Развитие ядерной физики

С 1930 г. начинается интенсивное развитие ядерной физики, подготовлявшееся еще в предыдущие годы. С этого времени начинает развиваться техника ускорения частиц. Уже в 1929 г. Кокрофт и Уолтон получили с помощью умножителя напряжений протоны в 300 000 в, а в 1931 г. осуществили искусственное расщепление лития с помощью ускоренных протонов. В 1931 г. Слоан и Лоуренс построили высокочастотный линейный ускоритель, и в том же году ван де Грааф построил электростатический ускоритель на 1,5 Мэв. В том же, 1931 г. Лоуренс построил первый циклический ускоритель - циклотрон, основанный на идее, высказанной им и Эдлефсеном на собрании Академии наук в Берлине в сентябре 1930 г. Таким образом, 1930-1931 гг. являются началом развития ускорителей, сыгравших такую важную роль в истории ядерной физики и техники. 1932 год вошел в историю ядерной физики как год открытия нейтрона, позитрона и создания протонно-нейтрон-ной модели ядра.

Драматическая история открытия нейтрона начинается с исторической беккеровской лекции Резерфорда 1920 г. и экспериментальных поисков нейтрона в газовом разряде. В 1930 г. Фурнье высказал идеи о структуре ядра, согласно которым одним из "кирпичиков ядра являются частицы с массой, равной единице и нулевым зарядом".^* Интересным совпадением является тот факт, что в этом же, 1930 г. Боте и Беккер открыли проникающее излучение, возникающее при бомбардировке α-лучами полония некоторых легких элементов (бериллия, бора, фтора). Через два года Ирен Кюри и Фредерик Жолио показали, что излучение Боте и Беккера способно выбивать энергичные протоны из водородсодержащих веществ (парафина). 10 мая 1932 г. Дж. Чедвик опубликовал работу, в которой показал, что в состав проникающего излучения Боте-Беккера входят нейтроны, способные при столкновениях с ядрами водорода сообщать им большую энергию, что полностью объясняет опыты Жолио-Кюри. Оценка массы нейтрона, произведенная Чедвиком, показала, что она имеет порядок массы протона. Следует отметить, что первоначальная информационная заметка Чедвика была опубликована в "Nature" 27 февраля 1932 г. В том же, 1932 г. был открыт позитрон. Открытие позитрона явилось блестящим триумфом новой квантовой теории. Волновое уравнение для электрона, полученное Дираком, как уже говорилось выше, допускало существование решений с отрицательной энергией. Дирак высказал гипотезу, что "почти все состояния с отрицательной энергией заняты, причем в каждом состоянии находится только один электрон в согласии с правилом Паули. Незаполненное состояние с отрицательной энергией представится нам как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы оно исчезло, т. е. заполнилось, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией". Дирак считал, что эти "дырки" в фоне электронов с отрицательной энергией будут протонами. Ввиду большого различия в массах протона и электрона такая интерпретация казалась маловероятной и гипотеза Дирака не получила поддержки физиков.

^* (И. и Ф. Жолио-Кюри называют в числе лиц, высказывавших идею нейтрона еще до Резерфорда, ряд ученых: Нернста, У. Г. Брэгга и Д. И. Менделеева.)

Но здесь появляется на сцену эксперимент, поставленный совершенно независимо от теории Дирака и по совершенно другому поводу. Советский физик Д. В. Скобельцын впервые применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Уже в 1931 г. ему удалось получить группу быстрых заряженных частиц, среди которых был и положительный электрон, однако поле, применяемое Скобельцыным (2000 гаусс), было недостаточно, чтобы с уверенностью судить о природе частиц.

Э. Ферми

Американский физик Карл Дэвид Андерсон, применяя более сильное поле и поместив в камеру свинцовую пластинку для определения направления движения частиц, в 1932 г. получил отчетливую фотографию положительного электрона. Английские физики Блеккет и Оккиалини, применив счетчики Гейгера, включенные по схеме совпадения для автоматического управления камерой, получили фотографии групп заряженных частиц электронов и позитронов (так стали называть положительные электроны), и в 1933 г. Дирак констатировал, что "недавние опыты с позитронами (положительно заряженными электронами) дают экспериментальное подтверждение ... моей старой теории об электронных состояниях с отрицательной кинетической энергией, и что эта теория таким образом предсказала существование позитронов".

Супруги Ирен Кюри и Фредерик Жолио экспериментально доказали существование пар позитрон-электрон, возникающих согласно теории Дирака при "материализации" фотонов.

Все эти замечательные открытия оживленно обсуждались на Первой Всесоюзной конференции по атомному ядру, состоявшейся 24-30 сентября 1933 г. в Ленинградском физико-техническом институте. В конференции приняли участие Дирак, Жолио, Ф. Перрен, Разетти, Грей, Вейскопф, Скобельцын, Фок, Френкель, Иваненко, Фриш, Тамм и другие зарубежные и советские физики. Одним из центральных моментов конференции было обсуждение модели ядра.

Сразу же после опубликования заметки Чедвика о нейтроне в номере "Nature" от 27 февраля 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко опубликовал в номере от 28 мая того же журнала заметку о возможной модели ядра, в которой одним из структурных элементов ядра является нейтрон. Иваненко указал, что такое предположение сразу решает вопрос о так называемой "азотной катастрофе". Вскоре протонно-нейтронная модель была предложена В. Гейзенбергом, опубликовавшим в июне месяце большую статью по этому вопросу. Однако модель Иваненко-Гейзенберга не сразу была принята физиками и еще осенью 1933 г. продолжались дискуссии о возможной модели ядра. На Ленинградской конференции по атомному ядру Ф. Перрен обсуждал три конкурирующие модели:

1. Старая система протон-электрон. В этой системе нейтрон рассматривается как сложная частица, образованная соединением протона с отрицательным электроном.
2. Система нейтрон-позитрон, в которой протон рассматривается как сложная частица, образованная соединением нейтрона с позитроном.
3. Система протон-нейтрон, в которой обе частицы рассматриваются как элементарные.

Эта дискуссия показала, с каким трудом пробивала дорогу мысль, что электронов в ядре нет, что они рождаются в процессе ядерных превращений. Эта идея была высказана Дираком еще в 1930 г., но не встретила никакой поддержки и была законсервирована. Теперь эта мысль получила полное подтверждение и была кратко сформулирована Д. Иваненко в виде тезиса: в ядре имеются только тяжелые частицы и далее: "Появление электронов, позитронов и пр. следует трактовать как своего рода рождение частиц, по аналогии с излучением светового кванта, также не имевшего индивидуального существования до испускания из атома". Вместе с тем обе структурные частицы ядра "должны, по-видимому, обладать одинаковой степенью элементарности в том смысле, что и нейтрон может распадаться на протон и электрон". Развитие ядерной физики подтвердило справедливость этих фундаментальных идей.

На конференции говорилось также и о новой гипотетической частице, предложенной В. Паули в 1933 г. для объяснения нарушения закона сохранения энергии при β-распаде и названной по предложению Ферми "нейтрино". Как видно из дискуссии, гипотеза нейтрино была встречена с недоверием, но уже в следующем, 1934 г. Ферми с большим успехом использовал эту гипотезу при разработке теории β-распада.

И. В. Курчатов

1934 год был важным годом в истории физики ядра. И. Е. Тамм, а также Д. Д. Иваненко высказали плодотворную идею о том, что ядерные силы обусловлены обменом частицами между нуклонами. Однако расчеты показали, что электроны и позитроны не могут быть ответственны за ядерные взаимодействия, и в следующем, 1935 г. японский физик Х. Юкава, развивая идеи Тамма и Иваненко, ввел гипотезу мезонов. Далее, в 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио открыли искусственную радиоактивность при бомбардировке некоторых элементов α-частицами. Продолжая эти исследования, Э. Ферми показал, что бомбардировка нейтронами вызывает искусственную радиоактивность в тяжелых элементах. Им же был открыт эффект замедления нейтронов. Продолжая свои исследования, Ферми пытался получить трансурановые элементы. Однако полученные им результаты оказались необычно запутанными и подвергались критике. Только в конце 1938 г. Ган и Штрассман показали, что бомбардировка урана нейтронами приводит к новому типу ядерных реакций - делению урана. С этого момента история ядерной физики переходит в новую фазу, фазу борьбы за овладение ядерной энергией. Начало этой фазы оказалось роковым образом переплетенным со второй мировой войной, которая наложила свой трагический отпечаток на одно из величайших научно-технических достижений XX в. В США работы по овладению атомной энергией велись в поисках нового вида разрушительного оружия под эгидой военных. В этих работах участвовала большая группа видных американских и европейских физиков. Первая цепная реакция была осуществлена в Чикаго 2 декабря 1942 г. группой физиков, инженеров и техников, работавшей под руководством Энрико Ферми. Работами по созданию атомной бомбы руководил американский физик Роберт Оппенгеймер. Первый испытательный взрыв бомбы произошел в пустыне в районе Аламогордо утром 16 июля 1945 г. 6 августа того же года атомная бомба была сброшена на Хиросиму, 9 августа - на Нагасаки. Мир вступил в атомную эру.

В СССР работы над атомной энергией начались в 1943 г. под руководством выдающегося советского ученого Игоря Васильевича Курчатова. В трудных условиях небывалой войны советские ученые решали сложнейшие научные и технические задачи, связанные с овладением атомной энергией. 25 декабря 1946 г. под руководством И. В. Курчатова впервые на континенте Европы и Азии была осуществлена цепная реакция. В Советском Союзе началась и эра мирного атома. 27 июня 1954 г. в подмосковном городе Обнинске вошла в строй первая в мире атомная электростанция, а вскоре за ней последовали и другие, более мощные.

Открытие атомной энергии явилось результатом напряженной работы физиков всего мира, искавших разгадки атомных законов. Теория относительности, квантовая механика, физика ядра, электроника и радиофизика внесли свой вклад в это величайшее научно-техническое достижение человечества. Но это величайшее достижение человеческого разума явилось миру в ужасном облике Хиросимы и Нагасаки, как акт величайшего варварства. Перед человечеством встала грозная дилемма: быть или не быть. Борьба за мир и социальный прогресс ныне стала насущной задачей человечества.

Этот беглый взгляд, брошенный на последующее развитие науки, показывает, насколько важным не только в истории науки, но и в истории человечества был рассмотренный нами в настоящем томе период первой четверти XX в. развития физики. В этот период рождались важнейшие идеи и методы современной физики, оказавшие в своем дальнейшем развитии огромное влияние на материальный и духовный прогресс современного общества.