Roger Orrit - Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.

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.