Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.