Исследования длились четыре года. Майтнер, Штрассман и Ган подтвердили результаты работы Ферми и открыли сразу четыре новых элемента, временно названных ими «эка-рений» (теперь это – нептуний), «эка-осмий» (плутоний), «эка-иридий» и «эка-платина». В периодической системе Менделеева эти элементы расположились прямо под клеточками, куда были вписаны рений, осмий, иридий и платина. Казалось, что свойства их должны напоминать свойства перечисленных нами элементов. Однако выявились и разительные противоречия. Ученые пока не придавали этому особого значения, надеясь, что вскоре все разъяснится.
В 1938 году в Париже Ирен Кюри и Павле Савич [1], также следуя по стопам Ферми и обстреливая уран (порядковый номер 92) нейтронами, открыли новое радиоактивное вещество. Период его полураспада равнялся трем с половиной часам. Сперва они решили, что имеют дело с изотопом тория (порядковый номер 90). И даже подготовили теоретическое объяснение: ядро урана захватывает нейтрон, становится нестабильным и излучает альфу-частицу, превращаясь в торий. Смущало лишь одно. До сих пор никому не удавалось открыть эмиссию альфа-частицы из ядра урана.
В те дни в лаборатории Отто Гана шли бурные споры. Ученых раздражал успех их парижских коллег. Самое обидное, что Майтнер еще в 1934 году предлагала получать торий именно таким способом. Опыт проводил Штрассман. Он подверг облучению раствор урана, но затем никаких следов тория не нашел. Майтнер теперь упрекала его: он небрежно провел опыт, был невнимателен, ошибся, а вот парижане добились успеха. Штрассман от обвинений отбивался. Возможно, Кюри действовала каким-то другим путем. Ведь в сообщении ничего не говорится о порядке проведения эксперимента.
Решено было повторить опыт. Этим вновь занялся Штрассман, словно стараясь загладить вину. И вот, через неделю, он уже с уверенностью сказал Майтнер, что французы никак не могли обнаружить торий в растворе урана. Тут что-то не так.
Институт Отто Гана немедленно опубликовал результаты опытов. Сам Отто Ган вместе с Лизой Майтнер написал письмо французским коллегам, в котором, изложив собственные выводы, дипломатично вопрошал, не допустила ли Ирен Кюри какую-то ошибку, фатально исказившую общий итог. Теперь в замешательстве пребывали парижане. Отто Ган уже более тридцати лет занимался радиохимией и считался в этой области непререкаемым авторитетом. Кюри не сочла нужным ответить на это письмо. Зато в скором времени появилась статья, в которой она признавала, что открытое ею вещество вовсе не является торием. По ее мнению, был найден новый трансурановый элемент, напоминавший своими свойствами лантан, один из редкоземельных элементов. Но где, в каком месте таблицы, прикажете поместить эту «новинку»? Проблема казалась неразрешимой и для физиков, и для химиков.
Итак, новое вещество исподволь прокралось во владения Института Отто Гана, то бишь «назвалось трансурановым элементом». Следовало повнимательнее изучить этого незваного пришельца.
Осенью 1938 года Ирен Кюри, наконец, описала схему своего эксперимента. Теперь его можно было повторить. Правда, берлинская группа понесла к тому времени тяжелую утрату. Австрийский паспорт более не защищал Лизу Майтнер от ревнителей расовой чистоты, ибо такого государства, как Австрия, более не существовало. Майтнер пришлось уехать в Швецию.
Ее недавний оппонент Штрассман, перечитав статью Кюри, предположил, что французы, не так хорошо владевшие методами радиохимии, возможно, ошибаются, думая, что открыли новый элемент. На самом деле, в облученном ими растворе появились «два различных, уже известных нам вещества».
Выслушав это, Ган рассмеялся – столь странным показался ему вывод, – но потом добавил, что в этом что-то есть. Целую неделю в лаборатории проводились эксперименты. В облученном урановом растворе обнаружились следы сразу трех новых веществ – изотопов радия и актиния, возникших вследствие распада урана.
В конце 1938 года Ган и Штрассман опубликовали результаты своей работы. Многие их коллеги не согласились с их выводами. Неужели при распаде урана появляется радий? Для этого ядро урана должно исторгнуть две альфа-частицы, а ведь его обстреливали низкоэнергетичными нейтронами! Вскоре профессор Ган побывал в Копенгагене в гостях у Нильса Бора и познакомил его со своей теорией. Маститый ученый сказал, что, по его мнению, уран не может исторгать две альфа-частицы подряд, это «неестественно». Результатом подобных опытов могут быть лишь «трансураны». Лиза Майтнер прислала письмо из Стокгольма, предупреждая своего старого друга, что он делает ошибку.
Несмотря на глумление и насмешки, Ган и Штрассман решились продолжить работу. Штрассман предложил изящную схему: попробуем выделить искомое «радиоактивное вещество» из уранового раствора с помощью хлорида бария. Во время эксперимента хлорид выпадает в виде идеальных кристаллов, которые не содержат никаких следов многочисленных трансурановых элементов, также возникающих в растворе. Зато в нем присутствует крохотное количество незнакомых изотопов. Их фиксируют счетчики Гейгера.
Источником нейтронов служил один грамм радия, смешанного с бериллием; нейтроны замедлялись с помощью парафиновых блоков (в распоряжении зарубежных ученых уже имелись циклотроны, что гораздо эффективнее).
Эксперимент был трудным. Несколько сот атомов нового радиоактивного вещества затерялись среди огромного количества кристаллов хлорида бария. Чтобы исследовать эти изотопы («неужели это все-таки радий?»), пришлось отделять их от бария. Для этого ученые в который уже раз прибегли к тому же методу дробной кристаллизации, что когда-то использовала Мария Склодовская-Кюри. Ган и Штрассман были совершенно уверены в нем.
Однако теперь их ждала неожиданность: им не удалось обнаружить ни одного изотопа радия. Где же они ошиблись? Что порочно, теория или практика?
Кончалась вторая декада декабря 1938 года. Ган решил провести контрольный эксперимент. Он взял раствор и подменил в нем гипотетический «изотоп радия» уже известным ему радиоактивным изотопом радия – «торием-Х». Затем разбавил раствор так, чтобы показатель радиоактивности был таким же, как и в предыдущем опыте с «квазирадием». На этот раз ничего необычного не произошло. Ученые сумели отделить от хлорида бария несколько атомов настоящего радия. Значит, схема эксперимента была верна. Что же они тогда получили вместо «изотопов радия»? Что это за таинственное вещество?
17 декабря, в субботу, Ган и Штрассман повторили оба опыта одновременно. На этот раз в одном и том же растворе содержались и искусственный «изотоп радия», и естественный его изотоп, «мезоторий-1». Последний служил индикатором. На каждой стадии этого сложнейшего эксперимента ученые брали пробы кристалла бария и проверяли их радиоактивность. Счетчик Гейгера показывал, как постепенно, от одной стадии кристаллизации к другой, увеличивалось содержание мезотория. С искусственным «изотопом радия» дело обстояло иначе. Он был равномерно распределен среди кристаллов бария – столь же равномерно, как и сам барий.
В тот же вечер Отто Ган записывал в своем дневнике: «Поразительная картина дробной кристаллизации Ra-Ba-Msth [2]».
Никаких сомнений у него уже не осталось. Вещество, которое он поначалу считал «изотопом радия», не имело к радию никакого отношения. Его невозможно было отделить от бария, значит, он имел дело с радиоактивным изотопом самого бария.
Таким образом, при обстреле атомов урана (самого тяжелого на земле элемента) медленными нейтронами возникал барий – элемент, весивший почти в два раза меньше. Под градом нейтронов атомы урана «лопались», «раскалывались», «расщеплялись». Итак, используя самое примитивное оборудование, которое не шло ни в какое сравнение с приборами, коими располагали крупнейшие физические институты того времени, немецкий ученый Отто Ган сделал удивительное открытие, которое едва не стало (а может, еще и станет) роковым для всего человечества.
Несколько дней Ган не сообщал никому о своем открытии – тем более что его занимали еще и проблемы, далекие от мира физики. Ему требовалось уладить некоторые дела Лизы Майтнер. Он побывал в Министерстве финансов и в понедельник утром переговорил с Карлом Бошем, президентом Общества имени императора Вильгельма. Его волновало, может ли Майтнер сдать свою квартиру одному из коллег, профессору Маттауху.
Вернувшись, наконец, в институт, Ган вместе со Штрассманом стал готовить новый эксперимент – он напоминал предыдущий, субботний. На этот раз ученые решили выяснить природу других радиоактивных изотопов, возникавших при расщеплении урана. Еще недавно он верил, что это изотопы актиния. Он попробовал и их выделить с помощью бария.
Расположившись возле счетчика Гейгера, Ган начал писать пространное письмо Лизе Майтнер. Сообщив о том, как улажено ее поручение, Ган затем описал эксперименты, поставленные им вместе со Штрассманом. В заключение Ган просил свою давнюю знакомую попробовать найти хоть какое-то физическое объяснение полученным им результатам. Тогда мы могли бы втроем опубликовать отчет о данном открытии.