Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Фриш и Мейтнер решили выйти прогуляться. Шел снег, поэтому Фриш надел лыжи, а Лиза шла рядом с ним. Необходимо было найти барию место в реакции. Согласно имевшемуся пониманию ядра, отрицалась сама возможность того, что воздействие одного нейтрона может вырвать такое большое количество протонов. Кроме того, даже если ядро можно разделить, для этого необходимо огромное количество энергии, которое невозможно было получить в лаборатории Гана. И вообще нейтрон как частица, не обладающая зарядом, казалась достаточно безобидной, неспособной дестабилизировать атомное ядро.

Для Мейтнер логичной была мысль о том, что атом урана разделился, — это доказывало и присутствие бария. Но это означало, что модель атомного ядра требовала доработки. Оба ученых знали теорию советского физика Георгия Гамова (1904-1968), которую поддерживал и датчанин Нильс Бор (1885-1962): атомное ядро можно представить как каплю воды (см. рисунок). Согласно этой концепции атомное ядро не является плотной жесткой структурой, а может принимать разные формы, словно жидкость, которая сохраняет стабильность только благодаря силам поверхностного натяжения.

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 атомного ядра в виде капли воды и этапы, предшествующие делению ядра.

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».