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.

---

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.

Еще одним продуктом деления атома являются нейтроны, которые используются для расщепления многих других атомов урана. Таким образом, можно вызвать цепную реакцию радиоактивного распада (см. рисунок 2).

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ

Капица, Уолтон и Кокрофт... Эти имена связаны со строительством первого ускорителя частиц. Тогда и началась эпоха Большой науки, названная так по количеству и качеству задействованного оборудования, финансирования, а также сотрудничества и координации многочисленных научных групп.

Сам Резерфорд сказал в 1927 году на собрании Королевского общества: "Будущее за Большой наукой". Далее он отметил, что получение "электронов на большой скорости и атомов на большой скорости откроет необыкновенно интересное поле для исследований".

РИС. 1:

В процессе расщепления ядра уран бомбардируется нейтронами. Ядро разделяется на две почти равные части, образуя атом бария (Ва) и атом криптона (Kr).

РИС. 2:

Когда уран расщепляется нейтроном, кроме разделения атома на две части, возникают три нейтрона, которые, в свою очередь, могут вызывать расщепление трех атомных ядер. За несколько мгновений эта цепная реакция может высвобождать невероятное количество энергии, что положено в основу атомной бомбы.

Ускоритель стал необходимостью. Резерфорд, гений манипулирования естественными альфа-частицами в деле разгадки тайн атома, признавал, что этот метод исследования фундаментальных частиц достиг предела своих возможностей. Для получения дальнейших знаний было необходимо приложить к частицам большую энергию искусственным путем.

ГЕНЕРАТОРЫ

Секрет заключался в получении достаточной энергии для расщепления ядер атомов. Хотя первоначальные расчеты показывали, что количество энергии, необходимой для разделения ядра, получить невозможно, некоторые исследователи не пасовали перед этими пессимистичными оценками, и среди них был Петр Капица. Побывав в Кавендишской лаборатории в 1921 году, он остался работать с Резерфордом, и их сотрудничество длилось в течение 15 лет.

Это совершенно необыкновенный физик и весьма оригинальный человек.

Слова П. Л. Капицы, демонстрирующие его восхищение своим учителем Э. Резерфордом

Капица был очень активным и хорошо умел убеждать, так что на его проекты Резерфорд выделял большие суммы, чем на проекты других членов команды. Этот факт дифференцированного подхода к участникам группы вызвал не один возглас недовольства. При этом Капица устраивал неформальные встречи ученых для обмена мнениями. В его клубе царила расслабленная атмосфера, и именно здесь Чедвик впервые рассказал об открытии нейтрона. Капица состоял в отличных отношениях с Резерфордом и был одним из немногих, кто мог шутить и критиковать его идеи в его присутствии. Оба они разделяли одну концепцию науки и связи теории с практикой. Для Капицы "отделение теории от практики, от экспериментальной работы негативно сказывалось на самой теории". Капица ясно понимал, что для исследования материи нужно было получить очень интенсивные магнитные поля, для этого требовались мощные динамо-машины. Благодаря генерируемым магнитным полям можно было изменить траекторию любых частиц, имеющих электрический заряд. Он добивался самых мощных магнитных полей в свою эпоху, его результат смогли превзойти только через несколько десятилетий. Исследования Капицей магнитного поля были использованы Уолтоном и Кокрофтом для создания ускорителя частиц.

КОКРОФТ и УОЛТОН

Британский физик Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967), ассистент Капицы в лаборатории Монда, получил математическое образование и работал также в электропромышленности. Этот опыт сыграл важнейшую роль, когда он перешел в Кавендиш- скую лабораторию. Ирландский физик Эрнест Томас Синтон Уолтон (1903-1995) специализировался на гидродинамике. Он был восхищен исследованиями Резерфорда, и несмотря на то что ему не хватало опыта и необходимых знаний о строении атома, он был убежден, что ускоритель частиц станет величайшим проектом эпохи, поэтому хотел участвовать в нем. В 1927 году он показал Резерфорду одну из своих работ, связанную с цилиндрами и течениями воды, сделанную благодаря стипендии имени Всемирной выставки 1851 года (той, которую в свое время получил Резерфорд). Профессор убедился, что сотрудничество будет успешным.

Совместная деятельность Резерфорда, Кокрофта и Уолтона продолжалась пять лет, и ее целью было искусственное деление атома с помощью ускорителя частиц (см. Приложение Б). Сначала они работали вместе с Капицей и пытались ускорить электроны, используя высокое напряжение. Казалось, что для получения результата надо задействовать напряжение в несколько миллионов вольт, и задача выглядела недостижимой. Но Кокрофт прочитал работу советского физика и астрофизика Георгия Гамова (1904-1968), в которой говорилось, что достичь такой цели можно с меньшим напряжением. Гамов пришел к выводу, что учитывая квантовые феномены, частицы, которые априори не имеют достаточной энергии, чтобы вылетать из ядра согласно классическим законам физики, на самом деле могут достигнуть своей цели благодаря так называемому "туннельному эффекту". Цель команды стала реальной.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧАСТИЦ

Когда в 1932 году Чедвик открыл нейтрон, казалось, что был обнаружен последний фрагмент пазла. Найденная частица дополняла открытие электрона. сделанное Томсоном, и открытие протона, сделанное Резерфордом. Создалось впечатление, что открыты самые элементарные компоненты материи. Однако развитие ускорителей частиц в 1950-х привело к возникновению идеи, что ядерные частицы — протоны и нейтроны — имеют некоторую внутреннюю структуру. Это означало возможность существования более фундаментальных частиц. В 1964 году американский физик Марри Гелл-Ман в ответ на экспериментальные данные ввел понятие кварка. Дальнейшие исследования позволили установить, что имеется шесть типов (их еще называют "ароматы") кварков: верхний (u), нижний (d), очарованный (с), странный (s), верхний (t), нижний (b). Согласно Гелл-Ману. когда кварки объединены в триаду, они генерируют протоны и нейтроны (то. что называется также "барионной материей"). Например, комбинация двух верхних кварков и одного нижнего составляет протон; одного верхнего кварка и двух нижних — нейтрон (см. рисунок ниже).

Еще открытия

В любом случае кварки не были единственными элементарными частицами. открытыми тогда. В 1937 году исследование космического излучения позволило обнаружить новую частицу, которую назвали мю. или мюон. Так же как у электрона, у нее был отрицательный заряд, но она была в 200 раз тяжелее. В 1975 году к ней добавилась частица тау, также отрицательно заряженная, но в 3500 раз более тяжелая, чем электрон. Электроны, мюоны и частица тау стали называться пептонами. К этой группе также относятся три типа нейтрино, каждый из которых симметрично компенсирует предшествующие частицы: электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино. Кроме этих частиц, физики указали на существование частиц, появляющихся при взаимодействии частиц между собой. Самая известная из них — фотон, к которой нужно добавить глюон, возникающий при сильных взаимодействиях и объясняющий причину, почему ядерные частицы крепко связаны между собой и преодолевают электростатические силы отталкивания. Частицы, возникающие при взаимодействии, называют бозонами, к перечисленным бозонам нужно добавить бозоны W и Z, появляющиеся при слабых взаимодействиях (в таблице показаны эти "новые" элементарные частицы). Когда Резерфорд и Томсон приоткрыли завесу, скрывавшую элементарные частицы атома, никто не мог предположить, что за ней будет обнаружен кипящий котел частиц.