Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

науки: в этом году Эрнест Резерфорд впервые на Земле осуществил искусственное превращение элементов. Сама возможность таких превращений в то время уже не казалась удивительной: многочисленные примеры «трансмутации

элементов» можно было наблюдать в явлениях радиоактивности. Но именно наблюдать: тепло и холод, электрические и магнитные поля, давление и химические реакции ни на йоту не изменяли процесс радиоактивного распада. Было нечто величественное в том равнодушии, с которым природа отвергала все попытки человека нарушить ход ее естественных процессов. Можно понять поэтому тот интерес и возбуждение, с которым ученое сообщество встретило опыты Резерфорда.

В 1919 г. Эрнесту Резерфорду исполнилось 48 лет, он был лауреатом Нобелевской премии, директором знаменитой лаборатории Кавендиша, членом почти всех академий мира, признанным авторитетом в атомной и ядерной физике; королева Англии за научные заслуги пожаловала ему титул лорда, вокруг него выросла могучая школа учеников, многие из которых впоследствии сами станут нобелевскими лауреатами. Но как и двадцать лет назад, во времена своей молодости, он по-прежнему любил сидеть за микроскопом и экспериментировать с а-частицами.

В этот раз, продолжая довоенные измерения своего ассистента Марсдена, он обнаружил, что при прохождении а-частиц через обыкновенный воздух возникают какие-то новые частицы, пробеги которых значительно больше пробегов исходных а-частиц. Довольно скоро Резерфорд выяснил, что вторичные частицы — это протоны, и возникают они при столкновениях а-частиц с ядрами азота. Но как? Резерфорд допускал две возможности: либо, сталкиваясь с ядром азота, а-частица выбивает из него протон, в результате чего оно превращается в ядро углерода:

а+ ’|N--> а + ’iC + p,

либо же а-частица застревает в ядре азота и превращает его в ядро кислорода:

a + ’|N--->’78О + р.

Шесть лет спустя сотрудник Резерфорда Патрик Мейнард Стюарт Блэккет (1897—1974) наблюдал эту ядерную реакцию в камере Вильсона и доказал, что верна вторая схема. Это означало, что человек впервые своими руками изменил то, что, по словам Ньютона, «Бог создал" сам в первый день творения». Сбылись мечты алхимиков и юношеские надежды самого Резерфорда. «Современная алхимия» — так он назовет впоследствии свою книгу о превращениях ядер и до конца жизни сохранит удивление перед открывшимся ему миром.

246

В последующие четыре года Резерфорд совместно с Джеймсом Чэдвиком (1891 —1974) установил, что при обстреле а-частицами по крайней мере еще десяток элементов — вплоть до калия — вступают в ядерные реакции. Но на этом возможности а-частиц были исчерпаны: заряд калия равен 19, заряд а-частицы — 2, и ее энергии уже не хватало, чтобы преодолеть отталкивание ядер с зарядами, большими 20. Заряд протона вдвое меньше, поэтому в качестве снаряда для обстрела ядер он предпочтительнее а-частиц. Но где взять протоны больших энергий? Радиоактивных элементов, испускающих протоны, в природе не существует.

Тогда-то впервые и возникла идея ускорителя протонов, которая воплотилась в металле почти десять лет спустя: в 1931 г. почти одновременно Роберт Ван де Грааф (1901 — 1967) предложил свой электростатический генератор, Эрнест Орландо Лоуренс (1901 —1958) изобрел циклотрон, а Джон Дуглас Кокрофт (1897—1967) и Эрнест Томас Синтон Уолтон (р. 1903 г.) построили каскадный генератор для ускорения протонов.

Кокрофт и Уолтон уже в 1932 г. осуществили в лаборатории Резерфорда первую ядерную реакцию, вызванную ускоренными протонами. Обстреливая мишень из лития протонами, ускоренными до энергии 0,2 МэВ, они обнаружили, что примерно один протон из миллиарда расщеплял ядро лития на две а-частицы, которые с огромной энергией по 8,5 МэВ каждая разлетались в противоположные стороны: р + Ю --> гНе + гНе.

Эта ядерная реакция стала столь же знаменитой, как и первая реакция Резерфорда по превращению азота в кислород. Сравнивая энергии в начале и в конце этой реакции (0,2 и 17 МэВ), в пору усомниться в законе сохранения энергии, если, конечно, не принимать во внимание формулу Эйнштейна Е = пгс2. В действительности же справедливость формулы Эйнштейна была окончательно доказана именно в этой реакции. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить массы частиц до и после реакции:

до реакции после реакции

гпр= 1,007276 а.е.м. тНе= 4,001506 а.е.м.

ти =7,014359 а.е.м. тНе =4,001506 а.е.м.

сумма: 8,021635 а.е.м. сумма: 8,003012 а.е.м.

Дефект массы Дт=0,018623 а.е.м. Выделившаяся энергия

Е=Д/п«931,5 МэВ =17,3 МэВ.

Согласитесь, что стоило проделать этот простой расчет, чтобы убедиться в справедливости одного из самых фундаментальных законов природы.

НЕЙТРОН

Нейтрон — это ключ, открывший доступ к запасам внутриядерной энергии. Теперь мы знаем о нем много: он лишен заряда, его масса тп — 1,008665 а.е.м. незначительно — примерно на две электронных массы — превышает массу протона, его спин равен спину протона, а все ядра представляют собой плотную упаковку из смеси протонов и нейтронов. Гипотеза о протонно-нейтронной структуре ядра была выдвинута сразу же после открытия нейтрона несколькими учеными почти одновременно: советским физиком Дмитрием Дмитриевич Иваненко (р. 1904 г.), Вернером Гейзенбергом, талантливым, рано умершим итальянским ученым Этторе Майорана (1906—1938) —и с тех пор ни разу не подвергалась сомнению. И сразу же был открыт тяжелый изотоп водорода дейтерий (Гарольд Юри, 1932 г.), ядра которого представляют собой связанное состояние протона и нейтрона.

В свободном состоянии нейтрон довольно быстро, с периодом полураспада 10,7 мин, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино по схеме

п--> p+e + v.

В ядре нейтрон связан прочными ядерными силами и, как правило, стабилен, но иногда испытывает распад по обычной схеме, причем протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино излучаются. Именно эти электроны мы воспринимаем как р-лучи радиоактивных элементов. Ядерные силы существенно меняют свойства нейтронов и в зависимости от типа ядра период его p-распада может быть самым разным: от сотых долей секунды до нескольких миллиардов лет.

Положительно непонятно, почему нейтрон обнаружили так поздно: Резерфорд и Харкинс предсказали его еще в 1920 г., для его открытия не нужно было* ничего, кроме привычных а-частиц, и тем не менее лишь десять лет спустя ученые напали на его след.

В 1930 г. ученик Планка Вальтер Боте (1897—1957) совместно с Г. Беккером, продолжая традицию исследований ядерных реакций, начатую в 1919 г. Резерфордом, облучали а-частицами бериллий. Однако наблюдали они при этом не протоны, а какое-то другое излучение, которое проходило 248

даже