Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

• Название: У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

---

Кавендишская лаборатория Кембриджского университета просматривается за озером.

Вторая Бейкерианская лекция прошла практически незаметно, в том числе и для научного сообщества. Фредерик Жолио, супруг Ирен Кюри, позже признавал, что не поехал на эту лекцию, так как ожидал от нее "обычной демонстрации ораторского искусства без новых идей". Но это было далеко от правды, и, как мы увидим дальше, отношение самого Жолио к этой лекции стоило ему Нобелевской премии.

На лекции Резерфорд предвосхитил некоторые достижения науки последующих лет. Среди его прогнозов, полностью оправдавшихся, можно вспомнить, например, существование "более тяжелого" водорода с ядром с двойной массой обычного водорода, но имевшего строение с одним электроном. Дейтерий — так называется изотоп водорода — был открыт через 11 лет. Также он говорил о гипотетическом существовании более легкого изотопа гелия, который открыли через несколько лет. Но, несомненно, провидческой эту лекцию делает тот факт, что за десять лет до открытия он рассказал о нейтроне.

ЧЕДВИК И НЕЙТРОН

Резерфорд описал следующими словами характеристики нейтрона, ядерной частицы, которую до того момента никто не мог обнаружить:

"Весьма вероятно, что электрон вблизи ядра формирует некий нейтральный дублет. У этого атома были бы новые свойства. Его внешнее поле было бы практически нулевым, за исключением зоны, близкой к ядру, и он мог бы свободно перемещаться в материи. Обнаружить спектроскопом его было бы очень трудно, также невозможно удержать его в закрытом сосуде. С другой стороны, он может свободно входить в структуру атомов, присоединяться к ядру или дезинтегрироваться его интенсивным полем, освобождая место заряженному атому водорода, электрону или и тому и другому".

Как предсказывал Резерфорд, нейтрон не имел электрического заряда и мог легко проникать в атомную структуру. Ученый описывал его как соединение протона и электрона, что в результате давало частицу с массой, аналогичной протону (масса электрона в сравнении представляется незначительной), и нейтральным электрическим зарядом.

Чедвик нацелил часть своих исследований и экспериментов на обнаружение этой частицы. Он ставил все возможные опыты. "Я проводил некоторые абсурдные эксперименты", — говорил он позднее, хотя затем добавлял: "Но самые абсурдные ставил Резерфорд". Несмотря на это первоначальное впечатление, после долгих лет работ и знакомства с экспериментами немецких и французских коллег его усилия были вознаграждены результатами.

Мать всегда говорила нам, что важно серьезно работать, быть независимыми и не искать только развлечений. Но она никогда не говорила, что наука должна быть единственной стезей, которой нужно следовать в жизни.

Ирен Кюри

В 1928 году немецкая команда, состоявшая из Вальтера Боте и Герберта Бекера, использовала альфа-частицы полония, воздействуя на бериллий. В результате они получили излучение с сильной проникающей способностью и нейтральным зарядом. Хотя уверенности в этом не было, немецкие ученые убедили себя, что они наблюдали гамма-излучение.

Четыре года спустя дочь Марии Кюри, Ирен, и ее муж Фредерик Жолио решили исследовать излучение, обнаруженное немецкими учеными. Французы выяснили, что при воздействии этого нейтрального излучения на парафин возникают протоны. Было ли возможно, чтобы гамма-излучение, не имеющее массы (речь шла об электромагнитном излучении, таком как видимый свет, только обладавшем большей энергией), извлекало протоны из элемента? Здесь что-то не состыковывалось, но Фредерик и Ирен только отметили, что это могло быть связано с эффектом Комптона (согласно которому при воздействии фотонов на металлическую поверхность из нее начинают. выбиваться электроны). Энергетически это было некорректное предположение, так как масса протона несопоставима с массой электрона. Гамма-излучение не могло вызвать такой эффект.

Снова наблюдалось несоответствие.

Чедвик получил известия о результатах немцев и французов. После их обсуждения с Резерфордом он был уверен, что где-то закралась ошибка. Тогда Чедвик принялся ставить те же эксперименты, чтобы обнаружить ошибку, он также увеличил количество целей, на которые воздействовал альфа-лучами, и использовал не только парафин, но и бериллий (см. рисунок). Сравнительные результаты, а также тот факт, что появляющееся излучение могло проникать в свинец, убедили его в том, что излучение состояло из нейтрально заряженных частиц с массой, подобной массе протона. У него было очевидное преимущество перед немцами и французами, его учитель предсказал существование нейтронов, и на эту тему они вели беседы неоднократно. Это позволило ему идентифицировать эти частицы, едва увидев их. Фредерик Жолио и Ирен Кюри не сталкивались прежде с такими частицами и не могли правильно интерпретировать информацию (что стоило им Нобелевской премии). И вот атомная головоломка казалась снова разгаданной. В 1932 году Чедвик опубликовал статью в журнале Nature "Возможное существован нейтрона*, в которой описал свое открытие.

Комментируя свой провал, Фредерик Жолио говорил, что хотя научный мир не знал об идеях Резерфорда, они всегда хранились в Кавендишской лаборатории, и именно это преимущество стало решающим для Чедвика, экспериментально доказавшего существование нейтрона. Ведь речь шла об ускользающей и трудно обнаруживаемой частице, именно в силу ее важной характеристики — отсутствия заряда. Говоря словами Фредерика Жолио:

В эксперименте Чедвика полоний используется как генератор альфа- излучения. Оно должно облучать бериллий, из которого будут вырываться нейтроны. Они попадут на мишень из свинца, а усилитель зарегистрирует количество попаданий.

"Старые лаборатории, имеющие долгую историю и традиции, всегда хранят тайные сокровища. Идеи, высказанные в прошлом нашими ныне живущими и умершими учителями, повторяются сотни раз, а затем наступает забвение. Но сознательно или подсознательно эти идеи проникают в мысли тех, кто работает в старых лабораториях, и периодически это дает свои плоды".

ОТ ПОЗИТРОНА К РАСЩЕПЛЕНИЮ ЯДРА

Фредерик Жолио и Ирен Кюри упустили прекрасную возможность получить Нобелевскую премию, и это случилось с ними не единожды. Британский физик-теоретик Поль Дирак (1902- 1984) предсказал существование позитрона в 1928 году. Через четыре года в 1932 году американский физик Карл Андерсон, изучая космические лучи с помощью пузырьковой камеры, открыл существование частицы, имевшей равную с электроном массу, но в то же время обладавшую положительным зарядом. Это был антиэлектрон, или, как в конце концов его назвали, позитрон, частица антиматерии Дирака. Андерсон смог наблюдать ее, когда понял, что при воздействии магнитного поля она имеет такую же траекторию, как электроны, но обладая такой же массой, отклоняется в другую сторону из-за наличия у нее положительного заряда. Ее масса идентична электрону, но их заряды противоположны. Аппараты Жолио — Кюри также обнаружили эту необычную частицу, но она вновь осталась незамеченной ими. После открытия супруги решили, что позитроны представляют интересное поле для исследований. Они вновь воспользовались полонием как источником альфа- частиц и начали бомбардировку алюминиевой пластины. В определенный момент испускались позитроны, но внимание ученых привлек другой факт: после прекращения альфа-излучения алюминий — в ходе воздействия на него превратившийся в фосфор — продолжал испускать радиацию. Они проверяли свой прибор вновь и вновь, но все работало верно. Таким образом им удалось искусственно трансформировать стабильный материал, каким был алюминий, в радиоактивный. В результате наблюдений они также пришли к выводу, что распад, который приводил к радиоактивности, мог быть источником электронов и позитронов (β+- и β-радиоактивность). На этот раз их усилия были вознаграждены Нобелевской премией по химии в 1935 году.

Открытие Чедвика, с другой стороны, привело к развитию исследований по расщеплению ядра, в котором нейтроны играют решающую роль. Отто Ган и Лиза Мейтнер, сотрудничавшие с Резерфордом, были первыми, кому удалось осуществить это. Расщепление ядра основано на бомбардировке нейтронами разных материалов, таких как уран, который выбрали, потому что он был самым распространенным в ту эпоху. Как предсказал Резерфорд, нейтрон с большей легкостью мог проникать в ядро, воздействие нейтрона приводило к делению и расщеплению первоначального ядра. Это высвобождало большое количество энергии, а в результате реакции вместо одного атома урана возникали два атома меньшей массы: барий и криптон (см. рисунок 1). Это вызвало большое удивление Отто Гана, так как оба элемента были значительно более легкими по сравнению с ураном. На самом деле когда Ган впервые обнаружил барий, он не знал, откуда взялся этот элемент. Но в беседе они с Мейтнер установили, что его происхождение было связано с бомбардировкой урана нейтронами.