Лиза Мейтнер. Расщепление ядра - Роджер Корхо Оррит

Введение

«Физик Лиза Мейтнер, никогда не терявшая своей человечности», — такая эпитафия высечена на могиле этой исследовательницы и ученого в Брамли, маленьком городке в Хэмпшире, Великобритания. Слово «человечность» входит в абсолютную шкалу ценностей, верность которой Мейтнер сохраняла всю жизнь и которая в самые трудные минуты становилась для нее единственной опорой. Эту эпитафию можно расценивать и как укор, адресованный представителям ее поколения, увлекшимся нацистской идеологией с характерным для нее расизмом и ксенофобией. Мейтнер сохранила уважение к человеку в то время, когда многие, к сожалению, это уважение утратили.

Она неоднократно становилась жертвой несправедливости, причем из-за вполне конкретных людей и обстоятельств. Благодаря решимости и поддержке со стороны семьи Мейтнер смогла преодолеть социальные и юридические препоны, которые не позволяли ей учиться и впоследствии заниматься любимым делом — исследованиями. Когда Лиза начала сотрудничать с химической лабораторией в Берлине, ей выделили для исследований небольшую комнатку в подвале, поскольку женщинам доступ в здание был запрещен. И все же трудности не стали для нее непреодолимым препятствием и не помешали совершить важнейшие открытия. Впоследствии, когда исследовательницу начали притеснять за еврейское происхождение, ей оставалось только бежать, и Мейтнер оставила работу в Берлине, коллег, друзей и личные вещи. Она села в поезд, уносивший ее от прежних исследований, и это, конечно же, повлияло на дальнейшую карьеру Мейтнер.

В те годы быть женщиной, да еще иметь еврейские корни было слишком тяжким бременем и препятствием, которое, в частности, встало между Мейтнер и Нобелевской премией по химии за открытие расщепления ядра. Ее незаслуженно обошли, в то время как работавший рядом Отто Ган получил все лавры за это общее достижение. Горечь несправедливости отчасти сгладили врученные Мейтнер впоследствии медаль Макса Планка — наивысшая награда по физике в Германии — и премия Энрико Ферми в США. Исследовательница присутствовала на открытии в 1959 году Института ядерных исследований Гана — Мейтнер, основанного при поддержке Вилли Брандта, мэра Берлина в то время (учреждение существует до сих пор и называется Берлинским центром Гельмгольца). Посмертным признанием заслуг исследовательницы стало учреждение в 2000 году премии в ее честь по ядерной физике, присуждающейся раз в два года Европейским физическим обществом за наиболее выдающиеся теоретические, экспериментальные и прикладные работы в данной области. Не стоит забывать и о 109-м элементе периодической таблицы, названном в честь Мейтнер — «величайшего ученого века», по заявлению исследователей, синтезировавших новое вещество. Мейтнерий (Mt) был создан в 1982 году, а свое название получил в 1997-м.

По словам английского физика Джеймса Чедвика, содружество Мейтнер и Гана было «одним из самых плодотворных за всю историю науки». Это длительное партнерство продолжалось с перерывами на протяжении трех десятилетий, и только приход нацистов к власти смог его разрушить. Мейтнер была физиком, Ган — химиком, и оба они приложили свою мудрость и способности к разрешению множества важных задач, среди которых выделяется задача расщепления ядра. Знание принципов физики, как это было в случае с Мейтнер, и талант химика-экспериментатора Гана стали ключевыми для решения головоломки, не поддававшейся ученым в течение нескольких лет. Помимо расщепления ядра, Мейтнер в сотрудничестве с Ганом смогла выделить новый элемент, протактиний (Ра), с коротким периодом полураспада.

«Расщепление» означает раскол, разъединение, разделение. Под термином «расщепление ядра» понимается деление атомного ядра. В ядре, расположенном в центре атома, сконцентрирована практически вся его масса. Ядро состоит из двух типов частиц — положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Среди элементов с наибольшим количеством частиц в ядре можно назвать уран с 92 протонами и разным количеством нейтронов; при изменении количества нейтронов образуются так называемые изотопы, в данном случае — изотопы урана. Для их точной идентификации указывается массовое число (сумма протонов и нейтронов), так что мы говорим об уране-234, уране-235 и уране-238.

Уран в начале XX века вызывал большой интерес ученых. Этот элемент очень нестабилен, его ядро разделяется спонтанно, при этом наблюдаются два типа распада: альфа-распад (испускается частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов) и бета-распад (испускается один электрон). Во времена Мейтнер уран считался элементом с самым большим атомным числом. О существовании элементов с большим количеством протонов ничего не было известно, так что уран замыкал периодическую таблицу.

У многих ученых задача определить возможность существования элементов с большим атомным числом вызывала огромный интерес. Эти гипотетические элементы были названы трансурановыми. Сам Энрико Ферми провел серию опытов по бомбардировке урана нейтронами и пришел к выводу, что при этом образуются некие элементы, которые могут быть трансурановыми, а также возникают трудно интерпретируемые цепные реакции. Опыты по бомбардировке урана нейтронами воспроизвели другие ученые, среди которых были Мейтнер и Ган. Исследования продолжались в течение нескольких лет, и задержка в их корректной интерпретации объяснялась существовавшими в тот момент представлениями в области физики и химии. В конце концов Мейтнер и Ган смогли доказать, что бомбардировка нейтронами вызывает деление ядра урана на две части.

В ту эпоху многие ученые в разных странах совершили важнейшие открытия, касавшиеся природы атомов. Эти открытия постепенно дополняли друг друга, пока не вырисовалась невероятно сложная теоретическая картина, подтвержденная экспериментально. В основе нового понимания структуры материи лежат открытия, сделанные уникальными физиками XX века — новозеландцем Эрнестом Резерфордом, французской парой Ирен Кюри и Фредериком Жолио, американцем Эрнестом Лоуренсом и итальянцем Энрико Ферми.

Возможно, самым ценным следствием открытия расщепления атома стала возможность использовать огромное количество энергии, содержащееся в каждом ядре и выделяющееся при его распаде. После деления ядра уран превращается в более легкие химические элементы, такие как криптон и барий. Мейтнер доказала, что энергия, высвобождающаяся при распаде, то есть энергия, потенциально содержащаяся в ядре, может быть рассчитана на основе соотношения материи и энергии, открытого Альбертом Эйнштейном в его теории относительности. Так как сумма массы продуктов распада немного меньше первоначальной массы атома, мы вслед за Эйнштейном можем сказать, что разница масс трансформируется и высвобождается в виде энергии.

Количество энергии, выделяющееся при расщеплении одного ядра, может показаться незначительным в абсолютных величинах, но при распаде урана также испускаются нейтроны. Эти нейтроны, в свою очередь, могут вызвать новые расщепления. Энергия от таких цепных реакций расщепления называется ядерной энергией. Процесс цепной реакции открыли Лео Силард и Энрико Ферми. Предполагалось, что расщепление высвобождает силы, заключенные внутри атомов. Понимание механизмов их взаимодействия является фундаментальным условием контроля и возможности использования этих сил.