Георгий Гамов - Приключения Мистера Томпкинса

• Название: Приключения Мистера Томпкинса
• Автор: Георгий Гамов
• Издательство: Бюро Квантум
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993

В данную книгу включены два научно-популярных произведения известного американского физика и популяризатора науки — повесть «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», не без юмора повествующая о приключениях скромного банковского служащего в удивительном мире теории относительности, и повесть «Мистер Томпкинс исследует атом», в живой и непринужденной форме знакомящая читателя с процессами, происходящими внутри атома и атомного ядра. Книга предназначена для школьников, студентов и всех, кто интересуется современными научными представлениями.

---

— Но тренер видит лошадь, — возразил мистер Томпкинс. — А разве вы видите частицу, описывающую круг за кругом в той медной коробке, чтобы подтолкнуть ее в нужный момент?

— Разумеется, не вижу, — согласился профессор, — но это и необязательно. Вся хитрость устройства циклотрона состоит в том, что, хотя ускоряемая частица движется все быстрее и быстрее, она всегда совершает полный оборот за одно и то же время. Дело в том, что по мере увеличения скорости частицы радиус, а следовательно, и длина ее круговой траектории также соответственно увеличиваются. В результате ускоряемая частица движется по раскручивающейся спирали и всегда приходит в одно и то же место «кольца» через одинаковые промежутки времени. Все, что необходимо сделать, это поместить в данном месте какое-нибудь электрическое устройство, которое подталкивало бы частицу через одинаковые промежутки времени. Мы делаем это с помощью колебательного электрического контура, очень похожего на те схемы, которые вы можете видеть на любой радиостанции. Каждый электрический толчок не очень силен, но кумулятивный эффект многих толчков позволяет разгонять частицу до очень больших скоростей. В этом огромное преимущество циклотрона: он позволяет достигать такого же эффекта, как напряжение во многие миллионы вольт, хотя нигде в циклотроне вы не найдете высоких напряжений.

— Очень остроумно, — задумчиво произнес мистер Томпкинс, — А чье это изобретение?

— Первый циклотрон был построен несколько лет назад ныне покойным Эрнестом Орландо Лоуренсом в Калифорнийском университете, — ответил профессор. — С тех пор циклотроны значительно выросли в своих размерах и распространились по физическим лабораториям со скоростью слухов. Они оказались удобнее, чем старые ускорители с целым каскадом трансформаторов или другие ускорители, работавшие как электростатические машины.

— А нельзя ли разбить атомное ядро вдребезги, не прибегая ко всем этим сложным машинам? — спросил мистер Томпкинс, твердо убежденный сторонник простоты, с недоверием относившийся к любым устройствам сложнее молотка.

— Разумеется, можно. Когда Резерфорд проводил свои первые эксперименты по искусственному превращению элементов, он как раз использовал обычные альфа-частицы, испускаемые естественными радиоактивными источниками. Но это было более двадцати лет назад, и, как вы можете убедиться, с тех пор методы деления атома существенно усовершенствовались.

— А не можете ли вы показать мне, как разбивают атом? — попросил мистер Томпкинс, всегда предпочитавший увидеть своими глазами вместо того, чтобы выслушивать длинные объяснения.

— С удовольствием, — ответил профессор. — Мы как раз приступаем к эксперименту по дальнейшему исследованию деления ядра бора при столкновении с быстрыми протонами. Когда ядро бора сталкивается с протоном и это столкновение достаточно сильно для того, чтобы бомбардирующая частица проникла сквозь потенциальный барьер и оказалась внутри ядра, оно распадается на три примерно равных осколка, которые разлетаются во все стороны. Весь процесс можно наблюдать непосредственно в так называемой пузырьковой камере, делающей видимыми траектории всех частиц, участвующих в столкновении. Такая камера с небольшим кусочком бора в середине установлена у выхода ускорительной системы, и как только циклотрон заработает, вы увидите деление ядра собственными глазами.

— Включите, пожалуйста, ток, — обратился профессор к своему ассистенту,

— а я пока займусь регулировкой магнитного поля.

Чтобы запустить циклотрон, понадобилось некоторое время, и предоставленный самому себе мистер Томпкинс праздно бродил по лаборатории. Его внимание привлекла сложная система усилительных ламп, тлевших слабым голубоватым светом. Не зная в точности, какие электрические напряжения используются в циклотроне (напряжение может быть мало для того, чтобы расщепить атомное ядро, но вполне достаточно, чтобы свалить быка!), мистер Томпкинс осторожно наклонился над лампами.

Последовал резкий щелчок, словно укротитель львов взмахнул своим хлыстом, и мистер Томпкинс почувствовал ужасную боль, пронзившую все его тело. В тот же миг тьма окутала все, и он потерял сознание.

Когда мистер Томпкинс, наконец, открыл глаза, он обнаружил, что лежит на полу в том самом месте, где его сразил электрический разряд. Помещение вроде бы оставалось прежним, но было обставлено совершенно по-другому. Вместо возвышавшегося наподобие башни циклотронного магнита, сияющих медных контактов и десятков сложных электрических устройств, торчавших тут и там, мистер Томпкинс увидел деревянный стол, на котором были разбросаны плотницкие инструменты. На старомодных полках, висевших по стенам, мистер Томпкинс заметил множество вырезанных из дерева фигур странных и необычных форм. За столом сидел приветливый старичок. Приглядевшись к его чертам, мистер Томпкинс был поражен сильным сходством со стариком Джепетто из фильма «Пиноккио» Уолта Диснея и с портретом покойного Резерфорда лорда Нельсона, висевшим в лаборатории у профессора.

— Прошу прощения за невольное вторжение, — сказал мистер Томпкинс, поднимаясь с пола. — Видите ли, я был на экскурсии в ядерной лаборатории и там со мной приключилось что-то странное.

— А, так вы интересуетесь атомным ядром? — оживился старичок, откладывая в сторону деревянную фигурку, которую он вырезал. Тогда вы попали как раз туда, куда надо! Я изготовляю всевозможные ядра и буду рад показать вам свою мастерскую.

— Я не ослышался? — переспросил мистер Томпкинс с озадаченным видом. — Вы сказали, что занимаетесь изготовлением ядер?

— Да, вы не ослышались. Правда, это требует известной сноровки, в особенности изготовление радиоактивных ядер. Ведь не успеешь их выкрасить, как они могут распасться.

— Выкрасить?

— Да, положительно заряженные частицы я обычно окрашиваю в красный цвет, а отрицательно заряженные — в зеленый. Вы, должно быть, знаете, что красный и зеленый цвета принадлежат к числу так называемых дополнительных цветов и при смешивании уничтожают друг друга [8]. Дополнительные цвета соответствуют положительным и отрицательным электрическим зарядам, которые нейтрализуют друг друга. Если атомное ядро состоит из одинакового числа положительных и отрицательных зарядов, быстро двигающихся в одну и в другую сторону, то такое ядро будет электрически нейтральным и покажется вам белым. Если же положительных или отрицательных частиц будет больше, то вся система будет окрашена в красный или в зеленый цвет. Не правда ли, просто?

— Здесь, — продолжал старичок, показывая мистеру Томпкинсу два больших деревянных ящика, стоявших возле стола, — я храню материалы, из которых можно изготовить различные ядра. В первом ящике у меня хранятся протоны — видите эти красные шары? Они очень стабильны и сохраняют свой красный цвет, даже если вы вздумаете поскоблить их ножом или чем-нибудь поцарапать. С нейтронами во втором ящике хлопот гораздо больше. Обычно они белые, или электрически нейтральные, но обнаруживают сильную тенденцию превращаться в красные протоны. Пока ящик плотно закрыт, все в порядке, но стоит лишь вынуть один нейтрон из ящика, как происходит следующее. Вот, полюбуйтесь сами.

Открыв ящик, старый резчик по дереву извлек из него один из белых шаров и положил его на стол. Какое-то время ничего не происходило, но как раз в тот момент, когда мистер Томпкинс начал терять терпение, шар внезапно ожил. На его поверхности появились красноватые и зеленоватые полосы, и вскоре некогда белый шар выглядел, как один из тех пестрых мраморных шариков, в которые так любят играть дети. Зеленый цвет начал концентрироваться на одной стороне шара, которая начала выпячиваться и затем полностью отделилась от шара, образовав блестящую зеленую каплю, которая упала на пол. Шар после этого стал красным и по внешнему виду ничем не отличался от красных шаров-протонов в первом ящике.

— Видите, что происходит, — сказал резчик, поднимая с пола зеленую каплю, ставшую твердой и круглой. — Белый цвет нейтрона превратился в зеленый и красный, а сам нейтрон распался на две отдельные частицы — протон и отрицательно заряженный электрон.

— Да, да, — добавил старичок, видя изумленное выражение на лице мистера Томпкинса, — эта частица цвета нефрита — не что иное, как обыкновенный электрон, ничем не отличающийся от других электронов в любом атоме и в чем угодно.

— Подумать только! — воскликнул мистер Томпкинс. — Это действительно превосходит все фокусы с разноцветными носовыми платками, какие только мне приходилось видеть. А можете ли вы вернуть шарам их исходную окраску?

— Да, я вотру зеленую краску в поверхность красного шара, от чего шар снова станет белым. Разумеется, для этого придется затратить определенное количество энергии. Другой способ состоит в том, чтобы соскрести с шара красную краску, но и он требует затрат энергии. Соскобленная с поверхности протона красная краска образует красную каплю, т. е. положительно заряженный электрон, о котором вам, должно быть, приходилось слышать.