Открытие распада урана: Майтнер и Фриш объяснили эксперименты Гана

Источник: Боданис Дэвид, 2009

Попытаться объяснить странные результаты Гана - должна была Майтнер . Время шло к Рождеству, и одна супружеская чета, знавшая, как одинока Майтнер в Стокгольме, пригласила ее составить им компанию - провести рождественские каникулы на западном побережье Швеции, в гостинице находившейся под Кунгзльвом деревни. А в Копенгагене жил в это время племянник Майтнер, Роберт Фриш , (работавший в институте Нильса Бора), которого она всегда любила, - по предложению Майтнер супруги пригласили и его.

В первый день он, приехавший очень поздно, обсуждать научные темы был не в состоянии. А наутро, спустившись на первый этаж, в ресторан гостиницы, он обнаружил там свою тетушку, размышлявшую над письмом Гана. Барий, который использовался в Берлине, демонстрировал столь устойчивые радиоактивные свойства, излучал такую энергию, что и она, и берлинские исследователи поневоле задумались, почему это происходит. Может быть, радиоактивные свойства каким-то образом возникали именно в ходе экспериментов? Фриш высказал предположение, что дело всего лишь в ошибке, которая вкралась в эксперимент Гана, однако тетушка просто отмахнулась от него. Гениальностью Ган, конечно, не отличался, однако химиком был хорошим. Ошибки совершаются в других лабораториях. Но не в ее. Фриш не стал настаивать на своем. Он понимал, что тетушка права.

Пока Фриш завтракал, они сидели за столиком ресторана, разговаривая. Объяснить результаты эксперимента, который Майтнер предложила поставить берлинской группе, можно было тем, что атом урана каким-то образом разваливался на две половины. Размер ядра бария составляет примерно половину размера ядра урана. Что, если радиоактивный барий, который был обнаружен в берлинских экспериментах, - просто половинки атомов урана, возникшие при таком распаде? Однако из всех результатов, полученных ядерной физикой - из работ Резерфорда и других, - следовало, что это невозможно. Ядро урана состоит примерно из двухсот частиц, протонов и нейтронов. Всех их удерживает друг рядом с другом то, что физики называют сильным ядерным взаимодействием - своего рода исключительно мощным ядерным клеем. Как же может один-единственный проникающий в ядро нейтрон разрушить такие связи и оторвать от ядра здоровенный кусок? Нельзя же, запустив камушком в огромный валун, ожидать, что валун расколется надвое! Покончив с завтраком, они отправились на прогулку по снегу. Их отель стоял невдалеке от леса. Фриш надел лыжи, предложил тетушке другие, однако она это предложение отклонила ("Лизе Майтнер заявила, - писал впоследствии Фриш, - что она и без лыж сможет передвигаться с не меньшей скоростью".)

До сих пор никому не удавалось отколоть от ядра нечто большее, чем мелкий его фрагмент. И Фриш, и Майтнер пребывали в недоумении. Даже если влетавший в ядро нейтрон находил в нем некое слабое место, как удавалось ему одним ударом отрывать от ядра десятки протонов? Ядро отнюдь не похоже на скалу, способную развалиться на две половины. Оно, как предполагалось, должно было сохраняться в целости миллиарды лет. Но тогда откуда же может исходить энергия, которая вдруг разрывает его надвое? С Эйнштейном Майтнер познакомилась в 1909 году на проходившей в Зальцбурге конференции. Они были людьми почти одного возраста, однако Эйнштейн уже обладал славой. На той конференции он резюмировал открытия, сделанные им в 1905 году. Мысль о том, что энергия может появляться из исчезающей массы, была "настолько ошеломляюще новой и удивительной, - десятилетия спустя вспоминала Майтнер, - что я и по сей день очень хорошо помню его доклад". И теперь, гуляя с племянником по снегу, она остановилась у дерева, и они начали на пару осмысливать ситуацию. Самая последняя из моделей ядра принадлежала Нильсу Бору , добродушному, спокойному датчанину, у которого работал племянник Майтнер. Бор рассматривал ядро не как твердый металл, набор каким-то образом приваренных один к другому металлических шариков, но, скорее, как каплю жидкости. Капля воды всегда пребывает на грани распада из-за существующего внутри нее давления. И это давление схоже с электрическим взаимодействием протонов, входящих в состав ядра. Протоны отталкиваются друг от друга (как любые два носителя положительного заряда). Однако капли воды сохраняют по большей части целостность благодаря силам поверхностного натяжения, действующим в их тонкой оболочке. Эти силы являются аналогом сильного взаимодействия, которое обеспечивает целостность скопления протонов, несмотря на пытающиеся разорвать его электрические силы. В ядрах малого размера, каковы ядра углерода или свинца, сильное взаимодействие обладает такой мощью, что содержащееся в них количество электричества, норовящее оттолкнуть протоны друг от друга, оказывается несущественным. В них сильное взаимодействие остается непобедимым. Но не может ли появление дополнительных нейтронов в ядрах больших, и даже огромных, как у урана, привести к нарушению равновесия?

Майтнер и ее племянник не зря были физиками. У них имелись с собой и бумага, и карандаши, и вот в холодном шведском лесу, в самый канун Рождества, они вытащили из карманов и то и другое и приступили к расчетам. А если ядро урана велико настолько и настолько набито нейтронами, отделяющими протоны один от другого, что даже до того, как в него начинают проталкиваться новые нейтроны, ядро это уже пребывает в состоянии не весьма надежном? А если ядро урана походит на каплю воды, растянутую так сильно, что она того и гляди разорвется? И вот в такое слишком туго набитое ядро проникает еще один полновесный нейтрон.

Майтнер начала рисовать какие-то каракули. Рисовала она примерно так же хорошо, как играла на фортепьяно. Фриш со всевозможной почтительностью отобрал у нее карандаш и принялся сооружать рисунки более опрятные. Один-единственный нейтрон, проникая в ядро, приводит к тому, что оно растягивается посередине. Происходит примерно то же, что с наполненной водой оболочкой воздушного шарика, которую перекручивают посередке. Два конца шарика вспучиваются. Если вам повезет, оболочка шарика не лопнет и вода не вырвется наружу. Но не останавливайтесь. Перекрутите шарик посильнее, а после, когда он совсем растянется, отпустите, чтобы вода рывком вернулась к центру, - и тут же перекрутите в противоположном направлении. Кончится это тем, что шарик все-таки лопнет, и, если вы правильно рассчитаете время, вам не придется даже прикладывать больших усилий. Всякий раз, как вода будет возвращаться к центру, старайтесь улучить миг, в который две волны ударятся одна о другую и отразятся, и как раз когда они будут разлетаться с максимальной силой - это примерно то же, что раскачивать качели, - скручивайте шарик, чтобы ускорить новое его растяжение. Именно это и делают нейтроны, попадая в ядро урана. Причина, по которой Ган никак не мог понять наблюдаемое им явление, состояла в том, что он считал, будто добавление нейтронов лишь делает вещество более тяжелым. На деле же нейтрон разбивал ядро урана на две половинки. Это было важнейшее открытие, однако его еще следовало проверить. Начать с того, что Майтнер и ее племянник понимали: теперь электрические заряды протонов получали возможность заставить частицы ядра разлетаться в стороны. В используемых физиками единицах соответствующая энергия составляет примерно 200 МэВ - 200 миллионов электрон-вольт. Фриш и Майтнер подсчитали это значение в уме. Однако следует ли из уравнения, полученного Эйнштейном в 1905 году, что в ядре действительно присутствует количество энергии, способное заставить разлетаться его половинки? О дальнейшем Фриш рассказывает так:

По счастью, [моя тетушка] помнила, как вычисляется масса ядра... и смогла подсчитать, что два ядра, получающиеся в результате деления урана, должны быть легче него примерно на одну пятую массы протона. Но ведь когда исчезает масса, создается, согласно эйнштейновской формуле Е=mc2, энергия. Хорошо, но какова же величина этой энергии? Одна пятая протона есть частица вещества до нелепого малая. В точке, стоящей над буквой i, протонов содержится больше, чем звезд в нашей галактике. И тем не менее "исчезновения" одно пятой протона - частицы, которую и увидеть-то никто не способен, - должно хватать на создание 200 МэВ энергии. В Беркли , штат Калифорния, как раз планировали построить электромагнит величиною с дом, способный, когда его зарядят количеством электричества, большим того, что потребляет обычно весь город Беркли, сообщать частице энергию до 100 МэВ. А тут какая-то кроха должна была создать энергию вдвое большую!

Тетя с племянником по пути из Кунгэльва перешли замерзшую реку. Деревня осталась далеко, и звуки с рыночной площади были не слышны. Майтнер произвела расчет. Впоследствии Фриш вспоминал: "Одна пятая массы протона оказалась точным эквивалентом 200 МэВ. Мы получили источник этой энергии, все сошлось одно к одному!" Атом был вскрыт. До этого времени все ошибались. Путь познания атома состоял не в том, чтобы со все большей и большей силой вколачивать в него частицы. Теперь два человека, пожилая женщина и ее племянник, размышлявшие среди безмолвия полуденных снегов, отчетливо поняли это. Чтобы расщепить атом урана, вовсе не нужно накачивать его энергией. Довольно нескольких медленных нейтронов, а дальше процесс идет сам собой. Ядро начнает содрогаться, все сильнее и сильнее, пока удерживающее его в целости сильное взаимодействие не поддается и электрическое поле, кроющееся внутри ядра, не заставляет его фрагменты разлетаться. Взрыв этот питается собственной энергией ядра.

Майтнер и ее племянник считали науку политически нейтральной и потому подготовили свое открытие для публикации. Следовало присвоить ему какое- то название, и Фриш вспомнил о том, как делятся бактерии. Еще находясь в Копенгагене, он как-то спросил американского биолога, приехавшего с визитом в институт Бора, каким английским словом описывается этот процесс. В результате в их статье появилось слово "деление", описывающее то, что происходит с ядром атома. Тем временем Ган уже опубликовал полученные им в Берлине результаты - практически не упомянув о Майтнер - и вскоре начал продлившуюся почти четверть века кампанию, цель которой состояла в том, чтобы доказать: вся честь сделанного открытия принадлежит только ему одному.

Ссылки: