Превращение элементов - Борис Казаков

Удачам Резерфорда по получению новых элементов при использовании для этого альфа-частиц вскоре наступил предел. Не удалось наблюдать разрушения элементов более тяжёлых, чем калий. Объяснить это было нетрудно: с увеличением порядкового номера возрастает заряд ядра, и направленная на него альфа-частица, имеющая одноимённый заряд, отбрасывается в сторону со всё большей силой. Некоторые из лёгких элементов, такие, например, как те же гелий, углерод, кислород, также не поддавались воздействию альфа-частиц. Составление энергетического баланса показало, что здесь причина была в том, что имевшаяся в распоряжении Резерфорда «артиллерия» не была достаточно мощной: энергии его альфа-частиц не хватало для того, чтобы выбить протон из ядер этих элементов.

Встал вопрос: как получить более мощные снаряды? Конечно, различные радиоактивные элементы давали альфа-частицы неодинаковой энергии, но достаточно ли ограничиться подбором такого источника их?

Употребляя язык современных понятий, можно было бы сказать: необходима механизация подобных исследований. И это было сделано. Ученики Резерфорда Ж.Кокрофт и Э.Уолтон сконструировали установку, в которой можно было ускорять протоны, заставляя их проходить через сильные электрические поля.

Добившись успеха, они приступили к непосредственному эксперименту превращения, логически рассудив, что наиболее подходящим объектом для этого будет литий: сила отталкивания будет не столь велика вследствие малости заряда ядра элемента и самого «снаряда» — протона, у которого он равен не двум, как у альфа-частицы, а всего лишь единице.

Опыт удался, и по длине пробега образовавшихся частиц исследователи определили, что они являются не чем иным, как ядрами гелия, т. е. альфа-частицами.

Понятие «расщепление ядра», применявшееся без достаточных оснований к другим ядерным превращениям, в этом эксперименте получило своё конкретное выражение. Ядро лития под ударом протона распалось на два ядра гелия. Обычно сдержанный и уравновешенный Кокрофт пришёл в неописуемое волнение. Правда, он не выскакивал, как Архимед, из ванны голым и не кричал «Эврика!», но выбежал вечером из лаборатории на людную улицу и с дикой радостью оглядывал прохожих, а когда замечал знакомого, то ошалело сообщал ему: «Мы расщепили атом! Мы атом расщепили!» И так с обалделой улыбкой бежал дальше в поисках нового знакомого.

Успех Кокрофта и Уолтона воодушевил других исследователей, и они форсировали уже ведущиеся ими разработки конструкций для получения частиц высоких энергий. Наиболее удачной из таких следует считать циклотрон, разработанный и построенный Э.Лоуренсом и М.Ливингстоном. Это циклопическая установка, в которой ускорения частиц достигают с помощью магнитного поля и высокочастотного переменного тока.

Конечно, циклопической эта установка была лишь для тех времен; ныне на фоне гигантских ускорителей она выглядела бы малюткой. Однако эта малютка позволила учёным достичь больших успехов в изучении строения атома и превращения элементов. Не случайно элемент № 103, полученный впоследствии американскими учёными, получил имя лоуренсий.

Особым вниманием учёных по-прежнему пользовались изотопы. Физик Ф.Астон разработал метод определения величины массы частицы и сконструировал прибор, названный масс-спектрографом, с помощью которого атомный вес можно стало определять с большей точностью, чем вычислением по эквиваленту. Астон, подвергнув масс-спектрографическому анализу таблицу Менделеева, обнаружил, что изотопы есть у всех известных в то время химических элементов.

В 1932 г. сенсационным было сообщение американских учёных Г.Юри, Ф.Брикведде и Г.Мерфи об открытии ими изотопа водорода с атомным весом не единица, а два. Нашли способ его получения из так называемой тяжёлой воды, молекула которой состояла из изотопа водорода и обычного кислорода. Сама тяжёлая вода всегда присутствовала в очень незначительных количествах в воде обычной. Такой особый водород стали называть дейтерием. Если атом его ионизировать, т. е. оторвать от ядра его единственный электрон, то образуется «снаряд», более тяжёлый, чем протон, но имеющий тот же заряд. Э.Резерфорд предложил назвать новую частицу диплоном, но в науке закрепилось другое название — дейтерон, или дейтрон.

С помощью циклотрона оказалось возможным ускорять, сообщая им тем самым большую энергию, как протоны, так и дейтероны и альфа-частицы. «Атомная артиллерия» совершенствовалась, но всё же обстрел атома всегда представлялся очень непростой задачей, так как все её «снаряды» подвергались отталкивающему действию одноимённо заряженного ядра.

Что же касается изотопов, то в их изучении, разделении, использовании достигли многого, но вопрос о том, почему атомы одного и того же элемента имеют различную массу, оставался открытым.

Чем дальше в лес…

О первом превращении ядра, как уже говорилось, Резерфорд мог судить по появлению протонов. С помощью экрана из сернистого цинка не представлялось возможным регистрировать появление бета- (электронов) или гамма-лучей. А немецких учёных Боте и Беккера как раз интересовало, не возникает ли при бомбардировке атомного ядра альфа-частицами что-нибудь ещё, кроме протонов. В качестве источника альфа-частиц они применили полоний, для мишени взяли некоторые лёгкие элементы. В опыте было обнаружено возникновение каких-то исключительно энергичных лучей, для которых не был преградой даже свинцовый экран с толщиной, вполне достаточной, чтобы задержать не только бета-, но и гамма-излучение. Особенно заметно было возникновение таких лучей, когда под обстрелом альфа-частиц находился элемент бериллий. Следует заметить, что энергия альфа-частиц, используемых Боте и Беккером, была ниже, чем та, которую несли альфа-частицы в экспериментах Резерфорда. И именно тот элемент, у которого Резерфорд не мог зарегистрировать акта превращения, в опыте немецких учёных показал возникновение исключительно мощного излучения.

Бериллиевое излучение, как стали его называть, заинтересовало многих физиков, так как, по всей видимости, свидетельствовало о том, что альфа-частицы захватываются ядром без выбивания из него протонов.

Научные наследники Пьера и Марии Кюри — их дочь Ирен с мужем, супруги Жолио, взялись за изучение этого процесса и воспроизвели эксперименты немецких учёных с использованием более совершенной регистрирующей аппаратуры. В специальной установке они подвергли действию бериллиевого излучения различные вещества. Ничего особенного не было замечено при прохождении этих лучей через массивные свинцовые экраны, кроме того, на что уже было указано ранее. Но неожиданный эффект получился тогда, когда лучи пропускались через преграды из веществ, содержащих водород (парафин, целлофан).

В камере Вильсона, замечательном регистрирующем приборе, позволяющем сфотографировать пути летящей частицы, появились следы, со всей несомненностью указывающие на то, что частицы эти — протоны.

Этому явлению требовалось объяснение. Оно напрашивалось: бериллиевые лучи, обладающие огромной энергией, приводят в движение протоны, находящиеся в ядре лёгкого элемента. У массивных ядер такой процесс затруднён, поэтому и зарегистрированных камерой Вильсона протонов гораздо меньше.

Казалось бы, всё логично. Но вот беда: не сходится энергетический баланс. По величине пробега протонов представлялось возможным измерить их энергии, и это, конечно, было сделано. Результат измерения был ошеломляющим. Энергия лучей, под воздействием которых вылетали протоны, в десять с лишним раз превосходила энергию альфа-частиц первоисточника — полония. Возникал старый тривиальный вопрос: откуда энергия?

Супруги Жолио-Кюри опубликовали результаты своей работы, не скрывая своих трудностей. Естественно, что многие учёные недоверчиво отнеслись к экспериментам Жолио-Кюри, так как они не дали удовлетворительного объяснения. Однако в лаборатории Резерфорда сообщению французов оказали исключительное внимание. Джеймс Чэдвик немедленно проверил эксперименты Жолио-Кюри и получил результаты, ещё более несовместимые с предположением об электромагнитной природе бериллиевых лучей. Их воздействию он подверг азот и аргон, значительно превосходящие своей массой водород, и также обнаружил появление частиц с большой кинетической энергией. Расчёт показал, что в таком случае энергия новых лучей должна превосходить исходную уже в 20 и 30 раз. Но не могло же быть так, что энергия этих лучей менялась в зависимости от того, на что они действовали. Всё это навело Чэдвика на мысль, что бериллиевое излучение вовсе не электромагнитной природы, а представляет собой поток частиц, по массе примерно равных протонам, но совершенно не имеющих заряда.

Так была открыта новая элементарная частица — нейтрон.