Герб горада Ліды, наданы 17 верасня 1590 г.
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.
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.
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.
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.
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.
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.: 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.
1932 г. - ГОД ВЕЛИКИХ ОТКРЫТИЙ
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».
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.
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:
F 19+H1=O16+He4
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.
В частности, в 1932 г. Чэдвик заметил:
«...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».
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
Be9+He4=C12+n1
если через n 1 обозначить нейтрон. При бомбардировке бора процесс расщепления ядра описывается следующим образом:
B11+He4=N14+n1
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».
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.
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».
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.
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.
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.
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, 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. 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.
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, 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. 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.