От элемента 43 до антипротона

К 100-летию Эмилио Сегре

Э.Сегре (1905–1989)

«Звездным часом» в творчестве этого американского ученого стал день 26 ноября 1959 г. Ему вместе с Оуэном Чемберленом была присуждена Нобелевская премия по физике «За открытие антипротона». Само открытие было сделано в 1955 г. на специально сконструированном ускорителе (беватроне). Кстати, на нем же в 1956 г. удалось получить антинейтрон (он отличается от нейтрона лишь направлением магнитного момента).
Обрел реальность прорыв в принципиально новую область исследований – получение антивещества, прежде всего атома антиводорода (вокруг отрицательно заряженного антипротона вращается положительно заряженный позитрон). Антинейтрон открывал возможность «конструирования» более тяжелых атомов: антигелия, антилития и т.д. И тем самым вставал кардинальный вопрос: существуют ли во Вселенной области, состоящие из антивещества?
Хотя Эмилио Сегре был физиком, бесспорен и его вклад в химию, прежде всего в химическую атомистику. Некоторые его коллеги полагали, что высшей научной награды Сегре мог бы удостоиться за некоторые свои прежние достижения… Ведь Сегре стал первым человеком, который осуществил искусственный синтез новых, не открытых на Земле элементов.

Интерес к физике Сегре проявлял с детства, но в особенности — после знакомства с Энрико Ферми. Под его руководством он защитил диссертацию (1928). По окончании Римского университета отслужил четыре года в армии и затем снова вернулся «под крыло» Ферми. Вместе с ним и его коллегами Сегре становится первооткрывателем в области нейтронной физики.

При облучении нейтронами различных веществ в 1935 г. исследователи обнаружили так называемый эффект замедления нейтронов. Их скорость уменьшалась при столкновении с ядрами атомов легких элементов. Спустя непродолжительное время медленные нейтроны сыграли существенную роль в решении проблемы овладения ядерной энергией. Дело в том, что ядра облучаемых мишеней поглощают медленные нейтроны с большей вероятностью, чем быстрые, и тем эффективнее происходит процесс деления ядер. Как это ни парадоксально звучит, медленным нейтронам суждено было повлиять на ход мировой истории…

В 1936 г. Сегре стал деканом физического Университета Палермо и получил командировку в США для работы на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли. В конструкцию циклотрона входила деталь («зуб»), которая регулировала направление потока ускоренных частиц на бомбардируемую мишень. Чтобы избежать расплавления детали, ее изготавливали из тугоплавкого молибдена (Z = 42). Как раз в это время в Беркли исследовали ядерные реакции на дейтронах — ядрах тяжелого водорода. Поскольку деталь облучалась на протяжении долгого времени, то с большой вероятностью могли осуществиться ядерные реакции: ₄₂^АMo(d,n)^A+143, т.е. их продуктами оказывались изотопы элемента 43. Этот элемент долго и безуспешно пытались обнаружить в природе. Казалось, в 1925 г. немецкие исследователи Ида и Вальтер Ноддаки наконец-то поймали его, анализируя характеристические рентгеновские спектры в соответствии с законом Мозли, и назвали мазурием (символ Ma). Он прочно занимал 43-ю клетку таблицы на протяжении почти четверти века, хотя был свидетельством досадной ошибки.

Неизвестно, поделился ли Сегре с кем-либо своими соображениями. Срок командировки заканчивался. Возвращаясь на родину, он попросил прислать молибденовую деталь в Палермский университет, чтобы попытаться отыскать в ней следы элемента с Z = 43. «Экамарганец» – под таким названием его когда-то предсказывал Д.И.Менделеев. Сегре понадобилось участие химика, он призвал в помощники Карло Перрье, мало кому известного исследователя. Кстати, на долю Перрье выпала как раз наиболее ответственная часть работы: оценка химической природы элемента 43. Сегре же слава досталась прежде всего за его идею, а также за то, что он филигранно осуществил радиохимическую часть исследования.

И вот летом 1937 г. на страницах журнала «Nature» появилась короткая совместная заметка следующего содержания.

На правах первооткрывателей Сегре и Перрье могли предложить название для первого искусственно синтезированного элемента. Но только спустя 10 лет, в 1947 г., когда элемент № 43 был получен другими исследователями и иными способами, он был наречен технецием, символ Tс (от греч. – искусственный).

В 1938 г. Сегре снова отправляется в Беркли.
Однако вернуться на родину ему довелось лишь на склоне лет. Причиной тому были антисемитские законы, принятые итальянским правительством. Ученый стал работать в качестве ассистента-исследователя в радиационной лаборатории Беркли. Здесь он стал соавтором одного из важнейших событий в истории ядерных синтезов — открытия (1940) вместе с Гленном Сиборгом и другими физиками изотопа плутоний-239. Пусть Сегре и не играл «первую скрипку» в этом исследовании, но его участие в синтезе очередного искусственного нового элемента не подлежит сомнению. А ведь плутоний-239 оказался главным источником энергии в атомной бомбе.

В 1944–1946 гг. Сегре был начальником группы в Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта.

Когда было открыто деление урана под действием медленных нейтронов (1938), выяснилось, что среди осколков деления содержатся изотопы многих элементов, главным образом середины таблицы Д.И.Менделеева. В конце 1940 г. Сегре обнаружил среди них изотоп элемента 43 с массовым числом 99. Физики-теоретики к тому времени уже объяснили, почему «экамарганец» (равно как и представитель редкоземельных элементов с порядковым номером 61) не существует в природе. Периоды полураспадов элементов 43 и 61 заметно уступали возрасту Земли.

После плутония технеций оказался элементом, нашедшим большое практическое применение. Пристальное внимание привлекло к технецию следующее обстоятельство. В 1952 г. линии его нейтральных атомов были зафиксированы астрофизиками в рентгеновских спектрах некоторых звезд. А это означало, что в звездных атмосферах постоянно происходит ядерный синтез элементов, в том числе и технеция. Открытие сыграло немалую роль в разработке теорий происхождения химических элементов. В июле 1961 г. американские ученые П.Курода и Б.Кенна выделили следы земного технеция из «смоляной обманки» – урановой руды. На Земле технеций образуется как продукт спонтанного деления урана.

В 1940 г. Эмилио Сегре вместе со своими сотрудниками Дж.Корсоном и К.Маккензи осуществили синтез менделеевского «экайода» – самого тяжелого галогена. Его много десятилетий пытались обнаружить в природе. Он имеет порядковый номер 85, а потому «обязан» был входить в состав естественных радиоактивных семейств тория и урана, но все усилия установить присутствие его изотопов были тщетными. Поэтому вселяла надежду попытка искусственного получения «экайода».

Фактически существовал один-единственный вариант ядерной реакции. Мишенью служил висмут (Z = 83) – последний стабильный элемент периодической системы, имеющий единственный изотоп с массовым числом 209, а бомбардирующей частицей — ядро атома гелия. Ядерная реакция могла быть записана так:

²⁰⁹₈₃Bi + ⁴₂Не ²¹¹85 + 2n.

Альфа-частица выбивала из ядра висмута два нейтрона, добавляла в него два протона и два нейтрона и превращала в ядро элемента 85 с массовым числом 211. Эта реакция и была осуществлена на практике.

16 июля 1940 г. исследователи направили в журнал «Physical Review» статью «Искусственно радиоактивный элемент 85». Химические эксперименты со следовыми количествами нового элемента позволили заключить, что он похож на йод и обнаруживает слабые металлические свойства. Свое название элемент обрел лишь в 1947 г. – астат (от греч. astatos – неустойчивый). И все же его изотопы были обнаружены в составе радиоактивных семейств благодаря работам австрийских физиков Б.Карлик и Т.Бернерта в 1943 г.

Со времени открытия радиоактивности прочно складывалось убеждение, что никакие внешние факторы не могут повлиять на скорость радиоактивного распада. В 1938 г. американский физик Л.Альварец обнаружил новый вид радиоактивных превращаемостей, так называемый орбитальный захват. Он заключается в захвате ядром электрона с ближайшей к нему К-оболочки (при К-захвате заряд ядра уменьшается на единицу).

Спустя 10 лет Сегре с сотрудниками теоретически предсказали и экспериментально подтвердили тот факт, что для самых легких элементов периодической системы скорость орбитального захвата зависит от химического состояния элемента. У элементов с малыми Z те электроны, которые подвержены орбитальному захвату, обычно выступают и в качестве валентных. Плотность электронов около ядра при изменении химического состояния элемента меняется. В связи с этим изменяется вероятность захвата электрона, что влечет за собой изменение скорости орбитального захвата.

Сегре экспериментировал с изотопом 7Ве, который способен захватывать электрон с L-оболочки (очень редко встречающийся L-захват). Оказалось, что между скоростями захвата электрона металлическим бериллием и его дифторидом существует некоторая разница: захват электрона с
L-оболочки изотопа бериллия происходит медленнее, когда изотоп входит в состав соединения. Эта работа стала первым доказательством того, что в некоторых случаях внешние условия могут влиять на скорость радиоактивной превращаемости. Пусть наблюдаемый эффект отнюдь не был впечатляющим, важен сам факт.

В начале 1950-х гг. Сегре всецело переключается на исследования в области элементарных частиц. Он продолжал их вплоть до своего ухода из Калифорнийского университета в 1972 г. Затем он несколько лет был профессором Римского университета.

Сегре проявил себя как талантливый популяризатор физики, издав ряд книг, в том числе биографическое исследование, посвященное своему учителю Энрико Ферми (1970). Многие академии наук и научные общества избрали Эмилио Сегре своим членом.

ЛИТЕРАТУРА

Ферми Л. Атомы у нас дома. М.: Иностр. лит-ра, 1958;
Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука, 1983;
Сегре Э. Антипротоны. Пер. с англ. М., 1960.

Д.Н.ТРИФОНОВ