Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра
Шрифт:
Ферми и его замечательная команда исследователей, в которой работали Этторе Майорана и Эмилио Сегре, начали с поиска источника нейтронов для опыта. Они использовали благородный газ радон, продукт распада радия, в смеси с порошком бериллия, так как этот элемент при реакции испускал нейтроны. Также исследователи сконструировали устройство для обнаружения продуктов распада (подобный прибор мы называем счетчиком Гейгера), чтобы точно устанавливать радиоактивность, генерируемую в элементах.
Ферми начал изучать результаты бомбардировки всех элементов периодической таблицы. Результаты его исследований были систематизированы в трех статьях, напечатанных в итальянской газете Nuovo Cimento, которую он выбрал из-за возможности быстрой публикации, а также в престижном британском
Поздравляю тебя с тем, что ты смог сбежать из области теоретической физики.
Эрнест Резерфорд — Энрико Ферми
ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАХ С НЕЙТРОНАМИ
Племянник Мейтнер Отто Роберт Фриш, уже работавший в Стокгольме с Бором, тоже был подписан на Nuovo Cimento и ожидал газеты с большим нетерпением. Так как он единственный понимал итальянский язык, с поступлением нового номера вокруг Фриша собирались толпы желающих узнать научные новости. Это были годы восторженного ожидания и удивительных открытий.
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
После экспериментальной бомбардировки нейтронами всех известных элементов периодической таблицы Ферми получил три разных типа реакции. У легких элементов после воздействия были возможны два варианта: элемент испускал один протон или альфа-частицу. У тяжелых элементов, как правило, происходил бета-распад с испусканием электронов. При любом виде наблюдаемой реакции воздействие нейтрона вызывало трансмутацию — появление элемента с атомным числом, слегка отличавшимся от первоначального. Максимально элемент мог отличаться на две позиции по периодической таблице.
Команда Ферми убедилась, что все искусственно полученные под действием нейтронов элементы радиоактивные и испускают бета-излучение, при этом химический элемент подвергается трансмутации. Самым тяжелым элементом, изученным Ферми, был уран. В его ядре содержится 92 протона, и это было самое большое известное в ту эпоху атомное число.
Ферми был по-прежнему уверен, что нейтрон будет поглощен ядром и начнется бета-распад, при котором из ядра будет испущен электрон — бета-излучение. Изменение количества протонов предполагало трансформацию химического элемента. У урана было 92 протона, после бета-распада у него становилось 93 протона, таким образом, образовывался новый элемент. Эксперимент имел своей целью доказать существование трансурановых элементов. Впервые в истории у человечества появилась возможность синтеза новых элементов, более тяжелых, и эта новость была воспринята научным сообществом с энтузиазмом.
Что бы ни готовила природа человечеству, каким бы неприятным это ни было, люди должны понять, что невежество хуже знания.
Энрико Ферми
Мейтнер так писала об экспериментах Энрико Ферми:
«Вместе с группой молодых исследователей, часть которых были его учениками, Ферми облучил все возможные элементы нейтронами и получил из тяжелых элементов ряд новых радиоактивных изотопов. Наиболее интересные результаты дал эксперимент с ураном, самым тяжелым элементом. Ферми полагал, что это должно привести с получению элементов с более высокими атомными числами, чем 93 и 94, то есть транс (сверх) урановых».
В конце концов Ферми перестал заниматься изучением трансурановых элементов и обратил свое внимание на другие объекты. По итогам своей работы он получил Нобелевскую премию 1938 года за «доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».
ЭНРИКО ФЕРМИ
Вклад Энрико Ферми в развитие ядерной эры трудно переоценить. Он провел опыты, используя нейтроны в качестве технического средства для изучения искусственной радиации, он смог запустить цепную реакцию — фундаментальный механизм для высвобождения большого количества энергии, содержащегося в атомах. Ферми родился в Риме в 1901 году, прекрасно учился и благодаря стипендии Рокфеллера смог отправиться на учебу в Германию и Норвегию, где познакомился с самыми знаменитыми физиками того времени, среди которых был и немецкий ученый Макс Борн (1882-1970). В 1924 году Ферми отправился работать в Университет Флоренции, где провел свое первое важное исследование в области физики — статистическое изучение поведения одного из видов субатомных частиц, которые сегодня получили в его честь общее название фермионы — это все частицы, подчиняющиеся принципу исключения Паули, по которому, например, два электрона, принадлежащих одному атому, не могут находиться в одном квантовом состоянии. Частицы, не подчиняющиеся этому принципу, называются бозонами. К фермионам мы можем отнести электроны и мюоны, а также протоны, нейтроны и лямбда-частицы. Вероятностная формулировка, позволяющая выразить математически состояния и взаимодействия субатомных частиц, стала называться статистикой Ферми — Дирака. Такое название было дано в честь двух ученых, которые пришли к ней независимо. Благодаря этому исследованию Ферми было предоставлено место в Римском университете.
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.