Превращение элементов

Борис КАЗАКОВ

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 ученых Боте и Беккера как раз интересовало, не возникает ли при бомбардировке атомного ядра альфа-частицами что-нибудь еще, кроме протонов. В качестве источника альфа-частиц они применили полоний, для мишени взяли некоторые легкие 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 ученых 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 ученых 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 легкого элемента. У массивных ядер такой процесс затруднен, поэтому и зарегистрированных камерой Вильсона протонов гораздо меньше.

Казалось бы, все 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 ученые 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, еще 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. Расчет 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. Все 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.

Открытие, можно сказать, было в руках у французских ученых, но оно выскользнуло, как сказочная жар-птица. Всего пять недель минуло с тех пор, как опубликовали Жолио-Кюри результаты своей работы, и вот англичанин строго и последовательно разбирает их, проверяет, ставит добавочные эксперименты и совершает открытие.

Не следует, однако, думать, что резерфордовскому ученику сильно повезло, что он счастливчик, волей сложившихся обстоятельств пожавший плоды трудов французских ученых. Совсем нет! Он был подготовлен к открытию, шел к нему уже много лет. За двенадцать лет до описываемых событий Резерфорд высказал убеждение в том, что со временем должна быть обнаружена частица, не имеющая заряда. Он говорил об этом в так называемой бейкерианской лекции еще в 1920 г. Ни Ирен, ни Фредерик Жолио-Кюри своевременно не ознакомились с текстом ее, полагая, что в таких лекциях редко можно найти что-нибудь новое, прежде не публиковавшееся. По собственному признанию Фредерика Жолио-Кюри, если бы случилось иначе, то нейтрон почти наверняка был бы открыт в Париже раньше, чем в Кембридже.

Что же дала новая частица физикам-исследователям? Очень много. Появилась возможность обстреливать ядра элементов, не преодолевая отталкивающего их действия. Ведь нейтрон не имеет заряда, он электрически не взаимодействует ни с протоном, ни с электроном. Открылась перспектива, правда, еще пока не совсем ясная, попадать в ядро тяжелой частицей с большей легкостью, не прибегая к помощи циклопических установок.

В том же году советский ученый Д.Д. Иваненко и независимо от него немецкий – В. Гейзенберг разработали теорию строения атомного ядра, отличную от прежних представлений. В ядре нет никаких электронов, не надо больше задавать вопроса – почему они не слипаются? Ядро составлено из протонов и нейтронов. Этим и объясняется разница в массах изотопов. Ядро тяжелого водорода, например, в своем составе имело один протон и один нейтрон, поэтому заряд этого изотопа оставался неизменным, тогда как масса была удвоенной. В скором времени, менее чем через два года, был открыт и еще один изотоп водорода, названный тритием, или сверхтяжелым водородом, у которого в ядре было два нейтрона и один протон. Каждый химический элемент стал рассматриваться теперь как совокупность атомов, располагающих одинаковым числом протонов в ядре и неодинаковым – нейтронов.

Не столь многообещающее, но тоже сильно впечатляющее открытие было сделано в том же году. Физик-теоретик П. Дирак предсказал существование своеобразного антипода электрона – частицы его массы, но противоположного заряда. Далеко не всех убедил этот ученый, однако при исследовании следов частиц космического излучения американец К. Андерсон нашел этот антипод, который был назван позитроном. Видимо, сам он считал, что у него еще недостаточно данных, чтобы твердо говорить о «внеземной» положительно заряженной частице, и первую публикацию об этом сделал не в научном, а научно-популярном журнале. Знаменитый физик Милликен вскоре показал Резерфорду фотографию, снятую в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле, на которой явственно был виден след частицы малой массы. След этой частицы изгибался в противоположную сторону от следа, оставляемого электроном. Появились в атомной физике новые загадки, но многое, до того необъяснимое, стало для ученых ясным и определенным, был получен импульс для новых поисков и исследований.

Как же повели себя супруги Жолио-Кюри после того, как они «немного не дотянулись» до открытия нейтрона? Разочаровались в своих исследованиях и, что называется, опустили руки? Ничего подобного; наоборот, они повторили экспериметы Чэдвика и опубликовали сообщение, в котором подтверждали его вывод. Начался, по выражению Резерфорда, «бег на старте исследования», в котором лидировали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они стали систематически изучать, от каких веществ под воздействием альфа-частиц можно получить нейтроны. В октябре 1933 г. они выступили в Брюсселе на Сольвеевском конгрессе с сообщением о том, что под ударами альфа-частиц легкие элементы вроде алюминия испускают не только протоны, но и нейтроны и положительные электроны – позитроны. Но французов ожидал блистательный провал. Известный немецкий физик Лиза Мейтнер сказала, что она знакома с работами Жолио по предварительным сообщениям, повторила их эксперименты со всей тщательностью, но ничего, кроме эмиссии (испускания) протонов, обнаружить не могла.

В несколько измененном виде повторилось то, что в свое время было с Резерфордом. Некоторые участники брюссельской встречи восприняли доклад Жолио-Кюри с сожалением. Они заподозрили у Жолио-Кюри желание поспешным выступлением «отыграться» за неудачу с нейтроном. Только Нильс Бор, а затем и Вольфганг Паули ободрили французских ученых. Бор отвел их в сторону и сказал, что считает полученные ими результаты очень важными. Эта, хотя и кулуарная, поддержка придала им силы и уверенности, несмотря на общее неприятие их выводов. Как знать, может быть, именно такой поворот событий и помог супругам Жолио сделать не менее важное открытие.

Не было бы счастья, да несчастье помогло.

Сразу же по возвращении в Париж супруги перепроверили все, что ими было получено, убедились в своей правоте и продолжили опыты. В эти, по выражению биографа Фредерика Жолио, «враждебные дни» они старались «расчленить» свой эксперимент на отдельные этапы, максимально упростив его.

Они поставили себе целью ответить на вопрос: как зависит излучение нейтронов и сопутствующих им позитронов от скорости бомбардирующих атом альфа-частиц? Это изучалось постепенным отдалением от мишени радиоактивного источника. В одном из опытов источник альфа-частиц был убран совсем, а счетчик Гейгера, регистрирующий выделение из обстрелянной алюминиевой фольги заряженных частиц, продолжал щелкать. Что-нибудь более непонятное было трудно придумать. Боясь ошибки, супруги попросили немецкого физика В. Гентера проверить исправность счетчика. Тот внимательно исследовал прибор и удостоверил, что он в полном порядке. Выходило, что алюминий после воздействия на него альфа-частиц сам становился радиоактивным. Волей-неволей вспомнилось давнее заблуждение, в которое впали и Резерфорд и Мария Кюри, сделав вывод, что излучения радия или тория заставляют быть радиоактивными окружающие предметы. Выходит, что никакого заблуждения не было? Жолио-Кюри не затруднились измерить продолжительность эмиссии – 3 часа 15 минут. Называйте это как хотите – возбужденная, наведенная, искусственная радиоактивность, но она – установленный факт! Получена даже фотография следов частиц с помощью камеры Вильсона в магнитном поле.

Сомнений нет: это те самые позитроны, которые предсказал Дирак, которые обнаружил Андерсон в составе космического излучения. Теперь они обнаружены на земле, французские ученые вызвали их к жизни. Эксперименты были продолжены – заменены мишени. Под воздействием альфа-частиц возбудилась позитронная эмиссия у бора и магния. Измерили ее продолжительность: в первом случае – 14 минут, во втором – 2 минуты 30 секунд.

Теперь надо объяснить, что происходит с мишенью, в частности с алюминием; картина представляется такой: поглотив альфа-частицу, атом алюминия увеличивает свой заряд на 2 и становится атомом фосфора; правда, несколько необычного, имеющего массовое число не 31, а 30.

Но как убедить в этом химиков? Для них присутствие химического элемента можно доказать, только проведя характерную аналитическую реакцию. Химической разницы у изотопов нет, потому не так уж и трудно показать присутствие фосфора, ибо известна специфическая реакция его обнаружения. Беда лишь в том, что существует-то этот фосфор в течение трех с половиной минут, да и образуется его ничтожные доли миллиграмма. Жолио обратилась за содействием к знакомым химикам, но те ничем не могли помочь: не существует экспресс-анализ фосфора; требуется несколько часов, чтобы определить его наличие. Пришлось физикам стать в какой-то степени химиками. Они сами разработали метод, который дал им возможность зарегистрировать новообразованный фосфор. Облученную альфа-частицами алюминиевую фольгу они быстро растворили, после чего в раствор ввели обычную фосфорную соль и туда же добавили реактив, осаждающий фосфор. Весь фосфор, как прибавленный, так и новообразованный, был отделен от алюминия. Поднесенный после этого к осадку счетчик Гейгера зарегистрировал своими щелчками выбрасывание фосфором заряженных частиц.

Что и требовалось доказать!

Не столь уж трудно было написать после этого схему процесса: поглощая альфа-частицу, атом алюминия выбрасывает нейтрон и превращается в изотоп фосфора, который существует недолго; он радиоактивен и, выбрасывая позитрон, становится кремнием. Аналогична последовательность для двух других элементов: бор – радиоактивный азот – углерод; или: магний – радиоактивный кремний – алюминий.

Совокупность таких доказательств могла убедить самого предубежденного скептика. Узнав об этих результатах (они были опубликованы в Париже в «Отчетах» Академии наук), Резерфорд не замедлил направить в адрес французских ученых письмо, в котором сообщал, что он в восторге от проделанных ими опытов и полученных результатов.

Значение работы Жолио было оценено всем ученым миром, что выразилось в присуждении им Нобелевской премии. Если до этого времени радиоактивность можно было лишь наблюдать, регистрировать, изучать, то теперь оказалось возможным ее создавать в элементах, которые в природе самопроизвольно не распадаются.

...Тем больше абсурда?

Оглавление

Дата публикации:

14 января 2001 года

Текст издания:

Борис Игнатьевич Казаков. Превращение элементов. М., «Знание», 1977.

Дата обновления:

4 мая 2001 года