Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра
Шрифт:
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
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.
БЕТА-РАСПАД
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.
Другие открытия
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
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.
ИНСТИТУТ КАЙЗЕРА ВИЛЬГЕЛЬМА
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.