Orrit Roger Corcho

Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Roger Corcho Orrit

Наука. Величайшие теории Выпуск 33, Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Еженедельное издание

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 152 с.

ISSN 2409-0069

© Roger Corcho Orrit, 2013 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2013 © ООО «Де Агостини», 2014-2015

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.

Расщепление ядра исторически связано с датой 6 августа 1945 года, когда бомбардировщик Enola Gay поднялся с Марианских островов, чтобы через шесть часов сбросить ядерную бомбу на город Хиросима. Разрушительная мощь «Малыша» (от англ. Little Boy), как назвали эту бомбу, превосходила мощь любого другого оружия, когда-либо изобретенного человеком. Мейтнер неизменно отказывалась от участия в разработке бомбы, хотя ее приглашали присоединиться к Манхэттенскому проекту. Несколько лет спустя Мейтнер, занимавшаяся исследованиями, направленными на мирное использование ядерной энергии, согласилась сотрудничать в этой сфере с Международным агентством по атомной энергии ООН. В 1950-х годах начали возникать многочисленные проекты, связанные с коммерческим использованием ядерной энергии, — в это время появились первые атомные станции, вырабатывающие электричество.

Лиза Мейтнер стала первой женщиной, получившей докторскую степень Венского университета, — небывалое событие для университета с 500-летней историей. Она пользовалась уважением и дружбой таких великих ученых, как Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Людвиг Больцман. Эйнштейн называл Мейтнер «нашей Марией Кюри». Большая любительница дебатов, она вела жаркие дискуссии по квантовой физике с основными представителями этого направления — Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом — на научных встречах, в том числе на Сольвеевских конгрессах. Атмосфера взаимного доверия развеялась с приходом нацистов. Мейтнер упрекала физиков немецкого происхождения Гана и Гейзенберга за то, что в национал-социалистический период они предпочли закрыть глаза и не замечать, что творит правительство. Несмотря на то что после Второй мировой войны перед исследовательницей несколько раз открывалась возможность вернуться в Германию, она отвергала такой вариант, потому что не могла представить себе сотрудничество с учеными, которые способствовали нацизму или как минимум мирились с ним. Она объясняла, что вернуться ей не позволяли «моральные принципы». Когда до Мейтнер дошли сведения о Бухенвальде и Берген-Бельзене, она написала Гану, что «нужно заставить таких людей, как Гейзенберг, посмотреть на эти лагеря и замученных людей, и на миллионы таких, как он». Лиза считала, что немцы не имеют права прикрываться своим незнанием, она утверждала: «Вы просто не хотели видеть — это было слишком неприятно».

Мейтнер стала для многих не только научным, но и моральным авторитетом. Ее стремление к знаниям, казалось, могло преодолеть все барьеры, а сама она в своем выступлении на конференции ЮНЕСКО в 1953 году утверждала:

«Наука побуждает людей бескорыстно искать истину и стремиться к объективности, учит с удивлением и восхищением принимать правду, не говоря о глубоком изумлении и радости, которые дает настоящему ученому знание естественного порядка вещей».

1878 В Вене (столице Австро-Венгерской империи) 7 ноября родилась Лиза Мейтнер, третья из восьми детей Филиппа Мейтнера и Хедвиг Сковран.

1901 Начинает изучать физику в Венском университете.

1902 Посещает занятия Людвига Больцмана.

1906 Становится первой женщиной, получившей докторскую степень в Венском университете, и начинает исследования радиоактивности.

1907 Переезжает в Берлин, чтобы слушать лекции Макса Планка. Здесь знакомится с Отто Ганом.

1908 Мейтнер открывает явление радиоактивной отдачи: ядро после испускания частицы испытывает нечто похожее на отдачу при выстреле.

1912 Становится ассистентом Планка. Приступает к работе в только что открытом Институте химии имени кайзера Вильгельма.

1915 Решает в качестве добровольца вступить в австрийскую армию как техник-рентгенолог. Ган начинает заниматься разработками ядовитых газов.

1918 Мейтнер и Ган публикуют статью об открытии 91-го элемента периодической таблицы, который после некоторых размышлений получает название протактиний (Ра).

1921 Отправляется в Копенгаген, где у нее завязывается крепкая дружба с Нильсом Бором. Через два года становится профессором Берлинского университета, где работает в течение десяти лет.

1933 К власти приходит Гитлер. Издается указ, согласно которому Мейтнер запрещено преподавать.

1934 Внимательно следит за исследованиями Энрико Ферми по трансурановым элементам. Вместе с Ганом и впоследствии со Штрассманом начинает исследования трансурановых элементов.

1938 Происходит аншлюс Австрии. В июне покидает Германию. Год спустя вместе с Отто Фришем публикует результат интерпретации опыта Гана — Штрассмана.

1947 Оставляет Институт Манне Сигбана и переходит в отдел физики Королевского технологического института Стокгольма.

1949 Мейтнер и Ган получают медаль Планка.

1959 Открывается Институт ядерных исследований Гана — Мейтнер в Берлине.

1966 Вместе с Ганом и Штрассманом получает премию Энрико Ферми за открытие расщепления атома.

1968 Умирает в Кембридже (Великобритания) 27 октября.

ГЛАВА 1

Одна зимняя прогулка

Самым главным вкладом Лизы Мейтнер в науку уже на закате карьеры стало открытие расщепления атома. Впервые ей удалось представить себе механизм этого процесса во время зимней прогулки со своим племянником, тоже ученым, Отто Робертом Фришем. Однако это открытие было не случайностью, а результатом многолетней работы Мейтнер с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.

В конце 1938 года Лиза Мейтнер получила письмо от своего коллеги, немецкого химика Отто Гана (1879-1968). Мейтнер было уже 60 лет, она жила в Стокгольме и работала в Нобелевском институте физики, научном учреждении, директором которого был физик Карл Манне Георг Сигбан. После бегства Мейтнер из нацистской Германии институт дал ей работу, но друзей он ей предоставить не мог, и исследовательница в Швеции страдала от одиночества и отсутствия хорошей лаборатории. До этого она работала в одном из главных научных учреждений Германии, где у Мейтнер сложилась блестящая карьера, а теперь, на чужбине, она была вынуждена прервать экспериментаторскую деятельность. Письмо Гана, с которым Лиза сотрудничала в течение долгих десятилетий, удивляло: коллега сообщал о результатах эксперимента, на который его вдохновила именно Мейтнер.

В ходе исследований атомного ядра вместе с немецким химиком Фрицем Штрассманом (1902-1980) Ган проводил бомбардировку урана нейтронами по методике итальянского физика Энрико Ферми (1901-1954). При этом ядро забирало один нейтрон, и начинался радиоактивный процесс, приводивший к бета-распаду. Однако среди продуктов реакции неожиданно был обнаружен барий. Для Гана присутствие бария было загадкой, и он решил поделиться этим со своей недавней коллегой.

Барий — гораздо более легкий элемент по сравнению с ураном. Для экспериментов использовались образцы чистого урана, откуда же появлялся барий? Его просто не должно было быть — все химические и физические знания эпохи никак не объясняли возможность появления бария, принципиально отличавшегося от урана.

Фройляйн Мейтнер — профессор Мейтнер — вынуждена была покинуть нашу лабораторию в июле 1938 года из-за режима Гитлера, ей пришлось уехать в Швецию. Штрассман и я начали работать в одиночку, и осенью 1938 года мы обнаружили странные результаты.

Отто Ган

Для выделения и идентификации элементов Ган использовал очень точный химический процесс — фракционную кристаллизацию, так что возможность ошибки была невелика. В письме Гана мы читаем:

«Возможно, ты натолкнешься на какое-нибудь фантастическое объяснение. Известно, что [уран] не может взорваться просто так и превратиться в барий».

В ядре бария 56 протонов, то есть примерно половина протонов урана, которых 92. Самым простым объяснением казалось, что после того как нейтрон поглощается ядром урана, он вызывает реакцию, после которой первоначальное ядро делится пополам. Однако знания о радиоактивности не позволяли установить точный механизм этого процесса.

В конце 1930-х годов существовало убеждение, что ядро — это плотная стабильная структура в центре атома, и казалось невозможным, что оно может распасться надвое из-за поглощения частицы, не имеющей электрического заряда, такой как нейтрон. Раньше некоторым физикам удавалось в результате бомбардировки ядра вырвать несколько протонов, но они не могли и представить, каким образом может разделиться тяжелое ядро урана. Научное сообщество во главе с Энрико Ферми пришло к выводу, что при поглощении нейтрона в ядре урана начинается серия реакций, в результате которых образовываются атомы с большим атомным числом, чем сам уран.

ГАН ПИШЕТ МЕЙТНЕР

Письмо, отправленное Ганом Мейтнер, датировано 19 декабря 1938 года.

Оно было написано прямо из лаборатории — словно ученому не терпелось обратиться к коллеге, не откладывая это до возвращения домой. В письме мы читаем:

«Дорогая Лиза!

Сейчас уже 11 вечера. В 11:45 придет Штрассман, и возможно, тогда я, наконец, смогу пойти отдохнуть.

Кстати, насчет «изотопов радия» есть кое-что настолько важное, что сейчас мы можем рассказать об этом только тебе. Полужизни трех изотопов были определены достаточно точно, они могут отделяться от всех элементов, кроме бария, все реакции возможны с радием. Но одна из них нелогична, по крайней мере очень необычна — фракционирование не работает. Наши изотопы радия ведут себя, как будто являются барием. [...] Пожалуйста, подумай, есть ли этому какое-то объяснение. Может быть, существует изотоп бария с атомным весом гораздо выше 137? Если тебе придет в голову что-нибудь, что можно опубликовать, это будет в некотором роде наша общая работа — всех троих».

Отто Ган в 1938 году.

Барий и радий относятся к одной группе, стоят в одной колонке периодической таблицы. Это означает, что они обладают схожими химическими характеристиками, а главное их различие заключается в массе. Радий находится близко от урана, поэтому его присутствие при поглощении ядром нейтрона можно было предсказать, но появление бария было абсолютно необъяснимым.

Обнаружение бария было удивительным и неожиданным: этот факт не соответствовал теоретической модели, на которую опирались физики и химики той эпохи. Объяснить его можно было или ошибкой в постановке и осуществлении эксперимента, или тем, что некоторые предпосылки общепринятых знаний были ошибочны.

Мейтнер следила за научным прогрессом в данной теме, несмотря на сложные жизненные обстоятельства, в результате которых она оказалась в Швеции. Исследовательнице пришлось покинуть дом, буквально сбежать из Германии с двумя чемоданами в руках и меньше чем десятью марками в кармане. Вскоре после побега Лиза узнала, что ее зять арестован и отправлен в концлагерь. Впоследствии его освободили, но Мейтнер очень переживала за близких, оставшихся в Германии. Ее научное будущее также оставалось неясным: все шло к тому, что после стольких лет работы в Институте кайзера Вильгельма в Берлине, рука об руку с самыми знаменитыми учеными эпохи, она будет вынуждена завершить карьеру.

На Рождество Мейтнер ждала в гости своего племянника Отто Роберта Фриша, который под влиянием тети также занимался физикой и работал в то время в Копенгагене, в Институте физики под руководством Нильса Бора. Фриш вспоминал:

«Лиза Мейтнер находилась в Швеции одна, поэтому я вызвался навестить ее. [...] Когда я приехал, она была погружена в размышления из-за письма Гана».

Мейтнер и Фриш встретились в Кунгэльве, рядом со Стокгольмом, где жила подруга Лизы, Эва фон Бар-Бергиус. Она также была физиком-экспериментатором, и дружба исследовательниц началась несколько десятилетий назад в Берлине. В эти трудные времена фон Бар-Бергиус оказывала значительную поддержку Мейтнер.

Фриш приехал в отель в Кунгэльве поздно вечером. Утром за завтраком он встретился с теткой, и разговор сразу же начал вращаться вокруг загадочного присутствия бария. Мейтнер сказала племяннику:

«Барий... Не могу в это поверить. Здесь должна быть какая-то ошибка. От одного удара ядро не может разлететься на сотню частиц. Это фантастика. Кажется невозможным, что это может сделать один нейтрон».

По ее словам, она полностью доверяла Гану, поскольку не раз убеждалась в его больших способностях как химика, так что возможность ошибки была исключена.

Фриш и Мейтнер решили выйти прогуляться. Шел снег, поэтому Фриш надел лыжи, а Лиза шла рядом с ним. Необходимо было найти барию место в реакции. Согласно имевшемуся пониманию ядра, отрицалась сама возможность того, что воздействие одного нейтрона может вырвать такое большое количество протонов. Кроме того, даже если ядро можно разделить, для этого необходимо огромное количество энергии, которое невозможно было получить в лаборатории Гана. И вообще нейтрон как частица, не обладающая зарядом, казалась достаточно безобидной, неспособной дестабилизировать атомное ядро.

Для Мейтнер логичной была мысль о том, что атом урана разделился, — это доказывало и присутствие бария. Но это означало, что модель атомного ядра требовала доработки. Оба ученых знали теорию советского физика Георгия Гамова (1904-1968), которую поддерживал и датчанин Нильс Бор (1885-1962): атомное ядро можно представить как каплю воды (см. рисунок). Согласно этой концепции атомное ядро не является плотной жесткой структурой, а может принимать разные формы, словно жидкость, которая сохраняет стабильность только благодаря силам поверхностного натяжения.

Если отталкиваться от такой модели ядра, разделение урана уже не казалось невозможным. Представим ядро как каплю воды. После воздействия одной частицы капля деформируется, образуется продолговатая фигура, которая в конце концов разделяется на две части.

Уран с его массивным атомом в каком-то смысле имел все основания для такого разделения. Фриш писал:

«Ядро урана было похоже на каплю, находящуюся в движении, нестабильную, готовую разделиться, как только появится необходимый возбуждающий стимул».

Модель атомного ядра в виде капли воды и этапы, предшествующие делению ядра.

Тетка и племянник долго шли по горной дороге между деревьев, а потом решили присесть на упавший ствол — отдохнуть, а заодно рассчитать, какой энергетический обмен должен происходить при реакции, и таким образом проверить возможность разделения ядра. Мейтнер достала из кармана клочок бумаги, они схематически изобразили процессы, которые могли происходить в ядре, и принялись за расчеты.

С одной стороны, нужно было учитывать поверхностное натяжение ядра, то есть его устойчивость к деформации. При разделении ядра урана должны были образовываться два ядра, оба с положительным зарядом, что вызвало бы сильное взаимное отталкивание. По расчетам Мейтнер сила отталкивания должна была быть порядка 220 МэВ.

И вся эта энергия содержалась в ядре урана — не так уж мало для одного атома. Мейтнер снова посмотрела на атомную массу урана и сумму атомных масс двух получившихся фрагментов. Они отличались на величину, эквивалентную 1/5 массы протона. Применив формулу Эйнштейна Е = тс^2, Мейтнер рассчитала, что пятая часть массы протона равна энергии порядка 200 МэВ. Этот результат соответствовал предположениям, и ее догадка неожиданно получила подкрепление. Мейтнер и Фриш вернулись с прогулки, убежденные в том, что атомное ядро не обладает плотной жесткой структурой: напротив, оно может принимать разные формы, словно капля воды.

Отто Ган с Лизой Мейтнер в лаборатории в Берлине, 1913 год.

Мейтнер в 1946 году.

Отто Ган в 1944 году на вручении Нобелевской премии по химии за открытие расщепления тяжелых ядер. Премия была вручена ему в 1945 году.

На основании этого они разработали модель, которая описывала бы результаты расщепления ядра, и эта модель находит подтверждение в современной нам физике.

Фриш вернулся в Копенгаген, а Мейтнер — в Стокгольм. Им оставалось совсем немного доработать свою теорию, но это можно было сделать и по телефону. Если быть более точными, ученых волновало, как определить, по словам Мейтнер, «огромное количество энергии, высвобождаемой в процессе расщепления». Они придумали способ характеристики продуктов ядерной реакции: «или измерить ионизацию фрагментов, выталкиваемых большим количеством энергии, — этот метод предложил и реализовал Фриш, или собрать продукты расщепления в зависимости от их радиоактивной отдачи — это предложила я, а Жолио впоследствии реализовал на практике».

Фриш был очень взволнован открытием и поспешил поделиться им с Бором, однако тот как раз отплывал в США, так что смог уделить молодому ученому всего несколько минут. Бор, услышав о ходе рассуждений Мейтнер и Фриша, сразу понял, что в руках ученых все это время были все детали головоломки, но сложить их в целую картину помогло только озарение Мейтнер. Бор воскликнул: «Какими же мы были идиотами! Это прекрасно! Это так, как и должно быть. Вы с Лизой Мейтнер уже написали статью об этом?» Фриш ответил: «Пока нет, но мы скоро ее напишем». Позже один биолог объяснил Фришу, что процесс деления клеток называют расщеплением, — так же Фриш решил назвать и ядерный процесс, который они с теткой смогли объяснить.

Статья появилась в журнале Nature в начале 1939 года под заголовком «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции». Авторы — Лиза Мейтнер и Отто Фриш. Незадолго до этого вышла статья Отто Гана и Фрица Штрассмана, в которой они рассказывали о том, что после бомбардировки урана нейтронами обнаружили присутствие бария.

ЗИМНЕЕ ОТКРЫТИЕ

В биографическом тексте «Разгадки и промахи ядерной энергии» Мейтнер описывает свою прогулку с племянником по свежевыпавшему снегу и момент, когда они смогли представить себе ядро в виде капли воды. Мейтнер пишет об этом так:

«В ходе нашей дискуссии мы пришли к следующему: если ядро урана, обладающее высоким зарядом, поверхностное натяжение которого ослаблено из-за взаимного отталкивания протонов, достигает благодаря поглощаемому нейтрону коллективного движения соответствующей интенсивности, то оно может растягиваться; все большее растягивание приводит к делению на два более легких ядра, примерно равных между собой, которые стремятся разделиться еще больше из-за взаимного отталкивания. Согласно нашим расчетам, энергия, высвобождаемая в ходе процесса, равна 200 МэВ. Так как процесс напоминал деление клеток, мы по предложению Фриша назвали его расщеплением. Мы подчеркиваем, что данное исследование не публиковалось ранее, и заметку о нем называем A New Type of Nuclear Reaction [«Новый вид ядерной реакции»]».

Мейтнер говорила, что они с племянником направили статью в Nature 16 января 1939 года. До того как номер вышел из печати, Бор прибыл в США. В пути его сопровождал бельгийский физик Леон Розенфельд (1904-1974), с которым Бор в деталях обсудил процесс расщепления. Бор обещал не разглашать полученные от Фриша сведения до публикации их с Мейтнер статьи, но Розенфельд или не знал об этой договоренности, или сделал вид, что не знал, и на своих первых лекциях в Штатах сообщил аудитории об открытии. Это стало сенсацией, многие из слушателей, среди которых были физики Калифорнийского университета, решили повторить опыт, доказывающий возможность расщепления. Скоро новость облетела все научное сообщество.

Открытие расщепления ядра не было случайным. Вдохновение, посетившее Мейтнер в то снежное утро, стало заслуженным вознаграждением за долгие годы кропотливой работы, во время которых исследовательнице пришлось столкнуться с множеством неизвестных — как в научной деятельности, так и в трудовых и личных отношениях. Жизнь Мейтнер является примером противоречий и несправедливостей, характерных для той эпохи, но она также пример преодоления всех превратностей судьбы — преодоления, совершенного любознательным ученым, больше всего на свете стремящимся разгадать тайны окружающего мира.

ГЛАВА 2

Радиоактивность

В начале XX века радиоактивность стала наиболее увлекательным физическим явлением, удивительным и многообещающим. Физика привлекала Мейтнер с детства, и свою карьеру Лиза начала с изучения радиоактивности, а если быть более точными — с рассеяния альфа-частиц.

В конце XIX века были сделаны несколько важных открытий, потрясших основы физической науки. С классической физики, занимавшейся механикой, термодинамикой или оптикой, интерес ученых сместился к новым теоретическим горизонтам: квантовой теории, ядерной физике, или физике частиц, и теории относительности. Феномен ядерного расщепления необходимо рассматривать в общем контексте развития ядерной физики.

Изучение радиоактивности открыло дорогу к пониманию внутреннего строения атома. Радиация, испускаемая некоторыми элементами, такими как уран, была зафиксирована в виде частиц или излучения. Начало XX века ознаменовалось еще одним великим открытием новой физики — специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. Он открыл эквивалентность массы и энергии. «Масса и энергия — различные проявления одного», — так записал немецкий гений в 1905 году. Эта идея была воплощена в формуле: Е = mc^2, в которой Е — это энергия, m — масса, с — скорость света, универсальная постоянная, равная = 3 • 10^8м/с. Материя — это энергия, расщепление ядра — один из феноменов, в котором проявляется эта эквивалентность.

Это был невероятный период для физики. Тот, кто, как Мейтнер, начал свои исследования в начале XX века, постоянно наталкивался на новые захватывающие идеи. Неудивительно, что Лиза увлеклась исследовательской работой и сразу же заинтересовалась опытами по радиоактивности, обнаружив свое призвание к науке, в котором позже и черпала силы для преодоления всех препятствий на этом пути.

ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

Радиоактивность была удивительным явлением, новой, неисследованной территорией. До 1896 года никто не мог и представить, что внутри материи могут спонтанно протекать подобные процессы, но именно в этот год Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл радиоактивность.

Беккерель изучал рентгеновские лучи, открытые за год до этого, чтобы выяснить, связаны ли они с флуоресценцией — явлением, при котором некоторые минералы поглощают энергию в виде электромагнитного излучения (например, видимого света) и потом испускают ее, также в виде электромагнитного излучения, но при этом длина волны отличается от первоначальной. Это явление не зависит от температуры материала; например, существуют минералы, светящиеся при температуре окружающей среды. В отличие от других люминесцентных процессов, таких как фосфоресценция, при исчезновении источника энергии, возбуждающего минерал, флуоресцентное свечение также исчезает.

Беккерель начал изучать разные флуоресцентные элементы, проверяя, испускают ли они рентгеновские лучи под воздействием света. Он взял соль урана, подверг ее воздействию солнечного света, а затем разместил на фотопластинке, прикрыв тканью. Беккерель обнаружил, что на пластинке отпечатались очертания кусочка соли урана, и решил: это подтверждение гипотезы о том, что солнечные лучи возбуждают материал, а затем испускаются в виде рентгеновского излучения в ходе процесса флуоресценции. На другой день он решил повторить эксперимент, но было облачно. В соответствии с гипотезой ученого отсутствие солнца не позволяло индуцировать флуоресценцию в минерале, так что Беккерель убрал уран и пластинку в ящик стола. К его удивлению, через несколько дней на пластинке он обнаружил такой же отпечаток, как и после воздействия солнечного света. Это означало, что излучение, испускаемое ураном, имеет мало общего с рентгеновскими лучами и флуоресценцией. Также Беккерель поместил между ураном и фотопластинкой медный крест, и его силуэт проявился на пластинке в виде тени. Речь шла о неизвестном явлении, которое несколько лет спустя было названо радиоактивностью.

[Лиза Мейтнер] это наша Мария Кюри.

Альберт Эйнштейн

Неподалеку от Музея естественной истории, где работал Беккерель, молодая женщина-исследователь польского происхождения начала заниматься только что открытой радиацией и посвятила ей свою диссертацию. Речь идет о Марии Кюри — первой женщине, получившей Нобелевскую премию (в 1903 году по физике), и первом исследователе, получившем Нобелевскую премию дважды (второй раз — в 1911 году, по химии). Вместе с мужем Пьером Кюри Мария принялась искать другие вещества, для которых была свойственна радиоактивность, и супруги обнаружили торий, полоний (назван в честь родины Марии Кюри) и радий. Для определения атомного веса радия требовались тысячи тонн урановой смолки — минерала, содержащего ничтожное количество урана (примерно один грамм чистого урана на килограмм минерала) и таящего в себе интенсивный источник радиации. После напряженных трудов Кюри удалось получить достаточное количество материала и произвести фундаментальное исследование.

КАТОДНЫЕ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Изучение катодных лучей началось после наблюдения учеными любопытного феномена. В 1857 году Генрих Гейслер (1814-1879), занимавшийся изготовлением стеклянных трубок, изобрел вакуумный насос — устройство для откачки воздуха из сосуда, позволявшее получить в трубке низкое давление. Разместив внутри такой трубки электроды, он обнаружил, что в ней возникает странное свечение. Позже английский химик Вильям Крукс (1832-1919) усовершенствовал вакуумный насос и наблюдал то же явление, но у него трубка не освещалась внутри, а свет концентрировался в одном из ее концов, прямо на стекле. Если внутри трубки, между электродом и ее концом, расположить какой-либо объект, например мальтийский крест, на противоположном конце трубки отпечатается тень этого объекта (см. схему). Это означало, что катод испускает какой-то луч, коллимированный свет, проявляющийся на стенке трубки. Если на этой стенке размещали фосфоресцентное вещество, оно под воздействием луча начинало светиться. В отличие от флуоресценции, фосфоресценция минерала продолжается, даже когда источник возбуждения убирают. Период отдачи света может длиться от нескольких долей секунды до нескольких лет — этим объясняется свечение таких минералов в темноте. Так были открыты катодные лучи, то есть испускание электронов.

После трубки Крукса

Изучая природу новых лучей, венгерский физик Филипп Ленард (1862- 1947) сделал важное открытие, благодаря которому получил Нобелевскую премию по физике в 1905 году. Ленард хотел попробовать исследовать лучи вне трубки Крукса. Проблема состояла в том, что для создания вакуума нужно было стекло, — без этого невозможно было получить катодные лучи, но с другой стороны, этот материал поглощает лучи, поэтому их невозможно изучать, находясь снаружи сосуда. Необходимо было сделать сосуд из другого материала, при этом в нем нужно было создать внутренний вакуум, но катодные лучи должны каким-то образом выходить из сосуда. В конце концов Ленард понял, что если на стенке сосуда сделать маленькую щель, которая впоследствии в его честь была названа окном Ленарда, и прикрыть ее алюминием, лучи смогут «убегать» через нее, — это было обнаружено с помощью фосфоресцирующего вещества, расположенного в нескольких сантиметрах от трубки. Так было установлено, что лучи могут проходить сквозь алюминий и освещать фосфор. При этом если фосфоресцирующее вещество размещали на расстоянии более 10 см от трубки, воздух ослаблял лучи, препятствуя индуцированию фосфоресцентного минерала.

Загадочные лучи

В 1895 году немецкий физик, профессор Университета Вюрцбурга Вильгельм Рентген (1845-1923) заинтересовался экспериментами Филиппа Ленарда. Рентген даже устроил дома маленькую лабораторию для изучения катодных лучей в трубках с окнами Ленарда. Однажды вечером он, чтобы помешать выходу катодных лучей, закрыл алюминиевое окошко куском картона. После этого Рентген подключил к трубке напряжение и неожиданно увидел свечение на расстоянии метра. После отключения напряжения свечение исчезало. В этом опыте освещался экран, покрытый платиноцианистым барием — флуоресцентным веществом. Результаты опыта показали, что обнаруженные лучи отличаются от катодных: воздух не поглощал их, более того, лучи могли проходить сквозь разные материалы. Исследователь сделал вывод, что процессы, происходящие в трубке Крукса, вызывают новый вид излучения с высокой проникающей способностью. Новое излучение проходило через твердые материалы и живые ткани (это было доказано с помощью опыта, в котором был сделан снимок руки жены ученого), присутствие лучей можно было установить по возбуждающему действию, которое они оказывали на флуоресцентные материалы. Так были открыты Х-лучи, которые сегодня широко применяются в медицине. Благодаря этому открытию была учреждена Нобелевская премия по физике, впервые врученная в 1901 году, — конечно же, лауреатом стал Рентген.

ЭЛЕКТРОН

Открытие электрона неразрывно связано с исследованиями трубки Крукса и наблюдениями за катодными лучами. Крукс заметил, что катодные лучи под воздействием магнитного поля отклоняются, и это позволило ему установить их отрицательный заряд. В 1896 году британский ученый Джозеф Джон Томсон (1856-1940) провел серию опытов, установив, что катодные лучи состоят из частиц (или корпускул, как он их сам называл). Томсону удалось создать трубку Крукса со степенью разрежения, наиболее близкой к абсолютному вакууму.

Воздействуя электромагнитным полем на области вокруг трубки, ученый смог определить глобальное соотношение массы и заряда электронов. Используя разные материалы для катода и анода, изменяя разреженные газы в трубке, он сделал вывод, что обнаруженная частица едина для атомов любых элементов. Эти опыты привели его к созданию атомной модели, которую назвали «пудинговой»: атом состоял из электронов, которые, словно изюм в пудинге, равномерно располагались в положительно заряженном облаке. Заряды облака и электронов взаимно компенсируются.

В «пудинговой» модели атома, предложенной Томсоном, отрицательно заряженные электроны равномерно распределяются в положительно заряженном облаке, словно изюм в пудинге.

ТИПЫ РАДИОАКТИВНОСТИ

Открытие новых радиоактивных элементов стало важным шагом, но необходимо было проанализировать и другие аспекты этого явления. Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) вместе с английским химиком Фредериком Содди (1877-1956) стали авторами самых невероятных открытий в этой области, когда в 1935 году в Университете Макгилла в Канаде опубликовали данные о том, что радиоактивность проявляется в виде разных типов излучения, которые различаются по проникающей способности (а также, как стало известно позже, по электрическому заряду). Резерфорд назвал альфа-излучением радиацию с наименьшей проникающей способностью. Впоследствии сам ученый подтвердил, что альфа-частицы имеют положительный заряд. Бета-излучение, в свою очередь, имеет большую проникающую способность.

Установить заряд этого вида излучения удалось Антуану Анри Беккерелю в 1900 году: он аналогичен заряду катодных лучей, то есть речь шла о той же частице, которую открыл Томсон несколько лет назад, — электроне.

Электрон по своему размеру в соотношении с атомом подобен бейсбольному мячику в сравнении с Землей. Или, как утверждал Оливер Лодж, если бы мы могли увеличить атом водорода до размера собора, электрон был бы в нем как маленькая пылинка.

Вальдемар Кемпферт (1877-1956), американский научный редактор и писатель

Гамма-лучи были открыты последними — из-за того, что заряд у них отсутствует. Этот тип лучей не состоял из частиц, они были похожи на рентгеновские, хотя несли гораздо больше энергии. Гамма-лучи открыл в 1900 году Поль Виллар (1860-1934), вначале спутавший их с рентгеновскими. Благодаря Резерфорду было установлено, что все это — разные виды электромагнитного излучения.

Так как три типа излучения имеют разный заряд — положительный, отрицательный или нейтральный, — у них различная проникающая способность (см. рисунок 1), по-разному они ведут себя и в присутствии электрических и магнитных полей (см. рисунок 2). При прохождении через электрическое поле альфа-лучи притягиваются к отрицательному полюсу, бета-лучи — к положительному. Траектория гамма-лучей под действием магнитного поля не изменяется.

Все эти события разворачивались, когда Мейтнер решила изучать физику. Но как могла молодая девушка еврейского происхождения не только посвятить себя науке, но и стать одной из главных фигур среди исследователей своей эпохи? Пришло время обратить свой взгляд на Вену, родной город Лизы, в котором можно найти ключ к тайне ее превращения в одного из известнейших ученых своего времени.

РИС. 1

Одна из отличительных характеристик трех типов излучения — проникающая способность.

РИС. 2

При воздействии электрического поля альфа-частицы (обладают положительным зарядом) притягиваются к отрицательному полюсу, их траектория отклоняется в этом направлении, отрицательно заряженные бета-частицы отклоняются к положительному полюсу. Нейтральные гамма-лучи сохраняют свою прямолинейную траекторию.

ГОДЫ В ВЕНЕ

Мейтнер родилась в 1878 году в Вене, в то время город был столицей Австро-Венгерской империи. Лиза с раннего возраста увлекалась математикой и физикой, но женщинам было запрещено получать высшее образование. К счастью, именно в эту эпоху в Австро-Венгрии начались масштабные социальные преобразования, благоприятно отразившиеся, например, на евреях, которые получили доступ к обучению в вузах. Так мечты Лизы об изучении физики начали сбываться.

Мейтнер прожила в Вене 29 лет, но, покинув ее, больше на родину не возвращалась, хотя и сохранила австрийское подданство. Ее родители, Филипп Мейтнер и Хедвиг Сковран, были моравскими евреями. В семье росло восемь детей, Лиза — третья из них.

С середины XIX века в Австро-Венгрии начался процесс либеральных преобразований, которые затронули многие стороны жизни. В этот период город начал стремительно расти, принимая тысячи приезжих, которых в основном влекли бурная театральная и музыкальная жизнь столицы. Но условия, в которых должны были селиться вновь прибывшие, не всегда можно было назвать благоприятными: тесные жилища, ужасная антисанитария, отсутствие постоянных заработков при высокой безработице.

Большинство венцев исповедовали католичество, евреев же в этом городе преследовали: они были ограничены в правах по сравнению с другими жителями, как показывает пример с университетским образованием. Положение в корне изменилось в 1867 году, с введением конституции, защищавшей «фундаментальные права всех граждан». Несмотря на то что антисемитизм по-прежнему был характерен для венского общества, Филипп Мейтнер благодаря происходящим изменениям смог получить диплом юриста и стал одним из первых евреев, освоивших эту профессию. Филиппа очень волновала политическая жизнь, и в его доме часто шли дискуссии о будущем страны.

ВЕНА, КУЛЬТУРНАЯ СТОЛИЦА ЕВРОПЫ

В 1866 году в результате войны, продолжавшейся несколько недель, Австрия была разбита Пруссией, во главе которой стоял Отто фон Бисмарк. После этого так называемые германские государства объединились вокруг Пруссии, образовав Германскую империю, а Австрия объединилась с Венгрией под Австро-Венгерской короной. В конце XIX века высшее общество Вены продолжало жить в мире корсетов и сословных привилегий — в соответствии со свойственными империи представлениями. Но в этой атмосфере возник и критический дух, интеллектуалы эпохи сыграли важнейшие роли в истории различных научных дисциплин. В Вене конца XIX века жили, например, психоаналитик Зигмунд Фрейд и великолепный музыкант Густав Малер, журналист-сатирик Карл Краус, который со страниц газеты Die Fackel («Факел») разоблачал лицемерие современного общества. Нельзя также не отметить философов Людвига Витгенштейна и Карла Поппера, физиков Людвига Больцмана и Лизу Мейтнер. Вся эта бурная жизнь имперской столицы неожиданно прервалась в 1914 году, со смертью наследника австро-венгерского трона и началом Первой мировой войны.

Карл Краус

и Людвиг Витгенштейн были частью многообразного культурного сообщества, сложившегося в Вене в конце XIX века.

Сегодня это кажется невероятным, но глядя назад, я поражаюсь, сколько трудностей существовало тогда для молодых девушек. Одной из самых больших проблем было получение нормального образования.

Лиза Мейтнер

Мейтнер впоследствии говорила о «необыкновенно стимулирующей интеллектуальной атмосфере», в которой выросла она сама, а также ее братья и сестры. Мать Лизы приложила немало усилий, чтобы дети получили прекрасное музыкальное образование. Все они научились играть на фортепиано, а Августа — или, как ее называли, Густи — даже стала профессиональной пианисткой. Именно Густи была матерью Отто Роберта Фриша, который под влиянием своей прославленной тетки стал блестящим физиком. Как мы уже говорили, Фриш непосредственно участвовал в исследованиях по расщеплению ядра.

Семья Мейтнеров жила в районе Леопольдштадт, где селились в основном евреи, и поэтому здесь было много синагог. Мейтнеры не исповедовали никакой религии. Крещение могло бы облегчить их жизнь, но родители предпочли, чтобы религия не имела решающего влияния на их детей. Уже в зрелые годы Мейтнер решила креститься и стала протестанткой.

Лиза как-то рассказывала, что в детстве бабушка предупредила ее: если она будет шить в шаббат, на нее обрушатся небеса. Девочка захотела проверить, так ли это, и однажды в субботнее утро села вышивать. Первые стежки она делала очень осторожно и неуверенно, но довольно скоро поняла, что ничего страшного не происходит. Да, любопытство очень часто подталкивало Лизу в ее поступках. Многодетная семья Мейтнеров вела не очень богатую жизнь и даже испытывала стеснение в средствах, но при этом в доме всегда было много книг, и все дети получили высшее образование.

В УНИВЕРСИТЕТЕ

Женщинам было запрещено поступать в университеты. Не было у них доступа и к среднему образованию. Когда в 1892 году Мейтнер закончила базовый курс школы, она не смогла продолжить обучение. Считалось, что в этом возрасте, примерно с 13 лет, любая молодая венка должна начать готовиться к браку и учиться вести домашнее хозяйство. Писатель Стефан Цвейг отзывался об этом так: «[...] именно такими общество желало видеть молодых женщин: глупенькими и необразованными». Единственной возможностью продолжать учебу была специализация на одном предмете, чтобы стать учительницей, — университетского диплома для такой работы не требовалось. Лиза выбрала французский.

Но в империи подул ветер перемен. В 1897 году женщинам было позволено поступать в австрийские университеты, и это стало для Мейтнер великой возможностью. В одной из бесед с отцом она рассказала о своем желании получить образование в области науки и попросила его поддержки. Этот путь не был легким, но на помощь родителей девушка могла рассчитывать всегда.

Для поступления в университет необходимо было иметь среднее образование (что предполагало учебу в течение восьми лет), а также сдать вступительный экзамен (Matura). Женщинам, которые хотели поступить в университет, но не прошли курс среднего образования, была предоставлена возможность ограничиться сдачей вступительного экзамена. Курс, который обычно слушали восемь лет, Лиза самостоятельно прошла всего за два года. Девушка очень серьезно относилась к учебе, так что братья даже начали подшучивать над ней: в те редкие минуты, когда они видели Лизу без книги, они предостерегали, что ее ждет провал на экзаменах.

Лиза была очень благодарна своему наставнику, физику Артуру Сарваши, о котором писала: «У него был невероятный дар преподавания математики и физики в очень увлекательной манере». Кроме того, Сарваши показал Мейтнер некоторые приборы, которые исследователи использовали в лабораториях. В 1901 году Мейтнер отправилась сдавать экзамен вместе с еще 14 претендентками, среди которых была и дочь Больцмана, впоследствии оказавшего значительное влияние на карьеру Мейтнер. Выдержали экзамен только четыре девушки. Несмотря на то что Лиза очень интересовалась физикой, она испытывала некоторые колебания, поскольку разрывалась между страстью к этой дисциплине и желанием оказывать помощь другим:

«Когда мне было 23 года и я собиралась поступать в университет, я лелеяла мысль о том, что буду учиться медицине, а в свободное время — заниматься математикой и физикой».

Конец сомнениям положил отец, посоветовавший Лизе не отклоняться от первоначальной цели:

«Отец ясно объяснил мне, что такое возможно только для гения, каким был Герман Гельмгольц, но не для обычного человека».

Мейтнер с большим уважением относилась к советам отца, поэтому остановила свой выбор на физике.

Она приступила к учебе в Венском университете в 1901 году. Лиза была немного старше других студентов и при этом одной из немногих женщин. Она постоянно чувствовала неуверенность из-за того, что не прослушала обычную программу среднего образования, и считала, что в ее знаниях много пробелов. Желая устранить их, Лиза записалась на изучение множества разных дисциплин.

ПУТЬ К ФИЗИКЕ

Скрытность Мейтнер стала причиной неприятного эпизода на одном из первых занятий по математике, что окончательно заставило ее сосредоточиться на физике, — профессор попросил Лизу найти ошибку в расчетах. Вот что вспоминала об этом она сама:

«Мне потребовалась значительная его помощь, чтобы найти ошибку, и когда он любезно предложил опубликовать это решение под моим именем, я поняла, что не могу на это пойти».

Профессор был очень обеспокоен отказом Мейтнер продолжать изучение математики, хотя Лиза всего лишь стремилась к абсолютной честности — это стремление руководило ею на протяжении всей жизни. Благодаря этому эпизоду девушка избавилась от последних сомнений:

«Инцидент помог мне окончательно понять, что я хотела стать физиком, а не математиком».

Мейтнер повезло с преподавателями, которые следили за новейшими открытиями в области физики и делились ими со студентами. Франц Экснер, один из преподавателей экспериментальной физики, был другом Вильгельма Рентгена, поэтому знал обо всех открытиях, связанных с Х-лучами. Также этот преподаватель интересовался радиоактивностью и был знаком с Марией и Пьером Кюри, предоставлявшими ему для экспериментов уран.

СПОРЫ ВОКРУГ АТОМИЗМА

Начиная со второго года обучения преподавать у Мейтнер стал Людвиг Больцман, уроки которого она называла «блестящими и увлекательными». Больцману удавалось заразить слушателей собственным энтузиазмом, с которым он занимался физикой. Общение с ним было настолько захватывающим, что «после каждого занятия оставалось ощущение, будто перед нами открылся чудесный и совершенно новый мир». Можно сказать, что в формировании Мейтнер как физика принимал участие один из самых видных ученых эпохи и прекрасный оратор, заставлявший замирать аудиторию. Мейтнер считала, что «этот преподаватель был так талантлив из-за своей нетипичной человеческой природы»: она имела в виду в том числе и частую смену настроений, которой был подвержен Больцман.

Больцман дал ей [Лизе Мейтнер] видение физики как сражения за последнюю истину, и это видение оставалось с ней всю жизнь.

Отто Фриш

Благодаря Больцману Мейтнер стала свидетельницей одного из самых напряженных интеллектуальных диспутов той эпохи, посвященных существованию атомов. Больцман был защитником атомизма, в то время как большинство химиков и физиков эпохи поддерживали философское течение, известное как позитивизм, согласно которому единственным источником знаний являются чувства. Для позитивизма какое-либо понятие имеет значение, только если оно связано с эмпирической реальностью. В противном случае такое понятие нельзя считать частью научного знания, оно относится к области метафизики, что, по мнению позитивистов, было синонимом чего-то нереального, существование чего не подкреплено доказательствами. Именно это происходило с понятием атома до XIX века: о его существовании можно было догадаться по некоторым признакам, но экспериментальных доказательств не существовало. Атомы для ученых представляли собой абстрактные единицы, поэтому позитивисты считали их метафизическим понятием. Больцман, в свою очередь, утверждал, что существование атомов необходимо признать для объяснения известной нам реальности.

В 1900 году Больцман вел занятия в Лейпциге, и там ему пришлось столкнуться с суровой критикой, которая его просто опустошила. В 1902 году ученый отправился с семьей обратно в Вену, где хотел набраться сил, чтобы вернуться к преподаванию. Мейтнер присутствовала на первом занятии Больцмана и так вспоминала об этом:

«Он рассказал нам о больших трудностях и противостоянии, с которыми столкнулся в связи со своей убежденностью в существовании атомов, о том, как на него нападали, основываясь на философских заключениях, при этом Больцман никак не мог понять, что конкретно имели против него философы».

Я осознаю, что я всего лишь человек, который бессильно борется с течениями времени.

Людвиг Больцман

В 1905 году Мейтнер начала исследовательскую работу, которая должна была принести ей степень доктора, руководителем был Франц Экснер.

ЛЮДВИГ ЭДУАРД БОЛЬЦМАН

Больцман (1844-1906) является ключевой фигурой в истории физики. Его вклад в науку в основном лежит в области статистической механики — отдела физики, изучающего термодинамическое поведение сложных систем, состоящих из большого количества частиц. Он изучал физику в Венском университете и защитил диссертацию по кинетической теории газов.

Через три года Больцман был назначен профессором математической физики в Университете Граца, затем преподавал в Мюнхене и Лейпциге.

В 1872 году ученый познакомился с Генриеттой фон Айгентлер, которая направила прошение об изучении физики и математики в Университете Граца (но оно было отклонено). Пользуясь поддержкой Больцмана, Генриетта подала апелляцию и была принята на исключительных условиях. После интенсивной переписки, длившейся четыре года, она вышла замуж за Больцмана, и в этом браке родились пятеро детей. С тех пор Больцман стал непреклонным защитником женщин, особенно в части их права на высшее образование. В1873 году он вернулся в Вену и на протяжении трех лет занимал должность профессора математики. В 1876 году Больцман вновь переехал в Грац, и там начался самый плодотворный период жизни ученого, продолжавшийся 14 лет.

Среди его учеников был, например, Сванте Аррениус (1859-1927). Больцман возглавлял университет и сформулировал свои основные теории. В 1890 году ему предложили кафедру в Венском университете, и он вновь вернулся в родной город, где в то же время преподавал один из главных противников атомизма, авторитетный австрийский физик Эрнст Мах (1838-1916). После этого Больцман вновь уехал — в Лейпцигский университет, а потом опять вернулся в Вену. В этот раз среди его учеников были Лиза Мейтнер, Пауль Эренфест (1880-1933) и многие другие видные впоследствии ученые. В1906 году Больцман совершил самоубийство в Дуино, Италия. Причиной этого поступка часто называют нервное истощение физика, к которому его привели дискуссии вокруг атомизма. Те, кто был близко знаком с Больцманом, знали, что он склонен к резким переменам настроения и депрессии. Мейтнер не сомневалась, что самоубийство было результатом «умственной нестабильности». После смерти Больцмана она писала:

«Он мог сильно страдать из-за вещей, которые другой, более толстокожий человек, едва почувствовал бы».

Сегодня считается, что ученый страдал маниакальной депрессией. «Больцман не скрывал своего энтузиазма, когда говорил, увлекая за собой слушателей», — вспоминала Лиза. Он поддерживал дружеские отношения со многими своими учениками, так что Мейтнер вместе с другими студентами неоднократно присутствовала на вечерах в доме Больцмана, когда он играл на фортепиано и много шутил.

Юная австрийская исследовательница изучала теплопроводность в негомогенных твердых телах — тема, связанная с лекциями Больцмана. Также Мейтнер постаралась применить для объяснения теплопроводности законы Максвелла и экспериментально подтвердила свои гипотезы. В знак признания этого труда она получила высшую оценку за свою работу и стала в 1906 году доктором наук.

В одной из своих биографических записей Мейтнер с радостью вспоминает, как Пауль Эренфест связался с ней, чтобы поближе познакомиться с теорией Больцмана и Рэлея:

«Я впервые познакомилась с Эренфестом во время учебы в Вене. Он приехал из Гёттингена в Вену, чтобы учиться у Больцмана. [...] Кто-то сказал ему, что я прилежно конспектирую все его занятия».

Мейтнер решила, что предложение Эренфеста изучать вместе с ним идеи Рэлея и Больцмана довольно любопытно, и сразу же согласилась. Лиза вспоминала: «Эренфест был гораздо лучше подготовлен для решения теоретических задач, чем я сама, кроме того, он был прекрасным и увлеченным преподавателем». Сотрудничество Мейтнер с Эренфестом, который впоследствии прославился своими достижениями в статистической физике и квантовой механике, было очень благотворным. Они получили некоторые результаты, которые подтолкнули Лизу продолжать карьеру исследователя.

ПРОТИВОРЕЧИЕ АТОМИЗМА

Больцман яростно защищал атомизм с 1872 года. Для него атомы были реальными, объективно существующими. В то же время его оппоненты считали, что невозможно увидеть атомы или доказать их существование физическими экспериментами, а значит, это всего лишь предполагаемые единицы, существование которых проявляется косвенно, как это свойственно метафизическим понятиям. Исходя из этой точки зрения атомизм нельзя считать научной теорией. Больцман полагал, что без атомов невозможно объяснить материальную «реальность в том виде, в каком она предстает перед нами». Выдающимся позитивистом XIX века был Вильгельм Оствальд (1853-1932), который на одной из конференций ответил Больцману, что в задачи науки не входит отображение реальности:

«Не нужно пытаться сделать ни изображение, ни правдоподобное приближение! Наша задача — не смотреть на мир в более или менее кривом или мутном зеркале, а видеть его непосредственно, как может позволить природа нашего разума. [...] Данную задачу невозможно выполнить, гипостазируя [то есть приписывая реальные свойства] гипотетические представления, можно только подтверждать взаимосвязь между измеряемыми величинами».

В 1890 году Больцман и Оствальд встретились на конференции в Галле. В перерыве ученые вновь начали дискутировать о существовании атомов. Оствальд пытался убедить противника, рассказав ему о преимуществах энергетической доктрины, которая должна была объяснить все природные явления, основываясь на понятии энергии. Эта концепция была разработана им самим в противовес атомизму. Однако Больцман ответил:

«Не вижу причин, препятствующих тому, чтобы сама энергия была разделена на атомы».

В этот момент рядом оказался Макс Планк, и, возможно, это повлияло на его концепцию квантов энергии, которую он разработал несколько лет спустя. В споре об атомах одним из аргументов, которым позитивисты пользовались с большой ловкостью и долей сарказма, было следующее: никто не может увидеть атомы. Как объясняет историк Джеральд Холтон, этот аргумент был окончательно отвергнут, когда Чарльз Вильсон придумал свою туманную камеру — сосуд со стеклянной крышкой, заполненный воздухом, насыщенным парами воды при низкой температуре. Когда ионизирующая частица, например альфа-частица, проникает в камеру, водяной пар конденсируется по пути ее следования так, что после частицы остается туманный след, как от самолета в небе. Этот способ рассмотреть частицы окончательно сокрушил скепсис вокруг атомов. С помощью туманной камеры была обнаружена большая часть элементарных частиц, таких как нейтрино в 1936 году.

В туманной камере частицы оставляют след, а их траектория определяется взаимодействием частиц с электромагнитными полями.

НАЧАЛО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Как правило, тех, кто защитил диссертацию и хотел продолжать заниматься наукой, ждала работа в университете в качестве ассистента какого-нибудь профессора. Эта должность была одной из низших в иерархии, поэтому считалась сравнительно доступной, но никогда прежде ее не занимала женщина. Мейтнер была второй женщиной, получившей докторскую степень в университете, но стать ассистентом ей не удалось, хотя она и мечтала о будущем исследователя. Лиза решила просить о поддержке Марию Кюри, однако и в ее лаборатории не было свободных мест.

По совету родителей, которые хотели, чтобы их дочь наконец нашла работу и могла содержать себя, Мейтнер стала преподавателем в женской школе. Для нее это было временным решением, так как исследования вызывали гораздо больший ее интерес. Лиза решила, что вечерами будет продолжать исследовательскую работу в Институте теоретической физики — в лаборатории, которую возглавлял Больцман вплоть до своей смерти. Мейтнер писала, что эта лаборатория была больше похожа не на научное учреждение, а на какой-то курятник.

Директором института стал Стефан Майер, бывший ассистент Больцмана. Его основные интересы лежали в области изучения радиоактивности, поэтому одним из первых экспериментов, которые были доверены Мейтнер, было наблюдение за тем, как разные металлы поглощают альфа-и бета-лучи. Мейтнер при этом не получила никаких новейших результатов, но такая работа помогла ей освоить некоторые приборы, такие как электроскоп, владение которыми было необходимо любому исследователю.

Радиоактивность привлекала всех молодых ученых, которые стремились совершить в этой области решающие открытия. Исследователи обнаруживали все новые и новые радиоактивные элементы. Первым был найден уран в 1896 году, всего четыре года спустя были открыты полоний, радий, торий, актиний. Количество новых элементов неумолимо росло, в том числе и потому, что еще не существовало понятия изотопа.

Антуан Анри Беккерель в своей лаборатории, где он занимался магнитными полями.

Лиза Мейтнер в 1906 году.

Пьер и Мария Кюри в парижской лаборатории в 1906 году. Знаменитая супружеская пара прославилась благодаря изучению радиоактивности.

Исследователи считали различные свойства веществ следствием того, что они являются разными элементами.

Майер сделал важное открытие, доказав, что бета-излучение состоит из потока электронов. К такому же выводу одновременно пришли Беккерель и Фридрих Гизель. Ученые также стремились определить электрический заряд альфа-частиц, но это удалось сделать лишь Резерфорду в 1906 году, использовав мощные магнитные поля.

РАССЕЯНИЕ АЛЬФА-ЛУЧЕЙ

В конце 1906 года Мейтнер начала новые исследования, связанные с радиоактивностью. Было известно, что альфа-частицы обладают слабой проникающей способностью, однако требовалось выяснить, рассеиваются они, как утверждал Резерфорд, или поглощаются материей. Если происходит рассеяние, то это означало, по словам Резерфорда, что «атомы материи находятся в поле действия интенсивных электрических сил». Мейтнер в конце жизни вспоминала о том, как начала заниматься этой темой:

«Помню, как я занималась радиоактивностью в Вене, работая над вопросом рассеяния альфа-лучей на малые углы. Мое исследование началось в результате дискуссии одного физика из Праги и другого из Берлина. [...] Один из них говорил, что рассеяния на малых углах не существует, а второй настаивал на обратном. Тогда я подумала, что это можно было бы доказать экспериментально, и занялась данной темой в институте Стефана Майера. Венцы очень заинтересовались этим проектом. Майер и Швайдлер осуществили большую работу по радиоактивности».

Ее экспериментальная система для доказательства рассеяния лучей должна была направлять пучок альфа-частиц так, чтобы лучи проходили через матрицу из мелких параллельных металлических трубочек. Цель Мейтнер состояла в том, чтобы коллимировать лучи, то есть направить их вдоль металлических трубочек. Затем альфа-пучок должен был пройти через металлическую пластинку, после чего его вновь коллимировали при прохождении через еще одну систему трубочек. При изменении расстояния между коллиматорами ослабление было разным, и это доказывало, что альфа-лучи на самом деле при прохождении через пластинку рассеиваются. Этот эксперимент имел еще одно следствие: стало очевидным, что в зависимости от атомной массы металлической пластинки меняется показатель рассеяния, — чем больше была атомная масса атомов металла, тем больше рассеяние.

Мейтнер опубликовала результат эксперимента в 1907 году в немецком журнале Physikalische Zeitschrift («Физический жур-нал»} — одном из самых престижных научных изданий того времени. Так был дан старт ее научной карьере.

ИЗОТОПЫ

Изотопы — разновидности одного элемента, однако ядро их атома содержит разное количество нейтронов. Физики, приступившие к изучению радиоактивности в тот период, когда отсутствовало полное понимание внутренней структуры атома, думали, что существует гораздо больше элементов, чем это есть на самом деле. Для них все вещества с разной атомной массой были разными элементами. В1910 году Фредерик Содди заметил, что «элементы с разным атомным весом [сейчас мы называем его атомной массой] могут иметь одинаковые свойства», то есть соответствовать одной позиции в периодической системе. Он смог доказать это, сравнив атомные массы свинца, полученного в ходе серии ядерных распадов из урана, и свинца, полученного в результате превращений тория. Их массы отличались, и это подтверждало догадку Содди. Появление новых инструментов, таких как масс-спектрометр, позволило анализировать атомные ядра в зависимости от их соотношения масса — заряд. Это помогло установить, что казавшиеся новыми вещества были изотопами одного элемента.

Ядро протия состоит только из одного протона. В дейтерии, кроме протона, есть еще один нейтрон. В тритии ядро состоит из трех частиц — протона и двух нейтронов.

Вклад Чедвика

Благодаря открытию нейтрона, сделанному в 1932 году Джеймсом Чедвиком, стало возможным обосновать существование изотопов в соответствии с их ядерной структурой. Изменяющееся число нейтронов в атомном ядре объясняло изменение массы одного и того же элемента. Самый простой пример изотопов в природе мы можем привести, вспомнив о водороде. У этого элемента один протон в ядре. Если у него нет нейтронов, он образует изотоп протий; когда добавляется один нейтрон, получается дейтерий; изотоп с двумя нейтронами называется тритий (см. рисунок).

ЭЛЕКТРОСКОП

Электроскоп (см. рисунок 1) — это прибор для обнаружения электрического заряда. Он состоит из двух листов фольги — обычно из золота или алюминия, — подвешенных к металлическому стержню. Устройство размещается в стеклянном или металлическом сосуде. Стержень выступает из сосуда с одной из сторон, а при воздействии на него заряженным телом два листа заряжаются и вследствие электростатической силы взаимно отталкиваются. Таким образом можно было установить, имеет тот или иной объект электрический заряд. Первый электроскоп был сконструирован Уильямом Гильбертом (1544- 1603), английским физиком, пионером изучения свойств магнитов. Когда листы в электроскопе возвращались в первоначальную позицию, это означало, что они теряют заряд, несмотря на то что внутреннее устройство было электрически изолировано.

РИС. 1

Скоро был сделан вывод о том, что поскольку воздух слегка ионизирован, заряд может переходить от металлических листов к стенкам электроскопа. Однако существовали и сомнения, которые необходимо было развеять: почему воздух ионизируется? В1900 году Чарльз Вильсон (1869-1959), шотландский физик, получивший в 1927 году Нобелевскую премию за разработку туманной камеры, смог установить, что ионизация воздуха происходит вследствие естественной радиации, которая есть повсюду. Поэтому в электроскопах мы можем наблюдать, что заряженные листы постепенно возвращаются в начальное положение (см. рисунок 2). В присутствии радиоактивных веществ этот процесс ускоряется, и чем выше интенсивность радиации, тем он быстрее. Так электроскоп превратился в инструмент для измерения фоновой радиации радиоактивных материалов.

РИС. 2

Листы электроскопа, вид сбоку. Проводящие пластинки или листы, имеющие одноименный электрический заряд, взаимно отталкиваются.

ОТКРЫТИЕ ЯДРА

Мейтнер не стала исследовать, что именно вызывает рассеяние альфа-частиц. А Резерфорд, напротив, был одержим поиском ответа на этот вопрос, что привело его к исключительному открытию, — мы говорим об открытии атомного ядра в 1911 году. Взяв тончайшую металлическую пластину и приступив к ее бомбардировке альфа-частицами, он сделал следующий прогноз: если предложенная Томсоном пудинговая модель атома верна, то воздействующие на пластинку частицы не должны отклоняться от своей траектории. Электроны, плавающие в положительно заряженном облаке, имеют слишком небольшой размер, чтобы вызвать отклонение альфа-лучей от линейной траектории. Однако когда опыт, поставленный Марсденом и Гейгером (см. рисунок 3) указал на отклонение альфа-частиц, Резерфорд сделал вывод: «Если принять во внимание данное свидетельство в общем виде, самым простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, расположенный в очень малом объеме». Так было открыто атомное ядро (см. рисунок 4).

РИСУНОК 3: Резерфорд предложил новую модель атома, согласно которой его ядро, в котором сконцентрированы масса и положительный заряд, располагается в центре атома. Это позволяло объяснить, почему некоторые альфа-частицы, направленные на металлическую поверхность, отскакивают назад.

РИСУНОК 4: Опыт, позволивший Резерфорду открыть атомное ядро, состоял в бомбардировке тонкой золотой фольги альфа-частицами.

АЛЬФА-РАСПАД

Эрнеста Резерфорда называют отцом ядерной физики. В1902 году он открыл, что радиоактивность происходит из самих атомов. Вместе с Фредериком Содди Резерфорд пришел к выводу, что «радиоактивность — явление, происходящее в атомах, с сопутствующими химическими изменениями, при которых появляются новые типы материи». То есть радиоактивные атомы подвергаются распаду, а испускаемая радиация является следствием разложения атомов, способным спонтанно привести атом к распаду. До 1911 года не было ясно, что этот распад затрагивает только ядро. Альфа-лучи должны были состоять из частиц атома, при их испускании они меняли саму природу атома: при испускании альфа-частиц такой элемент, как уран, превращался в торий. Альфа-распад (см. рисунок) представляет собой испускание из атомного ядра одной частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, идентичной, таким образом, ионизированному ядру гелия. Альфа-распад начинается спонтанно в энергетически нестабильных ядрах с большим количеством протонов и нейтронов — другими словами, в результате действия сил отталкивания внутри ядра, как это происходит с ураном.

Химическая трансмутация элемента после испускания альфа-частицы состоит, ввиду потери двух протонов и двух нейтронов, в изменении количества ядерных частиц и пропорции нейтронов и протонов в ядре.

ВСТРЕЧА С ПЛАНКОМ

После смерти Больцмана в сентябре 1906 года нужно было найти ему преемника, который мог бы занять место ученого в Венском университете. Администрация университета предложила кандидатуру Макса Планка. Он в это время возглавлял в Берлине кафедру теоретической физики и не планировал менять место работы, но все же решился поехать в Вену в знак уважения к памяти Больцмана. Благодаря этой поездке состоялось его знакомство с Мейтнер.

Лиза в то время не знала работ Планка и его революционной гипотезы о квантовании энергии. Исследовательница так описывала ситуацию:

«Я часто спрашивала себя, почему Больцман никогда ни словом не упомянул [квантовую теорию Макса Планка]. Надо сказать, что я посещала его лекции в течение пяти лет после этого открытия. Однако нужен был длительный период времени для принятия квантовой теории. При этом Планк не смог бы разработать свою теорию, если бы не принял атомную теорию Больцмана, а также не воспользовался введенными им статистическими методами».

После этого знакомства Мейтнер решила оставить Вену и уехать в Берлин, чтобы учиться у Планка, в надежде, что это откроет перед ней новые горизонты.

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 ПЛАНК

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.

ГАН ДО ЗНАКОМСТВА С МЕЙТНЕР

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.

РАДИОТОРИЙ, РАДИОАКТИНИЙ, МЕЗОТОРИЙ И РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ

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.

ИССЛЕДОВАНИЕ БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЯ

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.

В ПОДВАЛЕ

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.

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 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.

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.

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.

ФИЗИКА И ХИМИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ

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.

ВОЙНА

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 ЭЛЕМЕНТОВ

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.

Заполняя пустые графы

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.

ПРОТАКТИНИЙ

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.

ВСТРЕЧА С БОРОМ

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.

ОТ РЕЗЕРФОРДА К БОРУ

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.

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ

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.

ПУТЬ К РАСЩЕПЛЕНИЮ

«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.

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.

ДЕЛЕНИЕ ЯДРА

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.

НЕЙТРОН

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.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

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.

ПРОЕКТ ФЕРМИ

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-

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

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

ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАХ С НЕЙТРОНАМИ

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.

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

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».

ЭНРИКО ФЕРМИ

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.

Манхэттенский проект

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.

ФИЗИЧЕСКАЯ И ЕЩЕ ОДНА ХИМИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

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.

ГАМОВ И ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

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.

ГАН, МЕЙТНЕР И ШТРАССМАН

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.

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».

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.

НЕЯСНОСТЬ РАЗВЕИВАЕТСЯ

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.

СТАТЬЯ О РАСЩЕПЛЕНИИ

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.

ГЛАВА 5

Цепная реакция

В результате процесса расщепления высвобождаются нейтроны, которые могут быть использованы для новых расщеплений атомных ядер. Количество цепных расщеплений возрастает экспоненциально, при этом возможно генерирование большого количества разрушительной энергии и создание атомной бомбы.

Всегда ли при расщеплении ядра урана высвобождаются нейтроны? Может ли процесс расщепления быть использован для получения энергии? Для ученого венгерского происхождения Лео Силарда (1898-1964) ответы на эти вопросы имели отношение к созданию атомной бомбы.

НЕЙТРОНЫ И ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

Силард в течение нескольких лет размышлял над возможностью цепной реакции. Уже в 1934 году он запатентовал свою идею, хотя еще сам не знал, как она будет осуществлена. Например, он предлагал использовать для реакции бериллий. Но самым важным было то, что в результате цепной реакции можно получить большое количество энергии. Многие представители научного сообщества в то время отвергали идею возможности использования такой энергии. В 1938 году Силард уехал в США и там начал исследовать расщепление с целью получения энергии.

РИС. 1

Концепция цепной реакции предполагала, что после разделения ядра высвобождаются нейтроны, которые потенциально могут вызывать расщепление других ядер. При этом каждый раз высвобождаются все новые нейтроны, так что количество расщеплений возрастает экспоненциально.

БОР И ФЕРМИ

Нильс Бор прибыл в порт Нью-Йорка в начале 1939 года. Перед самым отплытием Отто Роберт Фриш сообщил ему о необыкновенном открытии расщепления. В порту Бора встречал нобелевский лауреат по физике в 1938 году Энрико Ферми, незадолго до этого приехавший в США, спасаясь от диктатуры Муссолини, так что сразу после прибытия Бор смог рассказать Ферми о необыкновенной новости. Тот сразу же начал думать над возможностью повторить эксперимент по расщеплению. Ученые воспользовались циклотроном в Колумбийском университете, где теперь работал Ферми, для ускорения протонов и использования их для бомбардировки урана. Показания осциллоскопов подтвердили, что расщепление и вправду происходит (см. рисунок 1).

Затем Бор и Ферми отправились в Университет Джорджа Вашингтона для участия в конференции по теоретической физике. Расщепление ядра стало сенсационной темой. На одном из обсуждений Бор поставил ключевой вопрос: что, если во время расщепления высвобождаются нейтроны? Это делало возможным после расщепления одного ядра цепную реакцию.

ПИСЬМО ЭЙНШТЕЙНА

Группа исследователей начала наблюдения, которые должны были ответить, происходило ли испускание нейтронов. В начале 1939 года в одной из лабораторий Колумбийского университета Силард и физик канадского происхождения Уолтер Зинн (1906-2000) обнаружили как минимум два нейтрона, хотя впоследствии было выяснено, что при расщеплении урана- 235 высвобождаются три нейтрона. Ученые сделали вывод, что уран мог служить для начала и поддержания цепной реакции, что, в свою очередь, открывало возможности генерирования огромного количества энергии. Силард потом рассказывал об этом открытии:

«Весь мир был готов. Нам оставалось только повернуть переключатель и, удобно расположившись в креслах, наблюдать катодный экран: если мы увидим вспышку, это будет означать, что масштабное высвобождение атомной энергии неизбежно. Мы повернули кнопку, и на экране появились вспышки. Мы посмотрели на эти вспышки, а затем каждый из нас вернулся домой. Тем вечером я почувствовал уверенность, что наш мир падает в пропасть».

Испускаемые нейтроны — вторичный продукт ядерного расщепления — заставляли осознать, что создание атомной бомбы неизбежно. Далее Ферми и Герберт Андерсон поняли, что для получения цепной поддерживаемой реакции нужны уран и вода. Некоторые из этих выводов были опубликованы в журнале Physical Review.

Одновременно несколько разных университетов и исследовательских центров в США (а в Европе — группа Жолио-Кюри) смогли осуществить расщепление ядра. Силард считал, что начало работы над этим проектом немецкой армии — вопрос времени. Несомненно, в Германии были очень хорошие ученые, способные достичь прогресса в создании бомбы. Правительство США должно было объявить о запуске большого проекта разработки бомбы, так как в противном случае немцы получили бы неоспоримое преимущество, которому сложно было бы что-то противопоставить, и в результате Германия победила бы в войне.

ОТТО РОБЕРТ ФРИШ

Отто Роберт Фриш (1904-1979) родился в Вене, в семье пианистки Августы Мейтнер, сестры Лизы Мейтнер, и художника Юстиниана Фриша. Он получил докторскую степень в Венском университете в 1926 году, а затем переехал в Гамбург в качестве ассистента Отто Штерна (1888-1969), вместе с которым в 1933 году смог измерить магнитный момент протона. В том же году к власти пришел Гитлер, и Отто предпочел уехать из Германии. Он отправился в Лондон, а затем в Копенгаген, в институт Бора, где проработал пять лет. В1938 году он вместе со своей теткой смог интерпретировать процесс расщепления, а также именно ему пришла идея использовать этот термин, взятый из биологии. С тех пор все усилия Фриша были направлены на изучение расщепления и цепной реакции. В1939 году он переехал из Копенгагена в Бирмингем. Поездка должна была быть краткой, но вспыхнувшая война заставила Фриша изменить планы. Вместе с британским физиком Рудольфом Пайерлсом (1907-1995) он написал меморандум Фриша — Пайерлса, в котором впервые говорилось о возможности атомного взрыва в результате расщепления ядра. Позже данный меморандум использовали для разработки Манхэттенского проекта, в котором сам Фриш принимал активное участие как член британской делегации. В его задачу в Лос-Аламосе входило определение количества урана, необходимого для цепной реакции. Фриш рассказывал, например, что однажды ему удалось запустить цепную реакцию, которую пришлось остановить собственными руками, разделяя кусочки урана, потому что в противном случае произошел бы взрыв. В 1946 году Фриш вернулся в Великобританию, преподавал в Кембридже и стал начальником отдела ядерной физики Исследовательского центра атомной энергии в Харвелле. Умер ученый в 1979 году.

«Сообщи Кокрофту и Мод Рей Кент»

Пока Фриш в Англии разрабатывал идеи о возможности создания атомной бомбы, он получил от Мейтнер телеграмму, содержание которой ей продиктовал Бор. Последние слова звучали так: «[•••] and please inform Cockroft and Maud Ray Kent». Фриш был уверен, что Бор просит его передать какую-то зашифрованную информацию в британскую атомную комиссию, которая в это время создавалась, но никак не мог понять, о чем шла речь. Кокрофт был одним из создателей ускорителя частиц, построенного в 1932 году в Кембридже. Так что неизвестным оставалось только сочетание Ray Kent. Возможно, это была анаграмма (как, например, radium taken, что означало «радий взят»), но Фриш не был уверен. Он решил, что Бор пользуется каким-то секретным кодом, который не сможет расшифровать ни он, ни кто-либо другой. Эта догадка окрепла, когда атомная комиссия получила название Комитет МАУД (MAUD) — сокращение от английского «Военное применение уранового взрыва». Спустя некоторое время все прояснилось: Бор просто просил передать привет Мод Рей — гувернантке его детей, которая жила в Кенте.

Отто Роберт Фриш в 1945 году играет на фортепиано для KRS, радиостанции Лос-Аламос, Нью-Мексико.

Ферми, недавно получивший Нобелевскую премию по физике за 1938 год и непосредственно участвовавший в исследованиях расщепления, казался наиболее подходящим человеком для того, чтобы передать американскому правительству тревогу научного сообщества относительно разработки атомной бомбы. В 1938 году он встретился с представителями армии, но ничего не достиг: доводы ученых основывались на умозрительных заключениях, а слабый английский Ферми не позволил ему быть убедительным. Требовалась настойчивость, и в следующий раз Силард попросил помощи у Альберта Эйнштейна, который когда-то был его преподавателем в университете, а в ту эпоху имел репутацию великого ученого. Кроме того, Эйнштейн всегда позиционировал себя как убежденный пацифист, поэтому его обращение на эту тему не осталось бы незамеченным. Силард отправился на встречу с Эйнштейном, чтобы объяснить ему суть проблемы. Великий физик ничего не знал о достижениях по расщеплению ядра и цепной реакции, так что Силарду пришлось рассказать ему все новости.

Это ужасно — мы обнаружили нейтроны.

Лео Силард

Девятого августа Эйнштейн обратился к президенту Рузвельту, написав ему об опасности создания Германией атомной бомбы. Соединенным Штатам необходимо было приложить все усилия, чтобы опередить Гитлера. «Мне известно, что Германия в настоящее время прекратила продажу урана из захваченных чехословацких рудников»,— предупреждал Эйнштейн в конце письма. Эмбарго на вывоз урана недвусмысленно означало, что немцы разрабатывают какой-то военный проект. Довольно скоро Эйнштейн получил от президента письмо, в котором тот обещал внимательно изучить проблему. Но в целом правительство США продолжало игнорировать предупреждения научного сообщества.

Силард и Эйнштейн представить себе не могли, что сам создатель теории относительности вызывает подозрения у американских спецслужб. В рассекреченном позднее отчете ФБР можно прочесть: «Учитывая его радикальную биографию, наша служба не рекомендует использовать доктора Эйнштейна для вопросов секретного характера до проведения детального расследования. Кажется невозможным, что человек с такой биографией может быстро превратиться в настоящего американца». Таким образом, Эйнштейн, возможно, тоже не был подходящей фигурой для того, чтобы убедить в чем-либо правительство США.

ЭЙНШТЕЙН ПИШЕТ РУЗВЕЛЬТУ

«9 августа 1938 года.

Ф.Д. Рузвельту, президенту США.

Белый Дом, Вашингтон (округ Колумбия).

Сэр!

Недавние работы [...], о которых я узнал из рукописи, заставляют меня ожидать, что уран может быть в ближайшем будущем превращен в новый и важный источник энергии. Некоторые аспекты возникшей ситуации, по-видимому, требуют бдительности и, при необходимости, быстрых действий со стороны правительства.

В течение последних четырех месяцев [...] стала вероятной возможность ядерной реакции в крупной массе урана, вследствие чего может быть освобождена значительная энергия и получены большие количества радиоактивных элементов [...].

Это новое явление способно привести также к созданию бомб и возможно — хотя и менее достоверно — исключительно мощных бомб нового типа. Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт c прилегающей территорией [...].

Искренне Ваш Альберт Эйнштейн».

ГЕЙЗЕНБЕРГ И БОМБА

Немцы начали исследовательский проект по созданию атомной бомбы в 1939 году, за два года до американцев. В их распоряжении были прекрасно подготовленные ученые и инженеры, а также необходимые материалы, например уран из рудника Яхимов в Чехословакии. Вернер Гейзенберг в те годы был самым знаменитым немецким ученым после Эйнштейна, он казался наиболее подходящей кандидатурой, чтобы возглавить проект по созданию атомной бомбы.

Привычное для Гейзенберга сотрудничество с еврейскими учеными возбудило подозрения защитников «немецкой физики» — движения, заявлявшего об ошибочности и вредности «еврейской» физики. Йоханнес Штарк, один из лидеров этого движения, в своей публикации обвинил Гейзенберга в отсутствии патриотизма. Военная и полицейская нацистская организация СС (сокращение от нем. Schultzstaffel — «отряды охраны») решила провести расследование и допросила Гейзенберга. Это был самый опасный момент в жизни ученого. Но все устроилось благодаря его матери, лично знавшей мать Генриха Гиммлера, руководителя СС. В любом случае, с этого времени Гейзенберг находился под подозрением, и ему нужно было доказывать собственную лояльность нацистам.

Когда в 1939 году Гейзенберг поехал в США, чтобы прочитать серию лекций в разных университетах, все понимали, что в Европе скоро начнется война, поэтому ученый получил несколько предложений о работе от разных университетов, но отклонил их и вернулся на родину. Как видите, у Гейзенберга была возможность порвать с нацистским правительством, но он не воспользовался ею. Почему он это сделал, неясно: возможно, ученый стремился защитить семью, остававшуюся в Германии, а возможно — испытывал преданность по отношению к своей стране. Корабль, на котором Гейзенберг плыл обратно, шел полупустым — никто не решался ехать в Европу, зная о неизбежности военного конфликта.

В начале войны физик получил от военного департамента инструкции по исследованию возможностей применения расщепления ядра в военных целях. Гейзенберг в 1940 году составил несколько докладов о возможности создания атомной бомбы, в которых описал этапы ее разработки. Он сам и большая команда ученых начали серию экспериментов ключевой части проекта, в частности для наблюдения за поглощением нейтронов. Часть лаборатории, где должен был быть построен ядерный реактор, находилась в Берлине, в Институте физики имени кайзера Вильгельма, который стали называть Вирусным домом, чтобы отпугнуть любопытную публику. Когда в конце войны советские войска захватили Берлин, это здание было одной из военных целей. Для Советского Союза было важно получить большое количество урана для ядерной программы.

Другие важные лаборатории находились в Лейпциге и в маленьком городе на юге Германии Хайгерлохе, где эксперименты ставили в церковном подвале.

Исследователи по своей воле могут разбивать и создавать атомы, могут осуществлять цепные реакции, приводящие к взрыву. Если эти трансмутации материи будут развиваться, можно получить большое количество свободной энергии для использования.

Фредерик Жолио в 1935 году в речи после получения Нобелевской премии по химии

Ученым не удалось рассчитать критическую массу урана- 235, то есть минимальную массу материала, необходимого для осуществления поддерживаемой ядерной реакции, поэтому они использовали очень большое количество материала, по нескольку тонн, и это делало проект неосуществимым: получить такое количество материала было затруднительно. Добыча урана была крайне опасной, и шахтеры страдали от заболеваний, вызванных воздействием радиоактивности, в результате на этих работах добывающее предприятие начало использовать труд заключенных концлагеря.

ИЗОТОПЫ УРАНА

Уран, который встречается в природе, представляет собой смесь двух изотопов — урана-235 и урана-238. Второй изотоп довольно распространен и составляет 99, 2% природного урана, оставшиеся 0, 8% представлены ураном-235. Однако для цепной реакции необходим именно этот, более редкий изотоп. Когда уран-238 поглощает нейтрон, вместо расщепления происходят бета-распад и трансмутация в плутон-239. Уран-235 легко расщепляется нейтронами определенного вида энергии — кинетической. Когда источник состоит из смеси двух изотопов, с большим содержанием урана-238, этот изотоп поглощает большую часть нейтронов и делает цепную реакцию невозможной. Поэтому для осуществления поддерживаемой цепной реакции нужно использовать смесь с преобладанием урана-235, которую называют обогащенным ураном. Процесс обогащения урана состоит в очищении смеси и увеличении содержания в ней урана-235. Считается, что для создания атомной бомбы необходимо достичь 90% содержания этого изотопа. Разделить два изотопа непросто, и немецким ученым не удалось разработать достаточно удачный метод обогащения урана, что в конце концов означало провал проекта. Исследователи, участвовавшие в Манхэттенском проекте, напротив, смогли найти метод обогащения урана на заводе Оак-Ридж (Теннеси), благодаря чему создание первой атомной бомбы стало реальностью.

Зал контрольных панелей на заводе Оак-Ридж, фундаментальная часть Манхэттенского проекта.

Хотя Отто Ган не участвовал в разработке бомбы, он установил, что для цепной реакции необходимо использовать уран- 235, добыть который гораздо труднее, чем уран-238.

Еще одним техническим вопросом, который нужно решить для создания бомбы, был вопрос обеспечения веществом для замедления нейтронов. Как было открыто Ферми и Мейтнер, медленные нейтроны имеют при расщеплении большую эффективность. Когда воздействие нейтронов происходит на определенной скорости — при низкой кинетической энергии, — их поглощение ядром становится более вероятным, что увеличивает и вероятность расщепления (см. рисунок 2). Для торможения нейтронов использовали разные вещества, и было решено, что наилучшим вариантом является тяжелая вода. Она отличается от обычной воды тем, что водород в ее молекулах представлен изотопом дейтерием, имеющим в ядре не только протон, но и дополнительный нейтрон.

Уже в 1941 году Гейзенберг был готов разработать контейнер для урана и тяжелой воды, чтобы осуществить цепную реакцию. Вначале попытки были безуспешны, так как ученый недооценил важность расчета критической массы урана, необходимой для цепной реакции. После неоднократных повторов опыта в начале 1942 года он убедился, что цепная реакция началась. Она не была поддерживаемой, однако Гейзенбергу удалось обнаружить умножающийся эффект индуцированного расщепления. В работу вновь вкралась ошибка: использование пластин урана вместо сфер сделало работу реактора невозможной.

РИС. 2

Для получения поддерживаемой цепной реакции необходимо замедлить скорость нейтронов, что достигается при прохождении их через замедляющую среду, такую как тяжелая вода.

ФАРМ-ХОЛЛ

В мае июне 1945 года силы союзников задержали группу немецких ученых, участвовавших в разработке атомной бомбы. Их перевезли в Фарм-холл — дом, расположенный в графстве Годманчестер неподалеку от Кембриджа, где потом держали полгода. Все комнаты прослушивались — союзники хотели выяснить степень участия в проекте каждого ученого, а также узнать, на каком этапе находился проект. В группу из десяти ученых, удерживаемых в Фарм-холле, входили Вернер Гейзенберг, Отто Ган, Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Макс фон Лауз. Не все попавшие сюда сделали равный вклад в развитие проекта. Например, Отто Гана едва можно было упрекнуть в участии в создании атомной бомбы. В1992 году были обнародованы записи разговоров этих ученых. В них нет никаких сенсационных заявлений, но эти беседы бросают тень на Гейзенберга и фон Вайцзеккера, а также позволяют усомниться в оправданиях, которые они приводили в свою защиту. Именно тогда, когда ученых содержали в Фарм-холле, пришла новость о том, что США сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки. Это известие расстроило Гана, который говорил, что чувствует ответственность за гибель людей. Гейзенберг усомнился в правдивости этой новости, а фон Вайцзеккер заявил: «Если бы мы хотели, чтобы Германия выиграла войну, у нас бы это получилось».

Секретные службы союзников ничего не знали о трудностях, в которых увяз немецкий проект, поэтому рассматривались самые разные варианты. Обдумывалась даже возможность убийства Гейзенберга, и решение об этом фактически было принято, но в конце концов союзники выбрали другой путь — уничтожение завода по производству тяжелой воды. Речь шла о норвежской фабрике в Веморке. Вначале британцы направили два самолета, но они разбились, после этого в Великобритании была подготовлена группа солдат из норвежских беженцев, которые смогли проникнуть в здание фабрики и взорвать его.

Неизвестно, по какой причине (из-за саботажа или из-за недостаточной подготовленности немецких ученых), но нацистская армия так и не получила ядерного оружия. Впоследствии Гейзенберг и его соратники заявляли, что специально саботировали немецкую ядерную программу изнутри, чтобы не позволить Германии создать это оружие. Однако большинство историков считают, что многие ученые готовы были приложить все силы для разработки атомной бомбы — по крайней мере в начале войны.

МАНХЭТТЕНСКИЙ ПРОЕКТ

В Соединенном Королевстве Отто Фриш и Рудольф Пайерлс подготовили меморандум, в котором объясняли, какими характеристиками должна обладать атомная бомба. В меморандуме Фриша — Пайерлса было определено, что цепная реакция на основе урана-235 не требовала большого количества этого радиоактивного материала. Ученым удалось определить критическую массу — показатель, который не смогли установить немцы. Для того чтобы избежать взрыва во время манипуляций, были установлены меры безопасности в виде разделения содержимого контейнера на два части. Критическая масса достигалась только при соединении двух частей, бомба детонировала после начала поддерживаемой цепной реакции. Эта информация вновь была передана в США, где, казалось, никто не проявлял особого интереса к разработке нового оружия.

Все изменилось в декабре 1941 года, после атаки на Перл-Харбор, когда США окончательно пришлось вступить в войну. В тот же год была организована встреча комитета МАУД с американскими исследователями для уточнения программы. После вступления США в войну началась реализация Манхэттенского проекта.

На данный момент я считаю, что война закончится скорее, чем будет сконструирована первая атомная бомба.

Вернер Гейзенберг в докладе о возможности разработки атомной бомбы

В этот ключевой момент был открыт плутоний — элемент, оказавшийся более подходящим материалом, чем уран, для изготовления бомбы. Плутоний занимает в периодической таблице позицию под номером 94. Ферми считал, что обнаружил его еще в 1934 году, когда проводил бомбардировку урана нейтронами. Он назвал новое вещество гесперием, но, как выяснили Ган и Мейтнер, Ферми не нашел новый трансурановый элемент, а вызвал расщепление урана. Между 1940 и 1941 годом в Калифорнийском университете была проведена серия экспериментов с циклотроном, в которых производилась бомбардировка урана дейтерием. В этот момент был получен изотоп плутоний-239, который оказался подходящим элементом для процессов ядерного расщепления, то есть прекрасным материалом для атомной бомбы. Несмотря на то что ученые хотели опубликовать свои результаты в каком-нибудь научном журнале, правительство запретило какие-либо публикации по этому вопросу.

Манхэттенский проект был запущен 13 августа 1942 года под руководством генерала Лесли Грувса. В ноябре был отдан приказ проводить исследования в Лос-Аламосе, секретной лаборатории в Нью-Мексико. Исследовательским центром руководил физик Роберт Оппенгеймер, выбравший для работы лучших ученых той эпохи: Ферми, Фриша, Бора, Лоуренса и Фейнмана. Он пригласил и Мейтнер, но она отказалась по этическим причинам.

Теперь оставалось только доказать, что цепную реакцию можно поддерживать. Энрико Ферми удалось добиться этого на старой площадке для игры в сквош, находившейся в подвале стадиона Чикаго. Это был необыкновенный успех. Несмотря на то что США поздно присоединились к гонке за создание бомбы, они быстро получили все основные элементы для воплощения проекта в жизнь.

Мы знали, что мир уже не будет прежним.

Роберт Оппенгеймер после создания первой атомной бомбы

В 1942 году были построены несколько заводов для производства плутония-239. Нужно было совершить бесконечное количество подсчетов, например касавшихся распространения нейтронов, для реализации первого ядерного опыта. Хотя в экспериментах использовали плутоний, в конце концов было решено, что бомбой, которая должна будет разрушить Хиросиму, станет бомба с ураном-239. Для бомбы, сброшенной над Нагасаки, использовали плутоний-239.

«МАЛЫШ» И «ТОЛСТЯК»

Enola Gay, бомбардировщик В-29 североамериканской армии, стал самолетом, с которого 6 августа 1945 года впервые сбросили атомную бомбу. Целью был город Хиросима. Экипаж воздушного судна состоял из 12 человек, пилотом и командиром корабля был Пол Тиббетс. Самолет взлетел с базы на острове Тиниан в Тихом океане. Компоненты бомбы были отправлены на остров заранее, а затем прямо на месте были собраны и подготовлены для использования. Самолет вылетел с базы один, однако недалеко от острова Иводзима, недавно захваченного США, к нему присоединились два бомбардировщика, сопровождавшие его до Хиросимы. Внутри Enola Gay шла подготовка к запуску бомбы, затем летчик нажал на кнопку, открывавшую створки люка. Бомба «Малыш» (Little Boy), пролетев меньше минуты, взорвалась в 600 метрах над землей. Если бы она взорвалась раньше, ее энергия погасла бы в воздухе, если позже — много энергии было бы затрачено на образование огромного кратера. Именно на этой высоте бомба имела наибольшую разрушительную силу. В результате ее взрыва погибли 140 тысяч человек. Один из членов экипажа говорил:

«Несколько минут назад здесь стоял город, и вот он исчез».

Бомба «Малыш» на острове Тиниан, перед погрузкой в Enola Gay.

Через три дня, 9 августа, над Нагасаки был сброшен «Толстяк» (Fat Man) — бомба с плутонием-239. В этот раз бомбу и экипаж перевозил Bockscar, также бомбардировщик В-29. В результате атаки погибли 40 тысяч человек. Япония подписала акт о капитуляции, ознаменовавший окончание Второй мировой войны.

ПОБЕГ МЕЙТНЕР

В то время как мир, казалось, занимался саморазрушением, Мейтнер проходила через свой личный ад. Катастрофа началась с аншлюса Австрии 12 марта 1938 года. Исследовательница автоматически становилась гражданкой Германии, и немецкие законы, дискриминировавшие еврейское население, распространялись и на нее. Между тем в Вене гремели торжества по поводу аншлюса.

Бор начал активные и решительные действия, чтобы помочь Мейтнер найти работу в другой стране. Они рассматривали разные варианты, включая и возможность работы в Копенгагене в институте Бора, где Лиза могла бы находиться рядом со своим племянником Отто Робертом Фришем. Казалось, все было готово, но возникло еще одно препятствие: австрийский паспорт Мейтнер оказался недействительным, а немецкие власти не спешили выдавать ей новый.

Отто Ган и Лиза Мейтнер на церемонии открытия Института ядерных исследований Гана — Мейтнер в Берлине 14 марта 1959 года.

Члены британской делегации Манхэттенского проекта в 1940-е годы. Слева направо: Уильям Дж. Пенни, Отто Фриш, Рудольф Пайерлс и Джон Кокрофт.

В любом случае благодаря стараниям Бора существовали два запасных плана: Мейтнер могла поехать в Университет Гронингена (Голландия) или в Стокгольм, где физик Манне Сигбан, с которым она встречалась несколько десятилетий назад, как раз создавал институт физических исследований. Вполне вероятно, что в этом институте нашлось бы место и для нее. Университет Гронингена не имел финансирования и не мог платить Мейтнер, и Бор убедил физиков Дирка Костера и Адриана Фоккера организовать кампанию по сбору средств.

Ситуация в Институте кайзера Вильгельма становилась все напряженнее. На Гана давили, вынуждая его уволить Мейтнер, и она не могла больше там работать. Впоследствии Ган вспоминал:

«Ситуация становилась все более невыносимой [...]. Лиза сердилась на меня [...]. С другой стороны, мне постоянно говорили: ей уже давно нужно было оставить свое место, и она сама должна понять, что ставит под удар весь институт».

Друзья Мейтнер ходатайствовали за нее перед властями. Немецкий химик и инженер Карл Бош (1874-1940) просил министра образования, чтобы тот позволил «знаменитой исследовательнице Лизе Мейтнер уехать в нейтральную страну — Швецию, Данию или Швейцарию». От министра пришел решительный ответ, гласивший:

«...нежелательно, чтобы известные евреи оставляли Германию и ехали за границу, чтобы оттуда действовать вопреки немецким интересам».

Пока у Мейтнер была возможность работать, она решила оставить свою квартиру рядом с институтом и перебраться в отель. В июне 1938 года преследования евреев ужесточились, готовился закон о новых запретах, например на занятия торговлей. Друзья Мейтнер начали всерьез опасаться за нее. Жизнь исследовательницы была в опасности, ей необходимо было бежать из страны.

ТАИНСТВЕННЫЙ ПЛАН

Никто не знал о том, что разрабатывается целый план побега Мейтнер. Для обмена сообщениями с коллегами за рубежом использовались поездки научных сотрудников. На столе у Мейтнер лежали два предложения работы, и она решилась на шведский вариант, так как считала его более перспективным. Однако как перебраться через границу? Ган сообщил Мейтнер 12 июля, что она отправится в Голландию, а не в Швецию. Выезжать нужно было на следующее утро. Лиза не знала, что друзья уже полностью подготовили ее поездку в Гронинген.

Нужно было торопиться: становилось все яснее, что скоро на границах Германии будут введены более суровые меры, а в тот момент граница с Голландией считалась наиболее свободной. Ключевую роль сыграло вмешательство Дирка Костера. Именно он убедил солдат на границе пропустить Мейтнер, для чего ему пришлось показать официальное разрешение на въезд, выданное в Голландии. Также Костер просил их убедить немецких пограничников не препятствовать выезду Мейтнер. У нее по-прежнему не было визы, поэтому успех всего предприятия зависел от этих переговоров.

Затем Костер отправился в Берлин, чтобы забрать Мейтнер. Ее проинструктировали, чтобы она вела себя как обычно, не вызывая никаких подозрений. Закончив работу в восемь вечера, Лиза отправилась в отель и собрала два чемоданчика, будто отправляясь в короткую поездку. Она никому не сообщила о том, что уезжает навсегда. Через некоторое время Мейтнер встретилась с Костером.

Никто не догадывался об их планах, но сама Мейтнер совсем не радовалась побегу. Три десятилетия, прожитых в Берлине, растаяли, будто их никогда и не было. Ган, который всегда поддерживал Лизу, дал ей кольцо своей матери — на случай какой-нибудь чрезвычайной ситуации, например чтобы подкупить пограничников. В кошельке у нее было всего несколько немецких марок. Позже Ган вспоминал об этих напряженных днях:

«Дрожа от страха, мы спрашивали себя, удастся ей побег или нет? Мы помнили кодовое слово, которым она должна была известить нас об успехе или провале поездки. Лиза Мейтнер подвергалась особой опасности из-за постоянных проверок СС в поездах, идущих за границу. В каждых двух из трех арестовывали людей, едущих за границу на поезде, и отправляли обратно».

В то время один из ученых Института кайзера Вильгельма, симпатизировавший нацизму, узнал о готовящемся побеге Мейтнер. После того как доносу был дан ход, немецкие власти начали расследование. К счастью, к этому времени Мейтнер уже удалось выехать из страны.

Поездка до границы с Голландией тянулась семь бесконечных часов. Мейтнер осознавала, что все ее планы могут рухнуть в любой момент, как это часто и бывало. Однако на границе все прошло так, как устроил Костер, который в конце путешествия отправил Гану телеграмму о том, что «малыш» добрался целым и невредимым.

В ИНСТИТУТЕ МАННЕ СИГБАНА

Прошло несколько недель в тихом городке Гронингене, который так отличался от Берлина с его милитаристскими манифестациями, и Мейтнер решила отправиться в Стокгольм, чтобы реализовать свой первоначальный план. Как показало будущее, отъезд из Голландии был верным решением, так как 10 мая 1940 года Германия оккупировала Бельгию и Голландию, и если бы Лиза не уехала, ей вряд ли удалось бы бежать вновь.

Мейтнер воспользовалась отъездом и навестила Бора, а в августе 1938 года прибыла в Швецию. В первую очередь она встретилась со своей старой подругой Эвой фон Бар-Бергиус в Кунгэльве. Поняв, в какой тяжелой ситуации находится Лиза, включая и финансовую сторону, Эва рекомендовала ей официально уволиться из Института кайзера Вильгельма, а затем требовать выплаты причитавшейся ей пенсии.

В Швеции исследовательнице предстояло начать новую жизнь. К ее удивлению, Манне Сигбан не оказал ей достаточной помощи: он был занят созданием своего нового института и совсем не думал о том, чтобы предложить Мейтнер достойную работу, которая обеспечила бы ее средствами к существованию. Новая лаборатория практически не имела оборудования, у Мейтнер не было помощников, а зарплата соответствовала жалованью простого ассистента. За 30 лет работы в Германии ей не полагалось никакой пенсии. Ко всему этому добавился и языковой барьер, так что исследовательница чувствовала себя совершенно беззащитной.

Она писала Гану о своей драматической ситуации:

«Я ничего плохого не сделала. Почему вдруг со мной обращаются как с персоной нон грата или даже как с похороненной заживо? [...] Если ты задумаешься, тебе будет нетрудно понять, что такое лишиться научного оборудования. Для меня это самое плохое, что могло случиться. Но на самом деле у меня нет горечи, просто в данный момент я не вижу реальной цели в жизни и чувствую себя очень одинокой».

Пятого декабря 1938 года Мейтнер призналась Гану:

«Часто я чувствую себя как подвешенная марионетка, которая что-то делает, дружелюбно улыбается, но не живет по-настоящему».

Эти письма отражали страдания Мейтнер, ее тревогу. Пока продолжалась переписка, в ноябре 1938 года Мейтнер и Гану удалось увидеться в институте Бора в Копенгагене. В этой встрече участвовали Отто Роберт Фриш и сам Бор, а обсуждение касалось трансурановых элементов и экспериментов, которые шли в Институте кайзера Вильгельма. На встрече было принято решение осуществить ключевой эксперимент, который привел к пониманию расщепления ядра.

Мейтнер остро реагировала на новости из Германии. Дата 9 ноября 1938 года вошла в историю как Хрустальная ночь, во время которой прошли масштабные еврейские погромы. Их организатором был Йозеф Геббельс, который использовал силы С А (от нем. Sturmabteilung — «штурмовые отряды»), гитлеровскую молодежь и другие сочувствовавшие организации. В ходе погромов были сожжены синагоги, магазины, тысячи евреев были схвачены и отправлены в концлагеря. Был арестован и отец Отто Роберта Фриша, Юстиниан Фриш, которого отправили в Дахау.

Для Мейтнер не могло быть новости хуже. Приближалось Рождество, а это известие стало страшным ударом для человека, и без того страдавшего от одиночества. Лиза снова поехала к Эве фон Бар-Бергиус за поддержкой, и там к ним присоединился Отто Роберт Фриш. Вот в таких драматических обстоятельствах произошла знаменитая прогулка по свежевыпавшему снегу. Казалось, мир рушится, и посреди этой катастрофы к Мейтнер пришла идея о ядерном распаде. В начале года стало известно, что Юстиниана освободили, и он собирается переехать с семьей в Швецию.

В это время Ган постарался сделать так, чтобы Мейтнер получила свои вещи, которые все еще находились в Берлине. Он упаковал библиотеку, инструменты, одежду, но после проверки, которую нацистская полиция проводила, прежде чем одобрить отправку вещей, было предписано уничтожить абсолютно все, включая книги.

Ган за год до этого занял пост директора Института кайзера Вильгельма, но нацистское правительство сомневалось в его лояльности из-за связей с еврейскими учеными, в том числе с Мейтнер. В 1939 году был основан комитет по изучению возможностей расщепления ядра и создания атомной бомбы, и Ган участвовал в его работе. Чтобы выжить на родине, ему пришлось дистанцироваться от Мейтнер, и ученый зашел в этом так далеко, что убедил самого себя в том, что был единственным открывателем расщепления ядра.

Здесь в моей ситуации я не могу сделать ничего важного. Постарайтесь понять, как вы себя чувствовали бы, если бы [...] у вас был только кабинет в институте, который не является вашим, без какой-либо помощи, без прав...

Лиза Мейтнер

Для Мейтнер ситуация в Швеции оставалась невыносимой, и никаких изменений в ней не предвиделось. Поэтому в 1939 году она попробовала получить место в Кавендишской лаборатории. Мейтнер предложили договор с условием, что она переедет в следующем году. Она очень сожалела об этой задержке, поскольку начавшаяся война закрыла ей возможность переезда в Соединенное Королевство.

Мейтнер вернулась в свой пустой кабинет в Швеции.

В 1943 году ее пригласили участвовать в Манхэттенском проекте, но Лиза решительно отказалась: она не хотела заниматься исследованиями, которые шли в США, хотя для нее согласие означало бы значительное улучшение условий жизни и работы.

ПОЗДНЯЯ ПОПУЛЯРНОСТЬ

В 1945 году Германия капитулировала. Мейтнер утратила связь с большинством своих друзей и ничего не знала об их судьбе.

Постепенно до нее дошли неприятные новости о том, что союзники арестовали Гана и отправили его в Фарм-холл.

После ядерной бомбардировки Японии Мейтнер, как и многие физики, прямо или косвенно знавшие о возможностях ядерного расщепления, пережили шок. Еще больше она была поражена, когда местный репортер взял у нее интервью, пытаясь выяснить степень ее участия в разработке атомной бомбы. Мейтнер утверждала, что не участвовала в проекте, но через три дня Элеонора Рузвельт попросила ее выступить в американской радиопрограмме — для этого даже была обеспечена трансатлантическая связь. Мейтнер неожиданно стала знаменитостью, о ней говорили как о человеке, которому удалось сбежать из нацистской Германии, унеся с собой секрет расщепления. Хотя Мейтнер постоянно пыталась объяснить, что ее участие сводилось к открытию физического понятия ядерного расщепления, в представлении широкой публики она стала героиней.

Особенно широко слава Мейтнер распространилась в США. Скоро она получила приглашение прочитать лекции и принять участие в конференциях в этой стране. За право принимать Мейтнер соперничали Гарвард и Принстон. Исследовательница встретилась с президентом Гарри Трумэном, одна из феминистских организаций назвала ее женщиной года, а Голливуд предложил ей наблюдать за съемками фильма, основанного на ее биографии (это предложение Мейтнер сразу же отклонила). В течение полугода Лиза жила в Штатах, осыпаемая почестями и наградами. В Швеции ее положение тоже изменилось к лучшему: Королевская академия наук страны включила ее в список своих членов. Однако эти изменения были лишь внешними — после возвращения из Америки Мейтнер ждал все тот же необорудованный кабинет.

ПОЛЕМИКА ВОКРУГ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ

Момент, когда жюри Нобелевской премии в 1945 году собралось для утверждения кандидатур, отдавал сладкой горечью. В прошлом году премия была отменена, поэтому награду должны были вручать за достижения, сделанные в течение двух лет. Открытие процесса расщепления заслуживало премии, и во время обсуждения возникло предложение наградить как Гана, так и Мейтнер. После долгих споров кандидатура Мейтнер была отклонена. Исследовательница покинула институт за несколько месяцев до открытия расщепления, и этот факт заставил многих поверить, что ее вклад в открытие был незначительным. Во многом этому убеждению способствовал и сам Ган, давно дистанцировавшийся от Мейтнер. Конечно, это не соответствовало действительности: именно Мейтнер руководила исследованиями, именно она постоянно говорила о том, что наблюдаемые процессы не укладываются в теоретические рамки, именно она настояла на исследовании радия.

ДОКЛАД О ГАНЕ

Один из ответственных за записи в Фарм-холле составил несколько отчетов о находившихся там ученых — Максе фон Лауз, Вернере Гейзенберге, Карле Фридрихе фон Вайцзеккере. Оценивая Гана, один из высших чинов, проверявших записи, отметил:

«Это человек мира. Самый любезный из профессоров. Непопулярен среди молодых ученых группы, считающих его деспотом. Обладает острым чувством юмора и благоразумен. Демонстрирует уважительное отношение к Англии и США. Чувствовал себя ужасно после известия об использовании атомной бомбы, считает себя ответственным за жизни тех людей в силу сделанного им открытия. Очень хорошо отнесся к факту, что пресса сочла автором открытия профессора Мейтнер, хотя уточняет, что она была одной из его помощниц и к тому же уехала из Берлина до того, как было сделано открытие».

В этом отчете констатируется: Ган переосмыслил процесс открытия расщепления ядра до той степени, что начал считать, будто Мейтнер не играла в открытии никакой важной роли. Однако письма и документы той эпохи убеждают нас в том, что роль Мейтнер была такой же фундаментальной, как и роль Гана.

Ган решил, что радоваться его награждению Мейтнер мешает исключительно уязвленное самолюбие, но для самой исследовательницы эта ситуация стала очередной несправедливостью, связанной с ее национальностью и полом. Кроме того, она считала, что такие ученые, как Ган и Гейзенберг, гораздо ближе, чем заявляли впоследствии, сотрудничали с нацистским режимом. После этого дружба Мейтнер с Ганом прекратилась навсегда. Однако несмотря на всю горечь, которую она испытывала, исследовательница присутствовала на нобелевском приеме и выслушала речь Гана, который несколько раз упомянул ее работу и работу Фриша. В свою очередь, Ган в знак уважения к Мейтнер разделил с ней денежную часть премии — средства исследовательница передала в комитет атомной энергии в Принстоне, созданный для наблюдения за возможными способами использования этого вида энергии.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

После Второй мировой войны появилось много проектов, в которых предлагалось коммерческое использование военных технологий. Ядерная энергия рождала много надежд: считалось, что она поможет открыть новую эру. Первой атомной станцией, подключенной к единой энергетической сети, стала АЭС в Обнинске. Это был маленький экспериментальный реактор, запущенный в 1954 году. Через два года Елизавета II открыла в Соединенном Королевстве Колдер-холл, проработавший до 2003 года. Эта станция использовала необогащенный уран и, по сути, производила очень мало электричества, так как служила прикрытием для главной цели — производства плутония для военных проектов. Сегодняшние атомные станции, как правило, работают на обогащенном уране. Для создания поддерживаемой цепной реакции и производства энергии необходимо достичь пропорции обогащения в 3%. В качестве ядерного топлива можно использовать и плутоний, но подобный вариант представляется довольно спорным, так как этот элемент легко превращается в оружие. В настоящее время атомные станции работают в 29 странах мира, их общее количество не превышает полумиллиона, они производят около 20% всей электроэнергии. Энергия от цепной реакции используется для испарения воды и приведения в движение турбин, производящих электричество. Затем вода проходит через конденсатор, так что ее можно использовать в новом цикле. Обогащенный уран в виде плиток складывают внутрь труб или стержней четырехметровой длины. Плитки располагаются группами по 50 или 100 штук, в один реактор помещают примерно 200 групп. Ядерное топливо размещают в контейнере или на подносе из материалов, изолирующих радиоактивное излучение. Для контроля и регуляции цепной реакции используют стержни, которые могут поглощать нейтроны. Это позволяет избежать неконтролируемой реакции, которая приведет к взрыву.

В атомных станциях энергия от расщепления используется для получения водяного пара, который приводит в движение турбины. Так получается электричество.

Ядерная станция с герметичным водяным реактором: 1) блок реактора; 2) охлаждающая башня; 3) реактор; 4) контрольные стрежни; 5) измеритель давления; 6) генератор пара; 7) топливо; 8) турбина; 9) генератор; 10) трансформатор; 11) конденсатор; 12) частицы газа; 13) вода; 14) воздух; 15) воздух (влажный); 16) ток воды; 17) контур охлаждения; 18) первичный контур; 19) вторичный контур.

После войны Общество кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. Ган и Штрассман активно участвовали в восстановлении сети научных институтов. В 1947 году Штрассман и Ган связались с Мейтнер, чтобы сделать ей серьезное предложение — восстановить ее в прежней должности. Однако возврат к прошлому был невозможен. В ответном письме Штрассману исследовательница объясняла, что не может забыть ужасных событий, произошедших при нацистах. Она считала, что между ней и немецкими учеными — непримиримые разногласия. Ответила Мейтнер и Гану, объяснив ему, что моральные соображения не позволяют ей вернуться.

Несмотря на свое разочарование, она вернулась в Германию в 1949 году, чтобы получить медаль Макса Планка за работу по расщеплению ядра. Эту награду она разделила с Ганом и Штрассманом. В Германии медаль Планка была высшей наградой, которой мог удостоиться ученый. Также Мейтнер удалось изменить свое положение в Швеции: в 1947 году Королевский технологический институт Швеции заключил с исследовательницей договор и предоставил ей все необходимое оборудование, чтобы она наслаждалась работой в лаборатории с помощниками. Наконец, после многолетнего перерыва, Мейтнер могла продолжать научный труд. Несмотря на возраст, она активно участвовала в проекте создания первого ядерного реактора в Швеции. Наконец, в 1953 году Мейтнер ушла на пенсию в возрасте 75 лет.

Когда в конце 1950-х ее здоровье ухудшилось, она переехала жить в Кембридж, к Отто Роберту Фришу. Мейтнер не оставляла активную деятельность и читала лекции, особенно интересной была лекция в Вене, на которой она рассказала о всей своей жизни. В 1964 году Лиза даже отважилась на посещение Соединенных Штатов, чтобы в последний раз навестить некоторых своих родственников и друзей. Расщепление ядра принесло ей последнюю награду: в 1966 году она стала первой женщиной, получившей премию Энрико Ферми. Эту награду она вновь разделила с Ганом и Штрассманом. Ган и его жена умерли в 1968 году, через год ушла из жизни и Мейтнер. Похороны организовывал Фриш. Он беспокоился о том, чтобы его знаменитую тетку похоронили в Англии, и даже выбрал фразу для ее надгробного камня: «Физик Лиза Мейтнер, никогда не терявшая своей человечности».

Список рекомендуемой литературы

Aczel, A., Lasguerras del uranio, Barcelona, RBA, 2012.

Bodanis, D., E=mc^2, Barcelona, Planeta, 2002.

Frisch, O.R., De la fision del atomo a la bomba de hidrogeno - Recuerdos de un ftsico nuclear, Madrid, Alianza, 1982.

Gamow, G., Biografta de la ftsica, Madrid, Alianza, 2007.

Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Hooft, G., Particulas elementales, Barcelona, Drakontos, 2008.

Kragh, H.S., Generaciones cuanticas: una historia de la ftsica en el siglo xx, Madrid, Akal, 2007.

Rife, R, Lise Meitner and the dawn of the nuclear age, Boston, Brikhauser, 2007.

Sanchez Ron, J.M., Historia de la ftsica cuantica, Barcelona, Critica, 2001.

Sime, R.L., Lise Meitner. A life in physics, California, University of California Press, 1996.

Teresi D. y Lederman L, La particula divina, Barcelona, Drakontos, 2007.

Указатель

Enola Gay 11, 133

Nature 24, 25, 98, 102, 112, 115

Nuovo Cimento 98, 99, 102

Physikalische Zeitschrift 52, 68

Айгентлер фон, Генриетта 44

алюминий 33, 52, 70, 95-97, 106

Андерсон, Герберт 121

Андерсон, Карл Дейвид 70

антисемитизм 37, 85

Аррениус, Сванте 45

Бар-Бергиус, Эва фон 20, 69, 139, 140

барий 10, 17-21, 24, 33, 112, 115

Беккерель, Антуан Анри 30, 31, 35, 49, 50, 70

Бекманн, Эрнест 73

Берген-Бельзен 12

бериллий 95, 98, 106, 119

Больцман, Людвиг 11, 13, 38, 41-48, 55, 56, 59

Бор, Нильс 11, 13, 20, 21, 24, 25, 61, 75, 82-84, 99, 111, 112, 114, 120-123, 132, 134, 136, 139, 140

Бош, Карл 136

Брандт, Вилли 8

Вайцзеккер, Карл Фридрих фон 109, 130, 143

Веймарская Республика 85

Виллар, Поль 35

Вильсон, Чарльз 47, 53

Габер, Фриц 76, 78

газ отравляющий 13, 76, 77

газы благородные 63, 79

галлий 79

Гамов, Георгий 21, 103-105

Ган, Отто 8-10, 12, 13, 15, 17-21, 23, 24, 57, 60, 62-70, 72-78, 80, 81, 85-89, 91, 102, 103, 107-115, 128, 130, 132, 135-141, 143-146

Геббельс, Йозеф 140

Гейгер, Ханс 54, 98

Гейзенберг, Вернер 11, 12, 87, 110, 111, 126, 127, 129-132, 143, 144

Гейслер, Генрих 32

Гельмгольц, Герман 61

Гильберт, Уильям 52

Гиммлер, Генрих 126

Гитлер, Адольф 13, 18, 85, 87, 122, 146

Гроссе, Аристид фон 102, 103

Грувс, Лесли 132

Дебьерн, Андре-Луи 80

дейтерий 51, 129, 132

Дирак, Поль 70, 101

Жолио, Фредерик 10, 24, 70, 89, 91, 94-97, 102, 107, 111, 115, 122, 127

Зинн, Уолтер 121

изотоп 9, 19, 50, 51, 65, 66, 70, 96, 100, 103, 107, 111, 115, 128, 129, 132

Институт

Берлинский химический 61, 66, 67, 72, 78

кайзера Вильгельма 13, 20, 72, 73, 75, 76, 78, 81, 85, 88, 91, 127, 136, 138-140

теоретической физики 48, 112

капля воды, теория 21, 22, 24, 25, 110, 112

Кент, Мод Рей (Kent, Maud Ray) 122, 123

Кокрофт, Джон Дуглас 92, 122, 135

Копенгаген 13, 20, 24, 83, 122, 134, 140

криптон 10

Крукс, Уильям 32-34

Кунгэльв 20, 21, 139

Кюри

Ирен 10, 70, 78, 89, 91, 94-97, 102, 111, 115, 122

Мария 11, 31, 43, 48, 49, 63, 70, 74, 75, 78, 95

Пьер 31, 43, 63, 95

Лауэ, Макс фон 110, 130, 143

Ленард, Филипп 33

литий 92, 93

лучи

катодные 32-35

космические 70

рентгеновские 13, 30-33, 35, 40, 42, 78, 86, 87

Майер, Стефан 48, 50

Майорана, Этторе 98, 101

«Малыш» 133

Манхэттенский проект 11, 101, 122, 128, 131-135, 141

масса атомная 22, 51, 54, 94

Мах, Эрнст 45

медаль Макса Планка 8, 13, 146

мезоторий 64-66, 78

Мейтнер

Августа 39, 122

Филипп 13, 37

мейтнерий 8

меморандум Фриша — Пайерлса 122, 131

Менделеев, Дмитрий 79

мировая война

Вторая 12, 91, 133, 144

Первая 38, 76, 82

Муссолини, Бенито 101, 120

Нагасаки 130, 133, 134

нацизм 7, 8, 12, 17, 76, 84, 88, 91, 108, 109, 126, 131, 138

нейтрино 47, 71

нейтрон 9, 10, 17-22, 24, 51, 55, 71, 93-108, 115, 117, 119-121, 124, 127-129, 132, 134, 144

быстрый 108, 110, 129

медленный 100, 106, 110, 111, 129

термальный 106, 108, 111

нептуний 114

нептуний-293 107

Ноддак, Ида 103

Общество кайзера Вильгельма 73, 110, 145

Оже эффект 86, 87

электрон 87

окно Ленарда 33

Оствальд, Вильгельм 46

парафин 95, 106

Паули, Вольфганг 70, 71, 101

Планк, Макс 8, 11, 13, 47, 55-56, 59-61, 69, 72, 73, 75, 85, 88, 109, 110, 145, 146

плутоний 107, 132-134, 144

плутоний-239 107, 128, 132-134

подвал 7, 67, 68, 72, 132

позитрон 70, 71, 96, 97

полоний 31, 48, 80, 92

премия

Игнаций Либер 85

Энрико Ферми 8, 13, 146

протактиний 9, 13, 57, 80, 81, 102, 103

протон 9, 18, 19, 21, 22, 25, 51, 55, 71, 92-95, 97-101, 104, 107, 112, 120, 122, 129

пурин 66

радий 19, 31, 50, 63-66, 70, 74, 80, 96, 98, 106, 111, 112, 123, 125, 142, 143

радиоактивная отдача 13, 24, 69

радиоактивность 13, 18, 27-55, 60, 63, 65, 66, 68-70, 73, 74, 76, 94-98, 104, 115, 144

искусственная 70, 94-97, 101

радиоактиний 64, 66

радиоторий 63-66

радиофизика 86

радиохимия 67, 74, 86, 102

Рамзай, Уильям 63, 65, 66, 79

распад 9, 10, 24, 51, 64, 65, 74, 80, 92, 93, 96-98, 104, 107, 108, 110, 111, 114

альфа 9, 55, 64, 65, 103-105

бета 9, 17, 64, 65, 70, 71, 97, 99, 100, 101, 107, 108, 111, 114, 128

гамма 64, 65

рассеяние альфа-лучей 27, 50-55

расщепление 8-11, 13, 15, 22-26, 29, 39, 87-89, 91-95, 104, 105, 107, 110, 111, 113-115, 119-124, 127, 129, 132, 140-143, 145, 146

реактор ядерный 127, 129, 144-146

реакция

поддерживаемая 121, 129, 131

цепная 11, 101, 117-146

редкоземельные элементы 65, 106

Резерфорд, Эрнест 10, 34, 35, 50, 53-55, 63-66, 68-70, 74, 75, 84, 89, 91-95, 99

Рентген, Вильгельм 33, 42

Рубенс, Генрих 60, 69

Рузвельт

Франклин Делано 124, 125

Элеонора 142

Рэлей, лорд 45, 46, 79

ряды радиоактивные 64

Савич, Павел 111

Сарваши, Артур 40

Сегре, Эмилио 98, 101

Сипбан, Манне 17, 84, 136, 139

Силард, Лео 10, 119, 121, 122, 124

Содди, Фредерик 34, 51, 55, 64, 65, 74, 81

Сольвеевские конгрессы 12, 75

Старк, Йоханнес 126

Стокгольм 13, 17, 24, 68, 136, 139

Тиббетс, Поль 133

«Толстяк» 133

Томсон, Джозеф Джон 34, 35, 54

торий 31, 51, 55, 63-65, 80, 110, 111

трансмутация химическая 55, 63, 64, 71, 99, 107, 108, 127

трансурановые элементы 9, 13, 99-102, 104, 106, 108, 110, 114, 132, 140

трубка Крукса 32-34

туннельный эффект 103-105

тяжелая вода 129, 131

Уолтон, Эрнест 92

уран 9, 10, 17-22, 24, 25, 29-31, 42, 48, 51, 55, 63, 64, 80, 88, 89, 94, 96, 99, 100, 102-109, 111, 112, 114-115, 119-129, 131, 132, 134, 144

уран-235 9, 121, 127, 128, 131, 134

уран-238 9, 107, 128

урановая смолка 31, 80

ускоритель частиц 92, 123

Фарм-холл 130, 141, 143

Ферми, Энрико 8-10, 13, 17, 20, 71, 89, 91, 96-108, 115, 120, 121, 123, 129, 132, 146

Фишер, Эмиль 66, 67, 89

флуоресценция 30-33, 55

фосфор 33, 70, 96, 97

Фриш, Отто Роберт 13, 17, 20-22, 24-25, 39, 43, 87, 91, 99, 112, 115, 120, 122, 123, 131, 132, 134, 135, 140, 144, 146

Хайгерлох 127

Хиросима 11, 130, 133, 134

Холтон, Джеральд 47

Цвейг, Стефан 40

Чедвик, Джеймс 8, 51, 93, 95

Штрассман, Фриц 13, 15, 17-19, 24, 89, 91, 106, 107, 111-115, 145, 146

Эйнштейн, Альберт 10, 11, 22, 29, 31, 61, 69, 72, 75, 85, 87, 121, 124-126

экранирование 94, 98

Экснер, Франц 42, 45

электрон 9, 32, 34, 35, 50, 54, 70, 71, 82-87, 94, 96, 99-101, 107, 109

электроскоп 48, 52, 53, 68

элемент химический 78, 99, 100, 107, 108

Эренфест, Поль 45-47, 48

ядро 9, 10, 13, 17-19, 21, 22, 24, 25, 51, 53-55, 69, 70, 83, 84, 86, 87, 89, 91, 92-95, 97, 98, 100, 103-107, 110-112, 115, 119-121, 129

Женщина, еврейка и ученый - непростая комбинация для бурного XX века. Австрийка по происхождению, Лиза Мейтнер всю жизнь встречала снисходительность и даже презрение со стороны коллег-мужчин и страдала от преследований нацистов. Ее сотрудничество с немецким химиком Отто Ганом продолжалось более трех десятилетий и увенчалось открытием нового элемента - протактиния - и доказательством возможности расщепления ядра. Однако, несмотря на этот вклад, Мейтнер было отказано в Нобелевской премии. Она всегда отстаивала необходимость мирного использования ядерной энергии, в изучении которой сыграла столь заметную роль. Сегодня исследовательница стала воплощением научного гения и символом борьбы с нетерпимостью и предрассудками.

Content

Orrit Roger Corcho Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Roger Corcho Orrit Наука. Величайшие теории Выпуск 33, Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Введение

ГЛАВА 1 Одна зимняя прогулка

ГЛАВА 2 Радиоактивность

ГЛАВА 3 Открытие радиоактивных элементов

ГЛАВА 4 Расщепление ядра

ГЛАВА 5 Цепная реакция

Список рекомендуемой литературы

Указатель