Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

ГЛАВА 4 Расщепление ядра

Вследствие бомбардировки атомов урана нейтронами может получиться так, что ядро расколется на две примерно равные части, высвобождая в ходе этого процесса значительное количество энергии. Этот опыт помог Мейтнер и Гану, при участии Штрассмана и Фишера, открыть расщепление ядра. Ученые основывали свои исследования на работах других физиков — Ферми, Резерфорда, Жолио и Кюри.

Открытие расщепления ядра разделило на до и после не только историю физики, но и историю человечества. Это открытие было совершено благодаря работе Мейтнер и Гана. Незаменимым их помощником был Фриц Штрассман, который заступал на место Гана, когда тому нужно было вернуться к исполнению бюрократических обязанностей, связанных с функционированием Института кайзера Вильгельма. Также нужно вспомнить и о вкладе Отто Роберта Фриша, племянника Мейтнер.

К несчастью, расщепление ядра позволило создать атомную бомбу, разработанную в США во время Второй мировой войны и использованную против японских городов Хиросимы и Нагасаки. Однако впоследствии расщепление нашло применение в мирных целях: для производства энергии были построены атомные электростанции.

Как мы увидим в этой главе, в основу исследований легли работы Резерфорда, Ирен Кюри и Фредерика Жолио, но непосредственное влияние на них оказал Энрико Ферми — итальянский физик, вдохновитель множества экспериментов. Мейтнер жила в очень напряженную эпоху: в то время когда она вела самое главное в своей жизни исследование, к власти пришли нацисты. Расщепление ядра было открыто в годы господства подлости, расизма и ксенофобии.

Путь, который привел к открытию расщепления ядра, был намечен в начале XX века при открытии ядра атома. Резерфорд не только открыл его как составную часть атома, но и стал первым, кто попытался разделить атом, чтобы изучить его внутреннюю структуру. В одном из опытов, поставленных в 1917 году, он бомбардировал ядра атомов азота альфа-частицами из двух протонов и двух нейтронов, которые появляются при радиоактивном распаде таких элементов, как полоний. Ядро азота, поглощая альфа-частицу, утрачивало стабильность, происходила эжекция протона. Расчеты баланса частиц понятны: у азота — семь протонов, к которым можно добавить еще два протона от поглощаемой альфа-частицы. При испускании протона в ядре остается восемь протонов, что соответствует кислороду. Таким образом, было доказано, что элементы могут трансмутировать, в том числе возможна искусственная трансмутация.

Никто не думал о расщеплении до его открытия.

Лиза Мейтнер

В 1932 году Резерфорд руководил Кавендишской лабораторией в Кембридже, а двое его учеников, Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон, построили ускоритель частиц. Этот аппарат позволял им запускать обладающие высокой энергией протоны в направлении, например, литиевой пластинки. При поглощении одного протона ядром лития, состоящим из трех протонов, возникала дестабилизация нового ядра, и можно было наблюдать, как оно распадается на два фрагмента одинаковой массы. Каждый фрагмент состоял из частицы с двумя протонами и двумя нейтронами, или, другими словами, литий превращался в альфа-частицу (см. рисунок 1). Идентификация продуктов распада осуществлялась с помощью фосфоресцирующих экранов, воздействие альфа-частиц на которые имело вид характерной вспышки.

РИС.1

Ядро атома лития поглощает протон, в результате запускается процесс, следствием которого является распад первоначального ядра на две альфа-частицы.

Этот эксперимент имел несколько важных с точки зрения фундаментальной науки следствий, но также он получил большое практическое значение в связи с высвобождением при распаде энергии. Резерфорд был уверен, что для ускорения частиц-снарядов нужно использовать больше энергии, чем высвобождалось в результате процесса. Можно сказать, что он верил в энергетический потенциал атомов, но считал эти разработки малоэффективными. Великий экспериментатор не смог разглядеть возможности, таящиеся в материи:

« Эти трансформации атома невероятно интересны для ученых, но мы не можем контролировать атомную энергию так, чтобы она приобрела коммерческую ценность. Думаю, мы не сможем даже издалека приблизиться к этому, [...] наш интерес к материи чисто научный, и эксперименты, которые сейчас проводятся, помогут нам лучше понять ее строение».

Все изменилось после открытия другой частицы, составляющей ядра, — нейтрона, ставшего наилучшим снарядом для экспериментальной бомбардировки ядер разных элементов.

В 1932 году Джеймс Чедвик, ученик Резерфорда в Кавендишской лаборатории, объявил об открытии нейтрона. В отличие от протона и электрона, новая частица характеризовалась отсутствием электрического заряда, а по размеру была практически идентична протону. Именно отсутствие заряда осложняло ее обнаружение.

После открытия нейтрона (см. рисунок 2) появились новые возможности для изучения атома с помощью бомбардировки его частицами, так как прежде в этом методе использовались альфа-частицы. Поскольку у нейтрона отсутствует электрический заряд, на него не влияют окружающие электрические поля, как это происходит с электронами и протонами. То есть при использовании в качестве снаряда нейтрон может достичь ядра, при этом его траектория в присутствии внутренних и внешних электромагнитных полей не искривляется. Прежде для экспериментов использовали альфа-частицы, но из-за положительного заряда им приходилось преодолевать сильное отталкивание при приближении к ядру, по величине это отталкивание равнялось количеству положительных зарядов, формирующих ядро, которое использовалось в качестве цели (это явление называется экранированием). Поэтому эксперименты можно было проводить только с легкими атомами; для веществ со значительной атомной массой, как у урана, сила отталкивания делала невозможным столкновение альфа-частицы с ядром.

РИС. 2

После открытия электрона и протона нейтрон стал третьей фундаментальной частицей, составляющей атом, которая была открыта экспериментальным путем.

В Париже Ирен Кюри и Фредерик Жолио также вели важные исследования, которые натолкнули Мейтнер на идею о расщеплении ядра. Ирен Кюри стала заниматься наукой вслед за своей матерью и так же, как ее мать, нашла в коллеге-исследователе партнера для совместной работы и жизни. Но на этом сходство между матерью и дочерью Кюри не заканчивается: так же как Мария и Пьер Кюри, пара Жолио-Кюри получила Нобелевскую премию по химии в 1935 году за открытие искусственной радиоактивности.

РИС.З

Эксперимент, позволивший открыть нейтроны, был поставлен Жолио-Кюри, однако только Чедвик смог правильно интерпретировать происходящее.

Жолио-Кюри уже доказали свою состоятельность в постановке экспериментов — один из их опытов с интерпретацией Чедвика помог открыть нейтрон. Было исследовано излучение, возникающее при бомбардировке альфа-лучами бериллия, открытого в 1930 году группой немецких ученых. Это излучение имело такую высокую проникающую способность, что вначале его спутали с гамма-лучами.

Ирен и Фредерик доказали, что излучение при воздействии на парафин может вырывать протоны. Однако они не думали о том, что гамма-лучи не способны вырывать протоны из ядра. Такой эффект должна оказывать новая частица, не имеющая заряда, как правильно интерпретировал результаты опыта Чедвик при помощи Резерфорда.

Открытие искусственной радиоактивности было сделано в 1934 году, после эксперимента с бомбардировкой бора и алюминия альфа-частицами, во время которого бомбардируемые элементы трансмутировали. Так, алюминий превращался в фосфор, он искусственно становился радиоактивным элементом, испускающим при распаде излучение.

Эксперименты нужно готовить так, чтобы в случае опасности можно было открыть все окна.

Фредерик Жолио

Эта индуцированная реакция представляла собой новое, совершенно неожиданное явление. Никогда прежде не наблюдалось, что легкие элементы могут стать источниками радиации. Кроме того, было установлено, что радиоактивность может быть индуцирована, то есть она не является исключительной характеристикой некоторых тяжелых атомов — урана или радия.

В реакции, исследованной Жолио-Кюри, алюминий превращался в фосфор при воздействии альфа-частицы с испусканием нейтрона. Получившийся изотоп фосфора был нестабилен, его средняя жизнь продолжалась три минуты, далее происходил распад, испускался позитрон и образовывался кремний. Как утверждала Мейтнер, «масштаб этих исключительных и прекрасных результатов невероятно велик». Лизе удалось повторить эти опыты в своей лаборатории, она смогла зафиксировать в туманной камере позитроны (см. рисунок 4), которые были конечным продуктом процесса, индуцированного бомбардировкой алюминия альфа-лучами.

РИС. 4

С помощью туманной камеры можно наблюдать, что траектория позитрона в магнитном поле отклоняется с тем же радиусом кривизны, что и у электрона, но в противоположную сторону.

Жолио-Кюри смогли получить нестабильные элементы, которые по этой причине были радиоактивными (искусственная радиоактивность). Однако в атомах с большим атомным числом концентрация положительного электрического заряда из-за закона Кулона не позволяла альфа-частицам, используемым для возбуждения радиоактивных процессов, приблизиться к ядру и столкнуться с ним. Итальянский физик Энрико Ферми при-

Процесс, открытый Жолио-Кюри, можно представить следующим образом. На входе алюминий (AI), состоящий из 13 протонов, поглощает два протона альфа-частицы, то есть ядро гелия, обозначаемого как Не. Формируется новое ядро с 15 протонами, соответствующее фосфору (Р) (см. рисунок), а также происходит высвобождение нейтрона. Данную реакцию можно представить в следующем виде с указанием атомного и массового чисел элементов:

В реакции указано атомное число — внизу слева от символа элемента, обычно его обозначают буквой Z. Оно соответствует числу протонов. Массовое число, указанное вверху слева от элемента (буква А), соответствует сумме протонов и нейтронов. Фосфор при бета-распаде β⁺ превращается в кремний (Si), что сопровождается испусканием позитрона (е⁺):

Количество ядерных частиц — протонов и нейтронов — в процессе распада сохраняется.

думал, что можно избежать экранирования траектории, если в качестве зарядов для бомбардировки тяжелых атомов использовать нейтроны. Ферми совершенно справедливо предполагал, что нейтроны, не имеющие заряда, достигнут ядер элемента-цели, особенно атомов с большим атомным числом. Таким образом, эффективность нейтронов будет выше, чем у альфа-частиц (см. рисунок 5). Мейтнер писала об этом:

«Ферми считал, что нейтроны из-за отсутствия заряда могут проникать в тяжелые элементы, то есть такие элементы, которые занимают крайнее положение в периодической таблице, также они могут спровоцировать ядерные реакции».

РИС. 5

Если протон или пара протонов в альфа-частице испытывает отклонение из-за одноименности зарядов, нейтрон может достичь атомного ядра и столкнуться с ним с большей вероятностью.

Ферми и его замечательная команда исследователей, в которой работали Этторе Майорана и Эмилио Сегре, начали с поиска источника нейтронов для опыта. Они использовали благородный газ радон, продукт распада радия, в смеси с порошком бериллия, так как этот элемент при реакции испускал нейтроны. Также исследователи сконструировали устройство для обнаружения продуктов распада (подобный прибор мы называем счетчиком Гейгера), чтобы точно устанавливать радиоактивность, генерируемую в элементах.

Ферми начал изучать результаты бомбардировки всех элементов периодической таблицы. Результаты его исследований были систематизированы в трех статьях, напечатанных в итальянской газете Nuovo Cimento, которую он выбрал из-за возможности быстрой публикации, а также в престижном британском журнале Nature. Первая статья была опубликована в марте 1934 года, а последняя — в мае того же года. Так как этих статей ждала вся Европа, экземпляры Nuovo Cimento на итальянском были отправлены главным ученым эпохи, среди которых была и Мейтнер. Она с самого начала следила за ходом исследований в Италии и смогла воспроизвести некоторые опыты для проверки.

Поздравляю тебя с тем, что ты смог сбежать из области теоретической физики.

Эрнест Резерфорд — Энрико Ферми

Племянник Мейтнер Отто Роберт Фриш, уже работавший в Стокгольме с Бором, тоже был подписан на Nuovo Cimento и ожидал газеты с большим нетерпением. Так как он единственный понимал итальянский язык, с поступлением нового номера вокруг Фриша собирались толпы желающих узнать научные новости. Это были годы восторженного ожидания и удивительных открытий.

После экспериментальной бомбардировки нейтронами всех известных элементов периодической таблицы Ферми получил три разных типа реакции. У легких элементов после воздействия были возможны два варианта: элемент испускал один протон или альфа-частицу. У тяжелых элементов, как правило, происходил бета-распад с испусканием электронов. При любом виде наблюдаемой реакции воздействие нейтрона вызывало трансмутацию — появление элемента с атомным числом, слегка отличавшимся от первоначального. Максимально элемент мог отличаться на две позиции по периодической таблице.

Команда Ферми убедилась, что все искусственно полученные под действием нейтронов элементы радиоактивные и испускают бета-излучение, при этом химический элемент подвергается трансмутации. Самым тяжелым элементом, изученным Ферми, был уран. В его ядре содержится 92 протона, и это было самое большое известное в ту эпоху атомное число.

Ферми был по-прежнему уверен, что нейтрон будет поглощен ядром и начнется бета-распад, при котором из ядра будет испущен электрон — бета-излучение. Изменение количества протонов предполагало трансформацию химического элемента. У урана было 92 протона, после бета-распада у него становилось 93 протона, таким образом, образовывался новый элемент. Эксперимент имел своей целью доказать существование трансурановых элементов. Впервые в истории у человечества появилась возможность синтеза новых элементов, более тяжелых, и эта новость была воспринята научным сообществом с энтузиазмом.

Что бы ни готовила природа человечеству, каким бы неприятным это ни было, люди должны понять, что невежество хуже знания.

Энрико Ферми

Мейтнер так писала об экспериментах Энрико Ферми:

«Вместе с группой молодых исследователей, часть которых были его учениками, Ферми облучил все возможные элементы нейтронами и получил из тяжелых элементов ряд новых радиоактивных изотопов. Наиболее интересные результаты дал эксперимент с ураном, самым тяжелым элементом. Ферми полагал, что это должно привести с получению элементов с более высокими атомными числами, чем 93 и 94, то есть транс (сверх) урановых».

В конце концов Ферми перестал заниматься изучением трансурановых элементов и обратил свое внимание на другие объекты. По итогам своей работы он получил Нобелевскую премию 1938 года за «доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».

Вклад Энрико Ферми в развитие ядерной эры трудно переоценить. Он провел опыты, используя нейтроны в качестве технического средства для изучения искусственной радиации, он смог запустить цепную реакцию — фундаментальный механизм для высвобождения большого количества энергии, содержащегося в атомах. Ферми родился в Риме в 1901 году, прекрасно учился и благодаря стипендии Рокфеллера смог отправиться на учебу в Германию и Норвегию, где познакомился с самыми знаменитыми физиками того времени, среди которых был и немецкий ученый Макс Борн (1882-1970). В 1924 году Ферми отправился работать в Университет Флоренции, где провел свое первое важное исследование в области физики — статистическое изучение поведения одного из видов субатомных частиц, которые сегодня получили в его честь общее название фермионы — это все частицы, подчиняющиеся принципу исключения Паули, по которому, например, два электрона, принадлежащих одному атому, не могут находиться в одном квантовом состоянии. Частицы, не подчиняющиеся этому принципу, называются бозонами. К фермионам мы можем отнести электроны и мюоны, а также протоны, нейтроны и лямбда-частицы. Вероятностная формулировка, позволяющая выразить математически состояния и взаимодействия субатомных частиц, стала называться статистикой Ферми — Дирака. Такое название было дано в честь двух ученых, которые пришли к ней независимо. Благодаря этому исследованию Ферми было предоставлено место в Римском университете.

Вокруг Ферми образовалась группа выдающихся физиков, включая Эмилио Сегре и Этторе Майорану. В конце 1920-х годов Ферми считался самым знаменитым физиком в Италии, и Бенито Муссолини предложил ему место в Итальянской академии. В этот период ученый начал заниматься ядерной физикой и сделал несколько важных исследований, касающихся бета-распада. В 1938 году опыты по искусственной радиоактивности принесли ему Нобелевскую премию, и Ферми использовал поездку на вручение награды, чтобы сбежать из фашистской Италии и эмигрировать в США. В 1942 году Ферми впервые удалось осуществить цепную ядерную реакцию. Так были заложены основы создания ядерной бомбы, работой над которой он занимался в Манхэттенском проекте. Энрико Ферми умер от рака в 1954 году.

В то время интерес вызвала возможность синтеза трансурановых элементов и уточнения физических процессов, протекающих внутри ядра атома. Мейтнер чувствовала, что ей потребуется помощь эксперта-радиохимика, и лучшим кандидатом был Отто Ган. Хотя прошло уже много лет с тех пор, как они вместе нашли протактиний, но исследование, к которому хотела приступить Мейтнер, требовало совместной работы:

«Я нашла эти опыты столь интересными, что как только они появились в Nuovo Cimento и Nature, я поговорила с Отто Ганом о том, чтобы возобновить наше сотрудничество после многолетнего перерыва с целью решения этих проблем».

Однако Ган принял предложение об исследовании урана из параллельного проекта. Немецкий физик Аристид фон Гроссе (1905-1985) предположил, что один из элементов, обнаруженных Ферми при бомбардировке урана нейтронами, — протактиний. Эта гипотеза ставила под сомнение существование трансурановых элементов, так как атомное число протактиния (91) меньше, чем у урана. Ган решил проверить, так ли это, то есть по существу он заинтересовался той же проблемой, что и Мейтнер, хотя подошел к ней с другой стороны.

Кроме исследовательской группы Гана и Мейтнер в Берлине, возникла еще одна — в Париже, в нее входили Ирен Кюри и Фредерик Жолио. Началось научное соревнование. В Беркли также появилась исследовательская группа, преследовавшая ту же цель. Исследование урана должно было раскрыть новые тайны, и каждый хотел быть первооткрывателем.

Однако исследователи столкнулись с тем, что куски головоломки не желали складываться воедино. Позже стало понятно, что несоответствия в исследованиях носят фундаментальный характер и связаны с двумя ошибочными предположениями, использовавшимися для интерпретации полученных данных.

После появления статей Ферми увидела свет и статья фон Гроссе и Агрусса, в которой было написано, что, вероятно, опыты Ферми относятся не к элементу 93, а скорее к элементу 91 — экатанталу [протактинию]. После этих публикаций Мейтнер и я решили повторить эксперименты Ферми и проверить догадки Гроссе.

Отто Ган

Во-первых, бомбардировка нейтронами не должна была сильно воздействовать на ядро атома. Считалось, что самым большим последствием может быть испускание альфа-частицы.

Эта идея опиралась на теорию туннельного эффекта Гамова.

Используя постулаты квантовой физики, Гамов пришел к выводу, что только микрочастицы, полученные в результате альфа-распада, могут пройти энергетический барьер ядра и покинуть его. Проще говоря, в соответствии с туннельным эффектом субатомная частица может преодолеть потенциальный барьер, соединяющий ее с атомом, и высвободиться, хотя ее кинетической энергии для этого, согласно постулатам классической физики, недостаточно.

Немецкий физик Ида Ноддак (1896-1978) была единственной, кто сомневался в том, что из ядра могут ускользать только микрочастицы. Ноддак, получившая известность после открытия элемента рения и даже несколько раз номинированная на Нобелевскую премию, хотя так и не получившая ее, критично отнеслась к опытам Ферми, считая, что ядра атомов могут делиться на «осколки разных размеров, представляющие собой изотопы уже известных элементов, отличных от облученных». Таким образом, она стала первым ученым, говорившим о ядерном расщеплении. Однако Ноддак не подтвердила эту догадку экспериментально, поэтому коллеги не приняли ее доводы.

Вторая теория, затруднявшая понимание процессов, происходящих при бомбардировке урана, носила химический характер. Для химиков элементы, находящиеся в таблице дальше урана, должны были сохранять химическое сходство с элементами, находящимися в третьем ряду переходных элементов, где расположены рений (Re), осмий (Os), иридий (1г). Поэтому вещества, предположительно находившиеся дальше урана, получили временное название экарений, экаосмий и так далее. Химики даже предсказывали, какими характеристиками должны обладать такие элементы. Однако посылка была неверной, так как на самом деле эти вещества относятся к группе, которую сегодня мы называем лантанидами, или редкоземельными элементами.

Одной из главных проблем радиоактивности и процессов ядерного распада было огромное количество энергии, необходимое для их запуска. С одной стороны, электрический заряд протонов ядра предполагает присутствие электростатического поля, поэтому частицы, несущие положительный заряд, могут испытывать вблизи ядра силы отталкивания. С другой стороны, также присутствует (хотя в ту эпоху о ней еще не знали) ядерная сила, соединяющая между собой нуклоны — протоны и нейтроны. В 1928 году советский астроном и физик Георгий Антонович Гамов (1904-1968) высказал догадку: если применить принципы квантовой физики, то возможно, что некоторые частицы высвобождаются из ядра без приложения такого количества энергии, которое требуется согласно классической физике.

Научный историк Спенсер Вирт пишет:

«Ядерная теория в 1930-х была новым и постоянно меняющимся пузырем идей, растущим и набирающим тут и там экспериментальные данные и правдоподобные уравнения. У этой теории было немного обоснованных, связанных с реальностью точек, также не было множества экспериментальных данных, которые могли быть просчитаны с помощью теории».

По мнению Вирта, первым успехом стала теория распада альфа-частицы Георгия Гамова, который представил, что «ядро —- потенциальный колодец с частицами, находящимися в нем словно внутри пакета». Альфа-частицы могут проходить сквозь поверхность пакета «с использованием туннельного эффекта» (см. рисунок). Вирт считал, что это объяснение «глубоко впечатлило физиков». Но такая точка зрения противоречила другим гипотезам, «говорящим о том, что ядро могло делиться пополам». То есть данная теория не позволяла ученым даже думать о расщеплении ядра. Вновь обратимся к Вирту:

«С самого начала теория Гамова устанавливала, что фрагменты ядра, немного превышающие по размерам альфа-частицу, с трудом проходили бы через потенциальный барьер. [...] Это представление прочно утвердилось в головах исследователей ядра и в особенности берлинской группы».

Хотя теория туннельного эффекта позволяла объяснить механизм альфа-распада, она затрудняла понимание современными физиками возможности расщепления ядра.

Никому это и в голову не могло прийти, так что все исследователи занимались изучением химических характеристик и поиском переходных элементов вместо того, чтобы просто отнести их к другой группе.

Обе идеи дополняли друг друга и формировали вполне определенные ожидания, которые ученые должны были подтвердить экспериментально. Как мы увидим, нужно было отбросить все ошибочные гипотезы, мешавшие интерпретации данных, а затем — выделить и идентифицировать новые элементы, проверить их атомный вес. Трансурановые элементы существовали, нужно было только их обнаружить.

Мейтнер вслед за Ферми также решила обеспечить себя источником нейтронов для экспериментов. Для этого она выбрала бериллий, облучаемый гамма-лучами радия. Однако испускаемые нейтроны реагировали со всеми элементами по-разному.

Относительно тяжелые элементы, такие как золото или серебро, поглощали нейтроны. Но для легких элементов, таких как натрий или алюминий, это не было характерно. Мейтнер установила, что есть соотношение между кинетической энергией нейтронов — низкой из-за их низкой скорости — и процессом их поглощения. Эти медленные нейтроны известны также как термальные. Ферми открыл, что можно уменьшить скорость частиц до столкновения с целью, если на пути они встретят какое-нибудь вещество, содержащее водород (например, парафин). Если опустить источник нейтронов — или цель бомбардировки — в парафин, скорость нейтронов значительно снижается из-за столкновений, которые им приходится преодолевать. Меньшая кинетическая энергия должна была менять тип запускаемой ядерной реакции. Мейтнер и Ган смогли обнаружить отличия термальных нейтронов от быстрых в октябре 1934 года, одновременно с Ферми.

Для того чтобы найти трансурановые элементы, Ган и Мейтнер сначала облучали уран нейтронами. Так как в результате получались очень малые количества радиоактивных элементов в растворе, а в ту эпоху не были известны методы их осаждения, исследователям пришлось прибегнуть к носителю — веществу, которое должно иметь химическое сходство с получаемым продуктом и помогать осаждать его из раствора. В конце необходимо было отделить вещество от носителя.

Будучи убежденными в том, что трансурановые элементы схожи с рением, берлинские ученые выбрали в качестве носителя именно его. Результаты были вполне правдоподобными. Однако также исследователи обнаружили продукты других неожиданных процессов, для интерпретации которых у них не было теоретической модели. Они не могли выяснить, что за элемент появлялся в результате бета-излучения.

При бомбардировке атомов нейтронами ядра могут эти нейтроны поглощать, что вызовет разные типы ядерных реакций,— так утверждали команда Ферми, Жолио-Кюри и берлинская группа в составе Мейтнер, Гана и Штрассмана. Поглощение вызывает, например, бета-распад с последующей трансмутацией химического элемента. Другая возможность, поданным Ферми, состояла в испускании протона или альфа-частицы. Все эти процессы можно было наблюдать при бомбардировке урана-238, наиболее распространенного изотопа урана. Под воздействием пучка нейтронов ядро урана-238 поглощает нейтрон, и элемент становится ураном-239. Начинается бета-распад, который можно записать следующим образом:

(n, e-).

Слева (n, нейтрон) указывается частица, вызвавшая процесс распада, справа записывается испускаемая частица; бета-распад предполагает испускание электронов, обозначаемых е-. Начало бета-распада предполагает промежуточную внутреннюю ядерную реакцию, во время которой нейтрон преобразуется в протон и образовавшийся электрон ускользает из ядра. В ядре остается 93 протона — на один больше, чем было, что соответствует элементу, который мы называем нептуний-293. Этот элемент также подвергается бета-распаду, в результате которого получается плутоний-239, характеризующийся наличием 94 протонов. В этой последовательности процессов атом теряет или приобретает один или несколько протонов, так что конечный элемент в периодической таблице занимает более близкие позиции относительно первоначального элемента. Предположив концепцию ядерного расщепления, Мейтнер открыла двери для гораздо более радикальных ядерных преобразований.

Исследования потребовали нескольких лет. В 1935 году к группе присоединился Фриц Штрассман. Он работал бесплатно, но другого места найти себе не мог, поскольку не симпатизировал нацистской идеологии. В этом смысле вся группа ученых находилась в оппозиции к существующему политическому режиму, так что Мейтнер, над которой нависла реальная угроза, чувствовала поддержку и защиту со стороны коллег. Наконец, они опубликовали результаты исследований, в которых говорили о двух типах бета-распада, вызванного нейтронной бомбардировкой урана. Позже был обнаружен третий вид распада, который, в отличие от предшествующих, не давал такой длинной цепи (см. рисунок 6).

В двух первых процессах Ган установил, что свойства элементов рядов распада соответствуют прогнозируемым. В результате химической трансмутации получались элементы, схожие с рением, осмием и иридием соответственно. Все указывало на то, что ученые на верном пути. Существование трансурановых элементов считалось практически подтвержденным, и из Рима даже пришли варианты названий для новых элементов: авсоний и геспезий. В статье, основным автором которой был Ган, можно прочесть:

«В общем химическое поведение трансурановых элементов [...] таково, что их положение в периодической таблице уже не вызывает сомнений. Кроме того, факт их химического отличия от уже известных элементов неоспорим».

Физик и лидер команды Мейтнер и химик Ган дополняли друг друга, и это помогало им успешно решать вопросы, возникающие при изучении урана. В работе Мейтнер большое значение имел анализ результатов с помощью химических методов. Если в результате химического анализа выяснялось, что вещество осаждается или что обнаруживается радиоактивное вещество, это позволяло точно определить химический элемент. Мейтнер, со своей стороны, должна была сформулировать теоретическую модель, описывавшую наблюдаемые процессы. В связи с полученными результатами возникало множество сомнений: например, и термальные, и быстрые нейтроны вызывали один из двух видов распада. Были и другие неразрешенные вопросы. Спустя много лет Мейтнер писала:

«Я постоянно чувствовала себя несчастной, потому что не могла понять, как может атомное число постоянно увеличиваться при той же массе. Я постоянно спрашивала об этом Вайцзеккера [одного из тогдашних ассистентов]. Как это может быть? Я была совершенно не удовлетворена результатами наших экспериментов до открытия расщепления».

РИС. 6

Пока Ган и Мейтнер были погружены в исследования, немецкое общество все более деградировало. Нацистская идеология захватывала все социальные слои, давление на еврейскую часть населения становилось более явным. Мейтнер не затронули законы, ущемлявшие права немецких евреев: во-первых, она сохраняла австрийское гражданство, во-вторых, у нее было много влиятельных друзей, в том числе Макс Планк, ходатайствовавший, чтобы она не лишилась места в институте. Свидетельством расположения легендарного физика, руководившего Обществом кайзера Вильгельма с 1930 по 1937 год, является то, что он неоднократно выдвигал Мейтнер на Нобелевскую премию. Она была кандидатом от Планка для получения Нобелевской премии по химии в 1936 году, в том же году Гейзенберг выдвинул ее кандидатуру для получения премии в области физики. Планк обсуждал свое предложение о выдвижении Лизы Мейтнер на Нобелевскую премию с немецким физиком Максом фон Лауэ (1879-1960):

«Я высказываюсь за выдвижение фройляйн Мейтнер на Нобелевскую премию. Я уже выдвигал ее кандидатуру в прошлом году с предложением разделить премию по химии за 1936 год между Ганом и Мейтнер. Но я согласен и с предложением, о котором мы говорили с Гейзенбергом».

Несомненно, получение премии способствовало бы международному авторитету Мейтнер и обеспечило бы ей большую безопасность, которая помогла бы избежать части трудностей, ожидавших исследовательницу впереди.

В 1936 году Бор вместе со своими сотрудниками предложил теорию атомного ядра, подобного капле воды, о которой мы уже говорили. Как мы видим, на столе у ученых лежали почти все части головоломки, но соединить их воедино пока не удавалось. В области химического анализа исследователи ограничивались изучением переходных элементов вместо поиска новых. Мейтнер так описывала сделанные ими ошибки:

«Во время облучения быстрыми нейтронами осаждение происходило таким образом, что уран, палладий и торий оставались в фильтрате, что поддерживало идею о трансурановой природе осаждаемых элементов. По этой причине — и это была наша ошибка — в течение долгого времени мы никогда не рассматривали фильтрат после осаждения и воздействия медленных нейтронов».

Необходимость скорейшего получения релевантных результатов чувствовалась еще сильнее ввиду соревнования с командой из Парижа. В 1935 году Мейтнер и Ган провели несколько экспериментов, бомбардируя торий нейтронами и вновь получив цепные бета-реакции. Это открытие было впоследствии получено и Жолио-Кюри, хотя в своей статье они не упомянули Гана и Мейтнер. Для Мейтнер речь шла не только о престиже, но фактически о выживании, так как возможность продолжать работу для нее была подвешена на тонкой нити. Как писал Ган в одном письме, им было очень неприятно, что Ирен Кюри не цитировала их, хотя им «как никогда раньше было необходимо получать признание за свою научную работу».

Именно тогда Ирен Кюри сделала ключевое открытие. В 1938 году с помощью своего сотрудника Павла Савича она осуществила бомбардировку урана термальными нейтронами, и среди продуктов реакции было обнаружено вещество, которое прежде не замечали, с периодом полужизни 3, 5 часа. Вначале исследователи решили, что перед ними изотоп тория, получивший название куриозум. Берлинскую группу этот результат шокировал: им казалось, что такого не может быть. Мейтнер считала, что медленные нейтроны не могут превращать уран в торий. Они воспроизвели эксперимент, стараясь обнаружить торий среди продуктов реакции, но не нашли его. После этого Мейтнер связалась с Кюри, чтобы та отозвала свою статью, хотя, как потом сожалела Лиза, если бы они искали продукт с временем распада в 3, 5 часа, все могло быть по-другому.

В этот период Мейтнер пришлось срочно покинуть Берлин, чтобы избежать ареста. В октябре 1938 года Ган и Штрассман продолжили анализировать результаты, рассматривая их в связи с работой Кюри, но в этот раз, к своему удивлению, они обнаружили изотоп радия. Если Мейтнер считала невозможным, чтобы термальный нейтрон вызывал отделение от ядра альфа-частицы, то еще более невозможным это было для двух частиц (напомним, что у урана на четыре протона больше, чем у радия).

В ноябре 1938 года произошла встреча Лизы Мейтнер, Отто Гана и Нильса Бора в Институте теоретической физики в Дании, имевшая огромное значение. Встреча держалась в тайне, так как Гана из-за нее могли обвинить в измене и уволить. На ней Мейтнер настаивала, что радий получиться не мог, поэтому нужно продолжать исследования природы нового элемента. Позже Штрассман объяснял:

«К счастью, мнение Мейтнер имело для нас такое важное значение, что мы сразу же принялись за контрольные испытания».

В качестве носителя ученые использовали барий, так как он входит в одну группу периодической таблицы с радием и имеет схожее химическое поведение. Удивительно, но все попытки отделить барий, использованный как проводник радия, не увенчались успехом: оставался только барий. Этот эксперимент был осуществлен в ночь с 16 на 17 декабря того года. Результат заставлял думать, что под воздействием нейтрона ядро урана раскалывается на две части. Дальше произошел тот обмен письмами, о котором мы говорили в главе 1. Мейтнер и ее племянник Отто Фриш высказали идею о расщеплении ядра атома на основании предложенной Бором модели ядра в виде капли воды.

Ган и Штрассман опубликовали результат своего опыта с ураном 6 января и 1 февраля в престижном журнале Naturwissenschaften. Мейтнер не могла подписать эту статью, поскольку она уже покинула Берлин, а также потому, что ее фамилия могла создать проблемы для двух других авторов. Мейтнер и Фриш 11 февраля 1939 года опубликовали в журнале Nature статью, вводившую понятие ядерного расщепления с обоснованием управляющих им физических процессов.

Наконец-то стали понятны результаты опытов, которые они обдумывали в течение нескольких лет. С одной стороны, из трех выделенных ими процессов только в третьем случае, когда цепочка индуцированных реакций была самой короткой, образовывался стабильный трансурановый элемент. Этот элемент удалось обнаружить в 1940 году, и он получил название нептуний. Таким образом, существование трансурановых элементов нашло частичное подтверждение.

Мейтнер в 1959 году проводит свободную дискуссию со студентками в колледже Брин-Мор в Пенсильвании, США.

В 1962 году Отто Ган (в центре), Фриц Штрассман (слева) и Хайнц Габер реконструировали в Мюнхенском музее опыт по ядерному расщеплению 1938 года.

Много сомнений вызывали два других обнаруженных процесса. Для Мейтнер казалось бессмысленным, что воздействие нейтрона может вызывать такие длинные цепные реакции бета-распада. Теперь наконец стало понятно, что на самом деле эти цепные реакции возникали, когда уран разделялся на два больших фрагмента, соответствующих разным элементам (см. рисунок 7). В каждом из этих фрагментов, стремящихся к стабильности, возникали соответствующие цепочки распадов, которые исследователи обнаруживали в течение долгих лет.

РИС. 7

Благодаря идее о расщеплении то, что изначально было интерпретировано как два различных процесса, теперь стало пониматься как единый процесс.

Мейтнер и Фриш опубликовали свое открытие в журнале Nature в начале 1939 года. Статья «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции, подписанная Лизой Мейтнер и Отто Фришем, начиналась с напоминания о том, что исследование проводилось на основании работ Энрико Ферми:

«После бомбардировки урана нейтронами Ферми его сотрудники обнаружили, что у них получались как минимум четыре радиоактивных вещества, и двум из них было присвоено атомное число более 92».

Далее цитировались наблюдения Гана и Штрассмана, Жолио-Кюри, а также указывалось на ключевые экспериментальные данные:

«Ган и Штрассман были вынуждены признать, что изотопы бария (Z = 56) образуются в результате бомбардировки урана (Z = 92) нейтронами. [...] На первый взгляд данный результат сложно интерпретировать. Образование элементов, имеющих гораздо меньшее число, чем у урана, рассматривалось прежде, но всегда отвергалось на основании законов физики. [...] При рассмотрении видов энергии, участвовавших в деформации ядра, использовалось понятие поверхностного натяжения ядерной материи и была произведена оценка его величины. [...] Поверхностное натяжение ядра уменьшается при возрастании атомного числа. [В больших атомах, как в случае с ураном, поверхностное натяжение меньше, поэтому] мы вправе полагать, что ядро урана, имеющее довольно нестабильную форму, может разделиться на два ядра примерно одинакового размера после поглощения нейтрона. [Будут выпущены два атома с] общей кинетической энергией, равной 200 МэВ [...]».

Эта публикация, ставшая новой вехой на пути исследований радиоактивности, давала ответы на несколько вопросов, которые заставляли недоумевать ученых в течение четырех лет.