Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.