаем (1852-1916). Тот открыл, среди прочего, газ гелий и в этом же году получил Нобелевскую премию. Исследования Рамзая были посвящены радиоактивности, он находился на пике своей научной карьеры. Увы, через несколько лет химик занялся проектом добычи золота из морской воды, и в связи с этим его карьера пошла на спад. Для Гана сотрудничество с Рамзаем открывало множество возможностей, которыми он не преминул воспользоваться.

У Гана есть институт для открытия новых элементов.

Эрнест Резерфорд

«Это был год моей «трансмутации» из специалиста по органической химии в радиохимика», — вспоминал Ган. Его знания по радиоактивности были скудными, а опыта у него не было совсем. Однако Рамзай считал, что отсутствие знаний может стать преимуществом: такой исследователь свободен от предрассудков. Скоро изучение радия, открытого Кюри в начале века, привело Гана к выводу, что он обнаружил новый радиоактивный элемент. Отто назвал его радиоторием, так как его связь с торием была очевидна. Рамзай заметил способности Гана, сулившие блестящую карьеру исследователя, и попросил своего новоиспеченного помощника продолжать исследования в области радиоактивности. Позднее сам Ган признавал:

«Как это вещество [радиоторий] попало в образец радия? Объяснение состояло в том, что образец был взят не из жилы чистого урана, а из торианита, который залегает на Цейлоне [сегодня Шри-Ланка] и содержит, кроме урана, большой процент тория. Строго говоря, открытие радиотория было делом удачи».

Пребывание в Лондоне подходило к концу. Гана ожидало крупное химическое предприятие, занимавшее прочные позиции в экономике страны и обещавшее юноше широкие перспективы. Это была стабильная и хорошо оплачиваемая работа.

Если в 1900 году было известно совсем немного радиоактивных элементов, то очень скоро ученые начали открывать все новые и новые. Идентификация радиоактивных элементов (или, как их называли, радиоэлементов) происходила хаотично. Эрнест Резерфорд заметил, что при распаде радиоактивные элементы испускают излучение (альфа, бета и гамма) и в определенных случаях трансмутируют в другие вещества, которые, как правило, также являются радиоактивными. Химическая трансмутация и испускание излучения связаны, испускаемые частицы — ключ для понимания превращения элементов. Во время радиоактивных процессов меняется соотношение частиц в атоме элемента и происходит его превращение. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди установили, что на самом деле все разнообразие радиоактивных элементов можно классифицировать по семействам и организовать в простую схему, напоминающую родословное древо, — так были сформированы ряды распада. От родительского элемента — урана или тория — при последующих распадах и испускании частиц появлялись дочерние элементы, или продукты распада. Новые вещества, открытые Ганом, должны были распределяться по радиоактивным рядам. В 1904 году Резерфорд опубликовал первые ряды, показывающие связи между разными радиоактивными элементами. На рисунке можно увидеть семейства радия и тория, которые в ходе серии распадов испускают частицы, также указанные на схеме (Чт — сокращение для обозначения частиц, в данном случае альфа или бета).

Понятие изотопа было введено Содди в 1913 году и помогло классифицировать все радиоэлементы заново. Ган замечал:

«Все мои попытки отделить друг от друга «элементы» радий и мезоторий окончились неудачей. Так же трудно было отделить радиоторий от тория. Химическое сходство между этими элементами было очевидным и значительно большим, чем сходство между редкоземельными элементами; однако никто не задумывался о возможности существования изотопов».

Изотопы одного элемента имели одинаковые химические характеристики, поэтому некоторая путаница была вполне объяснима. Разное массовое число заставляло считать каждый изотоп новым элементом. Кстати, впоследствии было выяснено, что мезоторий, открытый Ганом в 1907 году, — это радиоактивный изотоп радия (если быть точными, речь идет о радии-228) как продукт распада тория.

Но Рамзай ввел Отто в новый мир, в котором он почувствовал себя как рыба в воде. Исследовательская работа означала весьма неопределенное и нестабильное будущее, но и открывала интересные возможности. Рамзай, со своей стороны, сказал Гану, что для продвижения в науке необходимо отправиться в Канаду и поработать там в Университете Макгилла с главным экспертом по радиоактивности — Эрнестом Резерфордом. Гану необходимо было принять решение: возвращаться на родину или просить Резерфорда принять его в качестве помощника в лаборатории. Он выбрал второй вариант, но впоследствии наладил плодотворное сотрудничество и с предприятиями химической промышленности, финансировавшими часть его проектов.

Отто Ган работал в Университете Макгилла у Эрнеста Резерфорда в течение полутора лет. Вначале Резерфорд не слишком высоко оценил открытие радиотория. Не доверял он и методам, которые использовал Уильям Рамзай. Ученый даже написал Гану, что тот должен «поучиться физике и отделаться от своего элемента». Однако постепенно между Резерфордом и Ганом завязалась дружба на всю жизнь, а канадский период работы стал для Отто очень плодотворным и, как говорил он сам, «памятным». Здесь Гану удалось найти вещество, которое он назвал радиоактинием.

Вернувшись в Германию, Ган нашел место в Берлинском химическом институте. Берлин, казалось, был идеальным городом для химика, так как в нем находились основные предприятия химической промышленности. Ганом заинтересовался сам директор института Эмиль Фишер, известный ученый, получивший Нобелевскую премию в 1902 году за изучение пурина.

Радиоактивность была областью исследований, еще не получившей достаточного внимания в университете, но открытие мезотория, сделанное в 1907 году, вызвало большой интерес со стороны промышленных предприятий. Химически этот элемент был сходен с радием, но его производство обходилось значительно дешевле. Мезоторий обладает рядом интересных характеристик, и благодаря своему открытию Ган получил некоторую известность в стране. Позже выяснилось, что все три открытых им элемента — радиоторий, радиоактиний и мезоторий — в действительности являются изотопами уже известных веществ.

Мейтнер и Ган встретились впервые в Берлинском университете в конце 1907 года. С первого момента они прекрасно поняли друг друга, так что Ган сразу же предложил Лизе работать в химическом институте вместе с ним. Однако на это нужно было испросить разрешения директора Фишера. Тот поначалу сопротивлялся идее Гана, так как нормы университета запрещали женщинам присутствовать в здании, да и он сам хотел бы воздержаться от совместной работы в лаборатории с женщиной. Наконец он уступил и позволил Мейтнер работать в институте — при условии, что их лаборатория будет находиться в подвале, в помещении, где до этого была столярная мастерская. Мейтнер запрещалось входить в основное здание, даже туалетной комнатой ей приходилось пользоваться в соседнем отеле. «Мне пришлось пообещать, что я не буду входить в химический институт, где работали студенты-мужчины и Ган ставил свои химические опыты», — рассказывала она впоследствии.

В те дни женщинам было запрещено работать в институте. Когда я предложил Эмилю Фишеру принять Лизу Мейтнер, чтобы она работала со мной в столярной мастерской в подвале института, [...] он просил ее, чтобы она не входила в учебные аудитории, так как это стало бы плохим прецедентом.

Отто Ган

По утрам Мейтнер приходила на занятия в университет как слушатель — это было основной причиной ее пребывания в Берлине. Ган, в свою очередь, в течение рабочего дня занимался подготовкой к открытию отдела радиохимии института.

В их полном распоряжении для экспериментов оставались только вечера.

Отношения между исследователями всегда были дружескими и очень уважительными. В течение многих лет они обращались друг к другу на «вы», не встречались за стенами лаборатории и никогда не обедали вместе во время работы. Однако, несмотря на некоторую отдаленность, Ган считал, что они были «очень хорошими друзьями», а Мейтнер всегда вспоминала об этом периоде с теплотой, говоря об искреннем расположении Гана, а также о «его любезности и увлеченности музыкой». Ган обладал невероятной музыкальной памятью и часто во время трудоемких экспериментов насвистывал симфонии Бетховена и Чайковского. Экстраверт Ган и застенчивая Лиза Мейтнер хорошо дополняли друг друга.

Оборудование в их лаборатории было очень простым: три электроскопа, сконструированные по образцу моделей, используемых Резерфордом. Эти аппараты нужны были для измерения и учета различных излучений при радиоактивных процессах. Первой большой целью ученых стало исследование бета-излучения, и они проанализировали этот тип испускания частиц для всех известных элементов. В результате в журнале Physikalische Zeitschrift была опубликована первая совместная статья Гана и Мейтнер под заголовком «О поглощении бета-лучей разных радиоэлементов». Если Ган был одержим идеей открытия новых элементов, то для Мейтнер более интересным казалось «распутывать излучения». В последующие два года они опубликовали восемь статей в том же журнале.

В следующем 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии за открытия в области радиоактивности, и это вызвало рост интереса исследователей к этой сфере. Ган и Мейтнер замечали, что их все больше принимают всерьез, их работы привлекают все большее внимание и признание коллег. Резерфорд, отправившийся за Нобелевской премией в Стокгольм, по дороге заехал в Германию, к своему ученику Гану, и познакомился с Мейтнер, о достижениях которой уже был наслышан.

Неустанная работа двух ученых приносила все новые плоды, такие как обнаружение в 1908 году нового радиоэлемента — актиния С. Для более полного анализа бета-излучения они начали применять мощный магнит, чтобы отклонять потоки частиц и измерять их электрический заряд. В этот период Мейтнер обнаружила и экспериментально доказала радиоактивную отдачу — этот эффект ранее предсказал Резерфорд, но сам он его не обнаружил. Ядро радиоактивного атома, испуская альфа-частицу, испытывает откат назад — словно в результате отдачи после выстрела из ружья.

А я думал, что вы мужчина!

Эрнест Резерфорд при личном знакомстве с Мейтнер

В этот период, наполненный интенсивной работой и исследованиями, Мейтнер завязала дружбу с некоторыми учеными и студентами, которые собирались в доме Макса Планка. Тогда же она познакомилась с Эвой фон Бар-Бергиус, шведской исследовательницей, работавшей вместе с немецким физиком Генрихом Рубенсом (1865-1922). Как мы уже говорили, Эва стала близкой подругой Мейтнер, поддерживавшей ее в самые трудные периоды жизни. Раз в неделю Лиза посещала семинары с участием таких ученых, как Планк и Эйнштейн, на которых обсуждались эксперименты, исследования, открытия. Как вспоминала Мейтнер, «эти беседы были настоящим центром интеллектуальной работы». Она оказалась в эпицентре развития науки своего времени.

Ган неоднократно обращался к Резерфорду с просьбой отправить ему образцы радиоактивных элементов, чтобы продолжать работу. Однажды почтальон подошел к бывшей мастерской и ничего еще не успел сказать, как появилась Мейтнер и воскликнула: «А, вы принесли мне пакет от Резерфорда». Удивленный почтальон посмотрел на пакет и убедился, что отправитель — действительно Резерфорд. Все много шутили над интуицией Мейтнер, хотя этот эпизод имел простое объяснение: в пакете находились радиоактивные вещества, а приборы в лаборатории Лизы улавливали присутствие радиации, поэтому Мейтнер нетрудно было угадать имя отправителя.

Мейтнер и Ган сконцентрировали свои усилия на изучении бета-распада. Об этом явлении было известно с 1899 года, когда Резерфорд показал его отличие от альфа-излучения. В том же году Мария Кюри предположила, что излучение состоит из частиц. Но это необходимо было подтвердить. На бета-излучение воздействовали магнитным полем, чтобы доказать: поле меняет траекторию лучей, а значит, частицы, их составляющие, несут определенный электрический заряд. Используя источник радиации (такой как радий) и фосфоресцирующие экраны для обнаружения гамма-лучей, в октябре 1899 года Фридрих Гизель увидел, что при изменении полюсов магнита точки воздействия на экран смещаются. Следовательно, бета-излучение состоит из частиц. На следующем этапе Беккерель установил, что эти частицы — электроны.

История бета-распада на этом не оканчивается. В 1928 году британский физик Поль Дирак (1902-1984) предсказал существование частицы, имеющей такую же массу, как электрон, но противоположный заряд, поэтому частицу назвали позитроном. Через четыре года американский физик Карл Дейвид Андерсон (1905-1991) открыл присутствие позитронов в космических лучах. Благодаря туманной камере он увидел, что под действием магнитного поля позитроны описывают траекторию, идентичную траектории электронов, поскольку масса частиц совпадала, но направление движения было противоположным, как и их заряды. Кроме того что была подтверждена гипотеза Дирака, почти сразу стало понятно, что эта частица связана с бета-распадом. Фредерик Жолио и Ирен Кюри начали бомбардировку алюминиевой пластины альфа-частицами и увидели, что под их действием алюминий превратился в радиоактивный изотоп фосфора. Так эта пара французских ученых открыла не только возможность искусственной радиоактивности, но и установила, что при этом возникает большое количество позитронов. Бета-распад вызывал не только появление электронов, но и новых частиц. Это означало, что имелось два типа бета-распада: р^-, когда испускался электрон, и р⁺, когда испускался позитрон. В истории бета-распада должны были появиться новые открытия. Австрийский физик Вольфганг Паули (1900-1958) заметил, что при бета-распаде происходят странные явления. После испускания электрона ядро не возвращалось к прежнему состоянию в направлении, противоположном импульсу, полученному электроном, и это со всей очевидностью доказывало, что не сохранялись ни импульс, ни энергия. В письме, которое он направил на физический симпозиум в 1930 году, был сделан прогноз относительно того, что для решения данной проблемы в процессе должна быть задействована новая частица, которую до сих пор никто не мог обнаружить. По мнению Паули, эта частица практически не имела массы и совсем не имела энергии. Когда в 1932 году состоялось открытие нейтрона, решили, что Паули говорил не о нем, поскольку нейтрон был достаточно массивен. Для того чтобы отличать предполагаемую частицу от нейтрона, итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) предложил название «нейтрино». Нейтрино были открыты в 1956 году, когда американские физики Клайд Коуэн (1919-1974) и Фредерик Райнес (1918-1998) обнаружили при проведении опыта миллиарды этих частиц. Исследования бета-распада были завершены, когда ученые установили, что при р~ испускалось одно антинейтрино, и р⁺ — одно нейтрино.

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.

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.

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.

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 — 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.

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.

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.

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.

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.

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.

«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.