Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Коллектив авторов

ПОГЛОЩЕНИЕ НЕЙТРОНОВ

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

ПЕРЕД НАЦИСТСКОЙ УГРОЗОЙ

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.

ОТКРЫТИЕ РАСЩЕПЛЕНИЯ

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».