В конце XIX века были сделаны несколько важных открытий, потрясших основы физической науки. С классической физики, занимавшейся механикой, термодинамикой или оптикой, интерес ученых сместился к новым теоретическим горизонтам: квантовой теории, ядерной физике, или физике частиц, и теории относительности. Феномен ядерного расщепления необходимо рассматривать в общем контексте развития ядерной физики.
Изучение радиоактивности открыло дорогу к пониманию внутреннего строения атома. Радиация, испускаемая некоторыми элементами, такими как уран, была зафиксирована в виде частиц или излучения. Начало XX века ознаменовалось еще одним великим открытием новой физики — специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. Он открыл эквивалентность массы и энергии. «Масса и энергия — различные проявления одного», — так записал немецкий гений в 1905 году. Эта идея была воплощена в формуле: Е = mc2, в которой Е — это энергия, m — масса, с — скорость света, универсальная постоянная, равная = 3 • 108м/с. Материя — это энергия, расщепление ядра — один из феноменов, в котором проявляется эта эквивалентность.
Это был невероятный период для физики. Тот, кто, как Мейтнер, начал свои исследования в начале XX века, постоянно наталкивался на новые захватывающие идеи. Неудивительно, что Лиза увлеклась исследовательской работой и сразу же заинтересовалась опытами по радиоактивности, обнаружив свое призвание к науке, в котором позже и черпала силы для преодоления всех препятствий на этом пути.
ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
Радиоактивность была удивительным явлением, новой, неисследованной территорией. До 1896 года никто не мог и представить, что внутри материи могут спонтанно протекать подобные процессы, но именно в этот год Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл радиоактивность.
Беккерель изучал рентгеновские лучи, открытые за год до этого, чтобы выяснить, связаны ли они с флуоресценцией — явлением, при котором некоторые минералы поглощают энергию в виде электромагнитного излучения (например, видимого света) и потом испускают ее, также в виде электромагнитного излучения, но при этом длина волны отличается от первоначальной. Это явление не зависит от температуры материала; например, существуют минералы, светящиеся при температуре окружающей среды. В отличие от других люминесцентных процессов, таких как фосфоресценция, при исчезновении источника энергии, возбуждающего минерал, флуоресцентное свечение также исчезает.
Беккерель начал изучать разные флуоресцентные элементы, проверяя, испускают ли они рентгеновские лучи под воздействием света. Он взял соль урана, подверг ее воздействию солнечного света, а затем разместил на фотопластинке, прикрыв тканью. Беккерель обнаружил, что на пластинке отпечатались очертания кусочка соли урана, и решил: это подтверждение гипотезы о том, что солнечные лучи возбуждают материал, а затем испускаются в виде рентгеновского излучения в ходе процесса флуоресценции. На другой день он решил повторить эксперимент, но было облачно. В соответствии с гипотезой ученого отсутствие солнца не позволяло индуцировать флуоресценцию в минерале, так что Беккерель убрал уран и пластинку в ящик стола. К его удивлению, через несколько дней на пластинке он обнаружил такой же отпечаток, как и после воздействия солнечного света. Это означало, что излучение, испускаемое ураном, имеет мало общего с рентгеновскими лучами и флуоресценцией. Также Беккерель поместил между ураном и фотопластинкой медный крест, и его силуэт проявился на пластинке в виде тени. Речь шла о неизвестном явлении, которое несколько лет спустя было названо радиоактивностью.
[Лиза Мейтнер] это наша Мария Кюри.
Альберт Эйнштейн
Неподалеку от Музея естественной истории, где работал Беккерель, молодая женщина-исследователь польского происхождения начала заниматься только что открытой радиацией и посвятила ей свою диссертацию. Речь идет о Марии Кюри — первой женщине, получившей Нобелевскую премию (в 1903 году по физике), и первом исследователе, получившем Нобелевскую премию дважды (второй раз — в 1911 году, по химии). Вместе с мужем Пьером Кюри Мария принялась искать другие вещества, для которых была свойственна радиоактивность, и супруги обнаружили торий, полоний (назван в честь родины Марии Кюри) и радий. Для определения атомного веса радия требовались тысячи тонн урановой смолки — минерала, содержащего ничтожное количество урана (примерно один грамм чистого урана на килограмм минерала) и таящего в себе интенсивный источник радиации. После напряженных трудов Кюри удалось получить достаточное количество материала и произвести фундаментальное исследование.
КАТОДНЫЕ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
Изучение катодных лучей началось после наблюдения учеными любопытного феномена. В 1857 году Генрих Гейслер (1814-1879), занимавшийся изготовлением стеклянных трубок, изобрел вакуумный насос — устройство для откачки воздуха из сосуда, позволявшее получить в трубке низкое давление. Разместив внутри такой трубки электроды, он обнаружил, что в ней возникает странное свечение. Позже английский химик Вильям Крукс (1832-1919) усовершенствовал вакуумный насос и наблюдал то же явление, но у него трубка не освещалась внутри, а свет концентрировался в одном из ее концов, прямо на стекле. Если внутри трубки, между электродом и ее концом, расположить какой-либо объект, например мальтийский крест, на противоположном конце трубки отпечатается тень этого объекта (см. схему). Это означало, что катод испускает какой-то луч, коллимированный свет, проявляющийся на стенке трубки. Если на этой стенке размещали фосфоресцентное вещество, оно под воздействием луча начинало светиться. В отличие от флуоресценции, фосфоресценция минерала продолжается, даже когда источник возбуждения убирают. Период отдачи света может длиться от нескольких долей секунды до нескольких лет — этим объясняется свечение таких минералов в темноте. Так были открыты катодные лучи, то есть испускание электронов.
После трубки Крукса
Изучая природу новых лучей, венгерский физик Филипп Ленард (1862- 1947) сделал важное открытие, благодаря которому получил Нобелевскую премию по физике в 1905 году. Ленард хотел попробовать исследовать лучи вне трубки Крукса. Проблема состояла в том, что для создания вакуума нужно было стекло, — без этого невозможно было получить катодные лучи, но с другой стороны, этот материал поглощает лучи, поэтому их невозможно изучать, находясь снаружи сосуда. Необходимо было сделать сосуд из другого материала, при этом в нем нужно было создать внутренний вакуум, но катодные лучи должны каким-то образом выходить из сосуда. В конце концов Ленард понял, что если на стенке сосуда сделать маленькую щель, которая впоследствии в его честь была названа окном Ленарда, и прикрыть ее алюминием, лучи смогут «убегать» через нее, — это было обнаружено с помощью фосфоресцирующего вещества, расположенного в нескольких сантиметрах от трубки. Так было установлено, что лучи могут проходить сквозь алюминий и освещать фосфор. При этом если фосфоресцирующее вещество размещали на расстоянии более 10 см от трубки, воздух ослаблял лучи, препятствуя индуцированию фосфоресцентного минерала.
