Дж. Кокрофт и Э. Уолтон (Англия) в 1932 г. экспериментальным путем подтвердили теорию Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии.
Дж. Чедвик (Англия) в 1932 г. открыл новую элементарную частицу нейтрон.
Д. Д. Иваненко (СССР) в 1932 г. выдвинул гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов.
И. и Ф. Жолио-Кюри (Франция) в 1933 г. впервые искусственно получили радиоизотопы.
Э. Ферми (Италия) в 1934 г. первым использовал нейтроны для бомбардировки атомного ядра.
С этого времени ядерная физика стала быстро развиваться.
В 1937 г. И. Кюри (Франция) открыла деление урана под действием медленных нейтронов. Какие элементы рождаются, когда ядро атома урана захватывает нейтрон? До сих пор во всех ядерных реакциях при естественном радиоактивном распаде, в опытах Э. Резерфорда и в опытах по искусственной радиоактивности всегда образовывались элементы, стоящие в соседних клетках периодической таблицы Д. И. Менделеева. Но у И. Кюри и ее ученика - югослава П. Савича результат получился невероятный: продуктом распада урана был... лантан - 57-й элемент, расположенный в середине таблицы Менделеева.
Процесс деления объяснил советский ученый Я. И. Френкель с помощью так называемой капельной модели ядра. В ее основе лежит представление о сходстве свойств ядра и капли "ядерной жидкости", удерживаемой в равновесии силами поверхностного натяжения.
Об этом мы сейчас и расскажем...
В 1938 г. в Риме, на конгрессе Национального химического объединения Ф. Жолио-Кюри познакомился с О. Ганом, авторитетным химиком, работавшим в Химическом институте Общества кайзера Вильгельма, и обсуждал с ним работу И. Кюри и П. Савича. Ган сомневался в правильности вывода, сделанного И. Кюри.
- Я восхищаюсь вашей женой, - говорил О. Ган, - я весьма дружелюбно отношусь к ней. Но на этот раз она ошиблась. Посоветуйте мадам Жолио проверить. Впрочем, я повторю ее опыты и надеюсь в скором времени доказать ей, что она неправа.
Вернувшись в Берлин, Ган проделал те же опыты.
Немало великих открытий в истории науки кажутся случайными, и, действительно, они нередко были следствием счастливого стечения обстоятельств, хотя в науке, по словам Планка, никогда не существовало "счастья без заслуг".
Ган и Штрассман облучили уран нейтронами и тщательно проверили результаты И. Кюри. И, несмотря на то что Ган долго не соглашался с этими результатами, ему в конце концов пришлось признать: И. Кюри права. Да, там был лантан, а в числе продуктов распада урана оказался еще и сосед лантана барий. В книге "Искусственные элементы", вышедшей в 1948 г., О. Ган писал: "Осенью 1938 г. мы - Штрассман и я, - основываясь на опытах Кюри и Савича, пришли к удивительным результатам. Мы выделили три щелочных металла, которые вначале приняли за искусственные изотопы радия. Уже одно это было бы достойно удивления, потому что радий с зарядом ядра 88 вовсе не является близким соседом урана. Но результаты оказались еще непонятнее. Ни одним из известных методов разделения радия и бария, нам не удалось отделить наши "изотопы радия"... Контрольные опыты, в которых мы смешивали свои искусственные "изотопы радия" с его природными изотопами, а потом их разделяли, наконец разрешили проблему. Природный радий удалось отделить от бария, а искусственные "изотопы радия" - нет. Таким образом мы пришли к выводу, что щелочноземельный элемент, образующийся при воздействии нейтронов на уран, - не радий, а барий. Это был совершенно неожиданный результат...".
Результат для химиков был бесспорным, а для физиков необъяснимым. Снова загадка, и снова пришлось признать, что И. Кюри права. Ган и Штрассман отправили в научный журнал заметку, в которой писали: "Как химики, мы принуждены определенно заявить, что новые вещества (подразумеваются продукты деления урана. - Авт.) ведут себя не как радий, а как барий". Это сообщение, опубликованное 6 января 1939 г., заинтересовало ученых.
Ган и Штрассман недоумевали, обнаружив странный, но бесспорный факт, и не отважились допустить мысль, что открыли новый физический процесс, связанный с освобождением громадной энергии. Результаты этих опытов были объяснены другими учеными.
У Гана более 30 лет в качестве ассистентки работала австрийка Л. Мейтнер, которую Эйнштейн называл "наша мадам Кюри". Будучи "неарийского" происхождения, она в конце 30-х годов вынуждена была эмигрировать из Германии в Голландию, а оттуда переехала в Стокгольм. В то время она уже была известным ученым. С ее мнением считались многие. Совершенно растерянный Ган написал ей о своей и Штрассмана, как, ему казалось, неудаче.
Письмо Гана очень заинтересовало Мейтнер. Она знала своего профессора как великого мастера в области химии, поэтому нисколько не сомневалась в точности его экспериментов. Мейтнер все время думала о письме. Действительно, в чем загадка? Уран находится в конце таблицы Менделеева, барий и лантан - в середине. Заряд и масса ядра бария или лантана в сумме составляют примерно половину заряда и массы ядра урана. В облученном нейтронами уране получаются элементы, имеющие примерно вдвое меньший атомный вес, чем уран.
И у Мейтнер мелькает смутная догадка: а что если ядро урана, захватив нейтрон, стало неустойчивым и развалилось, разделилось почти пополам? Продукты этого деления - ядра новых элементов. Вместе со своим племянником физиком О. Фришем, работающим у Н. Бора, она обсуждает эту проблему.
Аналогия с делением клеток в биологии позволила им ввести термин "деление ядер" и помогла представить картину деления ядра урана: заряд урана достаточно велик, чтобы нейтрализовать поверхностное натяжение. Становилось все яснее, что ядро урана представляет собой нестабильное образование, готовое разделиться при малейшем возбуждении.
Возникла новая идея: если возможен процесс распада, при котором появляются новые элементы, стоящие в таблице Менделеева далеко от распавшегося, то можно предположить, что при этом должна выделиться огромная энергия. Откуда же появится такая энергия?
При делении ядра урана, рассуждала Мейтнер, его части оказываются в сумме легче исходного ядра на одну пятую массы протона. Расчет по формуле Эйнштейна дал ответ. Умножив потерянную одну пятую массы протона на скорость света в квадрате, они получили примерно 200 млн. эдектроновольт. Электроновольт - единица энергии, соответствующая энергии одного электрона, ускоренного электрическим напряжением в один вольт.
- В этом заложен источник энергии, - сказал Фриш. - Все сошлось.
Фриш проверил свою догадку экспериментальным путем в Копенгагене. Мейтнер продолжала расчеты. Оба они, понимая, что стоят на пороге грандиозного открытия, даже не тратили времени на поездки, а получаемые результаты обсуждали в письмах, телеграммах и по телефону.
Когда Фриш рассказал своему учителю Н. Бору о работе Гана и о выводах, к которым пришли он и Мейтнер, Бор ударил себя по лбу и воскликнул:
- Какими мы все были слепцами. Но ведь это замечательно! Именно так и должно быть!
Бор сразу понял, что Мейтнер и Фриш дали опытам Гана смелое истолкование. Он очень интересовался их работой и следил за ней.
В январе 1939 г. Бор ненадолго отправился в США, уже понимая, какое огромное событие произошло в мире. Весть, привезенная в Америку Бором, взволновала физиков.
Отто Роберт Фриш так описал в 1955 г. события конца 1938 г.: Когда я на рождество посетил Лизи Мейтнер в Швеции (недалеко от Гётеборга), она показала мне письмо, или корректуру, где излагалось открытие Гана Штрассмана, После долгой дискуссии мы убедились, что расщепление ядра урана на две приблизительно одинаковые части совместимо с капельной моделью Бора. Нам удалось показать, что этот процесс должен проходить при выделении огромного количества энергии. После моего возвращения в Копенгаген я рассказал Нильсу Бору об открытии Гана - Штрассмана и о нашем толковании. Через несколько дней после этого Бор поехал в Америку, и когда в конце января туда поступил журнал "Натурвиссеншафтен" с работой Гана - Штрассмана, Бор на заседании Американского физического общества доложил о нашем толковании. Некоторые физики тотчас же покинули заседание и через несколько часов могли экспериментально доказать предсказанное выделение энергии.