§ 2. На штурм ядра

Как мы видели, уточнения первоначальной модели строения атома, предложенной Резерфордом, касались электронов. Основная мысль о существовании в атоме ядра относительно ничтожных размеров выдержала испытание временем. Пользуясь этими представлениями о структуре атома, Резерфорд приступил к попыткам осуществления искусственного превращения элементов. Уже изучение естественной радиоактивности показало, что в недрах атома скрыты огромные запасы энергии - иначе частицы, вылетающие из атома, не могли бы обладать такими гигантскими скоростями. После открытия атомного ядра стало очевидным, что именно в нем сосредоточена эта энергия. Теперь уже совершенно ясной была причина неудач бесчисленных опытов алхимиков, которые в течение ряда веков пытались превращать различные металлы в золото при помощи химических реакций или механических воздействий.

Химическим способом или посредством электрического разряда нетрудно соединить несколько атомов или на время оторвать от атома внешний электрон. Однако вскоре другой электрон займет его место и атом возвратится в прежнее состояние. Устойчивого превращения элемента можно добиться, только воздействуя на его ядро с тем, чтобы изменить состав ядра.

Но как воздействовать на ядро? Благодаря действию огромных внутриядерных сил масса ядра имеет фантастическую плотность - один кубический сантиметр, заполненный атомными ядрами, должен весить около ста миллионов тонн!

С самого начала Резерфорду было ясно, что для расщепления ядра нужны очень мощные источники энергии. Наибольшей энергией в то время обладали α-частицы радия или других радиоактивных веществ. Решили попытаться осуществить превращение атомных ядер, бомбардируя их α-частицами. Это были те же снаряды, которые ранее использовались для изучения строения атома. Но здесь их задача была совершенно иной.

Для превращения ядер недостаточно, чтобы ядерный снаряд прошел вблизи от ядра. Нужно, чтобы он попал непосредственно в ядро. Зная характер сил, действующих между α-частицей и ядром (до их сближения вплотную - это силы электростатического отталкивания), нетрудно определить, достаточна ли энергия α-ча-стиц для преодоления этих сил и подхода к ядру. Расстояние наибольшего приближения α-частицы к ядру с зарядом Ze можно найти, приравнивая кинетическую энергию α-частицы энергии отталкивания

откуда

Если мы подставим в эту формулу Z = 79 (золото) и скорость α-частицы v = 1,7*10^9см/_сек, то убедимся, что R = 3,8*10^-12см, т. е. получается, что α-частица не в состоянии "пробиться" к ядру тяжелого элемента, каким является золото, поскольку его радиус меньше чем 10^-12см. Посмотрим, сумеет ли α-частица приблизиться при "лобовом" столкновении к легкому ядру азота. Подставляя заряд ядра азота Z = 7, найдем R = 3,3*10^-13см, что примерно равно радиусу ядра азота.

Исходя из этих соображений, Резерфорд в 1919 г. предпринял новые опыты, которые привели к одному из наиболее выдающихся открытий нашего века - осуществлению искусственного превращения атомного ядра.

Прибор, сконструированный для этой цели, был очень прост (рис. 8). Герметичная камера А наполнялась хорошо просушенным чистым азотом. В центре камеры помещался радиоактивный препарат R - источник α-частиц. Отверстие в боковой стенке камеры закрывал листок серебряной фольги F, достаточно толстый, чтобы поглотить α-частицы. За этим листком помещались экран из сернистого цинка S и микроскоп М для наблюдения сцинтилляций.

Рис. 8. Схема первого опыта по искусственному расщеплению атомного ядра. R - радиоактивный препарат, S - экран, M - микроскоп, F - серебряная фольга

По мере наполнения камеры газом, большая часть сцинтилляций, вызванных α-частицами, пропадала, но очень небольшое количество сохранялось, хотя было известно, что α-частицы не в состоянии проникнуть сквозь газ и серебряный экран из-за потери энергии на ионизацию. Замена в камере азота на кислород или углекислоту вызывала прекращение вспышек.

Резерфорд предположил, что остающиеся в азоте сцинтилляции обусловлены частицами большой энергии, которые испускают ядра азота под действием α-частицч Для того чтобы определить природу этих частиц, их массу, камера помещалась в магнитное поле электромагнита. Сравнивались числа сцинтилляций за определенный промежуток времени при переключении полюсов магнита. Эта же операция производилась, когда вместо азота камера заполнялась смесью водорода и углекислоты. В этом случае сцинтилляции вызывались ядрами водорода - протонами, которые при столкновении с α-частицами приобретали энергию отдачи, подобно тому как отскакивает бильярдный шар от удара другого шара. Отношение чисел сцинтилляций при переключении магнитного поля получилось таким же, как в опыте с азотом. "Таким образом,-писал Резерфорд,- было ясно, что некоторые атомы азота разрушаются при столкновениях с быстрыми α-частицами и что при этом возникают быстрые атомы положительно заряженного водорода... Отсюда надо заключить, что заряженный атом водорода является одним из компонентов ядра азота".

Что же произошло с ядром азота, в которое благодаря удачному попаданию влетела α-частица? Опыт доказал, что ядро покинул протон. Так как в ходе ядерного превращения общий электрический заряд должен был сохраниться, то нетрудно показать, что из ядра азота образуется ядро соседнего с ним элемента - кислорода (рис. 9). Такова была первая искусственно выполненная ядерная реакция. Ее неправильно, пожалуй, называть ядерным расщеплением, потому что в результате этой реакции образуется ядро более сложное, чем первоначальное.

Рис. 9. Первая ядерная реакция, осуществленная человеком

Существует очень наглядный способ наблюдения подобных ядерных превращений. Несмотря на то, что сами ядра и частицы нельзя увидеть, удается рассмотреть многие детали процесса. Мы уже знаем, что, проходя через любое вещество, заряженная частица теряет энергию, оставляя на своем пути заряженные ионы. Если заставить быструю частицу пересекать пространство, заполненное пересыщенным паром, то на ионах будет происходить конденсация капелек воды. Эти капли, заметные для невооруженного глаза, указывают след невидимой частицы. След частицы, состоящий из водяных капелек, держится достаточно долго и может быть сфотографирован на пленку. Основанный на описанном принципе прибор носит название "камеры Вильсона" и широко применяется в ядерных исследованиях. Был он использован и для изучения первых ядерных реакций.

На рис. 10 представлена фотография, полученная в камере Вильсона в ходе превращения ядра азота в ядро кислорода под действием α-частицы. Прямые сплошные следы принадлежат α-частицам, проходящим веером, снизу вверх через камеру, наполненную азотом. В одном месте видно, как след раздваивается. Здесь и произошла ядерная реакция. Короткий жирный след принадлежит ядру кислорода. Более тонкий и длинный след оставлен протоном. Измеряя длину следов разлетающихся частиц, можно найти их скорости и энергию.

Рис. 10. Расщепление ядра азота под действием α-частицы. Тонкий след слева принадлежит протону, жирный - образовавшемуся ядру кислорода

Трудно переоценить значение открытия средств искусственного превращения атомных ядер. Уже первая ядерная реакция дала исключительно интересные сведения о составе ядер - найдена была одна из частиц, составляющих атомное ядро-протон. Другая компонента ядра - нейтрона,- была обнаружена позже, в 1932 г. В течение последующих лет были осуществлены разнообразные превращения ядер, обогатившие науку новыми открытиями.