Отто Ган (1879–1968) і розщеплення атома: історія найвеличнішого відкриття в ядерній фізиці

Ігор Сальниченко
16 лют.
Читати 4 хв

Ранні роки Отто Гана та формування наукового світогляду

Отто Ган (1879–1968) народився 8 березня 1879 року у Франкфурті-на-Майні (Німеччина) в родині успішного підприємця, який спеціалізувався на виготовленні скляних виробів. Отто був наймолодшим серед чотирьох дітей. За свідченням біографів [1], допитливість та інтерес до природничих наук проявилися у нього ще з раннього дитинства: він захоплювався дослідами з хімічними речовинами та часто проводив невеличкі експерименти вдома.

У 1897 році Ган вступив до університету в Марбурзі, де зосередився на вивченні хімії та мінералогії. Він швидко привернув до себе увагу викладачів завдяки завзяттю та незвичайній спостережливості. За інформацією Encyclopedia Britannica [1], перші студентські експерименти Отто стосувалися дослідження радіоактивності — теми, яка саме починала набувати популярності після відкриття радію та полонію Марією Кюрі (1867–1934) та П’єром Кюрі (1859–1906).

У 1901 році Ган успішно захистив дисертацію з органічної хімії, отримавши звання доктора філософії. Його наукова праця була присвячена похідним ізоевгенолу — це ще не стосувалося безпосередньо ядерних досліджень, однак сформувало вчену дисципліну та впевненість у хімічних методах аналізу.

Прагнучи поглибити свої знання з радіоактивності, Отто Ган поїхав до Лондона, де працював під керівництвом сера Вільяма Рамзая (1852–1916), відомого відкривача інертних газів. Там він уперше зіткнувся з практичними методами дослідження радіоізотопів. Подальші подорожі Гана, зокрема до Монреаля (Канада), де працював Ернест Резерфорд (1871–1937), дали йому змогу розширити експериментальні навички та познайомитися з найпередовішими науковими підходами до вивчення атомного ядра. Як зазначається в монографії “Hahn: A Life in Chemistry” [2], саме тоді Ган вперше виявив здатність поєднувати хімічні методи аналізу з фізичним розумінням ядерних перетворень.

Пошук нових ізотопів та співпраця з Лізою Майтнер

Співпраця між Отто Ганом (1879–1968) та Лізою Майтнер (1878–1968) розпочалася на початку ХХ століття в Інституті кайзера Вільгельма (Берлін), де обидва дослідники працювали над проблемами радіоактивності. Ган, маючи глибоку хімічну підготовку, вивчав осади та продукти розпаду радіоактивних елементів, тоді як Майтнер, фізикиня за фахом, аналізувала механізми та закономірності розпаду атомних ядер. За словами самого Отто Гана, наведеними у його Нобелівській лекції [2], “саме комплексний підхід, який об’єднав хімію та фізику, став ключем” до відкриття фундаментальних процесів у ядрі атома.

У той час радіоактивність була відносно новою галуззю досліджень. Піонерами в цій сфері виступали Марія Кюрі (1867–1934) та П’єр Кюрі (1859–1906), які відкрили полоній і радій. Ган і Майтнер узяли від наукових попередників методи виявлення та вимірювання радіоактивності, але поєднали їх із тонкими хімічними технікамивиділення елементів. Як стверджують історики науки [3], саме ця синергія дала змогу виявляти раніше невідомі ізотопи.

Від 1909 до 1918 року Ган і Майтнер опублікували низку спільних робіт, у яких описали відкриття низки нових радіоактивних ізотопів. Зокрема, вони виявили протактиній (Pa) — елемент із порядковим номером 91. Це був значний прорив, адже відкриття нових елементів давало уявлення про складну систему радіоактивних рядів та еволюцію нестабільних ядер.

В експериментах Ган відповідав за відокремлення та хімічний аналіз продуктів, тоді як Майтнер аналізувала фізичну природу виявлених елементів — період розпаду, тип випромінювання (альфа, бета чи гама) та енергетичні характеристики. Така команда з хіміка та фізики була унікальною для свого часу і дала можливість працювати оперативно та всебічно.

Робочій стіл Отто Гана. Авторство: Deutsches Museum.

Хоча Отто Ган отримав Нобелівську премію з хімії в 1944 році за відкриття розщеплення ядра, роботу над дослідженнями з ним протягом багатьох років вела Ліза Майтнер, яка, на жаль, не була визнана Нобелівським комітетом [2]. Проте її роль була не менш важливою: саме Майтнер розробила теоретичні підходи до пояснення, як важкі ядра під час опромінення нейтронами можуть утворювати легші елементи та вивільняти величезну кількість енергії.

За даними Encyclopedia Britannica [1], Майтнер була одним із перших учених, хто пов’язав експериментальні спостереження Гана із загальними положеннями теорії ядерних сил. Її глибоке розуміння квантової теорії та знання сучасних фізичних моделей дозволили сформулювати фізичну сутність відкритого ними явища. Згодом вона разом зі своїм племінником, фізиком Отто Фрішем (1904–1979), ввела в науковий обіг саме поняття “ядерне розщеплення” (fission).

Відкриття розщеплення атома

У 1938 році вчені зосередилися на опроміненні урану нейтронами низької енергії. Спочатку дослідники очікували, що в результаті реакції можуть утворюватися елементи, близькі за атомною масою до урану, або невеликі ізотопні варіації. Проте, як зазначено в архівних даних Нобелівського комітету [2], під час аналізу хімічних осадів Отто Ган звернув увагу на наявність барію — значно легшого елемента, ніж уран. Ця знахідка суперечила усталеним на той час уявленням про природу ядерних реакцій, адже вважалося, що ядро може лише трансформуватися із невеликими змінами маси, але не розщеплюватися на частини з принципово меншою атомною масою.

Отто Ган (1879–1968) та Ліза Майтнер (1878–1968)

Ліза Майтнер, вимушена через політичну ситуацію покинути Німеччину, продовжила аналіз теоретичної сторони цього явища разом із племінником Отто Фрішем (1904–1979) в інституті в Швеції. Саме в їхніх публікаціях вперше прозвучав термін “fission” (українською — “розщеплення”), який описує поділ великого ядра на два (або більше) легших ядра з виділенням великої кількості енергії.

Ще Альберт Айнштайн (1879–1955) у своїх працях із теорії відносності припустив, що маса й енергія взаємопов’язані за формулою:

E=mc²

(де m — маса, c — швидкість світла). Результати експериментів Гана та Майтнер стали першим наочним підтвердженням, що при розщепленні важких ядер маса частково “втрачається” й перетворюється на колосальний запас енергії. Таким чином, успішно поєдналися експерименти з ядерної хімії та теоретичні положення фізики, що дало людству нове розуміння будови матерії.

Наукове визнання та вплив на світ

Відкриття розщеплення атома, зроблене Отто Ганом у 1938 році, стало однією з найвизначніших подій у фізиці ХХ століття. Його робота довела, що ядра важких елементів можуть розщеплюватися, що привело до розуміння механізмів, які лежать в основі як ядерної енергетики, так і ядерної зброї. За це досягнення в 1944 роціОтто Гану було присуджено Нобелівську премію з хімії.

Проте рішення Нобелівського комітету викликало дискусію, оскільки премія була вручена виключно Гану, без згадки про Лізу Майтнер та Отто Фріша, які зробили вирішальний внесок у теоретичне пояснення процесу розщеплення ядра. Ліза Майтнер у своїх листах згадувала, що Нобелівський комітет свідомо ігнорував її внесок, можливо, через гендерні упередження або через її еміграцію з Німеччини внаслідок нацистського режиму.

Важливо відзначити, що навіть багато сучасників Отто Гана вважали таке рішення несправедливим. Наприклад, американський фізик Роберт Оппенгеймер (1904–1967) у своїх спогадах називав Майтнер однією з “справжніх відкривачів ядерного розщеплення”, а Нільс Бор (1885–1962) підтримував її внесок у цю сферу.