Успехи ядерной физики. Изотопы

Важнейшие события истории послевоенной физики происходили в области атомной, и прежде всего ядерной, физики. Сразу же после окончания войны возобновились исследования в Кембридже, куда в 1919 г. переехал Резерфорд. Открытие изотопов и искусственного расщепления ядер ознаменовали возобновление работ по ядерной физике. Начнем с первого открытия. Как мы видели, ранее, метод парабол Томсона уже привел к мысли о существовании двух форм неона и выдвинул задачу отделения этих форм друг от друга. Ученик Томсона Астон попытался осуществить разделение этих форм. Он пытался разделить их путем фракционирования над древесным углем, охлажденным жидким воздухом, и повторной диффузией через глиняные трубки. Первый метод не дал результата, во втором были получены две порции 1 с плотностями 20,15 и 20,28. "Это изменение плотности,- писал позже Астон,- хотя и мало, но слишком заметно, чтобы приписать его загрязнениям или экспериментальной ошибке. Если рассматривать его в свете современных знаний то не возникает сомнений в том, что было достигнуто частичное разделение". Однако в то время Астон не мог считать результат завершенным и убедительным, а начавшаяся война 1 прервала исследования. Приступая к послевоенным исследованиям, Астон и Линдеман пришли к мысли, что единственным методом, приводящим к разделению форм неона и других элементов, является электромагнитный. В 1919 г. Астон построил свой первый масс-спектрограф, находившийся в эксплуатации с 1919 по 1925 г. В методе Астона положительно заряженные частицы, выходящие из канала, просверленного в катоде разрядной трубки ("каналовые лучи"), проходят последовательно через электрическое поле конденсатора и магнитное поле электромагнита. Расположение конденсатора и магнитов подбирается таким образом, что частицы с одинаковым удельным зарядом ^e/_m фокусируются в определенной точке, причем фокусы различных частиц в первом приближении лежат на одной прямой. Прибор аналогичен спектрометру с двумя призмами, отклоняющими свет в противоположных направлениях, поэтому Астон и назвал его масс-спектрографом.

Ф. Астон

Разрядная трубка у Астона была обычной рентгеновской трубкой диаметром 20 см. Анод был сделан из алюминиевой проволоки, антикатод представлял шарик из кремнезема. Алюминиевый вогнутый катод имел ширину 2,5 см. Откачка газа производилась с помощью ртутного насоса Геде, о котором Астон дает любопытную историческую справку: "Этот насос... заслуживает специального упоминания. Купленный в 1914 г. и установленный в 1919 г. он был в непрерывной эксплуатации в течение девятнадцатилетней работы автора по масс-спектрам, причем ни разу не был демонтирован и чищен. Учитывая все меры предосторожности, принятые, чтобы не допускать в насос коррозирующих паров, такое достижение следует рассматривать как рекорд.

В течение всего времени насос приводился в движение историческим мотором ... одним из двух моторов, специально сделанных для последней полярной экспедиции Скотта". Конденсатор состоял из двух плоских параллельных латунных пластин длиной 5 см, удерживаемых на расстоянии 2,8 см друг от друга. На пластины накладывалось напряжение 200-500 в. Большой электромагнит Дюбуа в 2500 витков создавал магнитное поле между круглыми полюсными наконечниками диаметром 8 см, находящимися на расстоянии 3 мм друг от друга. После магнитного отклонения пучок приходил в специальную камеру между двумя заряженными латунными пластинами и падал на фотографическую пластинку.

Схема масс-спектрографа Астона

Для градуировки масс-спектров применялись известные вещества: молекулы и атомы кислорода с одним и двумя зарядами (линии 32, 16, 8), далее углеродные линии и линии его окислов C⁺⁺(6), С(12), СО (28), СO₂(44) и углеводороды. Получается целая шкала масс, охватывающих значительный интервал. При этом между массами и смещением соответствующих линий выполняется линейное соотношение, облегчающее производство измерений. В первых экспериментах Астона были получены следующие результаты. В неоне (атомный вес 20,20) оказались две линии 20 и 22. В хлоре, который Томсон еще в 1918 г. считал "нормальным", т. е. не имеющим изотопов, были обнаружены четыре линии 35, 36, 37, 38 и ни одной линии, отвечающей атомному весу хлора 35,46. Линии 36 и 38 относятся к НСl³⁵ и НСl³⁷. Таким образом, хлор состоит из смеси компонент 35 и 37. Также сложными оказались криптон и ртуть. Для обозначения изотопов Астон предложил снабдить химический символ индексом, соответствующим массе изотопа. Этот индекс был назван "массовым числом" атома. Гелий в первых опытах оказался "нормальным", или "чистым", элементом. Водород также оказался "чистым" элементом, однако не подчиняющимся правилу целых чисел, установленному Астоном, согласно которому все атомные или молекулярные массы являются в пределах точности наблюдения целыми числами. Для водорода атомный вес при атомном весе кислорода, равном 16, оказался равным 1,008.

Установка Астона

Следует отметить, что еще в 1918 г. американский ученый Демпстер, работавший в райеровской физической лаборатории в Чикаго, изобрел прибор для магнитного анализа заряженных частиц. Узкий пучок заряженных частиц, прошедших определенную разность потенциалов, загибается по полуокружности магнитным полем и падает на пластинку, соединенную с электрометром. Зная ускоряющую разность потенциалов, магнитное поле и радиус кривизны, можно определить удельный заряд частицы. Прибор Демпстера состоит из стеклянной трубки, в которой положительные частицы проходят определенную разность потенциалов, и анализирующей камеры, в которой создается сильное магнитное поле между двумя полукруглыми железными плитами толщиной 2,8 см и диаметром 13 см. Плиты впаяны в полукруглый латунный желоб так, что между ними остается зазор в 4 см. Эта латунная камера имеет два отверствия для входа и выхода лучей через щели S₁ и S₂ и одно отверстие для откачки. Поддерживая постоянное магнитное поле Н и меняя ускоряющую разность потенциалов V, измеряют электрометром ионный ток в зависимости от V. Пики полученной кривой отвечают определенным отношениям ^e/mв соответствии с формулой

Демпстер обнаружил изотопы калия, лития, магния, кальция и цинка.

Спектрогпаммы Астона

О первых открытых нерадиоактивных изотопах Астон сообщает следующее: "Немедленно вслед за постройкой масс-спектрографа в ноябре 1919 г. были опубликованы доказательства существования изотопов неона. Через несколько недель был продемонстрирован изотопический состав хлора и ртути и было провозглашено правило целых чисел, причем кислород и углерод были приняты в качестве стандартных простых элементов.

1920-й год был годом быстрого прогресса. В марте были опубликованы данные о составе аргона, гелия, водорода, азота, криптона и предварительные заметки о ксеноне. Данные о боре, фторе, кремнии, броме, сере, фосфоре и мышьяке последовали в июле. Доказательство простого состава йода и подтверждение существования пяти главных изотопов ксенона появились в декабре, и в том же месяце Демпстер объявил об открытии изотопов магния.

В феврале 1921 г. Дж. Дж. Томсон совместно с Астоном открыли два изотопа лития, и этот результат двумя неделями позже был подтвержден Демпстером. В то же время масс-спектрограф был успешно применен к анализу анодных лучей натрия, калия, рубидия, цезия и затем - в июне 1921 г.- никеля. В ноябре Дж. Дж. Томсон опубликовал данные, указывающие, что бериллий является простым элементом, а несколько позднее Демпстер проанализировал калий и цинк.

Масс-спектрограф Демпстера

В июне 1922 г. главным образом благодаря ценным качествам пластинок Шумана была продемонстрирована сложность олова и подтверждено существование шестого и седьмого изотопов ксенона. Данные о железе появились в сентябре, а данные о селене и алюминии - в ноябре. Одновременно была указана вероятность существования двух дополнительных редких изотопов ксенона. Сурьма была проанализирована спустя несколько недель.

В 1923 г. был разработан метод ускоренных анодных лучей, немедленно приведший к успешному анализу многих металлических элементов. Первый анализ германия был опубликован в июне, а анализ меди - в августе. Результаты анализов еще десяти элементов: скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, кобальта, гелия, стронция, иттрия и серебра - были объявлены на съезде Британской ассоциации в Ливерпуле в сентябре 1923 г. В 1924 г. эти исследования были распространены на барий, лантан, празеодим, неодим, цирконий, церий, кадмий, теллур и висмут".

Этим закончился первый период в истории разделения изотопов, который можно условно назвать периодом качественного анализа изотопов. В последующем внимание исследователей было обращено на повышение точности количественного определения масс изотопов. Методы определения масс в этот первый период не были еще достаточно точными, и многие изотопы, в первую очередь изотопы водорода, гелия, кислорода, оказались необнаруженными.