Другие работы по ядерной физике

Исследования по ядерной физике, и прежде всего радиоактивности, велись, кроме Кембриджа, и в других научных центрах. В Париже после войны возобновил работу Институт радия, руководимый Марией Кюри-Склодовской, в Австрии-Венский институт радия, в котором директором до 1920 г. был Стефан Мейер, а с 1920 г. К. Пржибрам. В Берлине работали О. Ган и Л. Мейтнер, в России в радиевом институте, организованном в Петрограде в 1922 г., работали В. И. Вернадский, В. Г. Хлопин, Л. В. Мысовский. В рентгенологическом и радиологическом институте работал талантливый, рано умерший радиолог Л. С. Коловрат-Червинский, защитивший в 1918 г. магистерскую диссертацию "О выделении эманации у твердых и расплавленных солей, содержащих радий".

Опыты Резерфорда по расщеплению ядер были воспроизведены в Венском институте Киршем и Петерсоном, которые также изучали рассеяние α-частиц в веществе. Результаты их исследований были опубликованы в 1923 и 1924 гг. Копию своей публикации они направили Резерфорду. Резедфорд не согласился с выводами авторов и считал, что они находятся на ошибочном пути. Он с тревогой писал об этом в Вену Мейеру 19 июля 1924 г. Однако Кирш и Петерсон не посчитались с критикой Резерфорда и продолжали публикации в английских и немецких научных журналах. В 1923 г. начали публиковаться и в США результаты американских ученых Харкинса и Раяна по тому же вопросу расщепление элементов. Разумеется, было бы невероятно, если бы такой важный результат остался монополией только Кембриджа. Но метод сцинтилляций очень ненадежен, и Резерфорд был прав, когда писал Мейеру: "Проблема искусственного расщепления изобилует трудностями и западнями и требует исследователей весьма тщательных в экспериментировании и обладающих способностью здравого суждения"^*.

^* (Цит. по кн.: О. Старосельская-Никитина. История радиоактивности и возникновения ядерной физики. М., Изд-во АН СССР, 1963, стр. 244.)

Суть разногласий между Резерфордом и Киршем и Петерсоном заключалась в том, что венские исследователи считали, что расщепление ядер встречается чаще, чем думал Резерфорд. Они опубликовали сведения о том, что им удалось расщепить не только шесть элементов, расщепленных Резерфордом (В, N, F, Na, Al, P), но также Mg, Si, Li, Be, С. Резерфорд оспаривал возможность расщепления последних трех элементов теми средствами, которые тогда имелись в распоряжении экспериментаторов. Дискуссия продолжалась очень долго, и стороны оставались при своем мнении. Тем временем развитие науки сделало спор беспредметным.

Недавно О. Фриш высказал предположение, что в "успехах" венских физиков виноваты студенты, привлекаемые к подсчету сцинтилляций. Он не исключал также некритического отношения венцев к полученным ими результатам. (УФН, 96, 1968 г., с. 99).

Петерсон также высказал в 1924 г. идею объяснения аномального рассеяния α-лучей водородом, которое было дано в 1926 г. Дебаем и Хардмейером. Теория столкновения атомов гелия с мелкими ядрами была дана Дарвином в 1914 г. в предположении, что атом гелия и рассеивающее ядро являются точечными центрами, взаимодействующими по закону Кулона.

Как мы уже видели, Резерфорд, подсчитывая число Н-частиц, испускаемых тонкой парафиновой пленкой под воздействием α-частиц, нашел, что для α-частиц с малым пробегом теория Дарвина согласуется с опытом, для более быстрых частиц число рассеянных частиц получается больше вычисленного. Резерфорд полагал, что это расхождение обусловлено тем, что при расстоянии между ядрами меньше 3*10^-13 их нельзя считать точечными центрами, и закон Кулона более не имеет места. Дебай и Хардмейер дали формулу согласующуюся с опытом по аномальному рассеянию α-частиц, предполагая, что при приближении α-частицы ядро поляризуется. Эта идея и была высказана в 1924 г. Петерсоном. В 1926 г. Кирш и Петерсон написали большую обзорную работу "Расщепление атома", вошедшую в известное многотомное издание

"Handbuch der Physik".

О. Ган

В 1918-1920 гг. Отто Ган и Лизе Мейтнер опубликовали результаты своих поисков предка актиния, названного ими протактинием. Первая работа, опубликованная ими в "Physikalische Zeitschrift" за 1918 г., носила название "Материнское вещество актиния - новый радиоактивный элемент". В следующем году в том же журнале Ган и Мейтнер опубликовали статьи "О протактинии и времени жизни актиния", "Происхождение актиния" и, наконец, на 86-м собрании естествоиспытателей и врачей в Наугейме, состоявшемся 19-25 сентября 1920 г., Ган сделал доклад "Протактиний, продолжительность его жизни и его содержание в урановых минералах".

Уже после исследований Болтвуда 1908 г. стало ясно, что между актинием и ураном должна быть генетическая связь. С другой стороны, найденное тем же Болтвудом отношение активности актиния и урана в минералах оказалось меньше, чем должно было бы быть в случае прямой генетической связи. Поэтому было сделано предположение, что актиний является побочным продуктом в ряде урана и, по-видимому, происходит от урана Y. Было высказано предположение, что искомый элемент, промежуточный между ураном Y и актинием, находится в пятой группе менделеевской таблицы. Если это так, то он должен быть в количественном отношении подобным танталу. Поэтому Ган и Мейтнер сделали попытку выделить новый элемент из остатка раствора урановой руды в азотной кислоте. К этому остатку добавлялась калийная соль танталофтористоводородной кислоты и из этой смеси выделялся тантал с сопутствующим элементом. В полученном осадке и содержался новый элемент, испускающий α-частицы, которому и дано было имя "протактиний" (Ра). Переработав большое количество заводской руды, Ган и Мейтнер получили 73 мг вещества, содержащего протактиний. Определив длину пробега α-частиц, испускаемых новым элементом (она была найдена равной 3,34 см), Ган и Штрассман попытались, используя закон Гейгера-Нэттолла

определить постоянную распада К. Так как А и В для актиниевого ряда не были точно известны, то они смогли только оценить период полураспада в довольно широких пределах от 1200 до 180 000 лет. Протактиний был открыт независимо от Гана и Мейтнер Содди и Кранстоном в том же, 1918 г.

Ган и Мейтнер определили период полураспада актиния, изучая кривую изменения активности протактиния по времени. Другой метод определения этой величины заключался в изучении уменьшения активности самого актиния. Оба метода дали для периода полураспада актиния величину 20 лет с точностью до 10%. Содди и Кранстон, которые назвали протактиний экатанталом, нашли для периода полураспада актиния 3460 лет. Такое огромное расхождение указывает на исключительные трудности определения полураспада актиния. В последнем издании своей книги "Радиоактивность", вышедшем уже после ее смерти в 1935 г., М. Кюри-Склодовская писала: "Период актиния, известный пока лишь весьма приблизительно, равен 10 годам".

На съезде естествоиспытателей в Наугейме в 1920 г. Ган сообщил об экспериментальном доказательстве образования актиния из урана. Он определил содержание протактиния в старых солях урана. Тонна урана содержала 72 мг протактиния. По величине активности протактиния из соли урана известного возраста можно было определить его период полураспада. Он оказался в среднем равным 1200 годам.

Из других важных исследований того времени отметим кембриджские работы, приведшие к открытию длиннопробежных α-частиц и опыты, связанные с исследованием механизма испускания γ-лучей. Длиннопробежные частицы, испускаемые ThC, были открыты Резерфордом и Вудом в 1916 г. В 1919 г. Резерфорд обнаружил длиннопробежные частицы от Ra С. В обоих случаях, как оказалось позднее, длиннопробежные частицы происходили из Th С' и Ra С". Число их оказалось очень малым. В случае тория по оценке Резерфорда одна длиннопробежная частица испускалась на 104 частиц, в случае радия на миллион испущенных α-частиц было только 22 длиннопробежных. Важные результаты, относящиеся к β-лучам, были получены в Кембридже. Были разногласия в вопросе об энергетическом спектре этих частиц: одни исследователи считали, что спектр β-лучей сплошной, другие принимали, что β-частицы в основном являются моноэнергетическими. Эта точка зрения получила особое распространение после того, как в 1910-1912 гг. Ган и Мейтнер обнаружили существование моноэнергетических групп в β-лучах. Но в 1914 г. Чедвик показал, что моноэнергетические лучи составляют только малую долю всех β-частиц, и Резерфорд выдвинул гипотезу, что эти лучи имеют вторичное происхождение, тогда как основные β-частицы обладают непрерывным спектром. К этой точке зрения присоединилась и Мейтнер в 1922 г.

Резерфорд объяснил происхождение моноэнергетических β-лучей как результат фотоэффекта, производимого γ-лучами, вырывающими электроны из оболочки атома. Энергия этих β-частиц равна энергии γ-кванта за вычетом энергии связи электрона в атоме элемента, испускающего γ-излучение. Опыты показали, что энергия вторичных электронов, образующихся при распаде Ra В, одинакова с энергией фотоэлектронов, возникающих при облучении γ-лучами висмута. Но висмут-изотоп Ra С, получающегося при распаде Ra В. Отсюда следует, что γ-излучение Ra В происходит тогда, когда он уже превратился в Ra С. Таким образом, испускание первичных β-электронов Ra В является первой стадией процесса, предшествующего γ-излучению. Эллис и Вустер в 1925 г. доказали на опыте эту последовательность ядерных процессов: Ra В успевает превратиться в Ra С прежде, чем γ-излучение вырвет вторичный электрон.

Из других достижений ядерной физики в этот период отметим применение метода толстослойных пластинок, предложенного для исследования α-частиц, а позже космического излучения Маргарет Блау в Вене и Мысовским и Чижовым в СССР. В тезисах к докладу на V съезде физиков, состоявшемся в Москве в декабре 1926 г., Л. В. Мысовский и П. И. Чижов писали: "С целью заменить трудный и кропотливый метод наблюдения α-частиц при помощи сцинтилляции были поставлены опыты по наблюдению следов α-частиц внутри фотографических пластинок. Для этой цели в Радиевом институте были приготовлены специальные пластинки, мелко зернистые (диапозитивные), причем эмульсия наносилась на стекло более толстым, чем обычно, слоем. При наблюдении следов α-частиц в таких пластинках удалось заметить характерные черты прохождения α-частиц через материю, наблюдавшегося ранее в менее резкой форме лишь в камере Вильсона".

Приведя примеры следов α-частиц, полученных в таких пластинках, авторы заключают: "Из приведенных примеров видно, что изучение следов α-частицы в фотографической пластинке может дать новый метод для исследования различных свойств α-частиц".

После войны возобновились исследования загадочных космических лучей. Сотрудник Венского института радия Виктор Гесс, открывший космическое излучение в 1910 г., получил премию Венской академии наук за свое открытие, а в 1936 г., когда космическое излучение стало предметом всемирного исследования, получил Нобелевскую премию.

"Вследствие мировой войны,- писал известный американский физик Милликен по поводу космических лучей,- за время с 1914 по 1922 г. не появилось никаких наблюдений,

имеющих значение для истории этих явлений, но уже в марте и апреле 1922 г. в Кэлли-Фельде (Сан-Антонио, Техас) Боуэн и я произвели первый подъем в стратосферу (15 500 м) самопишущих электроскопов, барометров и термометров с помощью шаров-зондов". Ожидаемого по гипотезе космического происхождения лучей непрерывного возрастания ионизации Милликен в этих опытах не получил и пришел к выводу, что они происходят из источников в земной атмосфере. Желая проверить эту гипотезу, Милликен и Отис осенью 1922 г. измерили проникающую способность космических лучей. Летом 1925 г. он вместе с Камеруном измерял проникающую способность космических лучей на высокогорном озере Мюйр в Калифорнии. "Нам удалось,- писал Милликен,- путем погружения наших электроскопов метр за метром (до 15 м) в глубь озера доказать существование лучей, идущих только сверху,- лучей, проникающая способность которых, по крайней мере, в 18 раз больше проникающей способности наиболее жестких известных нам γ-лучей, т. е. обладающих энергией, превышающей в несколько раз ту, которая была бы нужна для проникновения сквозь атмосферу".

Милликен забыл упомянуть, что в 1925 г. были опубликованы в "Zeitschrift fur Physik" результаты измерений проникающей способности высотных лучей, выполненные на Ладожском озере Л. В. Мысовским и Л. Тувимом. Они впервые показали, что коэффициент поглощения этих лучей в воде составляет 2*10^-3см2/_г, тогда как для γ-лучей радия он равен (3-4)*10^-2см2/_г.

На основании опытов 1925 г. Милликен опубликовал в 1926 г. статью, в которой высотные лучи впервые были названы космическими. Это название оспаривалось еще в 1927 г. на конгрессе в Комо, где еще высказывалось мнение об атмосферном происхождении этих лучей. Что касается природы этих лучей, то Милликен считал их чрезвычайно жесткими γ-лучами. Но в 1927 г. Д. В. Скобельцын, изучая с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитном поле, эффект Комптона, производимый γ-лучами, обнаружил в этой камере следы электронов весьма высокой энергии и приписал их космическим лучам. Опыт Скобельцына имел большое принципиальное значение и по существу явился началом нового этапа в истории изучения космических лучей. Когда на смену электроскопу пришла камера Вильсона, для которой в дальнейшем была разработана система автоматического управления с помощью счетчиков Гейгера, последовал ряд фундаментальных открытий в физике космических лучей. Было подтверждено и уточнено наблюдение Скобельцына, что в состав космических лучей входят заряженные частицы высоких энергий. В 1932 г. Андерсон обнаружил новую частицу - положительный электрон, названный им позитроном. Через пять лет Андерсон и Неддермейер открыли в космических лучах новую частицу мю-мезон. В послевоенные годы последовало открытие целого потока фундаментальных частиц, начиная с открытых в 1947 г. Пауэллом пи-мезонов. Все эти открытия привели к возникновению новой важнейшей главы современной физики - физики элементарных частиц.