Книга Лиза Мейтнер. Расщепление ядра - Роджер Корхо Оррит

Научный историк Спенсер Вирт пишет:

«Ядерная теория в 1930-х была новым и постоянно меняющимся пузырем идей, растущим и набирающим тут и там экспериментальные данные и правдоподобные уравнения. У этой теории было немного обоснованных, связанных с реальностью точек, также не было множества экспериментальных данных, которые могли быть просчитаны с помощью теории».

По мнению Вирта, первым успехом стала теория распада альфа-частицы Георгия Гамова, который представил, что «ядро —- потенциальный колодец с частицами, находящимися в нем словно внутри пакета». Альфа-частицы могут проходить сквозь поверхность пакета «с использованием туннельного эффекта» (см. рисунок). Вирт считал, что это объяснение «глубоко впечатлило физиков». Но такая точка зрения противоречила другим гипотезам, «говорящим о том, что ядро могло делиться пополам». То есть данная теория не позволяла ученым даже думать о расщеплении ядра. Вновь обратимся к Вирту:

«С самого начала теория Гамова устанавливала, что фрагменты ядра, немного превышающие по размерам альфа-частицу, с трудом проходили бы через потенциальный барьер. [...] Это представление прочно утвердилось в головах исследователей ядра и в особенности берлинской группы».

Хотя теория туннельного эффекта позволяла объяснить механизм альфа-распада, она затрудняла понимание современными физиками возможности расщепления ядра.

Никому это и в голову не могло прийти, так что все исследователи занимались изучением химических характеристик и поиском переходных элементов вместо того, чтобы просто отнести их к другой группе.

Обе идеи дополняли друг друга и формировали вполне определенные ожидания, которые ученые должны были подтвердить экспериментально. Как мы увидим, нужно было отбросить все ошибочные гипотезы, мешавшие интерпретации данных, а затем — выделить и идентифицировать новые элементы, проверить их атомный вес. Трансурановые элементы существовали, нужно было только их обнаружить.

ГАН, МЕЙТНЕР И ШТРАССМАН

Мейтнер вслед за Ферми также решила обеспечить себя источником нейтронов для экспериментов. Для этого она выбрала бериллий, облучаемый гамма-лучами радия. Однако испускаемые нейтроны реагировали со всеми элементами по-разному.

Относительно тяжелые элементы, такие как золото или серебро, поглощали нейтроны. Но для легких элементов, таких как натрий или алюминий, это не было характерно. Мейтнер установила, что есть соотношение между кинетической энергией нейтронов — низкой из-за их низкой скорости — и процессом их поглощения. Эти медленные нейтроны известны также как термальные. Ферми открыл, что можно уменьшить скорость частиц до столкновения с целью, если на пути они встретят какое-нибудь вещество, содержащее водород (например, парафин). Если опустить источник нейтронов — или цель бомбардировки — в парафин, скорость нейтронов значительно снижается из-за столкновений, которые им приходится преодолевать. Меньшая кинетическая энергия должна была менять тип запускаемой ядерной реакции. Мейтнер и Ган смогли обнаружить отличия термальных нейтронов от быстрых в октябре 1934 года, одновременно с Ферми.

Для того чтобы найти трансурановые элементы, Ган и Мейтнер сначала облучали уран нейтронами. Так как в результате получались очень малые количества радиоактивных элементов в растворе, а в ту эпоху не были известны методы их осаждения, исследователям пришлось прибегнуть к носителю — веществу, которое должно иметь химическое сходство с получаемым продуктом и помогать осаждать его из раствора. В конце необходимо было отделить вещество от носителя.

Будучи убежденными в том, что трансурановые элементы схожи с рением, берлинские ученые выбрали в качестве носителя именно его. Результаты были вполне правдоподобными. Однако также исследователи обнаружили продукты других неожиданных процессов, для интерпретации которых у них не было теоретической модели. Они не могли выяснить, что за элемент появлялся в результате бета-излучения.

ПОГЛОЩЕНИЕ НЕЙТРОНОВ

При бомбардировке атомов нейтронами ядра могут эти нейтроны поглощать, что вызовет разные типы ядерных реакций,— так утверждали команда Ферми, Жолио-Кюри и берлинская группа в составе Мейтнер, Гана и Штрассмана. Поглощение вызывает, например, бета-распад с последующей трансмутацией химического элемента. Другая возможность, поданным Ферми, состояла в испускании протона или альфа-частицы. Все эти процессы можно было наблюдать при бомбардировке урана-238, наиболее распространенного изотопа урана. Под воздействием пучка нейтронов ядро урана-238 поглощает нейтрон, и элемент становится ураном-239. Начинается бета-распад, который можно записать следующим образом:

(n, e-).

Слева (n, нейтрон) указывается частица, вызвавшая процесс распада, справа записывается испускаемая частица; бета-распад предполагает испускание электронов, обозначаемых е-. Начало бета-распада предполагает промежуточную внутреннюю ядерную реакцию, во время которой нейтрон преобразуется в протон и образовавшийся электрон ускользает из ядра. В ядре остается 93 протона — на один больше, чем было, что соответствует элементу, который мы называем нептуний-293. Этот элемент также подвергается бета-распаду, в результате которого получается плутоний-239, характеризующийся наличием 94 протонов. В этой последовательности процессов атом теряет или приобретает один или несколько протонов, так что конечный элемент в периодической таблице занимает более близкие позиции относительно первоначального элемента. Предположив концепцию ядерного расщепления, Мейтнер открыла двери для гораздо более радикальных ядерных преобразований.

Исследования потребовали нескольких лет. В 1935 году к группе присоединился Фриц Штрассман. Он работал бесплатно, но другого места найти себе не мог, поскольку не симпатизировал нацистской идеологии. В этом смысле вся группа ученых находилась в оппозиции к существующему политическому режиму, так что Мейтнер, над которой нависла реальная угроза, чувствовала поддержку и защиту со стороны коллег. Наконец, они опубликовали результаты исследований, в которых говорили о двух типах бета-распада, вызванного нейтронной бомбардировкой урана. Позже был обнаружен третий вид распада, который, в отличие от предшествующих, не давал такой длинной цепи (см. рисунок 6).

В двух первых процессах Ган установил, что свойства элементов рядов распада соответствуют прогнозируемым. В результате химической трансмутации получались элементы, схожие с рением, осмием и иридием соответственно. Все указывало на то, что ученые на верном пути. Существование трансурановых элементов считалось практически подтвержденным, и из Рима даже пришли варианты названий для новых элементов: авсоний и геспезий. В статье, основным автором которой был Ган, можно прочесть:

«В общем химическое поведение трансурановых элементов [...] таково, что их положение в периодической таблице уже не вызывает сомнений. Кроме того, факт их химического отличия от уже известных элементов неоспорим».