Lise Meitner i rozszczepienie jądra atomowego

 /   Tomasz Pospieszny   /

zaktualizowano 28 grudnia 2021 r.

 

Ostatnie dni grudnia 1939 roku należały do Lise Meitner i Ottona Hahna, którzy wymieniając niezwykle intensywnie korespondencję rozpisywali się o jednym z najważniejszych wydarzeń w historii nauki. O rozszczepieniu jądra atomowego.

Zapraszamy do lektury fragmentu książki Tomasza Pospiesznego pt. Zapomniany geniusz. Pierwsza dama fizyki jądrowej, Novae Res, Gdynia 2016.

 

***

Teraz Hahn musiał się spieszyć. Wyniki były może do końca niezrozumiałe, a wyjaśnienie dalekie, ale trzeba było się spieszyć. W Paryżu ta „przeklęta baba”, Irène Joliot-Curie, mogła mieć rację z lantanem i dreptała tuż za Hahnem. Kto wie, może równo z nim. Na gotowy maszynopis Hahn naniósł szybkie poprawki. W ostatnim momencie, uzgadniając to z Fritzem, zmienił tytuł na „Odkrycie izotopów metali alkalicznych powstających przy napromieniowaniu uranu neutronami i ich zachowanieˮ. W tej subtelnej zmianie – izotopów metali alkalicznych – ujął rad i bar, bowiem oba pierwiastki należą do metali alkalicznych. 22 grudnia oryginalny maszynopis odebrał Paul Rosbaud (redaktor „Naturwissenschaften”), a Hahn wrzucił do skrzynki pocztowej kopię zaadresowaną do Lise Meitner. W ciągu doby tekst pracy Hahna i Strassmanna przeczytały tylko te dwie osoby:

 

[…]Gdy wykonaliśmy odpowiednie badania promieniotwórczych próbek baru, które nie zawierały żadnych produktów późniejszych rozpadów, wyniki były zawsze negatywne. Substancja promieniotwórcza rozłożona była równomiernie we wszystkich frakcjach baru. […]Doszliśmy do wniosku, że nasze „izotopy radu” mają właściwości baru. Jako chemicy właściwie powinniśmy stwierdzić, że nowe produkty nie są radem, lecz barem. Żadne inne pierwiastki oprócz radu i baru nie wchodzą w rachubę.  […]

[…]Jako chemicy powinniśmy w istocie zmienić podany wyżej schemat rozpadu i wstawić symbole Ba [bar] , La [lantan] , Ce  [cer] na miejsce Ra  [rad] , Ac [aktyn] , Th [tor]. Jednakże jako „chemicy jądrowi”, pracujący w dziedzinie bardzo zbliżonej do fizyki, nie możemy zdobyć się na podjęcie tak drastycznego kroku, który byłby sprzeczny z wszystkimi dotychczas obowiązującymi prawami fizyki jądrowej. Być może wskutek szeregu niezwykłych zbiegów okoliczności otrzymaliśmy fałszywe wskazania[1].

 

Artykuł autorstwa niemieckich uczonych musiał wzbudzać kontrowersje. Po pierwsze, praca ta potwierdzała przypuszczenia Idy Noddack, która głośno i samotnie kwestionowała wcześniejsze prace Fermiego oraz zespołu Hahn–Meitner–Strassmann. Po drugie, ostatecznie przyznawała rację trudnej i zawiłej interpretacji doświadczeń przeprowadzonych przez Irène Joliot-Curie i Pavlé Savića. Po trzecie, podważała wcześniejsze badania nad transuranowcami, które zaowocowały przecież wieloma publikacjami grupy berlińskiej. Wreszcie nikt nie miał pewności, a wręcz przeciwnie: całą masę wątpliwości, że atom uranu jakimś sposobem przekształca się w atom baru. Hahn cały czas rozmyślał o wynikach ostatnich doświadczeń. 27 grudnia zatelefonował do Rosbauda z zapytaniem, czy można jeszcze dodać krótki akapit uzupełniający wnioski.

 

Jeśli chodzi o „grupę transuranowców”, to pierwiastki te są chemicznie powiązane, ale nie identyczne z ich niższymi homologami renu, osmu, irydu i platyny. Nie zostały jeszcze wykonane eksperymenty, które by potwierdzały, że mogą one być chemicznie identyczne z jeszcze niższymi homologami mazurem [obecnie technet] , rutenem, rodem, palladem.  […]Suma mas atomowych Ba + Ma [mazur] , na przykład, 138+101 wynosi 239! [2]

 

I ponownie Hahn szukał poparcia dla swoich pomysłów u Lise Meitner. Dzień później napisał do niej i Frischa list[3] dotyczący dołączonego akapitu. Korespondencja była dynamiczna (skoro tak intensywnie pracowali na odległość, co mogłoby się wydarzyć, gdyby Lise nie musiała emigrować?).

 

28 grudnia 1938 roku

Chcę Ci jeszcze szybko napisać parę słów o moich fantazjach dotyczących Ba, etc. Może w Kungälv jest z Tobą Otto Robert i może omówicie ten problem przez chwilę. Wysłaliśmy Tobie rękopis naszej pracy*.  […]Czy byłoby możliwe, aby uran 239 rozpadł się na 1 Ba i 1 Ma? Ba 138 i Ma 101 dają razem 239. Nie musi być akurat taka liczba masowa. Mogłoby też być 136 + 103, czy coś podobnego. Oczywiście nie zgadzają się liczby atomowe. Kilka neutronów musiałby się przemienić w protony, aby uzyskać takie ładunki. Czy to energetycznie jest możliwe? Wszystko inne jest udowodnione,  […]wówczas transuranowce „ausenium” i „hesperium” [pierwiastki 93 i 94] znikną. Nie wiem, czy to by mnie bardzo smuciło, czy nie*[4].

 

Było to intrygujące stwierdzenie. Jeśli Hahn miał rację, to odkrył zupełnie nowe zjawisko i jednocześnie przekreślił lata wspólnych badań z Meitner. Swoimi badaniami podważył istnienie transuranowców! Powodowało to znaczne zamieszanie w fizyce i chemii jądrowej. Przekreślało prace Fermiego i jego rzymskiej grupy, przekreślało prace Meitner i Hahna. Nieco oszołomiona Lise wyznała:

 

Nie mogliśmy tego zauważyć. To jest zupełnie niespodziewane. Hahn jest dobrym chemikiem i ufałam, że jeśli zidentyfikował jakieś pierwiastki, to miał rację. Kto mógłby pomyśleć, że chodzi o coś znacznie lżejszego?[5]

 

Kiedy Hahn i Strassmann przeprowadzali pierwsze doświadczenia z neutronami i uranem, Lise Meitner obchodziła pierwsze Boże Narodzenie na emigracji. Z dala od rodziny, przyjaciół. Z dala od domu. Jedyną bliską osobą, która mieszkała w Szwecji, była Eva von Bahr-Bergius, z którą Meitner zaprzyjaźniła się jeszcze w latach dwudziestych. Eva wspólnie z mężem Niklasem Bergiusem (1871–1947) wybudowała piękny dom w Kungälv, oddalonym około dwadzieścia kilometrów od Göteborga, do którego zaprosiła na święta bożonarodzeniowe Meitner. Uczona chyba z radością przyjęła zaproszenie, tym bardziej że miała się tam spotkać z ukochanym siostrzeńcem Ottonem Robertem. Frisch – podobnie jak ciotka – był uchodźcą pracującym w Kopenhadze pod opieką Nielsa Bohra. Niestety święta 1938 roku były dla nich obojga bardzo przykre i smutne. Spędzali je z dala od rodziny i nie wiedzieli, czy osoby bliskie ich sercom nadal żyją. Od czasu aresztowania ojca Frischa nie było także kontaktu z jego matką.

Meitner zatrzymała się w przytulnym pensjonacie i z niecierpliwością oczekiwała na swojego siostrzeńca. Pojawił się wieczorem, zmęczony podróżą. Nazajutrz podekscytowana Meitner zaczęła relacjonować siostrzeńcowi doświadczenia Hahna. Frisch początkowo był bardzo sceptyczny wobec opowieści ciotki. W tym czasie zajmował go problem magnetycznych właściwości neutronów i miał nadzieję, że przedyskutuje go z Lise. Ta jednak nie dawała za wygraną. Zmusiła siostrzeńca, by przeczytał list Hahna z 19 grudnia. Po pierwszej lekturze listu Frisch nie był nastawiony przychylnie:

 

Bar? Nie wierzę. Gdzieś jest jakiś błąd[6].

Nie, Hahn był zbyt dobrym chemikiem. Ale jak bar może tworzyć się z uranu?[7]

– Ale to niemożliwe! Nie można jednym uderzeniem odłupać od jądra stu cząsteczek. Nie można go nawet przeciąć. Wystarczy oszacować siły jądrowe, wszystkie te wiązania, które musisz naraz zerwać – to fantazja. To zupełnie niemożliwe, by coś takiego mogło się z jądrem zdarzyć[8].

 

Uczona była przekonana, że nie może być mowy o błędzie. Błędy mogła popełniać Irène Joliot-Curie, ale nie współpracownicy jej, Lise Meitner. Wybrali się na wspólny spacer. Frisch założył narty, a ciotka towarzyszyła mu pieszo. Kiedy siostrzeniec wyraził obawę, że Lise za nim nie nadąży, odpowiedziała, że szybkie chodzenie ją odmładza i utrzymuje w ruchu[9]. Po latach Frisch wspominał:

 

[…]Usiedliśmy oboje na pniu drzewa (wszystkie dyskusje miały miejsce, gdy szliśmy przez las w śniegu, ja na moich biegówkach, a Lise Meitner (zgodnie z wcześniejszym zapewnieniem, szła równie szybko bez nart) i zaczęliśmy wykonywać obliczenia na skrawkach papieru[10].

Jak może z uranu powstać bar? Nikomu nigdy nie udało się oderwać od jądra żadnych fragmentów większych niż protony czy jądra helu (cząstki alfa) i należało odrzucić myśl, że możliwe jest oddzielenie naraz wielu takich cząstek.  […]Wykluczone również, by jądro uranu po prostu pękło. Naprawdę, jądro to nie krucha bryłka, którą można rozłupać lub przełamać. Bohr podkreślał, że jądro bardziej przypomina kroplę cieczy[11].

 

Rzeczywiście model kroplowy jądra atomowego zaproponowany przez Bohra umożliwił wyjaśnienie zagadki Lise i Robertowi. Frisch podsumowywał:

 

Powoli zdaliśmy sobie sprawę z tego, że rozszczepienie uranu na dwie w przybliżeniu równe części… należy ująć z innej strony. Obraz byłby taki… jądro atomu zmienia stopniowo pierwotny kształt, wydłuża się, zwęża pośrodku, po czym dzieli się na dwie połowy[12].

 

Im większy ładunek w jądrze atomowym, tym większa jego niestabilność. Uran ma aż 92 protony, zatem jest niestabilny (protony odpychają się, przez co niestabilność jądra wzrasta). Dlatego w przyrodzie nie ma naturalnie występujących pierwiastków o liczbie protonów większej niż 92. Wystarczył jeden jedyny neutron, który powodował zwiększenie energii jądra, wskutek czego jądro zaczęło drgać i w efekcie pękać. Powstające dwa nowe jądra oddalają się od siebie z dużą prędkością. Ich masa było nieco mniejsza niż jądro macierzyste, a ów ubytek masy zgodnie z równaniem Einsteina E = mc2 przekształcał się w energię wynoszącą 200 MeV![13] Frisch wspominał:

 

Lise Meitner obliczyła, że dwa jądra powstałe w wyniku podziału jądra uranu będą lżejsze niż pierwotne jądro uranu o około jednej piątej masy protonu… Zgodnie z formułą Einsteina E = mc2… jedna piąta masy protonu jest równoważna 200 MeV[14].

 

24 grudnia 1938 roku w przepięknie zaśnieżonym lesie w odległej Szwecji Meitner wspólnie ze swoim siostrzeńcem wyjaśniła jedną z zagadek Matki Natury. Wszystko stało się jasne. Lise napisała do Hahna, ale jeszcze nie wyznała mu, że wspólnie z Frischem odkryła rozwiązanie.

 

29 grudnia 1938

Drogo Otto,

bardzo dziękuję za Twój list z 28… Wyniki Ra-Ba są bardzo ekscytujące. Otto R. i ja łamiemy sobie głowy; niestety nie dostałam jeszcze maszynopisu, ale właśnie posłałam po niego i mam nadzieję otrzymać go jutro. Wtedy będziemy mogli o tym lepiej pomyśleć.

1 stycznia 1939, godz. 12:30

Drogi Otto,

rok zaczynam listem do Ciebie. Może to być dobry rok dla nas wszystkich. Przeczytaliśmy i przemyśleliśmy bardzo dokładnie Twoją pracę, ale czy energetycznie byłoby możliwe, żeby takie ciężkie jądro pękało. Wprawdzie Twoja hipoteza o powstawaniu Ba i Ma jest niemożliwa z kilku powodów[15].

_____________________________________

[1] Ibidem, str. 228.

[2] P. Rife, „Lise Meitner…”, op. cit., str. 187.

[3] Profesor Sime podaje, że korespondencja pomiędzy Hahnem i Meitner dochodziła z dnia na dzień. Co za czasy!

 

[4] K. Hoffmann, „Wina i odpowiedzialność…”, op. cit., str. 141.

*Cytuję zdanie za: P. Rife, „Lise Meitner…”, op. cit., str. 192.

* Cytuję zdanie za: R. L. Sime, „Lise Meitner…”, op. cit., str. 239.

[5] R. Rhodes, „Jak powstała bomba atomowa”, op. cit., str. 232.

[6] Ibidem, str. 230.

[7] O. R. Frisch, „What Little I Remember”, op. cit., str. 115.

[8] R. Rhodes, „Jak powstała bomba atomowa”, op. cit., str. 230.

[9] Ibidem, str. 209.

[10] O. R. Frisch, „What Little I Remember”, op. cit., str. 116.

[11] R. Rhodes, „Jak powstała bomba atomowa”, op. cit., str. 230.

[12] R. Jungk, „Jaśniej niż tysiąc słońc”, op. cit., str. 62.

[13] 200 milionów eV (elektronovoltów). Energia z jednego atomu nie oszałamia, ale z jednego grama uranu już tak. Znajduje się w nim bowiem 2,53 x 1022 atomów!

[14] N.-T. H. Kim-Ngan, „Niedoceniony przez komitet Nagrody Nobla…”, op. cit., str. 20.

[15] R. L. Sime, „Lise Meitner…”, op. cit., str. 240.

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.

 

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *