Этот месяц в истории физики

В декабре 1938 года, во время рождественских каникул, физики Лиза Мейтнер и Отто Фриш сделали поразительное открытие, которое произвело революцию в ядерной физике и привело к созданию атомной бомбы. Пытаясь объяснить загадочное открытие, сделанное химиком-ядерщиком Отто Ганом в Берлине, Мейтнер и Фриш поняли, что на самом деле происходит то, что раньше считалось невозможным: ядро ​​урана разделилось надвое.

Лизе Мейтнер родилась в Вене в 1878 году.Она выросла в интеллигентной семье и изучала физику в Венском университете, получив докторскую степень в 1906 году. В то время единственной доступной ей должностью в Вене была должность школьной учительницы, поэтому в 1907 году она уехала в Берлин. в поисках возможностей для исследований. Мейтнер была застенчивой, но вскоре стала другом и сотрудником химика Отто Гана. В 1912 году был основан Химический институт кайзера Вильгельма, и она получила там должность. Во время Первой мировой войны Мейтнер пошла добровольцем в австрийскую армию медсестрой-рентгенологом. По возвращении в Берлин она была назначена заведующей секции физики в KWI, где занималась исследованиями в области ядерной физики.

После того, как в 1932 году был открыт нейтрон, ученые поняли, что он может стать хорошим зондом атомного ядра. В 1934 году Энрико Ферми бомбардировал уран нейтронами, в результате чего были получены, как он думал, первые элементы тяжелее урана. Большинство ученых считали, что попадание нейтрона в большое ядро, такое как уран, может вызвать лишь небольшие изменения числа нейтронов или протонов. Однако один химик, Ида Ноддак, указала, что Ферми не исключил возможности того, что в его реакциях уран действительно мог распасться на более легкие элементы, хотя она не предложила никакого теоретического обоснования того, как это могло произойти. Ее статья была в значительной степени проигнорирована, и никто, даже сама Ноддак, не развил эту идею.

Следуя работе Ферми, Мейтнер и Ган вместе с химиком Фрицем Штрассманом также начали бомбардировать уран и другие элементы нейтронами и идентифицировать ряд продуктов распада. Ган провел тщательный химический анализ; Мейтнер, физик, объяснил происходящие ядерные процессы.

Мейтнер, имевшая еврейское происхождение, работала в КРИ до июля 1938 года, когда ей пришлось бежать от нацистов.Ее исследования были всей ее жизнью, и она пыталась удержаться на своем посту как можно дольше, но когда стало ясно, что ей грозит опасность, она поспешно ушла, прихватив с собой всего два чемоданчика. Она заняла должность в Стокгольме в Нобелевском институте физики, но у нее было мало ресурсов для своих исследований там, и она чувствовала себя нежеланной и изолированной. Она поддерживала переписку с Ханом и продолжала давать ему советы по поводу их совместных исследований.

В декабре 1938 года Ган и Штрассман, продолжая свои эксперименты по бомбардировке урана нейтронами, обнаружили среди продуктов распада нечто, похожее на изотопы бария. Объяснить это они не могли, так как считалось, что крошечный нейтрон не может заставить ядро ​​расколоться на две части с образованием гораздо более легких элементов. Хан отправил Мейтнер письмо с описанием загадочной находки.

Во время рождественских каникул Мейтнер посетил ее племянник Отто Фриш, физик, работавший в Копенгагене в институте Нильса Бора. Мейтнер поделилась письмом Хана с Фришем. Они знали, что Хан был хорошим химиком и не ошибся, но результаты не имели смысла. Они пошли прогуляться по снегу, чтобы поговорить об этом: Фриш на лыжах, Мейтнер не отставала от них пешком. Они остановились у пня, чтобы посчитать. Мейтнер предложил рассматривать ядро ​​как жидкую каплю, следуя модели, предложенной ранее русским физиком Георгием Гамовым, а затем развитой Бором. Фриш, который лучше представлял себе вещи, нарисовал диаграммы, показывающие, как после удара нейтрона ядро ​​урана может, подобно капле воды, удлиняться, затем начинать сжиматься посередине и, наконец, разделяться на две капли.

После раскола две капли будут разделены их взаимным электрическим отталкиванием при высокой энергии, около 200 МэВ, рассчитали Фриш и Мейтнер.Откуда возьмется энергия? Мейтнер определила, что два дочерних ядра вместе будут менее массивными, чем исходное ядро ​​урана, примерно на одну пятую массы протона, что при подстановке в знаменитую формулу Эйнштейна E=mc2 дает 200 МэВ. Все подходит.

Фриш уехал из Швеции после рождественского ужина. Сделав первоначальный прорыв, он и Мейтнер сотрудничали по междугородному телефону. Фриш кратко поговорил с Бором, который затем привез известие об открытии деления в Америку, где оно вызвало немедленный интерес.

Мейтнер и Фриш отправили свою статью Природа в январе. Фриш назвал новый ядерный процесс «делением», узнав, что термин «бинарное деление» использовался биологами для описания клеточного деления. Хан и Штрассманн опубликовали свое открытие отдельно и не признали роль Мейтнер в открытии.

Ученые быстро поняли, что если реакция деления также испускает достаточное количество вторичных нейтронов, потенциально может произойти цепная реакция, высвобождающая огромное количество энергии. Многие ученые присоединились к усилиям по созданию атомной бомбы, но Мейтнер не хотела участвовать в этой работе и позже была очень опечалена тем фактом, что ее открытие привело к созданию такого разрушительного оружия. Она продолжала свои исследования ядерных реакций и участвовала в строительстве первого в Швеции ядерного реактора. Ган получил Нобелевскую премию по химии в 1944 году, но Мейтнер так и не получила признания за ее важную роль в открытии деления.

©1995 — 2022, АМЕРИКАНСКОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО
APS поощряет распространение материалов, включенных в эту газету, при условии, что указана ссылка на источник, а материалы не сокращены и не изменены.

Монтажер: Алан Чодос
Ответственный редактор: Дженнифер Уэллетт
Штатный сценарист: Эрни Треткофф