Roger Orrit - Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

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.

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.

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.

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.