Roger Orrit - Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.

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.

«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.