Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

«Расщепление» означает раскол, разъединение, разделение. Под термином «расщепление ядра» понимается деление атомного ядра. В ядре, расположенном в центре атома, сконцентрирована практически вся его масса. Ядро состоит из двух типов частиц — положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Среди элементов с наибольшим количеством частиц в ядре можно назвать уран с 92 протонами и разным количеством нейтронов; при изменении количества нейтронов образуются так называемые изотопы, в данном случае — изотопы урана. Для их точной идентификации указывается массовое число (сумма протонов и нейтронов), так что мы говорим об уране-234, уране-235 и уране-238.

Уран в начале XX века вызывал большой интерес ученых. Этот элемент очень нестабилен, его ядро разделяется спонтанно, при этом наблюдаются два типа распада: альфа-распад (испускается частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов) и бета-распад (испускается один электрон). Во времена Мейтнер уран считался элементом с самым большим атомным числом. О существовании элементов с большим количеством протонов ничего не было известно, так что уран замыкал периодическую таблицу.

У многих ученых задача определить возможность существования элементов с большим атомным числом вызывала огромный интерес. Эти гипотетические элементы были названы трансурановыми. Сам Энрико Ферми провел серию опытов по бомбардировке урана нейтронами и пришел к выводу, что при этом образуются некие элементы, которые могут быть трансурановыми, а также возникают трудно интерпретируемые цепные реакции. Опыты по бомбардировке урана нейтронами воспроизвели другие ученые, среди которых были Мейтнер и Ган. Исследования продолжались в течение нескольких лет, и задержка в их корректной интерпретации объяснялась существовавшими в тот момент представлениями в области физики и химии. В конце концов Мейтнер и Ган смогли доказать, что бомбардировка нейтронами вызывает деление ядра урана на две части.

В ту эпоху многие ученые в разных странах совершили важнейшие открытия, касавшиеся природы атомов. Эти открытия постепенно дополняли друг друга, пока не вырисовалась невероятно сложная теоретическая картина, подтвержденная экспериментально. В основе нового понимания структуры материи лежат открытия, сделанные уникальными физиками XX века — новозеландцем Эрнестом Резерфордом, французской парой Ирен Кюри и Фредериком Жолио, американцем Эрнестом Лоуренсом и итальянцем Энрико Ферми.

Возможно, самым ценным следствием открытия расщепления атома стала возможность использовать огромное количество энергии, содержащееся в каждом ядре и выделяющееся при его распаде. После деления ядра уран превращается в более легкие химические элементы, такие как криптон и барий. Мейтнер доказала, что энергия, высвобождающаяся при распаде, то есть энергия, потенциально содержащаяся в ядре, может быть рассчитана на основе соотношения материи и энергии, открытого Альбертом Эйнштейном в его теории относительности. Так как сумма массы продуктов распада немного меньше первоначальной массы атома, мы вслед за Эйнштейном можем сказать, что разница масс трансформируется и высвобождается в виде энергии.

Количество энергии, выделяющееся при расщеплении одного ядра, может показаться незначительным в абсолютных величинах, но при распаде урана также испускаются нейтроны. Эти нейтроны, в свою очередь, могут вызвать новые расщепления. Энергия от таких цепных реакций расщепления называется ядерной энергией. Процесс цепной реакции открыли Лео Силард и Энрико Ферми. Предполагалось, что расщепление высвобождает силы, заключенные внутри атомов. Понимание механизмов их взаимодействия является фундаментальным условием контроля и возможности использования этих сил.

Расщепление ядра исторически связано с датой 6 августа 1945 года, когда бомбардировщик Enola Gay поднялся с Марианских островов, чтобы через шесть часов сбросить ядерную бомбу на город Хиросима. Разрушительная мощь «Малыша» (от англ. Little Boy), как назвали эту бомбу, превосходила мощь любого другого оружия, когда-либо изобретенного человеком. Мейтнер неизменно отказывалась от участия в разработке бомбы, хотя ее приглашали присоединиться к Манхэттенскому проекту. Несколько лет спустя Мейтнер, занимавшаяся исследованиями, направленными на мирное использование ядерной энергии, согласилась сотрудничать в этой сфере с Международным агентством по атомной энергии ООН. В 1950-х годах начали возникать многочисленные проекты, связанные с коммерческим использованием ядерной энергии, — в это время появились первые атомные станции, вырабатывающие электричество.