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.

---

Уолтон и Кокрофт взялись за дело, и в 1928 году в подвал Кавендишской лаборатории стали приходить первые детали для ускорителя частиц. В этот период между несколькими лабораториями в разных частях света началась ожесточенная конкуренция.

В начале 1930 года насчитывалось не менее пяти участников в этой гонке за ускорением частиц и за возможностью продолжать разгадывать атомное ядро. Только в Соединенных Штатах, например, было несколько проектов, один из них под руководством Эрнеста Лоуренса в Калифорнийском университете.

ПЕТР КАПИЦА

Петр Леонидович Капица (1894-1984) родился в Кронштадте, его отец был военным, а мать учительницей. Он учился на инженерном факультете в университете Петрограда и пережил революцию. Его жена и двое детей умерли в 1918 году от ужасной пандемии гриппа, которая в тот год коснулась многих стран по всему миру. В 1919 году Капицу пригласили на работу в университет. Два года спустя его включили в университетскую делегацию, которая должна была проехать по всей Европе, собрать материалы и обменяться идеями с коллегами. Попав в Кавен- дишскую лабораторию, Капица остался работать с Резерфордом. Он получил докторскую степень в Кембридже в 1923 году и был назначен ассистентом директора по магнитным исследованиям. В 1929 году он стал членом Королевского общества. Капица открыто говорил о своей родине и поддерживал связь с Советским Союзом, ему удавалось совмещать успешную профессиональную карьеру и постоянные поездки домой. Резерфорд поставил ему только одно условие: запрет на разговоры о политике в лаборатории. Капица убедил Резерфорда в необходимости построить лабораторию для своих исследований. Резерфорд согласился использовать часть средств из бюджета Королевского общества на строительство, и в 1932 году началось возведение лаборатории Монда Королевского общества. На одной из ее стен Капица попросил изобразить крокодила в честь своего учителя, воплотившего в жизнь его мечты о блистательной научной карьере. На самом деле он и наградил этим ласковым прозвищем Резерфорда. В новой лаборатории Капица создал первый ожижитель гелия. В 1978 году это исследование принесло ему Нобелевскую премию за открытия в области магнетизма, жидкого гелия и физики низких температур.

Сталинский режим

В 1934 году по приказу Сталина власти запретили Капице выезд из страны и сообщили ему, что отныне его научная карьера будет развиваться на родине. Резерфорд развернул кампанию по возвращению Капицы, но советские власти дали ему безапелляционный ответ: "Несомненно, Кембриджу хотелось бы, чтобы один из величайших ученых в мире работал в его лабораториях, так же и Советскому Союзу хотелось бы иметь в распоряжении лорда Резерфорда". Капица был назначен директором Института физических проблем в Москве, туда он перевез все оборудование из своей лаборатории в Кембридже (фактически было перевезено все здание целиком, и в Кембридже затем построили его копию). В 1938 году на основании наблюдения за гелием, не имевшим вязкости, он открыл состояние материи, известное как сверхтекучесть. Также он изобрел аппарат по промышленному производству жидкого кислорода. Капица смог установить дружеские отношения со Сталиным, который пообещал ему, что его лаборатория будет иметь некоторые привилегии. Капица работал вместе со Львом Ландау, советским физиком, который смог объяснить сверхтекучесть с точки зрения квантовой теории. Однако когда в 1945 году Капица отказался участвовать в советском проекте разработки атомной бомбы, его сместили со всех постов. Только после смерти Сталина в 1953 году ученому удалось вновь занять место главы Института физических проблем. Капица умер в Москве в 1984 году.

Там началось строительство циркулярного ускорителя, который позже стал называться циклотроном. В Карнеги Мер- ле Туве планировал создать настолько большой ускоритель, что он не помещался ни в какое здание. Ему пришлось строить его несмотря на непогоду, в результате чего постоянно портилось оборудование.

Высокое напряжение должно было создать интенсивные электромагнитные поля, которые, в свою очередь, должны подтал кивать частицы к вступлению в поле действия. Эти частицы должны были двигаться к фиксированной цели, такой как тонкая металлическая пластина. В проекте Кокрофта — Уолтона под контролем Резерфорда ученые стремились достичь ускорения протонов, для того чтобы те сталкивались с литиевой пластинкой (самый легкий металл). Когда ускоренная частица ударялась об атомы, ее высокая скорость давала основания полагать, что некоторые из ее ядер испытывают воздействие. Не было понятно, удастся ли разделить ядро, как предсказывал Резерфорде 1917 году. Никто по сути не знал, будет ли эксперимент успешным, но все же существовало глубокое убеждение, что он откроет путь к более глубокому пониманию природы.

Посередине этой интенсивной и волнующей гонки Резерфорд перенес один из сильнейших ударов судьбы. В 1930 году во время родов четвертого ребенка умерла его дочь Эйлин. Эрнест так и не оправился после трагедии. Он быстро состарился и посвятил себя внукам. Его поездки за границу переносились или вовсе отменялись. Лаборатория и интеллектуальные занятия привлекали его, но уже в меньшей степени. Через несколько недель после смерти дочери он получил титул барона и стал именоваться лордом Резерфордом Нельсоном. На гербе по его желанию поместили изображения воина маори и птицы киви в память о его родине. Также он выбрал образ греческого бога Гермеса Трисмегиста, покровителя алхимиков, и девиз на латинском: Primordia quaerere rerum, что означает: "Доискивайся первоосновы вещей".

В это время Кокрофт и Уолтон начали осознавать, что им необходима большая разность потенциалов, чем они рассчитывали изначально. Их соперникам удавалось достичь напряжения более миллиона вольт, поэтому казалось, что они проигрывают. Однако пока никому не удалось расщепить атомное ядро, поэтому надежда оставалась. Резерфорд, со своей стороны, настойчиво требовал результатов. Кроме того, он подозревал, что его ученики намеренно откладывали начало испытаний, опасаясь провала.

В 1930 году циклотрон заработал под напряжением в 1,2 миллиона вольт. Причем с его помощью не удалось расщепить ни один атом. Аппарат Уолтона и Кокрофта представлял собой башню высотой 4,5 м, и вместе с генератором он с трудом умещался в подвале. В 1932 году они сообщили, что получили напряжение в 800 тысяч вольт и, по их расчетам, его будет достаточно для разделения атома.

Ирен Кюри и Фредерик Жолио, 1935 год. В этом году паре получила Нобелевскую премию.

Резерфорд (в центре), Уолтон (справа) и Кокрофт вместе работали в лаборатории над разрешением проблемы искусственного разделении атома.

Когда 14 апреля 1932 года Уолтон запустил ускоритель, других свидетелей первых проблесков, которые начала улавливать машина, рядом не было. Уолтон знал, что происходит нечто важное, и немедленно известил Кокрофта и Резерфорда, чтобы те посмотрели результаты. Резерфорд сразу же стал проверять природу вспышек и обнаружил, что это были альфа- частицы, его старые знакомые, вновь навестившие его. В этот момент Резерфорд сказал:

"Эти вспышки сильно напоминают альфа-частицы. Если кто и может идентифицировать вспышку невооруженным глазом, так это я, потому что присутствовал при самом ее рождении".

Альфа-частицы на самом деле были фрагментами лития, разделившегося на две половины. Аппарат улавливал альфа- частицы, которые, как мы говорили, состоят из двух протонов и двух нейтронов. Ускоритель частиц запустил протон на изотоп лития, состоящий из трех протонов и четырех нейтронов в ядре. При воздействии на литий первый протон поглощался ядром, так формировалось нестабильное ядро из четырех протонов и четырех нейтронов, начинался процесс дезинтеграции атома на две равные половины (см. рисунок на с. 140). Разделение оказывалось ровным, так что возникали две частицы, у каждой из которых имелось по два протона и два нейтрона. Это были альфа-частицы, улавливаемые детектором. Исследователям удалось разделить атомное ядро пополам.

Резерфорд потребовал, чтобы оба ученых немедленно написали научную статью с подтверждением открытия. Они первыми добились желанной цели, и никто не должен был их опередить в последний момент. Через две недели в журнале Nature было объявлено об открытии, Кокрофт и Уолтон утверждали:

"Блеск вспышек и плотность треков, которые наблюдались на камере расширения, дают основания полагать, что эти частицы являются обычными альфа-частицами. Если эта точка зрения верна, возможно, что изотоп лития с массовым числом 7 время от времени притягивает протон и получившееся ядро из восьми протонов разделяется на две альфа-частицы, у каждой из которых массовое число равно 4, а энергия — примерно восемь миллионов электрон- вольт. Эволюция энергии с этой точки зрения — примерно шестнадцать миллионов электронвольт из-за разделения, что примерно совпадает с ожидаемым, исходя из уменьшения атомной массы, задействованной в дезинтеграции".