Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20, 29, 34/2004

Отличительный признак естественных радиоактивных процессов состоит в том, что они происходят без какого-либо вмешательства извне. Их нельзя остановить, невозможно изменить скорость их протекания. Между тем правомерным оказывался вопрос, возможны ли такие превращения элементов, которые можно было бы направлять и регулировать по собственному усмотрению.
Этот вопрос долгое время оставался лишь предметом обсуждения, но о каком-либо практическом осуществлении подобных процессов речь не шла. Пожалуй, первым, кто подошел к делу практически, был У.Рамзай. Он различал два вида превращений элементов: трансформацию – естественное превращение радиоактивных элементов (мы используем термин «превращаемость») и трансмутацию – искусственное превращение элементов в результате внешних воздействий.

У.Рамзай (1852–1916)

Нельзя ли найти такой источник огромной энергии, с помощью которого можно было бы осуществить трансмутацию? Рамзай полагал, что таким «наиболее удобным источником энергии является эманация радия… в эманации мы имеем химическое оружие, превосходящее обычные реактивы настолько же, насколько современное ружье превосходит лук наших предков».
Применяя эманацию, Рамзай, казалось бы, достиг совершенно удивительных результатов. Так, при облучении воды наблюдалось образование неона; при действии эманации на медь получался литий; в процессе облучения циркония и тория появлялся углерод в виде углекислого газа и окиси углерода…
Сообщения об этих «открытиях» были восприняты с большим интересом, но одновременно вызвали удивление и недоверие. Многие ученые, в том числе М.Склодовская-Кюри, подвергли данные, полученные Рамзаем, серьезной проверке. В итоге выяснилось, что во всех случаях имели место ошибки эксперимента. Это принесло Рамзаю глубокое разочарование, но не подорвало его веру в идею превращения элементов при воздействии на них извне.
Уже после разработки Э.Резерфордом ядерной модели атома Рамзай в 1912 г. опубликовал книгу «Элементы и электроны». В ней, в частности, он обратился к обсуждению теоретических возможностей трансмутации: «Что же случится, если произойдет центральное столкновение? (Рамзай имел в виду столкновение -частицы с ядром. – Д.Т.) По всей вероятности, только одно из 8000 таких столкновений будет таковым. Задетый атом получит количество энергии, эквивалентное поднятию температуры на тысячу миллионов градусов Цельсия, и можно предположить, что в этом случае произойдет ионизация самого ядра атома, и, вероятнее всего, это будет сопровождаться необратимым изменением – другими словами – трансмутацией».
«Пока не было представлено доказательство, что наблюдаемый у радиоэлементов процесс превращения является обратимым. Допустимо, например, что при распаде эманации радия могут образовываться микроколичества радия… Так же можно было бы предполагать, что свинец при бомбардировке -частицами образует полоний…» – писал Резерфорд в книге «Радиоактивные вещества и их излучения» (1913). Он упоминал, что проводил соответствующие эксперименты, однако с отрицательным результатом.

Э.Резерфорд (1871–1937)

В апреле 1914 г. Резерфорд писал: «Нет сомнений в том, что окажется нелегким осуществить трансмутацию материи в обычных условиях… Построение нового атома потребует прибавления к ядру атома водорода или гелия либо комбинации этих ядер. Возможно, что ядро атома может быть изменено путем прямого столкновения с быстрыми электронами или атомами гелия, испускаемыми радиоактивными веществами… При благоприятных условиях эти частицы должны подходить очень быстро к ядру и могут привести к разрушению ядра или соединиться с ним».
Мировая война повлияла на возможность проведения подобных экспериментов. Лаборатория Резерфорда обезлюдела, а сам он вынужден был уделять основное внимание проблемам, связанным с военной тематикой. Поэтому прошло пять лет, прежде чем был установлен первый факт осуществления трансмутации (апрель 1919 г.).
Еще в июне 1914 г. сотрудники Резерфорда – Э.Марсден и В.Лентсберри, изучая рассеяние
-частиц, обнаружили: число вылетающих длиннопробежных Н-частиц (ядер водорода) существенно превышало то, которое следовало из теории. Пытаясь объяснить этот результат, исследователи заключили, что H-частицы испускаются самими радиоактивными атомами.
По сути дела, предполагался новый вид радиоактивного распада – испускание ядер водорода. Резерфорд относился к этой идее скептически. Его удивляло, почему H-радиоактивность не была обнаружена ранее. Кроме того, H-радиоактивность внесла бы хаос в структуры радиоактивных семейств, правильность химической идентификации многих радиоэлементов (особенно короткоживущих) была бы поставлена под сомнение.
Тем не менее начало исследований, предпринятых Резерфордом и приведших к обнаружению трансмутации, заключалось в проверке гипотезы о H-радиоактивности. Первый эксперимент в этом направлении ученый поставил 8 сентября 1917 г.
В этот день он завел новый лабораторный дневник, озаглавленный так: «Длина пробега быстрых атомов в воздухе и других газах».
Гипотеза об H-радиоактивности скоро отпала. Но вот какое обстоятельство настораживало: при облучении сухого (не содержащего водяных паров) воздуха число H-частиц существенно возрастало. Если же вместо воздуха использовался чистый азот, то это число увеличивалось на 25%. Подобный эффект допускал двоякое толкование: либо сцинтилляции вызываются атомами азота, либо продуктами расщепления азота (например, атомами гелия, водорода, лития). «Я пытаюсь… раздробить атом…» – сообщал Резерфорд в письме к Н.Бору в декабре 1917 г. Это было его первое письменное свидетельство о желании экспериментально расщепить атом.
Но только в апреле 1919 г. он четко изложил те положения, с которыми обычно связывают открытие искусственного превращения элементов:
1) длиннопробежные атомы, возникающие при столкновении -частиц с азотом, не являются атомами азота, но атомами водорода или атомами с массой 2;
2) если это так, то, следовательно, атом азота под действием громадных сил, возникающих при ударе -частицы, распадается, и освобождается атом водорода, который был основной частью ядра азота. Этот вывод был сформулирован Резерфордом в статье «Столкновение -частиц с легкими атомами» в разделе «Аномальный эффект в азоте».
В истории науки апрель 1919 г. рассматривается как дата доказательства превращения элементов. Но ведь существовали обстоятельства, которые требовали объяснения. Было лишь ясно, что при распаде ядра азота из него вылетает материальная частица. Но какая именно? Здесь-то и заключалась неопределенность.
Ответ на вопрос, во что же именно превращается азот, первоначально так и не был получен.
А потому с указанной датой правомернее связывать осуществление первой искусственной ядерной реакции (без установления ее механизма), а не действительное доказательство превращения элементов. Резерфорд на первых порах неправильно объяснял этот механизм. Он допускал ошибку в оценке природы атома, остающегося после вылета H-частицы, полагая, что -частица лишь выбивает из ядра азота ядро водорода, в результате чего заряд и масса азотного ядра уменьшаются на 1 и образуется атом углерода с зарядом 6 и массой 13. Также оставалась неизвестной дальнейшая судьба -частицы.
Аналогичные исследования проводились учеными Венского института радия Г.Киршем и Г.Петтерссоном. Их идея заключалась в том, что -частицы могут «застревать» в ядрах. В таком случае, несмотря на потерю H-частицы, должно было образовываться ядро с бо'льшими зарядом и массой. Представление венских физиков в конечном счете оказалось верным, и хрестоматийная фраза «азот превращается в кислород» по справедливости отмечает заслуги Кирша и Петтерссона.
Бесспорное доказательство искусственного превращения было получено в 1925 г. П.Блэкеттом – учеником Резерфорда. Истинный механизм первой искусственной ядерной реакции заключался в следующем:-частица выбивала из ядра протон, а сама «встраивалась» в ядро; в итоге ядро – продукт ядерной реакции – приобретало заряд, на единицу больший, и массу, на три единицы большую, чем исходное ядро азота, т.е. действительно «азот превращался в кислород». Чтобы прийти к этому результату, Блэкетту потребовалось проанализировать около 34 000 фотографий процессов, полученных с помощью камеры Вильсона.

Кавендишская лаборатория Резерфорда начала разработку поистине «золотой жилы», что знаменовало возникновение нового этапа в экспериментальной ядерной физике. Достигнутые результаты внесли огромный вклад в развитие представлений современной атомистики.
Э.Резерфорд и Дж.Чэдвик установили, что при бомбардировке -частицами атомы многих легких элементов (до калия (Z = 19) включительно) испускают протоны. Особенно это характерно для нечетных значений Z. Однако при облучении элементов с бо'льшими зарядами ядер эффект испускания протонов не наблюдался. С современных позиций подобное обстоятельство легко объяснимо, и Резерфорд достаточно четко понимал, в чем здесь дело.
Энергия естественных -частиц (в качестве их источников использовались препараты радона и радия) не превышала 10 МэВ и оказывалась явно недостаточной, чтобы -частицы могли преодолеть кулоновский барьер ядер со средними и большими значениями Z. Для этого требовались энергии раза в два-три бо'льшие, но способы достижения их оставались весьма проблематичными. По образному выражению Ф.Астона, наступил неизбежный период покоя в ожидании открытия новых орудий исследования.
Такими «новыми орудиями» могли стать специально сконструированные установки, позволяющие существенно ускорять заряженные частицы, придавать им энергию, значительно превосходящую ту, какой обладали -частицы из естественных источников. Создание подобных установок являлось в те времена технически сложной задачей.
Между тем в 1928 г., опираясь на квантовую механику, Г.А.Гамов рассчитал, что более эффективными бомбардирующими снарядами могли бы оказаться протоны — частицы с единичным зарядом и единичной массой. Теоретически вероятность проникновения протона в атомное ядро была в 16 раз больше, чем для -частицы. В ядерных реакциях, которые изучал Резерфорд, происходило испускание незначительного числа быстрых протонов, и они не представляли интереса для практических целей.

В 1929 г. сотрудники лаборатории Резерфорда – Дж.Кокрофт и Э.Уолтон – сконструировали прибор, который назвали «умножителем напряжения». Он позволял получать пучки протонов большой энергии. Но понадобилось три года, чтобы исследователи впервые осуществили ядерную реакцию с помощью ускоренных частиц, а именно расщепили ядро лития протонами:

Эта реакция была воспроизведена в лабораториях многих стран, в том числе и в СССР.

В 1932 г. американские физики Э.Лоуренс и М.Ливингстон создали первый циклотрон — установку, позволявшую получать заряженные частицы больших энергий без использования высоких напряжений. Ядерные реакции на ускоренных циклотроном протонах и -частицах стали широко исследоваться и привели к получению большого числа искусственных радиоактивных изотопов.
Но все же наиболее фундаментальным событием того года стало открытие нейтрона — нейтральной частицы, по массе немного превосходящей протон.

ЛИТЕРАТУРА

Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Учение о периодичности и учение о радиоактивности. М.: Атомиздат, 1974;
Соловьев Ю.И., Петров Л.П. Вильям Рамзай. 1852–1916. М.: Наука, 1971;
Резерфорд Э. Избранные научные труды. Т. 2. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука, 1972;
Хакимбаева Г.А. Изучение ядерных превращений, вызываемых -частицами. М.: Наука, 1987.

Д.Н.ТРИФОНОВ