Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission — ABC Chemicals

80 лет назад Отто Хан и Лиз Мейтнер сделали открытие, которое привело к созданию ядерного оружия — однако Мейтнер так и не получила признание, которого она заслуживала

С каждым годом наша общая память о Второй мировой войне больше зависит от заархивированных слов и картинок, а не от общих воспоминаний о живом опыте. Но хотя многие события той эпохи сейчас важны только для историков, есть два — Холокост и первый ядерный взрыв — которые все еще затмевают нас всех сегодня. В списке выдающихся ученых, чьи жизни были затронуты этими двумя катаклизмами, заметно выделяются имена Отто Хана и Лизы Мейтнер.

Сочетание опыта Хана в области химии с опытом Мейтнера в области физики открыло дверь для искусственно вызванного ядерного деления. И когда Мейтнер бежал от нацистских преследований в 1938 году, Хан дал ей бриллиантовое кольцо своей матери, чтобы подкупить пограничника. Они оба умерли в 1968 году, будучи удостоены звания главного научного сотрудника, хотя некоторые утверждают, что Мейтнер не получила того признания, которого она заслуживала. С учетом полувекового ретроспективного взгляда мы теперь можем лучше рассматривать их достижения объективно.

Пионерские исследования

Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission - ABC Chemicals

Элиза (позже сокращенная до Лизы) родилась в Вене, Австрия. в 1878 году третий из восьми детей Филиппа и Хедвига Мейтнера. Оба родителя были еврейского происхождения, но не соблюдали религиозные нормы, и их дети были в конечном итоге крещены как христиане. Филипп был юристом и известным мастером по шахматам, а Хедвиг был талантливым музыкантом, и их дом стал центром культурной деятельности. Лиза играла на пианино грамотно, а ее сестра Огюст имела значительный успех как исполнитель, дирижер и композитор.

Лиз находила науку увлекательной, но ей посоветовали сосредоточиться на предметах, которые были бы более полезными, если бы она стала школьным учителем. Однако, когда Венский университет полностью открыл свои двери для женщин в 1897 году, она прошла интенсивный курс обучения, чтобы получить право на поступление, и в 1905 году стала второй женщиной, получившей степень доктора наук в этой области. Ее диссертация была о теплопроводности в различных средах, но она уже интересовалась радиоактивностью.

В следующем году Мейтнер отправился в Берлин в Германию, чтобы изучить последние разработки в области физики. Она посещала лекции Макса Планка по квантовой теории, но, будучи женщиной, была лишена доступа к университетским лабораториям. К счастью, запрет не распространялся на импровизированную радиохимическую лабораторию Отто Хана, которая находилась в переоборудованном подвале с отдельным входом. После встречи с Мейтнером на физическом коллоквиуме Хан приветствовал ее как неофициального (и неоплачиваемого) помощника.

Радиохимическое обучение

Хотя младше Мейтнера, Хан был еще выше по академической лестнице. Родился в 1879 году, он был сыном франкфуртского бизнесмена, который хотел, чтобы он стал архитектором. Но в Марбургском университете он был увлечен химией, а после окончания учебы (и годичной военной службы) он начал карьеру в растущей химической промышленности Германии. В сентябре 1904 года, получив рекомендации от потенциального работодателя, чтобы улучшить свои языковые навыки, он стал помощником Уильяма Рэмси в Университетском колледже Лондона в Великобритании, ведущем центре радиохимических исследований.

Хан работал с Рамсей, Резерфордом и Фишером, прежде чем сотрудничать с Мейтнером.

Поскольку диссертация Хана была посвящена органической химии, Рамсей поручил ему приготовить органические соединения радия. При этом Хан обнаружил то, что казалось новым элементом (позже выяснилось, что это изотоп тория). По рекомендации Рамси, Хан провел еще один год, занимаясь радиохимией под руководством Эрнеста Резерфорда в Университете Макгилла в Монреале, Канада. Он вернулся в Германию в 1906 году в качестве ассистента химика-органика Эмиля Фишера в Берлинском университете, получив лицензию на преподавание в 1907 году. В ноябре того же года он встретился с Мейтнером, и их сотрудничество началось.

Хан стал профессором в Берлине в 1910 году, а в 1912 году был назначен главой радиохимии в недавно созданном Kaiser Wilhelm Gesellschaft (KWG) — независимом исследовательском институте в пригороде Берлина Далем, финансируемом немецкими промышленниками. Мейтнер присоединился к нему там в качестве наемного научного сотрудника. В 1913 году Хан женился на Эдит Юнгхаус, а Мейтнер (который никогда не был женат) была крестной матерью их единственного ребенка.

Прерванный конфликтом

Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission - ABC Chemicals

Как и другие, работающие в своей области, Хан и Мейтнер изо всех сил пытались навести порядок во множестве недавно обнаруженных радиоактивных веществ. Картина стала более ясной после 1913 года, когда английский химик Фредерик Содди предположил, что некоторые предположительно новые элементы были вариантами уже известных, с одинаковым зарядом ядра, но с разными ядерными массами; он назвал их изотопами. В 1920-х годах анализ с помощью масс-спектрографа подтвердил бы эту концепцию, хотя идентичность некоторых из этих недолговечных объектов оставалась неясной.

В этой запутанной обстановке умение Хана выделять и химически характеризовать кандидатов для распознавания в качестве элементов дополнялось талантом Мейтнера по обнаружению и интерпретации их радиационных сигнатур. Они вместе публиковали важные исследовательские работы, пока война не установила для них другие приоритеты. Хан был призван в армию в 1914 году, и после заклинания в пехоте работал (неохотно) на ядовитых газах. Мейтнер добровольно работал радиографом в австрийской армии и пережил значительные трудности, прежде чем вернуться к гражданской жизни в 1917 году.

Позже в том же году, во время отпуска, Хан снова присоединился к ней в KWG, где они изолировали наиболее стабильный изотоп другого нового элемента — протактиния. Когда мир восстановился в 1918 году, их объединение возобновилось на новой основе. Мейтнер больше не был просто помощником Хана, а теперь был главой физического отдела KWG.

В 1926 году Мейтнер стала первой женщиной-профессором Берлинского университета, вероятно, первой в Германии. Она была удивлена, когда о ее первой лекции по радиоактивности и космической физике ошибочно сообщили о «косметической физике». И все же эта ошибка (или это была шутка?) Дает некоторое представление о препятствиях, с которыми она столкнулась.

Потрясающие новости

В течение 1920-х годов, субатомная физика была революционизирована поразительными теоретическими инновациями Шредингера, Гейзенберга и других. Между тем, исследование свойств радиоактивных элементов проходило менее драматично, а Хан и Мейтнер играли значительную, хотя и неприглядную роль. Но в следующее десятилетие — при содействии Фрица Страссмана и племянника Мейтнера Отто Фриша — они совершили фундаментальный прорыв, так же как мир снова начал приближаться к войне.

История тех смутных времен часто пересказывалась, но сегодня у нас все еще есть уроки. После многих лет экономических страданий многие немецкие избиратели были убеждены, что за их беды несут ответственность иностранные противники и местные предатели. В ответ они установили агрессивно националистическое правительство, обязавшееся создать враждебную среду для всех тех, кого оно считает врагами государства.

При поддержке коллег-ученых из Нидерландов Мейтнер благополучно пересек границу

Социалисты и профсоюзные деятели были ранними целями, но самые крайние меры были направлены против евреев, которые были стигматизированы как «безродные космополиты» или «граждане нигде». Новые законы запретили им доступ к профессиям, государственной службе и университетам, вызвав массовый отток экспертов, в состав которого входили несколько прошлых и будущих нобелевских лауреатов.

Хан знал, что, переехав на университетскую должность за пределами Германии, он может лишить еврейского коллегу спасательного круга. Вместо этого он выбрал пассивное сопротивление, отказавшись вступать в нацистскую партию (несмотря на давление со стороны руководства университета), и в конечном итоге оставил свою профессорскую должность в знак протеста против увольнения еврейских коллег. Мейтнер, будучи гражданином Австрии, оставался частично освобожденным от этих репрессивных законов, пока Австрия не была включена в германское государство в 1938 году.

Затем ее паспорт стал недействительным, и, как и другим лицам, которым требовалось разрешение на выезд из страны, ей было запрещено брать с собой более десяти марок (примерно такая же покупательная способность, как сегодня 50 фунтов стерлингов). Тем не менее, при поддержке коллег-ученых в Нидерландах она благополучно пересекла границу. Бриллиантовое кольцо, которое Хан дал ей, чтобы подкупить пограничника, не было необходимости, и она позже передала его невесте своего племянника. Мейтнер нашел убежище в Швеции и продолжил переписку с Ханом. Вскоре у него были потрясающие новости для нее.

Кусок торта

Ключом к прорыву Хана стал нейтрон, впервые идентифицированный английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он был обнаружен — но не признан — Фредериком и Ирэн Жолио-Кюри в Париже в прошлом году. Не имея электрического заряда, нейтроны не отклонялись положительно заряженными атомными ядрами, что делало их идеальными ракетами для исследования сердца атома. Физики и радиохимики в нескольких странах вскоре начали направлять их на различные элементы.

Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission - ABC Chemicals

В Италии Энрико Ферми объявил, что, бомбардируя уран нейтронами, он создал более тяжелые элементы, ранее неизвестные науке. Хотя его утверждения были оспорены немецким физиком Идой Ноддак, они получили широкую поддержку, поскольку они были совместимы с общепринятой моделью атомного ядра.

В качестве грубой аналогии представьте, как выстреливали изюмом в большой пирог. Некоторые могут попасть в цель прямо и быть поглощенными, производя немного более тяжелый пирог. Другие могут иметь скользящий эффект, отрывая небольшие фрагменты, чтобы торт стал немного светлее. Никто не ожидал, что один выстрел разделит его на два разных торта, каждый примерно в два раза меньше оригинала. И все же нечто подобное произошло, когда Хан и Страсман выпустили нейтроны на уран.

Какими идиотами мы все были!

Мейтнер считал Хана самым способным радиохимиком своего времени. А в декабре 1938 года его тщательный анализ ясно показал, что образцы урана с нейтронной бомбардировкой содержали элемент (барий) с примерно половиной атомной массы урана, которого раньше не было. Хан не мог видеть никакого правдоподобного объяснения, пока Мейтнер и ее племянник Отто Фриш не предоставили одно.

Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission - ABC Chemicals

Фриш — тогда работавший с исследовательской группой Нильса Бора в Копенгагене — отправился в Швецию, чтобы провести новогодние каникулы 1938–1939 годов со своей тетей. Он обнаружил, что она обдумывает удивительные результаты Хана, новости о которых только что дошли до нее. Прогуливаясь по заснеженному лесу, они обсуждали, как можно разделить атом урана, чтобы создать атом бария, а затем сели на удобное бревно, чтобы провести некоторые вычисления.

Оба знали о спекулятивной модели Бора с «жидкой каплей» атомного ядра, которая подразумевала, что очень большие ядра, такие как уран, будут нестабильны. Если бы это было так, воздействие нейтрона действительно могло бы привести к его распаду. Оценив массы фрагментов, которые могут возникнуть в результате такого столкновения, Мейтнер обнаружил, что около одной пятой массы нейтрона остается неучтенной. Это, она заключила, было преобразовано в энергию в соответствии с Эйнштейном E = mc2 уравнение.

Когда Фриш вернулся в Копенгаген с новостями, Бор немедленно воскликнул: «О, какие мы все идиоты! Ох, но это замечательно! Бор обнародовал это открытие на конференции по физике в США в конце января 1939 года, и вскоре другие подтвердили результаты Хана и Страсмана и расчеты Мейтнера и Фриша. Было быстро признано, что деление изотопа урана 235 приведет к высвобождению дополнительных нейтронов, что может вызвать цепную реакцию. Накануне новой войны ядерный век начался.

Почести даже?

В течение всего конфликта Мейтнер оставалась в Швеции, отказываясь участвовать в проекте атомной бомбы союзников, что, по ее мнению, было отвратительно. Летом 1939 года Фриш устроился на временную работу в Бирмингемском университете в Великобритании и осенью не вернулся в Данию. Вместо этого он работал над британской программой ядерных исследований, прежде чем присоединиться к американскому Манхэттенскому проекту в Лос-Аламосе в 1943 году.

Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission - ABC Chemicals

Хан продолжал проводить радиохимические исследования, пока его лаборатория не была разрушена бомбардировкой союзников. Он никогда не участвовал в проекте по созданию ядерной бомбы в Германии, но когда европейская война закончилась в мае 1945 года, он был интернирован в Англии вместе с другими ведущими немецкими учеными. Узнав об опустошении Хиросимы и Нагасаки, он был огорчен тем, что его работа сделала это возможным, и ненадолго задумался о самоубийстве.

Еще находясь в заключении, Хан слышал, что он только что получил Нобелевскую премию по химии 1944 года, которая была отложена на год. После возвращения в Берлин в 1946 году он был назначен главой вновь созданного Макса Планка Гезельшафта — замены для KWG, которую оккупационные силы распустили из-за его связей с нацистским режимом. После этого Хан выступил против распространения ядерного оружия и был несколько раз номинирован на Нобелевскую премию мира.

Мейтнер оставалась в Швеции до ее выхода на пенсию, а затем обосновалась в Англии. Она так и не получила Нобелевскую премию — решение, которое она приняла изящно, хотя другие осудили его как крайне несправедливое. Однако, в отличие от Хана, у нее теперь есть элемент (meitnerium, номер 109), названный в ее честь. Это может оказаться более устойчивым памятником.

Майк Саттон — историк науки из Ньюкасла, Великобритания.

дальнейшее чтение

О Фриш, Что мало я помнюИздательство Кембриджского университета, 1979

Отто Хан и рост ядерной физики, изд. WR Shea, Reidel, 1983

Р.Л. Симе, Лиз Мейтнер: Жизнь в физике, Университет Калифорнийской Прессы, 1996

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *