Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

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 α-частицы, которые с огромной энергией по 8,5 МэВ каждая разлетались в противоположные стороны:

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 = mс2. 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

mp= 1,007276 а.е.м. mНе= 4,001506 а.е.м.

тLi =7,014359 а.е.м. mНе =4,001506 а.е.м.

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

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

Ε=Δm·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 тn=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

n→ 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 β-лучи радиоактивных элементов. Ядерные силы существенно меняют свойства нейтронов и в зависимости от типа ядра период его β-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 α-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 α-частицами бериллий. Однако наблюдали они при этом не протоны, а какое-то другое излучение, которое проходило даже через слой свинца толщиной в 2,5 см. Они решили, что это жесткое γ-излучение возбужденного ядра бериллия, и на этом успокоились.

Два года спустя Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри продолжили исследования природы нового излучения. Направив его на мишень из парафина, они сразу же обнаружили протоны, которые с большой энергией вылетали из мишени, и на этом основании они решили, что открыли «новый способ взаимодействия излучения с материей», посредством которого «γ-кванты» Боте и Беккера весьма эффективно выбивают не только протоны из атомов водорода, входящих в состав парафина, но даже ядра углерода.

Джеймс Чэдвик долгое время работал в лаборатории Резерфорда, который осенью 1920 г. пригласил его продолжить с ним эксперименты по искусственному превращению элементов. Подсчитывать сцинтилляции приходилось в темноте, и во время этих длинных и утомительных сеансов Резерфорд подробно развивал перед Чэдвиком свои представления о нейтроне и его возможной роли в структуре ядра. Впоследствии Чэдвик даже предпринял несколько попыток обнаружить нейтрон. Они оказались неудачными, но не напрасными и, в сущности, подготовили его к открытию: узнав об опытах Жолио-Кюри, он уже через месяц понял, что Боте и Беккер наблюдали ядерную реакцию превращения бериллия в углерод с испусканием нейтрона:

α + 94Ве→ 126C + n,

а супруги Жолио-Кюри — просто отдачу протонов при столкновении с нейтронами, подобную той, которую каждый многократно наблюдал при соударении бильярдных шаров.

До изумления просто, не так ли? Настолько просто, что это открытие Чэдвика три года спустя, в 1935 г., будет отмечено Нобелевской премией. Но почему все-таки ни Жолио-Кюри, ни Боте не додумались до столь простой мысли?

При анализе подобных ситуаций, которые в истории науки встречаются не так уж редко, следует проявлять известную осторожность. Дело в том, что отчетливая формулировка кардинального открытия, противоречащего общепринятым взглядам, причем такая, которая не оставляет места для отступления в случае ошибки, сопряжена для любого ученого со своеобразным профессиональным риском. И чем именитее ученый, тем опаснее для него ошибка такого рода. Быть может, это одна из причин, по которой часто именно молодые совершают истинно революционные открытия, хотя постановку проблем и пути их решения готовит для них, как правило, предыдущее поколение. (Энрико Ферми любил повторять, что проблемы решаются аспирантами, задача руководителей — сформулировать их.) Таких примеров в истории физики — множество: достаточно вспомнить теорию относительности, атом Бора, матричную механику, спин электрона и многое другое. Как и всякий эмпирический факт, это правило не следует абсолютизировать: Рентген, Планк, Резерфорд, Шрёдингер, Борн и сам Чэдвик сделали свои главные открытия в зрелые годы.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Можно понять огорчение Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри, когда они узнали об открытии Чэдвика. Но они были истинные ученые: радость научного поиска, а не уколы самолюбия направляли их действия, и они с новым энтузиазмом продолжили свои исследования. Их усилия вскоре увенчались успехом: они открыли искусственную радиоактивность.

В начале 1934 г. они облучали α-частицами алюминий и, как