Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

7. ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

15 января 1934 г. Жан Перрен представил заседанию Парижской Академии наук заметку Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри, в которой сообщается об открытии искусственных радиоактивных элементов.

Продолжая исследование влияния бомбардировки ядер α-частицами, супруги Жолио-Кюри годом ранее установили, что при бомбардировке α-частицами некоторые легкие элементы (магний, бор, алюминий) испускают позитроны. Жолио-Кюри попытались уточнить механизм этого испускания, отличавшегося по характеру от известных случаев ядерных превращений. С этой целью они поместили источник α-частиц, содержащий препарат полония, на расстоянии 1 мм от алюминиевой фольги и подвергли ее облучению в течение примерно 10 минут; затем они поместили эту фольгу над счетчиком Гейгера - Мюллера. Они заметили, что фольга испускает излучение, интенсивность которого спадает экспоненциально во времени с периодом полураспада 3 минуты 15 секунд. Аналогичные результаты были получены с бором и магнием, но для них период полураспада был иной: 14 минут для бора и 2,5 минуты для магния.

Аналогичные исследования на водороде, литии, углероде, бериллии, азоте, кислороде, фторе, натрии, кальции, никеле, серебре таких явлений не обнаружили. Но даже этот отрицательный результат позволил сделать определенные выводы: излучение, замеченное у алюминия, магния и бора, нельзя отнести за счет какой-либо примеси в полониевом источнике. Анализ излучения бора и алюминия в камере Вильсона показал, что оно состоит из позитронов. Несомненно, ученые имели здесь дело с новым явлением, существенно отличавшимся от известных случаев ядерных превращений в следующих отношениях: все вызывавшиеся до сих пор ядерные реакции носили мгновенный взрывообразный характер, тогда как испускание позитронов образцом алюминия, облученным α-частицами, продолжалось и после прекращения облучения. Супруги Жолио-Кюри пришли к выводу, что здесь речь идет о настоящем явлении радиоактивности, проявляющейся в испускании позитрона. Такое истолкование опрокинуло сложившуюся в те годы общую уверенность в том, что атомы, образующиеся при бомбардировке тяжелыми частицами, всегда соответствуют обычным устойчивым изотопам.

Энергетические соображения привели супругов Жолио-Кюри к следующему истолкованию явления: сначала α-частица захватывается ядром алюминия с мгновенным испусканием нейтрона и образованием радиоактивного атома, являющегося изотопом фосфора с массой 30 (устойчивый изотоп фосфора имеет массу 31), затем этот нестабильный атом, названный «радиофосфором», распадается с испусканием позитрона, превращаясь в устойчивый изотоп кремния в соответствии с тем же правилом, что и для естественных-радиоактивных веществ.

Несмотря на чрезвычайно малый выход этих превращений и совершенно ничтожную массу вещества, претерпевшего превращение (лишь несколько миллионов атомов), с помощью тонких экспериментов Жолио-Кюри удалось установить химические свойства полученного элемента.

Открытие искусственной радиоактивности было оценено уже тогда как одно из крупнейших открытий нашего века. Физики и другие ученые предвидели его большое теоретическое значение и бесконечное поле приложений в области биологии и практической медицины. Признание заслуг супругов Жолио-Кюри выразилось в присуждении им на следующий год Нобелевской премии по химии, а экспериментаторы всего мира стали повторять их опыты, бомбардируя элементы также другими частицами. В частности, в Англии и Соединенных Штатах, где физики располагали мощными ускорительными установками, начали получать новые искусственные радиоактивные элементы с помощью ускоренных протонов и дейтонов. Так, одним из наиболее крупных успехов опытов на циклотроне в эти первые годы его существования было получение радиоактивного натрия, радия Е и радия F (или полония) при бомбардировке дейтонами большой энергии обычной соли (для получения радиоактивного натрия) и висмута (для получения двух остальных элементов).

8. БОМБАРДИРОВКА НЕЙТРОНАМИ

Как только весть об опытах Жолио-Кюри достигла Рима, Энрико Ферми решил повторить их, применив в качестве бомбардирующих частиц нейтроны. В то время ни один физик не считал нейтроны пригодными для расщепления атомов. Так, Фредерик Жолио в оригинальной работе, призывая своих коллег-физиков повторить его опыты с другими бомбардирующими частицами, не упомянул ни о целесообразности, ни просто о возможности применения нейтронов. Сам Ферми с предельной простотой говорит о причинах недоверия к нейтронам других физиков и о своей собственной счастливой догадке:

«Применение нейтронов как бомбардирующих частиц страдает тем недостатком, что число нейтронов, которым можно практически располагать, неизмеримо меньше числа α-частиц, которые можно получить от радиоактивных источников, или числа протонов или дейтонов, которые можно ускорить в высоковольтных устройствах. Но, с другой стороны, этот недостаток частично компенсируется большей эффективностью нейтронов при получении искусственных ядерных превращений. Нейтроны обладают также тем преимуществом, что им свойственна большая способность вызывать превращения в том смысле, что число элементов, которые могут быть активизированы нейтронами, значительно больше числа активных элементов, которые можно получить с помощью других видов радиоактивных частиц» (Enrico Fermi, Radioattivita prodotta con neutroni, Nuovo Cimento, nuova ser., 11, 430 (1934)).

Часть реактора Центра ядерных исследований SORIN (Societa Ricerchc Impianti Nucleari) в Салудже (Верчелли)
Часть реактора Центра ядерных исследований SORIN (Societa Ricerchc Impianti Nucleari) в Салудже (Верчелли)

Новая методика, примененная в старинном физическом институте еа улице Панисперна в Риме, была весьма несложной. Источник нейтронов в виде стеклянной трубки, содержащей порошок бериллия и эманацию радия, помещался внутрь цилиндрических образцов из исследуемого вещества. Таким образом, испытуемый образец находился определенное время под интенсивным воздействием нейтронного облучения, после чего его быстро (бегом) переносили к счетчику Гейгера - Мюллера, расположенному в другом помещении, и регистрировали импульсы счетчика. Таким способом Ферми подверг бомбардировке фтор, алюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро, иод; все эти элементы активизировались, и во многих случаях Ферми мог указать химическую природу образовавшегося радиоактивного элемента.

После получения этих результатов Ферми привлек к своим исследованиям несколько молодых физиков из числа своих учеников (Э. Амальди, О. Д'Агостино, Ф. Разетти, Б. Понтекорво) и с их помощью подверг облучению нейтронами 63 элемента, из которых для 37 элементов было надежно установлено явление искусственной радиоактивности. У активизированных элементов не было заметно никакой определенной зависимости явления искусственной радиоактивности от атомного веса бомбардируемого элемента.

В процессе этих исследований в том же 1934 г. Ферми сделал еще одно открытие: если активизируемое вещество окружить парафином или водой, через которые нейтроны должны пройти, прежде чем попадут на образец, то эффект существенно усиливается. Типичный опыт ставился следующим образом: в центре маленького цилиндрика из вещества, подлежащего активации, помещалась на определенное время трубка с бериллиевым порошком и эманацией, являющаяся источником нейтронов. Затем вещество помещали в счетчик и определяли интенсивность наведенной радиоактивности. Затем этот опыт повторялся, но на время облучения источник облучения и образец помещались в небольшую полость в центре парафинового блока. При этом интенсивность активации оказывалась существенно большей, иногда в 100 раз.

Энрико Ферми в год присуждения ему Нобелевской премии (1938 г.)
Энрико Ферми в год присуждения ему Нобелевской премии (1938 г.)

Это явление оказалось совершенно неожиданным для всех, однако Ферми вскоре нашел разумное объяснение. Вещество, содержащее водород, или, лучше сказать, содержащийся в нем водород замедляет нейтроны значительно сильнее, чем атомы других веществ. Действительно, поскольку массы нейтрона и протона почти одинаковы, при каждом соударении нейтрона с протоном их кинетическая энергия перераспределяется почти поровну. Ферми легко показал, что нейтрон с энергией в миллион электрон-вольт после 20 соударений с атомами водорода теряет свою энергию почти до уровня, соответствующего тепловому возбуждению. Отсюда следует, что, проходя слой вещества, богатого водородом, нейтроны быстро теряют свою энергию, превращаясь в медленные, или тепловые нейтроны, скорость которых определяется тепловым возбуждением.

Оставалось еще объяснить тот казавшийся парадоксальным факт, что медленные нейтроны лучше быстрых вызывают ядерные превращения. Более того, как показал сам Ферми и другие, наибольший эффект получается при вполне определенной энергии нейтронов, различной для разных веществ. Волновая механика позволила Ферми объяснить этот парадокс. Аналогичное объяснение дал и Бор, уподобив этот процесс явлению резонанса.

Результаты экспериментов по бомбардировке медленными нейтронами превзошли все ожидания. Почти все бомбардируемые элементы дали радиоактивные изотопы. Перед самым началом второй мировой войны было известно уже 400 новых радиоактивных веществ, половина которых получалась при бомбардировке нейтронами, причем у некоторых из них интенсивность излучения была выше, чем у радия.

9. ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Химический анализ и теоретические соображения, основанные на распределении изотопов, позволили Ферми выделить три процесса получения искусственных радиоактивных веществ. Все три процесса начинаются захватом падающего нейтрона ядром; одновременно с этим ядро испускает либо α-частицу, либо протон, либо ничего не испускает, но во всех случаях ядро превращается в новый радиоактивный элемент. Первые два процесса встречаются чаще при бомбардировке легких ядер, тогда как третий тип - при бомбардировке тяжелых ядер.

Весной 1934 г.. бомбардируя нейтронами уран и торий, Ферми обнаружил образование сложной смеси радиоактивных элементов, испытывающих ряд превращений с испусканием β-лучей. Ферми и его сотрудники попытались химически отделить носителей этой активности. Эти исследования привели ученых к заключению, что некоторые из этих носителей радиоактивности не являются ни изотопами урана, ни более легкими элементами, а представляют собой элементы с атомным номером больше 92, т. е. совершенно новые искусственные элементы. Ферми, Разетти и Д'Агостино сочли, что первыми получили и опознали элементы с атомными номерами 93 и 94, и назвали их аусонием и эсперием.

Однако это открытие было поставлено под сомнение, пока в 1938 г. Отто Хан и Лиза Мейтнер не подтвердили его, установив также образование еще одного нового элемента с атомным номером 96. В 1940-1941 гг. два первых трансурановых элемента были, можно сказать, вновь открыты, и тогда их назвали нептунием и плутонием, чтобы сохранить аналогию с планетной системой.

Во время второй мировой войны и в последующий период был получен добрый десяток искусственных трансурановых элементов. Кроме нептуния и плутония, достаточно хорошо известны элементы с атомными номерами 95 и 96, названные соответственно америцием и кюрием. Все трансурановые элементы радиоактивны и имеют самые разнообразные времена жизни: нептуний - около 2 суток, плутоний - 24000 лет, америций - 500 летг кюрий - 5 месяцев.

Особенно большое значение благодаря своему военному применению имеет плутоний, который получают в Соединенных Штатах в значительных количествах с помощью циклотронов, бомбардируя уран сначала дейтронами, а потом нейтронами. Уже к концу 1942 г. было получено 0,5 мг плутония - количество, достаточное для изучения его основных химических свойств. Позднее, преодолев громадные технические трудности и вложив гигантские средства, плутоний стали производить в весьма больших количествах в атомных реакторах, но цифры держат в секрете.

10. РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ

В 1938 г. Ирэн Жолио-Кюри и П. Савич заметили, что в уране, активизированном по методу Ферми, присутствует элемент, сходный с лантаном. Эти опыты были повторены в том же году Отто Ханом и Ф. Штрассманом, подтвердившими результаты своих французских коллег и установившими, что новый замеченный ими элемент представляет собой именно лантан.

Истолкование этого явления вызвало замешательство среди физиков. Говорят, что первой догадалась об истинной природе этого явления Лиза Мейтнер, работавшая с Отто Ханом и Штрассманом в Институте кайзера Вильгельма в Берлине, и что, поняв важность этого открытия, она, будучи еврейкой немецкого происхождения, бежала не без приключений в Голландию и прибыла в Копенгаген к Бору и О. Фришу - другому немецкому физику, еврею по национальности, работавшему раньше в Институте кайзера Вильгельма и эмигрировавшему затем в Данию.

Фактически это явление было объяснено почти одновременно в конце 1938 - начале 1939 г. несколькими физиками: Ханом и Штрассманом, которые, по-видимому, не очень были уверены в своем объяснении, Мейтнер и Фришем и Фредериком Жолио-Кюри. Согласно этому объяснению, атом урана, подверженный бомбардировке нейтронами, испытывает новый тип расщепления, причем атом, в который попал нейтрон, раскалывается на две более или менее равные части. Этому явлению вскоре было дано название деления.

Энрико Ферми у мемориальной доски, установленной на наружной стене теннисного корта Чикагского университета, где им был запущен первый атомный котел. Надпись на доске гласит: 'Здесь 2 декабря 1942 г. человек впервые осуществил цепную реакцию и этим положил начало овладению освобожденной ядерной энергией'
Энрико Ферми у мемориальной доски, установленной на наружной стене теннисного корта Чикагского университета, где им был запущен первый атомный котел. Надпись на доске гласит: 'Здесь 2 декабря 1942 г. человек впервые осуществил цепную реакцию и этим положил начало овладению освобожденной ядерной энергией'

Жолио-Кюри сразу понял чрезвычайную важность этого нового типа атомного распада. Здесь все можно объяснить чуть ли не на пальцах. Как мы уже упоминали, в ядрах легких элементов число протонов и нейтронов примерно одинаково, а с увеличением атомного номера относительное число нейтронов увеличивается. Так, в ядре урана отношение числа нейтронов к числу протонов равно 1,59, тогда как для элементов середины периодической системы оно колеблется между 1,2 и 1,4. Отсюда следует, что если атом урана распадается на две части, то общее число нейтронов в осколках деления должно для достижения устойчивости самих осколков деления стать меньше числа нейтронов, содержавшихся в исходном ядре. Таким образом, при делении атома урана освобождаются нейтроны. OHPI могут в свою очередь вызвать деление других атомов, и так делее. Отсюда видна возможность цепной реакции, аналогичной химическим цепным реакциям при взрыве. Ф. Перрен, сын Жана Перрена, в том же 1939 г. опубликовал первый расчет «критической массы», необходимой для того, чтобы началась цепная реакция. Это была, конечно, весьма предварительная оценка, имеющая сейчас лишь чисто исторический интерес. Теперь мы знаем, что ни при каком количестве обычного урана цепная реакция начаться не может, потому что нейтроны, получающиеся при делении атомов урана-235, были бы поглощены за счет так называемого «резонансного захвата» атомами урана-238 с образованием урана-239, который в результате двух последовательных β-распадов переходит в нептуний и плутоний. Только для таких делящихся веществ, как уран-235 и плутоний, существует критическая масса.

Расчет потери массы при делении атома урана позволил, кроме того, предвидеть, что процесс деления должен сопровождаться выделением энергии в 165 Мэв. Это громадная энергия, в четыре раза превосходящая полную энергию, освобождаемую при осуществлении всей цепочки радиоактивного распада урана, заканчивающейся свинцом.

Идеи Жолио-Кюри были вскоре экспериментально подтверждены. Более того, удалось установить, что ядро урана захватывает медленные нейтроны и затем делится. В результате теоретического рассмотрения Бор пришел к выводу, что делению подвергается не обычный уран с массой 238, а его изотоп с массой 235. Несколько позже, в 1940 г., А. О. Нир подтвердил экспериментально это предсказание Бора, обнаружив также, что другим легко делящимся атомом является атом плутония (Теория деления тяжелых ядер до работ Бора была развита в 1939 г. советским физиком Я. И. Френкелем. - Прим. ред).

Таков примерно уровень, достигнутый ядерной физикой накануне второй мировой войны. После этого густой покров тайны, непроницаемый для простого человека, покрыл ядерные исследования. Даже специалисты, кроме некоторых посвященных, узнали о научных и технических достижениях в области ядерной физики лишь из лаконичных военных коммюнике: 6 августа 1945 г. атомная бомба была сброшена на японский город Хиросиму, вызвав апокалиптические разрушения и жертвы.

После окончания войны стали просачиваться кое-какие сведения о гигантской интенсивной работе по осуществлению проекта использования атомной энергии, выполненной проживающими в Соединенных Штатах учеными. В 1945 г. Г. Смит опубликовал в Принстоне официальный отчет правительства (Atomic Energy for Military Purposes. (Есть русский перевод: Г. Д. Смит, Атомная энергия для военных целей, М., 1946.) ), содержащий все сведения, которые можно поведать широкой публике. О некоторых принципиальных научных и технических вопросах отчет умалчивал, о других говорил лишь весьма неопределенно. В результате этого и сейчас, когда непосвященные ученые описывают какие-либо атомные процессы, представляющие военный интерес, они вынуждены основываться лишь на рассуждениях, которые «частная» наука никогда не сможет по понятным причинам экспериментально проверить.

В официальном отчете сообщается, что идея использования атомной энергии в военных целях была выдвинута группой иностранных ученых, бежавших от фашизма в Соединенные Штаты, из которых в отчете называются Л. Сцилард, Э. Вигнер, Э. Теллер, В, Р. Вайсскопф, Э. Ферми. Этой группе удалось заинтересовать президента Соединенных Штатов Рузвельта, для чего они воспользовались помощью Эйнштейна, который написал президенту знаменитое письмо:

«Некоторые работы Ферми и Сциларда заставляют думать, что элемент уран может стать новым важным источником энергии... что можно было бы использовать при создании бомбы громадной мощности».

Президент принял решение оказать государственную поддержку этим исследованиям, и они сразу же были засекречены.

Усилия по получению атомной энергии в больших количествах имели две различные цели: управляемое медленное освобождение энергии для промышленных нужд и создание сверхмощного взрывчатого вещества. Вторая цель была совершенно безотлагательной в тот трагический период мировой истории. Однако очень скоро ученые поняли, что наиболее быстрым способом достижения второй цели является осуществление первой. Как мы уже говорили, делению подвержены атомы плутония и урана-235, которого в природном уране лишь 0,7%. Атомная бомба требовала огромных количеств урана-235, который очень трудно отделять. При медленном получении энергии не требуется предварительного разделения, необходимы лишь большие количества урана, и в качестве побочного продукта получается плутоний. Отсюда возникла идея «атомного котла», названного так, возможно, из-за простоты его конструкции. Это название теперь имеет лишь исторический интерес, поскольку оно вытеснено более подходящим названием «ядерный реактор». Первоначальным назначением атомного котла было не получение энергии, а производство плутония в количествах, необходимых для создания атомной бомбы.

Важной проблемой было уменьшение числа нейтронов, захватываемых ураном-238 за счет резонанса; они выпадают из цепной реакции, хотя и полезны как обогатители, т. е. при получении урана-239, превращающегося затем в нептуний и плутоний. Поэтому нужно было как можно скорее выводить быстрые нейтроны из массы урана, отнимать у них кинетическую энергию и вновь направлять в уран в виде тепловых нейтронов, чтобы вызвать деление урана-235. Эту функцию замедлителей могли выполнять атомы тех легких элементов, в столкновении с которыми нейтроны теряют значительную часть своей энергии, не вызывая в то же время изменения этих атомов. До сего времени найдено лишь два вещества, пригодных для этих целей: тяжелый водород (в виде тяжелой воды) и углерод. Тяжелая вода очень дорога, поэтому остановились на углерод в форме графита.

Первый атомный котел, или ядерный реактор, из чередующихся слоев урана и графита, спроектированный и сконструированный Ферми в сотрудничестве с Андерсоном, Цинном, Л. Вудзом и Г. Вейлем, начал работать 2 декабря 1942 г. на теннисном корте Чикагского университета. Его мощность составляла 0,5 вт; через десять дней она была доведена до 200 вт. Это была первая установка ядерной энергетики, ставшей теперь одной из наиболее развитых отраслей современной промышленности (В Советском Союзе первый ядерный реактор, который также является первыми во всей Европе, был запущен 25 декабря 1946 г. академиком И. В. Курчатовым. - Прим. ред). Чтобы надлежащим образом подчеркнуть важность этого события для прогресса человеческого общества, надо было бы, наверное, найти какие-то особо-торжественные слова.

Первая опытная установка позволила провести точное экспериментальное исследование процесса получения плутония, которое привело» к заключению, что этот способ дает реальную возможность изготовления плутония в количествах, достаточных для изготовления атомной бомбы. К концу 1943 г. проект создания атомной бомбы вошел в фазу реализации. Первый экспериментальный взрыв был успешно произведен в 17 часов 30 минут 16 июля 1945 г. на воздушной базе Аламогордо, примерно в 200 км от Альбукерке, в пустыне штата Нью-Мексико.

11. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Еще Кулон тщательно исследовал экспериментально явление постепенного разряда электроскопа, предоставленногоисамому себе (см. гл. 7). Однако с открытием радиоактивности и ионизующего действия излучения, испускаемого радием, физики начали понимать, что предложенное Кулоном объяснение разряда по меньшей мере чересчур упрощенно. К 1903 г. это явление было вновь исследовано многими физиками (Дж. Мак-Леннан, Э. Ф. Бертон, Э. Резерфорд, Г. Л. Кук), которые, экспериментируя с электроскопами, заключенными в сосуды со свинцовыми экранами и без них, установили, что разряд замедляется, если воздух в сосуде возобновлять, предварительно фильтруя его через влажные ватные тампоны, или если сосуд экранировать свинцовыми пластинами. Эти опыты показали, что объяснение Кулона нельзя считать достаточным, потому что разряд происходит также и по причинам, отличным от предположенных Кулоном. И поскольку как раз в эти годы, как мы видели, было открыто γ-излучение, испускаемое радиоактивными веществами, а Джоли и Пуль показали, что радиоактивные вещества рассеяны по всей земной коре, то явление самопроизвольного разряда электроскопа приписывалось влиянию γ-излучения радиоактивных веществ, присутствующих в земной коре.

В течение нескольких лет это объяснение принималось без возражений всеми физиками. Первым, кто привлек внимание к его недостаточности, был. пожалуй, Доменико Пачини (1878-1934), который в результате своих систематических опытов, проводившихся с 1908 по 1911 г., пришел к выводу, что излучение имеет внеземное происхождение.

В 1909 г. Гёккель (Швейцария) поместил электроскоп на воздушный шар и обнаружил, что на высоте 4000 м он разряжается быстрее, чем на уровне моря. С 1911 по 1913 г. австрийский физик Виктор Гесс (род. в 1883 г.), которому в 1936 г. была присуждена Нобелевская премия за его открытие, повторил опыты Гёккеля, подтвердив и дополнив его результаты. Если электроскопы разряжаются на большой высоте быстрее, чем на уровне моря, то трудно уже продолжать считать, что это явление обусловлено факторами, связанными с земной корой. Гесс весьма осторожно выдвинул гипотезу о том, что излучение, вызывающее разряд, носит внеземное происхождение, не исключая, однако, возможности атмосферного происхождения. Другие физики, и в частности В. Кольхёрстер, поднявший электроскопы на высоту до 9000 м, подтвердили, что разряд электроскопов может происходить на больших высотах даже в 8-10 раз быстрее, чем на поверхности земли. Кольхёрстер заметил, что если излучение носит внеземной характер, то оно должно обладать исключительной проникающей способностью, по крайней мере в 5-10 раз больше, чем у самого жесткого γ-излучения радиоактивных источников, поскольку, чтобы действовать на поверхности земли, это излучение должно пройти всю толщу атмосферы.

Прерванные на время войны опыты были вновь начаты в 1922 г. Боуэном и Милликеном, которые запускали с горы Сан-Антонио в Техасе электроскопы-самописцы на высоту до 16000 м и получили противоречивые результаты: скорость разряда электроскопов, т. е. увеличение ионизации, оказалась непостоянной на определенной высоте. Эти результаты, казалось, исключали внеземное происхождение излучения и подтверждали выдвинутую ранее гипотезу о распределении радиоактивности в толще атмосферы.

За этим последовали годы сомнений в природе явления, определить которую не могли с помощью применявшихся экспериментальных методов, потому что запуски зондов в атмосферу были дорогостоящим и трудным мероприятием и давали часто сомнительные результаты. Чтобы обойти эту трудность, Кольхёрстер в 1923 г. в Германии, а двумя годами позднее Милликен и Камерон в Америке решили исследовать излучение, продвигаясь не вверх, а вниз, как это делал в Ливорно в 1911 г. Пачини, проводя опыты на трехметровой глубине в море. Кольхёрстер определял ионизацию в глубокой расщелине в альпийском леднике. Милликен и Камерон опустили электроскопы под воду озера в Калифорнии до глубины 20 м. Эти опыты «были повторены Э. Регенером на озере Констанца на глубинах до 220 м. Таким образом, было установлено, что ионизующее действие излучения убывает с увеличением глубины погружения. Такой результат тотчас привел к заключению, что излучение имеет внеземное происхождение. Из опытов следовало, кроме того, что излучение обладает очень большой проникающей способностью, потому что оно способно проникать сквозь толщу воды, эквивалентную утроенной толщине всей земной атмосферы. Если проникающую способность можно было считать мерилом энергии, то новому излучению следовало приписать энергию, намного превышающую энергию всех до сих пор известных излучений земного происхождения.

Первая фотография следа позитрона, полученная Андерсоном. (С. Anderson, The production and properties of positrons, Les Prix Nobel en 1936.) Энергия позитрона, пересекающего свинцовую пластинку (черная горизонтальная полоска), уменьшается от 63 миллионов эв до 23 миллионов эв, так что радиус кривизны его траектории уменьшается. Магнитное поле перпендикулярно плоскости фотографии
Первая фотография следа позитрона, полученная Андерсоном. (С. Anderson, The production and properties of positrons, Les Prix Nobel en 1936.) Энергия позитрона, пересекающего свинцовую пластинку (черная горизонтальная полоска), уменьшается от 63 миллионов эв до 23 миллионов эв, так что радиус кривизны его траектории уменьшается. Магнитное поле перпендикулярно плоскости фотографии

Все эти экспериментальные данные убедили Милликена в том, что излучение имеет внеземное происхождение (с 1926 г. он располагал даже доказательством их внегалактического происхождения). Поэтому в своей работе 1925 г. он предложил удачное название космические лучи для обозначения внегалактического излучения, непрерывно бомбардирующего Землю. Однако гипотеза о том, что это излучение образуется в верхних слоях атмосферы, просуществовала еще несколько лет, и не без некоторых оснований, как мы скоро увидим. Поэтому для ионизующего фактора, вызывающего разряд электроскопов в указанных условиях, продолжали и, кстати, продолжают до сих пор пользоваться названием проникающее излучение. После установления внеземного происхождения космических лучей возникла проблема выяснения природы этого излучения. В 1927 г. Д. В. Скобельцыну первому удалось получить фотографию следов космических лучей в камере Вильсона. Учитывая исторический период, в который возникла эта проблема, период около 1929 г., время полного триумфа волновой механики, следует сказать, что не столь важно было знать, являются ли космические лучи фотонами или электронами, сколь важно было непосредственно определить их энергию. Соответствующие исследования были проведены в Пасадене Милликеном и Андерсоном классическим методом наблюдения отклонения движущегося заряда в магнитном поле. Была построена вертикальная камера Вильсона, помещенная в мощнейшее магнитное поле. Летом 1931 г. были получены первые результаты, поразившие всех исключительно большим значением измеренной энергии лучей - порядка миллиарда электрон-вольт, тогда как достигнутая до сих пор энергия излучения радиоактивных веществ не превосходила 15 миллионов электрон-вольт. Исследование траекторий космических частиц и их искривления позволило Андерсону, Милликену и впоследствии многим другим физикам (среди пионеров того времени упомянем Пикара, известного своим знаменитым подъемом в стратосферу, и Бруно Росси, совершившего экспедицию в Асмару в 1933 г.) установить довольно сложный характер ионизующего излучения, состоящего из α-частиц, очень быстрых электронов, протонов, нейтронов, позитронов и γ-излучения.

Чтобы четко различить в камере Вильсона положительные и отрицательные частицы, проще всего было бы определить знак кривизны их траектории в магнитном поле. Однако энергия этих частиц столь велика, что их траектории очень слабо искривляются магнитным полем, в котором находится камера Вильсона. В связи с этим Андерсон решил поместить в камере Вильсона горизонтальную свинцовую пластинку толщиной 6 мм; при прохождении такой пластинки частица существенно замедляется и при выходе из нее легче отклоняется магнитным полем.

Первые фотографии, полученные в августе 1932 г. с помощью такого простого видоизменения камеры Вильсона, обнаружили новый факт, наиболее важный во всей этой серии опытов: существование частицы с массой, равной массе электрона, но с противоположным зарядом. Эти фотографии не допускали иного истолкования: знак кривизны указывает на то, что частица заряжена положительно, а величина кривизны и значение энергии после прохождения свинцовой пластинки таковы, что эта частица не может быть протоном. В сентябре 1932 г. Андерсон уже мог объявить об открытии положительного электрона, или позитрона, предсказанного, как мы знаем, теорией Дирака.

Весной 1933 г. Блэккет и Оккиалини с помощью такого же прибора с добавлением счетчика Гейгера - Мюллера, автоматически регистрирующего прохождение космических лучей, подтвердили это открытие.

Открытие позитрона было первым фундаментальным вкладом исследований космических лучей в ядерную физику. Как всегда в таких случаях, это открытие тотчас привело к усилению интереса специалистов по атомной физике к изучению космических лучей, которое до этого времени рассматривалось как некое побочное направление по сравнению с главной линией физических исследований.

В период с 1925 по 1932 г., как мы уже отмечали, считалось, что проникающее излучение, наблюдаемое на поверхности земли, идет непосредственно из внегалактических областей, проникая сквозь всю толщу земной атмосферы. Но после того как был установлен многокомпонентный состав этого излучения и его сходство с продуктами искусственного расщепления атомов в лабораторных условиях, появилось подозрение, не является ли проникающее излучение вторичным продуктом, возникающим при соударениях первичного излучения с атомами земной атмосферы. С 1933 по 1937 г. накапливались подтверждения такой точки зрения, так что теперь нет уже сомнения в том, что проникающее излучение возникает в земной атмосфере при соударении первичных космических лучей с атомами атмосферы.

В 1934 г. Андерсон и Неддермайер по анализу некоторых следов в камере Вильсона вынуждены были заключить, что эти следы вызваны не электронами, как сначала казалось, а новым типом частиц с массой, промежуточной между массой электрона и массой протона; временно их назвали Х-частицами. Впоследствии это наблюдение было подтверждено наблюдениями других экспериментаторов. Между тем в 1935 г. японский физик Юкава из Осакского университета, исследуя потенциал заряженной частицы, вывел теоретически возможность существования частицы с массой, промежуточной между массой электрона и массой протона, но, не зная еще о наблюдениях Андерсона и Неддермайера, заключил, что, «поскольку такая частица никогда не наблюдалась на опыте, изложенная выше теория, по-видимому, неверна». Эту частицу, существование которой было окончательно установлено в 1937 г., Андерсон предложил назвать мезотроном, а Бор - мезоном. Оба термина указывали на промежуточную массу этой частицы между массой электрона и массой протона; постепенно термин «мезон» стал преобладающим.

С 1947 г. исследования мезонов значительно продвинулись вперед, в частности благодаря работам Лэттеса, Оккиалини, Пауэла и Э. Лоуренса. Было установлено, что масса мезона, открытого Андерсоном, равна примерно 290 электронным массам, а заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Был открыт также другой мезон, с массой, равной 210 электронным массам, после чего первый мезон стали называть π-мезоном или пионом, а второй - μ-мезоном или мюоном. С внедрением новой техники фотопластинок (ядерных эмульсий) исследователи открыли и продолжают открывать значительное число новых частиц с массой больше массы пиона, носящих общее название тяжелых мезонов, и есть указания на существование частиц с массой, большей массы нуклона. Тяжелые мезоны могут иметь положительный, отрицательный или нулевой заряд, а их среднее время жизни много меньше, чем у пионов, которое и так чрезвычайно мало (несколько стотысячных долей секунды).

Значительное число непрерывно открываемых новых частиц, по-разному называемых и обозначаемых различными учеными, привело к некоторой путанице, так что в 1954 г. некоторые физики предложили новую классификацию и новые обозначения для элементарных частиц. Легкими мезонами (или L-мезонами) были названы мюоны и пионы; тяжелыми мезонами (или К-мезонами) - частицы тяжелее пиона, но легче протона; гиперонами (или У-частицами) - частицы с массой, промежуточной между массой нейтрона и дейтона.

Происхождение космических лучей до сих пор остается тайной для нас, хотя было выдвинуто несколько гипотез. Все они наталкиваются на серьезное препятствие - объяснение громадной энергии, сконцентрированной в космических лучах, которая по расчетам составляет в среднем 6 миллиардов электрон-вольт (с максимумом в области выше 20 миллиардов электрон-вольт), т. е. в 1000 раз больше энергии, связанной с радиоактивными явлениями, в 150 раз больше максимальной энергии ускоренных частиц, полученной в настоящий момент в мощнейших циклотронах ( Сейчас в синхроциклотронах уже получены частицы с энергией около 600 миллионов электрон-вольт, а в протонном синхротроне в Серпухове энергия протонов достигает 76 миллиардов электрон-вольт, т. е. много больше средней энергии первичных космических лучей. - Прим. перев), и по крайней мере в 30 раз больше энергии деления урана. Одной из последних теорий происхождения космических лучей является теория Ферми, в которой предполагается механизм ускорения за счет соударения протонов с блуждающим в межзвездном пространстве ионизованным веществом. Можно ожидать, что изучение данных приборов, помещаемых на борту искусственных спутников Земли, первый из которых был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г., откроет новую главу в познании космических лучей и строения вещества.

12. ПОЛЕ ЯДЕРНЫХ СИЛ

Основной задачей ядерной физики является познание природы сил взаимодействия составных элементов ядра. Еще с 1910 г., с исследований Резерфорда, показавших резкое отклонение α-частиц в окрестности атомного ядра, стало ясно, что вблизи ядра действуют уже не такие силы, как того требует классическая механика.

В 1932 г., после принятия модели ядра, состоящего из протонов и нейтронов, стало ясно, что для взаимного удержания частиц в ядре должна существовать сила притяжения между составными частями ядра, не зависящая от электрического заряда (притяжение между протоном и нейтроном, между двумя нейтронами) и способная преодолеть кулоновское отталкивание (между протонами). Так появилась идея о поле ядерных сил, которое обеспечивает устойчивость ядра и действие которого ощущается лишь на расстояниях порядка ядерных размеров. Природа этого поля пока еще неясна; неясно также, связано ли оно с частицами так же, как и электромагнитные поля. Теперь можно считать общепризнанным, что ядерные силы не могут быть электрического происхождения, поскольку нейтрон лишен электрического заряда. Они не могут также иметь гравитационный характер, так как расчет дает для сил гравитации значение в 1038 раз меньше требуемого. Поэтому следует заключить, что мы имеем здесь дело с новым типом полей.

После экспериментального обнаружения мезона теория Юкавы завоевала большое доверие; физики строят аналогичные ей другие теории полей ядерных сил, рассматривая их как мезонные поля (Одной из первых теорий ядерных сил, послуживших основой мезонной теории Юкавы, является теория советских ученых Иваненко - Тамма, появившаяся в 1934 г. - Прим). Были предприняты также удачные попытки построения единой теории электромагнитного и мезонного полей. Во всяком случае, сейчас физики признают реальное существование ядерного поля в той же мере, в какой признается существование электромагнитного и гравитационного полей.

Характерной особенностью ядерных сил является их чрезвычайно малый радиус действия. Действительно, на достаточно больших расстояниях взаимодействие между частицей и ядром сводится к кулоновскому отталкиванию двух точечных зарядов с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между зарядами. С уменьшением расстояния между зарядами достигается некоторое критическое расстояние R, начиная с которого величина силы отталкивания начинает отклоняться от закона Кулона; это расстояние R называется радиусом ядра и может быть определено экспериментально. Было найдено, что R пропорционально кубическому корню из массового числа А с множителем пропорциональности, равным 1,42•10-13 см, называемым радиусом нуклона. Отсюда следует, что объем ядра пропорционален А, а плотность всех ядер практически одинакова и имеет чрезвычайно большое значение.

Эта особенность ядерных сил навела Бора на мысль о капельной модели ядра, оказавшейся наиболее удачной из всех предложенных моделей. Бор уподобляет ядро жидкой капле; так же как и в капле, в ядре плотность не зависит от числа образующих его частиц. В модели Бора каждая ядерная реакция распадается на два последовательных этапа. На первом этапе каждая частица, приблизившаяся к ядру, захватывается им, и ее кинетическая энергия быстро распределяется между составными частями ядра. На втором этапе избыточная энергия испускается в виде γ-излучения или же случайно концентрируется в одной частице ядра, приобретающей достаточную энергию, чтобы покинуть ядро. Поэтому испускание частицы из ядра подобно испарению молекулы.

В заключение следует заметить, что природа ядерных сил известна сейчас еще недостаточно. Они, по-видимому, носят характер притяжения, примерно в 100 раз более интенсивного, чем силы электростатического взаимодействия, имеют очень малый радиус действия, не зависящий от заряда частицы, но, возможно, зависящий (пока неизвестным образом) от ее спина.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'