Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра
Шрифт:
«Не вижу причин, препятствующих тому, чтобы сама энергия была разделена на атомы».
В этот момент рядом оказался Макс Планк, и, возможно, это повлияло на его концепцию квантов энергии, которую он разработал несколько лет спустя. В споре об атомах одним из аргументов, которым позитивисты пользовались с большой ловкостью и долей сарказма, было следующее: никто не может увидеть атомы. Как объясняет историк Джеральд Холтон, этот аргумент был окончательно отвергнут, когда Чарльз Вильсон придумал свою туманную камеру — сосуд со стеклянной крышкой, заполненный воздухом, насыщенным парами воды при низкой температуре. Когда ионизирующая частица, например альфа-частица, проникает в камеру, водяной пар конденсируется по пути ее следования так, что после частицы
В туманной камере частицы оставляют след, а их траектория определяется взаимодействием частиц с электромагнитными полями.
НАЧАЛО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Как правило, тех, кто защитил диссертацию и хотел продолжать заниматься наукой, ждала работа в университете в качестве ассистента какого-нибудь профессора. Эта должность была одной из низших в иерархии, поэтому считалась сравнительно доступной, но никогда прежде ее не занимала женщина. Мейтнер была второй женщиной, получившей докторскую степень в университете, но стать ассистентом ей не удалось, хотя она и мечтала о будущем исследователя. Лиза решила просить о поддержке Марию Кюри, однако и в ее лаборатории не было свободных мест.
По совету родителей, которые хотели, чтобы их дочь наконец нашла работу и могла содержать себя, Мейтнер стала преподавателем в женской школе. Для нее это было временным решением, так как исследования вызывали гораздо больший ее интерес. Лиза решила, что вечерами будет продолжать исследовательскую работу в Институте теоретической физики — в лаборатории, которую возглавлял Больцман вплоть до своей смерти. Мейтнер писала, что эта лаборатория была больше похожа не на научное учреждение, а на какой-то курятник.
Директором института стал Стефан Майер, бывший ассистент Больцмана. Его основные интересы лежали в области изучения радиоактивности, поэтому одним из первых экспериментов, которые были доверены Мейтнер, было наблюдение за тем, как разные металлы поглощают альфа-и бета-лучи. Мейтнер при этом не получила никаких новейших результатов, но такая работа помогла ей освоить некоторые приборы, такие как электроскоп, владение которыми было необходимо любому исследователю.
Радиоактивность привлекала всех молодых ученых, которые стремились совершить в этой области решающие открытия. Исследователи обнаруживали все новые и новые радиоактивные элементы. Первым был найден уран в 1896 году, всего четыре года спустя были открыты полоний, радий, торий, актиний. Количество новых элементов неумолимо росло, в том числе и потому, что еще не существовало понятия изотопа.
Антуан Анри Беккерель в своей лаборатории, где он занимался магнитными полями.
Лиза Мейтнер в 1906 году.
Пьер и Мария Кюри в парижской лаборатории в 1906 году. Знаменитая супружеская пара прославилась благодаря изучению радиоактивности.
Исследователи считали различные свойства веществ следствием того, что они являются разными элементами.
Майер сделал важное открытие, доказав, что бета-излучение состоит из потока электронов. К такому же выводу одновременно пришли Беккерель и Фридрих Гизель. Ученые также стремились определить электрический заряд альфа-частиц, но это удалось сделать лишь Резерфорду в 1906 году, использовав мощные магнитные поля.
РАССЕЯНИЕ
В конце 1906 года Мейтнер начала новые исследования, связанные с радиоактивностью. Было известно, что альфа-частицы обладают слабой проникающей способностью, однако требовалось выяснить, рассеиваются они, как утверждал Резерфорд, или поглощаются материей. Если происходит рассеяние, то это означало, по словам Резерфорда, что «атомы материи находятся в поле действия интенсивных электрических сил». Мейтнер в конце жизни вспоминала о том, как начала заниматься этой темой:
«Помню, как я занималась радиоактивностью в Вене, работая над вопросом рассеяния альфа-лучей на малые углы. Мое исследование началось в результате дискуссии одного физика из Праги и другого из Берлина. [...] Один из них говорил, что рассеяния на малых углах не существует, а второй настаивал на обратном. Тогда я подумала, что это можно было бы доказать экспериментально, и занялась данной темой в институте Стефана Майера. Венцы очень заинтересовались этим проектом. Майер и Швайдлер осуществили большую работу по радиоактивности».
Ее экспериментальная система для доказательства рассеяния лучей должна была направлять пучок альфа-частиц так, чтобы лучи проходили через матрицу из мелких параллельных металлических трубочек. Цель Мейтнер состояла в том, чтобы коллимировать лучи, то есть направить их вдоль металлических трубочек. Затем альфа-пучок должен был пройти через металлическую пластинку, после чего его вновь коллимировали при прохождении через еще одну систему трубочек. При изменении расстояния между коллиматорами ослабление было разным, и это доказывало, что альфа-лучи на самом деле при прохождении через пластинку рассеиваются. Этот эксперимент имел еще одно следствие: стало очевидным, что в зависимости от атомной массы металлической пластинки меняется показатель рассеяния, — чем больше была атомная масса атомов металла, тем больше рассеяние.
Мейтнер опубликовала результат эксперимента в 1907 году в немецком журнале Physikalische Zeitschrift («Физический жур-нал»} — одном из самых престижных научных изданий того времени. Так был дан старт ее научной карьере.
ИЗОТОПЫ
Изотопы — разновидности одного элемента, однако ядро их атома содержит разное количество нейтронов. Физики, приступившие к изучению радиоактивности в тот период, когда отсутствовало полное понимание внутренней структуры атома, думали, что существует гораздо больше элементов, чем это есть на самом деле. Для них все вещества с разной атомной массой были разными элементами. В1910 году Фредерик Содди заметил, что «элементы с разным атомным весом [сейчас мы называем его атомной массой] могут иметь одинаковые свойства», то есть соответствовать одной позиции в периодической системе. Он смог доказать это, сравнив атомные массы свинца, полученного в ходе серии ядерных распадов из урана, и свинца, полученного в результате превращений тория. Их массы отличались, и это подтверждало догадку Содди. Появление новых инструментов, таких как масс-спектрометр, позволило анализировать атомные ядра в зависимости от их соотношения масса — заряд. Это помогло установить, что казавшиеся новыми вещества были изотопами одного элемента.
Ядро протия состоит только из одного протона. В дейтерии, кроме протона, есть еще один нейтрон. В тритии ядро состоит из трех частиц — протона и двух нейтронов.
Вклад Чедвика
Благодаря открытию нейтрона, сделанному в 1932 году Джеймсом Чедвиком, стало возможным обосновать существование изотопов в соответствии с их ядерной структурой. Изменяющееся число нейтронов в атомном ядре объясняло изменение массы одного и того же элемента. Самый простой пример изотопов в природе мы можем привести, вспомнив о водороде. У этого элемента один протон в ядре. Если у него нет нейтронов, он образует изотоп протий; когда добавляется один нейтрон, получается дейтерий; изотоп с двумя нейтронами называется тритий (см. рисунок).