1932 г. - ГОД ВЕЛИКИХ ОТКРЫТИЙ [1970 Марио Льоцци

Год 1932 несколько торжественно, но, пожалуй, не погрешив против истины, называют «великим годом в изучении радиоактивности». В этом году были сделаны четыре фундаментальных открытия, и тот факт, что все они не были неожиданными, что все они имели более или менее далеких предшественников, не умаляет их важности и лишь увеличивает наше восхищение перед теоретиками и экспериментаторами предыдущего периода, особенно Резерфордом, предвидевшими эти открытия. Открытия эти следующие: открытие положительного электрона (позитрона); искусственное превращение элементов и связанное с этим взаимное превращение материи в энергию; открытие нейтрона - частицы с массой 1 и зарядом 0; открытие дейтерия (тяжелого водорода)- изотопа водорода с массой 2. Здесь мы кратко остановимся на последних трех открытиях, отложив на время для удобства изложения вопрос об открытии позитрона.

4. ДЕЙТЕРИЙ

Возможность существования изотопа водорода с массой 2 предвидел еще Резерфорд. Но ни химический анализ, ни масс-спектрометрия, которая тогда еще не достигала достаточного совершенства, не позволили обнаружить этот изотоп. Казалось, что и физические и химические методы определения отношения атомной массы водорода к атомной массе кислорода прекрасно согласуются между собой. Но исследование полосатых спектров кислорода показало, что в обычном кислороде присутствуют незначительные следы изотопов с массой 17 и 18. По численным результатам, полученным на основе этих спектроскопических наблюдений, Бирге и Менцель в 1931 г. установили, что для согласования данных об изотопах кислорода со значением массы, приписываемым атому водорода, следует допустить существование изотопа водорода с массой 2, присутствующего в обычном водороде в пропорции 1:4500 по отношению к легкому водороду.

Расчет Бирге и Менцеля вновь усилил интерес к вопросу об изотопах, внимание к которому в свое время возбудило предположение Резерфорда, причем интерес этот не ограничивался лишь нахождением еще одного очередного изотопа. Здесь речь шла о совершенно особом изотопе, в том смысле, что его масса должна была вдвое отличаться от массы известного элемента, тогда как массы любых других изотопов отличаются между собой лишь на несколько процентов. Поэтому было интересно узнать, будет ли атом, имеющий удвоенную массу, также химически неотличим от своего изотопа.

Гаральд Клейтон Юри (род. в 1893 г.), бывший тогда профессором химии в Колумбийском университете в Нью-Йорке, попытался экспериментально обнаружить существование тяжелого водорода, теоретически установленное Бирге и Менцелем. Теория предсказывала, что жидкий тяжелый водород должен испаряться медленнее, чем легкий, так что Юри полагал, что сумеет добиться некоторой степени разделения обоих изотопов с помощью перегонки жидкого водорода. И действительно, этим весьма трудоемким способом ему удалось получить водород, спектроскопический анализ которого указывал на несомненное присутствие водорода с массой 2. В 1932 г. Юри счел возможным опубликовать результаты своего открытия.

Наиболее интересным здесь было то, что впервые были замечены различия в физико-химических свойствах двух изотопов, так что их можно было сравнительно легко выделить в чистом состоянии. Юри назвал дейтерием водород с массой 2 и дейтоном его ион. Предложенные позже термины «диплоген» и «диплон» для обозначения соответственно атома и иона тяжелого водорода не привились в физике.

Когда дейтерий соединяется с кислородом, то образуется «тяжелая вода», отличающаяся по свойствам от обычной воды: она замерзает при 3,8° С, кипит при 101,2° С, максимальная плотность тяжелой воды (при 11,5° С) больше плотности обычной воды.

В небольших количествах тяжелая вода содержится в обычной. Вскоре после открытия Юри Уошбёрн (1881-1934) предложил отделять тяжелую воду от обычной с помощью электролиза, поскольку при электролизе воды тяжелая вода концентрируется в оставшейся части жидкости.

Многие технические установки для производства больших количеств тяжелой воды, нашедшей многочисленные научные применения, основаны на этом принципе. Уже в 1934 г. в Рьюкане (Норвегия) была запущена установка, производившая 0,5 кг тяжелой воды в день. Открытие дейтерия создало широкие возможности для исследований в различных областях физики. Пожалуй, наиболее интересным свойством дейтерия является возможность его использования как чрезвычайно эффективного возбудителя атомных превращений при бомбардировке атомных ядер дейтонами, ускоренными в циклотроне. При бомбардировке дейтонов дейтонами образуются ядра трития - изотопа водорода с массой 3, который ученые безуспешно пытались обнаружить в тяжелой воде. Тритий радиоактивен.

5. ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ

Вскоре после создания своего ускорителя Кокрофт и Уолтон показали, какую большую помощь смогут оказать ускорители науке. Резерфорд тоже, должно быть, верил в эти новые машины, поскольку, как рассказывают, после нескольких лет упорного труда Кокрофта и Уолтона. стремившихся довести до совершенства свой ускоритель, он, испытывая еще большее нетерпение в ожидании результатов, чем его сотрудники, сказал этим двум молодым ученым: «Ладно, вы уже достаточно поработали, теперь пробуйте». Возможно, что этот эпизод имел место на самом деле, поскольку Резерфорд в заметке от 1932 г. сообщает, что первые опыты были проведены Кокрофтом и Уолтоном с ускоряющим потенциалом 125 000 в. Однако в оригинальной статье этих авторов описываются «опыты, показывающие, что протоны с энергией выше 150 000 эв способны расщепить значительное число элементов» (Proceedings of the Royal Society of London, Ser. A, 137, 229 (1932)).

Примененный ими метод очень прост по идее. Ионы водорода из специальной трубки для создания каналовых лучей, ускоренные напряжением до 600000 в, направляются на пленку из исследуемого металла. Возможные продукты расщепления попадают на флуоресцентный экран из сернистого цинка, вспышки на котором наблюдаются через микроскоп.

Схема опыта Кокрофта и Уолтона. Металлическая пластинка А облучается током ускоренных протонов, падающим по направлению стрелки под углом 45° к плоскости пластинки; В - экран из сернистого цинка, на который сфокусирован микроскоп, служащий для наблюдения сцинтилляций; С - слюдяной экран, обеспечивающий задержку протонов, рассеиваемых на пластинке А

Первым элементом, подвергшимся бомбардировке, был литий; на экране наблюдались вспышки, число которых было пропорционально интенсивности протонного тока. Вспышки были такого же вида, как и при попадании α-частиц на флуоресцентный экран. Чтобы окончательно отождествить частицы, они были исследованы в камере Вильсона и в ионизационной камере, в результате чего исчезло всякое сомнение в их природе. Согласно Кокрофту и Вильсону, происходит следующий процесс: ядро лития с массой 7 захватывает протон и сразу после этого расщепляется на две α-частицы. Если эта схема соответствует действительности, то обе α-частицы, получающиеся при расщеплении ядра, должны, согласно закону равенства действия и противодействия, испускаться в противоположных направлениях. Это следствие также было подтверждено на опыте с помощью прибора, подобного прибору Кокрофта и Уолтона, но с некоторыми отличиями: в нем имелся еще один флуоресцентный экран с микроскопом, расположенный с другой стороны литиевой пластинки, замененной тончайшим слоем лития, нанесенным путем возгонки на тонкую слюдяную пластинку. Сцинтилляционные вспышки наблюдались одновременно на обоих экранах в симметричных точках, что полностью подтвердило тот факт, что α-частицы испускаются парами. Вскоре было определено, что α-частицы испускаются с энергией 8,76 Мэв, почти равной энергии α-частиц, испускаемых торием. Откуда берется эта энергия? Очевидно, не от соударяющегося с ядром протона, энергия которого не превышает одной шестой части энергии одной α-частицы. Однако если сложить массу ядра лития с массой соударяющегося с ним протона, то полученная сумма будет несколько больше массы двух α-частиц. Другими словами, здесь экспериментально заметен дефект массы: если бы в таком процессе можно было расщепить 7 г лития, то исчезло бы чуть больше 18 мг массы - такое количество вещества перешло бы в энергию α-частиц. Таким образом, этот опыт давал не только пример искусственного превращения элементов, но и первое экспериментальное доказательство преобразования вещества в энергию. К этому выводу Кокрофт и Уолтон пришли совершенно естественно, поскольку к тому времени, особенно после убедительных работ Астона, физики уже не сомневались в возможности превращения вещества в энергию.

Может показаться удивительным, что, добившись такого экспериментального подтверждения, ученые единодушно с насмешкой отвергли всякую возможность использовать это явление в практических целях как источник энергии. Это объясняется очень просто: освобождение атомной энергии достигалось за счет затраты значительно большей энергии. Применение такого способа освобождения атомной энергии можно было сравнить с получением энергии от гидроэлектростанции путем подъема воды насосами на гору для последующего использования ее энергии падения.

После лития Кокрофт и Уолтон исследовали другие элементы: бериллий, бор, углерод, кислород, фтор, натрий, алюминий, калий, кальций, железо, кобальт, никель, медь, серебро, свинец, уран. С помощью этого же экспериментального устройства от всех этих элементов были зарегистрированы вспышки сцинтилляций на экране, указывающие на преобразование ядер, т. е. на превращение элемента.

Возникла современная алхимия, как назвал ее Резерфорд в одной популярной книжке.

С помощью введенных ранее Астоном обозначений, при которых массовое число элемента указывается в виде индекса при химическом символе элемента, первая реакция современной алхимии была записана Кокрофтом и Уолтоном в следующем виде:

Это означает, что при соударении протона с ядром фтора протон захватывается, а затем полученное ядро распадается на ядро кислорода и ядро гелия.

6. НЕЙТРОН

Еще в 1920 г. Резерфорд для объяснения результатов опытов по соударению α-частиц с легкими ядрами, о чем мы уже говорили в гл. 14, предположил существование частицы с массой порядка массы ядра водорода и с нулевым зарядом. Правда, согласно Резерфорду, здесь шла речь не о новом типе частиц, а как бы о новом типе водородных атомов, в которых электрон очень близок к ядру и тесно связан с ним.

«Существование таких атомов, - писал он тогда, - представляется почти необходимым для объяснения структуры ядер тяжелых элементов. Действительно, трудно представить себе, как положительно заряженная частица могла бы достигать ядра тяжелого элемента против сил интенсивного отталкивающего поля ядра».

В 1921 г. Дж. Л. Глассон безуспешно пытался получить нейтральную частицу в находящейся под высоким потенциалом разрядной трубке, содержащей водород. В 1928 г. С. Розенблюм также указал на экспериментальные трудности обнаружения этих предполагаемых нейтральных частиц, даже если они и существуют. Главных трудностей здесь две: нейтроны, проходя камеру Вильсона, не оставляют в ней следов в виде капелек воды и потому не могут быть обнаружены таким способом; нейтроны нельзя отклонить ни электрическим, ни магнитным полем, так что их невозможно обнаружить и этим классическим электромагнитным методом.

Тем не менее авторитет Резерфорда был столь велик и его гипотеза так заманчива и полезна, что существование нейтронов, как они были названы по предложению Нернста, представлялось всем физикам-теоретикам 20-х годов абсолютно необходимым. В 1929 г. Резерфорд вместе с Чэдвиком предпринял попытку экспериментального обнаружения нейтронов, оказавшуюся, однако, тоже безуспешной.

В 1930 г. В. Боте и Г. Вечер, бомбардируя атомы легких элементов. в частности бериллия и бора, α-частицами от радиоактивного препарата полония, получили весьма проникающее излучение, которое, по их мнению. имело электромагнитную природу и было обусловлено расщеплением бомбардируемого ядра.

Ирэн Кюри (1897-1955), дочь Пьера и Марии Кюри, и ее муж Фредерик Жолио (1900-1958) повторили в 1931 г. опыт Боте и Вечера, бомбардируя бериллий и литий весьма интенсивным α-излучением. Они установили. что когда излучение бериллия проходит через парафин или другое вещество, содержащее водород, то вызываемая излучением ионизация возрастает, причем, как они показали, это возрастание ионизации обусловлено вылетом быстрых протонов из парафина. Супруги Жолио-Кюри обнаружили также, что излучение бериллия способно иногда сталкиваться с атомными ядрами, встречающимися на его пути: это явление, подтвержденное также наблюдениями в камере Вильсона, происходит тем чаще, чем легче ядра. которые соударяются. Систематическое исследование супругами Жолив-Кюри поглощения этого нового излучения показало, что оно имеет не электромагнитный, а скорее корпускулярный характер. В последующих опытах была обнаружена способность частиц легко проникать сквозь вещество: например, они легко проходят свинец толщиной 10 и даже 20 см. Между тем протоны, обладающие такой же скоростью, задерживаются свинцовой пластинкой толщиной даже 0,25 мм, так что это новое излучение не могло состоять из протонов.

В 1932 г. Чэдвик задался целью установить, не состоит ли исследованное Жолио-Кюри излучение из нейтронов, согласно гипотезе, выдвинутой Уэбстером. Чэдвик показал, что излучение не может иметь электромагнитную природу, если не отказаться с целью согласования расчетных и экспериментальных данных от закона сохранения количества движения.

«...проникающая способность частиц данной массы и скорости зависит только от заряда этих частиц, поэтому ясно, что излучаемая бериллием частица должна иметь крайне малый заряд по сравнению с зарядом протона. Естественнее всего принять, что она вообще не несет никакого заряда. Все свойства излучения бериллия могут быть легко объяснены с помощью такой гипотезы: это излучение состоит из частиц с массой 1 и зарядом 0, т. е. из нейтронов» (J. Chadwick, The neutron and its properties, Nobel lecture, Les Prix Nobel en 1935, Stockholm, 1937, p. 4).

Эта гипотеза сразу же объясняет, почему отбрасывание ядер новым излучением происходит тем слабее, чем тяжелее бомбардируемые ядра.

Но как и откуда берутся нейтроны? Чэдвик предложил механизм, аналогичный привлеченному Резерфордом для объяснения искусственного расщепления атомов при бомбардировке α-частицами. Нейтрон является составной частью ядра и испускается в результате соударения частицы с ядром. При соударении α-частицы с ядром бериллия она захватывается ядром, после чего вновь образовавшееся ядро сразу испускает нейтрон, превращаясь в ядро углерода. В уже упомянутых обозначениях указанную реакцию можно записать в виде

если через n₁ обозначить нейтрон. При бомбардировке бора процесс расщепления ядра описывается следующим образом:

Интерпретация Чэдвика была принята всеми и получила в последующие годы многочисленные экспериментальные подтверждения, большей частью косвенного характера.

Были исследованы свойства нейтрона. Его масса очень близка к массе атома водорода, но сосредоточена в значительно меньшем объеме. Поглощение нейтронов веществом происходит при соударении нейтронов с ядрами поглотителя. Поэтому поглощение очень мало и одинаково по всем направлениям. В том же 1932 г. Н. Фезер установил еще одно исключительно важное свойство нейтронов: бомбардируя азот излучением бериллий-полониевого источника, он заметил в камере Вильсона следы, имеющие общее начало. Фезер приписал их расщеплению ядра азота под действием падающего нейтрона. С большим трудом ему удалось различить два разных процесса расщепления: один - сопровождающийся захватом падающего нейтрона, другой - без захвата.

Все в том же 1932 г. Лиза Мейтнер и К. Филипп добились расщепления атомов кислорода под действием нейтронов. Впоследствии многие другие расщепления подобного типа были осуществлены экспериментаторами. Мы остановимся в дальнейшем подробнее на этих процессах расщепления. Здесь же мы лишь предварительно заметим, что нейтроны оказались особенно эффективным средством расщепления атомов. Нетрудно понять, чем это обусловлено.

«Большая эффективность нейтронов в получении ядерных реакций, - говорит Чэдвик, - легко объясняется. При столкновении заряженной частицы с ядром вероятность ее проникновения в ядро ограничена кулоновской силой взаимодействия частицы с ядром, что определяет минимальное расстояние, на которое может приблизиться частица и которое возрастает с ростом атомного номера ядра и вскоре становится столь большим, что вероятность проникновения частицы в ядро становится очень малой. В случае же соударения нейтрона с ядром ограничения такого типа не существует. Сила взаимодействия нейтрона с ядром очень мала, только на очень малых расстояниях она начинает быстро расти и носит характер притяжения. Вместо потенциального барьера, как в случае заряженных частиц, нейтрон встречает "потенциальную яму". Поэтому даже нейтроны очень малой энергии могут проникнуть в ядро» (Там же, р. 7).

Здесь уместно напомнить, как открытие нейтронов в ядре привело почти сразу к изменению представления о самом строении ядра. Мы уже упоминали, что представление о ядре, состоящем из протонов с примесью электронов, по существу не удовлетворяло никого из физиков. Этой всеобщей неудовлетворенностью объясняется полное единодушие в признании необходимости изменения модели ядра. Однако, как только заходила речь о принятии той или иной новой модели ядра, это единодушие исчезало. Одни полагали, что электроны в ядре связаны с протонами, образуя нейтроны, так что легкие ядра состоят из α-частиц, протонов и нейтронов, а тяжелые ядра могут содержать также несколько свободных электронов. Другие, как, например, Перрен, считали, что в ядре имеются специальные группы, образованные одним протоном и одним нейтроном, названные «полугелием».

Д. Д. Иваненко высказал предположение, что ядро состоит только из протонов и нейтронов. Вскоре после этого Гейзенберг на основе этой гипотезы построил теорию, дающую условия устойчивости атомного ядра и законы радиоактивного распада.

Гипотеза Иваненко, привлекающая своей простотой и подтвержденная последующими исследованиями ядерных превращений, быстро распространилась и вскоре стала господствующей. Ядро с массовым числом А (ближайшее целое число к массе ядра) состоит из Z протонов и N=А-Z нейтронов. Конечно, Z равно также числу электронов внешней оболочки атома, т. е. атомному номеру.

Частицам, образующим ядро, нейтронам и протонам, было присвоено общее наименование нуклонов (был использован ранее существовавший термин, применявшийся, правда, в ином значении). Новая теория внесла изменения в обозначения Астона для ядер. К обозначениям Астона был добавлен еще один индекс, указывающий атомный номер элемента, равный числу протонов в ядре.

После нескольких различных предложений были приняты обозначения супругов Жолио-Кюри, которые использовали два индекса слева от химического обозначения элемента: сверху - индекс, указывающий массу, а снизу - ядерный заряд, например ²⁷₁₃Аl.

После принятия теории строения ядра сразу определилось число нейтронов и протонов в ядре: число нейтронов примерно равно числу "протонов; исключение составляют ядра тяжелых элементов, в которых имеется избыточное число нейтронов. Но какие силы обеспечивают устойчивость ядра? Исследование этих сил было начато Гейзенбергом и Этторе Майорана (1906-1938), молодым итальянским физиком, таинственно погибшим в 1938 г. К проблеме ядерных сил, не решенной до сих пор, мы вернемся в дальнейшем.