Расщепление ядер

1919 год - знаменательный год в истории ядерной физики: в этот год Резерфорд впервые получил искусственное расщепление элементов. Этому знаменитому открытию предшествовала длительная работа по изучению столкновений α-частиц с легкими ядрами, начатая им еще в годы войны. Расчет соударений α-частицы с ядром водорода показывает, что при центральном ударе водород приобретает скорость в 1,6 раза большую, чем скорость ударяющей α-частицы, а энергия атома водорода составит 0,64 энергии α-частицы. Длина пробега Н-ядра будет в 4 раза больше пробега α-частицы. Все эти соотношения были проверены Марсденом еще в 1914 г. методом сцинтилляций. В опытах Марсдена трубка в замкнутом сосуде помещалась на соответствующем расстоянии от экрана из сернистого цинка, причем промежуточное пространство заполнялось сжатым водородом. Во второй статье 1915 г. Марсден пишет, что источники α-частиц в отсутствие водорода вызывают сцинтилляции, подобные водородным. Он предположил, что водород появляется из самого радиоактивного вещества. "Дальнейшие опыты,- пишет Резерфорд в первой статье, посвященной столкновению α-частиц с легкими атомами,- были прерваны отъездом Марсдена в Новую Зеландию в начале 1915 г. для занятия кафедры физики в колледже Виктории в Веллингтоне. Количество радия, имевшееся там, было слишком мало для продолжения наблюдений. Возвращение проф. Марсдена в Европу для поступления на военную службу также не благоприятствовало продолжению работы".

Между тем результат сообщений во второй статье Марсдена весьма заинтересовал Резерфорда. Если он верен, то, значит, радиоактивные вещества, кроме гелия, могут выбрасывать и ядра водорода.

Рабочая комната Резерфорда начала 1920 г.

"Являлось весьма желательным детальное продолжение этих опытов, и в течение последних четырех лет я проделал ряд опытов в этом направлении. Опыты, излагаемые в настоящей и последующих статьях (речь идет об опубликованных Резерфордом в 1919 г. четырех статьях под общим заглавием "Столкновение α-частиц с легкими ядрами"), выполнялись в весьма нерегулярные промежутки времени, поскольку позволяли повседневные занятия и работы, связанные с войной, и в некоторых случаях опыты совершенно^ прекращались на долгое время". Опыты, производившиеся методом: сцинтилляций, были весьма трудоемкими и утомительными. Резерфорд так описывает обстановку этих опытов: "В этих опытах требовались - два работника - один для передвижения источника излучения экспериментальных установок, другой для счета сцинтилляций. До начала счета глаз наблюдателя остается на полчаса в темноте и во все время счета подвергается действию только слабого света. Опыты производились в большой затемненной комнате с маленькой темной камерой, вместе с которой наблюдатель мог сходить с места, когда требовалось по условиям опыта давать свет. На практике было найдено удобным производить счет в течение 1 мин и затем делать перерыв на такое же время; запись времени и данных производилась ассистентом. Как общее правило, глаз уставал после часового счета и результаты становились ошибочными и несвязными. Не желательно производить счет более одного часа в день и притом опыты можно делать только несколько раз в неделю".

Вот в каких условиях было сделано одно из величайших открытий в истории физики!

"Опыты,- писал Резерфорд в другом месте,- были произведены в камере, наполненной соответствующим газом при различных давлениях и закрытой с одного конца пришлифованным стеклом, а с другого - латунной пластинкой с отверстием посредине из какого-либо металла, а за этим окошечком на расстоянии 1 или 2 мм находился экран из сернистого цинка, на котором считались вспышки. В качестве источника α-частиц сначала применялась тонкостенная стеклянная трубка, наполненная эманацией, а впоследствии - медный кружок диаметром около 2 см, предварительно подвергнутый действию эманации (эквивалентной 10 мг радия и больше) и помещенный в камере. Эти лучи после некоторого промежутка времени, оказываются более однородными, чем лучи от самой эманации. В камере α-частицы неслись через водород и заставляли водород двигаться через окошечко к экрану, самые α-частицы задерживались окошечком (задерживающее действие которого соответствовало приблизительно 5 см воздуха), если только не были задержаны еще ранее газом в камере, длина которой равнялась 18 см".

Схема установки Резерфорда по расщеплению атомов

Результаты, которые получил Резерфорд для столкновения α-частиц с ядрами водорода, показали, что теория столкновения, предполагающая справедливость взаимодействия частиц по закону Кулона, не согласуется с опытами. Если α-частица имеет пробег в 7 см, то рассеяния частиц, ожидаемого по теории, не наблюдается. Опыт дает, что Н-частицы, производимые α-частицами с пробегом в 7 см, выбрасываются вперед по преимуществу в направлении α-частиц почти с одинаковой скоростью, соответствующей пробегу 28 см. При уменьшении скорости бомбардирующих частиц распределение скорости Н-частиц оказывается все более неоднородным, и для α-частиц с пробегом, меньшим 4 см, оказывается в согласии с теорией, хотя число Н-частиц получается значительно больше теоретического. "Может быть, водородные частицы получаются из α-частиц",- размышлял Резерфорд. "Я искал обломков атома гелия; до сих пор я не получил надежных доказательств такого разрушения, но некоторые данные имеются. Во всяком случае, должна произойти деформация атома". Резерфорд проверил отклонением выброшенных частиц в магнитном и электрическом полях их природу. "Результаты согласовались с воззрением, что водородная частица движется со скоростью, в 1,6 раза большей, чем сталкивающаяся с нею частица, и что все эти частицы несут положительный заряд. Не было никаких данных, которые заставляли бы предполагать наличность нейтральных водородных атомов или атомов, несущих, отрицательный заряд". Таким образом, ускоренные частицы представляли ядра водорода - протоны. Любопытные результаты получились, когда Резерфорд исследовал столкновения α-частиц с азотом, кислородом и воздухом. Оказалось, что и в этом случае наблюдаются вспышки, соответствующие ядрам водорода. "Водород, - писал Резерфорд,- может присутствовать в виде водяного пара, он может выделяться из бомбардируемых частей прибора, которые способны поглощать газы, и, наконец, может быть продуктом превращения радиоактивного источника - радия С. Этот вопрос еще не решен. Поэтому были произведены специальные опыты в описанной уже камере; из камеры был выкачан воздух, а затем она наполнялась различными газами. После впускания кислорода число вспышек уменьшилось, в углекислоте оно также упало, причем предельный пробег в обоих случаях равнялся пробегу водорода - 28 см; однако в азоте и сухом воздухе число вспышек возрасло вдвое или втрое против того, какое было в отсутствие азота".

Резерфорд тщательно исследует причину происхождения этих вспышек и находит, что они могут принадлежать только водороду либо гипотетическим ядрам ²Н, ³Н (дейтрону и тритону - на современном языке). "Водород, о котором идет речь, ²Н или ³Н, не будет, однако, обыкновенным водородом",- говорит Резерфорд. "Он оказался бы действительно появляющимся из азота и представляет собой продукт распада азотного ядра".

Установка Резерфорда по расщеплению атомов

Обратим внимание на оборот "оказался бы". Резерфорд в лекции, прочитанной в Королевском институте 6 июня 1919 г., из которой мы приводим выдержки, еще только предполагал, что наблюдаемые частицы являются продуктом расщепления азота. "Это предположение,- говорит он далее,- наводит на большие размышления. Оно не означает, что азот не является элементом; он представляет собой элемент в особом состоянии". Интересно признание Резерфорда в конце лекции, в котором он объясняет мотивы, побудившее его к опытам: "Надо сказать в заключение,- говорит он,- что я принялся за счет водородных вспышек не ради них самих. Я все время искал частиц большей скорости, которые могли бы возникнуть при разбивании ядер; было бы превосходно, если бы кому-нибудь удалось получить частицы с пробегом, скажем, в 700 см вместо 7. Тогда мы смогли бы разрушить, по крайней мере, некоторые из более легких атомов. Я намерен предпринять систематическое изучение этих атомов. Более тяжелые атомы мало обещают в этом отношении, так как α-частицы недостаточно быстры, чтобы приблизиться к ядру и осуществить его разрушение". Очень характерное признание. Значит, еще во время войны, когда Резерфорд приступал к изучению столкновений α-частиц с легкими ядрами, он думал о расщеплении ядра, мечтал о снарядах, значительно более мощных, чем α-частицы. Его смелые надежды увенчались открытием искусственного расщепления ядер. Расщепление азота составило предмет четвертой статьи Резерфорда из серии "Столкновение α-частиц с легкими атомами", носящей подзаголовок "Аномальный эффект в азоте". Как он указывает в начале этой статьи, его интересовали наблюдавшиеся еще в первой работе из этого цикла так называемые "естественные" сцинтилляции, которые Марсден приписывал "действию быстрых атомов Н из радиоактивного источника". "Однако трудно решить,- говорит Резерфорд,- выбрасываются ли они из радиоактивного источника или являются результатом действия α-частиц на окклюдированный радиоактивным источником водород".

С целью изучения этих "естественных" сцинтилляций Резерфорд выкачивал из камеры воздух и исследовал поглощение их в листках алюминия. Затем в камеру впускался кислород или углекислота и число сцинтилляций уменьшалось в соответствии с законом поглощения.

"Неожиданный эффект, однако, был обнаружен, когда в аппарат был введен сухой воздух. Вместо уменьшения число сцинтилляций увеличивалось, и для поглощения, соответствующего приблизительно 19 см воздуха, число их было приблизительно в 2 раза больше, чем то, которое наблюдалось в вакууме". Поскольку такого увеличения вспышек в кислороде или углекислоте не наблюдалось, то естественно было предположить, что это увеличение обязано своим происхождением азоту. Для проверки Резерфорд наполнял камеру хорошо высушенным азотом. "В чистом азоте число сцинтилляций, соответствующих большому пробегу, было больше, чем в воздухе". Надо было показать далее, что они обязаны своим происхождением столкновению α-частиц с атомами азота. Было установлено, что число сцинтилляций изменяется с давлением газа. Далее, при уменьшении скорости бомбардирующих α-частиц длина пробега частиц, вызывающих сцинтилляции, также уменьшается. "Эти результаты,- говорит Резерфорд,- показывают, что частицы, вызывающие сцинтилляции, возникают в пространстве, занимаемом данным газом, а не являются поверхностным эффектом в радиоактивном источнике". Резерфорд попробовал исследовать природу возникающих частиц с помощью магнитного поля, однако влияние поля было незначительно и уверенно результаты получить было нельзя. Как бы то ни было, Резерфорд приходит в своих опытах к важному заключению, которое он формулирует в следующих выражениях: "Из полученных до сих пор результатов трудно избегнуть заключения, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении α-частиц с азотом, являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть ядра азота".

Мы видим, насколько яснее и определеннее Резерфорд высказывается по вопросу о расщеплении ядра азота в специальной статье, чем в популярной лекции. Однако тот факт, что он в одно и то же время выступил и со специальной статьей, и с популярной лекцией, свидетельствует о том значении, какое Резерфорд придавал своему открытию. Резерфорд обращает далее внимание на то, что при столкновениях α-частицы с ядром она остается целой. Судьбу α-частицы при таких столкновениях в этих первых опытах он еще не мог установить и детали реакции оставались ему неизвестными.

Э. Резерфорд и Д. Кавендиш в лаборатории

Свои знаменитые опыты Резерфорд начал еще в Манчестере и продолжал в Кембридже. Природа вызывающих сцинтилляции частиц еще не была твердо установлена. Некоторые указывали, что эти частицы могут быть α-частицами, потерявшими один из зарядов при прохождении через азот. Резерфорду пришлось вплотную заняться этим вопросом. "По прибытии в Кембридж,- писал он,- я приступил к этой проблеме различными путями. Благодаря выбору объектива с большой апертурой яркость сцинтилляций увеличилась и тем самым счет сделался легче". Далее Резерфорд описывает окончательно принятую им установку. В этой установке Резерфорд использовал более широкую щель, образованную двумя горизонтальными пластинками, находящимися на расстоянии 8 мм друг от друга, и магнитное поле большего электромагнита. Через камеру продувался ток сухого воздуха или другого газа, чтобы избежать радиоактивного загрязнения. Оказалось, что частицы с большим пробегом, освобождаемые из азота, являются атомами водорода. "Возможность, что эти частицы обладают массой 2, 3 или 4, определенно исключается",- писал Резерфорд в 1920 г. Резерфорд попытался с этим же прибором определить природу частиц, имеющих пробег 9 см, тогда как пробег бомбардирующих α-частиц равнялся 7 см. Он пришел к выводу, что это новые частицы, имеющие массу 3. Но так как ранее он показал, что из ядер, несомненно, вылетают протоны, то Резерфорд делает заключение, что "ядро азота может быть разложено двумя путями: либо путем выбрасывания Н-атомов, либо путем выбрасывания атомов с массой 3 и двумя зарядами". Как видим, и в 1920 г. Резерфорд еще не нашел правильной картины реакции, возникающей при бомбардировке α-частицами азота.

В 1921 г. Резерфорд и Чедвик опубликовали статью "Искусственное расщепление легких элементов". Здесь они прежде всего решают вопрос, остающийся в прежних опытах нерешенным, "обладают ли эти Н-атомы из азота тем же максимальным пробегом, что и Н-атомы, полученные ударами α-частиц из водорода или каких-либо водородных соединений".

"Недавно,- продолжает Резерфорд,- оптика микроскопа была настолько усовершенствована, что счет сцинтилляций очень облегчился и сделался более надежным. Благодаря этому было сразу найдено, что частицы из азота имеют пробег, значительно больший, нежели Н-атомы из водорода". Это очень важный результат, показывающий, что реакция происходит с изменением энергии. Если Н-частицы, ускоренные α-частицами, имеющими длину пробега 7 см, имели длину пробега, не превышающую 29 см, то Н-частицы, выбиваемые из азота, имели пробег, соответствующий 40 см в воздухе. Резерфорд и Чедвик обнаружили, что "вместе с азотом также и бор, фтор, натрий, алюминий и фосфор под ударами α-частиц испускают частицы, пробег которых меняется в пределах от 40 до 90 см в воздухе". В 1922 г. Резерфорд и Чедвик опубликовали новую статью "Расщепление элементов α-частицами". В этой статье исследовались детали явления расщепления элементов, а также возможность расщепления других легких ядер. Опять-таки реакция полностью осталась неисследованной. В обоих статьях Резерфорд считает, что выбиваемые Н-ядра являются спутниками ядра и в зависимости от направления движения α-частицы по отношению к движению этого спутника Н-частица может вылетать в различных направлениях, в том числе и в обратном. Частица гелия пролетает, изменяя свою скорость. От предположения, что могут вылетать и частицы с массой 3, Резерфорд в этом же, 1922 г. отказался. Интересно, что, заканчивая лекцию об искусственном расщеплении элементов, прочитанную им в Лондонском химическом обществе 9 февраля 1922 г., Резерфорд говорил: "Хотя и опасно в данном случае быть догматичным, однако общие признаки указывают на то, что атомы, как правило, обладают настолько устойчивой структурой, их ядра сдерживаются такими мощными силами, что лишь α-частицы, как наиболее концентрированные источники энергии, являются наиболее подходящими для нападения на эти хорошо защищенные сооружения. Даже тогда, когда расщепление происходит, оно совершается в таком незначительном масштабе, что только несколько α-частиц из миллиона является действительным. Если бы в нашем распоряжении были заряженные атомы с энергией, в десять раз превосходящей энергию α-частицы радия, мы, вероятно, могли бы проникнуть в нуклеарную структуру всех атомов, а иногда и вызвать их разрушение". Физики нашего времени научились получать снаряды, в тысячи раз превышающие энергию α-частицы, и тем самым не только выполнили, но и перевыполнили программу Резерфорда, намеченную им еще в 1922 г.

В работе 1924 г. Резерфорд и Чедвик, изучая отклонение частиц в магнитном поле, дали окончательное доказательство того, что выбиваемые частицы являются протонами. Вместе с тем они высказали предположение, что α-частица застревает в ядре. Однако метод сцинтилляций не давал возможности проследить детали реакции. Только в 1925 г., когда Блэкетт в Англии применил камеру Вильсона, ему удалось получить фотографию расщепления, из которой вытекало, что α-частицы застревают в ядре и ее трек заканчивается характерной "вилкой", где короткий жирный след принадлежит остаточному ядру (изотопу кислорода 17), а тонкий длинный след принадлежит выбитому протону. Можно только изумляться искусству и огромной физической интуиции Резерфорда, сумевшего при помощи столь несовершенного метода, как, метод сцинтилляций, увидеть так много важных вещей, о которых мы говорили.