ГЛАВА 16. ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

УСКОРИТЕЛИ

1. ПРОТОН

Мы уже говорили о попытках Резерфорда расщепить стабильные атомы, бомбардируя их α-частицами. Если первые полученные им в 1919 г. результаты были ненадежны и восприняты с изрядной дозой скептицизма, едва прикрываемого уважением, которого заслуживали смелые опыты этого новозеландского ученого, то сама идея была столь заманчива, что заслуживала дальнейших усилий, которые в качестве первого надежного результата привели к экспериментальному доказательству существования протона, т. е. иона водорода как составной части атомного ядра.

Теоретически существование протона, или, как его первое время называли, нуклона, было постулировано Резерфордом и Нёттоллом еще в 1913 г. и в явной или неявной форме предполагалось, как мы видели, всеми физиками. Но одно дело - принять гипотезу, пусть даже подкрепляемую косвенными доказательствами, а другое дело - установить прямым опытом, что в атомных ядрах действительно существуют протоны. Опыты Резерфорда и Чэдвика, о которых мы уже говорили в гл. 14, повторялись и видоизменялись другими физиками, приводя к аналогичным результатам, которые сами по себе не столь и важны, но зато имели большое теоретическое и психологическое значение, поскольку укрепляли убеждение всех ученых в возможности эффективного взаимного превращения элементов друг в друга.

Две фотографии, полученные Бляккетом и показывающие вылет протона после соударения частицы с ядром азота. (Proceedings of the Royal Society of London, 1925.) Следы оставлены α-частищши, пролетающими камеру Вильсона. Слева на обеих фотографиях виден разветвляющийся след, обусловленный соударением частицы с ядром. Тонкая ветвь следа после соударения соответствует протону, испущенному ядром; более толстый след вызван новым ядром

Однако решающее доказательство существования протона, а значит, и возможности истолкования опытов как превращений атомов было получено в 1925 г. П. М. С. Блэккетом, который был учеником Резерфорда в Манчестере и после возвращения из Германии, где был интернирован, вновь стал работать в Кембридже.

По предложению Резерфорда и при его поддержке Блэккету удалось получить в камере Вильсона фотографии протона, вылетающего в результате столкновения α-частицы с ядром азота. Это явление происходило чрезвычайно редко. Блэккет просмотрел 23 000 фотографий, содержащих 460 000 траекторий α-частиц, и только в восьми случаях наблюдал вылет протона. Во всех этих восьми благоприятных случаях α-частица, по-видимому, поглощалась атомом, с которым она соударялась, поскольку ее следа после удара не обнаруживалось. Это позволило Резерфорду в том же 1925 г. дать этому явлению упомянутую выше интерпретацию (см. гл. 14): ядро азота захватывает α-частицу и испускает после этого протон, превращаясь в изотоп кислорода.

Упругое соударение α-частицы с атомом азота. (Proceedings of the Royal Society of London, 1925.) Не совпадение указывает разветвление на левом снимке, состоящее из двух следов, один из которых обусловлен α-частицей, отразившейся после столкновения и продолжающей свое движение а второй - ядром азота, пришедшим в движение после столкновения

В результате повторения этих опытов в различных вариантах многими физиками (Позе, Мейтнер, Боте, де Бройль, Ренге, Констабль) вскоре было твердо установлено, что протон испускается подвергнувшимся соударению ядром в процессе «расщепления» атома. Здесь мы имеем, таким образом, первый твердо установленный пример искусственного превращения элементов.

Это было надежно установленное, но чрезвычайно редкое явление, настолько редкое, что нужно было использовать миллионы α-частиц, чтобы получить несколько десятков протонов, а значит, и претерпевших превращение атомов. Этого, конечно, абсолютно недостаточно даже для самого тонкого химического анализа. Столь незначительное число образующихся протонов было обусловлено не только редкостью соударении, но главным образом тем что не все соударения приводили к выбросу протона. Снимки в камере Вильсона показывают многочисленные случаи неожиданной остановки α-частиц не сопровождающейся испусканием протона. Короче говоря, α-частицы оказывались неэффективным средством для расщепления ядра с помощью соударения.

Машина Ван де Граафа. С острия P₁, связанного с положительным полюсом динамомашины D₁ на движущуюся ленту N₁N₁ стекает заряд, который через острие P₁ собирается на полом электроде F₁, создавая на его внешней поверхности положительный заряд. Аналогично отрицательный заряд накапливается на электроде F₂

Как мы говарили (см. гл. 15), последующие усилия экспериментаторов направлялись разработанной в 1928 г. теорией Гамова, основанной иа волновой механике. Положительный заряд атомного ядра создает вокру себя сильный потенциал: ядро окружено, как образно выражаются п циальным барьером. Интуитивно ясно, что для преодоления этого барьера внутри или РснаРрУжи частица должна иметь энергию больше некоторого определенного значения. Физики были в недоумении, почему α-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, имеют весьма малые энергии, недостаточные, согласно классической механике, для того чтобы, так сказать, «пробить» этот потенциальный барьер. Но если связывать частицу с волной, то, как показал Гамов, потенциальный барьер ведет себ отношению к этой волне как преломляющая среда по отношению к световой волне И как световая волна, падающая на среду с небольшим поглощением, всегда проникает в эту среду (хотя и с чрезвычайно малой интенсивностью в случае полного внутреннего отражения), а если слои среды очень тонкий, то проходит сквозь него так же и волна, соответствующая частице, падающей на потенциальный барьер, пересекает этот барьер, хотя и сильно ослабленная, даже если энергия частицы недостаточна для его прохождения. Ьсли давать материальной волне вероятностную интерпретацию, то этот результат можно выразить так: даже частица с недостаточно большой энергией имее некоторую вероятность проникнуть через потенциальный барьер. Эт называемый «эффект Гамова», или, как его еще образно называют, «туннельный эффект» Теория Гамова предсказывает, что при одинаковой энергии падак щей частицы вероятность проникнуть через потенциальный барьерам больше чем меньше масса частицы. Отсюда сразу следует, что при одной и той же энергии протоны - значительно более эффективное средство для расщея ния атомов, чем α-частицы.

До появления теории Гамова для бомбардировки элементов применяли исключительно α-частицы на том основании, что, будучи в то время частица» с наибольшей энергией, они представлялись наиболее пригодными бомбардировки.

Энергия вылета α-частиц была измерена еще в начале нашего столет Мы приведем результаты в единицах энергии, которые с 1930 г. стали широ ко применяться в атомной физике. Эта единица - электрон-вольт (эв) энергия приобретаемая частицей с зарядом, равным заряду электро при прохождении разности потенциалов в один вольт. Легко подсчитать ч эта единица равна 1,59•10^-12 эрг. Часто применяется в миллион раз более крупная единица - мегаэлектрон-вольт (Мэв). Наиболее быстрые α-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, имеют энергию 8000000 эв = 8 Мэв В то время, в 1925 г., наиболее мощные индукционные катуш применявшиеся для получения рентгеновских лучей, давали разность п циалов не выше 100 000 в. Это означает, что ускоренный в поле такой катуш ки электрон или протон мог иметь энергию не выше 100 000 эв = 0,1 Мэв, т е. намного меньше энергии α-частиц. Но теория Гамова зародила se же надежду, потому что она предсказывала, что протоны с энергией 1 Мэв будут иметь такую же эффективность, как α-частицы с энергией 32 Мэв. Поэтому для того, чтобы значительно превзойти по эффективности естественные «снаряды», совсем не требуется электростатических напряжений в миллион вольт, что в то время представлялось совершенно фантастической цифрой и могло бы привести в отчаяние даже самых отважных. Достаточно было, по-видимому, увеличить уже «достигнутое напряжение в 5-6 раз, что отнюдь не было вне возможностей лабораторной техники того времени. В связи с этим теория Гамова дала мощный импульс физикам-экспериментаторам. Они вскоре поняли, что можно получать искусственно ускоренные частицы, которые могут сравняться или даже превзойти по своей эффективности естественные «снаряды», получающиеся при радиоактивном распаде, и освободиться тем самым от необходимости иметь дорогие и редкие радиоактивные вещества.

2. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ УСТАНОВКИ

Так началась разработка установок, позволяющих получать высокие напряжения. В этом направлении работали многие экспериментаторы (Кулидж, Лауритсен, Туве, Браш и др.), но наилучших результатов добились почти одновременно Ван де Грааф, Кокрофт и Уолтон и Лоуренс.

Ван де Грааф исходил из классической электростатической машины, которой после важных услуг, оказанных физике, особенно в прошлом столетии, казалось бы, следовало удалиться на почетное место в музей науки.

В 1931 г. Ван де Грааф начал сооружение электростатической индукционной машины, которую проектировал еще Риги в 1872 г. и вновь предложил лорд Кельвин в начале нашего столетия. Сооружение установки было закончено в 1933 г.

Электрические заряды, образующиеся на металлическом острие под действием генератора обычных размеров на несколько десятков тысяч вольт, стекают с этого острия на непрерывно движущуюся изолирующую подложку (ленту). Эта лента в процессе своего движения проникает внутрь полого электрода больших размеров («цилиндр» Беккариа или Фарадея) и через другое острие, соединенное с полостью, передает свой заряд внешней поверхности электрода, потенциал которого может, таким образом, возрастать теоретически неограниченно. Так были достигнуты разности потенциалов, превышающие 5 000 000 в, с полезной мощностью около 6 кет. Чтобы составить себе представление о прогрессе, достигнутом по сравнению с индукционной машиной XIX века, достаточно напомнить, что в самой мощной электростатической машине того времени, в многодисковой машине Воммельсдорфа, удавалось получить разность потенциалов 300 000 в при мощности 1,2 квт.

Ускоритель протонов Кокрофта Уолтона. Две алюминиевые сферы в центре рисунка (верхняя - подвижная) имеют диаметр 75 см и служат для измерения приложенного напряжения по пробойному расстоянию

Наибольшее неудобство машины Ван де Граафа заключалось в том, что она должна была устанавливаться в очень большом здании, чтобы избежать разряда - настоящей искусственной молнии - между электродом и стенами здания. Поэтому современные генераторы такого типа окружаются мощным стальным кожухом, в который введен газ при высоком давлении. Таким способом удалось достичь разности потенциалов 2 Мэв при довольно скромных размерах.

В лаборатории Резерфорда в Кембридже также ломали голову над тем, как достичь высоких напряжений для получения протонов с целью их использования для бомбардировки атомов. Дж. Д. Кокрофт и Э. Т. С. Уолтон начали работать над этим в 1930 г. и через два года разработали установку, в которой напряжение трансформатора выпрямлялось и умножалось в несколько раз с помощью системы термоионных ламп и конденсаторов. С помощью такой установки эти молодые ученые получили почти постоянную разность потенциалов 700 000 #, которая была приложена к ускоряющей трубке для получения положительных ионов водорода. С помощью специальных электродов эти ионы фокусировались. Таким образом удалось получить ток протонов порядка 10 мка. Машина приняла довольно внушительный вид. В дальнейшем мы познакомимся с историческими опытами, выполненными в том же 1932 г. ее изобретателями.

3. ЦИКЛОТРОН

Существенно иным, значительно более остроумным способом американский физик Эрнест Лоуренс (1901-1960) достиг ускорения заряженных частиц. Возможно, созданию этой новой установки способствовало знакомство Лоуренса с работой немецкого физика Р. Видероэ, который получал атомные частицы большой энергии, не ускоряя их в сильных полях, а сообщая им периодические импульсы.

Как бы то ни было, первая установка такого типа создана в 1930 г. Лоуренсом вместе с Эдлефсеном, его первым помощником, в Калифорнийском» университете. Эта первая модель имела в диаметре всего 10 см и была собрана из стекла и сургуча. Первая металлическая модель таких же размеров была построена Лоуренсом и М. С. Ливингстоном и могла ускорять ионы водорода до энергии 80 000 эв, хотя приложенное напряжение составляло всего лишь 2000 в. Воодушевленный успехом, Лоуренс построил затем машину диаметром 28 см, с помощью которой ионы водорода ускорялись до энергии 1,25 Мэв. Эта установка описана в знаменитой статье Лоуренса, вышедшей в 1932 г. Эту дату обычно считают моментом рождения циклотрона, как был вскоре назван этот ускоритель.

Схема работы циклотрона. (Physical Review, 1932.) Два низких полуцилиндрических электрода А и Б, сечение которых показано вверху, помещены в вакуумную камеру, находящуюся в сильном однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка. К электродам приложено переменное высокочастотное напряжение, так что на диаметре, разделяющем электроды, возникает переменное электрическое поле той же частоты; внутри обоих электродов электрическое поле отсутствует. Если в область между электродами ввести положительный ион в точке а, когда электрод А, скажем, находится под отрицательным потенциалом, то ион будет ускорен внутрь электрода А, опишет благодаря магнитному полю полуокружность и попадет в точку b. Если величина магнитного поля рассчитана так, что время, необходимое иону для прохождения полуокружности и не зависящее ни от радиуса его траектории, ни от скорости, будет точно' равно полупериоду колебаний электрического поля, то, попав в точку b, ион будет находиться под действием поля, направленного в противоположную сторону, и получит новый импульс к электроду Б, пройдет внутри него с большей скоростью полуокружность большего радиуса и попадет в точку с в момент, когда электрическое поле вновь изменит свой знак. Таким образом, ион вновь получит ускоряющий импульс и т. д

Наиболее крупные циклотроны достигают гигантских размеров, однако принцип их действия довольно простой: суть заключается в обеспечении резонанса между движением иона по спиральной траектории и переменным электрическим полем, в результате чего ионы получают периодические ускоряющие импульсы от электрического поля.

Низкий полый цилиндр, разрезанный на две половины, называемые «дуантами», помещен в перпендикулярное основаниям цилиндра сильное магнитное поле, создаваемое мощным электромагнитом с плоскими полюсными наконечниками круглого сечения. К обоим дуантам, находящимся в вакууме, приложено высокочастотное переменное напряжение, создающее переменное электрическое поле в промежутке между дуантами, тогда как внутри каждого дуанта, согласно известной теореме электростатики, поле равно нулю. Образуемые в центре цилиндра ионы входят в один из дуантов и, находясь под действием одного лишь магнитного поля, движутся по круговой траектории, пока вновь не попадут в область между дуантами. Частота электрического поля подбирается так, чтобы время, необходимое иону для прохождения полуокружности внутри дуанта, было равно половине периода колебаний. При этом каждый раз к моменту выхода ионов в область между дуантами электрическое поле меняет свое направление и ионы получают новое приращение скорости при прохождении между дуантами. Поскольку радиусы круговых траекторий внутри дуантов пропорциональны скорости ионов, то время, необходимое для прохождения этих траекторий, не зависит от скорости, так что, если условие синхронизма колебаний электрического поля и времени прохождения ионом полуокружности выполнено при первом обороте, оно будет выполнено и при последующих оборотах. Таким образом, ионы описывают спиралевидную траекторию, состоящую из полуокружностей постепенно увеличивающегося радиуса, пока «е достигнут периферии ускорителя, где сильно заряженная отклоняющая пластина выводит их наружу через тонкое слюдяное окно.

Ясно, что конечная энергия ионов тем больше, чем больше число импульсов ускорения, т. е. чем больше число совершенных ионами оборотов (обычно порядка нескольких тысяч), которое из-за постепенного увеличения радиуса ограничено размерами магнитного поля, т. е. диаметром магнита. Этот диаметр вместе со значением напряженности магнитного поля определяет достижимую энергию иона. После первой машины Лоуренс в том же году сконструи ровал новый ускоритель с диаметром магнита 94 см и весом 75 m. В 1937 г.. после нескольких лет интенсивной разработки, он сконструировал еще более мощный циклотрон с магнитом диаметром 150 см и полным весом 220 m, способный давать ток 100 мка при энергии 8 Мэв.

Громадные успехи развития метода ускорения частиц с помощью циклотрона прекрасно иллюстрируются опытами, в которых непосредственно видно, как частицы вещества, искусственно ускоренные до энергии в миллионы электрон-вольт, проходят 1,5 м в воздухе при нормальном давлении, тогда как раньше их можно было наблюдать лишь при разряде в сильно разреженном газе. Между тем в начале этого века казалось поразительным, что α-частицы испускаются из радиоактивных веществ со столь большой энергией, что проходят без заметного отклонения слой воздуха в несколько сантиметров при нормальном давлении!

Применение мощных циклотронов подтвердило, что, как следует из простых теоретических соображений, процесс резонансного ускорения, который мы вкратце рассмотрели выше, происходит лишь в пренебрежении релятивистской зависимостью массы ускоряемой частицы от ее скорости. Чтобы электрон имел такую же кинетическую энергию, как протон, ему нужно сообщить много большую скорость, так как его масса намного меньше. Отсюда следует, что скорость электрона должна быть столь велика, что при этом нельзя уже не учитывать релятивистского изменения массы, и циклотронный принцип ускорения неприменим для электрона. Фактически циклотрон непригоден для ускорения электронов.

Однако ускорение электронов возможно при введении в циклотрон одной из следующих двух модификаций, предложенных одновременна и независимо В. И. Векслером и Э. Мак-Милланом в 1945 г (Первая работа В. И. Векслера, касающаяся описываемого здесь принципа ускорения, была опубликована в 1944 г. [ДАН СССР, 43, 346 (1944); 44, 393 (1944)]. - Прим. перев).: в синхроциклотроне (фазотроне) частота приложенного к дуантам напряжения уменьшаете» по мере увеличения релятивистской массы частицы; в синхротроне с ростом релятивистской массы электрона растет величина магнитного поля. Еще один тип ускорителя электронов, бетатрон, был создан Д. Керстом в 1940 г. В нем ускорение электронов происходит за счет электромагнитной индукции.