РИСУНОК 3: Резерфорд предложил новую модель атома, согласно которой его ядро, в котором сконцентрированы масса и положительный заряд, располагается в центре атома. Это позволяло объяснить, почему некоторые альфа-частицы, направленные на металлическую поверхность, отскакивают назад.
РИСУНОК 4: Опыт, позволивший Резерфорду открыть атомное ядро, состоял в бомбардировке тонкой золотой фольги альфа-частицами.
АЛЬФА-РАСПАД
Эрнеста Резерфорда называют отцом ядерной физики. В1902 году он открыл, что радиоактивность происходит из самих атомов. Вместе с Фредериком Содди Резерфорд пришел к выводу, что «радиоактивность — явление, происходящее в атомах, с сопутствующими химическими изменениями, при которых появляются новые типы материи». То есть радиоактивные атомы подвергаются распаду, а испускаемая радиация является следствием разложения атомов, способным спонтанно привести атом к распаду. До 1911 года не было ясно, что этот распад затрагивает только ядро. Альфа-лучи должны были состоять из частиц атома, при их испускании они меняли саму природу атома: при испускании альфа-частиц такой элемент, как уран, превращался в торий. Альфа-распад (см. рисунок) представляет собой испускание из атомного ядра одной частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, идентичной, таким образом, ионизированному ядру гелия. Альфа-распад начинается спонтанно в энергетически нестабильных ядрах с большим количеством протонов и нейтронов — другими словами, в результате действия сил отталкивания внутри ядра, как это происходит с ураном.
Химическая трансмутация элемента после испускания альфа-частицы состоит, ввиду потери двух протонов и двух нейтронов, в изменении количества ядерных частиц и пропорции нейтронов и протонов в ядре.
ВСТРЕЧА С ПЛАНКОМ
После смерти Больцмана в сентябре 1906 года нужно было найти ему преемника, который мог бы занять место ученого в Венском университете. Администрация университета предложила кандидатуру Макса Планка. Он в это время возглавлял в Берлине кафедру теоретической физики и не планировал менять место работы, но все же решился поехать в Вену в знак уважения к памяти Больцмана. Благодаря этой поездке состоялось его знакомство с Мейтнер.
Лиза в то время не знала работ Планка и его революционной гипотезы о квантовании энергии. Исследовательница так описывала ситуацию:
«Я часто спрашивала себя, почему Больцман никогда ни словом не упомянул [квантовую теорию Макса Планка]. Надо сказать, что я посещала его лекции в течение пяти лет после этого открытия. Однако нужен был длительный период времени для принятия квантовой теории. При этом Планк не смог бы разработать свою теорию, если бы не принял атомную теорию Больцмана, а также не воспользовался введенными им статистическими методами».
После этого знакомства Мейтнер решила оставить Вену и уехать в Берлин, чтобы учиться у Планка, в надежде, что это откроет перед ней новые горизонты.
ГЛАВА 3
Открытие радиоактивных элементов
Открытие протактиния, элемента с высокой радиоактивностью, было одним из самых заметных достижений Лизы Мейтнер и Отто Гана в Берлине. Эта пара ученых стала одной из основных команд той эпохи, исследовавших радиоактивность.
В 1907 году Макс Планк был уже уважаемым ученым. По мере того как его идеи распространялись в научном сообществе, росло и количество молодых исследователей (включая Мейтнер), которые хотели слушать лекции ученого в Берлинском университете. Планк стал учителем Лизы, хотя его характер очень отличался от характера Больцмана. Планк был серьезным, сдержанным, сухим и лаконичным — полная противоположность энтузиасту-Больцману. Мейтнер писала:
«...должна признать, что в начале была немного разочарована лекциями Планка, несмотря на их чрезвычайную ясность. [...] Иногда они выглядели довольно бесцветными в сравнении с Больцманом».
Планк не возражал против присутствия женщин в университете, хотя считал, что женщина, обладающая способностями и интересом к теоретической физике, — скорее исключение из правила. Это не замедлило проявиться в самом начале его знакомства с Мейтнер. Лиза рассказывала об этих первых встречах так:
«Когда я записалась в Берлинский университет, чтобы слушать лекции Планка, он принял меня очень любезно и почти сразу пригласил к себе. Когда я впервые побывала у него дома, он сказал мне: «Но у тебя же уже есть докторская степень! Чего еще ты можешь желать?» На это я ответила, что хотела бы достигнуть настоящего понимания физики. Тогда он дал мне краткий дружеский ответ и больше не углублялся в данный вопрос. Я сделала вывод, что он был не очень высокого мнения о женщинах, занимавшихся наукой. Предполагаю также, что в какой-то степени для той эпохи он был прав».
Со временем взаимное уважение Планка и Мейтнер росло. Планк помогал Лизе в ее восхождении по карьерной лестнице, он всегда старался, чтобы она получала за свою работу достойное вознаграждение, в связи с чем несколько раз выдвигал ее на Нобелевскую премию. Мейтнер, в свою очередь, отмечала «чистоту характера» Планка, и ее уважение к нему как к ученому постоянно росло. Она даже близко подружилась с близнецами — дочерьми Планка.
В физике мы работаем не ради одного дня, не ради сиюминутного успеха, мы работаем для вечности.
Макс Планк
Мейтнер не планировала задержаться в Берлине дольше чем на два года, поэтому стремилась использовать отпущенный самой себе короткий срок максимально эффективно. В первую очередь Лиза постаралась получить собственную лабораторию, чтобы продолжать исследования радиоактивности. Для этого она отправилась к Генриху Рубенсу, директору по экспериментальной физике университета. «Для меня не было места», — таким был неутешительный итог этого визита. Рубенс предложил Мейтнер поработать в его собственной лаборатории и под его руководством, но Лизу это предложение не привлекло. У нее уже была одна опубликованная работа, и она знала, что должна продолжить собственные исследования.
Все тот же Рубенс рассказал Мейтнер о молодом химике, научные интересы которого совпадали с интересами Мейтнер и который даже хотел с ней познакомиться. Так Лиза встретилась с Отто Ганом.
МАКС ПЛАНК
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в Киле (Германия) в 1858 году. Вскоре его семья переехала в Мюнхен. Там в университете Планк изучал физику и в возрасте 21 года защитил диссертацию по второму началу термодинамики в 1879 году. После этого он стал доцентом университета в Киле. В 1887 году умер Густав Кирхгофф, знаменитый профессор Берлинского университета, его место вначале предложили Больцману, а когда тот отказался (о чем после сожалел) — Планку. Для Планка это назначение было большой честью, в том числе потому, что ему предстояло работать вместе с Гельмгольцем, легендой физики XIX века. В Берлинском университете Планк оставался до конца своей научной карьеры. Он представил Прусской академии наук 14 декабря 1900 года результаты своих исследований по энергетическому взаимообмену матери — надо сказать, очень неудобные результаты.
