Lise Meitner i rozszczepienie jądra atomowego

Lise Meitner, fotografia dzięki uprzejmości Lotte Meitner-Graf, www.lottemeitnergraf

11 lutego minęła osiemdziesiąta rocznica opublikowania przez Lise Meitner i jej siostrzeńca Ottona Roberta Frischa artykułu, który zmienił oblicze fizyki i chemii jądrowej. Z tej okazji przedstawiamy fragment książki Tomasza Pospiesznego pt. Zapomniany geniusz. Lise Meitner – pierwsza dama fizyki jądrowej.

 

6 stycznia w Naturwissenschaften ukazał się artykuł autorstwa Ottona Hahna i Fritza Strassmanna o dziwnym zachowaniu uranu pod wpływem bombardowania neutronami. Jak podaje Klaus Hoffmann nie padł tam jeszcze termin „rozszczepienie atomu”… 10 stycznia Hahn napisał do Lise kolejny list, w którym relacjonował, że nasz Ra z toru także jest Ba! Eksperyment, który zrobiliśmy wskazuje na to w sposób oczywisty… Dlaczego pokazał się przede wszystkim Ba, nie wiem[1]. Jednakże bezwzględnie stało się jasne – jądro atomu pęka na mniejsze fragmenty. Otto jako chemik popełnił jednak istotny błąd, który zrozumiała i poprawiła Meitner. Słusznie wydedukowała, że jeśli jedną „połówką” był izotop baru (Z=56), to druga musi być kryptonem (Z=36), który może rozpadać się na Rb-Sr-Y-Zr[2]. Miała rację, bowiem to nie suma mas atomowych odpowiadała prawdzie, ale liczb atomowych: 92U = 56Ba + 36Kr!

Świąteczny pobyt Meitner i Frischa w końcu się zakończył. Ona wróciła do Sztokholmu, on do Kopenhagi. Otton Robert zaraz po przyjeździe udał się do Bohra, aby powiadomić go o nowym odkryciu: Ledwie zacząłem mówić, uderzył się ręką w czoło i wykrzyknął: „Och, co z nas za idioci! Och, to wspaniałe! Tak to właśnie musi być! W liście do ciotki relacjonował, że Bohr natychmiast i z wielkim uznaniem zgodził się z nami (…) Chce jeszcze wieczorem rozważyć to ilościowo i jutro ze mną o tym porozmawiać[3].

Przed rozjazdem do domów Meitner i Frisch postanowili podać swoje wyjaśnienia we wspólnej publikacji. Detale uczeni uzgodnili już przez telefon. 6 stycznia Frisch pokazał wstępny tekst Bohrowi, który na pół roku wyjeżdżał z wykładami do Stanów Zjednoczonych. Mistrz obiecał Robertowi, że utrzyma wszystko w tajemnicy dopóki tekst nie ukaże się drukiem. 7 styczna Frisch z wydrukowanym artykułem Hahna i Strassmanna poszedł do laboratorium George’a Placzka (1905-1955), który z miejsca skrytykował pracę niemieckich uczonych. Radził by Frisch odszukał fragmentów pękniętego jądra w komorze mgłowej. Uczony rozpoczął badania 13 stycznia 1939 roku i w ciągu doby potwierdził wyniki berlińskiej grupy. Dokonał fizycznego dowodu na chemiczny eksperyment Hahna. Poza radością z odkrycia, Frischa ucieszyła bardziej inna wiadomość. Jutz Frisch ojciec uczonego został zwolniony z obozu i 14 stycznia razem z Gusti będą mogli przyjechać do Sztokholmu. Będą przebywać z Lise! Podwójnie szczęśliwy Robert udał się do zaprzyjaźnionego biologa Williama Arnolda i zapytał: jak nazywacie proces, w którym bakteria dzieli się na dwie? Binary fission[4] – padła odpowiedź. Później Frisch mówił:

 

Bijące w oczy podobieństwo ze sposobem rozmnażania się bakterii (fission) skłoniło nas do użycia w pierwszej opublikowanej notatce terminu nuclear fission (rozszczepienie jądra). Otto Hahn nazywał ten proces „pękaniem”. Komunikat nasz został z pewnym trudem zredagowany przez telefon, gdyż pani profesor Meitner pojechała do Sztokholmu, podczas gdy ja nadal pracowałem w Kopenhadze[5].

Artykuł Lise Meitner i Otto Roberta Frischa, [za:] www.nature.com
            Przez weekend Frisch i Meitner uzgodnili tekst artykułu pt. „Rozbicie uranu przez neutrony: nowy rodzaj reakcji jądrowejˮ[6], który wysłali do Nature 16 stycznia. W artykule wydanym 11 lutego 1939 roku uczeni użyli po raz pierwszy terminu fission – rozszczepienie. Hahn wykonał eksperyment, Meitner go prawidłowo zinterpretowała. Jak zwykle uzupełniali się doskonale.

Intelektualny wkład Lise Meitner w wyjaśnienie zjawiska rozszczepienia jądra atomowego nigdy nie został doceniony. Co najgorsze, nie docenił go sam Hahn. Uczony odciął się od udziału Meitner całkowicie. Hahn rozpoczął rozdzielanie odkrycia, oddzielając się od Meitner, oddzielając chemię od fizyki[7]. Podkreślał, że gdyby Meitner pozostała w Berlinie wykluczyłaby powstawanie baru w procesie bombardowania uranu. Obawiam się, że Lizunia zabroniłaby mi rozszczepiać uran – mówił po latach niby żartobliwie[8].

[1] N.-T. H. Kim-Ngan, Niedoceniony przez komitet Nagrody Nobla udział austriackiej uczonej Lise Meitner w odkryciu rozszczepienia jadra atomowego, Postępy Techniki Jądrowej, vol. 50(1), 2007, 15–23.

[2] Ibidem, str. 20. Ten wniosek Meitner i Frisch umieścili w artykule opublikowanym w Nature, 3615, 1939, str. 239–238.

[3] R. Rhodes, Jak powstała bomba atomowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000, str. 233.

[4] Ibidem, str. 235.

[5] R. Jungk, Jaśniej niż tysiąc słońc, Państwowy Instytut Wydawniczy, Warszawa, 1967, str. 62.

[6] R. Rhodes, Jak powstała bomba atomowa, op. cit., str. 235.

[7] R. L. Sime, The Politics of Forgetting: Otto Hahn and the German Nuclear-Fission Project in World War II, Phys. Perspect. 14, 2012, str. 59-94. Dzięki uprzejmości profesor R. L. Sime, która przesłała mi tekst artykułu.

[8] K. Hoffmann, Wina i odpowiedzialność: Otto Hahn, konflikty uczonego, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1997, str. 142 oraz R. L. Sime, Lise Meitner. A Life in Physics, University of California Press, Berkeley and Los Angeles, California, 1996, str. 454.

 

120. rocznica odkrycia Radu

Portret Marii Skłodowskiej-Curie, b.d., Library of Congres, sygn. LC-DIG-ggbain-07682.

Zdecydowałam się wreszcie na temat mojej rozprawy doktorskiej. Uwagę moją zwróciły ciekawe wyniki badań Henri Becquerela soli rzadkiego metalu – uranu.

Maria Skłodowska-Curie, Autobiografia

120 lat temu  – dnia 26 grudnia 1898 roku – małżonkowie Curie wspólnie z Gustave’m Bémontem ogłosili komunikat o odkryciu nowej, silnie promieniotwórczej substancji: w związku promieniotwórczym znajduje się nowy pierwiastek, który proponujemy nazwać radem.

Pod koniec 1897 roku Maria Skłodowska-Curie zaintrygowana doniesieniami na temat promieniowania X i promieniowania Becquerela rozpoczęła samodzielnie badanie ich fenomenu. Dzięki wstawiennictwu męża Pierre’a Curie udostępniono jej ciasne pomieszczenia Szkoły Fizycznej, gdzie powtórzyła prace Becquerela. Jego eksperymenty ulepszyła stosując w miejsce kliszy fotograficznej używanej przez uczonego, bardzo czuły elektrometr. Mogła teraz dokładnie stwierdzić, że natężenie promieniowania uranowego zależy od zawartości uranu w badanej próbce i jest do niej proporcjonalne. Jako pierwsza stwierdziła, że promieniowanie jest właściwością atomową uranu.

Następnie zaczęła systematyczne badać wszystkie dostępne wówczas pierwiastki chemiczne w stanie wolnym lub występujące w związkach chemicznych. Zauważyła (niezależnie od niemieckiego uczonego Gerharda Carla Schmidta), że również tor wysyła dziwne promieniowanie. W rozprawie doktorskiej Maria napisała: P. Schmidt pierwszy ogłosił, że tę właściwość posiada również tor i jego związki. Przeprowadzone jednocześnie odpowiednie badania i mnie także dały wynik takiż sam. Ogłosiłam to spostrzeżenie, nie znając jeszcze komunikatu p. Schmidta. Uczona jednak udowodniła, że emisja promieniowania emitowanego przez tor jest ilościowo inna od emisji uranu.

Maria Skłodowska-Curie podczas pracy, fot. Henri Manuel, Muzeum Marii Skłodowskiej-Curie w Warszawie

Niezwykle ważnym spostrzeżeniem uczonej był fakt, że niektóre minerały zawierające uran – blenda smolista, chalkolit lub autunit – emitują promieniowanie znacznie mocniej niż wynikało to z zawartości w ich składzie uranu. Ponieważ Maria wiedziała, że tylko uran i tor mogą emitować tego rodzaju promieniowanie wysunęła hipotezę, że w minerałach może być nowy, nieznany wówczas pierwiastek chemiczny.

Znając skład chemiczny chalkolitu – zawierał atomy miedzi, fosforu, tlenu, wodoru i uran– Maria postanowiła zsyntezować w swoim laboratorium ten minerał. Okazało się, że syntetyczny chalkolit emituje promieniowanie słabsze, a więc takie jakiego należałoby się spodziewać po zawartości uranu w tym minerale. Zatem naturalnie występujący minerał musiał zawierać domieszkę nowego, nieznanego dotąd nauce pierwiastka chemicznego. Maria zanotowała: Obie rudy uranu: blenda smolista (tlenek uranu) i chalkolit (fosfat miedzi i uranylu) są o wiele bardziej aktywne niż sam uran. Fakt ów jest godny uwagi i pozwala sądzić, że te minerały mogą zawierać pierwiastek o wiele bardziej aktywny niż uran.

Małżonkowie Curie w laboratorium przy ulicy Lhomond, Wellcome images, L0001761

Zaciekawiony wynikami eksperymentów żony, Pierre postanowił przyłączyć się do prac dotyczących odkrycia nowego pierwiastka. Tajemniczy pierwiastek chemiczny dawał się badać i zdradzał swoją obecność tylko poprzez swoją aktywność. Małżonkowie Curie w komunikacie z 18 lipca 1898 roku pt. O nowym ciele promieniotwórczym zawartym w smółce uranowej napisali: Nie udało nam się znaleźć sposobu, by wyodrębnić z bizmutu substancję aktywną. Przypuszczamy, że ciało, które wyodrębniliśmy ze smółki uranowej, zawiera nieznany jeszcze metal, zbliżony do bizmutu ze swoich właściwości chemicznych. Jeśli istnienie tego metalu się potwierdzi, proponujemy dla niego nazwę polon – od imienia ojczyzny jednego z nas. W tytule komunikatu po raz pierwszy małżonkowie Curie użyli słowa promieniotwórczość (radioaktywność, francuskie radioactivité). Maria Skłodowska-Curie zadbała także, aby wieści o polonie ukazały się w języku polskim (M. Skłodowska-Curie, Poszukiwanie nowego pierwiastka w pehblendzie, „Światłoˮ, 1(54) 1898).

Cztery miesiące później, w listopadzie 1898 roku małżonkowie Curie wspólnie z Gustave’m Bémontem otrzymali próbkę zawierającą pierwiastek bar, której promieniotwórczość była dziewięćset razy większa od promieniotwórczości uranu. 26 grudnia 1898 roku wspólnie z Bémontem ogłosili kolejną pracę o odkryciu drugiego nieznanego pierwiastka chemicznego – radu. W komunikacie pt. O nowej silnie radioaktywnej substancji zawartej w blendzie smolistej napisali: Wyżej wyszczególnione fakty każą nam przypuszczać, że w tym nowym związku promieniotwórczym znajduje się nowy pierwiastek, który proponujemy nazwać radem. Nowy ten związek zawiera na pewno znaczną ilość baru, mimo to jednak jest on silnie promieniotwórczy. Promieniotwórczość radu musi być zatem ogromna. Przy pomocy Eugèneʼa Demarçay’ego – specjalisty w spektroskopii emisyjnej – małżonkowie Curie uzyskali widmo emisyjne radu. Nie udało im się jednak pozyskać takiego widma dla polonu. Okazało się, że w jednej tonie blendy uranowej znajduje się około 1,4 grama radu i tylko 0,1 miligrama polonu – jest więc to pierwiastek niezwykle rzadki. Należało jednak oba pierwiastki wyodrębnić, aby pokazać światu fizyki i chemii, że one istnieją.

Wnętrze szopy-laboratorium Państwa Curie, ok. 1900, Wellcome Collection. CC BY

W opuszczonym prosektorium przekształconym w laboratorium, przy ulicy Lhomond 42 – niedaleko Wyższej Szkoły Fizyki i Chemii Przemysłowej Miasta Paryża, Maria Skłodowska-Curie wraz z mężem dokonała jednego z największych odkryć w dziejach nauk ścisłych. Uczona wspominała: Była to pozbawiona wszelkich sprzętów szopa z desek, o cementowej podłodze i oszklonym dachu, przez który miejscami przeciekał deszcz. Całe wyposażenie składało się ze zniszczonych drewnianych stołów, żelaznego pieca, dającego bardzo niedostateczne ciepło i z tablicy, na której Pierre chętnie pisał i rysował. Nie było tam wyciągu do robót, przy których wydzielają się szkodliwe gazy, trzeba było zatem wykonywać takie prace na podwórzu, gdy pogoda na to pozwalała. Podczas deszczu musieliśmy je prowadzić w szopie, przy otwartych drzwiach. […] I oto w tej nędznej, starej szopie przeżyliśmy najlepsze, najciekawsze nasze lata, poświęcając całe dnie zamierzonemu dziełu. Często też musiałam w niej przyrządzać posiłek, ażeby nie przerywać jakiegoś ważnego doświadczenia. Niekiedy wypadało mi spędzać cały dzień na mieszaniu gotującej się masy ciężkim prętem żelaznym, prawie tak wielkim, jak ja sama. Zdarzało się, że byłam wtedy naprawdę przemęczona. Kiedy indziej znów robota polegała na niezmiernie drobiazgowej i delikatnej krystalizacji frakcjonowanej w celu stężenia roztworu radu.

 

Dzięki fabryce uranu znajdującej się w Jachymowie Maria Skłodowska-Curie otrzymała tonę ziemi, którą stanowiły odpady po wydzieleniu z niej uranu. W pracy doktorskiej uczona pisała: To ta pozostałość zawiera substancje radioaktywne; jej czynność promieniotwórcza jest cztery i pół razy większa od aktywności uranu metalicznego. Rząd austriacki, do którego należą kopalnie blendy, uprzejmie zaoferował nam na cele naszych poszukiwań jedną tonę tych odpadów i upoważnił kopalnie do dostarczania nam większej ilości ton tego materiału. W 1902 roku po niezwykle pracochłonnych, żmudnych, a nade wszystko fizycznie ciężkich eksperymentach Maria otrzymała jeden decygram chlorku radu i wyznaczyła masę pierwiastka na 225±1 u. Hélène Langevin-Joliot, wnuczka uczonej, wspomniała, że Maria z roku na rok stawała się coraz wyraźniej chemikiem, zaś Pierre koncentrował się na fizyce. Babcia była bardziej cierpliwa od dziadka, świetnie zorganizowana, odważna, o bardzo silnej osobowości. Obydwoje pracowali niezwykle ciężko, ale zachowywali też pewien umiar. Między odkryciem polonu i radu, choć wiedzieli już o istnieniu drugiego pierwiastka, przerywają pracę i jadą na wakacje do Owernii na południe Francji.

Notatki laboratoryjne Marii Skłodowskiej-Curie, Muzeum Marii Skłodowskiej-Curie w Warszawie.

Zdarzało nam się powracać wieczorem po kolacji, by rzucić okiem na nasze królestwo. Bezcenne produkty, dla których nie mieliśmy pomieszczeń, leżały porozkładane na stołach i podłodze; ze wszystkich stron dostrzec było można słabo świecące kształty i ta poświata, jak gdyby zawieszona w ciemnościach, była wciąż od nowa przyczyną wzruszenia i zachwytu – wspominała Maria. Małżonkowie Curie jako pierwsi spostrzegli, że preparaty promieniotwórcze świecą i wydzielają ciepło, że zabarwiają szkło i porcelanę, że promieniowanie wysyłane przez rad przechodzi przez powietrze, przekształca tlen cząsteczkowy w ozon. Z kolei Pierre Curie rozpoczął badania biologiczne z użyciem soli radu. Przez kilka godzin wystawił swoje ramię na działanie radu. Dokładnie obserwował i opisywał proces tworzenia się rany oraz jej gojenia. Stwierdził, że skóra stała się czerwona na przestrzeni sześciu centymetrów kwadratowych; wyglądało to jak oparzenie, lecz nie bolało prawie wcale. […] Skóra rąk przejawia ogólną tendencję do łuszczenia się; końce palców, którymi trzymaliśmy tubki lub naczynia z silnie aktywnymi produktami, stają się twarde i czasem bardzo bolesne; u jednego z nas stan zapalny końców palców trwał przez dwa tygodnie i zakończył się zupełnym złuszczeniem skóry, ale bolesność nie ustąpiła całkowicie jeszcze nawet po upływie dwóch miesięcy. To właśnie dzięki pionierskim pracom Pierre’a Curie zawdzięczamy powstanie chemii radiacyjnej oraz nowej terapii leczenia raka.

Niezwykła niezłomność, geniusz, talent eksperymentatorski i nowatorskie podejście do tajemniczego świata atomów Marii Skłodowskiej-Curie i Pierreʼa Curie sprawiło, że uporządkowany świat fizyki i chemii musiał przejść rewolucję, która wprowadziła ludzkość w erę potęgi atomowej.

 

Zalecana literatura:

  1. M. Skłodowska-Curie, Autobiografia i wspomnienia o Piotrze Curie, Dom Wydawniczo-Promocyjny GAL, Warszawa, 2004.
  2. M. Skłodowska-Curie, Badanie ciał radioaktywnych, reprint wydania z 1904 roku, Komitet Historii Nauki i Techniki, Wydział I Nauk Społecznych PAN, Warszawa, 1992.
  3. M. Skłodowska-Curie, Poszukiwanie nowego pierwiastka w pehblendzie, „Światło”, 1898, nr 1 (54).
  4. P. Curie, M. Curie, G. Bémont, Sur une nouvelle substance fortement radio-active, contenue dans la pechblende, „Comptes Rendus”, 1898, nr 127, ss. 1215–1217.
  5. M. Skłodowska-Curie, Promieniotwórczość, reprint wydania z 1939 roku, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011.
  6. E. Curie, Madame Curie, reprint z 1938 roku, Ishi Press International, New York, 2017.
  7. J. Hurwic, Maria Skłodowska-Curie i promieniotwórczość, Wydawnictwo Edukacyjne Żak Zofii Dobkowskiej, Warszawa, 2008.
  8. T. Pospieszny, Nieskalana sławą. Życie i dzieło Marii Skłodowskiej-Curie, Novae Res, Gdynia, 2015.
  9. S. Quinn, Życie Marii Curie, Prószyński i S-ka, Warszawa, 1997.

Źródła ilustracji: Portret Marii Skłodowskiej-Curie pochodzi z Library of Congres, sygn. LC-DIG-ggbain-07682.

Antykwariat Abecadło

Zdjęcia pochodzą z profilu Abecadła na facebooku.

Jest w Krakowie pewien antykwariat. Klimatyczne miejsce w pomieszczeniach zabytkowej apteki z oryginalnymi aptecznym meblami. Miejsce, które tworzą prawdziwi pasjonaci. Antykwariat Abecadło – bo o nim mowa – będzie nas gościł 4 kwietnia 2019 roku. Porozmawiamy o „Uczonych kobietach z rodu Skłodowskich”.

A już dzisiaj polecamy lekturę reportażu z wizyty w Abecadle autorstwa bloga Rezerwaty Książek 👍🏻

 

Co warto przeczytać o Lise Meitner — wybór subiektywny

Wybraliśmy pięć najbardziej wartościowych książek poświęconych sylwetce Lise Meitner, które chcemy Wam polecić wraz z krótkimi opisami i naszą – subiektywną – oceną.

Zapraszamy do lektury!

 

Ruth Lewin Sime, Lise Meitner. A Life in Physics, University of California Press, Berkeley and Los Angeles, California, 1996.

Pierwsza i najlepsza jak dotąd biografia uczonej. Doskonale udokumentowana, niezwykle obszerna stanowi materiał wyjściowy dla każdego biografa uczonej. Profesor Sime poświęciła wiele uwagi i czasu analizując życie prywatne, zawodowe oraz postawy innych uczonych wpływających na życie uczonej. Doskonale zebrana bibliografia (5/5).

 

 

 

 

 

 

Patricia Rife, Lise Meitner and the Dawn of the Nuclear Age, Birkhäuser, Boston, 1999.

Biografia w dużej mierze bazująca na pracy prof. Sime. Zawiera kilka nowych wątków jednak zarówno językowo jak i historycznie ustępuje książce Sime (4/5).

 

 

 

 

 

 

Tomasz Pospieszny, Zapomniany geniusz. Lise Meitner – pierwsza dama fizyki jądrowej, Novae Res, Gdynia 2016.

Pierwsza biografia uczonej w języku polskim. Oparta na bogatym materiale źródłowym jest niewątpliwie godna uwagi i pozwala rodzimemu czytelnikowi poznać losy tej niezwykłej kobiety (5/5).

 

 

 

 

 

 

David Rennert, Tanja Traxler, Lise Meitner, Pionierin des Atomzeitalters, Residenz Verlag, Salzburg–Wien, 2018.

Najnowsza biografia uczonej. Zawiera doskonały opis historii nominacji Lise Meitner do Nagrody Nobla. Książka niewątpliwie warta przeczytania (5/5).

 

 

 

 

Tom Weston, Fission, tom weston media, USA, 2001.

Jest to pierwsza powieść opowiadająca o życiu Lise Meitner i historii odkrycia rozszczepienia jądra atomowego. Zawiera przejmujące dialogi, które mogły mieć miejsce w rzeczywistości. Napisana jasnym i lekkim językiem. Warto przeczytać (5/5).