Открытие нейтронов не только помогло физикам подробно изучить структуру ядра, но и дало им новый инструмент, позволивший раскрыть другие секреты атома. Дело в том, что, поскольку нейтроны — нейтрально заряженные субатомные частицы, с их помощью можно обстреливать ядро, имеющее положительный заряд, без угрозы искажения их траектории силой электростатического отталкивания.
Итальянский физик Энрико Ферми вместе со своей исследовательской группой занялся в Риме систематическим изучением, как влияет на ядро бомбардировка нейтронами. Начав с самых легких элементов, ученые поднимались все выше по периодической таблице. Приступив в 1934 году к бомбардировке нейтронами ядра наиболее тяжелого элемента — урана, физики обнаружили, что им удалось создать элементы с большей атомной массой, чем у него. Подобные элементы, отсутствующие в природе, получили название трансурановых. Новость об открытии, названном триумфом итальянской науки, обошла первые полосы многих газет и журналов.
Ган, находившийся тогда в Берлине, обратил на это открытие пристальное внимание и в тесном сотрудничестве с Мейтнер провел химические исследования, повторив опыты Ферми и поставив другие, более детальные, эксперименты.
Все ученые, причастные к данным исследованиям, в равной степени обратили внимание на то, что хотя бомбардировка нейтронами и изменяла химические элементы, но изменения эти были не очень значительны и носили поэтапный характер. Поглощение нейтронов, по расчетам исследователей, изменяло состав ядра-мишени лишь на один-два протона или нейтрона. Другими словами, все элементы, которые могли быть получены экспериментальным путем, в периодической таблице должны были располагаться лишь на одну-две позиции выше или ниже исходного.
Ган и его ассистент Фриц Штрассман раз за разом аккуратно повторяли эксперимент по бомбардировке нейтронами ядра урана. Немецкие физики с самого начала были твердо уверены, что работают над получением высокорадиоактивного элемента радия, атомная масса которого немного ниже массы урана. Получить трансурановые элементы им никак не удавалось.
Обычный изотоп урана, наиболее устойчивый, содержит 92 протона и 146 нейтронов, таким образом, его атомная масса составляет 238 (изотоп обозначается как U238). В ядре радия 88 протонов; этот элемент имеет большое количество радиоактивных изотопов, различающихся числом нейтронов. Так, наиболее распространенный изотоп радия имеет 138 нейтронов, то есть всего в его ядре 226 «нуклонов». Превращение урана в радий — а именно этим, по мнению Гана и Штрассмана, они и занимались — представляет собой очень значительный скачок в изменении массы элемента, поскольку разница в положении исходного и конечного продуктов эксперимента в периодической таблице составляет четыре позиции. Столь значительная трансформация намного превосходила результаты, полученные при бомбардировке нейтронами, при которой были зафиксированы лишь небольшие и носившие поэтапный характер изменения.
В конце 1938 года Ган отправил своей коллеге, которая к тому моменту совершенно пала духом, письмо с сообщением об итогах экспериментов, и Мейтнер призвала его быть крайне острожным. Беспрецедентные результаты, полученные в ходе опытов Гана и Штрассмана, попросту не находили объяснения в рамках тогдашней теории атомного ядра.
Переход массы в энергию
Выйдя утром из номера, Фриш застал тетю уже за завтраком. В Кунгэльве он провел пока только одну ночь. Тем временем наступил канун Рождества 1938 года. Наконец представился подходящий случай приглушить мрачные мысли о событиях в Германии и переживания за судьбу отца. Ему хотелось хоть немного поговорить о физике, рассказать тете о новом эксперименте, над которым он работал. Но, как оказалось, ей было совсем не до племянника. Она жадно вчитывалась в новое письмо от Гана, датированное 19 сентября. В письме были последние новости о результатах его работы, и иначе, чем ошеломляющими, назвать их было нельзя.
Ган и Штрассман провели повторные эксперименты и пришли к выводу, что полученный ими элемент был вовсе не радием. На самом деле им удалось создать атомы бария! Самый распространенный изотоп бария имеет всего 56 протонов и 82 нейтрона, что в сумме дает 138. Эти цифры как раз и являли собой самый удивительный факт. Использован был, как обычно, тот же самый уран, но полученный элемент стоял ни на одну-две или даже четыре позиции ниже в периодической таблице, как было после первых экспериментов, а на целых 36! В результате бомбардировки нейтронами ядро урана разделилось практически надвое.
«Это абсолютно невозможно, — авторитетно заявил Фриш. — Они наверняка допустили ошибку в расчетах». Но Мейтнер была непоколебима. Она утверждала, что Ган не может допустить столь фундаментальной ошибки. У него достаточно опыта, чтобы исключить из работы подобные оплошности.
За несколько дней до этого Лиза оправила Гану ответ на его первое письмо, в котором назвала полученные им результаты «просто потрясающими», но дальше написала: «Однако в ядерной физике мы уже не раз получали разного характера сюрпризы, поэтому ни о чем нельзя говорить с уверенностью, будто бы это невозможно».
Оживленный спор, вспыхнувший между Фришем и Мейтнер, продолжился и после завтрака. Они вышли из гостиницы и направились через пойму реки в сторону редкого леса. Фриш шел по льду на лыжах, тетя семенила рядом. Спор не утихал ни на секунду. Как мог какой-то нейтрон вызвать в ядре урана столь значительные изменения? Но ведь в сущности никто и не знал, как должно это ядро реагировать на подобное воздействие. В такой ситуации оставалось только строить предположения-аналогии с более известными физическими явлениями и надеяться хоть в чем-то оказаться правым.
Одно из подобных предположений по аналогии было сделано десять лет назад физиком украинского происхождения Георгием Гамовым и впоследствии использовано Бором при описании ядерных реакций. Мейтнер вспомнила эту теорию. В ней говорилось, что силы, удерживающие вместе составные части ядра атома, по своей сути схожи с силой поверхностного натяжения, удерживающей каплю жидкости от разделения на отдельные молекулы. Модель ядра строилась на подобной аналогии, при этом говорилось, что своей устойчивостью оно, с одной стороны, обязано силе поверхностного натяжения, удерживающей элементы ядра вместе, а с другой — отталкивающей силе, с которой положительно заряженные протоны действуют друг на друга, оказывая давление на ядро изнутри.
Величина каждой из этих сил возрастает вместе с увеличением ядра, однако отталкивающая сила растет быстрее и в итоге, когда число протонов достигает примерно ста, преодолевает силу поверхностного натяжения[5]. Возможно, как раз в ядре урана, насчитывающем 92 протона, баланс двух сил очень хрупок. Не исключено, что для распада ядра достаточно добавить в него всего один нейтрон и тогда ядро вытянется и разделится где-то посередине, образовав две маленькие «капли».
