Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра
Шрифт:
Если отталкиваться от такой модели ядра, разделение урана уже не казалось невозможным. Представим ядро как каплю воды. После воздействия одной частицы капля деформируется, образуется продолговатая фигура, которая в конце концов разделяется на две части.
Уран с его массивным атомом в каком-то смысле имел все основания для такого разделения. Фриш писал:
«Ядро урана было похоже на каплю, находящуюся в движении, нестабильную, готовую разделиться, как только появится необходимый возбуждающий стимул».
Модель
Тетка и племянник долго шли по горной дороге между деревьев, а потом решили присесть на упавший ствол — отдохнуть, а заодно рассчитать, какой энергетический обмен должен происходить при реакции, и таким образом проверить возможность разделения ядра. Мейтнер достала из кармана клочок бумаги, они схематически изобразили процессы, которые могли происходить в ядре, и принялись за расчеты.
С одной стороны, нужно было учитывать поверхностное натяжение ядра, то есть его устойчивость к деформации. При разделении ядра урана должны были образовываться два ядра, оба с положительным зарядом, что вызвало бы сильное взаимное отталкивание. По расчетам Мейтнер сила отталкивания должна была быть порядка 220 МэВ.
И вся эта энергия содержалась в ядре урана — не так уж мало для одного атома. Мейтнер снова посмотрела на атомную массу урана и сумму атомных масс двух получившихся фрагментов. Они отличались на величину, эквивалентную 1/5 массы протона. Применив формулу Эйнштейна Е = тс2, Мейтнер рассчитала, что пятая часть массы протона равна энергии порядка 200 МэВ. Этот результат соответствовал предположениям, и ее догадка неожиданно получила подкрепление. Мейтнер и Фриш вернулись с прогулки, убежденные в том, что атомное ядро не обладает плотной жесткой структурой: напротив, оно может принимать разные формы, словно капля воды.
Отто Ган с Лизой Мейтнер в лаборатории в Берлине, 1913 год.
Мейтнер в 1946 году.
Отто Ган в 1944 году на вручении Нобелевской премии по химии за открытие расщепления тяжелых ядер. Премия была вручена ему в 1945 году.
На основании этого они разработали модель, которая описывала бы результаты расщепления ядра, и эта модель находит подтверждение в современной нам физике.
Фриш вернулся в Копенгаген, а Мейтнер — в Стокгольм. Им оставалось совсем немного доработать свою теорию, но это можно было сделать и по телефону. Если быть более точными, ученых волновало, как определить, по словам Мейтнер, «огромное количество энергии, высвобождаемой в процессе расщепления». Они придумали способ характеристики продуктов ядерной реакции: «или измерить ионизацию фрагментов, выталкиваемых большим количеством энергии, — этот метод предложил и реализовал Фриш, или собрать продукты расщепления в зависимости от их радиоактивной отдачи — это предложила я, а Жолио впоследствии реализовал на практике».
Фриш был очень взволнован открытием и поспешил поделиться им с Бором, однако тот как раз отплывал в США, так что смог уделить молодому ученому всего несколько минут. Бор, услышав о ходе рассуждений Мейтнер и Фриша, сразу понял, что в руках ученых все это время были все детали головоломки, но сложить их в целую картину помогло только озарение Мейтнер. Бор воскликнул: «Какими же мы были идиотами! Это прекрасно! Это так, как и должно быть. Вы с Лизой Мейтнер уже написали статью об этом?» Фриш ответил: «Пока нет, но мы скоро ее напишем». Позже один биолог объяснил Фришу, что процесс деления клеток называют расщеплением, — так же Фриш решил назвать и ядерный процесс, который они с теткой смогли объяснить.
Статья появилась в журнале Nature в начале 1939 года под заголовком «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции». Авторы — Лиза Мейтнер и Отто Фриш. Незадолго до этого вышла статья Отто Гана и Фрица Штрассмана, в которой они рассказывали о том, что после бомбардировки урана нейтронами обнаружили присутствие бария.
ЗИМНЕЕ ОТКРЫТИЕ
В биографическом тексте «Разгадки и промахи ядерной энергии» Мейтнер описывает свою прогулку с племянником по свежевыпавшему снегу и момент, когда они смогли представить себе ядро в виде капли воды. Мейтнер пишет об этом так:
«В ходе нашей дискуссии мы пришли к следующему: если ядро урана, обладающее высоким зарядом, поверхностное натяжение которого ослаблено из-за взаимного отталкивания протонов, достигает благодаря поглощаемому нейтрону коллективного движения соответствующей интенсивности, то оно может растягиваться; все большее растягивание приводит к делению на два более легких ядра, примерно равных между собой, которые стремятся разделиться еще больше из-за взаимного отталкивания. Согласно нашим расчетам, энергия, высвобождаемая в ходе процесса, равна 200 МэВ. Так как процесс напоминал деление клеток, мы по предложению Фриша назвали его расщеплением. Мы подчеркиваем, что данное исследование не публиковалось ранее, и заметку о нем называем A New Type of Nuclear Reaction [«Новый вид ядерной реакции»]».
Мейтнер говорила, что они с племянником направили статью в Nature 16 января 1939 года. До того как номер вышел из печати, Бор прибыл в США. В пути его сопровождал бельгийский физик Леон Розенфельд (1904-1974), с которым Бор в деталях обсудил процесс расщепления. Бор обещал не разглашать полученные от Фриша сведения до публикации их с Мейтнер статьи, но Розенфельд или не знал об этой договоренности, или сделал вид, что не знал, и на своих первых лекциях в Штатах сообщил аудитории об открытии. Это стало сенсацией, многие из слушателей, среди которых были физики Калифорнийского университета, решили повторить опыт, доказывающий возможность расщепления. Скоро новость облетела все научное сообщество.
Открытие расщепления ядра не было случайным. Вдохновение, посетившее Мейтнер в то снежное утро, стало заслуженным вознаграждением за долгие годы кропотливой работы, во время которых исследовательнице пришлось столкнуться с множеством неизвестных — как в научной деятельности, так и в трудовых и личных отношениях. Жизнь Мейтнер является примером противоречий и несправедливостей, характерных для той эпохи, но она также пример преодоления всех превратностей судьбы — преодоления, совершенного любознательным ученым, больше всего на свете стремящимся разгадать тайны окружающего мира.