Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра - [13]
Электроскоп (см. рисунок 1) — это прибор для обнаружения электрического заряда. Он состоит из двух листов фольги — обычно из золота или алюминия, — подвешенных к металлическому стержню. Устройство размещается в стеклянном или металлическом сосуде. Стержень выступает из сосуда с одной из сторон, а при воздействии на него заряженным телом два листа заряжаются и вследствие электростатической силы взаимно отталкиваются. Таким образом можно было установить, имеет тот или иной объект электрический заряд. Первый электроскоп был сконструирован Уильямом Гильбертом (1544- 1603), английским физиком, пионером изучения свойств магнитов. Когда листы в электроскопе возвращались в первоначальную позицию, это означало, что они теряют заряд, несмотря на то что внутреннее устройство было электрически изолировано.
РИС. 1
Скоро был сделан вывод о том, что поскольку воздух слегка ионизирован, заряд может переходить от металлических листов к стенкам электроскопа. Однако существовали и сомнения, которые необходимо было развеять: почему воздух ионизируется? В1900 году Чарльз Вильсон (1869-1959), шотландский физик, получивший в 1927 году Нобелевскую премию за разработку туманной камеры, смог установить, что ионизация воздуха происходит вследствие естественной радиации, которая есть повсюду. Поэтому в электроскопах мы можем наблюдать, что заряженные листы постепенно возвращаются в начальное положение (см. рисунок 2). В присутствии радиоактивных веществ этот процесс ускоряется, и чем выше интенсивность радиации, тем он быстрее. Так электроскоп превратился в инструмент для измерения фоновой радиации радиоактивных материалов.
РИС. 2
Листы электроскопа, вид сбоку. Проводящие пластинки или листы, имеющие одноименный электрический заряд, взаимно отталкиваются.
Мейтнер не стала исследовать, что именно вызывает рассеяние альфа-частиц. А Резерфорд, напротив, был одержим поиском ответа на этот вопрос, что привело его к исключительному открытию, — мы говорим об открытии атомного ядра в 1911 году. Взяв тончайшую металлическую пластину и приступив к ее бомбардировке альфа-частицами, он сделал следующий прогноз: если предложенная Томсоном пудинговая модель атома верна, то воздействующие на пластинку частицы не должны отклоняться от своей траектории. Электроны, плавающие в положительно заряженном облаке, имеют слишком небольшой размер, чтобы вызвать отклонение альфа-лучей от линейной траектории. Однако когда опыт, поставленный Марсденом и Гейгером (см. рисунок 3) указал на отклонение альфа-частиц, Резерфорд сделал вывод: «Если принять во внимание данное свидетельство в общем виде, самым простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, расположенный в очень малом объеме». Так было открыто атомное ядро (см. рисунок 4).
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.
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.
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:
