Федор Кедров - Цепная реакция идей

• Название: Цепная реакция идей
• Автор: Федор Кедров
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1975

Книга посвящена жизни и научному творчеству шести выдающихся ученых-физиков XX века, сыгравших исключительную роль в развитии физики атомного ядра и элементарных частиц. Это англичанин Эрнест Резерфорд, советские ученые П.Л. Капица, Я.И. Френкель, И.Е. Тамм, французы Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.

---

Резерфорд внимательно следит за тем, как теория относительности завоевывает все новых сторонников среди ученых. Он видит успехи квантовой механики, основанной его учеником Бором. В то время еще никто не может связать все эти достижения с перспективами, открывающимися в результате успешных опытов самого Резерфорда по расщеплению ядер легких элементов. Но именно так будет. Пока еще недостает звеньев цепи, которая приведет человека к овладению ядерной энергией. Важнейшим в этом ряду станет открытие нейтрона, сделанное учеником Резерфорда позднее. Но пока в 1920 году Резерфорд, размышляя о строении атома, приходит к выводу, что в ядре должна существовать и нейтральная частица. Иначе говоря, он предсказывает существование нейтрона, впоследствии открытого экспериментально в его лаборатории.

Американский профессор С. Девоне работал в Кевендишской лаборатории в последние годы жизни Резерфорда (1935...1937). Он писал: «Резерфорд — личность и Кевендишская лаборатория — научное учреждение слились воедино и вместе они излучали такой ослепительный свет, который редко встречается в жизни. Если Монреальский период характеризуется личными достижениями, манчестерский — Резерфорда и его школы, то в Кембридже Резерфорд уже олицетворял собой великую Кевендишскую Традицию, был частью ее славы».

В приведенной цитате явно ощущается попытка охарактеризовать главные периоды научной деятельности Резерфорда. Это естественно для Девонса — ученого, стремящегося к точной классификации. Но разбивка Девонса дает лишь приблизительное представление о главных периодах работы Резерфорда в Канаде и Англии. На самом деле все гораздо сложнее, в частности, потому, что работы самого Резерфорда невозможно отделить от работ его учеников.

Резерфорд сделался Кевендишским профессором в возрасте 48 лет. Когда-то он впервые вошел в это примечательное здание на Фри скул лэйн молодым провинциальным парнем, приехавшим из Новой Зеландии. Он впервые испытал тогда здесь ни с чем не сравнимую радость исследовательской работы.

Теперь все было и так и иначе. В знакомых комнатах стояли те же добротные массивные столы с грубовато сделанными установками и сплетениями проводов. Поблескивали стекло и медь старомодных солидных физических приборов... Но работали в этих старых стенах представители нового поколения ученых. Несмотря на то, что недавно окончилась мировая война, в Кевендишской лаборатории было сейчас очень много молодежи — гораздо больше, чем в прежние времена.

1919 год проходит под знаком интенсивной работы Резерфорда по расщеплению ядер. Он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения — что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны — ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд, «общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени альфа-частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на одно мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17...»

Итак, азот — тот самый элемент, у которого в результате бомбардировки альфа-частицами происходит расщепление ядер и он превращается в водород и кислород. Резерфорд в своем сообщении приводит запись этого процесса, напоминающую химическое уравнение. Осуществлена первая ядерная реакция, столь важная для продвижения человека к овладению ядерной энергией. Правда, Резерфорд открывает ядерные реакции лишь в легких элементах. Освободить же ядерную энергию удалось лишь позднее путем расщепления тяжелых ядер, в частности, урана. Но в те времена ученые, в том числе и Резерфорд, не имели средств для этого.

Резерфорд подсчитал, что превращения ядер азота происходят крайне резко — одна альфа-частица из 50 тысяч оказывается достаточно близко к ядру азота, чтобы быть захваченной. Сотрудник Резерфорда Патрик Блеккет сфотографировал следы нескольких сотен тысяч альфа-частиц в наполненной азотом камере Вильсона. Он зарегистрировал всего несколько случаев превращений ядер азота.

В результате длительных экспериментов Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. В их числе были бор, фтор, натрий, алюминий, литий, фосфор. Он также пытался путем бомбардировки альфа-частицами вызвать ядерные реакции в некоторых тяжелых элементах, расположенных в конце периодической таблицы. Однако это ему не удавалось. С увеличением атомного номера элемента количество ядерных превращений уменьшалось. У элементов тяжелее аргона с атомным номером 18 совсем уже не наблюдались превращения (не обнаруживались протоны, свидетельствующие о расщеплении).

Продолжая опыты по расщеплению ядер, Резерфорд пришел в следующему выводу: хотя альфа-частицы и обладают большой энергией, но для проникновения в ядра элементов они все же являются недостаточно мощными снарядами. Он решил повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Так был сделан первый шаг в развитии ускорительной техники. В наше время гигантские ускорители стали обычным орудием исследования ядерной физики.

Ученики Резерфорда Кокрофт и Уолтон, вдохновленные идеями своего учителя и при его большой поддержке построили в Кевендишской лаборатории высоковольтную установку для разгона заряженных частиц — протонов. Протоны разгонялись до энергии 600 тысяч электрон-вольт, что для того времени было большим достижением.

Патрик Блеккет по этому поводу писал: «Инженерные масштабы таких экспериментов, как работы Кокрофта и Уолтона, для большинства физиков того времени были недостижимы. Подобно академику Капице, Кокрофт был инженером-электриком, превратившимся в физика. Работы Кокрофта и Уолтона и американского физика Лоуренса в Беркли (США) положили начало Машинного века в ядерной физике, высшим достижением которого сегодня является Серпухов, Брукхейвен и Женева (имеются в виду крупнейшие в мире ускорители. — Ф. К.)».

Резерфорд, поддерживая Кокрофта и Уолтона, прекрасно понимал неизбежность перехода к «Машинному веку» в ядерной физике, где исследователю невозможно обходиться обычными методами доядерной экспериментальной физики.

Но заметим, что открытие Чадвиком в Кевендишской лаборатории нейтронов было результатом экспериментальной работы, проделанной в старых традициях Резерфорда. Для этого сенсационного открытия исследователю потребовалась простая аппаратура, но зато большое вдохновение и физическая интуиция.

Однако, несмотря на создание новых методов ускорения частиц, Резерфорд не менял своего мнения о невозможности практического использования внутриядерной энергии. Он говорил, что атом всегда склонен вести себя не как источник энергии, а как «прорва», поглощающая энергию. Нужно израсходовать больше энергии на расщепление атома, чем можно получить ее в результате этого. Правда, это предположение Резерфорд высказывал главным образом до открытия нейтрона. Появление на сцене нейтрона оживило перспективы использования внутриядерной энергии. Успехи ядерной физики в тридцатых годах нашего века были вдохновлены работами Резерфорда в области осуществления ядерных реакций.

В исследования включились экспериментаторы и теоретики различных стран. Исключительно важные результаты в этот период были получены Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в Париже, Энрико Ферми в Риме, Отто Ганом и Лизе Мейтнер в Берлине. В Советском Союзе были опубликованы важные работы Я.И. Френкеля, И.В. Курчатова, Ю.Б. Харитона, Я.Б. Зельдовича.

Вскоре после открытия нейтрона, за которое Чадвик получил Нобелевскую премию, Резерфорд в одной своей лекции проанализировал это крупнейшее открытие. Ученый показал, что нейтральная незаряженная частица может сыграть большую роль в использовании ядерной энергии.

Резерфорд также говорил, что открытие нейтрона и экспериментальное доказательство его эффективности в осуществлении ядерных реакций создают огромные перспективы. Но нужно найти способ производства большого количества медленных нейтронов при малой затрате энергии для этого.

Резерфорд не дожил всего несколько лет до того, как Отто Ган и Лизе Мейтнер открыли деление урана. Это открытие, по словам Патрика Блеккета, «в известном смысле явилось последним из великих открытий в собственно ядерной физике, отличающейся от физики элементарных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было областью всей его научной деятельности».

Но сбылось предсказание Резерфорда о том, что с помощью бомбардировки нейтронами можно будет освобождать внутриядерную энергию. После ряда выдающихся открытий физики осуществили, наконец, путем нейтронной бомбардировки определенной критической массы урана такую ядерную реакцию, которая была названа цепной. Цепная реакция дает непрерывное выделение колоссальной внутриядерной энергии. Именно цепной процесс имел в виду Резерфорд, говоря о нем за 13 лет до того, как Энрико Ферми на основе этого процесса построил в Чикаго первый ядерный реактор.