Ознакомительная версия.
Бывает так, что феномен закона природы основан на парадоксе; часто такие законы открываются вследствие цепи случайностей и совпадений. Так случилось и с открытием Отто Ганом деления уранового ядра, которому предшествовали четыре года ошибок, заблуждений и ложных гипотез. Истоки этого открытия лежат в начале 30-х годов, когда выдающийся итальянский физик Энрико Ферми предположил, что путем бомбардировки нейтронами (массивными незаряженными элементарными частицами), открытыми в 1932 году профессором Чедвиком, тяжелых химических элементов возможно получение искусственным путем их радиоактивных изотопов. Оказалось, что в тяжелые ядра, несущие большой электрический заряд, легче проникают нейтроны, нежели ядра атома гелия, так называемые альфа-частицы, которые использовали в те годы в своих экспериментах по изучению искусственной радиоактивности супруги Фредерик Жолио и Ирен Кюри. Согласно закону отталкивания одноименных зарядов, положительно заряженные альфа-частицы не могут преодолеть положительный заряд бомбардируемых ими ядер. В то же время нейтроны даже на относительно небольших скоростях легко проникают внутрь атомного ядра. Фактически случайно Ферми обнаружил, что, если источник нейтронов окружить слоем некоего вещества с высоким содержанием водорода, например твердым парафином, возможности нейтронов по воздействию на ядра некоторых тяжелых химических элементов значительно возрастают. Он доказал, что обладающие высокой скоростью нейтроны при столкновении с содержащимися в парафине легкими атомами водорода «замедляются». Такие медленные нейтроны быстрее захватываются атомным ядром.
Уран является самым тяжелым из существующих в природе химических элементов; он представляет собой чрезвычайно прочный металл белого цвета, ковкий и вязкий. Температура плавления урана значительно ниже по сравнению с другими металлами, обладающими сходными химическими свойствами, – вольфрамом, хромом и молибденом. Порядковый номер урана в таблице химических элементов 92, а номер его самого тяжелого изотопа 238. Это означает, что его ядро состоит из 92 протонов, уравновешенных 146 нейтронами. Однако в природе, кроме урана-238, в соотношении примерно 1000:7 существует его более легкий изотоп уран-235. Изотопы урана обладают одинаковыми химическими, но различными физическими свойствами. Если бы не было этой разницы физических свойств, не было бы ни возможности, ни необходимости их разделения.
Когда Ферми и его коллеги в своей лаборатории в Риме бомбардировали природный уран нейтронами, они пришли к выводу, что в результате захвата нейтрона атомом урана-238 образуется нестабильный изотоп урана-239. Затем вновь образовавшийся атом выделяет один (отрицательно заряженный) электрон и из химического элемента под номером 92 превращается в неизвестный в те времена элемент тяжелее урана, помещенный в таблице под номером 93. Для того чтобы доказать, что он действительно получил новый «трансурановый» элемент, Ферми провел серию химических реакций со всеми продуктами, полученными в результате его опыта, и к своему удовлетворению убедился в том, что хотя бы один из них по своим химическим свойствам отличается от остальных химических элементов, по крайней мере от всех существующих элементов тяжелее свинца. Как физик, он не видел смысла в сравнении свойств вновь полученного элемента с элементами, стоящими в периодической таблице ниже свинца. Ферми обосновал свой вывод тем, что полученный им новый элемент должен быть тяжелее имеющего самую большую массу из известных в то время химических элементов урана. Кроме того, он обосновал то, что в результате уже известного процесса радиоактивного распада атом урана не мог настолько уменьшиться в массе, чтобы занять в таблице место рядом со свинцом. Немецкий химик Ида Ноддак выступила против выводов Ферми: экспериментальным путем она доказала, что в результате бомбардировки нейтронами происходит деление ядра урана, а не его радиоактивный распад. Однако Ноддак отказалась от дальнейших исследований в этом направлении, поэтому ее предположение осталось незамеченным в мировой физике.
Заявление Ферми о существовании целого ряда «трансурановых» элементов не прошло незамеченным; у него сразу же появились многочисленные оппоненты. В 1934 году, практически сразу же после его открытия, в журналах «Nuovo Cimento» и «Nature» были опубликованы статьи австрийской ученой Лизы Мейтнер и знаменитого немецкого радиохимика Отто Гана, с которым Мейтнер в начале 20-х годов вместе работала над открытием мезотория и протактиния. Они вернулись к совместным исследованиям в области «трансурановых» элементов, на существовании которых настаивал Ферми. К Гану, в то время возглавлявшему лабораторию в Институте химии имени кайзера Вильгельма в Берлин-Далеме, присоединился молодой ученый доктор Фриц Штрасман, блестящий специалист в области неорганической химии и анализа, уже к тому времени хорошо знакомый с проблемами радиохимии.
Было бы излишним приводить всю программу исследований трех ученых в Берлине. Достаточно упомянуть, что за четыре года до конца последних драматических недель 1938 года Гану, Штрасману и Мейтнер удалось подтвердить фундаментальные открытия Ферми и получить те самые трансурановые элементы, что принесло им заслуженное признание в научном мире. Они получили и описали четыре новых химических элемента, которым присвоили временные названия «эка-рений», «эка-осмий»[3], «эка-иридий» и «эка-платина»: рений, осмий, иридий и платина находились прямо над этими вновь полученными элементами в периодической таблице и, следовательно, имели схожие с ними химические свойства. Несомненно, в открытии немецких ученых еще оставались белые пятна и противоречия, однако все верили, что со временем они получат свое дальнейшее развитие и будут должным образом объяснены.
В 1938 году тщательно продуманная стройная теория трансурановых элементов стала давать первые трещины. Вслед за Ферми Ирен Кюри и югославский физик Павле Савич открыли и описали новое радиоактивное вещество, полученное ими в результате бомбардировки урана нейтронами. «Странное» вещество имело период радиоактивного полураспада три с половиной часа. Сначала парижские ученые предположили, что получили изотоп тория, стоящего в периодической таблице на две позиции ниже урана. Теоретически это можно было объяснить тем, что в результате распада после захвата атомом урана нейтрона полученное нестабильное вещество выделило альфа-частицу и превратилось в торий.
До сих пор никому еще не удавалось наблюдать за выделением альфа-частицы изотопом урана, поэтому гордость знаменитой команды Гана в Берлинской лаборатории оказалась задетой таким открытием ученых-соперников.
В 1934 году Л. Мейтнер пыталась обосновать получение изотопа тория, однако при всем старании Штрасману так и не удалось обнаружить следов этого элемента в растворе, полученном в результате проведения опытов с изотопами урана. Мейтнер упрекала Штрасмана в том, что он потерпел неудачу там, где их французские коллеги добились очевидного успеха; однако она отмечала, что французы никого не посвятили в подробности методов проведения своих экспериментов и получения столь сенсационного открытия. Мейтнер попросила Штрасмана повторить эксперимент. Штрасман выполнил ее просьбу, честно пытаясь путем химической реакции с применением в качестве катализатора железа выделить из урана торий. Через неделю расстроенный ученый заверил Мейтнер, что, независимо от того, что заявляют французские коллеги, в полученном растворе торий так и не был обнаружен.
Группа Гана могла бы опубликовать результаты своих исследований и тем самым привести парижских ученых к конфузу. Однако немцы избрали более дипломатичный путь: Ган и Мейтнер написали в Париж письмо, в котором попросили коллег перепроверить результаты их опыта, так как сама группа Гана так и не смогла получить торий. Может быть, мягко настаивали Ган и Мейтнер, Ирен Кюри совершила ошибку? Отто Ган в течение тридцати лет занимался радиохимией, и его авторитет в этой области был непререкаем. Хотя он и не получил ответа на свое письмо, мадам Кюри вскоре опубликовала очередную статью, в которой заявила, что открытое французами странное вещество вовсе не было торием. Теперь она выдвинула еще более авантюрную гипотезу. Поскольку странное вещество с периодом полураспада 3,5 часа было получено в результате реакции с применением в качестве катализатора лантана, Кюри и ее коллега делают заключение:
«Окончательный анализ показал, что свойства вещества с периодом полураспада 3,5 часа соответствуют свойствам лантана. Отсюда следует, что выделить вновь полученное вещество можно только посредством фракцинации».
С точки зрения французов, полученное вещество конечно же не могло быть лантаном, поскольку процесс радиоактивного распада ядра урана не мог зайти так далеко. Это мог быть только еще один «трансурановый» элемент. Но как найти место для «трансуранового» элемента, обладавшего свойствами аналогичными редкоземельному металлу лантану? Как для физиков, так и для химиков такая задача казалась неразрешимой.
Ознакомительная версия.
