Введение

Немецкий химик (1879–1968)

Отто Хан (; 8 марта 1879 – 28 июля 1968) был немецким химиком, пионером в области радиоактивности и радиохимии. Его называют отцом ядерной химии и отцом ядерного деления. Хан и Лиза Майтнер открыли радиоактивные изотопы радия, тория, протактиния и урана. Он также открыл явления атомного отката и ядерного изомеризма и стал пионером в рубидий-стронциевом датировании. В 1938 году Хан, Майтнер и Фриц Штрассман открыли ядерное деление, за которое Хан был удостоен Нобелевской премии по химии в 1944 году. Ядерное деление легло в основу ядерных реакторов и ядерного оружия. Выпускник Марбургского университета, получивший там докторскую степень в 1901 году, Хан учился под руководством сэра Уильяма Рамзи в Университетском колледже Лондона и у Эрнеста Резерфорда в Университете Макгилла в Монреале, где он открыл несколько новых радиоактивных изотопов. В 1906 году он вернулся в Германию; Эмиль Фишер предоставил ему в распоряжение бывшую столярную мастерскую в подвале Химического института Берлинского университета для использования в качестве лаборатории. Хан завершил свою абилитацию весной 1907 года и стал приват-доцентом. В 1912 году он возглавил отдел радиоактивности вновь основанного Института химии имени императора Вильгельма. Работая с австрийским физиком Лизой Майтнер в здании, которое теперь носит их имена, он сделал ряд прорывных открытий, кульминацией которых стала изоляция наиболее долгоживущего изотопа протактиния в 1918 году. Во время Первой мировой войны он служил в полку Ландвер на Западном фронте и в химическом подразделении под командованием Фрица Габера на Западном, Восточном и Итальянском фронтах, получив Железный крест (2-го класса) за участие в Первой битве при Ипре. После войны он стал главой Института химии имени императора Вильгельма, оставаясь при этом заведующим собственным отделом. В период с 1934 по 1938 год он работал вместе со Штрассманом и Майтнер над изучением изотопов, полученных в результате нейтронной бомбардировки урана и тория, что привело к открытию ядерного деления. Он был противником национал-социализма и преследований евреев нацистской партией, что привело к отстранению многих его коллег, включая Майтнер, которой пришлось бежать из Германии в 1938 году. Во время Второй мировой войны он работал над немецкой программой ядерного оружия, составляя каталог продуктов деления урана. В результате, в конце войны он был арестован союзными войсками и заключен в Ферм-холл вместе с девятью другими немецкими учеными с июля 1945 года по январь 1946 года. Хан был последним президентом Общества имени императора Вильгельма содействия науке в 1946 году и президентом-основателем его преемника – Общества Макса Планка с 1948 по 1960 год. В 1959 году он стал соучредителем Федерации немецких ученых в Берлине, неправительственной организации, приверженной идеалу ответственной науки. Работая над восстановлением немецкой науки, он стал одним из самых влиятельных и уважаемых граждан послевоенной Западной Германии.

Ранние годы

Отто Хан родился во Франкфурте-на-Майне 8 марта 1879 года, младшим сыном Генриха Хана (1845–1922), успешного стеклодела (и основателя компании Glasbau Hahn), и Шарлотты Хан, урождённой Гизе (1845–1905). У него был старший сводный брат Карл, сын его матери от первого брака, и два старших брата, Хайнер и Юлий. Семья жила над мастерской отца. Младшие трое братьев учились в гимназии Klinger Oberrealschule во Франкфурте. В 15 лет он проявил особый интерес к химии и проводил простые эксперименты в прачечной дома. Отец хотел, чтобы Отто изучал архитектуру, поскольку он построил или приобрел несколько жилых и коммерческих зданий, но Отто убедил его в своем стремлении стать промышленным химиком. В 1897 году, после сдачи экзаменов на аттестат зрелости (Abitur), Хан начал изучать химию в Марбургском университете. Дополнительными предметами были математика, физика, минералогия и философия. Хан вступил в Студенческое общество естественных наук и медицины, студенческое братство и предшественник сегодняшнего Landsmannschaft Nibelungi (Coburger Convent der akademischen Landsmannschaften und Turnerschaften). Третий и четвертый семестры он провел в Мюнхенском университете, изучая органическую химию под руководством Адольфа фон Байера, физическую химию под руководством Фридриха Вильгельма Мутмана и неорганическую химию под руководством Карла Андреаса Хофмана. В 1901 году Хан получил докторскую степень в Марбурге за диссертацию под названием «О бромных производных изоэугенола», посвященную теме классической органической химии. Он отслужил годичную военную службу (вместо обычных двух, благодаря наличию докторской степени) в 81-м пехотном полку, но, в отличие от своих братьев, не подавал заявление о назначении на офицерскую должность. Затем он вернулся в Марбургский университет, где два года работал ассистентом своего научного руководителя, тайного советника профессора Теодора Цинке.

Открытие радиотория и других "новых элементов"

Намерением Хана по-прежнему было работать в промышленности. Он получил предложение о работе от Эугена Фишера, директора Chemische Fabrik Kalle (и отца органического химика Ханса Фишера), но одним из условий трудоустройства было то, что Хан должен был пожить в другой стране и владеть другим языком. С учетом этого, и чтобы улучшить свои знания английского языка, Хан в 1904 году занял должность в Университетском колледже Лондона, работая под руководством сэра Уильяма Рамзи, известного открытием инертных газов. Здесь Хан занимался радиохимией, которая в то время была очень новой областью науки. В начале 1905 года, в ходе работы с солями радия, Хан обнаружил новое вещество, которое он назвал радиоторием (торий-228), которое в то время считалось новым радиоактивным элементом. (На самом деле, это был изотоп известного элемента тория; концепция изотопа, вместе с термином, была сформулирована лишь в 1913 году британским химиком Фредериком Содди). Рамзи был в восторге от того, что в его институте был обнаружен еще один новый элемент, и намеревался объявить об открытии соответствующим образом. В соответствии с традицией это было сделано перед комитетом уважаемого Королевского общества. На заседании Королевского общества 16 марта 1905 года Рамзи сообщил об открытии Ханом радиотория. "Дейли Телеграф" проинформировал своих читателей:
"Новый элемент" – Вскоре научные журналы будут полны обсуждения нового открытия, которое добавилось к многочисленным блестящим достижениям Гауэр-стрит. Доктор Отто Хан, работающий в Университетском колледже, обнаружил новый радиоактивный элемент, извлеченный из минерала из Цейлона, названного торианитом, и, возможно, как предполагается, это вещество, которое делает торий радиоактивным. Его активность по весу как минимум в 250 000 раз выше, чем у тория. Он выделяет газ (обычно называемый эманацией), идентичный радиоактивной эманации тория. Другая теория, представляющая большой интерес, заключается в том, что это возможный источник радиоактивного элемента, возможно, более сильного по радиоактивности, чем сам радий, и способного производить все известные любопытные эффекты радия. – На прошлой неделе открыватель представил доклад на эту тему в Королевском обществе, и при публикации он должен войти в число самых оригинальных вкладов в научную литературу. Хан опубликовал свои результаты в Proceedings of the Royal Society 24 мая 1905 года. Это была первая из более чем 250 научных публикаций Отто Хана в области радиохимии. В конце своего пребывания в Лондоне Рамзи спросил Хана о его планах на будущее, и Хан рассказал ему о предложении о работе от Kalle & Co. Рамзи сказал ему, что у радиохимии большое будущее, и что тому, кто открыл новый радиоактивный элемент, следует пойти в Берлинский университет. Рамзи написал Эмилю Фишеру, главе химического института, который ответил, что Хан может работать в его лаборатории, но не может быть приват-доцентом, поскольку радиохимия там не преподавалась. В этот момент Хан решил, что ему сначала нужно больше узнать об этой области, поэтому он написал ведущему эксперту в этой области, Эрнесту Резерфорду. Резерфорд согласился принять Ханна в качестве ассистента, а родители Ханна взяли на себя оплату расходов Ханна. С сентября 1905 года до середины 1906 года Хан работал с группой Резерфорда в подвале здания Макдональда по физике в Университете Макгилла в Монреале. Существовал определенный скептицизм относительно существования радиотория, который Бертрам Болтвуд запоминающимся образом описал как соединение тория X и глупости. Болтвуд вскоре убедился, что он действительно существует, хотя он и Хан расходились во мнениях относительно его периода полураспада. Уильям Генри Брэгг и Ричард Клеман отметили, что альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, всегда имеют одинаковую энергию, что дает второй способ их идентификации, поэтому Хан приступил к измерению альфа-излучения радиотория. В процессе он обнаружил, что осадок тория А (полония-216) и тория В (свинца-212) также содержал недолговечный "элемент", который он назвал торием С (позже идентифицированный как полоний-212). Хану не удалось его выделить, и он пришел к выводу, что он имеет очень короткий период полураспада (около 300 нс). Он также идентифицировал радиоактиний (торий-227) и радий D (позже идентифицированный как свинец-210). Резерфорд заметил: "У Ханна есть особый нюх на открытие новых элементов".

Открытие мезотория I

В 1906 году Хан вернулся в Германию, где Фишер предоставил ему в распоряжение бывшую деревообрабатывающую мастерскую (Holzwerkstatt) в подвале Химического института для использования в качестве лаборатории. Хан оснастил ее электроскопами для измерения альфа- и бета-частиц и гамма-лучей. В Монреале их делали из выброшенных кофейных банок; Хан сделал их в Берлине из латуни, с алюминиевыми полосками, изолированными янтарем. Заряжал он их резиновыми палками, которые натирали о рукава его костюма. Проводить исследования в мастерской было невозможно, но Альфред Сток, заведующий отделом неорганической химии, разрешил Хану использовать пространство в одной из своих двух частных лабораторий. Хан купил два миллиграмма радия у Фридриха Оскара Гизеля, открывшего эманий (радон), по 100 марок за миллиграмм, и получил торий бесплатно от Отто Кнофлера, чья берлинская фирма была крупным производителем ториевых продуктов. За несколько месяцев Хан открыл мезоторий I (радий-228), мезоторий II (актиний-228), а также – независимо от Болтвуда – материнское вещество радия, ионий (позже идентифицированный как торий-230). В последующие годы мезоторий I приобрел большое значение, поскольку, как и радий-226 (открытый Пьером и Марией Кюри), он идеально подходил для использования в медицинской лучевой терапии, но стоил вдвое дешевле в производстве. В ходе работы Хан установил, что так же, как ему не удалось разделить торий и радиоторий, он не мог разделить мезоторий и радий. Весной 1907 года Хан завершил свою абилитацию и стал приват-доцентом. Представление диссертации не требовалось; вместо этого Химический институт принял одну из его публикаций о радиоактивности. Большинство органических химиков в Химическом институте не считали работу Хана настоящей химией. Фишер возражал против утверждения Хана на абилитационном коллоквиуме о том, что многие радиоактивные вещества существуют в столь малых количествах, что их можно обнаружить только по их радиоактивности, полагая, что он всегда мог определять вещества по острому обонянию, но вскоре уступил. Один из руководителей отдела заметил: «Невероятно, чего добиваются в наши дни, чтобы стать приват-доцентом!» Физики были более благосклонны к работе Хана, и он начал посещать коллоквиум в Институте физики, который проводил Генрих Рубенс. Именно на одном из этих коллоквиумов, 28 сентября 1907 года, он познакомился с австрийским физиком Лизой Майтнер. Она была почти ровесницей Хана, лишь второй женщиной, получившей докторскую степень в Венском университете, и уже опубликовала две статьи о радиоактивности. Рубенс предложил ее в качестве возможного соавтора. Так началось тридцатилетнее сотрудничество и пожизненная близкая дружба между двумя учеными. В Монреале Хан работал с физиками, в том числе с женщиной, Харриет Брукс, но поначалу это было непросто для Майтнер. Женщинам еще не разрешали поступать в университеты Пруссии. Майтнер разрешили работать в деревообрабатывающей мастерской, которая имела отдельный внешний вход, но ей запрещалось заходить в остальную часть института, включая лабораторию Хана на втором этаже. Если ей нужно было в туалет, она должна была пользоваться туалетом в ресторане на улице. В следующем году женщинам разрешили поступать в университеты, Фишер снял ограничения и установил женские туалеты в здании. Институт физики был более открыт, чем химики, и она подружилась с физиками, включая Джеймса Франка, Густава Герца, Роберта Поля, Макса Планка и Вильгельма Вестфаля.

Открытие радиоактивного отката

Гарриет Брукс наблюдала радиоактивный откат в 1904 году, но неверно его интерпретировала. Хану и Митнер удалось продемонстрировать радиоактивный откат, сопутствующий испусканию альфа-частиц, и правильно его интерпретировать. Хан продолжил исследование, начатое Стефаном Мейером и Эгоном Швайдлером, о продукте распада актиния с периодом полураспада около 11,8 дней. Хан определил, что это был актиний X (радий 223). Более того, он обнаружил, что в момент, когда атом радиоактивного тория (тория 227) испускает альфа-частицу, он делает это с большой силой, и актиний X испытывает откат. Этого достаточно, чтобы освободить его от химических связей, он приобретает положительный заряд и может быть собран на отрицательном электроде. Хан думал только об актинии, но, прочитав его статью, Митнер указала ему, что он открыл новый способ обнаружения радиоактивных веществ. Они провели ряд испытаний и вскоре обнаружили актиний C (таллий 207) и торий C (таллий 208). Физик Вальтер Герлах назвал радиоактивный откат «глубоко значимым открытием в физике с далеко идущими последствиями». В 1910 году Хан был назначен профессором прусским министром культуры и образования Августом фон Тротт цу Зольц. Два года спустя Хан стал руководителем отдела радиоактивности вновь основанного Института химии имени императора Вильгельма в Берлине-Далеме (в здании, которое сегодня является зданием Хана-Митнера Свободного университета Берлина). Эта должность сопровождалась годовой зарплатой в 5000 марок. Кроме того, в 1914 году он получил 66 000 марок (из которых 10 процентов он передал Митнер) от Кнёфлера за процесс выделения мезотория. Открытие нового института состоялось 23 октября 1912 года на церемонии, которую возглавил кайзер Вильгельм II. Кайзеру были продемонстрированы светящиеся радиоактивные вещества в темной комнате. Переезд в новое помещение оказался удачным, поскольку лесомастерская была полностью загрязнена пролитыми радиоактивными жидкостями и радиоактивными газами, которые вышли наружу, затем распались и осели в виде радиоактивной пыли, что делало невозможными точные измерения. Чтобы их новые лаборатории оставались чистыми, Хан и Митнер ввели строгие правила. Химические и физические измерения проводились в разных помещениях, сотрудники, работающие с радиоактивными веществами, должны были соблюдать протоколы, включающие отказ от рукопожатий, а рядом с каждым телефоном и дверной ручкой вешались рулоны туалетной бумаги. Сильно радиоактивные вещества хранились в старой лесомастерской, а позже – в специально построенном радиевом домике на территории института.

Брак с Эдит Юнгханс

Теперь, когда у него был постоянный доход, Хан мог задуматься о браке. В июне 1911 года, посещая конференцию в Штеттине, Хан познакомился с де (1887–1968), студенткой Королевской школы искусств в Берлине. Они встретились снова в Берлине и обручились в ноябре 1912 года. 22 марта 1913 года пара поженилась в родном городе Эдит, Штеттине, где её отец, Пол Фердинанд Юнгханс, занимал должность высокопоставленного юриста и был президентом городского парламента до своей смерти в 1915 году. После медового месяца в Пунта-Сан-Вигилио на озере Гарда в Италии они посетили Вену, а затем Будапешт, где остановились у Джорджа де Гевеши. Их единственный сын, Ханно Хан, родился 9 апреля 1922 года. Во время Второй мировой войны он поступил на военную службу в 1942 году и отличился на Восточном фронте в качестве командира танкового экипажа. Он потерял руку в бою. После войны он стал выдающимся историком искусства и исследователем архитектуры (в Герциане в Риме), известным своими открытиями в области ранней цистерцианской архитектуры XII века. В августе 1960 года, во время научной поездки во Францию, Ханно погиб в автомобильной аварии вместе со своей женой и ассистенткой Ильзой Ханн (урожденной Плетц). У них остался четырнадцатилетний сын, Дитрих Хан. В 1990 году в память о Ханно и Ильзе Ханн была учреждена премия имени Ханно и Ильзы Ханн за выдающийся вклад в историю итальянского искусства, чтобы поддержать молодых и талантливых историков искусства. Премия присуждается раз в два года Bibliotheca Hertziana – Институтом истории искусств имени Макса Планка в Риме.

Первая мировая война

В июле 1914 года, незадолго до начала Первой мировой войны, Хан был призван на действительную службу в армию в полку Landwehr. Они прошли через Бельгию, где взвод, которым он командовал, был вооружен захваченными пулеметами. За участие в Первой битве при Ипре он был награжден Железным крестом (2-го класса). Он с радостью участвовал в рождественском перемирии 1914 года и был произведен в лейтенанты. В середине января 1915 года его вызвали на встречу с химиком Фрицем Хабером, который объяснил свой план по выходу из тупика в окопах с помощью хлорного газа. Хан указал на то, что Гаагская конвенция запрещает использование снарядов, содержащих ядовитые газы, но Хабер объяснил, что французы уже начали химическую войну с помощью гранат со слезоточивым газом, и он планировал обойти положения конвенции, выпуская газ из баллонов, а не из снарядов. Новое подразделение Хабера называлось 35-й пионерный полк. После краткого обучения в Берлине Хан вместе с физиками Джеймсом Франком и Густавом Герцем вновь был отправлен во Фландрию для поиска места для первой газовой атаки. Он не был свидетелем атаки, поскольку он и Франк занимались выбором позиции для следующей атаки. Переведенные в Польшу, в битве при Болимуве 12 июня 1915 года они выпустили смесь хлора и фосгена. Некоторые немецкие солдаты не решались наступать, когда газ начал дуть в обратном направлении, поэтому Хан повел их через нейтральную полосу. Он был свидетелем предсмертных мук отравленных русских солдат и безуспешно пытался оживить некоторых с помощью противогазов. Его перевели в Берлин в качестве подопытного для испытания ядовитых газов и противогазов. При следующей попытке 7 июля газ снова пошел на немецкие позиции, и Герц был отравлен. Эта задача была прервана командировкой на фронт во Фландрию, а в 1916 году – командировкой в Верден для внедрения снарядов, начиненных фосгеном, на Западном фронте. Затем он снова искал по обоим фронтам места для газовых атак. В декабре 1916 года он присоединился к новому газовому командованию в Имперарской штаб-квартире. Хан и Майтнер приступили к поиску недостающего материнского изотопа. Они разработали новый метод отделения танталовой группы от пехбленда, который, как они надеялись, ускорит выделение нового изотопа. Работа была прервана Первой мировой войной. Майтнер стала рентгеновским лаборантом, работая в австрийских армейских госпиталях, но в октябре 1916 года вернулась в Институт кайзера Вильгельма. Хан присоединился к новому газовому командованию в Имперарской штаб-квартире в Берлине в декабре 1916 года после перемещений между западным и восточным фронтами, Берлином и Леверкузеном с лета 1914 года до конца 1916 года. Большинство студентов, лаборантов и техников были призваны, поэтому Хан, находившийся в Берлине с января по сентябрь 1917 года, и Майтнер должны были делать все самостоятельно. К декабрю 1917 года ей удалось выделить вещество, и после дальнейшей работы они смогли доказать, что это действительно недостающий изотоп. Майтнер представила их совместные результаты для публикации в марте 1918 года в научном журнале Physikalische Zeitschrift под названием «Die Muttersubstanz des Actiniums; ein neues radioaktives Element von langer Lebensdauer». Хотя Фаянс и Гёринг первыми открыли этот элемент, по обычаю элемент должен был быть представлен его самым долгоживущим и распространенным изотопом, а бревий не подходил. Фаянс согласился с Майтнер и Ханом назвать элемент протоактинием и присвоить ему химический символ Pa. В июне 1918 года Содди и Джон Кранстон объявили, что они выделили образец изотопа, но, в отличие от Хана и Майтнер, не смогли описать его характеристики. Они признали приоритет Хана и Майтнер и согласились с названием. Связь с ураном оставалась загадкой, поскольку ни один из известных изотопов урана не распадался в протактиний. Она оставалась неразгаданной до тех пор, пока в 1929 году не был открыт материнский изотоп, уран-235. За это открытие Хан и Майтнер неоднократно номинировались на Нобелевскую премию по химии в 1920-х годах несколькими учеными, в том числе Максом Планком, Генрихом Гольдшмидтом и самим Фаянсом. В 1949 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) окончательно назвал новый элемент протактинием и подтвердил Хана и Майтнер в качестве его первооткрывателей.

Открытие ядерной изомерии

С открытием протактиния большинство цепочек распада урана были установлены. Когда Хан вернулся к работе после войны, он пересмотрел свои результаты 1914 года и обратил внимание на некоторые аномалии, которые ранее были отклонены или проигнорированы. Он растворил соли урана в растворе плавиковой кислоты с танталoвой кислотой. Сначала тантал из руды осаждался, затем протактиний. Помимо урана X1 (тория-234) и урана X2 (протактиния-234), Хан обнаружил следы радиоактивного вещества с периодом полураспада от 6 до 7 часов. Известно, что один изотоп имеет период полураспада 6,2 часа – мезоторий II (актиний-228). Этот изотоп не входил ни в одну вероятную цепочку распада, но мог быть результатом загрязнения, поскольку в Институте химии императора Вильгельма с ним проводились эксперименты. Хан и Майтнер в 1919 году показали, что при обработке актиния плавиковой кислотой он остается в нерастворимом остатке. Поскольку мезоторий II был изотопом актиния, обнаруженное вещество не было мезоторием II, а протактинием. Хан был теперь достаточно уверен в своем открытии, чтобы назвать новый изотоп «ураном Z», и в феврале 1921 года опубликовал первый отчет о нем. Хан определил, что период полураспада урана Z составляет около 6,7 часов (с погрешностью в 2%), и что при распаде урана X1 он превращается в уран X2 примерно в 99,75% случаев, а в уран Z – примерно в 0,25% случаев. Он обнаружил, что соотношение урана X к урану Z, извлекаемому из нескольких килограммов уранил-нитрата, оставалось постоянным со временем, что убедительно свидетельствовало о том, что уран X является родителем урана Z. Чтобы доказать это, Хан получил сто килограммов уранил-нитрата; разделение урана X заняло несколько недель. Он обнаружил, что период полураспада родительского изотопа урана Z отличается от известного 24-дневного периода полураспада урана X1 не более чем на два-три дня, но не смог получить более точное значение. Хан пришел к выводу, что уран Z и уран X2 – это один и тот же изотоп протактиния (протактиний-234), и оба они распадаются в уран II (уран-234), но с разными периодами полураспада. Уран Z был первым примером ядерного изомеризма. Вальтер Герлах позднее отметил, что это было «открытие, которое в то время не было понято, но впоследствии приобрело большое значение для ядерной физики». Только в 1936 году Карлу Фридриху фон Вайцзеккеру удалось дать теоретическое объяснение этому явлению. За это открытие, чье полное значение было признано немногими, Хан вновь был предложен Бернардом Наунином, Гольдшмидтом и Планком для получения Нобелевской премии по химии. Майтнер стала директором Отдела физической радиоактивности, а Хан возглавил Отдел химической радиоактивности. В начале 1920-х годов он создал новое направление исследований. Используя недавно разработанный им «эманационный метод» и «эманационную способность», он основал то, что стало известно как «прикладная радиохимия» для изучения общих химических и физико-химических вопросов. В 1936 году издательство Корнеллского университета опубликовало книгу на английском языке (а позже и на русском языке) под названием «Прикладная радиохимия», в которой содержались лекции, прочитанные Ханом в качестве приглашенного профессора в Корнеллском университете в Итаке, штат Нью-Йорк, в 1933 году. Эта важная публикация оказала значительное влияние на почти всех химиков и физиков-ядерщиков в Соединенных Штатах, Великобритании, Франции и Советском Союзе в 1930-х и 1940-х годах. В 1966 году Гленн Т. Сиборг, соавтор открытия многих транс-урановых элементов, написал об этой книге следующее:

Хана называют отцом ядерной химии, которая выросла из прикладной радиохимии.

Национал-социализм

Фриц Страссманн пришел в Институт химии императора Вильгельма, чтобы учиться у Гана с целью улучшить свои перспективы трудоустройства. После прихода к власти нацистской партии в Германии в 1933 году Страссманн отклонил выгодное предложение о работе, поскольку оно требовало политической подготовки и членства в нацистской партии. Позже, вместо того чтобы вступать в организацию, контролируемую нацистами, Страссманн вышел из Общества немецких химиков, когда оно стало частью Нацистского немецкого трудового фронта. В результате он не мог работать в химической промышленности и не мог получить хабилитацию, необходимую для получения академической должности. Мейтнер убедила Гана нанять Страссманна в качестве ассистента. Вскоре его стали указывать третьим соавтором в их публикациях, а иногда даже первым. С февраля по июнь 1933 года Хан был приглашенным профессором в Корнеллском университете в США и Канаде. Он дал интервью еженедельнику Toronto Star Weekly, в котором представил льстивый портрет Адольфа Гитлера:

Закон о восстановлении профессиональной государственной службы от апреля 1933 года запретил евреям и коммунистам работать в академических кругах. Мейтнер была освобождена от его действия, поскольку являлась гражданкой Австрии, а не Германии. Хабер также был освобожден как ветеран Первой мировой войны, но решил уйти в отставку с поста директора Института физической химии и электрохимии императора Вильгельма в знак протеста 30 апреля 1933 года. Однако директора других институтов императора Вильгельма, даже еврейского происхождения, подчинились новому закону, который распространялся на KWS в целом и на институты императора Вильгельма, получавшие более 50% государственного финансирования, что освободило Институт химии императора Вильгельма. Поэтому Хану не пришлось увольнять своих штатных сотрудников, но в качестве исполняющего обязанности директора института Хабера он уволил четверть его персонала, включая трех заведующих отделами. Герхард Яндер был назначен новым директором бывшего института Хабера и, иронично, переориентировал его на исследования в области химического оружия. Как и большинство директоров институтов KWS, Хабер накопил значительный дискреционный фонд. Он хотел, чтобы эти средства были распределены среди уволенных сотрудников для облегчения их эмиграции, но Фонд Рокфеллера настоял на том, чтобы они использовались для научных исследований или были возвращены. Хан договорился о выделении 10% средств людям Хабера. В августе 1933 года администрация KWS получила информацию о том, что несколько ящиков оборудования, финансируемого Фондом Рокфеллера, собираются отправить Герберту Фрёндлиху, одному из уволенных заведующих отделами, в Англию. Хан выполнил приказ о приостановке отправки, но когда Планк, президент KWS с 1930 года, вернулся из отпуска, он приказал Хану ускорить отправку. Хабер умер 29 января 1934 года. На годовщину его смерти была проведена поминальная служба. Университетским профессорам было запрещено посещать ее, поэтому вместо них пришли их жены. Хан, Планк и Йозеф Коэт присутствовали и произнесли речи. Стареющий Планк не стал баллотироваться на переизбрание, и в 1937 году его сменил на посту президента Карл Бош, лауреат Нобелевской премии по химии и председатель правления IG Farben, компании, которая финансировала нацистскую партию с 1932 года. Эрнст Телшоу стал секретарем KWS. Телшоу был убежденным сторонником нацистов, но также был предан Хану, будучи одним из его бывших учеников, и Хан приветствовал его назначение. Главный ассистент Хана, Отто Эрбахер, стал партийным доверенным (Vertrauensmann) Института химии императора Вильгельма.

Рубидийстронций

В то время как Хан находился в Северной Америке, его внимание привлек минерал, похожий на слюду, из Манитобы, содержащий рубидий. За несколько лет до этого он изучал радиоактивный распад рубидия-87 и оценил его период полураспада в 2 x 10¹¹ лет. Хана посетила мысль, что, сравнив количество стронция в минерале (образовавшегося из рубидия) с количеством оставшегося рубидия, он сможет определить возраст минерала, при условии, что его первоначальный расчет периода полураспада был достаточно точным. Этот метод датирования был бы предпочтительнее изучения распада урана, поскольку часть урана превращается в гелий, который улетучивается, из-за чего породы кажутся моложе, чем они есть на самом деле. Джейкоб Папиш помог Хану получить несколько килограммов этого минерала. Из 1012 граммов минерала Страссман и Эрнст Валлинг извлекли 253,4 миллиграмма карбоната стронция, полностью состоящего из изотопа стронций-87, что указывало на его происхождение из радиоактивного распада рубидия-87. Возраст минерала, оцененный по урановым минералам из того же месторождения, составлял 1975 миллионов лет, что подразумевало период полураспада рубидия-87 равный 2,3 x 10¹¹ лет – довольно близко к первоначальной оценке Хана. Рубидий-стронциевое датирование стало широко распространенным методом определения возраста пород в 1950-х годах, когда массовая спектрометрия стала общедоступной.

Открытие ядерного деления

После того как Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году, Ирен Кюри и Фредерик Жолио облучили алюминиевую фольгу альфа-частицами и обнаружили, что это приводит к образованию короткоживущего радиоактивного изотопа фосфора. Они отметили, что эмиссия позитронов продолжалась после прекращения эмиссии нейтронов. Они не только открыли новую форму радиоактивного распада, но и трансмутировали один элемент в ранее неизвестный радиоактивный изотоп другого, тем самым индуцируя радиоактивность там, где её раньше не было. Радиохимия теперь не ограничивалась определенными тяжелыми элементами, а распространялась на всю периодическую таблицу. Чедвик отметил, что, будучи электрически нейтральными, нейтроны могут проникать в атомное ядро легче, чем протоны или альфа-частицы. Энрико Ферми и его коллеги в Риме подхватили эту идею и начали облучать элементы нейтронами. Мейтнер и Хан не сотрудничали много лет, но Мейтнер была заинтересована в исследовании результатов Ферми. Хан, изначально, не был заинтересован, но изменил свое мнение, когда Аристид фон Гроссе предположил, что то, что Ферми обнаружил, является изотопом протактиния. «Единственный вопрос, – писал позже Хан, – казалось, заключался в том, обнаружил ли Ферми изотопы трансурановых элементов или изотопы следующего более легкого элемента, протактиния. В то время мы с Лизой Мейтнер решили повторить эксперименты Ферми, чтобы выяснить, является ли 13-минутный изотоп изотопом протактиния или нет. Это было логичное решение, учитывая, что мы были первооткрывателями протактиния». В период с 1934 по 1938 год Хан, Мейтнер и Штрассман обнаружили большое количество радиоактивных продуктов трансмутации, все из которых они считали трансурановыми. В то время существование актинидов еще не было установлено, и уран ошибочно считался элементом 6-й группы, подобным вольфраму. Следовательно, первые трансурановые элементы должны были быть похожи на элементы 7–10 групп, то есть рений и платиноиды. Они установили наличие нескольких изотопов по крайней мере четырех таких элементов и (ошибочно) идентифицировали их как элементы с атомными номерами от 93 до 96. Они были первыми учеными, которые измерили 23-минутный период полураспада урана-239 и установили, что это химический изотоп урана, но не смогли довести эту работу до логического завершения и идентифицировать настоящий элемент 93. Они определили десять различных периодов полураспада с разной степенью уверенности. Чтобы объяснить их, Мейтнер выдвинула гипотезу о новом классе реакций и альфа-распаде урана, о которых ранее не сообщалось и для которых не было физических доказательств. Хан и Штрассман усовершенствовали свои химические процедуры, а Мейтнер разработала новые эксперименты, чтобы пролить больше света на процессы реакции. В мае 1937 года они опубликовали параллельные отчеты: один в Zeitschrift für Physik, главным автором которого была Мейтнер, и другой в Chemische Berichte, главным автором которого был Хан. Хан заключил свою работу, решительно заявив: «Vor allem steht ihre chemische Verschiedenheit von allen bisher bekannten Elementen außerhalb jeder Diskussion» («Прежде всего, их химическое отличие от всех ранее известных элементов не подлежит обсуждению»). 27 декабря Хан позвонил редактору Naturwissenschaften и попросил добавить к статье предположение о том, что некоторые элементы платиновой группы, ранее наблюдаемые в облученном уране и первоначально интерпретированные как трансурановые элементы, могли на самом деле быть технецием (тогда называемым «мазурием»), ошибочно полагая, что атомные массы должны суммироваться, а не атомные номера. К январю 1939 года он был достаточно убежден в образовании легких элементов, чтобы опубликовать новый пересмотр статьи, отказавшись от прежних заявлений об обнаружении трансурановых элементов и элементов, соседствующих с ураном. Будучи химиком, Хан не хотел предлагать революционное открытие в физике, но Мейтнер и Фриш разработали теоретическую интерпретацию ядерного деления, термин, заимствованный Фришем из биологии. В январе и феврале они опубликовали две статьи, в которых обсуждали и экспериментально подтверждали свою теорию. Во второй публикации по ядерному делению Хан и Штрассман впервые использовали термин Uranspaltung (деление урана) и предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления, открывая возможность ядерной цепной реакции. Это было доказано Фредериком Жолио и его командой в марте 1939 года. Эдвин Макмиллан и Филип Абельсон использовали циклотрон в Радиационной лаборатории Беркли для бомбардировки урана нейтронами и смогли идентифицировать изотоп с 23-минутным периодом полураспада, который был дочерним продуктом урана-239 и, следовательно, настоящим элементом 93, который они назвали нептунием. «Вот и Нобелевская премия уходит», – заметил Хан. В Институте химии кайзера Вильгельма Курт Штарке независимо произвел элемент 93, используя только слабые источники нейтронов, доступные там. Хан и Штрассман затем начали исследовать его химические свойства. Они знали, что он должен распадаться в настоящий элемент 94, который, согласно последней версии капельной модели ядра, предложенной Бором и Джоном Арчибальдом Уилером, будет еще более подвержен делению, чем уран-235, но не смогли обнаружить его радиоактивный распад. Они пришли к выводу, что он должен иметь чрезвычайно большой период полураспада, возможно, миллионы лет. Частично проблема заключалась в том, что они все еще верили, что элемент 94 является платиноидом, что затрудняло их попытки химического разделения.

Вторая мировая война

24 апреля 1939 года Поль Хартек и его ассистент Вильгельм Гротт написали в Рейхсминистерство вооружений, предупреждая о возможности создания атомной бомбы. В ответ Армейское управление вооружений (HWA) создало физический отдел под руководством ядерного физика Курта Дибнера. После начала Второй мировой войны 1 сентября 1939 года HWA взяло под контроль немецкую ядерную программу. С тех пор Хан участвовал в непрерывной серии совещаний, связанных с проектом. После того как директор Института физики имени кайзера Вильгельма Питер Дебай уехал в Соединенные Штаты в 1940 году и не вернулся, Дибнер был назначен его директором. Хан отчитывался перед HWA о ходе своих исследований. Вместе со своими ассистентами – Гансом Йоахимом Борном, Зигфридом Флюгге, Гансом Гётте, Вальтером Зельманном Эггебертом и Штрассманом – он каталогизировал около ста изотопов продуктов деления. Они также изучали методы разделения изотопов, химию 93-го элемента и способы очистки оксидов и солей урана. В ночь на 15 февраля 1944 года здание Института химии имени кайзера Вильгельма было поражено бомбой. Офис Хана был уничтожен вместе с его перепиской с Резерфордом и другими исследователями, а также многими его личными вещами. Офис был основной целью налета, который отдал бригадный генерал Лесли Гровс, директор Манхэттенского проекта, в надежде сорвать немецкий урановый проект. Альберт Шпеер, рейхсминистр вооружений и военного производства, организовал переезд института в Тайлфинген, в южной Германии. К июлю вся работа в Берлине была прекращена. Хан и его семья переехали в дом местного текстильного фабриканта. Жизнь тех, кто был женат на еврейках, стала небезопасной. Одним из них был Филипп Хорнес, химик, работавший в компании Auergesellschaft, которая добывала урановую руду для проекта. После увольнения из компании в 1944 году Хорнес столкнулся с угрозой призыва на принудительные работы. В 60 лет его шансы на выживание были невелики. Хан и Николаус Риль устроили Хорнеса на работу в Институт химии имени кайзера Вильгельма, заявив, что его работа необходима для уранового проекта, а уран очень токсичен, и поэтому трудно найти людей, которые могли бы с ним работать. Хан знал, что урановая руда в лаборатории была относительно безопасна, хотя и не для 2000 женщин-рабочих из концентрационного лагеря Заксенхаузен, которые добывали ее в Ораниенбурге. Другим физиком, жена которого была еврейкой, был Генрих Рауш фон Траубенберг. Хан засвидетельствовал, что его работа важна для военных усилий, и что его жена Мария, имеющая докторскую степень по физике, необходима ему в качестве ассистента. После его смерти 19 сентября 1944 года Марии грозила отправка в концентрационный лагерь. Хан предпринял попытки добиться ее освобождения, но безуспешно, и в январе 1945 года она была отправлена в гетто Терезиенштадт. Она пережила войну и воссоединилась со своими дочерьми в Англии после ее окончания.

Заключение

25 апреля 1945 года бронетанковая группа из британско-американской миссии «Альсос» прибыла в Тайлфинген и окружила Институт химии императора Вильгельма. Ханна сообщили о его аресте. На вопрос об отчетах, касающихся его секретной работы с ураном, Хан ответил: «Они все здесь», и передал 150 отчетов. Его доставили в Хечинген, где он присоединился к Эриху Багге, Хорсту Коршингу, Максу фон Лауэ, Карлу Фридриху фон Вайцзеккеру и Карлу Вирцу. Затем их перевезли в полуразрушенный замок в Версале, где они узнали о подписании Акта о безоговорочной капитуляции Германии в Реймсе 7 мая. В последующие дни к ним присоединились Курт Дибнер, Вальтер Герлах, Пауль Хартек и Вернер Гейзенберг. Все они были физиками, за исключением Ханна и Хартека, которые были химиками, и все работали над немецкой программой ядерного оружия, кроме фон Лауэ, хотя он был осведомлен о ней. Их переместили в замок Факеваль в Модаве, Бельгия, где Хан использовал время для работы над своими мемуарами, а затем 3 июля их перевезли в Англию. Они прибыли в Ферм-Холл, Годманчестер, недалеко от Кембриджа, 3 июля. Они не знали, что все их разговоры, в помещении и на улице, записывались с помощью скрытых микрофонов. Им предоставили британские газеты, которые Хан смог прочитать. Его сильно встревожили сообщения о Потсдамской конференции, где немецкие территории были переданы Польше и СССР. В августе 1945 года немецких ученых проинформировали об атомной бомбардировке Хиросимы. До этого момента ученые, за исключением Хартека, были абсолютно уверены, что их проект опережал все аналогичные разработки в других странах, и главный научный сотрудник миссии «Альсос» Сэмюэл Годсмит ничего не сделал, чтобы опровергнуть это впечатление. Теперь причина их заключения в Ферм-Холле внезапно стала ясна. Придя в себя от шока, они начали рационализировать произошедшее. Хан отметил, что рад, что им не удалось добиться успеха, а фон Вайцзеккер предложил заявить, что они этого и не хотели. Они подготовили меморандум о проекте, в котором отметили, что деление ядра было открыто Ханном и Штрассманом. Известие о том, что Нагасаки был разрушен плутониевой бомбой, стало еще одним потрясением, поскольку это означало, что союзники не только успешно осуществили обогащение урана, но и освоили технологию ядерных реакторов. Меморандум стал первым наброском послевоенных оправданий. Идея о том, что Германия проиграла войну из-за морального превосходства своих ученых, была столь же возмутительной, сколь и невероятной, но нашла отклик в послевоенной немецкой научной среде. Это возмутило Годсмита, чьи родители были убиты в Освенциме. 3 января 1946 года, ровно через шесть месяцев после прибытия в Ферм-Холл, группе разрешили вернуться в Германию. Ханна, Гейзенберга, фон Лауэ и фон Вайцзеккера доставили в Геттинген, который находился под контролем британских оккупационных властей.