Атомные ядра - Ядерная физика в интернете
реклама
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА Б. С. Ишханов ИСТОРИЯ АТОМНОГО ЯДРА Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 011200 – «Физика» и по специальности 010701 – «Физика» Москва 2011 УДК 53917 ББК 22.38 Ишханов Б.С. История атомного ядра: учебное пособие. – М.: Университетская книга, 2011. ISBN Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики. Учебное пособие «История атомного ядра» написано на основе лекций, которые автор читает на Физическом факультете МГУ. В учебном пособии рассмотрены основные этапы эволюции наших представлений об атомных ядрах. В учебном пособии содержится богатый иллюстративный и справочный материал. Для студентов-физиков, аспирантов и научных работников. Работа поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям (контракт 02.740.11.0242 по мероприятию 1.1 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров»), грантом поддержки ведущих научных школ 02.120.21.485-НШ, Госконтрактом 20091.1-125-055 и грантом РФФИ № 09-02-00368. Учебное издание Борис Саркисович Ишханов ИСТОРИЯ АТОМНОГО ЯДРА Техническая подготовка учебного пособия выполнена Д. В. Лосевым. Работа поступила в ОНТИ 1 сентября 2011 г. © МГУ, 2011 © НИИЯФ МГУ, 2011 © Ишханов Б.С., 2011 © Ван Гог, рисунок на обложке ISBN 2 Посвящается 100-летию открытия атомного ядра Э. Резерфордом СОДЕРЖАНИЕ 1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро.................................................5 2. Начало новой физики....................................................................................... 3. Приборы ядерной физики................................................................................ 4. Состав атомного ядра....................................................................................... 5. Радиоактивность ............................................................................................... 6. 1932 г. Год открытий........................................................................................ 7. Модель атома Бора........................................................................................... 8. Начало ядерной спектроскопии...................................................................... 9. Квантовая физика............................................................................................. 10. Модели атомных ядер...................................................................................... 11. Ядерные реакции.............................................................................................. 12. Деление ядер..................................................................................................... 13. Образование атомных ядер ............................................................................. 14. Структура нуклона........................................................................................... 15. Ядерная физика и естествознание .................................................................. Хронология ....................................................................................................... Нобелевские лауреаты ..................................................................................... Дополнение Резерфорд….. ......................................................................................................... Резерфорд 3 Первая страница статьи Э. Резерфорда в журнале Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро». 4 Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики. 1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро. В июньском 1911 г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э.Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро». Э.Резерфорд проанализировал результаты работы Г.Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R ≈ 10−8 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц на угол θ от энергии E налетающей α-частицы 2 2 dσ ⎛ Z α Z ядро e ⎞ 1 =⎜ . ⎟ d Ω ⎜⎝ 4 E ⎟⎠ sin 4 θ 2 Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение α-частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером < 10−12 см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен ½Ae, где A – вес атома в атомных единицах массы, e – фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален – положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z. 5 1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать α-частицы, проходящие через материю, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Томсона. В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10–8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути своего пробега α-частицы тратили на то, чтобы выбрасывать электроны, которые ионизировали окружающие атомы. Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал: — Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги. Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление. Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме неправильно и его надо в корне пересмотреть. Изучая закон распределения отразившихся α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором α-частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по всему объему атома, а в центре. Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10–12—10–13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом — они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра. Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра — солнца и электронов — планет. Так он создал свою модель атома. Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики. П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде» 6 1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена 1 – источник α-частиц, 3 – золотая фольга, 5 – микроскоп для наблюдения сцинтилляций, 7 – сцинтиллятор ZnS Г. Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу из золота большинство α -частиц, как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было обнаружено, что часть α -частиц отклоняется на очень большие углы. Некоторые α -частицы рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают существенное различие этих моделей. Напряжённость поля положительного заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона ~ 1013 В/м. В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в области R < 10−12 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить α -частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно. Э. Резерфорд, 1911 г. «Хорошо известно, что α - и β -частицы при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β -частиц нежели у α -частиц, т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α - или β -лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что некоторое количество α -частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше 90°. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение». 7 1911 г. Э. Резерфорд. Атомное ядро 197 α+ 197 Au → α+ 79 79 Au θ Z1Z2e 2 tg = 2 2bE 2 dσ ⎛ Z1Z2e 2 ⎞ 1 =⎜ × ⎟ dΩ ⎝ 4E ⎠ (sin 4 θ ) 2 Эрнест Резерфорд (1871-1937) Исходя из планетарной модели атома, Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние α -частиц на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и Марсдена. Резерфорд предполагал, что α -частицы и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и α -частицами действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро настолько тяжелое по сравнению с α -частицей , что оно не смещается в процессе взаимодействия. Электроны вращаются вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~ 10−8 см и из-за малой массы не влияют на рассеяние α -частиц. Вначале Резерфорд получил зависимость угла рассеяния θ α -частицы с энергией E от величины прицельного параметра b столкновения с точечным массивным ядром. b — прицельный параметр — минимальное расстояние на которое α -частица подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы отталкивания, θ — угол рассеяния α -частицы, Z1e — электрический заряд α -частицы, Z 2e — электрический заряд ядра. Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка α -частиц с энергией E рассеивается на угол θ в зависимости от заряда ядра Z 2e и заряда α -частицы Z1e . Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении формулы было предположение, что в атоме находится массивный положительно заряженный центр, размеры которого R < 10−12 см. 8 Э. Резерфорд, 1911 г.: «Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда». Дж. Дж. Томсон и Э. Резерфорд Э. Резерфорд, 1921 г.: «Представление о нуклеарном строении атома первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как α-частицы обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные отклонения были в высшей степени замечательны; они указывали на существование весьма интенсивных электрических или магнитных полей внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, 9 необходимо было предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы атома и окружено на некотором расстоянии известным образом распределенными отрицательными электронами; число которых равняется общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и α-частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее число α-частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и энергией α-частицы. Вопрос о том, является ли атомное число элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых α- и β-лучей. Первый метод применяется Chadwick'oм, пользующимся новыми приемами; последний – Crowthar'oм. Результаты, полученные до сих пор Chadwick'oм, вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick'a составляет около 1%». Несмотря на то, что комбинация двух протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в настоящее время считается, что α -частицы не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного образования. В случае α -радиоактивных элементов энергия связи α -частицы больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому α -частица может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как самостоятельное образование. Предположение Резерфорда о том, что атомное ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным объяснением открытой им α-радиоактивности. Представления о том, что частицы могут рождаться в результате различных взаимодействий, в это время еще не существовало. Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи. 10 2. Начало новой физики Открытию Резерфорда предшествовали неожиданные и удивительные результаты экспериментов, полученные в конце XIX – начале XX веков, затрагивающие фундаментальные основы физики. Теория относительности Эйнштейна потребовала кардинального пересмотра представления о пространстве и времени. Возникла проблемы с описанием физической природы излучения и вещества, описания строения атома, явления радиоактивности. Законы классической механики и классической электродинамики оказались не в состоянии описать свойства атомов, молекул, атомных ядер. Возникла новая физика — квантовая физика. Э.Резерфорд, 1936 г.: «В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинства элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещества все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы, и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет существовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме, как о твердом «биллиардном шаре», в конце прошлого столетия полностью отказались, химики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении методов атомы неизменны и определенно неразрушаемы. Случалось, что кто-нибудь воображал, что превратил один тип атома в другой, но всегда можно было доказать, что он ошибся. Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодический закон, на основе которого свойства элементов связывались с их положением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все атомы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом все сделаны из более элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и истинное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет». Конец XIX столетия был богат неожиданными открытиями, которые изменили существовавшее представление о строении вещества. В конце 1895 г., экспериментируя с излучением, возникающим вблизи анода разрядной трубки, Рентген обнаружил, что излучение, которое он назвал X-лучами, свободно проходит сквозь непрозрачные для света предметы. В настоящее время более употребительный термин обнаруженного излучения – рентгеновское излучение. Большая проникающая способность рентгеновского излучения объясняется их короткой длиной волны. Видимый свет имеет длину волны (8 – 4)·10–5 см, в то время как длина волны рентгеновского излучения 3·10–7 – 10–8 см. Открытие рентгеновского излучения имело большой общественный резонанс. Всем хотелось увидеть чудо – собственные кости или увидеть предмет за непроницаемой для обычного света перегородкой. В 1896 г. А.Беккерель обнаружил, что соли урана тоже испускают излучение, которое чем-то было похоже на рентгеновское излучение – оно 11 также проходило через непрозрачные предметы и слабо поглощалось в веществе. Но в отличие от рентгеновского излучения для его получения не нужен был источник высокого напряжения. Соли урана излучали непрерывно, самопроизвольно. На излучение солей урана не влияли никакие внешние воздействия. Излучение урана было вначале названо лучами Беккереля. В 1897 г. Дж. Томсон, изучая излучение различных газов, заполняющих разрядную, трубку, показал, что независимо от состава газа, заполняющего разрядную трубку, в результате разряда образуются одинаковые мельчайшие частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд. Частица была названа электроном. Электрон имеет массу примерно в 2000 раз меньше, чем масса самого легкого атома водорода. 1897 год стал годом рождения новой элементарной частицы – электрона. Томсон считал, что отрицательно заряженные корпускулы катодных лучей являются первичными частицами, из которых состоит вся материя. Дж. Томсон, 1898 г.: «Катодные лучи представляют собой новое состояние материи, состояние, в котором делимость материи идёт много дальше, чем в случае обычного газообразного состояния; состояние, в котором вся материя, т.е. материя, полученная от различных источников, таких как водород, кислород и углерод, одного и того же рода, эта материя представляет собой то вещество, из которого построены все химические элементы». Обнаружение в составе атома электронов, которые можно было отделить от атома, разрушило существовавшее в течение 2,5 тысяч лет со времен Демокрита представление об элементарном и неделимом атоме. Изучением природы лучей Беккереля, их отличием от рентгеновского излучения, активно занимались многие физики. Резерфорд, воздействуя на излучение урана магнитным полем, исследуя поглощение излучения в фольгах различной толщины, в 1899 г. установил, что оно состоит из двух типов частиц. Короткопробежные положительно заряженные частицы он назвал α-частицами. Отрицательно заряженные частицы, которые имели больший пробег в веществе, были названы им β-частицами. Нейтральное γ-излучение урана было открыто в 1900 г. П. Виллардом. Обнаруженная способность излучения урановых солей ионизировать воздух была использована для определения источников излучения Беккереля. Вскоре было обнаружено, что соединения тория также самопроизвольно испускают лучи Беккереля. Э. Резерфорд, 1908 г.: «Вскоре после того, как Беккерель открыл фотографическим методом излучательную способность урана, он показал, что урановое излучение, как и рентгеновские лучи, обладает свойством разряжать наэлектризованное тело. При подробном исследовании этого свойства я, изучая зависимость скорости разряда от числа слоёв тонкой алюминиевой фольги помещенных над поверхностью слоя окиси урана, 12 пришёл к выводу о наличии двух видов излучения. Вывод в то время были сформулированы следующим образом. «Эти эксперименты показывают, что урановое излучение имеет сложный состав и что существует, по крайней мере, два вида излучения: одно, легко поглощающееся, которое мы будем для удобства называть α -излучением, и другое, обладающее большей проникающей способностью, называемое β -излучением». После того как были открыты другие радиоактивные вещества оказалось, что их излучения аналогичны α - и β -лучам урана, а когда Вийяр обнаружил ещё более проникающее излучение радия, оно получило называние γ -излучения. Эти названия вскоре стали общеприняты, как удобные обозначения трёх различных видов излучения, испускаемых ураном, радием, торием и актинием. На первых порах α -лучам, вследствие их незначительной проникающей способности, не придавали большого значения, главное внимание было направлено на более проникающие β -лучи. После появления активных препаратов радия Гизель в 1899 г. показал, что β -лучи, испускаемые этими препаратами, легко отклоняются в магнитном поле в том же направлении, что и поток катодных лучей., несущих отрицательный заряд; следовательно, β -лучи представляют собой также поток отрицательно заряженных частиц. Доказательство тождественности β -частиц и электронов, образующих катодные лучи, завершил в 1900 г. Беккерель, который показал, что β -частицы, испускаемые радием, имеют почти такую же малую массу, как электроны, и что они испускаются со скоростью сравнимой со скоростью света». По предложению М.Кюри, вещества, испускающие лучи Беккереля, стали называть радиоактивными. А само явление – радиоактивностью. Считалось, что радиоактивность – атомное свойство. П. Кюри обнаружил, что радиоактивные вещества имеют температуру выше окружающей среды. Испускание радиоактивного излучения веществом приводит к его нагреванию. Изучая радиоактивность урана, М. Кюри обнаружила, что химически чистый уран имеет гораздо меньшую радиоактивность, чем соли урана. Оказалось, что соли урана содержат два новых неизвестных ранее химических элемента, которые также обладают свойством радиоактивности. Это были полоний Po и радий Ra. Содержание этих химических элементов в радиоактивных минералах составляло 10–7 от содержания урана. В физике появился новый термин – активность радиоактивного источника. В качестве единиц активности источника были выбраны Кюри и Беккерель: 1 Беккерель = 1 распад/с, 1 Кюри = 3,7·1010 распад/с. Активность 1 Кюри соответствует распаду 1 грамма радия вместе с продуктами его распада. Исследуя радиоактивность урана, тория, радия, Резерфорд показал, что радиоактивные вещества, испуская α-частицы, превращаются в другие 13 химические вещества, отличающиеся от исходных по своим физическим и химическим свойствам. Так, при распаде радия образовывался радиоактивный газ – эманация радия (радон Rn), который также испускал α-частицы. Однако радиоактивность радона Rn полностью пропадала в течение нескольких часов. Это противоречило всем случаям неизменной радиоактивности, которая наблюдалась до этого. Оказалось, что радиоактивность вещества может уменьшаться и совсем исчезать. Очень скоро стало ясно, что уменьшение радиоактивности различных веществ происходит с разной скоростью. Число частиц, испускаемых радиоактивным веществом, уменьшается со временем экспоненциально. Для описания этого свойства радиоактивного вещества была введена новая характеристика – период полураспада. Период полураспада – время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается в 2 раза. Период полураспада разных радиоактивных веществ изменяется в очень широких пределах от 10–17 с до 1022 лет. Изучая распад радия, Резерфорд доказал, что α-частицы – это атомы гелия, у которых оторвано два электрона. Для этого он собрал образующиеся в результате распада эманации радия α-частицы в разрядной трубке и показал, что при разряде в трубке видны спектральные линии гелия. Так было доказано, что α-частицы – это ионизированные атомы гелия. В результате экспериментов, выполненных Резерфордом, было впервые показано, что одни химические элементы могут спонтанно превращаться в другие химические элементы. Химический элемент радий Ra превращался в химические элементы радон Rn и гелий He. Эти результаты коренным образом изменили существовавшие до Резерфорда взгляды на неизменную природу химических элементов. Э.Резерфорд: «На основании полученных в настоящее время данных можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием α-лучей, т.е. вырыванием из атома тяжелой заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются испусканием α-лучей … Хорошо известный элемент радий происходит от урана и является пятым продуктом в ряду его превращений». Ф.Содди сформулировал закон радиоактивного смещения, согласно которому при излучении α-частицы один химический элемент превращается в другой, расположенный на два места ниже в Периодической таблице, а β − -излучение вызывает смещение химического элемента на одно место выше. На основе закона смещения была получена последовательность распада многих радиоактивных элементов. Например, цепочка 238 последовательных распадов U : 14 238 92 222 86 − − α β β α α α U ⎯⎯ → 23490Th ⎯⎯ → 234 → 234 → 23090Th ⎯⎯ → 226 → 91 Pa ⎯⎯ 92 U ⎯⎯ 88 Ra ⎯⎯ − − β α β α α Rn ⎯⎯ → 218 → 218 → 218 → 214 → 210 → 84 Po ⎯⎯ 85 At ⎯⎯ 86 Rn ⎯⎯ 84 Po ⎯⎯ 82 Pb ⎯⎯ − − β β α ⎯⎯ → 210 → 210 → 206 83 Bi ⎯⎯ 84 Po ⎯⎯ 84 Pb. γ-излучение непосредственно не связано с превращением элементов. Оно возникает, если в результате α- и β-распада образуется возбужденное ядро, которое после испускания γ-кванта, переходит в более низкорасположенное по энергии состояние. Этот процесс аналогичен испусканию излучения атомом. Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1910 г. при изучении продуктов распада радиоактивных ядер. Было обнаружено, что существует несколько различных веществ, которые имеют одинаковые химические свойства, но различаются атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. По предложению Ф. Содди такие вещества были названы изотопами. 15 Фотоэффект hν = U + Ee hν - энергия фотона, U - работа выхода, Ee - кинетическая энергия электрона. А. Ф. Иоффе: «Для физиков же, и в особенности для физиков моего поколения — современников Эйнштейна, незабываемо появление Эйнштейна на арене науки. В 1905 г. в «Анналах физики» Альберт Эйнштейн появилось три статьи, положившие начало трём (1897 – 1955) наиболее актуальным направлениям физики XX века. Это были: теория броуновского движения, фотонная теория света и теория относительности. Автор их — неизвестный до тех пор чиновник патентного бюро в Берне Эйнштейн. He приходится тратить много слов на теорию относительности — её историю знает каждый физик. Переход от преобразований Лорентца и от гипотезы Лорентца–Фицжеральда к частной теории относительности Эйнштейна, законы сложения скоростей, проблема одновременности, знаменитое соотношение между массой т и запасом энергии тела E : E = mc 2 где с — скорость света, которая становится предельной скоростью распространения энергетических процессов, — все это вошло в кровь и плоть современной физики. Известно так же как за частной теорией последовало в 1911 г. обобщение её на ускоренное движение, а в 1915 г. общая теория относительности, включившая теорию тяготения и связь геометрии с наличием массы. Эйнштейн поставил перед собою дальнейшую задачу — единую теорию поля, сочетающую электромагнитное поле с тяготением. Одна за другой следовали попытки создать единую теорию, но все они одна за другой оказывались несостоятельными и отвергались критикой». Нобелевская премия по физике 1921 г. А. Эйнштейн За вклад в теоретическую физику и, в особенности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта. 16 1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела Энергия кванта ν - частота излучения. E = hν , Спектральная плотность нагретого до температуры 8π hν 3 ρ (ν ) = 3 c h == = 1, 05 ⋅10−34 Дж⋅сек 2π излучения черного тела T 1 hν / kT e −1 = 6,58 ⋅10−22 МэВ⋅сек. Макс Планк (1858 – 1947) Л. Д. Ландау: «В чем заключалась суть того преобразования физики, которое сделал Макс Планк в своей знаменитой классической работе в 1900 г.? Она заключалась в том, что с совершенно новой точки зрения рассматривался вопрос о взаимодействии между излучением, т.е. электромагнитными волнами, и веществом. Вещество в то время представляли обычно в виде совокупности совершающих колебания зарядов, иначе говоря, в виде системы осцилляторов. Планк решительно изменил обычную трактовку характера взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем. Именно он пришёл к выводу, что вопреки классической электродинамике, согласно которой всякий осциллятор, как и всякое другое тело, излучает электромагнитные волны непрерывно, необходимо допустить, что излучение электромагнитных волн происходит скачками, порциями, которые Планк назвал знаменитым теперь термином — квантами. Величина одного кванта равна некоторой постоянной h , умноженной на частоту ν колебаний осцилляторов. При помощи этого с современной точки зрения сугубо кустарного допущения Планк сумел получить правильную формулу для черного излучения – формулу, которая осталась без всяких изменений до сегодняшнего дня». Нобелевская премия по физике 1918 г. М. Планк За открытие кванта энергии. 17 Дж. Дж. Томсон 1897 г. Открытие электрона 1904 г. Модель атома Э. Резерфорд, 1936 г.: «Это было в 1897 г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж. Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Джозеф Томсон Дж. Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто (1856-1940) отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первым понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в aтоме» Дж. Томсон, 1898 г.: «Я считаю, что атом состоит из большого числа… корпускул [т.е. электронов]… В нормальном атоме это собрание корпускул образует систему, которая электрически нейтральна. Хотя отдельные корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, однако, когда они собраны в нейтральном атоме, отрицательный эффект уравновешивается чем-то, что заставляет пространство, в котором находятся корпускулы, действовать так, как если бы оно обладало зарядом положительного электричества, равным по величине сумме отрицательных зарядов корпускул». Дж. Томсон, 1904 г.: «Мы предполагаем, что атом состоит из некоторого числа [отрицательных корпускул, движущихся внутри сферы с однородной положительной электризацией… Корпускулы располагаются по ряду концентрических оболочек. Постепенное изменение свойств, которое имеет место при перемещении вдоль горизонтальных рядов [периодической] системы элементов, иллюстрируется свойствами, которыми обладают эти группы корпускул». Нобелевская премия по физике 1906 г. – Дж. Дж. Томсон За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исследованиях электрической проводимости газов. 18 1895 г. В. Рентген открыл X-лучи, позже названные его именем – рентгеновские лучи Вильгельм Рентген (1845 – 1923) Изучая катодные лучи, В. Рентген открыл новый вид излучения – X-лучи и описал их свойства. • Многие материалы оказались прозрачными для X-лучей. • X-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. • Тела, наэлектризованные положительно или отрицательно, разряжаются под действием X-лучей. • X-лучи вызывают почернение фотографических пластинок. • Многие вещества флюоресцируют под действием X-лучей. • Длины волн рентгеновского излучения λ ~ 3 ⋅10−8 –10−7 см, что гораздо меньше длин волн видимого света λ = (4 ÷ 8) ⋅10−5 см. Нобелевская премия по физике 1901 г. – В. Рентген За открытие лучей, названных его именем. 19 1896 г. А. Беккерель. Открытие радиоактивности Анри Беккерель (1852 – 1908) А. Беккерель дважды в начале 1896 г. выступал на заседании Парижской академии наук с сообщением об открытии им нового явления — радиоактивности. 24 февраля 1896 г. А. Беккерель сообщил о методе регистрации радиоактивности. 2 марта 1896 г. А. Беккерель впервые сообщил, что открытое им явление принципиально отличается от искусственной фосфоресценции, вызываемой облучением некоторых кристаллов под действием солнечного света. Из выступлений А.Беккереля на заседании Парижской академии наук. Заседание 24 февраля 1896 г. «Фотографическую бромосеребряную пластинку Люмьера обертывают двумя листками очень плотной черной бумаги… Сверху накладывают какоенибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем всё это выставляют на несколько часов на солнце. При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества». Заседание 2 марта 1896 г. «Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным… Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях когда возникновение радиации под действием солнечного света исключается, дают, тем не менее, фотографические отпечатки. В среду 26-го и в четверг 27 февраля 1896 г. солнце появлялось лишь с большими перерывами. Я отложил совсем подготовленные опыты и, не трогая кристаллов соли урана, установил кассеты в ящике стола в темноте. В следующие дни солнце не появлялось вовсе, но, проявив пластинки 1 марта, я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры». Нобелевская премия по физике 1903 г. - А. Беккерель За открытие радиоактивности 20 М. Кюри: «Анри Беккерель производил опыты с солями урана, так как некоторые из них обладают свойством флуоресцировать [H. Becquerel, Comptes Rendus, 1896]. Он получил фотографические оттиски сквозь черную бумагу при помощи флуоресцирующего двойного сульфата уранила и калия. Дальнейшие опыты показали, однако, что наблюдаемое явление никак не связано с флуоресценцией. Оказалось, что освещение соли не является необходимым условием и что на фотографические пластинки действуют и уран и все его, как флуоресцирующие, так и нефлуоресцирующие, соединения, причем наиболее сильно действует металлический уран. Беккерель обнаружил затем, что соединения урана, в течение нескольких лет находившиеся в полной темноте, продолжают действовать на фотографические пластинки сквозь черную бумагу. Тогда он пришел к заключению, что уран и его соединения испускают особые урановые лучи. Эти лучи обладают способностью проходить сквозь тонкие металлические экраны. Проходя через газы, урановые лучи ионизируют их и делают их проводниками электричества. Излучение урана самопроизвольно и постоянно, оно не зависит от таких внешних условий, как освещение и температура. Лучи тория. Исследования, произведенные одновременно В. Шмидтом и Марией Кюри, показали, что соединения тория испускают лучи, подобные урановым. Такие лучи часто называют лучами Беккереля. Вещества, испускающие лучи Беккереля, назвали радиоактивными, а новое свойство вещества, обнаруженное по этому лучеиспусканию, — радиоактивностью (Мария Кюри). Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоэлементами». 21 1898 г. М. Кюри-Склодовская, П. Кюри. Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88) М. и П. Кюри: «Исследования соединений урана и тория показали... что свойство испускать лучи, которые делают воздух проводящим и действуют на фотографические пластинки, является специфическим свойством урана и тория, обнаруживающимся во всех соединениях этих металлов, причем это свойство слабее, когда доля активного металла в соединении меньше: Физическое состояние вещества, по-видимому, не имеет существенного значения... Следовательно, очень вероятно, что некоторые минералы, более активные, чем уран и торий, содержат вещество, более активное, чем эти металлы... Мы попытались изолировать это вещество в урановой смолке, и эксперименты подтвердили предыдущее заключение... Урановая смолка была примерно в 2,5 раза активнее [по производимой ею ионизации], чем уран... Она была подвергнута действию кислот, и полученный раствор был обработан сернистым водородом. Уран и торий остались в растворе, [однако] осажденный сульфид содержал очень активное вещество вместе со свинцом, висмутом, медью, мышьяком и сурьмой… При проведении таких операций получаются все более и более активные продукты. Наконец, мы получили вещество, активность которого оказалась в 400 раз больше активности урана... Поэтому мы думаем, что вещество, которое мы выделили из урановой смолки, содержит неизвестный до сих пор металл... Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием в честь родины одного из нас (Мария Кюри)». В ходе дальнейших исследований супруги Кюри нашли, что урановая смолка содержит «второе сильно радиоактивное вещество, совершенно отличное от полония по своим химическим свойствам. Это новое радиоактивное вещество... имеет все химические свойства бария. Растворяя осадок в воде, вновь осаждая его в спирте и повторяя эту процедуру несколько раз, удалось, наконец, получить продукт с активностью, превосходящей в 900 раз активность урана. Полученные результаты объяснялись присутствием нового элемента, который был назван радием. Так как наиболее активный продукт все еще содержал большую долю бария, был сделан совершенно правильный вывод, что «радиоактивность радия должна быть огромной» по сравнению с радиоактивностью урана. 22 1898 г. М. Кюри-Склодовская, П. Кюри. Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88) Мария Кюри-Склодовская (1867—1934) и Пьер Кюри (1859— 1906) Супруги Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская подвергли систематическому исследованию все известные химические элементы в отношении радиоактивности (термин «радиоактивность» был впервые введен ими). Они нашли её также у тория… Но в миллионы раз сильнее она оказалась у двух новых элементов: полония и радия. Аналитико-химическая методика, примененная супругами Кюри при исследовании элементов на радиоактивность, привела в течение двух следующих десятилетий в руках многочисленных исследователей к открытию других «естественных» радиоактивных элементов. М. Лауэ «История физики» Нобелевская премия по физике 1903 г. – П. Кюри и М. Кюри-Склодовская За исследования радиоактивности Нобелевская премия по химии 1911 г. - М. Кюри-Склодовская За открытие элементов радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием 23 α -частицы — ионизованные атомы 4He 1 – разрядная трубка, 2 – радиоактивные источники Th, Ra, 3 – трубка для накопления α-частиц Работа Резерфорда в Канаде ознаменовалась целым рядом крупнейших открытий. Во-первых, им была открыта эманация тория. Вместе с Резерфордом там же работал в то время молодой химик Содди, и с ним Резерфорд начал изучать химический характер элементов, получаемых от радиоактивного распада, так как было очень важно установить наряду с физическими и химические особенности радиоактивного процесса. В то время радиоактивность еще не была понята, и Резерфорд вместе с Содди были первыми, кто доказал, что это есть спонтанный переход одних элементов в другие, называемый теперь радиоактивным распадом. При этом испускаются либо α-лучи, состоящие из быстро летящих атомов гелия с положительным зарядом, либо β-лучи — быстро летящие электроны. На основании этого Резерфорд предполагал, что эманация тория есть элемент, отличный от самого тория. Вместе с Содди он по диффузии определил атомный вес эманации и показал, что она соответствует благородному газу. Теория радиоактивного распада, выдвинутая Резерфордом и Содди в 1903 г., произвела революцию. П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде» 24 α-частицы — ионизованные атомы 4He Уже в 1897 г. Э. Резерфорд различал по проникающей способности два вида радиоактивного излучения: легче поглощаемые α -лучи и более проникающие β -лучи. В то время как последние, благодаря их легкой отклоняемости в электрическом и магнитном полях, были вскоре отождествлены с электронами, над природой первых Резерфорду пришлось потрудиться более долгое время. Но в 1903 г. он нашел, наконец, посредством опытов с отклонением этих лучей, что отношение их заряда к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизованным атомам гелия. Вильям Рамзай (1852—1916) и Фр. Содди установили в 1904 г. поразительное появление гелия в соединениях радия; единственным объяснением могло быть возникновение гелия из радия. Резерфорд и Т. Ройдс подтвердили в 1909 г. идентичность α -частиц и ионов гелия, так как они обнаружили в собранных нейтрализованных α -частицах характерную желтую линию спектра гелия. Так было доказано возникновение элемента гелия из других элементов. В то же самое время постепенно установили, что за небольшими исключениями радиоактивное тело посылает либо α -лучи, либо β -лучи; обнаруженное в 1900 г. Паулем Виллардом неотклоняемое γ -излучение может быть связано с обоими. М. Лауэ «История физики» Нобелевская премия по химии 1908 г. - Э. Резерфорд За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ. 25 3. Приборы ядерной физики Детекторы. Результаты любого эксперимента определяются возможностями детекторов, которые используются для регистрации ядерных процессов. История ядерной физики – это история создания новых методов регистрации частиц и постоянного совершенствования уже надежно зарекомендовавших себя детекторов. Создание новых методов детектирования частиц нередко отмечалось Нобелевскими премиями. Первые детекторы создавались для того, чтобы можно было изучать изменения, происходящие в отдельных атомах вещества. Для этого Э.Резерфордом с сотрудниками было разработано два метода, с помощью которых можно было регистрировать отдельные α-частицы: • Метод сцинтилляций, позволяющий наблюдать вспышки от удара отдельной α-частицы в сцинтиллирующие экраны. Одним из первых детекторов α-частиц был экран, покрытый сернистым цинком. Метод счета сцинтилляций был использован Гейгером и Марсденом в эксперименте по рассеянию α-частиц на тонких золотых фольгах, который привел к открытию атомного ядра. • Гейгером был разработан метод газоразрядного счетчика. При прохождении заряженной частицы в счетчике возникал электрический разряд, который можно было зарегистрировать электронными устройствами. Электронные методы счета частиц значительно повысили точность и надежность наблюдений, избавили от утомительного чисто субъективного визуального метода регистрации сцинтилляций. Возможности проведения различных экспериментов расширились в результате разработанного В.Боте метода совпадений. Первым прибором, в котором можно было наблюдать следы заряженных частиц, была изобретенная в 1912 г. Ч. Вильсоном камера, названная его именем. Действие камеры Вильсона основано на конденсации пара в виде мелких капелек жидкости на ионах, образованных пролетающей через камеру заряженной частицей. Возникающий след капелек жидкости можно увидеть и сфотографировать. Тип частицы, следы которой наблюдают в камере Вильсона, определяется по величине пробега и импульсу частицы. Эксперименты с камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле, выполненные П. Капицей и Д. Скобельцыным, значительно расширили знания о ядерных процессах, происходящих как под действием радиоактивных источников, так и под действием космических лучей. С помощью камеры Вильсона был сделан ряд фундаментальных наблюдений, сыгравших важную роль в понимании процессов, происходящих в микромире, – впервые наблюдалось расщепление атомных ядер, были открыты позитрон, мюон, переносчик ядерного взаимодействия π-мезон и другие частицы, изучена природа космического излучения. Впервые возможность регистрации ядерных излучений фотографическим методом использовал А. Беккерель, открывший с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Эффективно этот метод начал использоваться после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с 26 толстым слоем эмульсии. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы вдоль траектории движения. После проявления эмульсии по характеру следа можно идентифицировать частицу. С помощью ядерных фотоэмульсий впервые наблюдались многие частицы в составе космических лучей. Современные детекторные системы, как правило, представляют собой комбинацию различных типов детекторов, число которых может составлять несколько тысяч включенных в логические системы совпадений и антисовпадений импульсов отдельных детекторов. Фотография в фотоэмульсии расщепление ядра углерода при захвате π -мезона. 27 Совершенствование метода визуального наблюдения сцинтилляций, вызванных частицей, привело к разработке электронных методов счета сцинтилляций. Различные конструкции фотоэлектронных умножителей позволяют усиливать электрический сигнал и получать на выходе легко регистрируемые электрические импульсы. Пропорциональность световой вспышке энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе, позволяет не только регистрировать частицу, но и определять её энергию. Большие объёмы сцинтиллятора позволяют создавать детекторы для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия. Так, например, в первом эксперименте по регистрации нейтрино в качестве сцинтиллятора использовались три объёма жидких сцинтилляторов по 1200 литров каждый. Световые вспышки регистрировались с помощью 100 фотоумножителей. Схема детектора, с помощью которого Райнес и Коуэн обнаружили реакторное антинейтрино. ν + p → n + e + Детекторы служат как для регистрации частиц, так и для определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами. Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на гигантском фоне «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы. 28 Детекторы Счетчик Гейгера Камера Вильсона Фотоумножитель и сцинтиллятор Детектор ATLAS Большого Адронного Коллайдера 29 1924 г. В. Боте разработал метод совпадений Вальтер Боте (1891-1957) Исследования квантовых свойств частиц, проблема дуализма волначастица была одним из приоритетных направлений первой четверти XX века. Эксперименты Комптона убедительно показали, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах вещества, так как если бы рентгеновские лучи были потоком частиц. Существовала проблема выполнения законов сохранения энергии и импульса в каждом акте взаимодействия. Существовало предположение, что они выполняются лишь при усреднении по большому числу взаимодействий. Для проверки этой гипотезы, используя два счетчика Гейгера, Боте создал метод одновременной регистрации рассеянного рентгеновского фотона и электрона, образующихся в результате эффекта Комптона – метод совпадений. В результате было показано, что законы сохранения выполняются в каждом акте взаимодействия. В 1930 г. Боте исследуя взаимодействие α -частиц с мишенью из бериллия обнаружил новое излучение, имеющее большую проникающую способность, которое привело затем к открытию нейтрона. Боте использовал метод совпадений для изучения природы космических лучей, в результате которых было установлено, что космическое излучение состоит из заряженных частиц, а не высокоэнергетических γ -квантов, как предполагалось ранее. Нобелевская премия по физике 1954 г. – В. Боте За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия. 30 1912 г. Ч. Вильсон изобрёл камеру, названную его именем Чарльз Вильсон (1869 – 1959) След α -частицы, испытавшей два столкновения в камере Вильсона. Н. Бор: «Вильсон, применив остроумный метод, использующий камеру, наполненную насыщенными парами, получил свои первые фотографии треков α -частиц, на которых были отчетливо видны резкие изломы, хотя обычные треки α -частиц представляли собой замечательно прямые линии. Конечно, Резерфорд очень хорошо понимал, что это за явление, так как всего лишь за несколько месяцев до того именно оно привело его к открытию, положившему начало новой эпохи, - открытию атомного ядра. Однако возможность увидеть собственными глазами столь тонкие детали поведения α -лучей оказалась удивительной даже для него и доставила ему необыкновенную радость». Нобелевская премия по физике 1921 г. Ч. Вильсон. За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц с помощью конденсации пара 31 Патрик Блэкетт (1897-1974) П. Блэкетт широко использовал и в значительной мере способствовал внедрению камеры Вильсона в физических измерениях. П. Блэкетт, изучив 25000 фотографий, полученных с помощью камеры Вильсона, показал, что в результате взаимодействия α -частиц с ядрами азота 14 N образуются протон и изотоп 17 O , что явилось подтверждением предположения, выдвинутого Э. Резерфордом о превращении одного химического элемента в другой. П. Блэкетт совместно с Д. Оккалини создали управляемую камеру Вильсона с помощью двух счетчиков Гейгера, расположенных над и под камерой Вильсона и включенных в схему совпадений. В результате было получено большое количество фотографий, вызванных космическими лучами, и в частности впервые наблюдалось образование электронпозитронных пар под действием космических лучей. Нобелевская премия по физике 1948 г. – П. Блэкетт За создание метода камеры Вильсона и его открытия с его помощью в области ядерной физики и космических лучей. 32 1919 г. Ф. Астон построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов Фрэнсис Астон (1877–1945) С помощью своего первого масс-спектрометра Астон подтвердил, что существуют два изотопа неона, атомные массы которых почти в точности равны 20 и 22. Исследуя затем элемент хлор, имеющий атомный вес 35,46 Астон показал, что хлор даёт спектр масс, в котором наблюдаются две линии 35 и 37, и не видно никаких линий с дробным атомным весом. Поэтому хлор подобно неону состоит из двух изотопов с массовыми числами A = 35 и 37. К концу 1920 г. Астон исследовал на сконструированном им масс-спектрографе 19 элементов и обнаружил, что 9 из них состоят из двух и более изотопов, массы которых близки к целым числам. Ф.Астон: «Очевидные отступления от правильной последовательности атомных весов элементов, расположенных соответственно их химическим свойствам, указывают на то, что даже у устойчивых элементов не следует ожидать однозначной связи зарядов с их массой». Нобелевская премия по химии 1922 г. — Ф. Астон. За открытие большого количества стабильных изотопов и изучение их свойств. 33 Ускорители. Одним из первых ускорителей частиц была обычная разрядная трубка. За счёт приложенного к ней напряжения электроны ускорялись и в результате торможения на аноде возникало образовалось рентгеновское (тормозное) излучение. В качестве пробных частиц α -частицы сыграли уникальную роль в изучении структуры атомных ядер. С их помощью • в 1911 г. было открыто атомное ядро, • в 1919 г. было доказано, что протоны входят в состав атомного ядра и осуществлено первое искусственное превращение химического элемента, • в 1932 г. был открыт нейтрон, • в 1934 г. был получен первый искусственный радиоактивный изотоп 30 P . Однако α -источники имели существенный недостаток — α -частицы вылетали из источника во всех направлениях, число их было мало и было невозможно изменять их энергию. Было очевидно, что для дальнейшего продвижения в изучении атомных ядер нужны различные высокоэнергичные пробные частицы, которые могли бы проникать в атомные ядра и вызывать их различные превращения, была необходимость создания интенсивных источников контролируемой энергии. В 1930 г. Э. Лоуренс построил первую модель циклотрона. В 1931 г. Ван де Граф создал первый электростатический ускоритель протонов. В 1932 г. Д. Кокрофт и Т. Уолтон создали высоковольтный ускоритель и с помощью ускоренного пучка протонов расщепили ядра бора и лития. В 1940 г. Д. Керст построил ускоритель электронов – бетатрон. В 1944 г. В. Векслер открыл принцип автофазировки, который лёг в основу создания ускорителей высоких энергий. Э. Резерфорд, 1932 г.: «Делая это обозрение, я был поражен сравнительно быстрым прогрессом, который произошел со времени нашей последней дискуссии в овладении этой центральной проблемой физики [расщепления атомных ядер]. Прогресс был бы много ускорен, если бы мы могли получить в лаборатории мощные, но контролируемые источники быстрых атомов и радиации высокой частоты для бомбардировки материи. В экспериментах Тюва, Хофстеда и Дэля в Отделении земного магнетизма в Вашингтоне и Кокрофта и Уолтона в Кэвендишевской лаборатории было найдено возможным посредством высоких потенциалов создать искусственный поток протонов с индивидуальной энергией около 1 млн. вольт-электронов и изучить их свойства. Некоторые другие методы получения быстрых атомов испытываются другими исследователями, я мог бы особенно сослаться на исключительно остроумный метод, развитый Лауренсом и Ливингстоном в Калифорнском университете, где посредством многократных ускорений были получены протоны с энергией, отвечающей примерно 1 млн. вольт. В недавно опубликованной статье они приходят к заключению, что этим методом возможно получить поток быстрых атомов еще большей энергии. Таким образом, здесь открывается полная надежд перспектива на то, что в близком будущем мы сможем получить 34 источники быстрых атомов и высокочастотной радиации и вместе с тем расширить наши знания о структуре ядра. Опыты были сделаны и с другими элементами. Бор, фтор и алюминий все дают частицы, похожие на α-частицы с характеристичным пробегом для каждого элемента. Наблюдались также сцинтилляции от бериллия и углерода, некоторые яркие, другие – слабые, и есть указания, что азот дает немного ярких сцинтилляции. Кислород и медь не дают сцинтилляции для протонов с энергией до 400 тысяч вольт». Э. Резерфорд сообщает Н. Бору о первых результатах расщепления атомных ядер на ускорителе Кокрофта-Уолтона. 21 апреля 1932 г. Дорогой Бор! <…> у меня есть для вас интересные новости, краткое сообщение о которых должно появиться в “Nature” на следующей неделе. Вы знаете, что у нас есть лаборатория высоких напряжений, где устойчивое постоянное напряжение может быть доведено до 600000 вольт и выше. Там недавно исследован эффект бомбардировки легких элементов протонами. Протоны падали на поверхность материала, расположенного под 45° к оси трубки, а вызываемые эффекты наблюдались сбоку сцинтилляционным методом, экран из сернистого цинка был покрыт достаточно толстым слоем слюды, чтобы задержать протоны. В случае лития наблюдались яркие сцинтилляции, начиная примерно с 125000 вольт, которые быстро нарастали с увеличением напряжения вплоть до многих сотен в минуту при значении протонного тока в несколько миллиампер. По-видимому, α -частицы имели определенную длину пробега, практически не зависимую от напряжения и равную в воздухе около 8 см. Самое простое предположение, которое можно было сделать, состояло в том, что литий7, захватывая протон, разламывается и при этом испускает пару обычных α -частиц. Принимая эту точку зрения, можно показать, что полное значение высвобождаемой энергии составляет около 16 миллионов электроновольт, и это дает правильный порядок для происходящих изменений в массах, если допустить справедливость закона сохранения энергии. Позже будут поставлены специальные опыты, чтобы проверить природу частиц, но по яркости сцинтилляций и следам в камере Вильсона представляется весьма вероятным, что это α -частицы. В опытах, проведенных в самые последние дни, аналогичные эффекты наблюдались у бора и фтора, однако пробег частиц меньше, хотя они также похожи на α -частицы. Возможно, бор-11 захватывает протон и раскалывается на три α -частицы, тогда как фтор разламывается на кислород и α -частицу. Баланс энергии находится примерно в соответствии с этими выводами. Я не сомневаюсь, что вас очень заинтересуют эти новые результаты, которые мы надеемся в ближайшем будущем расширить». Необходимость использования ускорителей для исследования структуры микромира очевидна. Во-первых, атомные ядра и частицы 35 занимают очень малые области пространства. Исследование таких масштабов требует высокой разрешающей способности зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии. Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию E пробных частиц, необходимую, для его изучения. Длина волны пробных частиц зависит от импульса и дается формулой де Бройля h 2π =с 2π ⋅ 200 МэВ ⋅ Фм . ≈ λ= ≈ p E Е (МэВ) В эксперименте по рассеянию структура объекта становится «видимой», если длина волны де Бройля пробной частицы сравнима или меньше размера объекта R, т. е. при λ ≤ R. При использовании в качестве пробных частиц электронов внутрь ядра можно «заглянуть», если энергия электрона будет превышать 100 МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 109 эВ). Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ (1 ТэВ = 1012 эВ). Рождение частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий сталкивающихся частиц в массы и кинетические энергии образующихся частиц. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц. Рис. Зависимость длины волны от энергии частицы. Ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, интенсивностью, пространственными размерами и т. д.). В 2009 г. начались эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК). Протоны ускоряются в кольцевом тоннеле протяженностью 27 км, 36 расположенном под землей на глубине ~100 м. БАК состоит из нескольких ускорителей, на которых происходит последовательное ускорение протонов, которые достигают в конце ускорения энергии 7 ТэВ. В кольцевом тоннеле ускоряются два пучка в противоположных направлениях. Поэтому суммарная энергия столкновения протонов составляет 14 ТэВ. Кроме протонных пучков в БАК будут ускоряться ионы свинца Pb. Протонный пучок LHC. Энергия пучка протонов 7 ТэВ. Длина основного кольца 26,7 км. Пучок протонов разбит на отдельные сгустки: продольный размер 20-40 см; поперечный размер ~1 мм; поперечный размер в точках столкновения 10–2 мм. Число сгустков в максимумах интенсивности – 2808. Время одного цикла работы ускорителя 10–50 часов. Инжекция протонов в LHC происходит порциями. Время заполнения основного кольца 4-5 мин. Время ускорения протонов 0,45–7,0 ТэВ — 20 мин. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергичный пучок протонов сбрасывается и коллайдер подготавливается к приёму новых сгустков протонов. В коллайдере LHC происходит 109 столкновений протонных пучков в секунду. 37 2010 г. Большой адронный коллайдер LHC. Large Hadron Collider SPS. Super Proton Synchrotron AD. Antiproton Decelerator ISOLDE. Isotope Separator OnLine DEvice PSB. Proton Synchrotron Buster PS. Proton Synchrotron LINAC. LInear ACcelerator LEIR. Low Energy Ion Ring CNGS. CERN Neutrinos to Gran Sasso 38 1932 г. Д. Кокрофт и Э. Уолтон ускоренными протонами расщепили ядра бора и лития Эрнест Уолтон (1903 – 1995) Джон Кокрофт (1897 – 1967) 1930 г. Ускоритель Кокрофта-Уолтона Нобелевская премия по физике 1951 г. Д. Кокрофт и Э. Уолтон. За пионерскую работу по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц. 39 1929 г. Первый циклотрон Э. Лоуренса Эрнест Лоуренс (1901 – 1958) 1933 г. С. Ливингстоун и Э. Лоуренс у 27-дюймового циклотрона Нобелевская премия по физике 1939 г. Э. Лоуренс. За изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные на нём, в особенности, связанные с искусственными радиоактивными элементами. 40 4. Состав атомного ядра Благодаря новым методам регистрации радиоактивности стало возможным изучать новые явления, которые раньше не поддавались исследованию, и, в частности, попытаться ответить на вопрос, как устроено атомное ядро. Для ответа на этот вопрос Резерфорд решил использовать столкновение α-частиц с ядрами легких химических элементов. Обстреливая α -частицами атомы водорода, Резерфорд обнаружил что нейтральные атомы водорода превращаются в положительно заряженные частицы. Резерфорду было известно, что легчайший атом Периодической системы водород состоит из ядра, имеющего единичный положительный заряд, и электрона. Следовательно, при столкновении с атомом водорода α -частица подходила достаточно близко к ядру водорода и передавала ему часть энергии и импульса. Резерфорд назвал эти положительно заряженные частицы H -атомами. Позже за ними укрепилось название «протоны». Одновременно Резерфорд установил, что взаимодействие между α -частицей и ядром водорода не подчиняется обнаруженному им ранее закону рассеяния α -частиц на ядрах золота. При сближении α -частицы с ядром водорода силы взаимодействия между α -частицей и ядром водорода резко возрастали. Э. Резерфорд, 1920 г.: «В случае атомов с большим ядерным зарядом даже самая быстрая α -частица не может проникнуть в саму структуру ядра, так что мы можем лишь оценить его максимальные размеры. Однако в случае лёгких атомов, когда заряд ядра мал, при прямом столкновении α -частица приближается так близко к ядру, что мы можем оценить его размеры и составить некоторое представление о действующих силах. Наилучшим образом это видно в случае прямого столкновения α -частицы с атомом водорода. В этом случае H -атом приходит в столь быстрое движение, что он проходит в четыре раза больший путь, чем сталкивающаяся с ним α -частица, и может быть зарегистрирован по сцинтилляции, вызываемой им на экране из сернистого цинка… Я показал, что эти сцинтилляции обусловлены атомами водорода, несущими единичный положительный заряд… Соотношение между числом и скоростью этих H -атомов совершенно отлично от того, которое следовало ожидать, если рассматривать α -частицу и H -атом как точечные заряды. В результате столкновения с быстрыми α -частицами получаются H -атомы, которые почти с одинаковыми скоростями летят по направлению налетающих α -частиц. Отсюда было выведено, что закон обратной пропорциональности квадрату расстояния становится несправедливым, когда ядра приближаются друг к другу на расстояние меньшее 3 ⋅ 10 −13 см. Это служит указанием на то, что ядра имеют размеры этого порядка величины и что силы между ядрами очень быстро меняются по величине и направлению на расстояниях, сравнимых с обычно принятыми размерами диаметра электрона. Было указано, что при таких близких столкновениях между ядрами развиваются огромные силы и что, возможно, при столкновении структура ядер претерпевает значительную деформацию. Тот факт, что ядро гелия, которое, как можно предполагать, состоит из четырех 41 H -атомов и двух электронов, выдерживает это столкновение свидетельствует о чрезвычайной устойчивости его структуры.» В результате изучения взаимодействия α -частиц с атомами водорода был обнаружен протон – ядро атома водорода. Резерфорд продолжает эксперименты по исследованию взаимодействия α -частиц с лёгкими атомами и в 1919 г. обнаруживает, что при облучении α -частицами атомов азота из атома вылетают протоны. Следовательно, протоны входят в состав атомных ядер. Но при этом под действием α -частиц должно было произойти изменение ядра атома азота. Его заряд должен увеличиться на единицу – ядро азота должно превратиться в ядро кислорода. Впервые Резерфорд сделал то, что на протяжении веков не удавалось алхимикам – он искусственно превратил один химический элемент в другой. В течение нескольких последующих лет Резерфорд с учениками осуществил искусственное превращение около десяти лёгких химических элементов – бора, фтора, лития, натрия, фосфора и других. Э. Резерфорд: «Атомы нескольких легких элементов были подвержены бомбардировке очень большим количеством α-частиц. Выполнив эти опыты, я в 1919 г. получил экспериментальные доказательства того, что небольшое число атомов азота при бомбардировке распалось, испустив быстрые ядра водорода, известные теперь под названием протонов … 14 4 18 17 1 7 N + 2 He → 9 F → 8 O + 1 H + E . Всего лишь одна α-частица из 50000 приближается к ядру достаточно близко, чтобы быть им захваченной… В более ранних статьях, loc. cit., я описал явления, происходящие при тесных столкновениях быстрых α-частиц с легкими атомами вещества, с целью определить, не могут ЛИ подвергаться разложению ядра некоторых легких атомов под влиянием огромных сил, развивающихся при таких тесных столкновениях. В этих статьях было дано доказательство того, что при прохождении α-частиц через сухой азот возникают быстрые частицы, весьма напоминающие по яркости сцинтилляций и дальности проникновения атомы водорода, приведенные в движение под влиянием столкновения с α-частицами. Далее было показано, что эти быстрые атомы, которые появляются только в сухом азоте, но не в кислороде или в угольной кислоте, не могут быть приписаны присутствию водяного пара или другого вещества, содержащего водород, но что они должны возникать при столкновении α-частиц с атомами азота… В предыдущей работе я показал, что частицы с большим пробегом, наблюдавшиеся в сухом воздухе и в чистом азоте, должны возникать из самих атомов азота. Таким образом 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». 42 1919 г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. 14N(α,p)17O 1 – микроскоп для наблюдений сцинтилляций, 2 – серебряная пластинка для поглощения α-частиц, 3 – экран из сернистого цинка, 7 – источник α-частиц Н-лучи. Из корпускулярных лучей, возникающих при столкновении α -лучей с лёгкими атомами, наиболее изучены лучи водорода, так как они обладают наибольшей проникающей способностью. Эти лучи образуются атомами водорода, потерявшими свой электрон, т.е. протонами. Их обозначают символом H … Чтобы наблюдать H -лучи, сначала пользовались их общим с α -лучами свойством вызывать сцинтилляции на экране с серистым цинком… В качестве источника H -лучей можно вместо водорода пользоваться веществом богатым водородом, например, парафином, в виде очень тонкой плёнки, обычно накладываемой прямо на источник. М.Кюри. «Радиоактивность. Лучи водорода и других лёгких атомов». Наполняя камеру азотом, Резерфорд наблюдал, что при некотором давлении большинство сцинтилляции пропадает. Это происходит тогда, когда α-лучи, испускаемые радиоактивным источником, тратят всю энергию на ионизацию воздуха и не доходят до экрана. Но остающиеся сцинтилляции указывали на присутствие очень малого количества H -лучей с пробегом в несколько раз большим, чем испускалось источником. Если вместо азота взять другой газ, например углекислоту или кислород, то таких остаточных сцинтилляций не появляется. Единственное объяснение — в том, что они появляются из азота. Так как энергия остаточных H -лучей больше, чем первичных, то они могут появляться только за счет разложения ядра атома азота. Так было доказано разложение азота и принципиально решена задача алхимии. П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде» 43 1919 г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. 14N(α,p)17O Фотография в камере Вильсона следов α -частиц в азоте. Открытие радиоактивного распада атомов оживило алхимическую идею превращения одного элемента в другой. До 1930 г. в течение десятилетий проводились многочисленные опыты этого рода, особенно посредством вольтовой дуги. Но эти мнимые превращения не устояли перед критикой. Превращение достигается, как мы теперь знаем, только методом концентрации необходимого количества энергии на отдельном атоме при бомбардировке его другими атомами или γ -квантами. Но и при этих экспериментах вначале (1907 г.) были ошибочные результаты. Первое действительное искусственное превращение атомов удалось в 1919 г. Резерфорду. Он облучал азот α -частицами и получил при этом протоны с большой длиной пробега. Фотографии этого явления в камере Вильсона, сделанные П. Блэкеттом, ясно показали, наряду с длинным следом протона, короткий след возникшего кроме него изотопа кислорода с атомным весом 17. В период от 1921 г. до 1924 г. Резерфорд и Чадвик смогли доказать существование этой реакции – поглощение α -частицы и испускание протона – также у всех элементов от бора (порядковое число 5) до калия (порядковое число 19), за исключением углерода и кислорода. Кроме протона в этих реакциях постоянно возникает элемент, следующий по порядку в периодической системе. М. Лауэ «История физики» 44 Обнаружив в составе атомного ядра протоны, Резерфорд предложил протон-электронную модель ядра. Протоны определяли массу атомного ядра, а электроны частично компенсировали электрический заряд протонов, что приводило к нужному значению заряда ядра. Так, например, считалось, что ядро, имеющее заряд +2e , состоит из 4 протонов и 2 электронов. Важным аргументом в пользу протон-электронной модели был β − -распад атомных ядер. Это явление можно было легко объяснить, если считать, что электроны входят в состав атомного ядра. Протон-электронная модель ядра встречала определенные возражения, основным из которых было то, что она не могла объяснить значение спинов атомных ядер. Однако она просуществовала до открытия нейтрона в 1932 г. Э. Резерфорд, 1920 г.: «Из изучения радиоактивности известно, что ядра радиоактивных элементов частично состоят из ядер гелия с зарядом 2e . Кроме того, у нас имеются серьёзные основания считать, что ядра атомов наряду с положительно заряженными частицами содержат также и электроны и что положительный заряд ядра соответствует избытку общего положительного заряда над отрицательным. Интересно отметить совершенно различную роль, которую играют электроны вне атома и внутри него. В первом случае они располагаются на расстоянии от ядра, которое, несомненно, определяется, главным образом, зарядом ядра и взаимодействием их собственных полей. Внутри ядра электроны образуют очень тесное и прочное объединение с положительно заряженными единицами и, насколько нам известно, именно вне ядра они находятся в неустойчивом состоянии. Каждый внешний электрон, несомненно, взаимодействует с ядром как точечный заряд, тогда как о внутреннем электроне этого сказать нельзя. По-видимому, внутренние электроны под влиянием огромных сил сильно деформируются, и силы в этом случае могут совершенно отличаться от тех сил, которые можно ожидать от недеформированного электрона, как, например, вне ядра. Быть может, поэтому электрон может играть столь различную роль в этих двух случаях и даже образовывать стабильные системы». Дискуссия о структуре атомного ядра. В феврале 1929 г. в Лондонском королевском обществе была проведена дискуссия о структуре атомного ядра. Ниже приведены сокращенные выступления Э. Резерфорда, Дж. Чадвика и Р. Фаулера. Э. Резерфорд: «Теперь мы уже можем составить себе картину постепенного построения атомных ядер. Вероятно, у легких элементов ядро состоит из комбинации α-частиц, протонов и электронов, причем отделение части ядра сильно притягивают друг другу, отчасти вследствие возмущающих, отчасти вследствие магнитных сил. О природе этих сил мы пока что, можем только строить то или иное предположение. Прежде всего образуется сильно сконцентрированное и крепко связанное ядро, причем процесс этот сопровождается излучением энергии. Для атомного веса, примерно равного 120, мы имеем наименьшую массу, что означает 45 наиболее тесную связь. При дальнейшем возрастании атомных номеров, добавляемые частицы оказываются связанными все менее и менее плотно. Таким образом, можно предположить, что ядро имеет очень плотную структуру около центра, причем плотность постепенно убывает с удалением от центра. Вся эта система окружена силовым барьером, обычно мешающим вылету α-частиц. Может бить, эта статическая точка зрения не нравится моим друзьям-теоретикам, которые хотели бы представлять α-частице полную свободу передвижения внутри ядра. Тем не менее, эта точка зрения вполне законна и находится в полном согласии с изложенными мною идеями. Другими словами, если бы мы могли сделать моментальный снимок с ядра – с выдержкой около 10–28 секунды, – мы увидели бы в центре как бы плотно упакованные, крепко связанные α-частицы, причем плотность убывала бы с увеличением расстояния от центра. Без сомнения, все α-частицы находятся в движении, и волны их отражаются от силовых барьеров, а иногда и проникают за пределы системы. Мне кажется, что развитая мною точка зрения вполне обоснована, и я надеюсь, что наши друзья-теоретики смогут описать более детально всю картину. Мы должны не только объяснить построение ядра из α-частиц, – нам приходится найти еще место и для электронов, а запереть электроны в одну клетку с α-частицей не так-то легко. Однако я настолько уверен в изобретательности наших друзей-теоретиков, что я твердо верю, что они превзойдут каким-нибудь образом и эту трудность. Изложенная мною точка зрения объясняет, мне кажется, почему не могут существовать атомы тяжелого урана. С увеличением массы ядро получало бы все больше и больше энергии и стало бы настолько радиоактивным, что исчезло бы. По-видимому, чем больше был бы у ядер запас энергии, тем скорее они исчезали бы, и, вероятно, уран и торий не случайно являются единственными выжившими представителями тяжелых ядер. Здесь не место затрагивать в высшей степени спекулятивный вопрос о том, как образовались ядра элементов. Прежде чем браться за решение этого вопроса, нам нужно узнать гораздо больше о деталях структуры самого ядра». Дж. Чадвик: «При бомбардировке некоторых элементов α-частицами, из них выбиваются ядра водорода, или протоны, которые можно обнаружить по сцинтилляции, вызываемой ими на экране из сернистого цинка. Эти протоны появляются вследствие искусственного разложения ядер этих элементов. Мы полагаем, что разложение ядра происходит когда α-частица проникает внутрь ядра и задерживается там, в результате чего вылетает протон. Вероятность разложения мала; так, например, в благоприятном случае, когда бомбардируется азот, разлагается 20 ядер на каждый 106 α-частиц. Вследствие редкости этого эффекта, а также из-за различных экспериментальных трудностей, сведения, добытые нами по сих пор, еще довольно скудны. За исключением углерода и кислорода, все элементы от бора до калия включительно разлагаются при бомбардировке их α-частицами и испускают при этом протон, обладающий значительной 46 энергией. Это значит, что ядра всех этих элементов содержат протоны. Углерод и кислород, если они вообще разлагаются, не испускают частиц с энергией, превышающей энергию рассеянных α-частиц. Возможно, что они разлагаются на ядра гелия, но доказательств для этого пока нет. Некоторые протоны, освободившиеся при искусственном разложении, имеют очень большие энергии, например, энергия протонов, выбитых из алюминия α-частицами радия G, на 40% превышает энергию ударяющих α-частиц. Таким образом в некоторых случаях при разложении освобождается энергия. Существует резкая разница в поведении элементов с четным и нечетным атомным номером. Протоны, вылетающие из нечетных элементов, имеют гораздо большую максимальную энергию, нежели протоны из четных элементов. При разложении, состоящем только в уловлении α-частицы и испускании протона, элемент с нечетным номером переходит в элемент с четным номером, и наоборот. Рассматривая различное поведение четных и нечетных элементов, а также их сравнительное изобилие в природе и их атомные массы, можно сделать заключение, что четные элементы более устойчивы, чем нечетные». Р. Фаулер: «Я хотел бы изложить вам, в чем может нам в дискуссии о строении и свойствах ядра помочь новая квантовая теория. Этот вопрос уже был намечен председателем в его вступительном слове. Я хотел бы несколько развить его. Первое, что надо иметь в виду, это то, что новая квантовая механика развилась логическим путем, основываясь на свойствах электронов в атомах. Мы должны предположить, что частицы имеют много свойств, присущих волнам. Назовем ли мы их частицами или волнами, это дело вкуса, Выбор названия, скорее всего, зависит в каждом отдельном случае от их состояния. Раз частицы похожи на волны, мы должны ожидать, например, что они не всегда отразятся от барьеров определенной высоты. Они могут пройти сквозь барьер, конечно, только в некоторых случаях.. То, что частицы могут проходить через такого рода барьер, очень важно для объяснения явления испускания α-частиц тяжелыми ядрами. Если представить себе ядро так, как мы уже говорили здесь сегодня, в виде некоторого небольшого ящика, окруженного до всех сторон (в трех измерениях) силовым барьером, то можно положить, что внутри него находится α-частица, которую надо представлять себе в виде волны, энергия которой меньше потенциальной энергии верхней части барьера. По классической теории, α-частица навеки останется внутри барьера. Но по квантовой теории существует конечная вероятность того, что волна пройдет через тонкую стенку и уйдет в бесконечность. Эта мысль лежит в основе квантовой теории испускания α-частиц. Идея эта была высказана независимо друг от друга Гамовым – с одной стороны и Герней и Кондоном – с другой. Всё они, и в особенности Гамов, разработали ее довольно детально. Когда α-частица проходит сквозь барьер, ее, конечно, нельзя уже отожествлять со стоячей волной. Правильно будет изображать α-частицу затухающим колебанием. Мы будем внутри барьера иметь затухающее 47 колебание, т.е. гармоническое колебание с обыкновенным коэффициентом затухания, а снаружи очень слабую волну, соответствующую испусканию α-частицы. На самом деле задачу эту можно решить очень хорошо, причем коэффициент затухания получается в виде мнимой части энергии. Это было с большим успехом проделано Гамовым. Он нашел, что для этих вычислений не имеет большого значения, какой именно вид вы предположите у внутренней части барьера. Главная же наружная часть его хорошо известна из опытов над рассеянием α-частиц. Вероятность для α-частицы проникнуть через барьер, в сильной мере зависит от энергии α-частицы. Чем больше ее энергия, тем тоньше барьер, который ей надо пройти, и тем меньше его высота. Поэтому, очевидно, существует очень тесная связь между энергией α-частицы, о которой мы судим по энергии вылетевшей α-частицы, и между вероятностью для этой α-частицы пробраться наружу, о которой мы судим по продолжительности жизни атома. Это и есть закон Гейгера-Неттола. В заключение скажу, что это очень красивая теория, и что мы можем быть абсолютно уверены' в том, что в общих чертах она правильна. Большая заслуга этой теории в том, что она дает закон Гейгера-Неттола совершенно независимо от деталей строения ядра». По мере того, как появлялись новые экспериментальные данные по спинам и магнитным моментам атомных ядер, трудности протон-электронной модели в описании этих характеристик атомных ядер нарастали. Особенно ярко это проявилось в так называемой «азотной катастрофе». Суть её состояла в следующем. Согласно протон-электронной модели ядро 147 N должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Так как и протон, и электрон имеют собственное значение спина J = 1 / 2 , полный спин ядра 147 N должен иметь полуцелое значение, в то время как экспериментально измеренное значение спина ядра J ( 147 N) = 1 . Были и другие примеры расхождений предсказаний протон-электронной модели ядра с результатами эксперимента. Так, например, все атомные ядра, имеющие четное значение массового числа A , имели нулевое или целочисленное значение спина J , в то время как протон-электронная модель ядра в большинстве случаев предсказывала полуцелое значение спина. Измеренные значения магнитных моментов ядер оказались почти в 1000 раз меньше, чем предсказывала протон-электронная модель ядра. Стало ясно, что протон-электронная модель ядра содержит какую-то неправильную компоненту. Определенные неудобства создавали электроны, находящиеся в ограниченном объёме атомного ядра. Заточение электронов в ядре противоречило принципу неопределенности ΔpΔx = = . Э. Резерфорд, 1932 г.: «Дело представляется так, как если бы электрон внутри ядра вел себя совсем отлично от электрона на периферии атома. Эта трудность может быть создана нами самими, так как мне кажется более вероятным, что электрон не может существовать в свободном состоянии в устойчивом ядре, но должен быть всегда соединенным с протоном или другой возможной массивной единицей. В этой 48 связи замечательны указания на существование нейтронов в некоторых ядрах. Наблюдение Бека, что в построении тяжелых элементов из легких электроны прибавляются парами, представляет большой интерес и подсказывает, что для образования устойчивого ядра существенно нейтрализовать большой магнитный момент электрона прибавлением другого электрона. Возможно также, что незаряженные единицы массы 2 и нейтроны массы 1 являются вторичными единицами в структуре ядра». Как показали дальнейшие события, представление Резерфорда о том, что может образовываться сильно связанное состояние протона и электрона, было ошибочным. Тем не менее, оно сыграло решающую роль в открытии нейтрона. В 1930–1932 гг. Боте и Беккер обнаружили, что при облучении α -частицами бериллия Be образуется сильно проникающее нейтральное излучение. Все обнаруженные до сих пор излучения сильно поглощались тонкими слоями свинца, в то время как излучение из бериллия свободно проходило сквозь толстую свинцовую защиту. Возникло подозрение, что это новый вид электромагнитного излучения. Решающий эксперимент был выполнен в 1932 г. учеником Резерфорда Чадвиком. С помощью ионизационной камеры он измерил энергию отдачи ядер водорода и азота под действием нейтрального излучения из бериллия и показал, что в результате реакции 9 4 13 12 4 Be + 2 He → 6 C → 6 C + n образуются быстрые нейтральные частицы с массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эти частицы, названные нейтронами, не имеют электрического заряда, свободно проходят через атомы, не производя ионизацию на своем пути. Дж. Чадвик, 1932 г.: «Недавно было обнаружено, что разложение элементов бериллия и бора представляет особый интерес. Боте и Беккером было найдено, что эти элементы, бомбардируемые α-частицами полония, испускают проницающую радиацию, по-видимому, γ-типа. Несколько месяцев тому назад И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительные наблюдения, показывающие, что это излучение имеет свойство выбрасывать протоны с большими скоростями из вещества, содержащего водород. Ими было найдено, что выбрасываемые радиацией бериллия протоны имеют скорости до 3·109 см/сек. Кюри и Жолио предположили, что это выбрасывание протона происходит благодаря процессу, аналогичному эффекту Комптона, и пришли к заключению, что радиация бериллия имеет квант с энергией около 50 млн. вольт-электронов. Принятие этого допущения вызывает две серьезных трудности. Во-первых, известно, что рассеяние кванта электроном хорошо описывается формулой Клейна-Нишина, и нет оснований предполагать, что сходные отношения не будут правильными для рассеяния протона. Наблюдаемое рассеяние, однако, слишком велико по сравнению с тем, какое дается формулой Клейна-Нишины. Во-вторых, трудно понять испускание кванта столь высокой энергии при превращении 9 4 13 Ве + Не → С + квант. Поэтому я изучил свойства этой радиации, 49 пользуясь особым счетчиком. Было найдено, что радиация выбрасывает частицы не только из водорода, но из гелия, лития, бериллия и т. п. и предположительно из всех элементов. Во всех случаях частицы, повидимому, являются атомами отдачи элемента. По-видимому, невозможно приписывать выбрасывание этих частиц отдачи столкновению с квантом радиации, если энергия и импульс сохраняются при ударе. Удовлетворительное объяснение экспериментальных результатов может быть получено, если предположить, что радиация состоит не из квантов, но из частиц с массой 1 и зарядом 0, – нейтронов. В случае двух элементов, водорода и азота, пробег атомов отдачи был измерен с большой степенью точности, и отсюда были выведены их максимальные скорости. Они оказались соответственно 3,3·109 см/сек и 4,7·108 см/сек. Пусть М, V будет масса и скорость частицы, из которых состоит радиация. Тогда максимальная скорость, которая может быть сообщена при столкновении ядру водорода, будет: 2M UH = ⋅V M +1 а для азота: 2M UN = ⋅V , M + 14 отсюда: 2 M + 14 U H 3,3 ⋅109 = = , M +1 U N 4, 7 ⋅108 и M = 1,15. В пределах ошибок опыта М может быть принято за 1 и поэтому: V = 3,3·109 см/сек. Так как радиация, обладает крайне большой проницающей силой, то частицы должны иметь заряд очень малый по сравнению с зарядом электрона. Предполагается, что этот заряд равен 0, и мы можем допустить, что нейтрон состоит из протона и электрона в очень тесной комбинации. Имеющиеся факты сильно поддерживают гипотезу о нейтронах. В случае бериллия, процесс превращения, который дает эмиссию нейтронов, есть Be9 + He4 → C12 + нейтрон. Можно показать, что наблюдения совместимы с энергетическими соотношениями в этом процессе. В случае бора, процесс превращения, вероятно, есть В11 + Не4 → N14 + n1; в этом случае массы В11, Не4 и N14 известны из измерений Астона, кинетическая энергия частиц может быть найдена экспериментально, и поэтому возможно получить более близкую оценку массы нейтрона. Выведенная таким образом масса равна 1,0067. Принимая во внимание ошибку в измерении массы, следует думать, что масса нейтрона, вероятно, лежит между 1,005 и 1,008. Эти значения поддерживают тот взгляд, что нейтрон 50 есть комбинация протона и электрона и дает для энергии связи частиц около 1-2·106 вольт·электронов. Нейтрон может быть изображен как маленький диполь, или, может быть лучше, как протон, погруженный в электрон. Так или иначе «радиус» нейтрона будет между 10–13 см и 10–12 см. Поле нейтрона должно быть очень мало, за исключением очень близких расстояний, и нейтроны при прохождении через вещество не будут подвергаться воздействию, за исключением тех случаев, когда они прямо попадают в атомное ядро. Измерения, сделанные над прохождением нейтронов через материю, дают результаты, находящиеся в общем согласии с этими взглядами Столкновение нейтронов с ядрами азота изучалось доктором Фезером, применявшим автоматическую камеру Вильсона. Он нашел, что в добавление к нормальным следам атомов отдачи азота, имеется еще некоторое число разветвляющихся путей. Это – следствие разложения ядра азота. В некоторых случаях нейтрон захватывается, испускается α-частица и образуется ядро В11. В других случаях механизм еще неизвестен с определенностью» 51 1932 г. Дж. Чадвик. Открытие нейтрона α + Be → n + C 9 4 12 6 Джеймс Чадвик (1891 – 1974) «Однажды утром я прочел письмо Жолио-Кюри в «Comptes Rendus», в котором он сообщал о еще более удивительном свойстве излучения из бериллия, чрезвычайно поразительном свойстве. Спустя несколько минут в мою комнату вошел столь же удивленный, как и я, [Норман] Фезер, чтобы обратить мое внимание на эту статью. В то же утро, чуть позднее, я рассказал о ней Резерфорду. По давно уже установившейся традиции я должен был приходить к нему около 11 часов и докладывать интересные новости, а также обсуждать состояние работ в нашей лаборатории. По мере того как я рассказывал о наблюдениях Жолио-Кюри и их истолковании, я замечал нарастающее изумление Резерфорда; наконец, разразился взрыв: «Я не верю этому!» Столь нетерпимое замечание было совершенно не в духе Резерфорда, за все многолетнее сотрудничество с ним я не помню подобного случая. Отмечаю это лишь для того, чтобы подчеркнуть электризующее воздействие статьи Жолио-Кюри. Разумеется, Резерфорд сознавал, что придется поверить этим наблюдениям, но объяснение их — это уже совсем иное дело. Так случилось, что я был как раз готов начать эксперимент, для которого приготовил превосходный источник полония из балтиморского материала (использовалась радоновая трубка, привезенная обратно Фезером). Я начинал без всякой предвзятости, хотя, естественно, мои мысли вертелись вокруг нейтронов. Я был вполне уверен, что наблюдения Жолио-Кюри нельзя свести к эффекту типа комптоновского, так как я не раз пытался обнаружить его. Без сомнений, это было нечто совершенно новое и необычное. Нескольких дней напряженной работы оказалось достаточно, чтобы показать, что эти странные эффекты вызывались нейтральной частицей; мне удалось даже измерить ее массу. Нейтрон, постулированный Резерфордом в 1920 г., наконец-то дал себя обнаружить». Дж. Чадвик. Воспоминания. Нобелевская премия по физике 1935 г. – Дж.Чадвик За открытие нейтрона 52 Нейтроны Дж. Чадвик Боте и Беккер показали, что некоторые легкие элементы под влиянием бомбардировки α-частицами полония испускают излучение, по-видимому, имеющее характер γ-лучей. Элемент бериллий дает особенно заметный эффект этого рода, и последующие наблюдения Боте, Ирэны Кюри-Жолио и Вебстера показали, что излучение, возбуждаемое в бериллии, обладает проницающей способностью значительно большей, нежели какое бы то ни было из известных до сих пор γ-излучений радиоактивных элементов. Совсем недавно И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительное наблюдение, состоящее в том, что эти излучения бериллия и бора оказываются способными выбрасывать со значительной скоростью протоны из веществ, содержащих водород. Вследствие этого я поставил дальнейшие опыты с целью исследовать свойства излучения бериллия. Эти опыты показали, что излучение бериллия выбрасывает частицы не только из водорода, но из всех исследованных легких элементов. Экспериментальные результаты оказалось очень трудно объяснить с точки зрения гипотезы о квантовой природе излучения бериллия, но эти результаты вытекали, как непосредственные следствия, если предположить, что излучение бериллия состоит из частиц с массой, приблизительно равной массе протона и без эффективного заряда, т. е. – из нейтронов. Появление нейтронов до сих пор наблюдалось только при бомбардировке некоторых элементов α-частицами. Этот процесс можно представить как захват α-частицы атомным ядром, сопровождающийся образованием нового ядра и освобождением нейтрона. Новое ядро должно при этом иметь заряд на две единицы, а массу на три единицы выше, чем первоначальное ядро. «Выход» нейтронов весьма мал и сравним c «выходом» протонов при искусственном превращении элементов, происходящим под действием бомбардировки α-частицами. Наибольшим эффектом обладает бериллий, у которого «выход», по-видимому, достигает 30 нейтронов на каждый миллион α-частиц полония, бомбардирующих толстый слой бериллия. 53 След ядра гелия, пришедшего в движение в результате столкновения с нейтроном. След протона, выбитого нейтроном из парафина. Подвергая различные вещества бомбардировке α -частицами полония Боте и Беккер обнаружили, что в этих условиях некоторые лёгкие атомы испускают слабое излучение, приникающая способность которого превышает проникающую способность самых жёстких γ -лучей, испускаемых радиоактивными элементами (1930 г.). Сначала это явление объяснялось испусканием γ -лучей вследствие возбуждения ядер, могущего сопровождаться захватом α -частицы. Этот эффект особенно силен у бериллия, но он наблюдается также в меньшей степени у Li, B, F, Na, Mg, Al. Пользуясь методом ионизации, И. Кюри и Ф. Жолио обнаружили новое свойство проникающих лучей, испускаемых бериллием или бором. Оказалось, что эти лучи могут выбивать лёгкие ядра, например, протоны из веществ, содержащих водород или ядра гелия (1932 г.). Это основное свойство вновь открытого излучения является причиной его поглощения… Существование явления выбрасывания лёгких атомов было подтверждено методом Вильсона… Проникающий луч, вызывающий выбрасывание ядра не ионизует молекул газа и, следовательно, его путь на фотографиях не видим… Результаты этих опытов трудно объяснить, если считать, что лучи, вызывающие выбрасывание лёгких элементов, являются γ -лучами. Чадвик показал, что это явление можно удовлетворительно объяснить, допустив, что в проникающем излучении, испускаемом Be или В, присутствуют нейтроны – частицы с атомной массой близкой к единице и нулевым зарядом, которые могут состоять из протона и электрона, связанных более тесно, чем в атоме водорода… Нейтроны являются новым видом корпускулярного излучения. М.Кюри. «Радиоактивность. Возбуждение проникающих лучей в лёгких атомах при столкновении с α -частицами». 54 Д. Иваненко, 1932 г.: «Объяснение доктором Дж. Чадвиком таинственного излучения бериллия очень привлекательно для физиков-теоретиков. Возникает вопрос: нельзя ли допустить, что нейтроны играют также важную роль и в структуре ядер, считая все ядерные электроны «упакованными» либо в α -частицы, либо в нейтроны? Конечно, отсутствие теории ядер делает это предположение далеко не окончательным, но может быть, оно покажется не таким уж неправдоподобным, если мы вспомним, что электроны, проникая в ядра, существенно изменяют свои свойства — теряют, так сказать, свою индивидуальность, например свой спин и магнитный момент. Наибольший интерес представляет вопрос, насколько нейтроны можно рассматривать как элементарные частицы (чем-то подобными протонам или электронам). Нетрудно подсчитать число α -частиц, протонов и нейтронов, имеющихся в каждом ядре, и получить таким образом представление об угловом моменте ядра (полагая угловой момент нейтрона равным 1/2). Любопытно, что в ядрах бериллия нет свободных протонов, а есть только α -частицы и нейтроны». Свободный нейтрон является нестабильной частицей. Его период полураспада T1/2 = 10, 24 мин. Нейтрон распадается на протон p , электрон e и электронное антинейтрино νe . В связанном состоянии в ядре нейтрон может быть стабильным. Потому существуют стабильные атомные ядра. Открытие нейтронов явилось важным этапом в развитии представлений о строении атомного ядра. На смену протон-электронной модели атомного ядра пришла протон-нейтронная модель ядра, впервые развитая независимо в работах Д.Иваненко, В.Гейзенберга. Основное положение протон-нейтронной модели атомного ядра – атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z в ядре определяет электрический заряд ядра. Суммарное число протонов и нейтронов A = Z + N определяет массу атомного ядра. Протон-нейтронная модель ядра успешно разрешила проблему «азотной катастрофы». Согласно протон-нейтронной модели ядра изотоп 147 N состоит из 7 протонов и 7 нейтронов. Так как и протон, и нейтрон имеют собственный спин J = 1/ 2 , полный спин ядра должен иметь целочисленное значение, что согласуется с экспериментом. Получили объяснение и малые значения магнитных моментов атомных ядер – порядка нескольких ядерных магнетонов. Если бы в состав атомного ядра входили электроны, то магнитные моменты ядер должны были бы иметь величины порядка электронных магнетонов Бора, т.е. превышали бы наблюдаемые величины магнитных моментов ядер в тысячи раз. Д. Иваненко, 1932 г.: «Ввести нейтроны в ядро можно двумя способами: либо не изменяя принятого числа α -частиц в ядре и нейтрализуя не более трех электронов (Перрен и Ожэ), либо нейтрализуя все электроны. Первый способ, по-моему, приводит к прежним трудностям в отношении значений спина. Более того, начиная с некоторого элемента, возникает 55 избыток внутриядерных электронов, и отсутствие у ядер соответствующих спинов представляется крайне таинственным. Напротив, второй подход, предложенный нами несколько ранее, повидимому, позволяет преодолеть указанные трудности. Не будем входить здесь в общие рассуждения о преимуществах этого подхода как обобщения идеи де Бройля о существовании глубокой аналогии между светом и веществом; внутриядерные электроны действительно во многом аналогичны поглощенным фотонам, а испускание ядром β -частицы подобно рождению новой частицы, которая в поглощенном состоянии не обладает индивидуальностью. Укажем строение ядра хлора согласно старой (I) точке зрения и двум новым - Перрена-Ожэ (II) и нашей (III) [ α обозначает α -частицу, p - протон, e - электрон, n -нейтрон]: Cl = 9α + 1 p + 2e(I) , 9α + 1n + 1e(II) , 8α + 1 p + 4n(III) . (изотопы данного элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов). Мы рассматриваем нейтрон не как систему из электрона и протона, но как элементарную частицу. Это вынуждает нас трактовать нейтроны как частицы, обладающие спином 1/2 и подчиняющиеся статистике ФермиДирака. Например, ядру 14N( 3α + 1 p + 1n ) следует приписать спин 1, а ядра азота, действительно, подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Это становится теперь понятным, так как 14N содержит 14 элементарных частиц, т.е. четное число, а не 21, как в старой схеме. Все эти предположения, какими бы предварительными они ни были, повидимому, приводят к совершенно новым взглядам на модель ядер». В. Гейзенберг, 1932 г.: «Опытами Кюри и Жолио (при истолковании их Чадвиком) установлено, что в строении ядер важную роль играет новая фундаментальная частица — нейтрон. Это наводит на мысль считать атомные ядра построенными из протонов и нейтронов без участия электронов. Если это предположение верно, то оно влечет за собой огромное упрощение теории строения ядер. Основные трудности теории β -распада и статистики атомных ядер азота сводятся тогда к вопросу о том, каким образом нейтрон распадается на протон и электрон и какой статистике он подчиняется. Тогда строение ядер может описываться по законам квантовой механики вследствие взаимодействия между протонами и нейтронами. В дальнейшем будем предполагать, что нейтроны подчиняются статистике Ферми и обладают спином (1/2). Это предположение необходимо для объяснения статистики ядер азота и соответствует экспериментальным значениям ядерных моментов. Если бы нейтрон состоял из протона и электрона, то электрону пришлось бы приписать статистику Бозе и нулевой спин. Подробнее рассматривать такую картину представляется нецелесообразным. Скорее, нейтрон следует считать самостоятельной фундаментальной составной частью ядра, конечно, учитывая, что при определенных условиях 37 56 он может распадаться на протон и электрон, причем, вероятно, законы сохранения энергии и импульса не будут иметь места. Из всех взаимодействий элементарных частиц, входящих в состав ядра, между собой прежде всего рассмотрим взаимодействие между нейтроном и протоном. При сближении нейтрона и протона на расстояние, сравнимое с ядерным, происходит по аналогии с ионом H +2 перемена места отрицательного заряда с частотой, определяемой функцией J (r ) / h , где r — расстояние между частицами. Величина J (r ) соответствует обменному интегралу, вернее, интегралу, описывающему обмен координатами в молекулярной теории. Эту перемену места можно сделать наглядной с помощью представления об электроне, не обладающем спином и подчиняющемся статистике Бозе. Но, вероятно, правильнее считать, что интеграл J (r ) описывает фундаментальное свойство пары нейтронпротон, которое не сводится к перемещениям электрона». В отличие от электронных оболочек атомов, ядра имеют вполне определенные размеры. Радиус ядра R описывается соотношением R = 1,3 A1/3 фм. Атомные ядра имеют большую массу и положительный заряд. Размеры атомных ядер обычно измеряют во внесистемной единице длины — ферми. 1 ферми = 10−13 см. Протон-нейтронная модель ядра объяснила существование изотопов. Изотопы – атомные ядра, имеющие одинаковое число протонов Z и различное число нейтронов N . Сегодня известно свыше 3,5 тыс. изотопов. Обычно изотопы изображают на N-Z-диаграмме атомных ядер. Массовое число изотопа A = N + Z . Э. Резерфорд, 1936 г.: «Многие исследователи при разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятное, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим явлением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характерными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощью химических операций. Он обратил также внимание, что в периодической таблице для большой группы радиоактивных элементов даже нет места, и предположил, что существуют элементы, неотделимые с химической точки зрения, но обладающие с точки зрения радиоактивности различными свойствами. Содди назвал соответствующие элементы такого рода изотопами, и так было положено начало большой области исследований, огромный вклад в которую внес Астон». 57 Размер ядра Радиальное распределение плотности заряда в различных ядрах ρ (0) ρ (r ) = 1+ e r−R a R = 1,3 A1/3 фм t = 4, 4a = 2,5 фм 58 Размер ядра и закон сил Э. Резерфорд, 1924 г.: «Билер произвел методом рассеяния детальное изучение закона действия силы вблизи легкого ядра, а именно вблизи ядра алюминия. С этою целью он сравнил относительное число α-частиц, рассеянных внутри одного и того же телесного угла от алюминия и от золота. Для исследованного интервала углов (до 100°) предполагалось, что рассеяние золотом следует закону обратной пропорциональности квадрату расстояния. Билер нашел, что отношение рассеяния в алюминии к рассеянию в золоте зависит от скорости α-частицы. Так, например, для α-частицы с пробегом 3,4 см было получено теоретическое отношение для углов меньших 40°, но оказалось, что отношение для среднего угла рассеяния в 80° лишь на 7°/0 меньше. С другой стороны, для более быстрых α-частиц с пробегом 6,6 см отклонения от теоретического отношения выражены значительно резче и достигают 29% для угла в 80°. Чтобы объяснить эти результаты Билер предположил, что вблизи ядра алюминия, на обычную отталкивательную силу налагается притягательная сила. Результаты хорошо согласуются с допущением, что притягательная сила изменяется обратно пропорционально четвертой степени расстояния и что силы отталкивания и притяжения уравновешиваются на расстоянии 3,4·10-13 см от центра ядра. Внутри этого критического радиуса силы становятся исключительно притягательными; вне – исключительно отталкивательными. Хотя мы и не можем предъявлять особенных требований к точности полученной цифры или к строгости предположенного закона притягательной силы, мы, вероятно, не слишком ошибемся, если положим, что радиус ядра алюминия не превосходит 4·10-13 см. Интересно отметить, что силы взаимодействия между α-частицей и ядром водорода претерпевают быстрое изменение, начиная приблизительно с этого же расстояния. Таким образом, ясно, что размеры ядра у легких элементов малы, а в случае алюминия можно даже сказать – неожиданно малы, если мы вспомним, что в этом ничтожном объеме помещаются 27 протонов и 14 электронов. Предположение о том, что силы взаимодействия между ядрами изменяются от отталкивания к притяжению при очень тесном сближении, представляется весьма правдоподобным; иначе с высшей степени трудно себе представить, каким образом тяжелое ядро с большим избытком положительного заряда могло бы сдерживаться в ограниченном пространстве. Мы увидим, что целый ряд других фактов подкрепляет это представление; однако мало правдоподобно, чтобы притягательные силы вблизи сложного ядра могли быть выражены каким-либо простым степенным законом». 59 Характеристики свободных нейтрона и протона Характеристики свободных нейтрона и протона Масса, МэВ/c2 Квантовое число — спин Спин, = = 6.58 × 10–22 МэВ·c n p 939.56536 ± 0.00008 1/2 = [1/2(1/2 + 1)]1/2 938.27203 ± 0.00008 1/2 = [1/2(1/2 + 1)]1/2 | q p + qe | < 10-21 qe Электрический заряд, qe = (1.602176487 ± 40) × 10-19 Кл (–0.4 ± 1.1) × 10-21 Магнитный момент, e= = 3.15 × 10-18 МэВ/Гс μ= 2m p c –1.9130427 ± 0.000005 +2.792847351 ± 000000028 < 0.29 10–25 < 0.54 10–23 +1 +1 0.875 ± 0.007 0.89 ± 0.07 0.86 ± 0.06 Электрический дипольный момент d, e·см Барионный заряд В Зарядовый радиус, Фм Радиус распределения магнитного момента, Фм Изоспин I Проекция изоспина Iz Кварковый состав Квантовые числа s ,c, b, t Период полураспада Четность Статистика Схема распада 1/2 1/2 –1/2 +1/2 udd uud 0 0 10,24 мин > 2.1 × 1029 лет + + Ферми-Дирака n → p + e − + ve 60 Таблица изотопов химических элементов В таблице для всех обнаруженных химических элементов приведены порядковый номер, символ, название, минимальное и максимальное массовое число обнаруженных изотопов, процентное содержание изотопов в естественной смеси (округлённое значение). Химическим элементам с Z = 113 –118 названия пока не присвоены, они приводятся в специальных международных обозначениях. 1 – порядковый номер химического элемента Z , 2 – символ химического элемента, 3 – название химического элемента, 4 – минимальное–максимальное массовое число A изотопа химического элемента, 5 – массовое число изотопов A (процентное содержание изотопа в естественной смеси), имеющих процентное содержание изотопа в естественной смеси больше 1%. 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2 n H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc 3 нейтрон водород гелий литий бериллий бор углерод азот кислород фтор неон натрий магний алюминий кремний фосфор сера хлор аргон калий кальций скандий 4 1 1–7 3–10 3–12 5–16 6–19 8–22 10–25 12–28 14–31 16–34 18–37 19–40 21–43 22–44 24–46 26–49 28–51 30–53 32–55 34–57 36–60 5 1 (99,986) 4 (100) 6 (7,93); 7 (92,07) 9 (100) 10 (19,8); 11 (80,2) 12 (98,9); 13 (1,1) 14 (99,62) 16 (99,76) 19 (100) 20 (90,0); 22 (9,73) 23 (100) 24 (77,4); 25 (11,5); 26 (11,1) 27 (100) 28 (89,6); 29 (6,2); 30 (4,2) 31 (100) 32 (95,1); 34 (4,2) 35 (75,4); 37 (24,6) 40 (99,632) 39 (93,38); 41 (6,61) 40 (96,96); 44 (2,06) 45 (100) 61 1 2 3 4 титан 38–63 V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br ванадий хром марганец железо кобальт никель медь цинк галлий германий мышьяк селен бром 40–65 42–67 44–69 45–72 50–75 48–78 52–80 54–83 56–86 58–89 60–92 64–94 67–97 36 Kr криптон 69–100 Rb Sr Y Zr Nb рубидий стронций иттрий цирконий ниобий 71–101 73–105 76–108 78–110 81–113 42 Mo молибден 83–115 43 Tc технеций 85–118 44 Ru рутений 87–120 45 Rh родий 89–122 46 Pd палладий 91–124 47 Ag серебро 93–130 48 Cd кадмий 95–132 49 In индий 97–135 50 Sn олово 99–137 22 Ti 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 37 38 39 40 41 5 46 (7,95); 47 (7,75); 48 (73,45); 49 (5,51); 50 (5,34) 51 (100) 50 (4,49); 52 (83,78); 53 (9,43); 54 (2,30) 55 (100) 54 (6,04); 56 (91,57); 57 (2,11) 59 (100) 58 (67,4); 60 (26,7); 61 (1,2); 62 (3,8) 63 (70,13); 65 (29,87) 64 (50,9); 66 (27,3); 67 (3,9); 68 (17,4) 69 (61,2); 71 (38,8) 70 (21,2); 72 (27,3); 73 (7,9); 74 (37,1); 76 (6,5) 75 (100) 76 (9,5); 77 (8,3); 78 (24,0); 80 (48,0); 82 (9,3) 79 (50,6); 80 (49,4) 80 (2,01); 82 (11,53); 83 (11,53); 84 (57,11); 86 (17,47) 85 (72,8); 87 (27,2) 86 (9,86); 87 (7,02); 88 (82,56) 89 (100) 90 (48); 91 (11,5); 92 (22); 94 (17); 96 (1,5) 93 (100) 92 (14,9); 94 (9,4); 95 (16,1); 96 (16,6); 97 (9,65); 98 (24,1); 100 (9,25) 96 (5,68); 98 (2,22); 99 (12,81); 100 (12,70); 101 (16,98); 102 (31,34); 104 (18,27) 103 (100) 104 (9,3); 105 (22,6); 106 (27,2); 108 (26,8); 110 (13,5) 107 (52,5); 109 (47,5) 106 (1,4); 108 (1,0); 110 (12,8); 111 (13,0); 112 (24,2); 113 (12,3); 114 (28,0); 116 (7,3) 113 (4,5); 115 (95,5) 112 (1,1); 116 (15,5); 117 (9,1); 118 (22,5); 119 (9,8); 120 (28,5); 122 (5,5); 124 (6,8) 62 1 2 51 Sb 3 сурьма 4 103–139 52 Te теллур 105–142 йод 108–144 54 Xe ксенон 109–147 55 Cs цезий 112–151 56 Ba барий 114–153 53 I 57 La 58 Ce 59 Pr лантан 117–155 церий 119–157 празеодим 121–159 60 Nd неодим 124–161 61 Pm прометий 126–163 62 Sm самарий 128–165 63 Eu европий 130–167 64 Gd гадолиний 134–169 65 Tb 66 Dy 67 Ho тербий 135–171 диспрозий 138–173 гольмий 140–175 68 Er эрбий 143–177 69 Tm тулий 144–179 70 Yb иттербий 148–181 71 Lu лютеций 150–184 72 Hf гафний 151–188 73 Ta 74 W 75 Re тантал вольфрам рений 155–190 158–192 159–194 76 Os осмий 162–200 77 Ir иридий 164–202 5 121 (56); 123 (44) 122 (2,9); 123 (1,6); 124 (4,5); 125 (6,0); 126 (19,0); 128 (32,8); 130 (33,1) 127 (100) 128 (1,9); 129 (26,23); 130 (4,07); 131 (21,17); 132 (26,96); 134 (10,54); 136 (8,95) 133 (100) 134 (2,42); 135 (6,59); 136 (7,81); 137 (11,32); 138 (71,66) 139 (100) 140 (89); 142 (11) 141 (100) 142 (25,95); 143 (13,0); 144 (22,6); 145 (9,2); 146 (16,5); 148 (6,8); 150 (5,95) 144 (3); 147 (17); 148 (14); 149 (15); 150 (5); 152 (26); 154 (20) 151 (49,1); 153 (50,9) 154 (1,5); 155 (21); 156 (22); 157 (17); 158 (22); 160 (16) 159 (100) 160 (1,5); 161 (22); 162 (24); 163 (24); 164 (28) 165 (100) 164 (1,5); 166 (32,9); 167 (24,4); 168 (26,9); 170 (14,2) 169 (100) 170 (4,21); 171 (14,26); 172 (21,49); 173 (17,02); 174 (29,58); 176 (13,38) 175 (97,5); 176 (2,5) 176 (5,3); 177 (18,47); 178 (27,13); 179 (13,85); 180 (35,14) 181 (100) 182 (22,6); 183 (17,3); 184 (30,1); 186 (29,8) 185 (38,2); 187 (61,8) 186 (1,59); 187 (1,64); 188 (13,3); 189 (16,1); 190 (26,4); 192 (41,0) 191 (38,5); 193 (61,5) 63 1 2 78 Pt 79 Au 3 платина золото 4 166–203 169–205 80 Hg ртуть 171–210 таллий свинец висмут полоний астат радон франций радий актиний торий протактиний уран нептуний плутоний америций кюрий берклий калифорний эйнштейний фермий менделевий нобелий лоуренсий рэзерфордий дубний сиборгий борий хассий мейтнерий дармштадтий рентгений 176–212 178–215 184–218 188–220 191–223 193–228 199–232 201–234 206–236 208–238 212–240 217–242 225–244 228–247 230–249 232–252 234–254 237–256 240–258 242–260 245–262 248–264 251–266 253–268 255–269 258–273 260–275 263–276 265–279 267–281 272–283 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg 5 194 (30,2); 195 (35,3); 196 (26,6) 198 (7,2) 197 (100) 198 (10,1); 199 (17,0); 200 (23,3); 201 (13,2); 202 (29,6); 204 (6,7) 203 (29,1); 205 (70,9) 204 (1,5); 206 (23,6); 207 (22,6); 208 (52,3) 209 (100) 232 (100) 238 (99,28) 64 1 2 3 4 112 Cn коперниций 277–285 113 Uut 278–287 114 Uuq 286–289 115 Uup 287–291 116 Uuh 290–293 117 Uus 291–292 118 Uuo 294 5 65 5. Радиоактивность Все атомные ядра можно разделить на две группы – стабильные и радиоактивные (нестабильные) ядра. Число стабильных изотопов и изотопов, имеющих период полураспада, сравнимый с временем существования Земли, ~ 350. Большинство ядер является нестабильными изотопами. Чтобы радиоактивное вещество удалось обнаружить в природе период полураспада должен быть не намного меньше возраста Земли или оно должно образовываться в результате распада другого радиоактивного вещества или в ядерной реакции. Наряду с α-, β-, γ-радиоактивностью, делением атомных ядер были открыты новые типы радиоактивного распада. К более редким типам радиоактивного распада относятся • двойной β -распад, • протонная и двухпротонная радиоактивности, • нейтронная радиоактивность, • кластерная радиоактивность. Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра – число протонов Z, массовое число А или и то и другое. На характеристики радиоактивного распада оказывают существенное влияние взаимодействия, вызывающие распад. α -распад вызывается сильным взаимодействием. β -распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад — электромагнитным. Существуют различные причины, в силу которых времена жизни нестабильных ядер могут изменяться на несколько порядков. а) Испускание тяжелых положительно заряженных частиц сильно подавляется потенциальным (кулоновским) барьером. б) Причиной больших времен жизни радиоактивных ядер может быть малая интенсивность взаимодействия, за счет которого происходит распад. в) Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит от энергии, выделяющейся при распаде. Если эта энергия мала, то время жизни резко возрастает. Особенно резкой зависимостью от энергии распада Q характеризуется слабое взаимодействие: τ β ~ 1/ Q5 . г) Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит и от разности значений спинов исходного и конечного ядер. Альфа-распад. Явление α-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер − на две: ( A, Z ) → ( A − 4, Z − 2) + 42 Не . Перечислим характерные эмпирические особенности α-распада: а) α-распад происходит только на тяжелых ядрах с Z > 60. б) Периоды полураспада известных α-радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфрама 18274W имеет T1/2 > 8,3 ⋅1018 лет, а изотоп протактиния 21991 Pa имеет T1/2 = 5,3 ⋅10−8 c. 66 Для четно-четных изотопов зависимость периода полураспада от энергии α-распада Qα хорошо описывается эмпирическим законом ГейгераНеттола B , lg T1/2 = A + Qα где A и B − константы, слабо зависящие от Z. С учётом заряда конечного ядра Z связь между периодом полураспада T1/2 и энергией α-распада может быть представлена в виде Z 0.6 lg T1/2 = 9,54 − 51,37 , Qα где период полураспада T1/2 выражен в секундах, а Qα − в МэВ. На рисунке показаны экспериментальные значения периодов полураспада для α-радиоактивных четно-четных ядер (Z изменяется от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения Гейгера-Неттола. Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция сохраняется, но периоды полураспада в 2-1000 раз больше, чем для четно-четных ядер с теми же Z и Qα . Э. Резерфорд, 1936 г. «В 1919 г. я показал, что при бомбардировке α -частицами легкие элементы могут разрушаться с испусканием протона, т. е. ядра водорода. Поэтому мы предположили, что протон должен быть одной из структурных единиц, из которых состоят ядра других атомов, а 67 теоретики старались объяснить свойства ядра комбинациями протонов и отрицательных электронов. Однако очень трудно объединить медленный и тяжеловесный протон с легким и подвижным электроном в таком ограниченном пространстве, как ядро, и, когда Чадвик открыл существование незаряженной частицы — нейтрона, этот вопрос нашел, по-видимому, свое теоретическое решение. Тогда стало возможным предположить, что ядра всех атомов состоят из комбинации протонов и нейтронов, так что, например, кислород с зарядом 8 и массой 16 обладает 8 протонами и 8 нейтронами. Это была очень простая идея, значение которой состояло в том, что составляющие ядро частицы обладали одинаковой массой. Однако встал вопрос, как объяснить тот факт, что отрицательный электрон часто вылетает из ядра при радиоактивных превращениях и что положительный электрон проявляется при некоторых искусственных превращениях? В ответ на это теоретики предположили, что в ограниченном пространстве ядра, где силы взаимодействия между частицами огромны, протоны превращаются в нейтроны, и наоборот. Например, если нейтрон теряет отрицательный электрон, он переходит в протон, а если протон теряет положительный электрон, он становится нейтроном, так что в первом случае может испускаться отрицательная частица, а во втором — положительная. Электроны и позитроны не существуют в свободном состоянии в ядре, они связаны с нейтроном или протоном в зависимости от обстоятельств и могут высвобождаться лишь при определенных условиях, когда происходят большие изменения энергии внутри ядра». N-Z диаграмма атомных ядер. Тёмным цветом показаны стабильные изотопы. 68 Г. Гамов, 1930 г.: «Уже открытое в конце прошлого века явление радиоактивности указывало на то, что ядро атома не есть простая единица, но имеет весьма сложную структуру. Частицы α и β , наблюдаемые при радиоактивном распаде элементов, были истолкованы Резерфордом, как составные части ядра, выбрасываемые из неустойчивых ядер тяжелых атомов, а наблюдаемое при распаде весьма жесткое излучение, γ-лучи – как электромагнитные возмущения, вызванные перестройкой ядер после распада. Дальнейшие опыты Резерфорда показали также возможность искусственного расщепления ядер обычно устойчивых элементов под влиянием внешних энергичных воздействий. Открытие изотопов и исследования Астона, показавшего, что атомные веса их выражаются числами, весьма близкими к целым, сделало более чем вероятным предположение, что ядра всех элементов построены из протонов и электронов, причем весьма большую роль в строении ядра имеют образования, состоящие из четырех протонов и двух электронов (αчастицы) и обладающие весьма большой устойчивостью. Весьма точное измерение атомных весов изотопов обнаружило небольшие отклонения от целых чисел (дефект массы), что привело к возможности определения полной энергии, связывающей отдельные структурные элементы ядра в одно целое. Детальные исследования спектров γ-лучей, показавшие их линейчатую структуру – исследования, которыми мы обязаны главным образом Эллису и Мейтнер, – привели к заключению, что в ядре атома мы имеем дело с существованием определенных квантовых уровней энергии, вполне аналогичных тем, которые мы встречаем в электронной системе атома. Наиболее удивительный факт, с которым мы сталкиваемся в, теории самопроизвольного распада ядер, это – те, зачастую неимоверно длинные, промежутки времени в течение которых неустойчивое ядро остается in statu quo, прежде чем выбросить α-или β-частицу. Средняя продолжительность жизни радиоактивных элементов варьирует от ничтожной доли секунды до необычайно длинных периодов во много миллионов лет и, для каждого данного элемента, является величиной вполне определенной. Казалось весьма трудным найти причины, задерживающие вылет частицы на столь долгие промежутки времени, если частица имеет достаточно энергии, чтобы .покинуть ядро, – а между тем выбрасываемые из ядра α- и β-частицы несут весьма и весьма солидные запасы энергии. Уже давно был известен факт существования вполне определенной зависимости между энергией выбрасываемой частицы и средним периодом ее пребывания в ядре в неустойчивом состоянии (периодом распада ядра). В 1912 г. Гейгер и Нэттол заметили, что если для элементов, обладающих распадом, мы будем откладывать на оси абсцисс энергию α-частиц, а на оси ординат логарифм соответствующей константы распада, то для данного радиоактивного семейства точки будут лежать приблизительно на прямой 69 линии. Три известных нам радиоактивных семейства урана, тория и актиния представляются тремя параллельными прямыми. Опыты Резерфорда и Чадвика показали, что в случае весьма близких столкновений α-частиц с ядрами легких элементов наблюдаются отклонения числа рассеянных частиц от формулы, выведенной в предположении Кулоновского взаимодействия. Наблюденные отклонения могут быть объяснены предположением существования указанных притягательных сил, – таким образом мы можем составить себе представление об области действия и законах этих сил. К сожалению, в настоящее время не имеется достаточно детального исследования аномального рассеяния α-частиц, и теоретические заключения сводятся, примерно, к следующему. Для легких элементов (Mg, A1) аномальные силы притяжения начинают сказываться на расстояниях порядка 10-12 см, варьируя примерно обратно пропорционально четвертной или пятой степени расстояния и пересиливают Кулоновские отталкивания на расстоянии около 3·10-13 см от центра ядра, – на меньших расстояниях α-частица находится, очевидно, уже под влиянием суммарных притягательных сил. Для интересующих нас ядер тяжелых радиоактивных элементов, в виду их большого заряда, имеющиеся в нашем распоряжении α-частицы не могут подойти на столь близкие расстояния и достигнуть области аномальных сил. Резерфорд и Чадвик в опытах с рассеянием α-частиц в уране могли достигнуть (употребляя самые быстрые α-частицы) лишь расстояния 3·10-12 см и никаких отклонений от нормального рассеяния не было замечено— область притягательных сил, очевидно, лежит здесь гораздо ближе к ядру, чем 3·10-12 см. U (r ) Eα (ThC ') Eα (U ) rm 3 ⋅10−12 см 6 ⋅10−12 см Казалось бы, что результаты этих опытов с ураном весьма мало могут нам помочь – поскольку область притягательных сил не могла быть достигнута; в этих опытах и заключался ключ к разгадке явления α-распада. 70 При сопоставлении с данными о распаде самих ядер урана опыты эти приводят к парадоксу, совершенно необъяснимому с точки зрения классической механики. В самом деле: ядра атомов урана являются неустойчивыми и выбрасывают α-частицы с энергией около 6,8.10–6 эрг. Согласно нашему предположению о существовании притягательных сил вблизи ядра, α -частица, сидящая в ядре радиоактивного элемента, окружена своего рода потенциальным барьером, как показано на рисунке. Тот факт, что еще на расстояниях 3·10–12 см мы имеем лишь Кулоновские силы, указывает, что максимальная вышина барьера во всяком случае больше, чем 2( Z − 2)e 2 = 14 ⋅ 10− 6 эрг (для урана Z=92). −12 3 ⋅ 10 Как может α-частица урана с энергией всего лишь 6,8.10–6 эрг „перекатиться" через такой барьер? Другими словами: если α -частицы RaG', употребляемые в опытах рассеяния в уране, «вкатываясь» по внешнему откосу барьера, далеко еще не могли достигнуть его вершины, как могут α-частицы урана, обладающие значительно меньшей энергией, перекатиться через барьер и вылететь наружу? С точки зрения классической механики α-частица, проходя через такой барьер, более высокий, чем ее полная энергия, должна была бы обладать внутри барьера «отрицательной кинетической энергией» и следовательно «мнимой скоростью». Однако возможность такого явления, находящегося в резком противоречии с классической механикой, есть прямое следствие современной волновой механики. Подобно тому как в волновой оптике свет, падая на границу раздела двух сред под углом большим, чем угол полного внутреннего отражения, отчасти проникает во вторую среду – так же точно в волновой механике волны де Бройля-Шредингера могут отчасти проникать в область «мнимой скорости», давая возможность частицам «перекатиться» через барьер. Переходя к вопросу о вылете α-частицы из ядра, окруженного некоторым потенциальным барьером, мы прежде всего должны знать форму этого барьера. Мы уже видели, что ход потенциала аномальных притягательных сил вблизи и внутри ядра (внутренний скат) точно неизвестен; с другой стороны, легко видеть, что точный ход потенциала на внутреннем крутом спуске барьера сравнительно мало влияет на его проницаемость. В этом случае. является самым рациональным сделать наиболее простые предположения о его форме; для последующих вычислений мы примем модель барьера, даваемую формулами U(r) = 2( Z − 2)e 2 при r > r0 r U(r) = U = const при r < r0. 71 U (r ) E r0 2( Z − 2)e 2 r U Эта модель характеризуется двумя неизвестными величинами: радиусом ядра r0 и внутренним потенциалом U. Вопрос о вылете α-частицы из пространства, окруженного потенциальным барьером, сводится к решению волнового уравнения, дающего вне ядра разбегающуюся сферическую волну. Эта задача приводит к ряду дискретных (квантовых) энергий α-частицы, сидящей внутри барьера, и к ряду соответствующих вероятностей вылета. В настоящем очерке мы, однако, не будем останавливаться на точном решении задачи и удовлетворимся приближенным выводом, вполне однако достаточным для сравнения с опытными данными. Ввиду большой высоты барьера мы можем в первом приближении рассматривать движение частицы внутри ядра, как заключенной между бесконечно' высокими стенками, забывая о том, что через миллиона два лет частица все же вылетит. Нас будет интересовать лишь состояние наименьшей энергии (основная орбита), так как сейчас можно считать более чем вероятным, что все α-частицы в ядре имеют квантовое число – единицу. Вероятность вылета λ может быть вычислена приближенно, как произведение числа столкновений α -частицы с барьером на его проницаемость 2 4π E − U − n 2 m 2( Z −E2) e 2( Z − 2)e2 λ= e − E dr . ∫r0 r 2mr0 Казалось бы, что явление β-распада должно быть легко объяснено на тех же общих основаниях, как и α-распад. В самом деле, явление выбрасывания ядерного электрона во многих отношениях аналогично выбрасыванию α-частицы. Мы встречаемся здесь с теми же весьма длинными периодами и с количественно той же зависимостью между энергией и периодом распада: более медленным β-частицам соответствуют более долгие периоды жизни ядра. 72 Существенным отличием, однако, является факт размытости спектра β-частиц. Исследованиями Эллиса вполне достоверно установлено, что β-частицы покидают ядра со скоростями, варьирующими в весьма широких пределах; с другой стороны, совершенно отсутствует какой-либо процесс, могущий скомпенсировать эту размытость энергий и подвести баланс общей энергии ядра. Согласно закону сохранения энергии, ядра, получающиеся после β-распада, должны были бы иметь самый разнообразный запас энергии, а между тем дискретность скоростей частиц и линейчатость γ-спектров указывает на вполне определенную дискретную энергию ядер. Мы приходим, таким образом, к заключению, что для находящихся внутри ядра и вылетающих из него электронов закон сохранения энергии оказывается неприложимым. Это и целый ряд других затруднений, связанных с вопросом о движении электронов внутри ядра, указывают, что здесь мы натолкнулись на что-то совершенно новое, не могущее быть объясненным на основании современных теоретических представлений. Несомненно, что все эти трудности квантования частиц, двигающихся со скоростью весьма близкой к скорости света, находятся в непосредственной связи с теми фундаментальными противоречиями, которые встретила современная теоретическая физика в попытках обобщения волновой механики на случаи релятивистского движения. Исследование свойств электронов в ядре является в настоящее время единственной областью, могущей дать экспериментальный материал для дальнейшего развития основных принципов теоретической физики». β -распад. Упомянутая проблема несохранения энергии при β -распаде была решена Паули, предположившим, что в β -распад одновременно с электроном образуется нейтрино. Общая энергия β -распада распределяется между электроном и нейтрино Поэтому регистрация энергии только электрона приводит к кажущемуся несохранению энергии β -распада. Недостающую энергию уносит нейтрино, регистрация которого представляет собой чрезвычайно сложную проблему. Изучение β − -распада сыграло чрезвычайно большую роль в понимании процессов, происходящих в атомных ядрах. Явление β-распада состоит в том, что ядро ( A, Z ) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу бòльшим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино. В литературе для e − -захвата часто используется термин EC (Electron Capture). Существуют три типа β-распада − β − -распад, β + -распад и е-захват. 73 (A, Z) → (A, Z+1) + e− + ν е , (A, Z) → (A, Z−1) + e+ + ν е , е: (A, Z) + e− → (A, Z−1) + ν е . Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад − процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия β-распада имеют вид (массу нейтрино полагаем нулевой): β − (n → p + e− + ν е ), M(A, Z) > M(A, Z+1) + те , β + (p → n + e+ + ν е ), M(A, Z) > M(A, Z−1) + те , M(A, Z) + те > M(A, Z−1). e-захват (p + e− → n + ν е ), β -распад, так же как и α -распад, происходит между дискретными состояниями начального ( A, Z ) и конечного ( A, Z ± 1) ядер. Поэтому долгое время после открытия явления β -распада было непонятно, почему спектры электронов и позитронов, вылетающих из ядра при β -распаде были непрерывными, а не дискретными, как спектры α -частиц. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения. Так, суммарная энергия электрона и ядра, образовавшегося в результате распада, была меньше энергии начального ядра. Для того чтобы спасти законы сохранения В.Паули в 1930 г. в письме участникам физической конференции в г. Тюбингене высказал предположение, что в процессе β–-распада наряду с электроном должна рождаться еще одна очень легкая (неуловимая) частица с нулевым электрическим зарядом и спином J = 1/2. В.Паули, 1930 г.: «Дорогие радиоактивные дамы и господа. Имея в виду ... непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти обменную статистику и закон сохранения энергии. Именно, имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином 1/2. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон» таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной». После открытия в 1932 г. нейтрона Э.Ферми предложил называть частицу В.Паули «нейтрино». В 1933 г. на Сольвеевском конгрессе В.Паули выступил с докладом о механизме β-распада с участием нейтральной частицы со спином J = l/2. Гипотеза Паули спасла не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения момента количества движения и импульса. Были отвергнуты последние сомнения в том, что надежно зарекомендовавшие себя в классической физике законы сохранения в квантовых процессах выполняются. В 1934 г. Э. Ферми построил теорию β-распада, основанную на β −: β +: 74 законе сохранения энергии и предположении, что из ядра одновременно вылетают электрон и нейтрино. Ферми объяснил наблюдаемый энергетический спектр электронов и связал скорость β-распада с максимальной энергией электронов, вылетающих при β-распаде. Наиболее важным элементом теории β-распада Ферми было утверждение, что в ядре нет электронов. Электрон и нейтрино возникают в момент β-распада атомного ядра. Этот распад аналогичен испусканию света атомом. Световой квант не существует в атоме, а возникает в результате изменения состояния атома. Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 г. в экспериментах Ф.Райнеса и К.Коэна. Основные характеристики электрона Характеристика Спин J, = Масса mec2, МэВ Электрический заряд, Кулон Магнитный момент, e = /2mec Время жизни τ, лет Лептонное число Le Лептонные числа Lμ , Lτ Численное значение 1/2 0.51099892±0.00000004 −(1.60217653±0.00000014)·10−19 1.001159652187±0.000000000004 > 4.6·1026 +1 0 Основные характеристики электронного нейтрино Характеристика Спин J, = Масса тν с 2 , эВ Электрический заряд, Кулон Магнитный момент, e = /2mec Время жизни / Масса, сек/эВ Лептонное число Le Лептонные числа Lμ , Lτ Численное значение 1/2 <3 0 < 10−10 >7·109 (солнечные нейтрино) >300 (реакторные нейтрино) +1 0 75 1924 г. В. Паули предложил принцип Паули Принцип Паули — фундаментальный закон природы для системы частиц с полуцелым спином, заключающийся в том, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Паули обосновал свой принцип на основе анализа экспериментальных данных. В соответствии с принципом Паули происходит заполнение электронных оболочек атома, одночастичных оболочек атомного ядра. Вольфганг Паули (1900-1958) E2 n → p + e + υ e − Qβ E1 1931 г. В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β-распада. Нобелевская премия по физике 1945 г. В. Паули За открытие принципа Паули 76 Типы радиоактивного распада ядер Тип Тип испускаемых частиц. Год Авторы радиоактивного Реакция, в которой обнаружен открытия открытия распада ядер радиоактивный распад Радиоактивность Излучение, вызвавшее A.Becquerel 1896 атомных ядер потемнение фотопластинок Альфа-распад 4 2 β–-распад e- ν, β+-распад 30 + e + ν, 30 15 P → 14 Si + e + ν е-захват ν, p + e- → n + ν протон ядра захватывает электрон атомной оболочки γ-квант, 238 α β → 23490Th ⎯⎯ → 234 92 U ⎯⎯ 91 Pa α-, β-распад на возбуждение состояния ядра Гамма-распад Ядерная изомерия Спонтанное деление Двойной β-распад Протонная радиоактивность Кластерная радиоактивность 238 92 He, U → 23490Th + 42 He Th → 234 91 Pa + e + ν 234 90 γ-квант, 234 *** 91 γ Pa ⎯⎯ → 234 91 Pa два осколка сравнимой массы 238 U, 235U, 234U - e-e- 2ν e , 13052Te → 130 54 Xe + e e + ν e ν e p, 14 C, Двухпротонная 2p, радиоактивность 151 71 Lu → 15070Yb + p 223 88 45 26 144 Ra → 204 82 Pb + 6 C 1898 1898 1934 Е.Rutherford I. et F.Joliot-Curie L.Alvarez 1938 P.Villard 1900 1921 1940 1950 1981 O.Hahn Г.Н.Флеров, К.А.Петржак M.G.Ingram, J.H.Reynolds S.Hofmann 1984 H.Rose, G.Jones, Д.В.Александров 2002 J.Giovinazzo, B.Blank et al. M.Pfutzner, E.Badura et al. 43 Fe → 24 Cr + 2p 77 Е.Rutherford 6. 1932 г. Год открытий Р. Х. Фаулер, 1933 г.: «Текущий 1932 г. оказался для физики ядра «Annus mirabilis» («годом чудес»). Представляется интересным кратко рассказать в историческом порядке о жатве новых открытий, собранной этим годом, и попытаться выяснить значение их для познания атомного ядра и влияние их на постановку проблем физики ядра. Первым открытием было открытие нейтрона и изучение некоторых его свойств. Весьма содержательные наблюдения, произведенные Жолио (F. Joliot) и его женой Кюри-Жолио (J. Curie-Joliot) при изучении проникающего излучения, испускаемого бериллием при бомбардировке его α-лучами, были продолжены Чадвиком (J. Chadwick), причем ему удалось доказать с уверенностью, недопускающей разумных сомнений, что по крайней мере часть этого сильно проникающего излучения состоит из частиц массы 1 и заряда 0, кинетическая энергия которых равна примерно 4·106 вольтэлектрон; частицы эти были названы Чадвиком нейтронами. Чадвик изучал частицы отдачи (recoil-atoms), выбиваемые излучением бериллия из слоев атомов различных элементов. Пробег и ионизирующая способность этих частиц отдачи, могут быть измерены чувствительными ионизационными методами, на основании которых масса этих частиц и максимальная их энергия может быть определена с достаточной уверенностью. При дальнейшем изучении этого излучения было обнаружено, что при бомбардировке α-лучами нейтроны излучаются как бериллием, так и бором, и что не все нейтроны излучаются с одинаковой начальной энергией. Свойства нейтронов еще не изучены во всех деталях, но ряд характерных фактов уже выяснен. При прохождении через различные вещества нейтроны почти вовсе не взаимодействуют с электронами. Экспериментально установлено, что при прохождении через воздух при нормальных условиях они образуют меньше одной пары ионов на пути в 3 м. Таким образом, при прохождении через материю нейтроны тормозятся только в сущности упругими соударениямн с ядрами, которым они при этом сообщают определенный импульс. Чрезвычайно трудно придумать способ, с помощью которого можно было бы обнаружить нейтроны после того, как они потеряли свою начальную скорость. Пропуская нейтроны через камеру Вильсона и изучая соответствующие фотоснимки, удалось показать, что помимо упругих соударений происходят также и неупругие соударения нейтронов с ядрами азота, при которых эти ядра расщепляются с испусканием α-частиц. Этот новый тип процессов расщепления тем более интересен, что хорошо известное расщепление ядер путем бомбардировки их α-частицами сопровождается испусканием протонов. Энергетические соображения делают вероятным, что при неупругом ударе нейтрон захватывается ядром. Вторым замечательными открытием этого года является открытие расщепления лития протонами весьма малой кинетической энергии. Достаточно ускоряющего потенциала примерно в 100000 V, чтобы этот процесс уже начался, хотя при более высоких напряжениях он протекает 78 гораздо скорее. В течение последних двух лет Кокрофт и Уолтон были заняты проектированием и монтированием установки малого размера, дающей возможность экспериментировать при напряжениях до 800000 V, которая вместе с тем была бы установкой лабораторного типа, экономящей место и электрическую энергию. Первые же их эксперименты по бомбардировке различных веществ протонами сразу увенчались успехом и показали, что литий может быть расщеплен и что при этом он испускает α-частицу в 800000 V энергии (пробег 8 см). Чтобы удовлетворить законам сохранения энергии и импульса, необходимо допустить, что протон захватывается ядром Li7, которое таким образом становится ядром Be8. Это ядро, находясь в неустойчивом состоянии, немедленно взрывается с образованием двух разлетающихся в противоположные стороны α-частиц, каждая из которых имеет пробег в в 8 см. То обстоятельство, что распад происходит именно таким образом, было проверено н подтверждено путем одновременного наблюдения и счета α-частиц в двух прямо противоположных направлениях от бомбардируемого образца лития. Помимо Li обнаружено также расщепление многих других элементов при бомбардировке их протонами энергий в 250000 V и выше. Третье достижение касается существенного увеличения точности измерений энергии α- и γ-лучей, излучаемых радиоактивными ядрами. Конечно, уже давно считалось довольно несомненным, что γ-лучи испускаются α-частицей или α-частицами в ядре при переходе ядра из одного квантового состояния в другое состояние меньшей энергии, совершенно так же, как обычный свет излучается при аналогичном изменении состояния внешних электронов атома. Чтобы определить систему энергетических уровней ядра, очевидно, необходимо установить, предварительно соответствия между энергиями γ-лучей и энергиями α-лучей. Для этого в свою очередь существенно, чтобы энергии γ-лучей были известны по возможности с точностью до одной тысячной и чтобы с тою же точностью были известны разности между энергиями различных сортов α-лучей. Четвертое достижение этого года, о котором я должен сообщить, носит теоретический характер, и для объяснения его потребуется несколько больше времени. Процесс излучения линейчатого спектра β-лучей, являющегося вторичным результатом излучения ядром γ-лучей, может быть рассмотрен с двух различных точек зрения. Мы можем считать, что ядро излучает γ-лучи примерно так же, как осциллятор Герца излучает обычные электромагнитные волны, и что затем часть γ-лучей поглощается электронами (в особенности K -электронами) их собственного, породившего их атома, причем поглотившие энергию электроны вылетают из атома в форме β-лучей (так называемый «внутренний фотоэффект» или «внутреннее обращение γ-лучей»). С другой стороны, следуя Росселанду (Rosseland) и Оже (Auger), мы можем также считать, что существует непосредственное (хотя и сложное) взаимодействие между возбужденным 79 ядром и внеядерными (внешними) электронами атома, в результате которого ядро переходит в невозбужденное состояние, а электрон выбрасывается из атома с большой скоростью, соответствующей балансу энергии. Первый из этих способов описания более подходящ в тех случаях, когда при рассматриваемом квантовом переходе ядра γ-лучи фактически излучаются как таковые, ибо в этих случаях наиболее существенная часть взаимодействия сводится к воздействию поля классического электромагнитного осциллятора на электрон, находящийся в той области пространства вне ядра, пребывание электрона в которой наиболее вероятно. Второй же способ описания соответствует тем случаям, когда γ-лучи вовсе наружу не излучаются или излучаются лишь в малой доле, и когда во взаимодействии электрона с ядром наиболее важную роль играет область пространства внутри ядра». 1932 год знаменит не только открытием нейтрона, но и другой частицы, которая сыграла важную роль в ядерной физике – позитрона. Позитрон был предсказан Дираком в 1930 г. и открыт Андерсоном в космических лучах. Позитрон e+ является античастицей электрона. Позитрон был первой частицей нового мира — антимира. Вслед за позитроном на ускорителях были получены антипротоны и антинейтроны. Получены ядра 3 4 антидейтерия, изотопы антигелия He , He , состоящие из антипротонов и антинейтронов. Получены первые атомы антиводорода, состоящего из антипротона и позитрона. Изучение свойств античастиц позволяет глубже понять симметрии, лежащие в основе организации материи. И. Тамм: «Открытие позитрона нарушило сложившееся за последние 50 лет глубокое убеждение в вечности и неразрушимости электрона… Открытие позитрона и явлений нейтрализации позитрона и электрона, с одной стороны, и возникновение «пар», с другой, ведет к тому, что мы от этого представления о вечности электрона вынуждены отказаться и должны вернуться к исходной форме закона сохранения электричества, относящейся лишь к алгебраической сумме зарядов». В настоящее время известны не только явление радиоактивного − β -распада, в которых из ядер вылетают электроны, но и явление позитронного β + -распада, в которых из ядер вылетают позитроны. В 1933 г. Ирен Кюри и Ф. Жолио обнаружили, что при облучении α -частицами алюминия образуется радиоактивный фосфор с периодом полураспада 2,5 мин. β+ 27 4 30 30 Al + He → P + n P ⎯⎯ → 30 13 2 15 15 14 Si Радиоактивный фосфор 30 15 P , испуская позитроны, превращается в стабильное ядро 30 14 Si с массовым числом A = 30. И. Кюри, Ф. Жолио, 1933 г.: «В настоящей работе удалось впервые с помощью внешнего воздействия вызвать у некоторых атомных ядер радиоактивность, могущую существовать в течение измеряемого времени в отсутствии возбуждающей причины». 80 Это был первый случай искусственно созданного радиоактивного изотопа. Э. Резерфорд, 1937 г.: «Если подвергнуть бор в течение некоторого времени бомбардировке α -частицами, а затем исследовать его, то он окажется радиоактивным, т. е. испускающим поток позитронов. Активность его спадает со временем по геометрической прогрессии, убывая наполовину за 11 мин. Природа превращения и его фазы таковы: 10 B + 4 He → 14 N → 13 N + нейтрон . Благодаря избытку энергии ядро 14 N очень неустойчиво и мгновенно разрушается, превращаясь в более устойчивое ядро 13 N . Последнее затем медленно превращается в устойчивое ядро 13 C , испуская позитрон e + : 13 N → 13 C + e + Получение этого «радиоазота» подтверждается тем фактом, что, будучи собран, он ведет себя как радиоактивный газ с химическими свойствами азота. Интересно отметить, что тот же радиоактивный газ может быть получен совершенно иным способом. Если бомбардировать углерод быстрыми протонами, то происходит следующая реакция: 12 C + 1 H → 13 N . Полученный таким путем радиоазот 13 N по своим радиоактивным и химическим свойствам идентичен газу, образующемуся при бомбардировке бора α -частицами. Подобным же образом бомбардируемый α -частицами алюминий порождает радиоактивный фосфор с атомным весом 30 и периодом полураспада 3,2 мин. Радиофосфор, испуская позитрон, превращается в устойчивое ядро кремния с атомным весом 30. За последние несколько лет получено большое количество радиоактивных веществ путем бомбардировки элементов на только α -частицами, но и быстрыми протонами и дейтронами. Ферми и его сотрудники показали также, что медленные нейтроны представляют собой весьма эффективное средство образования радиоактивных веществ даже из самых тяжелых элементов. Сейчас известно уже более 50 таких радиоактивных элементов, причем в большинстве случаев они распадаются с испусканием отрицательных электронов ( β -частиц). Даже самые тяжелые элементы — уран и торий — преобразуются при бомбардировке медленными нейтронами и в каждом случае порождают ряд новых радиоактивных веществ, но точная интерпретация этих превращений находится еще в процессе обсуждения». 81 1933 г. Искусственная радиоактивность 30 α + 27 Al → 13 15 P + n 30 15 β+ 30 P ⎯⎯⎯⎯ → 14 Si T1/2 =2.5мин Ирен Кюри (1897-1956) Фредерик Жолио-Кюри (1900-1958) В 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио открыли, что некоторые вещества (алюминий, бор, магний), подвергнутые бомбардировке α -лучами полония, продолжают испускать проникающее излучение и после прекращения бомбардировки. Это излучение, как и в случае естественных радиоактивных элементов, уменьшается со временем по показательному закону, характеризуемому определенным периодом… В случае бора и алюминия излучение состоит из позитронов, энергия которых может достигать 2– 3 ⋅ 106 эВ. Следовательно, здесь получены радиоактивные элементы нового типа, испускающие позитроны. М.Кюри. «Радиоактивность» Нобелевская премия по химии 1935 г. – Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри За открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов 82 1932 г. Андерсон. Открытие позитрона е+ Наблюдение позитрона в камере Вильсона в магнитном поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек — слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее. Образование e + e − -пары в криптоне в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. След электрона отклонен вверх, след позитрона – вниз. Рождение и уничтожение частиц Позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их взаимное уничтожение — аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ–кванта e + + e − → 2γ . Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен процесс рождения пары электрон-позитрон. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены: одни физические объекты являются частицами, а другие — волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить природу элементарных частиц. Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. 83 7. Модель атома Бора Планетарная модель атома, созданная Резерфордом, встретила полное недоумение, так как она противоречила казавшимся тогда незыблемыми основам физики. Нужно было как-то объяснить, почему вращающиеся вокруг ядра электроны не излучают энергию и не падают на атомные ядра. Большое значение в развитии представлений о строении атома сыграла модель Н. Бора, которая представляла собой введение квантовых условий в модель Резерфорда, построенную на основе классических представлений. В 1913 г. Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты. Н. Бор, 1913 г.: «Квантовая теория строения атомов. 1. Среди мыслимых состояний движения атомной системы имеется ряд так называемых стационарных состояний, относительно которых предполагается, что движение частиц в этих состояниях, подчиняясь в значительном объеме классическим механическим законам, отличается, однако, своеобразной механически необъяснимой устойчивостью, в результате которой следует, что всякое остаточное изменение движения системы должно состоять в полном переходе из одного состояния в другое. 2. В самих стационарных состояниях, в противоречие с классической электромагнитной теорией, излучения не происходит, однако процесс перехода между двумя стационарными состояниями может сопровождаться электромагнитным излучением, обладающим теми же свойствами, как излучение, посылаемое на основании классической теории электрической частицей, совершающей гармонические колебания с постоянной частотой. Эта частота ν не находится, однако, в простом отношении к движению частиц атома и определяется условием hν = E′ − E′′ , где h – постоянная Планка, E ′ и E ′′ - значение атомной энергии в двух стационарных состояниях, образующих начальное и конечное состоянии процесса излучения. Обратно, освещение атома электромагнитными волнами этой частоты может привести к процессу поглощения, переводящее атом из конечного состояния в начальное». Электрон согласно модели Н. Бора в атоме водорода вращается вокруг ядра, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля λ nλ = 2π rn ., n = 1, 2, 3... Разным разрешённым орбитам rn соответствуют разные энергии электронов En me 4 13, 6 эВ En = − 2 2 = − , n = 1, 2,3 2 n n2 Радиус первой боровской орбиты атома водорода r1 ≈ 0,53 ⋅10−8 см. Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур. Э. Резерфорд, 1914 г.: «Из рассмотрения атомов водорода и гелия, где водород имеет один электрон, а гелий — два, очевидно, что число 84 электронов не может быть всегда точно равно половине атомного веса. Это приводит к интересному предположению, которое высказал Ван-деБрок, что число единиц заряда ядра, а, следовательно, число внешних электронов, должно быть равно номеру места, которое занимает элемент по порядку возрастания атомного веса. С этой точки зрения заряды ядер водорода, гелия и углерода должны быть соответственно равны 1, 2, 6 и т.д. для других элементов, если только мы не пропускаем каких-либо элементов. Эта точка зрения была принята Бором в его теории простых атомов и молекул». В пользу модели атома Бора свидетельствовали измеренные учеником Э. Резерфорда Г. Мозли длины волн характеристического рентгеновского излучения. Согласно модели Бора энергия электронов на первой боровской орбите атома должны быть пропорциональная квадрату заряда ядра −13, 6 Z 2 En = эВ , n = 1 . n2 Мозли предположил, что энергия рентгеновского фотона также должна зависеть от квадратов заряда атомного ядра. Так как электроны внутренних оболочек атома экранированы от внешних электронов, их энергии не должны зависеть от сложных взаимодействий электронов внешних оболочек атома, ответственных за оптические спектры атомов. Измерив характеристические спектры около 50 химических элементов, Мозли получил зависимость квадратного корня частоты ν характеристических рентгеновских линий от заряда ядра Z . Эта зависимость называется графиком Мозли. Действительно, полученные зависимости хорошо аппроксимируются линейной функцией ν Z − sn = , R n где R - постоянная Ридберга, sn - постоянные экранирования для каждой линии характеристического рентгеновского спектра. Если в K -оболочке атома ( n = 1 ) возникает вакансия, то она будет заполняться за счет переходов электронов с более высокорасположенных оболочек n = 2, 3, ... Переходом с этих оболочек соответствует K -серия. Переход n = 2 → n = 1 имеет минимальную энергию. Эту линию называют Kα . Переходу n = 3 → n = 1 соответствует линия K β и т.д. Переходы на вакансию в оболочке n = 2 образуют L -серию и, соответственно, линии Lα , Lβ , Lγ … В частности, для частоты K -серии характеристического излучения 1 ⎞ ⎛ ν = cR( Z − 1) 2 ⎜1 − 2 ⎟ . ⎝ n ⎠ То обстоятельство, что частота ν пропорциональная ( Z − 1) 2 , а не Z 2 , объясняется частичным экранированием заряда ядра оставшимися 85 электронами K -и L -оболочки. Часто используется также величина Ридберг Ry. 1 Ry = R ⋅ hc = 13, 6 эВ . В 1913 г. Н. Бор вычислил постоянную Ридберга, используя известные в то время значения констант m - масса электрона, e - заряд электрона, c скорость света и - постоянную Планка и получил прекрасное совпадение с величиной, полученной на основе спектроскопических измерений. Это в значительной мере способствовало признанию атомной модели Бора. Э. Резерфорд, 1936 г.: «В нашей лаборатории преобладало представление о том, что заряд и атомный номер связаны между собой, и как раз тогда Мозли начал свои знаменитые опыты с Х-лучами. Он показал, что рентгеновские спектры элементов изменяются регулярно и одинаково при переходе от одного элемента к следующему. Причём все рентгеновские спектры элементов подобны, но сдвигаются по частоте при переходе от элемента к элементу. Согласно ядерной теории, рентгеновский спектр предположительно связан с движением электронов вблизи ядра, и экспериментальные результаты Мозли приводили к выводу, что характеристики рентгеновских спектров элементов зависят от квадрата целого числа, которое изменяется на единицу при переходе от одного элемента к следующему. Мозли предположил, что атомный номер соответствует заряду ядра и, начиная с алюминия-13, он смог объяснить свойства рентгеновских лучей, испускаемых элементами вплоть до золота; в 1932 г. этот ряд был расширен до урана. Эта теория сразу же показала, каких элементов недостаёт в периодической таблице и куда следует обратить внимание для отыскания новых элементов. Тогда стало ясно, что атомный вес, который химики считали раньше важнейшим показателем в периодической системе, должен быть заменен атомным номером и свойства всех элементов должны объясняться в зависимости от их номера». 86 1913 г. Н. Бор. Квантовая модель атома En E2 E1 E0 1936 г. Н. Бор. Капельная модель ядра Н. Бор. Теория составного (компаунд) ядра Нильс Бор (1885 – 1962) 1939 г. Н. Бор. Интерпретация деления ядер Идею Бора можно выразить такими словами. Атом ни в коей мере не похож на классическую механическую систему, которая может поглощать энергию сколь угодно малыми порциями. Из факта существования узких спектральных линий поглощения и излучения, с одной стороны, и из гипотезы световых квантов Эйнштейна с другой, следует скорее тот вывод, что атом может находиться в только в определенных дискретных стационарных состояниях с энергиями E0 , E1 , E2 … Таким образом, атом может поглощать лишь излучение таких частот ν , что hν равно как раз той порции энергии, которая нужна для перевода атома из одного стационарного состояния в другое, более высокое. Поэтому линии поглощения определяются уравнениями E1 − E0 = hν 1 , E2 − E0 = hν 2 …, где E0 энергия самого низкого состояния, которое характерно для атома в отсутствие каких-либо возбуждающих влияний. Если по какой-то причине атом возбуждается, т.е. переходит в состояние с энергией En > E0 , то он может вернуть эту энергию в виде излучения. Следовательно, он может испустить любые световые кванты, энергия которых в точном равна разности энергий каких-то стационарных состояний. Линия излучения определяется поэтому уравнением En − Em = hν nm . Коль скоро гипотеза Бора соответствует действительности, то возбуждённый атом может возвращаться в основное состояние различными путями, отдавая каждый раз избыток энергии излучаемым квантам. М. Борн, «Квантовая теория атома» Нобелевская премия по физике 1922 г. Н. Бор. За работы по исследованию структуры атомов и их излучения 87 1913 г. Модель атома Бора. От квантовых постулатов к квантовой теории Из переписки Н. Бора и Э. Резерфорда: Н. Бор: «Когда в марте 1913 г. я написал Резерфорду письмо, содержавшее набросок моей первой работы по квантовой теории строения атома, я подчеркнул в нем важность решения вопроса о происхождении линий Пикеринга и воспользовался случаем, чтобы узнать, нельзя ли в его лаборатории провести эксперименты в этом направлении; там еще со времени Шустера имелась необходимая спектроскопическая аппаратура. Я мгновенно получил ответ, характерный как по острой проницательности Резерфорда в научных вопросах, так и по благожелательному отношению: я хочу привести это письмо целиком». Э. Резерфорд: 20 марта 1913 г. Дорогой д-р Бор! Я получил в полной сохранности Вашу работу и прочел ее с большим интересом, но мне хотелось бы еще раз тщательно просмотреть ее, когда у меня будет больше времени. Ваши мысли относительно причин возникновения спектра водорода очень остроумны и представляются хорошо продуманными, однако сочетание идей Планка со старой механикой создает значительные трудности для понимания того. что же все-таки является основой такого рассмотрения. В связи с Вашей гипотезой я обнаружил серьезное затруднение, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчет; оно состоит в следующем: как решает электрон, с какой частотой он должен колебаться при переходе из одного стационарного состоянии в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены будете предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться. Н. Бор: «Первое замечание Резерфорда было, конечно, очень дальновидным; оно касалось именно того вопроса, который стал центральным пунктом длительной дискуссии, развернувшейся впоследствии. Моя собственная точка зрения в то время, как я ее изложил в лекции на заседании Датского физического общества в октябре 1913 г., состояла в следующем: радикальный отход от привычных требований к физическому объяснению, содержащийся в квантовых постулатах, уже сам по себе при надлежащем подходе оставляет достаточный простор для возможности объединения выдвинутых предположений в логически согласованную схему». Н. Бор. Э.Резерфорд – основоположник науки о ядре. 88 Орбиты модели атома Бора. Схема уровней атома водорода. 89 Распределение электронов в атомах Элемент Z 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr K L M N 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 9 10 11 13 13 14 15 16 18 18 18 18 18 18 18 18 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 Элемент Z 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir K L M N O P 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 1 1 2 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 9 8 8 8 8 8 8 9 8 8 8 8 8 8 9 10 11 12 13 14 15 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 8 8 9 10 12 13 13 15 16 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 20 21 22 23 24 25 25 27 28 29 30 31 32 32 32 32 32 32 32 32 90 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Элемент Z 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 113 114 115 116 117 118 K L M N O P Q 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 17 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 20 21 23 24 25 25 27 28 29 30 31 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 1 1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 9 10 9 9 8 8 8 9 8 8 8 8 8 8 9 10 11 12 13 14 15 17 17 18 18 18 18 18 18 18 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 3 4 5 6 7 8 Энергии связи электронов различных оболочек атомов, эВ Элемент 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag K 1s 13.6 24.6 54.7 111.5 188 284.2 409.9 543.1 696.7 870.2 1070.8 1303.0 1559 1839 2145.5 2472 2822 3205.9 3608.4 4038.5 4492 4966 5465 5989 6539 7112 7709 8333 8979 9659 10367 11103 11867 12658 13474 14326 15200 16105 17038 17998 18986 20000 21044 22117 23220 24350 25514 L-I 2s L-II L-III M-I 2p1/2 2p3/2 3s M-II M-III M-IV M-V N-I N-II N-III 3p1/2 3p3/2 3d3/2 3d5/2 4s 4p1/2 4p3/2 21.7 30.4 49.6 72.9 99.8 136 163.6 202 250.6 297.3 349.7 403.6 460.2 519.8 583.8 649.9 719.9 793.2 870.0 952.3 1044.9 1143.2 1248.1 1359.1 1474.3 1596 1730.9 1864 2007 2156 2307 2465 2625 2793 2967 3146 3330 3524 15.9 18.3 25.4 28.3 32.6 37.2 42.2 47.2 52.7 58.9 68.0 77.3 91.4 103.5 124.9 146.2 166.5 189 222.2 248.7 280.3 310.6 343.5 376.1 411.6 447.6 483.3 521.3 559.9 603.8 37.3 41.6 48.5 63.5 88.6 117.8 149.7 189 230.9 270 326.3 378.6 438.4 498.0 560.9 626.7 696.0 769.1 844.6 925.1 1008.6 1096.7 1196.2 1299.0 1414.6 1527.0 1652.0 1782 1921 2065 2216 2373 2532 2698 2866 3043 3224 3412 3604 3806 21.6 30.5 49.21 72.5 99.2 135 162.5 200 248.4 294.6 346.2 398.7 453.8 512.1 574.1 638.7 706.8 778.1 852.7 932.7 1021.8 1116.4 1217.0 1323.6 1433.9 1550 1678.4 1804 1940 2080 2223 2371 2520 2677 2838 3004 3173 3351 29.3 34.8 44.3 51.1 58.7 66.3 74.1 82.3 91.3 101.0 110.8 122.5 139.8 159.51 180.1 204.7 229.6 257 292.8 326.7 358.7 392.0 430.3 466.6 506.3 544 586.1 628.1 671.6 719.0 91 15.7 18.3 25.4 28.3 32.6 37.2 42.2 47.2 52.7 59.9 66.2 75.1 88.6 100.0 120.8 141.2 160.7 182 214.4 239.1 270.0 298.8 329.8 360.6 394.0 417.7 461.5 496.5 532.3 573.0 10.2 18.7 29.8 41.7 55.5 70 95.0 113.0 136.0 157.7 181.1 205.0 231.1 257.6 284.2 311.9 340.5 374.0 10.1 18.7 29.2 41.7 54.6 69 93.8 112 134.2 155.8 178.8 202.3 227.9 253.9 280.0 307.2 335.2 368.3 27.5 14.1 30.5 16.3 38.9 21.6 43.8 24.4 50.6 28.5 56.4 32.6 63.2 37.6 69.5 42.3 75.0 46.3 81.4 50.5 87.1 55.7 97.0 63.7 14.1 15.3 20.1 23.1 27.1 30.8 35.5 39.9 43.2 47.3 50.9 58.3 Элемент K 1s 48 Cd 26711 49 In 27940 50 Sn 29200 51 Sb 30491 52 Te 31814 53 I 33169 54 Xe 34561 55 Cs 35985 56 Ba 37441 57 La 38925 58 Ce 40443 59 Pr 41991 60 Nd 43569 61 Pm 45184 62 Sm 46834 63 Eu 48519 64 Gd 50239 65 Tb 51996 66 Dy 53789 67 Ho 55618 68 Er 57486 69 Tm 59390 70 Yb 61332 71 Lu 63314 72 Hf 65351 73 Ta 67416 74 W 69525 75 Re 71676 76 Os 73871 77 Ir 76111 78 Pt 78395 79 Au 80725 80 Hg 83102 81 Tl 85530 82 Pb 88005 83 Bi 90526 84 Po 93105 85 At 95730 86 Rn 98404 87 Fr 101137 88 Ra 103922 89 Ac 106755 90 Th 109651 91 Pa 112601 92 U 115606 L-I L-II L-III M-I 2s 2p1/2 2p3/2 3s 4018 3727 3538 772.0 4238 3938 3730 827.2 4465 4156 3929 884.7 4698 4380 4132 940 4939 4612 4341 1006 5188 4852 4557 1072 5453 5107 4786 1148.7 5714 5359 5012 1211 5989 5624 5247 1293 6266 5891 5483 1362 6548 6164 5723 1436 6835 6440 5964 1511 7126 6722 6208 1575 7428 7013 6459 – 7737 7312 6716 1723 8052 7617 6977 1800 8376 7930 7243 1881 8708 8252 7514 1968 9046 8581 7790 2047 9394 8918 8071 2128 9751 9264 8358 2206 10116 9617 8648 2307 10486 9978 8944 2398 10870 10349 9244 2491 11271 10739 9561 2601 11682 11136 9881 2708 12100 11544 10207 2820 12527 11959 10535 2932 12968 12385 10871 3049 13419 12824 11215 3174 13880 13273 11564 3296 14353 13734 11919 3425 14839 14209 12284 3562 15347 14698 12658 3704 15861 15200 13035 3851 16388 15711 13419 3999 16939 16244 13814 4149 17493 16785 14214 4317 18049 17337 14619 4482 18639 17907 15031 4652 19237 18484 15444 4822 19840 19083 15871 5002 20472 19693 16300 5182 21105 20314 16733 5367 21757 20948 17166 5548 M-II 3p1/2 652.6 703.2 756.5 812.7 870.8 931 1002.1 1071 1137 1209 1274 1337 1403 1471.4 1541 1614 1688 1768 1842 1923 2006 2090 2173 2264 2365 2469 2575 2682 2792 2909 3027 3148 3279 3416 3554 3696 3854 4008 4159 4327 4490 4656 4830 5001 5182 92 M-III 3p3/2 618.4 665.3 714.6 766.4 820.8 875 940.6 1003 1063 1128 1187 1242 1297 1357 1419.8 1481 1544 1611 1676 1741 1812 1885 1950 2024 2107 2194 2281 2367 2457 2551 2645 2743 2847 2957 3066 3177 3302 3426 3538 3663 3792 3909 4046 4174 4303 M-IV 3d3/2 411.9 451.4 4g3.2 537.5 583.4 630.8 689.0 740.5 795.7 853 902.4 948.3 1003.3 1052 1110.9 1158.6 1221.9 1276.9 1333 1392 1453 1515 1576 1639 1716 1793 1949 1949 2031 2116 2202 2291 2385 2485 2586 2688 2798 2909 3022 3136 3248 3370 3491 3611 3728 M-V 3d5/2 405.2 443.9 484.9 528.2 573.0 619.3 676.4 726.6 780.5 836 883.8 928.8 980.4 1027 1083.4 1127.5 1189.6 1241.1 1292 1351 1409 1468 1528 1589 1662 1735 1809 1883 1960 2040 2122 2206 2295 2389 2484 2580 2683 2787 2892 3000 3105 3219 3332 3442 3552 N-I N-II N-III 4s 4p1/2 4p3/2 109.8 63.9 63.9 122.9 73.5 73.5 137.1 83.6 83.6 153.2 95.6 95.6 169.4 103.3 103.3 186 123 123 213.2 146.7 145.5 232.3 172.4 161.3 253.5 192 178.6 274.7 205.8 196.0 291.0 223.2 206.5 304.5 236.3 217.6 319.2 243.3 224.6 – 242 242 347.2 265.6 247.4 360 284 257 378.6 286 271 396.0 322.4 284.1 414.2 333.5 293.2 432.4 343.5 308.2 449.8 366.2 320.2 470.9 385.9 332.6 480.5 388.7 339.7 506.8 412.4 359.2 538 438.2 380.7 563.4 463.4 400.9 594.1 490.4 423.61 625.4 518.7 446.8 658.2 549.1 470.7 691.1 577.8 495.8 725.4 609.1 519.4 762.1 642.7 546.3 802.2 680.2 576.6 846.2 720.5 609.5 891.8 761.9 643.5 939 805.2 678.8 995 851 705 1042 886 740 1097 929 768 1153 980 810 1208 1058 879 1269 1080 890 1330 1168 966.4 1387 1224 1007 1439 1271 1043 Элемент N-IV 4d3/2 48 Cd 11.7 49 In 17.7 50 Sn 24.9 51 Sb 33.3 52 Te 41.9 53 I 50.6 54 Xe 69.5 55 Cs 79.8 56 Ba 92.6 57 La 105.3 58 Ce 109 59 Pr 115.1 60 Nd 120.5 61 Pm 120 62 Sm 129 63 Eu 133 64 Gd – 65 Tb 150.5 66 Dy 153.6 67 Ho 160 68 Er 167.6 69 Tm 175.5 70 Yb 191.2 71 Lu 206.1 72 Hf 220.0 73 Ta 237.9 74 W 255.9 75 Re 273.9 76 Os 293.1 77 Ir 311.9 78 Pt 331.6 79 Au 353.2 80 Hg 378.2 81 T1 405.7 82 Pb 434.3 83 Bi 464.0 84 Po 500 85 At 533 86 Rn 567 87 Fr 603 88 Ra 636 89 Ac 675 90 Th 712.1 91 Pa 743 92 U 778.3 N-V 4d5/2 10.7 16.9 23.9 32.1 40.4 48.9 67.5 77.5 89.9 102.5 – 115.1 120.5 120 129 127.7 142.6 150.5 153.6 160 167.6 175.5 182.4 196.3 211.5 226.4 243.5 260.5 278.5 296.3 314.6 335.1 358.8 385.0 412.2 440.1 473 507 541 577 603 639 675.2 708 736.2 N-VI N-VII O-I 4f5/2 4f7/2 5s O-II O-III O-IV O-V P-I 5p1/2 5p3/2 5d3/2 5d5/2 6s P-II P-III 6p1/2 6p3/2 – – – – 0.1 2 1.5 – 5.2 0 8.6 7.7 8.0 8.6 – – 2.5 8.9 15.9 23.5 33.6 42.9 53.4 63.8 74.5 87.6 104.0 122.2 141.7 162.3 184 210 238 268 299 319 342.4 371 388.2 13.4 14.2 17.0 19.3 19.8 22.3 21.1 – 21.3 22 20 28.7 26.3 30.8 31.4 31.8 30.3 33.6 38 42.2 45.3 45.6 58 63.0 65.3 74.2 83.1 94.6 106.4 119.0 132 148 164 182 200 215 229 232 257 15 19 – 24.5 – 26.8 – – – – 0.1 2 1.5 – 5.2 0 8.6 2.4 4.3 5.2 4.7 4.6 1.3 7.5 14.2 21.6 31.4 40.5 50.7 60.8 71.2 83.9 99.9 117.8 136.9 157.0 184 210 238 268 299 319 333.1 360 377.4 23.3 22.7 30.3 34.3 37.8 37.4 37.5 – 37.4 32 36 45.6 49.9 49.3 50.6 54.7 52.0 57.3 64.2 69.7 75.6 83 84 95.2 101.7 107.2 127 136.0 147 159.3 177 195 214 234 254 272 290 310 321 93 12.1 12.1 14.8 16.8 17.0 22.3 21.1 – 21.3 22 20 22.6 26.3 24.1 24.7 25.0 24.1 26.7 29.9 32.7 36.8 34.6b 44.5 48.0 51.7 57.2 64.5 73.5 83.3 92.6 104 115 127 140 153 167 182 232 192 9.6 14.7 20.7 26.9 31 40 48 58 68 80 92.5 94 102.8 7.8 12.5 18.1 23.8 31 40 48 58 68 80 85.4 94 94.2 26 34 44 – 41.4 – 43.9 15 19 – 16.6 – 16.8 График Мозли – зависимость квадратного корня из частоты (длины волны λ ) характеристического рентгеновского излучения, образующегося при переходе электронов в вакантные места в K - и L -оболочках атомов, от заряда ядра Z . H. Moseley, Philosophical Magazine 27, 713 (1914). 94 М. И. Корсунский, Измерение заряда атомного ядра Рентгеновские лучи возникают при переходе электронов в наиболее близкие к ядру слои. Изучение рентгеновского излучения и стало предметом работы Мозели. Особенное внимание его привлекла серия K , образующаяся в результате переходов электронов из различных слоев в слой K и, в частности, линия, носящая название K -альфа (её принято обозначать Kα ). Эта Генри Мозли (1887–1915) линия излучается при переходе электрона из группы L в группу K и является самой интенсивной линией серии K . Интерес Мозели к излучению K -серии и, в частности, линии Kα понять нетрудно. Он проистекает оттого, что при возбуждении K -серии приходится удалять из атома электроны, наиболее близко расположенные к атомному ядру и, следовательно, наиболее сильно притягиваемые им. К тому же K -электроны испытывают притяжение к атомному ядру, не ослабленное действием других электронов. Естественно поэтому, что влияние заряда ядра на движение таких электронов будет сказываться наиболее сильно. Бор, рассмотревший теоретически этот вопрос, показал, что частота излучения линии Kα зависит от величины заряда атомного ядра следующим образом: ν = R( Z − 1)2 , (*) где Z обозначает, как всегда, величину заряда ядра в элементарных единицах, а буквой R обозначена некоторая постоянная величина, часто встречающаяся в теории излучения и равная 3, 29 ⋅ 10 +15 сек −1 . Формула (*) показывает, что частота линии Kα , принадлежащей K -серии рентгеновских лучей, связана с интересующей нас величиной заряда атомного ядра. Можно было ожидать, что измерение частоты Kα поможет нам в определении величины заряда атомных ядер. Поэтому Мозели и решил измерить частоту линии Kα у различных элементов. Большая работа, проведённая им, привела к очень важному результату. Оказалось, что частота рентгеновских лучей меняется при переходе от элемента к элементу вполне закономерным образом в полном согласии с формулой (*). Сравнение с этой формулой удобно производить, если результаты измерений изобразить в виде графика, откладывая на одной оси значения ν , а на другой — величину атомного номера Z, Такой график R представлен на рисунке. 95 Из этого графика хорошо видно, что корень квадратный из частоты Kα рентгеновских лучей меняется пропорционально первой степени атомного номера Z. Этот факт в сопоставлении с формулой (*) означает, что атомный номер элемента связан с зарядом ядра и изменяется так же, как и заряд ядра. Этот замечательный результат имеет двоякое значение. С одной стороны, он является обоснованием теории атома Бора, базирующейся на ядерной модели Резерфорда, следовательно, служит дополнительным подтверждением этой модели. С другой стороны, он даёт нам возможность измерять заряды атомных ядер. Для этого согласно формуле (*) нужно определить частоту линии Kα исследуемого элемента и разделить её на постоянную R, а затем извлечь из отношения квадратный корень и прибавить к полученному результату единицу. Найденное число и будет представлять собой величину заряда ядра. Измерения Мозели показали, что заряд ядра атомов различных элементов с большой точностью совпадает с величиной атомного номера. Так ещё раз подтвердилась изложенная выше гипотеза. Зависимость частоты линии Kα от атомного номера. По оси абсцисс отложен атомный номер, по оси ординат — корень квадратный из частоты, делённой на постоянную величину R. 96 8. Начало ядерной спектроскопии α-,β-,γ- спектроскопии является классическим разделом ядерной физики. Начало ей положили новые разработанные приборы и методы регистрации ядерных частиц и первые данные об энергетических уровнях атомных ядер. Испускание атомным ядром α-, β- и γ-излучения было установлено Резерфордом и П. Вилардом. Однако первоначально регистрация этих частиц не использовалась для изучения структуры атомных ядер. Вскоре было обнаружено, что β-излучение ядер состоит из двух компонент. • непрерывной компоненты • отдельных дискретных линий Природа непрерывной компоненты β-излучения стала ясна после предположения В.Паули о существовании нейтрино. Первая приемлемая теория объясняющая природу непрерывного β-спектра основанная на нейтринной гипотезе была предложена В.Паули и Ферми в 1933–1934 г. На ее основе удалось объяснить соотношение между вероятностью β-распада и максимальной энергией β-частиц. Была рассчитана форма непрерывного β-спектра. Дискретная компонента β-спектра сразу же была объяснена взаимодействием распадающегося ядра с электронной оболочкой атома. Наблюдаемые серии β-линий интерпретировались как фотоэлектроны, выбиваемые монохроматическими γ-квантами, испускаемыми ядром. В дальнейшем эта простая модель была уточнена. Атомное ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может снять это возбуждение как в результате испускания γ-квантов, так и в результате прямого взаимодействия с электронной оболочкой атома. При этом испускаются электроны внутренней конверсии с одной из атомных оболочек. Измерение коэффициентов внутренней конверсии позволяет получить информацию о спинах и четностях ядерных состояний. Информация о возбужденных состояниях атомных ядер получается также из анализа тонкой структуры α -спектров. В результате α-распада конечное ядро может оказаться не только в основном, но и в одном из возбужденных состояний. Распады на возбужденные уровни конечного ядра 97 приводят к возникновению тонкой структуры α-спектра. Изучение тонкой структуры α-спектра дает возможность получить информацию о возбужденных состояниях ядер образующихся в результате α-распада. Наряду с тонкой структурой α-спектра, наблюдаются так называемые длиннопробежные α-частицы. Появление α-частиц с энергией превышающей основную группу α-проходов объясняется α-распадом из возбужденных состояний начального ядра. Вероятности α-распада сильно зависят не только от энергии α-частиц, но и от разности значений спинов состояний ядер между которыми происходит α-распад. Существенным фактором, влияющим на вероятности различных каналов α-распада, является перестройка ядра при α-распаде. Таким образом, изучение ядерной спектроскопии дало богатую информацию для разработки и проверки различных моделей атомного ядра. Исследования в области ядерной спектроскопии способствовали значительному прогрессу в методике ядерных исследований. Так сочетание магнитного спектрометра, сцинтилляционного метода регистрации частиц, исследование схем совпадений дало очень большой объем информации о свойствах атомных ядер, что способствовало успеху модели ядерных оболочек. Одновременно были показаны границы применимости простой модели оболочек. Возникло представление о коллективных движениях в атомных ядрах. Вместо статического ядерного поля возникло представление о динамическом ядерном поле, действующем на отдельную частицу. Э. Резерфорд, 1932 г.: «Происхождение γ-лучей. Давно было установлено, что γ-лучи возникают в ядре и представляют в некотором смысле характеристические собственные колебания ядерной структуры. Интерпретация сложных спектров γ-лучей, принадлежащих радиоактивным элементам, была, однако, затруднена нашим незнанием происхождения этой радиации – возникает ли она от составных частей ядра электрона, протона или α-частицы, или от ядра, действующего как единое целое. В течение немногих последних лет эта проблема подверглась энергичной атаке и теперь кажется ясным, что ядерные γ-лучи являются результатом перехода α-частицы между уровнями энергии в возбужденном ядре. Были разработаны две различных линии нападения, опирающиеся на: 1. Изучение длинно-пробежных α-частиц радия С и тория С. 2. Тонкую структур в эмиссии α-частиц из некоторых радиоактивных веществ. Можно предположить, что испускание β-частицы в процессе превращения вызывает сильное возмущение в остающемся ядре, так что некоторые из составляющих ядро α-частиц поднимаются на более высокий уровень энергии, чем нормальный. Эти α-частицы неустойчивы и после очень 98 короткого интервала времени падают назад на нормальный уровень, излучая излишек своей энергии в форме γ-лучей известной частоты, определяемой квантовыми условиями. В этот короткий интервал времени имеется небольшой шанс, что α-частицы в высоких уровнях могут протечь сквозь потенциальный барьер ядра. С этой точки зрения убегающие с различных уровней α-частицы и представляют наблюдаем е группы α-частиц с большим пробегом. Энергия убегающих α-частиц дает значение уровня энергии, занимаемого α-частицей в возбуждаемом ядре перед ее освобождением. Мне хотелось бы подчеркнуть замечательное различие в возмущении ядра при эмиссии α-частицы и β-частицы. Странно сказать, освобождение α-частицы либо не возбуждает ядра вовсе, или поднимает одну или более составляющих α-частиц на сравнительно низкий уровень энергии выше нормального. Однако, во многих случаях освобождение β-частицы создает сильное возбуждение остаточного ядра, в результате которого некоторые α-частицы поднимаются на очень высокий уровень энергии и вызываются γ-лучей большой энергии. Это различие между действиями двух типов частиц очень поразительно и может быть интимно связано с процессами, которые вызывают эмиссия β-частицы из радиоактивности элемента. Всякий раз, когда мы имеем дело с поведением электрона в ядре, мы встречаем большие трудности в приложении наших теоретических идей. Наиболее поразительный пример может быть тот, что радиоактивные ядра типа β-лучей излучают электроны со сплошным спектром энергии, и что, кажется, здесь нет компенсирующих процессов, которые бы позволили установить определенный баланс энергии, ожидаемый по квантовой динамике. Без сомнения, это одна из наиболее фундаментальных проблем сегодняшнего дня, но, вероятно, мы не будем иметь достаточно времени, чтобы дискутировать ее во всей ее теоретической сложности». Э. Резерфорд, 1932 г.: «Поглощение этой радиации материей изучалось И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио, а также Вебстером. В текущем году И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио наблюдали ионизационным методом, что эта радиация вырывает протоны большой скорости из водородсодержащих веществ. Сперва предполагалось, что эти быстрые протоны могут быть результатом взаимодействия между квантом γ-лучей и протоном, но оказалось, что это требует очень высокой квантовой энергии излучения порядка 50 млн. вольт. Как результат дальнейших опытов электрическим методом, Чадвик нашел, что аналогичный эффект отдачи наблюдается для всех легких атомов и пришел к заключению, что эффект может быть объяснен при допущении, что из ядра бериллия освобождается поток быстрых нейтронов. Нелегко сделать выбор между этими двумя предположениями, но накопилось достаточно доказательств, что этот новый тип радиации обладает удивительными свойствами и способен производить разложение азота, вероятно, каким-то новым путем. Я старался в этом обзоре привлечь ваше внимание к тем линиям экспериментальной атаки проблемы структуры атомного ядра, которые мне кажутся наиболее важными. Я не входил в спекулятивные вопросы, 99 подобные вопросу о возможности аннигиляции материи и ее превращения в излучение, не касался и догадок о численном соотношении между единицей заряда и постоянной Планка h или соотношения между массой протона и электрона; я не входил в трудные вопросы образования и превращений ядра под влиянием условии, существующих в горячих звездах, – вопросы, о которых много писалось». Рисунок демонстрирует сложные цепочки α -, β - и γ -переходов между ядрами-изобарами A = 212 . • α -распада изотопов 216Rn, 216At, 216Po происходят, как правило, в основное состояние ядер-продуктов. Распады на возбуждённые состояния E * > 0, 2 МэВ составляют меньше 1%. • β − -распады изотопа 212Bi происходят на возбужденные состояния 212Po вплоть до энергии E * = 1,8 МэВ. • Возбужденные состояния изотопа 212Po распадаются как в результате γ -переходов так и в результате α -распада. Аналогичная ситуация имеет место и в изотопе 212At. • Вероятность α -распада основного состояния 212At J p = (1− ) близка к 100%. Вероятность е-захвата < 0,03% , вероятность β − -распада 2 ⋅ 10−6% . Энергии соответствующих распадов Q (α ) = 7,8 МэВ, Q(e-захв) = 1,7 МэВ, Q( β − ) = 0,02 МэВ. Изомерное состояние E * = 0, 22 МэВ, J p = 9− с вероятностью > 99% распадается с испусканием α -частиц. Вероятность изомерного перехода IT < 1%. 100 Ч. Д. Эллис, 1932 г.: «Уже много лет было известно, что γ-лучи образуют характеристический спектр радиоактивного ядра, но только совсем недавно получены факты, дающие указания на способ их возникновения. Сперва источником γ-лучей считали ядерные электроны, но эта точка зрения, столь естественная из нашего опыта о внеядерной структуре, начала подвергаться подозрениям по мере накопления сведений о том, что поведение ядерных электронов сильно отличается от поведения электронов вне ядра. Быстрый прогресс – как экспериментальный, так и теоретический – в нашем знании α-частиц дал возможность удовлетворительным образом избежать этой трудности, и теперь вообще полагают, что γ-лучи связаны с переходами между стационарными состояниями α-частиц внутри ядра. Это заключение имеет важное значение в том отношении, что стимулирует и дает руководящую точку зрения для дальнейшего исследования γ-лучей и указывает возможности получения подробных и точных сведений об α-частицах. Лорд Рёзерфорд уже отметил, что работа последнего времени выявила сложность в эмиссии α-лучей, сложность не замеченную в более ранних экспериментах. Во-первых, было обнаружено явление α-частиц с длинным пробегом, наиболее типичный пример которого дает радий С. При разложении этого тела из миллиона атомов около 99 978 испускают α-частицы, энергия которых есть 7,8-106 V, в то время как остающиеся 22 испускают частицы с большей энергией, распределенной по крайней мере по девяти группам. Быстрейшая из этих групп имеет излишек 3 000 000 V покрывая как раз интервал известных γ-лучей. Более близкое изучение показывает, что разница энергии между быстрыми группами и главной (7,8·106 V) группой согласуется с hν для γ-лучей. Далее, в то время как число частиц этих групп крайне мало, совокупное число квантов лучей достигает одного кванта на атом. Как приблизительное согласие частот с энергиями, так и согласие относительных интенсивностей α-частиц с большим пробегом и числа квантов, совместимы с тем взглядом, что ядро радия C образуется первоначально в возбужденном состоянии. Тогда для ядра открыты две возможности, которыми оно может освобождать свою энергию. Первая и наименее вероятная есть разложение сразу, в этом случае α-частица уносит всю энергию возбуждений; такие α-частицы образуют одну из групп высокой энергии. Другая возможность заключается в том, что ядро будет сперва испускать часть своей энергии возбуждения в форме γ-лучей, и затем останется с энергией как раз достаточной, чтобы испускать нормальные α-частицы с энергией 7,8·106 V. Это объяснение было рассмотрено детально лордом Рёзерфордом и автором и также впоследствии Гамовым и Дельбрюком и, хотя имеющиеся данные еще недостаточны, чтобы испытать этот взгляд во всех деталях, можно все же, по крайней мере, сказать, что отношения в энергии и интенсивностях с ним совместимы. Торий С также обнаруживает серию групп α-лучей, которые распределены по другой схеме. Они обычно относятся к тонкой структуре групп α-частиц, главным образом потому, что разности энергий в этом 101 случае составляют только около 300 000 V. Имеется и другое отличие: в этом случае наименее интенсивные группы являются и группами с наименьшей энергией. Сразу ясно, что объяснение для радия C не может быть здесь приложено, но Гамовым была указана простая точка зрения, которая, кажется, пригодна в этом случае. Его взгляд заключается в том, что ядра тория C первоначально все находятся в одном и том же состоянии. Каждое ядро имеет некоторое, способное освободиться, количество энергии. Ядро может освободить эту энергию или испуская α-частицу с этой полной энергией или оно может испустить α-частицу в одной из серии групп более низкой энергии, а остальная энергия сохранится в ядре как энергия возбуждения. Существенное различие этого взгляда о связи α-частиц и γ-лучей в сравнении с первой схемой заключается в том, что эмиссия γ-лучей есть процесс, следующий за эмиссией α-частицы. Этот отличный взгляд недвусмысленно подсказывается в этом случае относительными интенсивностями γ-лучей и α-частиц в группах. Следует заметить, что принимается, что эмиссия γ-лучей происходит после разложения, в то время как с точки зрения энергетических отношений, было бы также легко принять что α-частица в нормальном состоянии сперва совершает переход в состояние меньшей энергии с испусканием γ-лучей и тогда выбрасывается из ядра с этого уровня. Такой взгляд приводил бы, однако, к чрезвычайной трудности: в то время как мы имеем убедительное объяснение для большого промежутка времени, в течение которого может существовать радиоактивный атом, обладая все же потенциальной возможностью разложения, все другие доказательства показывают, что какая-нибудь система, обладающая возможностью испускания радиации, не может существовать как таковая более, чем маленькую долю секунды. Период тория С для α-разложения равен приблизительно 3 час, и какой-нибудь взгляд, отличный от взгляда Гамова, должен был бы исходить из возможности излучения с полупериодом в 3 час, что явно невозможно. Я исследовал приложимость гамовской теории к случаю тория С. Подробности тонкой структуры α-частиц были найдены Розенблюмом из его опытов с парижским электромагнитом, и первый шаг состоял в том, чтобы показать, что торий С фактически испускает γ-лучи. Этого никогда не думали до тех пор, пока это не было предсказано Гамовым. Действительно, γ-лучи были исследованы посредством спектра β-лучей, и я измерил спектры β-лучей как соединенной эмиссии тория C + C", так и одного тория C". Опыты описаны детально в статье, находящейся в печати; результаты таковы, что некоторые группы, найденные в соединенном спектре, определенно не встречаются в спектре одного тория C". Следующим пунктом аргументации было бы доказательство того, что частоты γ-лучей приблизительно отвечают разностям энергий α-частиц групп, найденных Розенблюмом. Это кажется и оправдывается на самом деле в пределах, правда, довольно больших погрешностей данных. И наконец, последним пунктом аргументации является рассмотрение относительных интенсивностей с целью показать, что относительное число α-частиц в различных подгруппах 102 отвечает относительному числу квантов, выведенному из спектра γ-лучей. Невозможно дать определенный ответ на этот вопрос. Все, что можно сказать, сводится к тому, что относительные интенсивности совместимы с этим взглядом. С тех пор как писалась статья, на которую я ссылался, я сделал некоторые дальнейшие опыты. Хотя я и не получил каких-нибудь сильных доказательств, я все же подтвердил ранее сделанные заключения, пользуясь другой аппаратурой. Этот вопрос заслуживает дальнейших исследований, – в частности, в направлении исследования совпадения hν для γ-лучей с разницей энергий различных групп α-частиц, но это требует большей точности в обоих рядах измерений. В настоящее время можно, однако, без опасений сказать, что имеются сильные доказательства в пользу общей связи α-частиц и γ-лучей, и это кажется разумной гипотезой, которой нужно следовать. Уместно рассмотреть точное значение этой гипотезы и привести ее к простейшей формулировке. В этом смысле она прежде всего означает приложимость закона сохранения энергии к ядру или лучше к той части ядра, которая связана с эмиссией α-частиц и γ-лучей. Следует заметить, что в обоих этих случаях была установлена эквивалентность полного количества энергии, когда эта энергия может разделяться двумя путями. Или α-частица уносит всю имеющуюся энергию, или, если она берет только часть, то остальная испускается в форме γ-лучей. Ядро представляет целую систему и содержит большое число частиц, и поэтому сомнительна правомерность говорить об одной из них в отдельности. Поэтому еще неизвестно имеет ли смысл утверждать, что γ-лучи испускаются α-частицами. Едва ли бы это имело смысл, если бы закон сохранения энергии был приложим к ядру в целом, но в действительности, как мы знаем из явления непрерывного спектра β-лучей, это не имеет места. Мы видели, что имеющиеся доказательства показывают, что закон сохранения энергии приложим как к эмиссии α-частиц, так и к эмиссии γ-лучей, в то время как он, по-видимому, определенно неприложим к эмиссии β-частиц. В таком случае представляется правомерным сделать различие между α-частицами в ядре и электронами и с тою степенью определенности, с какою существует это отличие, мы можем сказать, что γ-лучи связаны с долей α-частиц ядра. Следует не забывать, что в ядре имеются другие частицы наравне с α-частицами и электронами. Фаулер указал, что за некоторые особенности спектра, может быть ответственно присутствие протонов и недавние работы показывают, что мы, по-видимому, должны также считаться с нейтронами одного или многих сортов. Изучение детальной связи γ-лучей с α-частицами и протонами и, возможно, другими телами является задачей будущего, но в настоящее время, как чисто рабочую гипотезу, удобно принять тот узкий взгляд, согласно которому γ-лучи также связаны с состояниями α-частиц в ядре, как рентгеновы лучи и оптические спектры связаны с электронной структурой. Исследование этих состояний α-частиц радиоактивного ядра требует совместной разработки, – по крайней мере, двух линий исследования: с одной стороны, прямого исследования энергий и 103 интенсивности различных групп α-частиц, с другой стороны – измерений спектра γ-лучей. Нет необходимости говорить о первой линии исследования, но оценка важности последней естественно ведет к тому пункту, который я хочу специально подчеркнуть. Это – настоятельная нужда в увеличении точности в области нашего знания спектра γ-лучей». Распад ядер-изобар A = 242 Изотоп 242 95 Am имеет два изомерных состояния. 1. E * = 0, 48 МэВ, J P = 5− , T1/2 = 152 года 2. E * = 2, 2 МэВ, J P = (2+ ,3− ) , T1/2 = 14 мс Распад изомерного состояния E * = 2, 2 МэВ, J P = (2+ ,3+ ) с вероятностью 100% происходит в результате спонтанного деления. Изотоп Энергия изомерного состояния, МэВ 242 Am 242 m Am 242 m Am 242 Cm 242 Pu 0,048 2,2 Jp Каналы распада, % β − (82,7), ε (17,3) 1− IT (99,55), α (0,48), SF ( < 5 ⋅ 10−9 ) 5− SF ( ≈ 100 ), α (< 5 ⋅ 10−3 ) ( 2 + ,3− ) 0+ 0+ 104 α (≈ 100) , SF ( 6 ⋅ 10−6 ), 34Si (10−14 ) α (≈ 100) , SF ( 5,5 ⋅ 10−4 ) 9. Квантовая физика Модель атома Бора была попыткой примирить представления классической физики с формирующимися законами квантового мира. Э.Резерфорд, 1936 г.: «Как расположены электроны во внешней части атома? Я считаю первоначальную квантовую теорию спектра, выдвинутую Бором, одной из наиболее революционных из всех когда-либо созданных в науке; и я не знаю другой теории, которая имела бы больший успех. Он был в то время в Манчестере и, твердо уверовав в ядерную структуру атома, которая выяснилась в экспериментах по рассеянию, старался понять, как надо расположить электроны, чтобы получить известные спектры атомов. Основа его успеха лежит во внесении в теорию совершенно новых идей. Он внес в наши представления идею кванта действия, а также идею, чуждую классической физике, о том, что электрон может вращаться по орбите вокруг ядра, не испуская излучения. Выдвигая теорию ядерного строения атома, я вполне отдавал себе отчет в том, что согласно классической теории электроны должны падать на ядро, а Бор постулировал, что по некоторым неизвестным причинам этого не происходит, и на основе этого предположения он, как вы знаете, сумел объяснить происхождение спектров. Применяя вполне разумные допущения, он шаг за шагом решил вопрос о расположении электронов во всех атомах периодической таблицы. Здесь было много трудностей, так как распределение должно было соответствовать оптическим и рентгеновским спектрам элементов, но в конце концов Бор сумел предложить такое расположение электронов, которое показало смысл периодического закона. В результате дальнейших усовершенствований, главным образом внесенных самим Бором, и видоизменений, произведенных Гейзенбергом, Шредингером и Дираком, изменилась вся математическая теория и были введены идеи волновой механики. Совершенно независимо от этих дальнейших усовершенствований я рассматриваю труды Бора как величайший триумф человеческой мысли. Чтобы осознать значение его работ, следует рассмотреть хотя бы только необычайную сложность спектров элементов и представить себе, что в течение 10 лет все основные характеристики этих спектров были поняты и объяснены, так что теперь теория оптических спектров настолько завершена, что многие считают это исчерпанным вопросом, подобно тому, как это было несколько лет назад со звуком». К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома Н.Бора не может дать адекватное описание свойств атома. В 1925– 1926 гг. в работах В.Гейзенберга и Э.Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений – квантовая теория. 105 Состояния в классической и квантовой физике Классическая физика Квантовая физика Описание состояния (х,у,z,рх,ру,рz) Ψ(x,y,z) Изменение состояния во времени ∂H ∂H ∂ψ , p= r= = Hˆ ψ i ∂t ∂p ∂t Измерения x,y,z,px,py,pz ΔхΔрх ~ ħ, ΔуΔру ~ ħ, ΔzΔр ~ ħz Детерминизм Статистическая теория |Ψ(x,y,z)|2 F = ∫ψ ∗ Fˆψ dV Гамильтониан H = p 2m + U ( r ) Hˆ = pˆ 2 2m + Uˆ (r ) 2 Состояние классической частицы в любой момент времени описывается заданием ее координат и импульсов (x,y,z,px,py,pz,t). Зная эти величины в момент времени t, можно определить эволюцию системы под действием известных сил во все последующие моменты времени. Координаты и импульсы частиц сами являются величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. В квантовой физике состояние системы описывается волновой функцией ψ(х,у,z,t). Т.к. для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса, то не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории, можно только определить вероятность нахождения частицы в данной точке в данный момент времени, которая определяется квадратом модуля волновой функции W ~ |ψ(x,y,z)|2. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера ∂ψ = Hˆ ψ , i ∂t где Ĥ – оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы). В нерелятивистском случае Hˆ = pˆ 2 2m + Uˆ (r ) , где т – масса частицы, p̂ – оператор импульса, Uˆ ( x, y, z ) – оператор потенциальной энергии частицы. Задать закон движения частицы в квантовой механике это значит определить значение волновой функции в каждый момент времени в каждой точке пространства. В стационарном состоянии волновая функция ψ(х,у,z) является решением стационарного уравнения Шредингера Ĥψ = Eψ . Как и всякая связанная система в квантовой физике, ядро обладает дискретным спектром собственных значений энергии. Состояние с наибольшей энергией связи ядра, т. е. с наименьшей полной энергией Е, называют основным. Состояния с бòльшей полной 106 энергией – возбуждённые. Нижнему по энергии состоянию приписывается нулевой индекс и энергия Е0 = 0. Е0 → Mc2 = (Z т р + N т n )c2 − W0 ; W0 – энергия связи ядра в основном состоянии. Энергии Ei (i = 1, 2, ...) возбуждённых состояний отсчитываются от основного состояния. МэВ + 1,96 52 1,61 72 0,98 32 + 0,58 12 + 0,00 52 24 + + Mg Схема нижних уровней ядра 24 12 Mg . Нижние уровни ядра дискретны. При увеличении энергии возбуждения среднее расстояние между уровнями уменьшается. Рост плотности уровней с увеличением энергии является характерным свойством многочастичных систем. Он объясняется тем, что с увеличением энергии таких систем быстро растет число различных способов распределения энергии между нуклонами. Квантовые числа – целые или дробные числа, определяющие возможные значения физических величин, характеризующих квантовую систему — атом, атомное ядро. Квантовые числа отражают дискретность (квантованность) физических величин, характеризующих микросистему. Набор квантовых чисел, исчерпывающе описывающих микросистему, называют полным. Так состояние нуклона в ядре определяется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n (может принимать значения 1, 2, 3, …), определяющим энергию Еn нуклона; орбитальным квантовым числом = 0, 1, 2, …, n, определяющим величину L орбитального ( + 1) ); квантовым числом момента количества движения нуклона ( L = m ≤ ± , определяющим направление вектора орбитального момента; и квантовым числом mS = ±1/ 2 , определяющим направление вектора спина нуклона. 107 Таблица. Квантовые числа n j m s P Главное квантовое число: n = 1, 2, … ∞. Квантовое число полного углового момента. j никогда не бывает отрицательным и может быть целым (включая ноль) или полуцелым в зависимости от свойств рассматриваемой системы. Величина полного углового момента системы J связана с j соотношением J 2 = 2 j ( j + 1) . J = L + S , где L и S векторы орбитального и спинового угловых моментов. Квантовое число орбитального углового момента. может принимать только целые значения: = 0, 1, 2, … ∞, Величина орбитального углового момента системы L связана с соотношением L2 = 2 ( + 1) . Проекция полного, орбитального или спинового углового момента на выделенную ось (обычно ось z) равна m . Для полного момента тj = j, j−1, j−2, …, −(j−1), −j. Для орбитального момента тℓ = , −1, −2, …, −( −1), − . Для спинового момента электрона, протона, нейтрона, кварка ms = ± 1/2 Квантовое число спинового углового момента. s может быть либо целым, либо полуцелым. s − неизменная характеристика частицы, определяемая ее свойствами. Величина спинового момента S связана с s соотношением S 2 = 2 s(s + 1). Пространственная четность. Она равна либо +1, либо −1 и характеризует поведение системы при зеркальном отражении. Р = (−1) . Наряду с таким набором квантовых чисел, состояние нуклона в ядре можно также характеризовать другим набором квантовых чисел n, l , j , jZ . Выбор набора квантовых чисел определяется удобством описания квантовой системы. Существование сохраняющихся (неизменных во времени) физических величин для данной системы тесно связано со свойствами симметрии этой системы. Так, если изолированная система не изменяется при произвольных поворотах, то у неё сохраняется орбитальный момент количества движения. Это имеет место для атома водорода, в котором электрон движется в сферически симметричном кулоновском потенциале ядра и поэтому характеризуется неизменным квантовым числом ℓ. Внешнее возмущение может нарушать симметрию системы, что приводит к изменению самих квантовых чисел. Фотон, поглощенный атомом водорода, может перевести электрон в другое состояние с другими значениями квантовых чисел. В таблице приведены некоторые квантовые числа, используемые для описания атомных и ядерных состояний. 108 Помимо квантовых чисел, отражающих пространственно-временную симметрию микросистемы, существенную роль играют так называемые внутренние квантовые числа частиц. Ряд из них, такие как спин и электрический заряд, сохраняются во всех взаимодействиях, другие в некоторых взаимодействиях не сохраняются. Так квантовое число странность, сохраняющееся в сильном и электромагнитном взаимодействиях, не сохраняется в слабом взаимодействии, что отражает разную природу этих взаимодействий. Атомное ядро в каждом состоянии характеризуется полным моментом количества движения J . Этот момент в системе покоя ядра называется спином ядра. Для ядра выполняются следующие правила: J = n (n = 0, 1, 2, 3,...), т. е. целое; а) A − чётно б) A – нечётно J = n + 1/2, т. е. полуцелое. Кроме того, экспериментально установлено ещё одно правило: у чётночётных ядер в основном состоянии J gs = 0. Это указывает на взаимную компенсацию моментов нуклонов в основном состоянии ядра – особое свойство межнуклонного взаимодействия. Ĥ ) относительно Инвариантность системы (гамильтониана пространственного отражения – инверсии (замены r → −r ) приводит к закону сохранения чётности и квантовому числу чётности Р. Это означает, что ядерный гамильтониан обладает соответствующей симметрией. Действительно, ядро существует благодаря сильному взаимодействию между нуклонами. Кроме того, существенную роль в ядрах играет и электромагнитное взаимодействие. Оба этих типа взаимодействий инвариантны к пространственной инверсии. Это означает что ядерные состояния должны характеризоваться определенным значением четности Р, т. е. быть либо четными (Р = +1), либо нечетными (Р = −1). Однако, между нуклонами в ядре действуют и не сохраняющие чётность слабые силы. Следствием этого является то, что к состоянию с данной четностью добавляется (обычно незначительная) примесь состояния с противоположной четностью. Типичная величина такой примеси в ядерных состояниях всего 10−6-10−7 и в подавляющем числе случаев может не учитываться. Четность ядра Р как системы нуклонов может быть представлена как произведение четностей отдельных нуклонов рi : Р = р1 ⋅ р 2 ⋅ ⋅ ⋅ р А , причем четность нуклона pi в центральном поле зависит от орбитального l момента нуклона рi = π i ⋅ (−1) i , где π i − внутренняя четность нуклона, равная +1. Поэтому четность ядра в сферически симметричном состоянии может быть представлена как произведение орбитальных четностей (−1) lα нуклонов в этом состоянии: 109 ∑ lα Р = (−1) l1 (−1) l2 ⋅⋅⋅ (−1) l A = (−1) α . На схемах ядерных уровней обычно указывают энергию, спин и чётность каждого уровня. Спин указывается числом, а чётность знаком плюс для чётных и минус для нечётных уровней. Этот знак ставится справа сверху + от числа, указывающего спин. Например, символ 1/2 обозначает чётный уровень со спином 1/2, а символ 3− обозначает нечётный уровень со спином 3. Изоспин атомных ядер. Ещё одна характеристика ядерных состояний – изоспин I. Ядро (A, Z) состоит из A нуклонов и имеет заряд Ze, который можно представить в виде суммы зарядов нуклонов qα , выраженных через проекции их изоспинов (I α )3 A ⎡1 ⎤ ⎛А ⎞ Ze = ∑ e⎢ + (I α )3 ⎥ = е⎜ + I 3 ⎟ , ⎠ ⎝2 ⎦ α =1 ⎣ 2 где A ⎛ 1⎞ ⎛ 1⎞ Z − N I 3 = ∑ (Iα )3 = Z ⎜ + ⎟ + N ⎜ − ⎟ = 2 α =1 ⎝ 2⎠ ⎝ 2⎠ − проекция изоспина ядра I на ось 3 изоспинового пространства. Полный изоспин системы нуклонов A A I = ∑ Iα . α =1 Z−N . В ядре, 2 1 состоящем из A нуклонов, каждый из которых имеет изоспин , возможны 2 N −Z A значения изоспина от до 2 2 Z−N A ≤I≤ . 2 2 A Минимальное значение I = | I 3 |. Максимальное значение I равно и отвечает 2 всем Iα , направленным в одну сторону. Опытным путём установлено, что энергия возбуждения ядерного состояния тем выше, чем больше значение изоспина. Поэтому изоспин ядра в основном и низковозбужденных состояниях имеет минимальное значение Z−N . I gs = I 3 = 2 Электромагнитное взаимодействие нарушает изотропию изоспинового пространства. Энергия взаимодействия системы заряженных частиц изменяется при поворотах в изопространстве, так как при поворотах изменяются заряды частиц и в ядре часть протонов переходит в нейтроны или наоборот. Поэтому реально изоспиновая симметрия не точная, а приближенная. Все состояния ядра имеют значение проекции изоспина I 3 = 110 Потенциальная яма. Для описания связанных состояний частиц часто используется понятие потенциальной ямы. Потенциальная яма — ограниченная область пространства с пониженной потенциальной энергией частицы. Потенциальная яма обычно отвечает силам притяжения. В области действия этих сил потенциал отрицателен, вне – нулевой. Энергия частицы Е есть сумма её кинетической энергии Т ≥ 0 и потенциальной U (может быть как положительной, так и отрицательной). Если частица находится внутри ямы, то её кинетическая энергия Т1 меньше глубины ямы U0, энергия частицы Е1 = Т1 + U1 = Т1 − U0 < 0 и частица не может покинуть яму (находится в связанном состоянии). Частица двигается в потенциальной яме с кинетической энергией Т1, отражаясь от стенок. В квантовой механике энергия частицы, находящейся в связанном состоянии, может принимать лишь определённые дискретные значения, т.е. существуют дискретные уровни энергии. При этом наинизший (основной) уровень всегда лежит выше дна потенциальной ямы. По порядку величины расстояние ΔЕ между уровнями частицы массы m в глубокой яме шириной а даётся выражением ΔЕ ≈ ћ2/ mа2. Пример потенциальной ямы – потенциальная яма атомного ядра глубиной 40−50 МэВ и шириной 10−13–10−12 см, в которой на различных уровнях находятся нуклоны со средней кинетической энергией ≈ 20 МэВ. U (r ) 3 Т3 E3 > 0 0 1 −U0 2 r E1 < 0 Т1 На простом примере частицы в одномерной бесконечной прямоугольной яме можно понять, как возникает дискретный спектр значений энергии. В классическом случае частица, двигаясь от одной стенки к другой, принимает любое значение энергии, в зависимости от сообщенного ей импульса. В квантовой системе ситуация принципиально другая. Если квантовая частица находится в ограниченной области пространства, спектр энергий оказывается дискретным. Рассмотрим случай, когда частица 111 Прямоугольная потенциальная яма. а б Волновая функция частицы в бесконечной прямоугольной яме (а), квадрат модуля волновой функции (б) определяет вероятность нахождения частицы в различных точках потенциальной ямы. массы m находится в одномерной потенциальной яме U ( x) бесконечной глубины. Потенциальная энергия U удовлетворяет следующим граничным условиям ⎧∞ x < 0, x > L U ( x) = ⎨ . ⎩0 0 ≤ x ≤ L При таких граничных условиях частица, находясь внутри потенциальной ямы 0 < x < L , не может выйти за ее пределы, т. е. ψ ( x) = 0, x ≤ 0, x ≥ L . Используя стационарное уравнение Шредингера для области, где U = 0, d 2ψ 2mE + 2 ψ = 0, dx 2 получим положение и спектр энергий частицы внутри потенциальной ямы. Для бесконечной одномерной потенциальной ямы имеем следующее: 1. Энергия частицы принимает определенные дискретные значения. Обычно говорят, что частица находится в определенных энергетических n 2π 2 2 , где n = 1, 2, 3… состояниях. En = 2mL2 2. Частица не может иметь энергию равную нулю, т.е. находиться на дне потенциальной ямы. Минимальное значение энергии E1 = 112 π2 2 2mL2 . 3. Каждому значению энергии En соответствует собственная волновая 2 π nx функция ψn, описывающая данное состояние. ψ n ( x) = sin . L L Плотность вероятности обнаружить частицу в точке х в различных квантовых состояниях определяется квадратом модуля волновой функции 2 ψ n ( x) . 4. Для собственной функции ψ1(x) вероятность обнаружить частицу в точке x = L/2 максимальна. Для состояния ψ2(x) вероятность обнаружения частицы в этой точке равна 0. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же роль, как и второй закон Ньютона в классической механике. Самой поразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностный характер. Вероятностный характер процессов, протекающих в микромире, является фундаментальным свойством микромира. Э.Шредингер: «Обычные правила квантования могут быть заменены другими положениями, в которых уже не вводится каких-либо «целых чисел». Целочисленность получается при этом естественным образом сама по себе подобно тому, как сама по себе получается целочисленность числа узлов при рассмотрении колеблющейся струны. Это новое представление может быть обобщено и, я думаю, что оно тесно связано с истинной природой квантования. Довольно естественно связывать функцию ψ с некоторым колебательным процессом в атоме, в котором реальность электронных траекторий в последнее время неоднократно подвергалась сомнению. Я сначала тоже хотел обосновать новое понимание квантовых правил, используя указанный сравнительно наглядный путь, но потом предпочел чисто математический способ, так как он дает возможность лучше выяснить все существенные стороны вопроса. Существенным мне кажется, что квантовые правила не вводятся больше как загадочное «требование целочисленности», а определяются необходимостью ограниченности и однозначности некоторой определенной пространственной функции. Я не считаю возможным, до тех пор, пока не будут успешно рассчитаны новым способом более сложные задачи, подробнее рассматривать истолкование введенного колебательного процесса. Не исключена возможность, что подобные расчеты приведут к простому совпадению с выводами обычной квантовой теории. Например, при рассмотрении по приведенному способу релятивистской задачи Кеплера, если действовать по указанным вначале правилам, получается замечательный результат: полуцелые квантовые числа (радиальное и азимутальное)… Прежде всего, нельзя не упомянуть, что основным исходным толчком, приведшим к появлению приведенных здесь рассуждений, была диссертация 113 де Бройля, содержащая много глубоких идей, а также размышлений о пространственном распределении «фазовых волн», которым, как показано де Бройлем, всякий раз соответствует периодическое или квазипериодическое движение электрона, если только эти волны укладываются на траектории целое число раз. Главное отличие от теории де Бройля, в которой говорится о прямолинейно распространяющейся волне, заключается здесь в том, что мы рассматриваем, если использовать волновую трактовку, стоячие собственные колебания». М.Лауэ: «Достижения квантовой теории накоплялись очень быстро. Особенно поражающий успех она имела в применении к радиоактивному распаду при испускании α-лучей. Согласно этой теории существует «туннельный эффект», т.е. проникновение через потенциальный барьер частицы, знергия которой согласно требованиям классической механики, недостаточна для перехода через него. Г.Гамов дал в 1928 г. объяснение испускания α-частиц, основанное на этом туннельном эффекте. Согласно теории Гамова атомное ядро окружено потенциальным барьером, но α-частицы имеют определенную вероятность его «перешагнуть». Эмпирически найденные Гейгером и Неттолом соотношения между радиусом действия α-частицы и полупериодом распада получили на основе теории Гамова удовлетворительное объяснение». Статистика. Принцип Паули. Свойства квантовомеханических систем, состоящих из многих частиц, определяются статистикой этих частиц. Классические системы, состоящие из одинаковых, но различимых частиц, подчиняются распределению Больцмана 1 ψ Б ( E ) = α E kT e e В системе квантовых частиц одного типа проявляются новые особенности поведения, не имеющие аналогов в классической физике. В отличие от частиц в классической физике, квантовые частицы не просто одинаковы, но и неразличимы – тождественны. Одна из причин состоит в том, что в квантовой механике частицы описываются с помощью волновых функций, позволяющих вычислить лишь вероятность нахождения частицы в какойлибо точке пространства. Если волновые функции нескольких тождественных частиц перекрываются, то невозможно определить, какая из частиц находится в данной точке. Так как физический смысл имеет только квадрат модуля волновой функции, из принципа тождественности частиц следует, что при перестановке двух тождественных частиц волновая функция либо изменяет знак (антисимметричное состояние), либо не изменяет знак (симметричное состояние). Симметричными волновыми функциями описываются частицы с целым спином – бозоны (пионы, фотоны, альфа-частицы. ...). Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна 114 1 . e e −1 В одном квантовом состоянии может одновременно находиться неограниченное количество тождественных бозонов. Антисимметричными волновыми функциями описываются частицы с полуцелым спином – фермионы (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино). Фермионы починяются статистике Ферми-Дирака 1 . α E kT e e +1 На связь между симметрией волновой функции и спином впервые указал В. Паули. Для фермионов справедлив принцип Паули – два тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Принцип Паули определяет строение электронных оболочек атомов, заполнение нуклонных состояний в ядрах и другие особенности поведения квантовых систем. С созданием протон-нейтронной модели атомного ядра можно считать завершенным первый этап развития ядерной физики, в котором были установлены основные факты строения атомного ядра. Первый этап начался в фундаментальной концепции Демокрита о существовании атомов – неделимых частиц материи. Установление периодического закона Менделеевым позволило систематизировать атомы и поставило вопрос о причинах, лежащих в основе этой систематики. Открытие электронов в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном разрушило представление о неделимости атомов. Согласно модели Томсона, электроны – составные элементы всех атомов. Открытие А. Беккерелем в 1896 г. явление радиоактивности урана и последующее открытие П.Кюри и М.Склодовской-Кюри радиоактивности тория, полония и радия впервые показали, что химические элементы не являются вечными образованиями, они могут самопроизвольно распадаться, превращаться в другие химические элементы. В 1899 г. Э. Резерфордом было установлено, что атомы в результате радиоактивного распада могут выбрасывать из своего состава α -частицы – ионизованные атомы гелия и электроны. В 1911 г. Э. Резерфорд, обобщив результаты эксперимента Гейгера и Марсдена, разработал планетарную модель атома. Согласно этой модели атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра радиусом ~ 10−12 см, в котором сосредоточена вся масса атома и вращающихся вокруг него отрицательных электронов. Размер электронных оболочек атома ~ 10−8 см. В 1913 г. Н.Бор развил представление планетарной модели атома на основе квантовой теории. В 1919 г. Э. Резерфорд доказал, что в состав атомного ядра входят протоны. В 1932 г. Дж. Чадвик открыл нейтрон и показал, что в состав атомного ядра входят нейтроны. Созданием в 1932 г. Д. Иваненко, В. Гейзенбергом протоннейтронной модели атомного ядра завершился первый этап развития ядерной физики. Все составные элементы атома и атомного ядра были установлены. α E kT 115 1869 г. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева Ко второй половине XIX столетия усилиями химиков была накоплена обширная информация о поведении химических элементов в различных химических реакциях. Было установлено, что только определенные комбинации химических элементов образуют данное вещество. Было обнаружено, что некоторые химические элементы имеют примерно одинаковые свойства, в то время как их атомные веса сильно различаются. Д. И. Менделеев проанализировал связь между химическими свойствами элементами и их атомным весом и показал, что химические Дмитрий Менделеев свойства элементов расположенных по мере (1834 – 1907) возрастания атомных весов повторяются. Это послужило основой созданной им периодической системы элементов. При составлении таблицы Менделеев обнаружил, что атомные веса некоторых химических элементов выпадают из полученной им закономерности, и указал, что атомные веса этих элементов определены неточно. Более поздние точные опыты показали, что действительно первоначально определенные веса были неправильны и новые результаты соответствовали предсказаниям Менделеева. Оставив в таблице незаполненными некоторые места, Менделеев указал, что здесь должны находиться новые ещё не открытые химические элементы и предсказал их химические свойства. Так были предсказаны и затем открыты галлий ( Z = 31 ), скандий ( Z = 21 ) и германий ( Z = 32 ). Потомкам Менделеев оставил задачу объяснения периодических свойств химических элементов. Теоретическое объяснение периодической системы элементов Менделеева, данное Н.Бором в 1922 г. было одним из убедительных доказательств правильности зарождающейся квантовой теории. 116 Атомное ядро и периодическая система элементов Основой успешного построения периодической системы элементов Менделеевым и Логар Мейером явилось представление о том, что атомный вес может служить подходящей константой для систематической классификации элементов. Современная атомная теория подошла, однако, к истолкованию периодической системы, совершенно не затрагивая атомного веса. Номер места какого-нибудь элемента в этой системе и вместе с тем его химические свойства однозначно определяются положительным зарядом атомного ядра, или, что то же самое, числом отрицательных электронов, расположенных вокруг него. Масса и строение атомного ядра не играют при этом никакой роли; так, в настоящее время мы знаем, что существуют элементы или, вернее, виды атомов, которые при одном и том же числе и расположении внешних электронов обладают значительно разнящимися атомными весами. Такие элементы называются изотопами. Так, например, в плеяде изотопов цинка атомный вес распределяется от 112 до 124. Наоборот, есть элементы, обладающие существенно различными химическими свойствами, которые обнаруживают одинаковый атомный вес; их называют изобарами. Примером может служить атомный вес 124, который найден для цинка, теллура и ксенона. Для определения химического элемента достаточно одной константы, а именно – числа отрицательных электронов, расположенных вокруг ядра, так как все химические процессы протекают среди этих электронов. Число протонов n2, находящихся в атомном ядре, определяют его положительный заряд Z, а тем самим и число внешних электронов, обусловливающих химические свойства этого элемента; некоторое число нейтронов n1 заключенных в этом же ядре, в сумме с n2 дает его атомный вес A = n1 + n2. Обратно, порядковый номер Z дает число содержащихся в атомном ядре протонов, а из разности между атомным весом и зарядом ядра A – Z получается число ядерных нейтронов. С открытием нейтрона периодическая система получила некоторое пополнение в области малых порядковых номеров, так как нейтрон можно считать элементом с порядковым числом, равным нулю. В области высоких порядковых чисел, а именно от Z = 84 до Z = 92, все атомные ядра неустойчивы, спонтанно радиоактивны; поэтому можно предположить, что атом с зарядом ядра еще более высоким, чем у урана, если он только может быть получен, должен быть также неустойчивым. Ферми и его сотрудники недавно сообщили о своих опытах, в которых при обстреле урана нейтронами наблюдалось появление радиоактивного элемента с порядковым номером 93 или 94. Вполне возможно, что и в этой области периодическая система имеет продолжение. Остается прибавить только, что гениальным предвидением Менделеева рамки периодической системы так широко предусмотрены, что каждое новое открытие, оставаясь в объеме их, еще более укрепляет ее. Л. Мейтнер. 117 10. Модели атомных ядер Атомные ядра являются связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. В атомном ядре проявляются три типа взаимодействий. • Сильные взаимодействия между нуклонами приводят к образованию связанного состояния A нуклонов. • Электромагнитные взаимодействия приводят с одной стороны к расталкиванию между протонами, что ослабляет связь в атомном ядре, с другой стороны взаимодействие магнитных моментов нуклонов приводит к большому разнообразию ядерных состояний. • Слабое взаимодействие между нуклонами приводит к взаимным превращениям нейтронов и протонов в атомном ядре — явлению β -распада атомных ядер. В основе всех моделей строения вещества до открытия нейтрона господствовала концепция электрического строения вещества. Электрическое взаимодействие связывало атомное ядро и электроны атомных оболочек. Атомное ядро считалось состоящим из протонов и электронов. Факт вылета из ядра электронов при β-распаде считался несомненным доказательством того, что электроны находятся в ядре. Даже предсказанная Резерфордом нейтральная частица, которая была открыта Чадвиком, считалась сильно связанным состоянием протона и электрона. Ситуация изменилась, когда пришло понимание, что нейтрон является такой же элементарной частицей как и протон. Было очевидно, что протон-нейтронную модель ядра по аналогии с моделью атома необходимо создавать на основе законов квантовой теории. Однако оставался открытым вопрос о том, какие силы связывают протоны и нейтроны в ядре. Изучение свойств ядерных сил стало центральной задачей ядерной физики. Было очевидно, что это силы не электрической природы, что они действуют на расстоянии меньше 10–12 см, что это силы притяжения, о чем свидетельствовало существование связанной системы – дейтрон, состоящей из протона и нейтрона. Дейтрон имеет размер ~2,3 фм и энергию связи 2,2 МэВ. Атомные ядра имеют радиусы от 2 до 8 фм. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон для большинства атомных ядер, составляет от 5 до 9 МэВ. Ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядре в тысячи раз превосходят электромагнитные силы на расстояниях ядерных масштабов. Возникло представление о новом типе взаимодействий – ядерном взаимодействии, которое связывает протоны и нейтроны в атомные ядра. Представление о протон-нейтронном составе атомных ядер поставило задачу выяснения особенностей сил, связывающих протоны и нейтроны. Такие силы, получившие название ядерных сил, был неизвестны. Теоретическое описание таких сил столкнулось с трудностями, так как 118 • Ядро состоит из сравнительно большого числа нуклонов, поэтому было очевидно, что решение должно быть получено с использованием приближенных методов. • Свойства ядерных сил, особенно на малых расстояниях, были неизвестны. Ядерное взаимодействие. Потенциал. Г. Гамов, 1932 г.: «Как хорошо известно, масса какого-либо ядра не равна сумме масс входящих в его состав протонов и электронов, а меньше последней на некоторую величину ∆М, носящую название полного дефекта массы и связанную с полной энергией внутренней связи ядра релятивистским соотношением: E = ∆М·c2, где c скорость света. Точные измерения атомных весов различных изотопов, которыми мы обязаны, главным образом, работам Астона (Aston), дают нам возможность вычислить эти энергии связи для целого ряда ядер. В первом приближении мы можем считать полную энергии связи пропорциональной числу составных частей ядра. Само собой напрашивается, однако, предположение, что в сложных ядрах элементарные его составные части (протоны и электроны) соединяются в некоторые устойчивые образования, играющие и сложных ядрах самостоятельную роль. Такими единицами второго порядка могут, например, являться недавно открытые простейшие ядра-нейтроны (протон + электрон), ядра водородного изотопа (два протона + электрон) и, наконец, давно известные, чрезвычайно устойчивые ядра гелия или α-частицы (четыре протона + два электрона). Делая определенные гипотезы о составе ядра, мы можем получить энергию, связывающую между собой эти составные части, вычитая из полной энергии ядра внутреннюю энергию этих образований. Совершенно новым предположением относительно составных частей ядра является предположение, бывшее непосредственным следствием открытия нейтронов, согласно которому каждый ядерный электрон связан в первую голову с одним из ядерных протонов, образуя нейтрон. Таким образом мы имеем в ядре Z протонов и A – Z нейтронов, которые, в свою очередь, соединяясь в группы по две пары, образуют α-частицы. Таким образом мы получаем следующий состав ядра: для четного атомного номера Z/2 α-частиц и A – 2Z нейтронов; для нечетного атомного номера Z/2 – 1 α-частиц, А – 2Z + 1 нейтрона и один протон. Мы видим, что при таком предположении число α-частиц в тяжелых ядрах будет несколько меньше, чем при прежнем предположении (например, для ртути Z = 80, А = 200, число α-частиц согласно новой гипотезе, равно всего 40 вместо 50). Перейдем теперь к рассмотрению вопроса об устойчивости атомного ядра по отношению к различным преобразованиям. Для этого необходимо прежде всего сделать определенные предположения о характере взаимодействия между различными составными частями ядра. Для взаимодействия двух протонов, которые мы можем здесь рассматривать 119 e2 как точечные заряды (поскольку радиус протона rp = = 2 ⋅ 10 −16 см 2 mpc значительно меньше радиуса ядра), мы можем спокойно принять кулоновские силы отталкивания с потенциалом. Взаимодействие между протоном и нейтроном, или же между двумя нейтронами будет, очевидно, сказываться лишь на расстояниях, сравнимых с размерами нейтрона (т. е. несколько × 10-13 см) и весьма быстро спадать при удалении частиц. Пользуясь аналогией, взятой из области взаимодействия атомов и ионов, мы можем предположить, что в обоих случаях будут иметь место силы притяжения, причем при взаимодействии протона с нейтроном взаимная потенциальная энергия – I(r) будет значительно больше, нежели энергия – K(r), соответствующая взаимодействию двух нейтронов. Здесь необходимо указать, что относительно потенциалов – I(r) и – K(r) нужно сделать еще одно добавочное предположение, а именно: при слишком уже тесном сближении частиц эти потенциалы должны начать возрастать; давая начало силам отталкивания, ибо в противном случае модель ядра не будет устойчивой, обнаруживая тенденцию стянуться в точку. Что касается взаимодействия между α-частицами, то оно будет, очевидно, слагаться из кулоновского отталкивания и из средней силы перекрестного взаимодействия входящих в их состав протонов и нейтронов, Последнее приводит, как можно показать, к притяжению с потенциальной энергией,, близкой к взаимодействию нейтронов (силы, связанные с потенциалом I(r), взаимно уничтожаются), так что мы можем написать для потенциальной энергии двух α-частиц: 4e 2 + − L(r ) , r где L(r) = K(r) также, весьма быстро убывает с расстоянием. Рассмотрим теперь, как будет вести себя совокупность таких частиц с массами примерно одного порядка, притягивающихся друг к другу с силами, 120 весьма быстро убывающими с расстоянием (кулоновскими силами отталкивания внутри ядра можно в первом приближении пренебречь). Состояние такой системы должно быть весьма аналогично тому, что мы имеем в небольшой капле жидкости, где внутри силы, действующие на какую-либо частицу, уравновешиваются (ибо радиус действия сил меньше радиуса, ядрах), а вблизи поверхности возникают мощные силы, препятствующие частице покинуть каплю (поверхностное натяжение). Хотя точного решения задачи о такой совокупности до сих пор не имеется, мы можем сделать ряд интересных заключений о свойствах такой модели. Прежде всего, мы должны предположить, что объем такой модели будет примерно пропорционален числу частиц, так что радиус будет изменяться примерно как кубический корень из атомного веса. Потенциальная энергия для данной частицы внутри такой модели должна быть более или менее постоянной и резко возрастать у границ, образуя, таким образом, своего рода «потенциальную яму». Из вышесказанного о характере сил взаимодействия между различными частицами в ядре следует, что «дно» этой «ямы» для протона будет лежать значительно ниже, нежели для нейтронов или α-частиц. Полная энергия такой модели должна быть примерно пропорциональна числу частиц. Мы не должны, однако, забывать о наличии сил кулоновского отталкивания. Эти силы не могут изменить существенно распределения потенциала внутри ядра, где главную роль играют силы притяжения. Однако эти силы принизят значения потенциала на больших расстояниях и приведут к образованию вокруг ядра потенциального барьера, играющего столь важную роль в теории ядерных превращений. Это поднятие потенциальной ямы относительно значения потенциала в бесконечности будет, очевидно, совершенно отсутствовать для нейтронов, лишенных заряда, а для протока будет в два раза меньше; чем для α-частицы. Распределение потенциала в ядре при учете кулоновских сил указано на рисунке, где взят случай тяжелого ядра, в котором уровень α-частицы уже поднялся выше нулевого уровня, обусловливая этим возможность самопроизвольного α-распада. До сих пор мы рассматривали находящиеся в ядре нейтроны как неделимые, единицы, и поэтому могли строить модель ядра на основе привычной механики. Теперь мы обратимся к распадению ядерного нейтрона на протон и электрон и выбрасыванию этого последнего за пределы атома, т. е. к столь загадочному явлению β-распада. Как хорошо известно, β-распад представляет один из наиболее резких примеров неповиновения электрона всем принципам современной теории. В то время как при ядерных реакциях с участием тяжелых частиц мы всегда имеем дело с резко выраженными квантовыми уровнями и строгим соблюдением баланса энергии, в случае β-превращений – ни то, ни другое не имеет места. Как показали экспериментальные исследования Эллиса (Ellis), электроны, выбрасываемые при распаде различными атомами, одного и того же вещества, имеют самые разнообразные значения энергии, изменяющиеся 121 непрерывно между нулем и как угодно большими значениями, причем кривая распределения имеет вид, весьма сходный с кривой ошибок. Какое-либо другое излучение, могущее компенсировать созданную таким образом разность энергии между различными ядрами, полностью отсутствует, а между тем все свойства и дальнейшее поведение ядер до и после распада совершенно идентичны. С чисто экспериментальной точки зрения дело здесь выглядит так, как будто мы имеем дело с нарушением закона сохранения энергии. Кроме этого основного факта имеется еще целый ряд не менее основательных аргументов, говорящих, что с ядерными электронами дело плохо; сюда относятся, например, невязки в статистике ядер и величин их вращательных моментов. Причины всех этих непорядков лежат в том, что, как указал Бор (Bohr), мы здесь выходим уже за границы области, где можно применять классическое понятие электрона. В самом деле, для радиуса электрона мы имеем по классической теории значение e2 = 8 ⋅ 10 −13 см , re = 2 me c т. е. величину, сравнимую с размерами той области, где электрон вынужден двигаться, а при этих условиях такое грубее представление об электроне как заряженном шарике, конечно, не применимо. В связи с этим стоит тот факт, что, оценивая возможную скорость электрона в ядре согласно основам квантовой теории, мы приходим к величине, столь близкой к скорости света (0,9998 с), что о пренебрежении теорией относительности не может быть и речи, а между тем мы не имеем по сию пору релативистской теории квантов. Пока такая общая теория, являющаяся органическим синтезом современной нерелативистской теории квантов (волновой механики) и неквантовой релативистики, не будет построена, об истинном понимании процесса β-распада не может быть и речи. Однако уже сейчас мы можем пытаться строить рабочие теории β-распада, пользуясь старыми понятиями. Основное положение теории β-устойчивости и β-распада, предложенной недавно Гейзенбергом, заключается в том, что, закрывая глаза на неопределенность энергии β-частиц, необходимым и достаточным условием возможности распада принимается положительность соответствующего энергетического баланса. Рассмотрим ядро, состоящее исключительно из п «слипшихся» друг с другом нейтронов. Поскольку между нейтронами существуют лишь силы притяжения, такое ядро будет, конечно, устойчивым по отношению к нейтронам, т. е., извлекая из ядра нейтрон, мы затратим некоторую работу, которая, очевидно, будет порядка – K(r), где r – среднее расстояние между частицами в ядре. Вынутый нейтрон разложим на протон и электрон, на что потребуется работа, определяемая внутренней энергией связи нейтрона D (эта величина весьма незначительна и равна, согласно измерениям Чадвика, всего одному или двум миллионам вольт, тогда как энергии K(r) и I(r) измеряются десятками миллионов). Теперь вернем 122 полученный протон ядру, получив при этом энергию порядка + I(r); поскольку I (r ) K (r ) , то при таком процессе мы будем иметь положительный баланс энергии. Нетрудно, однако, видеть, что произведенная реакция эквивалентна просто выниманию из ядра одного электрона и, поскольку баланс энергии положителен, мы должны ожидать наличия самопроизвольного β-раcпада. Таким образом, первоначально нейтральное, ядро начнет испускать последовательный ряд β-частиц, общее число n1 входящих в его состав нейтронов начнет уменьшаться, давая начало все большему числу n2 протонов. Однако этот процесс не дойдет до конца; ввиду возрастания положительного заряда ядра, введению в него новых протонов будут противодействовать кулоновские силы отталкивания, и наконец, «замена нейтрона протоном» сделается заменой энергетически невыгодной». Ядерное взаимодействие. Обмен частицами. В 1934 г. с взаимными ссылками Д. Иваненко и И. Тамм опубликовали работы, в которой они впервые рассмотрели ядерные силы как обмен электроном и антинейтрино. Это были первые работы, в которых ядерные силы рассматривались как обмен частицей с массой отличной от нуля. Это фактически означало, что в отличие от гравитационного и электромагнитного излучения радиус действия не бесконечен. Однако, естественно массы электрона не хватало для того, чтобы правильно описать радиус действия ядерных сил. И. Тамм: «Ферми недавно развил теорию β -радиоактивности, основанную на предположении о возможном превращении нейтрона в протон и наоборот, сопровождающемся возникновением или исчезновением электрона и нейтрино. В этой теории можно получить обменные силы между нейтроном и протоном, введенные Гейзенбергом более или менее феноменологически. (Та же идея, совершенно независимо, возникла у моего друга Д. Иваненко, с которым я имел возможность обсуждать этот вопрос). Рассмотрим две тяжелые частицы a и b , где a означает состояние нейтрона, а b — протона- Если а станет протоном, а b — нейтроном, то энергия не изменится. Эти два вырожденных состояния данной системы могут быть связаны двухступенчатым процессом - излучением электрона и нейтрино нейтроном а, который тем самым превращается в протон, с последующим поглощением этих легких частиц протоном b , который становится нейтроном. В промежуточном состоянии энергия этой системы в общем не сохраняется (ср. с теорией дисперсии). Также может иметь место излучение и поглощение позитрона и нейтрино. Таким образом, два вырожденных состояния рассматриваемой системы расщепляются на два энергетических состояния, различающихся знаком обменной энергии». Решающий шаг в развитии концепции ядерных сил как обмена массивной частицей был сделан Х. Юкава. В 1935 г. Х. Юкава предположил по аналогии с электромагнитным взаимодействием, что ядерные силы обусловлены существованием новой частицы, переносящей ядерное 123 взаимодействие. Массу этой частицы ≈ 150 МэВ он оценил, исходя из радиуса действия ядерных сил. Открытие π-мезона в 1947 г. явилось подтверждением правильности идеи Х. Юкава. Ядерные силы – новый тип взаимодействий в физике. Ядерные силы оказались гораздо более сложными по сравнению с электромагнитными и гравитационными. Ядерные силы, имеющие характер притяжения на расстоянии ~ 1 ÷ 5 Ферми, сменяются силами отталкивания на расстоянии < 0,5 Ферми. V , МэВ 100 отталкиван ие p n 50 1 2 0 3 π r, Фм − 50 притяжение n p − 100 Однопионное np-взаимодействие Радиальная зависимость нуклон-нуклонного потенциала Концепция мезонного обмена особенно хорошо работает на сравнительно больших расстояниях (≥ 2 Фм), на которых можно не учитывать внутреннюю структуру мезонов и рассматривать их как точечные частицы. На рисунке показана диаграмма np-взаимодействия, осуществляемого однопионным обменом. Эта диаграмма – простейшая из возможных диаграмм np-взаимодействия. В него в данном случае вовлечены только по одному валентному кварку каждого нуклона – d (нейтрон) и u (протон). Используя связь между радиусом сил а и массой m переносчика взаимодействия а= , тс которая следует из соотношения неопределенностей для виртуальной частицы, получаем при характерном ядерном расстоянии а ≈ 1.5 Фм тπ с 2 = с 200 МэВ ⋅ Фм ≈ 130 МэВ. ≈ а 1.5 Фм 124 Х. Юкава, 1935 г.: «На данном этапе развития квантовой теории ещё очень мало известно о природе взаимодействия элементарных частиц. Гейзенберг считал, что важную роль в строении ядра играет взаимодействие обменного типа между нейтроном и протоном. Недавно Ферми рассмотрел проблему β -распада на основе гипотезы о «нейтрино». Согласно этой теории нейтрон и протон могут взаимодействовать, излучая и поглощая пару частиц - нейтрино и электрон. К сожалению, энергия взаимодействия, вычисленная в этом предположении, чрезмерно мала по сравнению с энергией связи между нейтроном и протонами в ядре. Чтобы устранить данный недостаток, по-видимому, естественно видоизменить теорию Гейзенберга и Ферми следующим образом. Переход тяжелой частицы из состояния нейтрино в состояние протона не всегда сопровождается испусканием лёгких частиц, т.е. нейтрино и электрона, но иногда энергия, освобождаемая при переходе, поглощается другой тяжелой частицей, которая в свою очередь переходит из состояния протона в состояние нейтрона. Если вероятностью последнего процесса больше, нежели вероятность первого, то взаимодействие между нейтроном и протоном будет гораздо сильнее, чем в случае рассмотренном Ферми, в то время как вероятностью испускания лёгких частиц существенно не изменится. Оказывается такое взаимодействие между элементарными частицами можно описать с помощью поля сил так же, как описывается полем взаимодействие частиц. электромагнитным заряженных Приведенные выше соображения показывают, что взаимодействие тяжелых частиц с этим полем значительно сильнее взаимодействия с ним лёгких частиц. В квантовой теории этому полю должен соответствовать новый тип квантов подобно тому, как электромагнитному полю соответствует фотон… Потенциал взаимодействия между нейтроном и протоном должен быть не кулоновским, но убывающим по мере увеличения расстояния − λr 2 e гораздо быстрее. Это можно выразить, например, функцией ± g , где g r - постоянная с размерностью электрического заряда, λ - постоянная с размерностью см −1 . Константы g и λ должны быть определены путем сравнения с экспериментальными данными… Приблизительный расчет показывает, что теоретические значения совпадают с результатами эксперимента, если принять λ = 1012 ÷ 1013 см −1 , а для g значение в несколько раз превышающее заряд электрона, хотя никакой прямой зависимости между g и e в приведенных выше рассуждениях не предполагалось… Положив λ = 5 ⋅ 1012 см −1 , получаем для m значение в 2 ⋅ 10 2 раз превышающее массу электрона. Поскольку квант с такой большой массой и положительным или отрицательным зарядом никогда не наблюдался, изложенная теория находится, по-видимому, на неверном пути. Однако мы в состоянии показать, что в условиях обычных ядерных превращений подобный квант не может быть излучен во внешнее пространство. 125 1935 г. Х. Юкава разработал теорию ядерного взаимодействия и предсказал частицу, связывающую протоны и нейтроны в ядре. Хидеки Юкава (1907 –1981) Диаграммы N-N взаимодействий N N N N N N N ω π(140МэВ) η(549МэВ) ρ(770МэВ) N N N N N N N (782МэВ) N N Пионы описывают NN взаимодействие на расстояниях 1.5 – 2 Фм. На меньших расстояниях должен происходить обмен более тяжёлыми мезонами − ω ( тω с 2 = 782 МэВ), η ( тη с 2 = 549 МэВ) и ρ ( тρ с 2 =770 МэВ). Особую роль в этой области расстояний играет обмен ω-мезоном. Характер взаимодействия зависит от спина частицы, переносящей взаимодействие. Обмен векторными частицами J=1 приводит к отталкиванию между нуклонами. Это отталкивание является аналогом отталкивания двух одноимённых зарядов в электростатике. Обмен скалярными мезонами J=0 приводит к притяжению между нуклонами. Jp π η ρ ω 0-(1) 0-(0) 1-(1) 1-(0) Нобелевская премия по физике 1949 г. Х. Юкава За предсказание существования мезонов на основе теоретических работ по ядерным силам 126 Информацию о свойствах ядерных сил можно получить, изучая простейшую ядерную систему дейтрон или в экспериментах по рассеянию нуклона на нуклоне. Казалось, что, имея информацию о ядерных силах, действующих между нуклонами, проблему структуры атомных ядер в принципе можно свести к задаче решения уравнения Шредингера для системы A частиц. Однако было очевидно, что такая задача в общем случае не может быть решена. Каждое атомное ядро – уникальный физический объект, имеющий присущие только ему специфические особенности. Взаимодействие нуклонов в ядре видоизменяется по сравнению с взаимодействием свободных нуклонов. Это различие обусловлено действием принципа Паули – в ядре проявляются такие особенности взаимодействия нуклонов, которых нет во взаимодействии свободных нуклонов. Кроме того, в ядерной системе проявляется многочастичный характер ядерных сил, приводящий к образованию в ядре кластерных образований. Наиболее яркий пример — образование α -кластеров в ядрах. Многие характеристики ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов отличаются от характеристик соседних ядер с нечетным числом нейтронов или протонов. Структура и свойства деформированных ядер отличаются от характеристик сферических ядер. Поэтому обычно используют различные модели атомных ядер. Большую роль в моделях атомных ядер играет концепция среднего ядерного поля и остаточного взаимодействия, не включенного в среднее поле. На основе этой концепции удалось объяснить, почему свойства ядер, имеющих близкие значения чисел протонов и нейтронов, сильно различаются друг от друга. В микроскопических расчетах среднее поле выбирается в виде потенциала Вудса-Саксона. Парные взаимодействия между нуклонами объясняют нулевое значение спина всех четно-четных ядер. Спинорбитальное взаимодействие между нуклонами совместно с принципом Паули объясняют последовательность заполнения нуклонных оболочек Существует несколько моделей ядерной структуры, которые на первый взгляд кажутся противоречащими друг другу. Однако эти модели вовсе не исключают друг друга, а касаются различных свойств ядра и поэтому дополняют друг друга. Каждая модель ядра основывается на экспериментальных фактах и позволяет объяснить некоторые их выделенные свойства. Несмотря на то, что ядерные модели имеют ограниченную область применения, тем не менее, они играют важную роль в развитии теории ядра и в их рамках получен ряд существенных результатов. Модель жидкой капли. Одной из первых моделей атомного ядра была модель жидкой капли, в которой атомное ядро рассматривалось как сферическая капля несжимаемой ядерной жидкости радиуса R ≈ 1,3 A1 3 Фм. Точные измерения показали, что вес ядра не равен сумме весов, входящих в состав ядра нуклонов, а меньше этой величины на несколько десятых процента. Разность этих величин – энергия связи ядра – энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны. В 1935 г. К. Вайцзеккер написал полуэмпирическую формулу для энергии связи ядер, в которой энергия связи 127 ядра представлялась суммой объемной поверхностной и кулоновской энергий, энергии симметрии и энергии спаривания нуклонов Z ( Z − 1) ( N − Z )2 23 Eсвязи = α1 A + α 2 A + α3 + α4 + α5 A−3 4 . 13 A A Подбором коэффициентов α1 – α5, Вайцзеккеру удалось описать энергии связи стабильных ядер с точностью ~ 0,1%. Капельная модель дает правильное представление о массе и энергии связи ядра. На основе капельной модели можно рассчитать энергии распадов атомных ядер, получить зависимость между числом протонов и нейтронов в стабильных ядрах, грубо оценить области существования атомных ядер. Капельная модель ядра объяснила, почему максимум стабильности атомных ядер находится в районе 56Fe. Наибольшим успехом капельной модели ядра явилась полуколичественная теория деления атомных ядер. Однако капельная модель столкнулась с рядом проблем, в частности, она была не в состоянии объяснить асимметрию массового распределения осколков деления – капельная модель предсказывает деление ядра на два осколка одинаковой массы. Вне компетенции капельной модели находятся описания спинов и четностей ядер Модель оболочек. Модель оболочек основывается на том, что свойства ядер, подобно свойствам атомов, обнаруживают определенную периодичность при изменении чисел протонов и нейтронов. На фоне довольно плавной зависимости энергии связи ядер от массового числа A встречаются ядра, в которых энергия связи больше чем в соседних ядрах. В этих ядрах также увеличена энергия отделения нуклона. Они имеют повышенную распространенность в природе. Такие ядра получили название магических, а числа протонов и нуклонов в них, соответствующие повышенной стабильности – магических чисел. Магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Ядра с магическим числом нейтронов имеют необыкновенно малое сечение поглощения нейтронов. Попытки построения моделей ядра, в которых нуклоны подобно электронам в атоме движутся независимо друг от друга в потенциальной яме, предпринимались неоднократно. Однако в таких моделях удавалось объяснить только первые три магических числа. Кроме того, независимое движение нуклонов в потенциальной яме казалось совершенно невозможным, т.к. в ядре в отличие от атома нет выделенного силового центра. Короткодействующий характер ядерных сил, казалось, исключал введение результирующего среднего поля. В 1949 г. М. ГеппертМайер и Дж. Иенсен сделали решающий шаг в становлении оболочечной модели ядра. Они показали, что в ядерном потенциале необходимо учитывать спин-орбитальное взаимодействие нуклона – взаимодействие спина нуклона с его орбитальным моментом количества движения. Благодаря этому им удалось воспроизвести все магические числа. Они указали также на важность учета принципа Паули при рассмотрении движения нуклонов в ядре. 128 Энергия связи ядра Eсв ( A, Z ) = [ Zm p + ( A − Z )mn − M ( A, Z )]c 2 Формула Вайцзеккера ( A − 2Z )2 + aA−3/ 4 МэВ, Eсв ( A, Z ) = 15,75 A − 17,8 A2/3 − 0,71Z ( Z − 1) A−1/3 − 23,6 A ⎧−34 МэВ для нечетно-нечетных ядер (нечетные N и Z ), ⎪ a= ⎨ 0 для четно-нечетных ядер и нечетно-четных ядер, ⎪+34 МэВ для четно-четных ядер (четные N и Z ). ⎩ Вклад различных членов в удельную энергию связи ядра ε = Eсв . A Разность Δ между предсказаниями формулы Вайцзеккера и экспериментальными значениями энергии связи ядер с различными числами нейтронов N. Наиболее сильные расхождения с экспериментальными значениями наблюдаются в окрестностях магических чисел нейтронов N = 20, 28, 50, 82, 126. 129 1948 г. Оболочечная модель ядра Мария Гепперт-Майер (1906 – 1972) l Ханс Йенсен (1906 – 1973) j = l −1 / 2 j = l +1/ 2 При учете спин-орбитального взаимодействия снимается вырождение по полному моменту j нуклона, который при данном l в зависимости от ориентации спина s = 1/ 2 относительно момента количества движения l принимает два значения j = l ± 1/ 2 . Ниже по энергии опускается уровень j = l + 1/ 2 , т.к. в этом случае нуклон сильнее взаимодействует с другими нуклонами ядра. В оболочечной модели ядра состояния нуклона описываются с помощью четырех квантовых чисел - n , l , j , jZ , где n - главное квантовое число, l - орбитальный момент нуклона, j - полный момент количества движения нуклона, jZ - проекция полного момента количества движения. В сферически симметричной системе состояния нуклона с разными значениями jZ вырождены. Нобелевская премия по физике 1963 г. — М. Гепперт-Майер и Г. Йенсен За открытия в области ядерной модели оболочек. 130 Модель оболочек Одночастичные уровни в сферически-симметричном потенциале. 131 Нейтронные одночастичные состояния Зависимость энергии нейтронных одночастичных состояний от массового числа A сферически симметричных атомных ядер 132 М. Гепперт-Майер: «Располагая уровни в надлежащем порядке, мы должны принимать во внимание спин-орбитальную связь. Орбиту отдельного нуклона нельзя уже полностью характеризовать лишь орбитальным импульсом l, нужно кроме l учесть еще и j = l ± ½ … Разность энергий двух уровней с одним и тем же l, но с разным j, растет с увеличением l. Предлагаемая модель подразумевает некоторые утверждения, которые можно сравнить с опытными данными. Речь идет о том, что ядро с замкнутой оболочкой протонов и нейтронов обладает равным нулю моментом импульса. Если добавить к ней еще один нуклон, то полный момент будет равен моменту этого одного нуклона. Мы можем предсказать по нашей схеме уровней, что это будет означать. Во всех случаях оказывается полное соответствие между предсказанием и результатами эксперимента». Возбужденные состояния атомных ядер. Много ценной информации о свойствах атомных ядер дает изучение возбужденных состояний атомных ядер. Средние и тяжелые ядра с достаточно хорошим приближением можно описать как состоящие из нуклонов, расположенных в заполненных оболочках – кор ядра, и нуклонов, находящихся во внешней незаполненной оболочке. Силы спаривания связывают нуклоны в пары с нулевым угловым моментом. Простейшим возбуждением ядра является одночастичный спектр, который обусловлен переходами неспаренного нуклона между уровнями незаполненной оболочки. Эффект спаривания нуклонов сыграл существенную роль в развитии модели оболочек, т.к. оказалось возможным объяснить многие свойства нечетных ядер, используя состояние последней нечетной частицы. Такие спектры наблюдаются в тех случаях, когда число нуклонов в незаполненной оболочке мало. Успехом модели оболочек было объяснение вероятности γ -переходов. Было показано, что вероятность γ -переходов увеличивается с увеличением энергии γ -перехода. Однако в ещё большей степени вероятность γ переходов зависит от значений спинов и четностей состояний, между которыми происходит переход. Различают электрические и магнитные мультипольные переходы. Модель оболочек предсказала области изомерных состояний атомных ядер – острова изомерии. Наиболее просто выглядит спектр возбуждённых состояний ядер с одним нуклоном или «дыркой» сверх заполненных оболочек. Нижние возбуждения такого ядра образуются перемещением этого внешнего нуклона на более высокие подоболочки ядра. Примерами возбуждений такого типа 209 являются нижние возбужденные состояния ядер 207 82 Pb и 82 Pb . Первое из этих ядер – это ядро с нейтронной дыркой в дважды магическом коре 208 82 Pb , второе – с одним нейтроном сверх этого же кора. В основном состоянии ядро 207 82 Pb имеет одну вакансию (дырку) в подоболочке 3 p1/ 2 . Поэтому спин J и − 209 четность основного состояния J P ( 207 82 Pb ) = 3/ 2 . Ядро 82 Pb в основном состоянии имеет одну частицу на подоболочке 2 g9 / 2 сверх заполненного остова 208 92 + Pb . J P ( 209 82 Pb ) = 9 / 2 . Возбужденные состояния в изотопах 133 207 Pb и Pb обусловлены соответственно переходам нейтронной дырки (ядро 207 82 Pb ) или нейтрона (ядро 209 82 Pb ) между одночастичными уровнями при неизменном дважды магическом коре 208 82 Pb (Z = 82, N = 126). Одночастичные переходы в 209 ядре происходят между одночастичными состояниями, 82 Pb расположенными над уровнем Ферми. В ядре 20827 Pb одночастичные переходы происходят одночастичными состояниями, расположенными ниже уровня Ферми. 209 Нейтронные подоболочки ядра 208Pb и нижние состояния ядер 207Pb и 209 Pb. Слева от уровня указана его энергия в МэВ. Показано количество нейтронов, заполняющих в основном состоянии внешние подоболочки ядра 208Pb. По мере заполнения внешней оболочки начинают проявляться коллективные эффекты. Форма атомных ядер может изменяться в зависимости от того, в каком возбужденном состоянии оно находится. Так, например, ядро 186 Pb в основном состоянии (0+) сферически симметрично, в первом возбужденном состоянии 0+ имеет форму сплюснутого эллипса, а в состояниях 0+ , 2+ , 4+ , 6+ форму вытянутого эллипсоида. Форма атомного ядра может отличаться от сферически симметричной также и в основном состоянии ядра, о чем свидетельствуют наблюдаемые электрические квадрупольные моменты ядер. 134 Наблюдаемые электрические квадрупольные моменты ядер Q Q= J (2 J − 1) Q0 ( J + 1) ⋅ (2 J + 3) 135 Пока число нуклонов во внешней оболочке мало, их коллективное взаимодействие проявляется в том, что в ядрах происходят колебания около сферически равновесной формы, наблюдается характерный спектр возбужденных состояний, состоящий из состояний положительной четности J P = 0+ , 2+, 4+, описываемых возбуждением одного, двух … квадрупольных фононов J P = 2+ . Примером могут служить спектры возбужденных состояний изотопов 62 Ni и 118 Sn . Увеличение числа нуклонов в незаполненной оболочке вызывает деформацию атомного ядра в основном состоянии. В простейшем случае атомные ядра имеют форму вытянутого эллипсоида Q0 > 0 или сплюснутого эллипсоида Q0 < 0 , что проявляется в характерном вращательном спектре эллипсоидальных деформированных ядер π 2 I ( I + 1) Eвращ = , 2J где I — спин ядра, J — момент инерции ядра. Спин возбужденных состояний ядра I имеет характерную последовательность I = 2 , 4, 6, 8, 10... Примером могут служить вращательные состояния четно-четных деформированных изотопов 178 Hf и 234 U . Низшие возбужденные состояния вращательных спектров ядер расположены наиболее низко по энергии и легко возбуждаются в реакции под действием тяжелых ионов. 62 28 Ni 118 50 178 82 Sn Колебательные состояния чётночётных сферических атомных ядер Hf 234 92 U Вращательные состояния деформированных чётно-чётных атомных ядер 136 Возбужденные состояния 2+ Состояния J P = 2+ в атомных ядрах возникают в результате • квадрупольных колебаний сферического ядра, • вращения эллипсоидального деформированного ядра, • одночастичного перехода. В зависимости положения первого 2+ уровня от массового числа А отчётливо проявляются эффекты, обусловленные деформацией атомного ядра. Энергия первого 2+ уровня в деформированных ядрах имеет гораздо меньшие значения, чем энергия колебательного 2+ уровня. В ядрах, имеющих заполненные оболочки, энергия 2+ уровня превышает 1 МэВ. Спектр возбуждённых состояний атомных ядер имеет сложную природу. Он является суперпозицией одночастичных возбуждений, коллективных вращательных и колебательных возбуждений. Лишь в очень ограниченном числе ядер доминирует какая-либо одна из вышеперечисленных ветвей возбуждений. Характерные энергии одночастичных возбуждений в ядрах – мегаэлектронвольты, вибрационных – сотни-тысячи килоэлектронвольт, вращательных – десятки-сотни килоэлектронвольт. 137 Модель ядерных оболочек столкнулась с проблемами при описании электрических квадрупольных моментов ядер. В модели ядерных оболочек оказалось невозможно объяснить большие квадрупольные моменты ядер, далеких от магических ядер, в частности, в ядрах с A = 140-190 и в области трансурановых элементов. Для описания таких ядер Дж. Рейнуотер предложил изменить одночастичную модель, основанную на сферически симметричном потенциале, и учесть деформацию, вызванную нуклонами внешней незаполненной оболочки. В коллективной модели, развитой Дж. Рейнуотером, О. Бором, Б. Моттельсоном, Б. Нильсоном, исходят из деформированного среднего эллипсоидального ядерного потенциала. Дж.Рейнуотер: «В модели оболочек Майер использует оболочечные волновые функции, основанные на сферическом потенциале. Работа Бора и Уиллера о делении показала, что ядра могут принимать сфероидальную форму, если это энергетически выгодно. Для малых значений отклонений β (разность большой и малой осей, отнесенной к среднему радиусу ядра) при постоянном объеме ядра поверхностная энергия возрастает как β2, при этом некоторая компенсация происходит за счет уменьшения кулоновской энергии (для больших Z). Моя модель предполагала постоянную глубину ямы, при искажении ее формы: в направлении оси Z радиус R возрастает до ⎡ 2β ⎤ ⎡ 2β ⎤ ⎢⎣1 + 3 ⎥⎦ R0 и уменьшается по X и Y до ⎢⎣1 − 3 ⎥⎦ R0 (или соответственно R0e 2 β 3 и R0 e − β 3 ) … Многие ядра весьма значительно отклоняются от сферической формы и поэтому для этих областей не имеет смысла использовать сферическую модель ядра». Модель, развитая О. Бором, включает в себя, на первый взгляд, две противоположные модели – капельную и оболочечную. Остов атомного ядра рассматривается как деформированная жидкая капля, в которой возможны различные типы коллективных движений – вращения, колебания. Внешние нуклоны описываются так же как в модели оболочек. Благодаря связи движения внешнего нуклона и изменению поверхности атомного ядра полный момент ядра складывается из проекции спина нуклона на ось симметрии ядра и коллективного момента остова ядра. В этом случае полный момент нуклона перестает быть хорошим квантовым числом. Энергия состояния нуклона в деформированном эллипсоидальном потенциале зависит от проекции момента на ось симметрии ядра. О.Бор: «Джеймс Рейнуотер думал о происхождении больших квадрупольных моментов и высказал идею, которая сыграла решающую роль в развитии теории. Он осознал, что если учесть деформированность ядра как целого, то прямым следствием одночастичного движения по анизотропным орбитам будет возникновение несферической равновесной формы… Оказалось, что схема связи, характеризующая сильно деформированные ядра с четко выраженной полосой вращательных состояний реализуется для обширного класса ядер. Кульминацией волнующей весны 1953 г. стало открытие процесса кулоновского возбуждения, 138 представившего возможность систематического изучения вращательных возбуждений». Многие свойства атомных ядер зависят от деформации ядра, которая в свою очередь зависит от конфигурации нуклонов внешней оболочки. В области заполненных оболочек ядра имеют равновесную сферическую форму и в таких ядрах наблюдаются как одначастичные степени возбуждения, так и колебания сферически симметричного остова. Вдали от заполненных оболочек ядра приобретают большую деформацию. В этом случае также можно выделить одночастичные возбуждения нуклонов относительно деформированного остова и вращательное состояние деформированного остова. Разделение возбуждений в ядре на одночастичное и коллективное соответствует предположению, что в общем случае волновая функция Ψ , являющаяся решением уравнения Шредингера для ядра, имеет вид Ψ = Ψ одночаст Ψ колеб Ψ вращат , Ψ одночаст соответствует одночастичному возбуждению, Ψ колеб соответствует колебанию ядра относительно своей равновесной формы, Ψ вращат соответствует коллективному вращательному движению ядра как целого. Б. Моттельсон: «Картина ядерной динамики включает большое разнообразие различных коллективных возбуждений, которые настолько элементарны как и сами одночастичные возбуждения, в том смысле, что они остаются приблизительно независимыми при конструировании ядерного спектра возбуждений … Центральным элементом в анализе элементарных видов возбуждений и их взаимодействий является связь частицы с колебаниями, которая выражает вариации среднего потенциала, связанные с коллективной колебательной амплитудой. Эта связь представляет собой организующий элемент, который генерирует самосогласованные коллективные типы возбуждений из возбуждений частиц. В то же время она приводит к взаимодействиям, которые дают естественный предел для анализа в терминах элементарных видов возбуждений». 139 Обобщенная модель ядра Джеймс Рейнуотер (1917-1986) Оге Бор (1922-2009) Бен Моттельсон (р. 1926) H = Hодн + H вращ + H одн⋅вращ В простейшем варианте обобщенной модели ядер учитываются два типа ядерных движений: коллективное вращение ядра относительно внешней системы координат ( x, y, z ), обусловленное его деформацией, и одночастичное движение нуклонов относительно внутренней, вращающейся системы координат (1, 2, 3) в деформированной потенциальной яме. J ' - момент количества движения нуклона, R - вращательный момент количества движения остова ядра, J - полный момент количества движения (спин) ядра, K - проекция спина ядра на ось симметрии ядра. Нобелевская премия по физике 1975 г. — О. Бор, Б. Моттельсон и Дж. Рейнуотер За открытие связи между коллективным и одночастичным движением в атомном ядре и создание на базе этой теории структуры атомного ядра. 140 Как возникла модель сфероидальных ядер Дж. Рейнуотер В первой половине 1949 г. три группы в одном и том же выпуске «Physical Review» представили различные «объяснения» оболочечной структуры ядра. Из них работа Марии Майер представляет принятую теперь, модель. Похожее предложение И. Г. Д. Иенсена с сотрудниками было опубликовано в то же время. За эти работы Майер и Иенсену была присуждена Нобелевская премия по физике в 1963 г. Я был весьма заинтересован моделью оболочек, предложенной Майер, поскольку эта модель неожиданно позволила понять большое количество экспериментальных данных о спинах, о магнитных моментах изомерных состояний, о систематике β-распада и «магические числа» при Z, N = 2, 8, 20 (28), 50, 82, 126. Наблюдается качественное согласие, с моделью «оболочек Майер – Иенсена, значения моментов проходят через нуль при заполнении нейтронных и протонных оболочек. Для ядер с заполнённой оболочкой плюс один протон с очень высоким значением орбитального момента квадрупольные моменты отрицательны, как и ожидалось, так как протон располагается на экваториальной орбите. При удалении нуклонов из заполненных оболочек с высоким значением l значение Q возрастает и становится положительным, достигая максимального значения при заполнении орбиты с данным l почти наполовину и убывая при дальнейшем уменьшении числа нуклонов. Проблема заключалась в том, что значение Q/R2 при R=1,5·10–12 см достигает 10 для ядра 176Lu, что в 30 раз превышает значение, которое можно было бы ожидать на основе волновых функций для сферического потенциала модели оболочек, связанных таким образом, чтобы дать состояние 7– (Z = 71, N = 105, τ = 4·1010 лет). Для ядер редкоземельной области наиболее часто встречаются значения Q, сильно превышающие ожидаемые величины. Одним из интересныx свойств, даваемых моделью оболочек для деформированного ядра, является возможность прохождения внутренней энергии через минимум при возрастании деформации. Затем внутренняя энергия возрастает, пока энергия орбиты, вначале расположенной при большей энергии, но убывающей быстрее с деформацией, не пересечет последнюю заполненную вначале орбиту и не станет определять наименее связанное заполненное состояние. 141 Вращательное движение в ядрах О. Бор Трудно сегодня полностью представить то потрясение, которое испытали физики, воспитанные на представлениях модели жидкой капли и модели составного ядра, на которых основывалась интерпретация ядерных явлений в течение предыдущего десятилетия, в связи с обнаружением оболочечной структуры ядра. Значение магнитных моментов в то время представлял собой один из наиболее обширных количественных классов данных по свойствам ядер. Эти данные требовали разъяснения от теории. Значения моментов обнаруживали сильную корреляцию с предсказаниями одночастичной модели, однако вместе с тем наблюдались существенные отклонения, которые свидетельствовали о наличии некоторого не включенного в рассмотрение эффекта. Ключ к пониманию отклонений схемы связи угловых моментов в ядре от предсказаний одночастичной модели дало обнаружение у многих ядер большого квадрупольного момента, более чем на порядок превышающего одночастичные значения. Из этого факта непосредственно следовало распределение углового момента между многими частицами, что, казалось, подразумевало нарушение применимости одночастичной модели. Однако основные черты одночастичной модели могут быть сохранены, если предположить, наличие отклонения от сферической симметрии у среднего ядерного поля, в котором движется нуклон. Такая картина приводит к модели ядра, напоминающей модель молекулы. В этой модели сердцевина ядра обладает колебательными и вращательными степенями свободы. Повидимому, нет никакого основания ожидать, что вращательное движение является классическим движением твердого тела. Однако вследствие большого числа нуклонов, участвующих в образовании деформащш, частота вращения должна быть мала по сравнению с частотой движения отдельных частиц. В этот момент существенной поддержкой для обсуждаемых работ явилось следующее открытие. Оказалось, что схема связи, характеризующая сильно деформированные ядра с четко выраженной полосой вращательных состояний, реализуется для обширного класса ядер. Первое указанно было получено Гольдхабер и Саньяром, которые обнаружили, что вероятности электрических квадрупольных переходов для распада низколежащих возбужденных состояний в четно-четных ядрах в ряде случаев были значительно больше соответствующих значений для одночастичных переходов. Это свидетельствовало о наличии коллективных видов возбуждения. Вскоре стали накапливаться указания на то, что рассматриваемые возбуждения являются частью последовательности уровней с угловыми моментами I = 0, 2, 4… и энергиями, пропорциональными I (I + 1). 142 Элементарные виды возбуждения в ядрах Б. Моттелъсон Когда я впервые приехал в Копенгаген в 1950 г., было известно, что в ядрах иногда имели место явления, обусловленные независимым движением частиц, тогда как в других явлениях, например, в процессе деления и в проблеме больших квадрупольных моментов, несомненно, проявлялось коллективное поведение всего ядра как целого. Большой класс спектров имеет черты, соответствующие квадрупольным колебаниям относительно сферически симметричной формы. Существование статической деформации в некоторых классах ядер получило дальнейшее решающее подтверждение в успешной классификации соответствующих состояний этих спектров в терминах одночастичного движения и надлежащим образом деформированном потенциале. Замечательной особенностью развивающейся картины ядерных спектров возбуждения было разделение на классы ядер сферической формы и ядер с большими деформациями. В то время как в образовании низкочастотных спектров доминируют переходы частиц внутри частично заполненных оболочек, с возбуждением замкнутых оболочек связаны новые виды ядерной динамики. Классическим примером коллективного возбуждения этого типа является «гигантский дипольный резонанс». Центральным элементом в анализе элементарных видов возбуждения и их взаимодействий является связь частицы с колебанием, которая выражает вариации среднего потенциала, связанные с коллективной колебательной амплитудой. Эта связь представляет собой организующий элемент, который генерирует самосогласованные коллективные типы возбуждений из возбуждений частиц. В то же время она приводит к взаимодействиям, которые дают естественный предел для анализа в терминах элементарных видов возбуждения. 143 Одночастичные состояния деформированных ядер VНильс (r) = 2 1 2 M(ωxy (x 2 + y 2 )+ ωz2 z 2 )+ Cls + Dl 2 144 Сложение моментов в сфероидально деформированном ядре Энергетические уровни ядра 249Bk. Слева изображены все наблюдаемые уровни в энергетическом интервале 0-600 КэВ. Справа приведено разбиение этих уровней на три вращательных полосы. Энергетические уровни ядра 168Er. Под каждой вращательной полосой указаны проекция K углового момента на ось симметрии и четность π. Сверху над каждым вращательным уровнем указаны спин J и энергия возбуждения E соответствующего состояния. Уровень энергии 821.19 кэВ отвечает квадрупольным колебаниям деформированной ядерной поверхности. 145 Дипольный гигантский резонанс атомных ядер. Яркий пример образования коллективной степени свободы из одночастичных переходов – электрический гигантский дипольный резонанс в атомных ядрах. Возбуждение ядерного кора проявляется при более высоких энергиях. Так, во всех ядрах наблюдается дипольный гигантский резонанс, который расположен в районе 25 МэВ в легких ядрах и при 12–15 МэВ – в тяжелых ядрах. Простейшая интерпретация дипольного гигантского резонанса – колебание всех протонов относительно всех нейтронов. Такие колебания возбуждаются в реакциях под действием γ-квантов. Одночастичные возбуждения, возникающие как результат перехода нуклона между соседними оболочками в результате частично-дырочного взаимодействия приводят к формированию коллективного состояния, вбирающего в себя всю силу одночастичных переходов и сдвинутого к более высокой энергии по сравнению с одночастичными переходами. В рамках коллективных моделей такое коллективное состояние интерпретируется как когерентные дипольные колебания протонов относительно нейтронов. Коллективизация состояний дипольного гигантского резонанса приводит к уменьшению его энергетической области возбуждения. По мере увеличения массового числа A положение максимума гигантского резонанса смещается к меньшим энергиям от 25 МэВ в лёгких ядрах к 12 МэВ в тяжёлых ядрах. Положением максимума гигантского резонанса E хорошо аппроксимируется соотношением E = 78 A−1/3 МэВ. Интегральное сечение поглощения в области гигантского резонанса σ описывается соотношением 60NZ σ= МэВ⋅мбн. A В области деформированных ядер гигантский резонанс расщепляется на две компоненты, соответствующие колебаниям протонов относительно нейтронов вдоль двух осей ядерного эллипсоида ( 159 Tb , 235 U ). В лёгких ядрах ( 6 Li , 16 O , 32 S ) проявляется конфигурационное расщепление дипольного гигантского резонанса, соответствующее дипольным переходам нуклонов из различных оболочек. В лёгких ядрах эффекты коллективизации ещё не проявляются столь сильно, как в тяжёлых ядрах, в которых значительно увеличивается число коллективизированных одночастичных переходов. 146 Дипольный гигантский резонанс атомных ядер 147 Кластеры в лёгких ядрах 12 9 C 0.1265 s 8 10 C 19.2 s 11 C 20.38 m 6 Li 7.5 % 7 Be 53.3 d 12 C 98.89 % 11 B 0.769 s 10 7 N 11.0 ms 9 B 540 eV 8 Be 6.8 eV B 80.2 % B 19.8% 9 Be 100% Li 92.5 % Несмотря на то, что в простейших моделях атомное ядро обычно рассматривается как система, состоящая из отдельных нуклонов, в результате взаимодействия между нуклонами в ядре образуются компактные структуры, состоящие из двух или большего числа частиц, которые могут возникать внутри атомного ядра. Кластерная структура особенно отчетливо проявляется в лёгких ядрах. Кластерная структура атомных ядер проявляется в процессах α -распада, в различных ядерных реакциях. 148 11. Ядерные реакции. Большую роль в развитии представлений о структуре ядер сыграло изучение ядерных реакций, что дало обширную информацию о спинах и четностях возбужденных состояний ядер, способствовало развитию модели оболочек. Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми моментами. В результате были открыты длинные ротационные полосы, что послужило одной из основ создания обобщенной модели ядра. При столкновении тяжелых ядер образуются ядра, которых нет в природе. Синтез трансурановых элементов в значительной мере основывается на физике взаимодействия тяжелых ядер. В реакциях с тяжелыми ионами образуются ядра, удалённые от полосы β -стабильности. Ядра, удаленные от полосы β -стабильности, отличаются от стабильных ядер другим соотношением между кулоновским и ядерным взаимодействиями, соотношением между числом протонов и числом нейтронов, существенными различием в энергиях связи протонов и нейтронов, что проявляется в новых типах радиоактивного распада – протонной и нейтронной радиоактивности и рядом других специфических особенностей атомных ядер. При анализе ядерных реакций необходимо учитывать волновую природу частиц, взаимодействующих с ядрами. Волновой характер процесса взаимодействия частиц с ядрами отчетливо проявляется при упругом рассеянии. Так для нуклонов с энергией 10 МэВ приведенная дебройлевская длина волны меньше радиуса ядра и при рассеянии нуклона возникает характерная картина дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией 0,1 МэВ длина волны больше радиуса ядра и дифракция отсутствует. Для нейтронов с энергией 0,1 МэВ сечение 2 реакции ~ π гораздо больше, чем характерный размер площади ядра π R 2 . Ядерные реакции являются эффективным методом исследования ядерной динамики. Ядерные реакции происходят при взаимодействии двух частиц. При ядерной реакции происходит активный обмен энергией и импульсом между частицами, в результате чего образуются одна или несколько частиц, разлетающихся из области взаимодействия. В результате ядерной реакции происходит сложный процесс перестройки атомного ядра. Как и при описании структуры ядра, при описании ядерных реакций практически невозможно получить точное решение задачи. И подобно тому, как строение ядра описывается различными ядерными моделями, протекание ядерной реакции описывается различными механизмами реакций. Механизм протекания ядерной реакции зависит от нескольких факторов – от типа налетающей частицы, типа ядра-мишени, энергии налетающей частицы и от ряда других факторов. Одним из предельных случаев ядерной реакции является прямая ядерная реакция. В этом случае налетающая частица передаёт энергию одному-двум нуклонам ядра, и они покидают ядро, не взаимодействуя с другими нуклонами ядра. Характерное время протекания прямой ядерной реакции 10−23 с. Прямые ядерные реакции идут на всех ядрах 149 при любой энергии налетающей частицы. Прямые ядерные реакции используются для изучения одночастичных состояний атомных ядер, т.к. продукты реакции несут информацию о положении уровней, из которых выбивается нуклон. С помощью прямых ядерных реакций была получена детальная информация об энергиях и заполнении одночастичных состояний ядер, которая легла в основу оболочечной модели ядра. Другим предельным случаем являются реакции, идущие через образование составного ядра. Описание механизма ядерных реакций было дано в работах В.Вайскопфа. В.Вайскопф: «Что происходит, когда частица входит в ядро и сталкивается с одной из ядерных составных частей? Рисунок иллюстрирует некоторые из этих возможностей. 1) Падающая частица теряет часть своей энергии, поднимая ядерную частицу в более высокое состояние. Это будет результатом неупругого рассеяния, если падающая частица остается с энергией, достаточной для того, чтобы снова покинуть ядро. Этот процесс называют прямым неупругим рассеянием, поскольку он предполагает рассеяние только на одной составной части ядра. 2) Падающая частица передает энергию коллективному движению, как это символически показано на второй схеме рисунка, это также является прямым взаимодействием. 3) На третьей схеме рисунка переданная энергия достаточно велика для того, чтобы вырвать нуклон из мишени. Этот процесс также дает вклад в прямую ядерную реакцию. В принципе он не отличается от 1), он соответствует «обменной реакции». 4) Падающая частица может потерять так много энергии, что Прямое неупругое рассеяние Прямое неупругое Прямая реакция рассеяние (коллективное возбуждение) 150 Образование компаунд-ядра (1 шаг) Образование компаунд-ядра (2 шаг) остается связанной внутри ядра, переданная энергия может быть принята низколежащим нуклоном таким образом, что он не сможет оставить ядро. Мы получаем тогда возбужденное ядро, которое не может испустить нуклон. Это состояние с необходимостью приводит к дальнейшим возбуждениям нуклонов внутренними столкновениями, в которых энергия на возбужденную частицу в среднем убывает, так что в большинстве случаев нуклон не может покинуть ядро. Следовательно, будет достигнуто состояние с очень большим временем жизни, которое может распасться только в том случае, когда одна частица при столкновениях внутри ядра случайно приобретет достаточную энергию для того, чтобы покинуть ядро. Такую ситуацию мы называем образованием компаунд-ядра. Энергия может быть потеряна также излучением, после которого вылет частицы становится энергетически невозможным: падающий нуклон испытает радиационный захват. 5) Образование компаунд-ядра может осуществляться в два или более шагов, если после процесса типа 1) или 2) падающий нуклон на своем пути ударяет другой нуклон и возбуждает его таким образом, что вылет из ядра оказывается невозможным для любого нуклона». Впервые представление о протекании ядерной реакции через стадию составного ядра было высказано Н.Бором. Согласно модели составного ядра, падающая частица после взаимодействия с одним или двумя нуклонами ядра передаёт ядру большую часть своей энергии и оказывается захваченной ядром. Время жизни составного ядра гораздо больше, чем время пролёта налетающей частицы через ядро. Внесенная налетающей частицей в ядро энергия перераспределяется между нуклонами ядра до тех пор, пока значительная её часть не сосредоточится на одной частице и тогда она вылетает из ядра. Образование долгоживущего возбужденного состояния может в результате деформации привести к его делению. Механическая модель описания ядерной реакции Н. Бор: «Явление захвата нейтронов заставляет нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжелым ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному состоянию с эмиссией кванта лучистой энергии следует 151 рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения. Мы встречаемся здесь с существенной разницей, ранее еще нераспознанной, между настоящими ядерными реакциями – обычными соударениями быстрых частиц и атомных систем – соударениями, которые до сих пор для нас являлись главным источником сведений относительно строения атома. Действительно, возможность счета посредством таких столкновений отдельных атомных частиц и изучение их свойств обязаны, прежде всего, «открытости» рассматриваемых систем, которая делает весьма маловероятными обмен энергии между отдельными составляющими частицами в продолжение удара. Однако вследствие тесной упаковки частиц в ядре, мы должны быть готовы к тому, что именно этот обмен энергии играет основную роль в типичных ядерных реакциях». Классификация ядерных реакций. Ядерные реакции являются эффективным средством изучения структуры атомных ядер. Если длина волны налетающей частицы больше размеров ядра, то в таких экспериментах получается информация о ядре в целом. Если меньше размеров ядра, то из сечений реакций извлекается информация о распределении плотности ядерной материи, строении поверхности ядра, корреляции между нуклонами в ядре, распределении нуклонов по ядерным оболочкам. • Кулоновское возбуждение ядер под действием заряженных частиц относительно большой массы (протоны, α-частицы и тяжелые ионы углерода, азота) используется для изучения низколежащих вращательных уровней тяжелых ядер. • Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию сталкивающихся ядер, являются основным методом получения сверхтяжелых атомных ядер. • Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения (так называемые термоядерные реакции). Эти реакции происходят за счет квантовомеханического туннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные реакции протекают внутри звезд при температурах 107–1010 К и являются основным источником энергии звезд. • Фотоядерные и электроядерные реакции происходят при столкновении с ядрами γ−квантов и электронов с энергией E > 10 МэВ. • Реакции деления тяжелых ядер, сопровождающиеся глубокой перестройкой ядра. • Реакции на пучках радиоактивных ядер открывают возможности получения и исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов, далеких от линии стабильности. Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы. 152 Реакции на медленных нейтронах «1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное: активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса. Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку. Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец - вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое! - предложил Ферми. - Скажем, парафин». Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином. Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!» Парафин увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз. В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв, установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже была готова теория, которая объясняла странное действие парафина». Л. Ферми. «Атомы у нас дома» 153 1934 г. Реакции под действием тепловых нейтронов 1934 г. Э. Ферми сформулировал теорию β -распада и ввел новое понятие — слабое взаимодействие 1942 г. Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе Энрико Ферми (1901–1954) Ферми нашёл объяснение этого странного поведения отфильтрованных нейтронов. Эти нейтроны замедляются в результате многочисленных упругих столкновений с протонами, находящимися в парафине и у них возрастает способность к взаимодействию. Последнее, т.е. увеличение сечения реакции при снижении скорости нейтронов, всё же противоречило в ту пору нашим ожиданиям… Для объяснения этих аномальных сечений захвата явно нужна квантовая механика. Для частиц со столь малой скоростью, что длина их волны значительно превосходит радиус ядра R мишени, пределом поперечного сечения является не π R 2 , a πλ 2 с коэффициентом, который не может быть намного меньше единицы… В некоторых случаях σ c составляет 103 или даже 104 от геометрического поперечного сечения ядра. Э. Амальди. 1934–1936 гг. Воспоминания. Нобелевская премия по физике 1938 г. — Э. Ферми За демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, полученных с помощью нейтронного облучения и за открытие реакций, вызванных медленными нейтронами. 154 12. Деление ядер В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 238 92 U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате β − -распада изотопа 239 92 U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93 . Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий ( Z = 56 ) – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы. Л.Мейтнер и О.Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части 92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + Kn . Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов (K > 1), способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236 U , образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом 235 U , разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа теплового нейтрона 235 236 U , образующегося при захвате U . Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235 U . Для наиболее распространенного изотопа 239 U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239 U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238 U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия ≈ 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в одном акте реакции выделяется энергия ≈ 10 эВ). Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электростанция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира. В 1940 г. Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана. О сложности проведения эксперимента свидетельствуют следующие цифры. 155 Парциальный период полураспада по отношению спонтанному делению изотопа 238U составляет 1016–1017 лет, в то время как период распада изотопа 238 U составляет 4,5·109 лет. Основным каналом распада изотопа 238 U является α -распад. Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа 238U, нужно было регистрировать один акт деления на фоне 107–108 актов α -распада. Вероятность спонтанного деления в основном определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр деления Z 2 / A . В изотопах Z < 92 –95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z > 100 преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С увеличением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с α -распадом увеличивается. Изотоп Период полураспада 235 7, 04 ⋅108 лет 92 U U 4, 47 ⋅109 лет Pu 6,56 ⋅103 лет Pu 3, 75 ⋅105 лет Cm 4,76 ⋅103 лет Cf 2,64 лет Cf 60,5 лет Cf 12,3 лет 238 92 240 94 242 94 246 96 252 98 254 98 256 98 Каналы распада α (100%), SF ( 7 ⋅10−9 %) α (100%), SF ( 5,5 ⋅10−5 %) α (100%), SF ( 5, 7 ⋅10−6 %) α (100%), SF ( 5,5 ⋅10−4 %) α (99,97%), SF (0,03%) α (96,91%), SF (3,09%) α (0,31%), SF (99,69%) α (1, 0 ⋅10−6 %), SF (100%%) 156 Деление ядер. История 1934 г. — Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить не удалось. Л. Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции. 1939 г. — О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий. Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана на два сравнимых по массе осколка. Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления. Я. Френкель нейтронами. развил капельную теорию деления ядер медленными Л. Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления. 1940 г. — Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U. 1942 г. — Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе. 1945 г. — Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы. 1946 г. — Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор. 1954 г. — Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР). 157 Деление ядер. С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами. Атомы, возникающие во всех этих ядерных реакциях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы — урана — происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада. Возникающие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше; у некоторых время полураспада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоящие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 ⋅1015 лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются. Расщепление урана посредством нейтронов дает теперь возможность того использования атомной энергии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна». М. Лауэ, «История физики» 158 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z = 56) Отто Ганн (1879 – 1968) Деление ядер – расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы – нейтроны, электроны, α -частицы. В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов. Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так, в случае наиболее вероятного деления изотопа урана 236 92 U , отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронций). С учётом испускания двух мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид 236 95 139 n + 235 92 U → 92 U → 38 Sr + 54 Xe + 2n. Нобелевская премия по химии 1944 г. — О. Ган. За открытие реакции деления ядер урана нейтронами. 159 Осколки деления Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося ядра. 160 Открытие деления ядер. 1939 г. Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы; ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным. Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил. Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм. О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697. 161 Спонтанное деление ядер В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер. Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что α-частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой; импульсы же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от α-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле. Была специально сконструирована ионизационная камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в 1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты слоем окиси урана 10-20 мг/см2. В первых же опытах с настроенным для счета осколков усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов) импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1 час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблюдаться с камерами обычного типа… Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана… Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов: U238 – 1016 ~ 1017 лет, U235 – 1014 ~ 1015 лет, U234 – 1012 ~ 1013 лет. К.А. Петржак, Г.Н. Флеров. Опубликовано: ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 1013. 162 Распад изотопа 238U Изотоп 234 U 235 U 238 U Процентное содержание Период полураспада в естественной смеси 0,0054% 2,4 ⋅105 л 0,72% 7,04 ⋅108 л 4,47 ⋅109 л 99,27% 163 Спонтанное деление ядер Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z = 92...100 164 Цепная реакция деления на тепловых нейтронах 235 U Деление Осколок деления Быстрые нейтроны Осколок деления Замедлитель Медленные нейтроны Может уйти из системы 239 U 238 U 235 Захват нейтрона U Деление Осколок деления Превращение в 239Np и затем в 239Pu Быстрые нейтроны Осколок деления Замедлитель Медленные нейтроны Первая экспериментальная система с уран-графитовой решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана, заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён RaBe источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был ≈ 0, 7 . Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления, было необходимо использовать большое количество графита и урана – порядка нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1,0006. Вначале реактор работал на уровне мощности 0,5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до 200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность его была повышена до нескольких кВт. При этом реактор потреблял 0,002 г урана-235 в день. 165 Первый ядерный реактор в СССР Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф-1 было готово к июню 1946 г. После того как были проведены все необходимые эксперименты, разработана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора, проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность нейтронов на нескольких моделях, получены графитовые блоки (так называемой ядерной чистоты) и (после нейтроннофизической проверки) урановые блочки, в ноябре 1946 г. приступили к сооружению реактора Ф-1. Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него потребовалось 400 т графита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25 декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР реактор. Это была волнующая победа ученых — создателей ядерного реактора и всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось промышленное производство нового вида ядерного горючего — плутония. 166 13. Образование атомных ядер Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие. 1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов. 2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода. 3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B. 4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O. 5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45). 6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа). 7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно. 8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z. Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными. 167 Ядерные реакции во Вселенной t =0 Большой взрыв. Рождение Вселенной 5 ⋅105 1010 ρ (г/см3 ) = 2 , T (К) = t (с) t (с) t = 10−43 с Эра квантовой гравитации. Струны ρ = 1090 г/см3 , T = 1032 К t = 10−35 с Кварк-глюонная среда ρ = 1075 г/см3 , T = 1028 К t = 1 мкс Кварки объединяются в нейтроны и протоны ρ = 1017 г/см3 , T = 6 ⋅1012 К t = 100 с Образование дозвездного 4 He ρ = 50 г/см3 , T = 109 К t = 380 тыс. лет ПЕРВЫЕ ЗВЕЗДЫ t = 108 лет Образование нейтральных атомов ρ = 0,5 ⋅10−20 г/см3 , T = 3 ⋅103 К Горение водорода в звездах ρ = 102 г/см3 , T = 2 ⋅106 К Горение гелия в звездах ρ = 103 г/см 3 , T = 2 ⋅108 К Горение углерода в звездах ρ = 105 г/см3 , T = 8 ⋅108 К Горение кислорода в звездах ρ = 105 ÷ 106 г/см3 , T = 2 ⋅109 К Горение кремния в звездах ρ = 106 г/см3 , T = (3 ÷ 5) ⋅109 К t = 13, 7 млрд. лет Современная Вселенная ρ = 10−30 г/см 3 , T = 2, 73 К 168 Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4He 2 p + n → 1H + 2.22 МэВ, 2 H 1 2 1 2 1 2 + 1H → ⎧⎪ 31H + p + 4.03 ⎨3 ⎪⎩ 2 He + n + 3.27 МэВ, МэВ, H + 31H → 42 He + n + 17.59 МэВ, H + 32 He → 42 He + p + 18.35 МэВ. Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва. Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2H), изотопы 3He и 7Li. Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 10−4-10−5, 3He – в количестве ≈ 10−5, а 7Li – в количестве ≈ 10−10. 169 Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и последующим β–-распадом образовавшихся ядер. Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер ( A < 7 ) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд. Дозвездная стадия образования легчайших ядер. На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 109 К вещество во Вселенной состояло из протонов p , нейтронов n , электронов e − , позитронов e + , нейтрино ν , антинейтрино ν и фотонов γ . Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e − , позитронами e + и нуклонами. e+ + e− ⇔ γ + γ , p + e− ⇔ n +ν e , n + e+ ⇔ p +ν e . В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией EN, равной энергии покоя нуклона, описывается распределением Гиббса WN = Ae− EN kT . Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона 2 nнейтр Ae−mnc kT −( m −m ) c 2 kT = −m c2 kT = e n p nпрот Ae p Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т < 1010 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования e + e − -пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось 5 протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4He и небольшого количества изотопов Li и Be. Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза: 3 p + n → d +γ, He + n → 3 He + p, d + p → 3 He + γ , 3 He + p → 4 He + n, 3 He + p He + d → 4 He + n. d +d → 3 , He + n Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4Не. 7Ве, 6Li и 7Li составляют лишь ~ 10–9 – 10–12 от образования изотопа 4Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4Не. При плотности вещества ρ ~ 10–3 – 10–4 г/см3 3 170 вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10–4. Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза. Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы. Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4 He . Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения. Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию GM = −1,91 ⋅1015 эрг/г. Eп = − R Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной ε = 1,96 эрг/г⋅с. Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 1015 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет… В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время… С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция H + H → D + e+ +ν . 171 1938 г. — Ганс Бете и Чарльз Критчфильд открыли протон-протонный цикл термоядерных реакций как источник энергии звезд. Ганс Бете и Карл фон Вайцзеккер открыли углеродно-азотный цикл термоядерных реакций. Ганс Бете (1906-2005) Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4 He в результате реакций взаимодействия p + n , d + d , d + 3 He , d + 3 H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд. Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n , то в них могли продолжаться только реакции p + p → d + e + + ν . Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 107 К, а плотность — 105 кг/м3. То обстоятельство, что реакция p + p → d + e + + ν происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела. Нобелевская премия по физике 1967 г. — Г. Бете За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд. 172 Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором; результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4 He . В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ. Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле». Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода — преобразование четырех ядер водорода в ядро 4 He , которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды: • протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий; • углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О. Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О. Температура внутренних слоев Солнца составляет 1,5·107 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка. Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция p + p → 2H + e+ + ν e + Q, начинается в центральной части звезды при плотностях ≈ 100 г/см3. Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения 173 энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза. p+p d + e+ + ν (0.42 МэВ) 5.8·109 лет p + p + e– d+p 3.2·10-8 лет 2.3·1012 лет 3He d + ν (1.44 МэВ) + γ (5.49 МэВ) 69% 3He + 3He 1.5·105 лет (Q = 24.7 МэВ) ppI 4He + 2p (12.86 МэВ) 3He + 4He 31% 6.5·105 лет 7Be + γ (1.59 МэВ) 99.7% 7Be + e– 7Li+ p 0.2·года 7Li + γ + ν (0.86 МэВ) 0.3% 4He + 4He (17.35 МэВ) 2·10-5 лет (Q = 25.7 МэВ) ppII 7Be+ p 8B 71·год 2·10-8 лет 8Be* 10-29 лет (Q = 24.7 МэВ) ppIII 8B + γ (0.14 МэВ) 8Be* 4He + e+ + ν (14.06 МэВ) + 4He (3.0 МэВ) Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом: p + p → 2H + e+ + ν e + 0.42 МэВ, p + 2H → 3He + 5.49 МэВ, 3 He + 3He → 4He + p + p + 12.86 МэВ 174 или в более компактном виде 4p → 4He + 2e+ + 2ν e + 24.68 МэВ. Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4 p → 4 He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0,1 МэВ до энергии ~12 МэВ. Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце. Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26,7 МэВ. Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза. Горение водорода. CNO-цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4Не l2 C + p → 13N + γ 13 N → 13C + e+ + ν 13 C + p →'4N + γ 14 N + p → 15O + γ 15 O → 15N + e+ + ν 15 N + p → 12C + 4He 175 CNO - цикл Цепочка реакций I Цепочка реакций III Цепочка реакций II Цепочка реакций I 12 C + p 13N + γ 13 N 13C + e+ + νe 13 C + p 14N + γ 14 N + p 15O + γ 15 O 15N + e+ + νe 15 N + p 12C + 4He (Q = 1.94 МэВ) (Q = 1.20 МэВ, T1/2=10 мин) (Q = 7.55 МэВ) (Q = 7.30 МэВ) (Q = 1.73 МэВ, T1/2=124 с) (Q = 4.97 МэВ). Цепочка реакций II 15 N + p 16O + γ 16 O + p 17F + γ 17 F 17O + e+ + νe 17 O + p 14N + α (Q = 12.13 МэВ), (Q = 0.60 МэВ), (Q = 1.74 МэВ, T1/2=66 c), (Q = 1.19 МэВ). Цепочка реакций III 17 O + p 18F + γ 18 F 18O + e+ + νe 18 O + p 15N + α (Q = 6.38 МэВ), (Q = 0.64 МэВ, T1/2=110 мин), (Q = 3.97 МэВ). 176 Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)·107 К. При этих температурах требуется 106 – 1010 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z > 2 . Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 106 К начинаются реакции горения 4Не. Реакция 3 4 He → 12 C + γ наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех α -частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8 Be + 4 He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12 C . Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех α -частиц. Образование средних ядер A < 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z , центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, α -частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего β − -распада. Образование средних и тяжелых ядер A > 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа. Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами — протонами и другими лёгкими ядрами — препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер. 177 ρ : (102 → 106 ) г/см3 T : (2 ⋅106 → 5 ⋅108 ) К Образование элементов 4 He → 32 Ge . 178 Эволюция массивной звезды M > 25M По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее. Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки. 179 Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются β-радиоактивными. В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, γ): (A, Z) + n → (A+1, Z) + γ. В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим β − -распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы. В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и α-частиц – продуктов диссоциации железа под действием γ-квантов. В районе M / M = 1,5 преобладает 28Si. 20Ne и 16О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M / M . Внешняя оболочка звезды ( M / M > 8 ) состоит из водорода и гелия. На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость. Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы. Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер. 180 1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4Не. 2. Горение гелия. В результате реакции 4Не + 4Не + 4Не → 12С + γ образуются ядра 12С. 3. α-процесс. В результате последовательного захвата α -частиц образуются α -частичные ядра 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, ... 4. е-процесс. При достижении температуры 5·109 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии. 5. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается β − -радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате β − -распада. Каждый β − -распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу. Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β − -распада, процесс захвата нейтронов называется sпроцессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих β − -распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме. 6. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β–-распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности. Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки β–-распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых. 7. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (γ,n) или в реакциях под действием нейтрино. Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных α -частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов. 181 Вильям Фаулер (1911–1995) Для определения эффективности ядерных реакций в звездах обычно проводится экстраполяция результатов измерений при больших энергиях в область энергий несколько кэВ. Большое число очень тщательных экспериментов по измерению и расчету реакции нуклеосинтеза было выполнено под руководством В. Фаулера. Нобелевская премия по физике 1983 г. — В. Фаулер За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной. 182 Год открытия 1936 Химически й элемент Np, Pu 93, 94 1945 Am 95 1961 Cm 96 1956 Bk 1950 Z Реакция 238 92 238 92 U+n→ − U + 42 He → − β β U ⎯⎯ → 239 → 239 93 Np ⎯⎯ 94 Pu 239 92 241 94 Pu + n , 241 94 Pu + 24 He → 97 239 94 241 95 Cf 98 242 96 Cm + 24 He → 1952 Es 99 1952 Fm 100 1955 Md 101 1957 No 102 U + 15n → 253 92 238 92 U + 17 n → 255 92 1964 19671970 1974 Lr Rf 104 Db 105 Sg 106 1976 19841987 1982 Bh 242 95 Am + Cm + 136 C → No + 4n Lr + (4-5)n, 243 Am + 16 O → 255 Lr + 4n, 243 Am + 18 O → 256 Lr + 5n Pu + 22 10 249 98 108 208 82 Pb + 58 26 Mt 109 Bi + 1994 Ds 110 209 83 208 81 1994 Rg 111 209 83 1996 Cn 112 208 82 2000 2009 117 2006 118 Fe → Pb + 58 26 62 28 Ni → 266 109 269 110 Ds + n Bi + 64 28 Ni → 272 111 Rg + n Pb + 70 Zn → 277 112 Cn + n 287 183 Hs + n Mt + n 115 + 3n, 288 115 + 4n, 287 Pu + Ca → 288 → 289 48 20 Db + 4n Bh + n 265 108 → 260 105 Sg + 4n 263 106 262 107 Fe → 288 116 Rf + 4n 260 104 Cf + 157 N → Bi + 54 24 Cr → 48 Am + 20 Ca → 244 94 Lr + 3n, 256 Ne → Ne → 105 Db, − β 255 ⎯⎯ → 100 Fm Cf + 10 B → 22 10 114 − β ⎯⎯ → 253 99 Es Md + n 256 101 257 102 255 Hs 1998 Cf + n − 107 2004 245 98 β U ⎯⎯ → 255 93 Np Cf + 188 O → 243 95 Bk + 2n − 249 98 209 83 113, 115 Cm + n 249 242 94 Am + e − + ν e Es + 24 He → 253 99 248 96 249 103 241 95 β U ⎯⎯ → 253 93 Np Cf + 10,11 B → 1961 242 96 243 97 Am + 42 He → 238 92 Pu → 115 → 284 115 → 283 114 + 4n 114 + 3n 248 96 48 Cm + 20 Ca → 293 116 + 3n 245 96 48 Cm + 20 Ca → 291 245 96 48 Cm + 20 Ca → 290 249 97 48 Bk + 20 Ca → 294 249 97 48 Bk + 20 Ca → 293 249 98 48 Cf + 20 Ca → 294 116 + 2n 116 + 3n 117 + 3n 117 + 4n 118 + 3n 113 + α 113 + α Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов. Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада». Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = 118 был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов. Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода α-распада в 104 – 105 раз. Так как число сверхтяжелых ядер Z > 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных α-распадов, что увеличивает надежность результатов. Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов α -распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев. Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева — области сверхтяжелых элементов (СТЭ) — является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий экспериментального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении последних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надежным и. что 184 важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра - основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер. Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барьере деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и стабильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера. Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни — от 1010 лет до 10 −10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование. Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления TSF слишком велика — не менее 8–10 порядков. Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проблемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами). Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счастливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ. С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, — 4, 5 ⋅ 10 9 лет. Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхождении — в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 1010 лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов ( 107 – 10 8 лет)». 185 14. Структура нуклона В 1911 г. Э. Резерфорд, анализируя результаты экспериментов выполненных Гейгером и Марсденом по рассеянию α -частиц на тонкой золотой фольге установил, что атом не является однородным и состоит из массивного положительно заряженного ядра малого размера R < 10−12 см, окруженного отрицательно заряженными электронами. Метод рассеяния пробных частиц для определения структуры микрообъемов, предложенный Резерфордом, является универсальным, широко используется и в настоящее время. Современные эксперименты отличаются от опытов Резерфорда в основном своими масштабами – колоссальной энергией пробных частиц, получаемых на ускорителях, гигантскими детекторами, насчитывающими десятки тысяч регистрирующих элементов. Как известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. До сих пор при обсуждении процессов, происходящих в атомных ядрах, исходили из того, что и протон, и нейтрон являются частицами, не имеющими внутренней структуры. Так ли это на самом деле? Уменьшение длины волны пробной частицы меньше чем 10–13 см открыло возможности изучения внутренней структуры протона и нейтрона. В 1970 г. на ускорителе электронов с энергией 20 ГэВ, построенном в Стэнфорде, было получено, что протон и нейтрон имеют размер ~ 0,8 фм и являются составными частицами. Оказалось, что электроны сверхвысоких энергий рассеиваются на протонах и нейтронах так, как никто не ожидал. Так же как в случае опытов Резерфорда угловое распределение электронов удалось объяснить, если предположить, что внутри протона имеются более мелкие образования. Фейман назвал эти неизвестные точечные составные части протона и нейтрона, на которых происходит рассеяние электронов «партонами». Внутренняя структура протона зависит от пространственного разрешения, определяемого длиной волны виртуального фотона λ = h / q , где q — импульс виртуального фотона. Энергии современных ускорителей соответствуют разрешению ≈ 0.01 фм. При таком разрешении видны отдельные составляющие протона – партоны. Результаты исследований показали, что нуклон это частица, состоящая из трех валентных кварков, виртуальных морских кварков-антикварков и глюонов. 1. Внутри нуклона обнаружены точечные объекты – партоны, в которых сосредоточена вся масса (внутренняя энергия) нуклона. Размер партонов < 10–17 см. 2. Заряженные партоны имеют все характеристики кварков – их спин 1/2, а заряды в единицах е либо +2/3, либо –1/3. 3. Нейтральные партоны, отождествляемые с глюонами, несут около половины внутреннего импульса (энергии) нуклона. 4. Валентные кварки окружены испускаемыми и поглощаемыми ими виртуальными глюонами, реализующими межкварковое сильное взаимодействие. Глюоны рождают виртуальные кварк-антикварковые 186 пары, аннигилирующие затем вновь в глюоны. Эти виртуальные пары образуют множество морских кварков. = 1 фм = 10−1 фм ≈ 10−2 фм Уменьшение длины волны виртуального фотона. Знание внутренней структуры нуклонов даёт информацию о природе сильных взаимодействий, за счет которых протоны и нейтроны образуют атомные ядра. При больших значениях длины волн виртуального фотона нуклон выглядит как некий кор, окруженных облаком виртуальных π -мезонов, Виртуальные π -мезоны реализуют взаимодействие между нуклонами в атомном ядре. При уменьшении длины волны, когда она становится сравнимой с разменом нуклона, проявляется кварковая структура нуклона. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного u-кварков и двух d-кварков. При ещё большем уменьшении длины волны виртуального фотона видно, что на самом деле валентные кварки являются сложными образованиями большого числа кваркантикварковых пар связанных глюонами. Как формируется трехкварковая структура нуклона из моря виртуальных кварк-антикварковых пар является одной из фундаментальных проблем современной физики. Распределения электрического заряда и магнитного момента протона <r2E>1/2p = (0.86 + 0.01) Фм, <r2M>1/2p = (0.86 + 0.06) Фм. Распределения электрического заряда и магнитного момента нейтрона <r2E>1/2n = (0.10 + 0.01) Фм. • • • <r2M>1/2n = (0.89 + 0.07) Фм. Размер протона ~0.8 Фм. Размер нейтрона приблизительно такой же. Протон лишен четкой границы. Плотность заряда в протоне плавно убывает по закону ρ(r) = ρ(0)exp(-r/a), где ρ(0) = 3 е/Фм3, a = 0.23 Фм. Средний квадрат радиуса протона ∞ r 2 ∫ 4π r ρ (r )r dr = 0, 62 Фм . = ∫ 4π r ρ (r )dr 0 2 2 2 ∞ 2 0 187 • • • Отличие величины <r2E>1/2n от нуля в случае нейтрона означает, что заряд нейтрона только после усреднения по всему объему нейтрона равен нулю. В нейтроне центральная часть (r < 0.7 Фм) заряжена положительно, периферийная часть — отрицательно. Распределения магнитных моментов протона и нейтрона совпадают. Распределение электрического заряда в нейтроне и протоне Данные о структуре нуклона свидетельствуют о том, что нуклон имеет сложную внутреннюю структуру. По современным представлениям он состоит из кварков, взаимодействующих посредством обмена квантами сильного взаимодействия — глюонами. 188 15. Ядерная физика и естествознание Методы исследований, результаты изучения атомных ядер широко используются в других разделах физики и других областях знаний. Зародившись в недрах химии — науки о свойствах атомов, исследования структуры материи привели к открытию атомного ядра и открытию ядерной динамики. Первые эксперименты с естественными источниками α-излучения сменились экспериментами на ускорителях и реакторах. Изучение строения атомного ядра неизбежно вело к изучению структуры протона, изучению свойств «элементарных» частиц, которые начали в большом количестве рождаться на ускорителях. В недрах ядерной физики зародилось новое направление исследований – физика элементарных частиц. Физика атомного ядра и физика элементарных частиц имеют между собой много общего как по идеологии выполняемых экспериментов, так и по используемым методам наблюдений. В. Гольданский: «Открытие атомного ядра Резерфордом и исследование рентгеновских спектров Мозли привели к раскрытию физического смысла номера элемента в менделеевской системе как величины положительного заряда ядер атомов этого элемента. Теория Бора связала планетарную модель атома с квантовой теорией, дала теоретическое истолкование периодичности химических свойств элементов, позволила предсказать структуру шестого периода менделеевской системы и свойства не известных в то время гафния и рения. Но особое, неизмеримо важное значение приобрело другое следствие сопоставления Периодической системы с квантовой теорией – выдвинутый в 1925 г. Паули «принцип исключения». От Менделеева – через принцип Паули – пролегла дорога к статистике Ферми – Дирака и далее к теории всех многообразных явлений, связанных с особыми свойствами фермионов, в том числе теории химической связи, атомных ядер, металлов и полупроводников. Таким образом, на границе физики и химии возникла и получила сильнейшее развитие современная наука о строении вещества, нашедшая к тому же в последние двадцать лет принципиально новые важнейшие приложения и продолжения в молекулярной биологии». Атомные ядра имеют характерный спектр возбужденных состояний, распад которых происходит с испусканием γ -квантов. Разность энергий между возбужденными состояниями и соответственно энергии испускаемых γ -квантов могут составлять величину порядка единиц МэВ, что в 103–104 раз больше энергий γ -квантов, испускаемых из возбужденных состояний атомов. Возбужденные состояния атомных ядер могут распадаться также с испусканием лептонов. Испускание электрона всегда сопровождается испусканием электронного антинейтрино, испускание позитрона всегда сопровождается испусканием нейтрино. Распад возбужденных состояний ядер может происходить также с испусканием протонов, нейтронов и более сложных фрагментов. 189 Резонансное поглощение γ-квантов 1958 г. Р. Мессбауэр открыл явление ядерного резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра) Рудольф Мессбауэр (р. 1929) Благодаря эффекту Мессбауэра стало возможным измерение спектров испускания, поглощения и резонансного рассеяния гамма-квантов с относительной точностью ΔE / E 10−17 . Уникальные характеристики мессбауэровских спектров используются при анализе физических и химических свойств твердых тел. По смещению линий мессбауэровских спектров изучают молекулярную структуру спектров, обусловленную электрическими квадрупольными и магнитными дипольными моментами ядер. Благодаря очень высокой точности определения энергии γ -квантов, с помощью эффекта Мессбауэра удалось в лабораторных условиях измерить красное смещение энергии γ -квантов в гравитационном поле Земли. Эффект Мессбауэра имеет многочисленные применения в медицине и биологии. Нобелевская премия по физике 1961 г. – Р. Мессбауэр За исследования в области резонансного поглощения гамма-излучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя. 190 В нуклоне также обнаружены возбужденные состояния. Энергия возбуждения нуклона составляет сотни МэВ. Возбужденный нуклон также как и атомное ядро может переходить в основное состояние с испусканием γ -квантов и лептонов. Однако, в большинстве случаев распад возбужденных состояний нуклонов происходит с испусканием мезонов. Чаще всего это π -мезоны. В этом проявляется особенность сильных взаимодействий кварков в нуклоне. На смену «элементарным» частицам 40-х годов ХХ столетия – протону и нейтрону – пришли новые фундаментальные частицы – кварки – составные части протона и нейтрона. Атомное ядро – уникальный объект исследований. В атомном ядре были открыты новые типы взаимодействий – сильное и слабое, были открыты новые законы сохранения и симметрии, которые были более детально исследованы во взаимодействиях элементарных частиц. Можно привести множество примеров совместных интересов физики атомного ядра и физики частиц. Один из таких примеров – физика гиперядер – образование ядерной системы из нуклонов и Λ -, Σ - и Ξ -гиперонов. Время жизни Λ -, Σ -, Ξ -гиперонов ~ 10−10 с намного больше характерного ядерного времени t ~ 10−23 с .поэтому они могут образовывать связанные состояния с нуклонами атомного ядра. В настоящее время получено большое число гиперядер со странностью s = −1 . Эти гиперядра образуются при замене одного из нуклонов ядра на Λ или Σ -гиперон. Получены гиперядра со странностью s = −2 . Эти гиперядра получаются, если в составе гиперядра находятся 2 Λ -гиперона или Ξ -гиперон. Гиперядра получены не только для большого числа лёгких ядер, но и для более тяжелых ядер вплоть до 4. Так как время жизни гиперядер 191 ~ 10−10 с, поэтому по своим свойствам они могут рассматриваться аналогично свойствам радиоактивных ядер. То обстоятельство, что на одиночный гиперон в ядре не распространяется принцип Паули, позволяет ему находиться на любой ядерной оболочке. Так, например, самой нижней для Λ -гиперона в ядре является 1s-оболочка, затем 1p-оболочка, 1d-оболочка и т.д. Изучение взаимодействия гиперонов в ядре показало, что взаимодействие гиперонов с нуклонами слабее, чем нуклон-нуклонные взаимодействия, поэтому потенциальная яма для гиперонов оказывается менее глубокая и одночастичные состояния расположены при более высоких энергиях. Исследования поведения гиперядер в ядре подтверждают основные положения модели оболочек Наряду с этим гиперядра это уникальная среда для изучения ΛΛ и ΞN взаимодействий, изучения поведения гиперонов в ядерной среде. Хорошо известно, какую большую роль играет эффект спаривания тождественных нуклонов в атомных ядрах. Изучение реакций перезарядки π -мезонов π + + ( A, Z ) → ( A, Z + 2) + π − , π − + ( A, Z ) → ( A, Z − 2) + π + дают интересную информацию о силах спаривания, т.к. в этих реакциях происходит превращение двух нейтронов в два протона и наоборот. Несомненна связь между астрофизикой и ядерной физикой. Ядерная физика дала ответы на вопросы: • Почему светят звезды? • Почему звезды умирают? • Как устроены нейтронные звезды – объекты, в которых наряду с сильным взаимодействием между нейтронами необходимо учитывать гравитационное взаимодействие? В настоящее время известно ~ 3500 атомных ядер. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~ 7500. Большинство из неоткрытых пока ядер – это ядра перегруженные нейтронами. Изучение свойств этих ядер важно для описания г-процесса нуклеосинтеза. В обычных земных условиях атомные ядра окружены электронными оболочками. Однако при высоких температурах в звездах атомы полностью ионизированы, и атомные ядра погружены в плазму. Поведение ядер в этих условиях тоже очень важно для описания процесса нуклеосинтеза. Атомные ядра играют важную роль в науке о человеке. Все химические элементы, из которых состоит человек, образовались в ядерных реакциях в звездах. А. Беккерель, М. Кюри, П. Кюри были первыми, кто испытал на себе воздействие радиоактивности. А. Беккерель носил в течение нескольких часов в нагрудном кармане радиоактивный изотоп радия, что привело к лучевому ожогу, который не заживал в течение нескольких недель. П. Кюри, узнав об этом, решил проверить этот факт и тоже получил ожог на руке. Сегодня последствия радиационного облучения изучены. Они могут иметь как отрицательные последствия — лучевая болезнь, так и положительные — в миллионах случаях радиационное облучение используется в лечебных 192 целях и для диагностики различных болезней. Число различных приложений радиоактивных методов огромно. Оно вошло в наш повседневный образ жизни. Жизнь на Земле возможна благодаря ядерным реакциям, происходящим в недрах Солнца. Солнце дает тепло, согревающее Землю. Но одновременно оно является интенсивным источником радиации, которое могло бы убить все живое на Земле, если бы Земля не имела магнитного поля, защищающего Землю от космического излучения. Магнитное поле обязано разогреву внутренней области Земли за счет распада радиоактивных изотопов, находящихся в Земле. В 1929 г. Э. Хаббл установил расширение Вселенной, обнаружив красное смещение видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера. Скорость v разлета двух галактик и расстояние R между ними связаны законом Хаббла v = HR, H = 71 ± 4 км/(сек·мегапарсек). Согласно космологической модели Большого взрыва Вселенная образовалась ~13,7 млрд. лет назад. «Осколки» этого Взрыва представляют собой тысячи миллиардов разлетающихся галактик. Вселенная продолжает расширяться и в настоящую эпоху. В теории Эйнштейна свойства пространства определяются средней плотностью вещества-энергии во Вселенной. Соотношение между средней плотностью ρ вещества-энергии во Вселенной и критической плотностью ρк определяет судьбу Вселенной. Критическая плотность вещества во Вселенной ρк связана с постоянной Хаббла Н и гравитационной постоянной G соотношением 3H 2 ρk = ≈ 10−29 г/см3. 8π G Темная материя Барионы Темная энергия Состав Вселенной в настоящее время БАРИОНЫ в том числе: ФОТОНЫ НЕЙТРИНО ТЁМНАЯ МАТЕРИЯ - звёзды 0.02-0.05 0.002-0.003 4.9⋅10−5 3.3⋅10−5 0.2-0.4 - неизвестные массивные частицы (не барионы) ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ - вакуум 0.6-0.8 ПОЛНАЯ ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА-ЭНЕРГИИ 1.02 ± 0.02 193 Изменение расстояний в реальном мире Плотность вещества и вакуума во Вселенной Если ρ < ρк, Вселенная будет постоянно расширяться, и радиус её будет возрастать неограниченно. Если ρ > ρк, гравитационное взаимодействие будет замедлять расширение, и оно сменится ускоряющимся сжатием. Средняя плотность наблюдаемого вещества во Вселенной – (2-5)·10–31 г/см3, что составляет (2-5)% от средней величины критической плотности. Это вещество состоит из оптически ярких звёзд (на их долю приходится лишь около 1/10 массы наблюдаемого вещества), межзвёздной пыли и газа, молекулярных облаков, остатков звёздной эволюции (включая чёрные дыры), планет и маломассивных звёзд, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза. При средней плотности наблюдаемого вещества Вселенная, казалось бы, обречена на замедляющееся расширение. Однако, установлено, что во Вселенной имеется большое количество неизвестной оптически невидимой материи, которую принято называть тёмной материей. Тёмная материя увеличивает массу Вселенной. Тёмная материя не участвует в ядерном синтезе, происходящем в звездах, не излучает свет. Следовательно, её невозможно обнаружить с помощью телескопов. Однако есть неоспоримые доказательства того, что тёмная материя действительно существует. Так, астрономические наблюдения показывают, что скорости движения галактик составляют тысячи километров в секунду и удержать их в наблюдаемых скоплениях галактик можно только при условии, что полная масса вещества в скоплении примерно в десять раз больше видимой звёздной массы. В нашей галактике Млечный путь тёмного вещества также примерно в 10 раз больше видимого. Оно образует обширное гало вокруг диска Млечного пути. Не меньше темной материи и в межгалактическом пространстве. Средняя плотность тёмной материи приближается к критической плотности Вселенной, т.е. составляет ≈ 10–29 г/см3, что в несколько раз больше плотности видимого вещества. Природу тёмной материи пока не удалось выяснить. Известно лишь то, что это не барионная материя. Это могут быть новые неизвестные пока массивные частицы, массы которых в тысячи раз больше массы протона, практически не взаимодействующие с известной нам материей. tv=6-8 млрд лет Время, t tv=6-8 млрд лет Время, t Наибольший вклад в вещество Вселенной даёт так называемая тёмная энергия, которую интерпретируют как вакуум. Тёмная энергия — особая форма материи – физический вакуум, т. е. наинизшее энергетическое состояние физических полей, заполняющих пространство. В начале 1998 г. было 194 экспериментально доказано, что последние пять млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, как следует из модели Большого Взрыва, а ускорялось. Это открытие было сделано в результате анализа спектров излучения взрывающихся Сверхновых, расположенных от Земли на расстоянии 5–10 млрд. световых лет. Было доказано наличие в космосе гравитационного отталкивания, присущего физическому вакууму. По ускорению космологического расширения удалось измерить плотность энергии вакуума. Средняя плотность энергии вакуума в единицах плотности массы ρвакуум ≈ 0, 7 ⋅10−29 г/см3. Эффективная энергия вакуума отрицательна при положительной плотности. Плотность энергии вакуума со временем не изменяется, в то время как плотности обычного вещества и тёмной материи уменьшаются из-за расширения Вселенной. В отличие от сил гравитации силы, обусловленные тёмной энергией, стремятся удалить космические объекты друг от друга. Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. В первой половине своего существования Вселенная расширялась вследствие инерции Большого Взрыва. Во Вселенной доминировало вещество, и скорость её расширения замедлялась. Галактики и звезды все дальше удалялись друг от друга. Плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды стали редкими вкраплениями в космологический вакуум, и Вселенная перешла из состояния доминирования вещества в состояние доминирования вакуума, обеспечившего ей режим дальнейшего ускоренного расширения. Постоянство плотности вакуума приведет к тому, что окружающий мир станет тоже статичным. Но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и космологического Λ-члена, теперь равновесие достигается постоянной плотностью вакуума. Как образуется космологический вакуум, и какова его природа ещё предстоит выяснить. Физический вакуум – особое состояние квантового поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и других переменных могут возникать виртуальные частицы. Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пространстве ненулевую энергию вакуума. Во всех физических взаимодействиях, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значения, важна лишь разность энергий состояний. В гравитации, однако, это не так – необходимо учитывать все формы энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и тёмной энергии Вселенной пока нет. Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть дополнительные измерения пространства Вселенной. Условия, существовавшие в первые мгновения Вселенной, воспроизводятся в релятивистских столкновениях тяжелых ядер на ускорителях RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) и LHC (Large Hadron Collider). В столкновениях ядер Pb+Pb была обнаружена кварк-глюонная 195 плазма – состояние, в котором существовала материя в первые мгновения Вселенной. Характерной особенностью материи в это время было одинаковое число частиц и античастиц. Одним из фундаментальных вопросов является следующий. Если вначале вещество и антивещество присутствовали в одинаковом количестве, почему окружающая нас часть Вселенной состоит из вещества? Куда девалось антивещество? Может быть, отдаленные неисследованные области Вселенной состоят из антивещества и тогда это означает то, что первоначальная симметрия между материей и антиматерией сохранилась и в настоящее время. Однако существует и другое объяснение преобладания вещества над антивеществом. В результате нарушении CP-четности в нестационарной расширяющейся Вселенной образовалось преобладание вещества над антивеществом на уровне 10–9, т.е. на 109 частиц антивещества было 109 + 1 частица вещества. В результате последующей аннигиляции вещества и антивещества всё антивещество исчезло и образовалось реликтовое излучение. Число фотонов реликтового излучения во Вселенной превосходит число барионов во Вселенной как раз в 109 раз. Такое объяснение предполагает, что протон должен быть нестабильной частицей и может распадаться с нарушением законов сохранения барионного и лептонного зарядов. p → e+ + π 0 . Время жизни протона по оценке должно быть > 1032 лет. Конец XIX века ознаменовался рядом крупных открытий, которые радикально повлияли на развитее науки в XX веке. Аналогичная ситуация складывается в физике и в настоящее время. Оказывается, что наши знания о процессах, происходящих во Вселенной, основываются на законах о свойствах барионной материи, составляющей ~ 5% всей матери во Вселенной. ~ 30% всей матери во Вселенной составляет темная материя, природа которой до сих пор неизвестна. ~ 70% всей матери во Вселенной составляет темная энергия – еще более загадочное состояние материи. Достаточно надёжно описываемые формы материи, которые хорошо известны, составляют всего несколько процентов от общей плотности космологической материи. Изучение этих новых форм материи, безусловно, важнейшая проблема. Природа бросила очередной вызов человеку. 196 Космическая шкала времени Время от настоящего момента, млрд. лет 14 14 14 13 10 10 5 4 3 2 1 0,60 0,45 0,15 0,05 2 млн. лет Событие Большой Взрыв Рождение частиц, аннигиляция вещества и антивещества Синтез 2H, 4He Образование Галактик Сжатие нашей протогалактики Образование первых звёзд Образование Солнечной системы, планет Образование земных пород Зарождение микроорганизмов Формирование атмосферы Земли Зарождение жизни Ранние окаменелости Рыбы Динозавры Первые млекопитающие Человек (homo sapiens) 197 ХРОНОЛОГИЯ Ниже приведен неполный список основных событий, которые сформировали современный взгляд на физику атомных ядер. 440 г. до н.э. — Демокрит выдвинул гипотезу о неделимых частицах — «атомах». 1871 г. — Дмитрий Менделеев открыл периодическую систему элементов. 1887 г. — Генрих Герц (Heinrich Hertz) открыл фотоэлектрический эффект. 1895 г. — Вильгельм Рентген (Wilhelm Roentgen) открыл рентгеновские лучи. 1896 г. — Антуан Беккерель (Antoine Becquerel) открыл радиоактивность. 1897 г. — Джозеф Томсон (Joseph Thomson) открыл электрон. 1898 г. — Мария и Пьер Кюри (Marie and Pierre Curie) выделили и изучили радий и полоний. 1899 г. — Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford) открыл, что уран излучает положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы. 1900 г. — Поль Виллард (Paul Villard) открыл гамма-лучи при изучении распада урана. Макс Планк (Max Planck) выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела. 1905 г. — Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) объяснил фотоэлектрический эффект и выдвинул специальную теорию относительности. 1908 г. — Ганс Гейгер и Эрнест Резерфорд сконструировали прибор для регистрации отдельных заряженных частиц. В 1928 г. Г. Гейгер и Вальтер Мюллер (Walther Mueller) усовершенствовали его (счетчик Гейгера). 198 1909 г. — Ганс Гейгер и Эрнест Марсден (Hans Geiger and Ernest Marsden) обнаружили отклонение альфа-частиц на большие углы при их прохождении через тонкие фольги. Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс (Ernest Rutherford and Thomas Royds) доказали, что альфа-частицы это дважды ионизированные атомы гелия. 1911 г. — Эрнест Резерфорд объяснил эксперимент Гейгера – Марсдена, предложив свою модель атома и вывел формулу для рассеяния заряженных частиц в кулоновском поле. Ганс Гейгер и Дж. Нэттол (J. Nuttall) установили зависимость между временем жизни и энергией альфа-распада радиоактивных ядер (закон Гейгера – Нэттола). 1912 г. — Чарльз Вильсон (Charles Wilson) изобрел камеру, названную его именем. Виктор Гесс (Victor Hess) открыл космические лучи. 1913 г. — Нильс Бор (Niels Bohr) предложил квантовую модель атома. Роберт Милликен (Robert Millikan) измерил элементарный электрический заряд. 1914 г. — Эрнест Резерфорд преположил, что атомное ядро содержит протоны. 1919 г. — Артур Эддингтон (Arthur Eddington) выдвинул предположение, объясняющее энергию Солнца и звезд реакциями превращения водорода в гелий. Фрэнсис Астон (Francis Aston) построил масс-спектрограф с высокой разрешающей способностью и предложил электромагнитный метод разделения изотопов. (Принцип действия масс-спектрографа предложил в 1907 г. Джозеф Джон Томсон.) Эрнест Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию 14N(α,p)17O и доказал наличие в атомных ядрах протонов. 1922 г. — Артур Комптон (Arthur Compton) исследовал рассеяние рентгеновских лучей на электронах и доказал существование фотона. 1923 г. — Луи де Бройль (Louis de Broglie) предположил что электрон может иметь волновые свойства. 199 1924 г. — Вольфганг Паули (Wolfgang Pauli) предложил принцип Паули. Сатиендра Бозе (Satyendra Bose) и Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) ввели статистику Бозе–Эйнштейна. Вальтер Боте (Walther Bothe) разработал метод совпадений. Александр Фридман выдвинул теорию “разбегающихся” галактик — расширяющейся Вселенной. 1925 г. — Джордж Уленбек и Самуэль Гоудсмит (George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit) постулировали спин электрона. Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан (Werner Heisenberg, Max Born, and Pascual Jordan) сформулировали матричную квантовую механику. 1926 г. — Эрвин Шредингер (Erwin Schrodinger) получил нерелятивистское волновое уравнение, сформулировал волновую квантовую механику и доказал, что матричная и волновая формулировки квантовой механики эквивалентны. Энрико Ферми (Enrico Fermi) установил соответствие спина и статистики. Пол Дирак (Paul Dirac) ввел статистику Ферми-Дирака. 1927 г. — Клинтон Дэвиссон, Лестер Гермер и Джордж Томсон (Clinton Davisson, Lester Germer and George Thomson) подтвердили волновую природу электрона. Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) сформулировал принцип неопределенности. Макс Борн (Max Born) дал вероятностную интерпретацию волновой функции. Эуген Вигнер (Eugene Wigner) сформулировал закон сохранения пространственной четности. 1928 г. — Дуглас Хартри (Douglas Hartree) разработал метод самосогласованного поля, развитый в 1930 г. Владимиром Фоком (метод Хартри – Фока). 1929 г. — Оскар Клейн (Oskar Klein) и Иошио Нишина (Yoshio Nishina) вывели формулу для рассеяния высокоэнергетичных фотонов на электронах. Невилл Мотт (Nevill Mott) вывел формулу Мотта кулоновского рассеяния релятивистских электронов. Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) открыл эффект разбегания галактик. Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence) предложил идею циклотрона. 200 1931 г. — Вольфганг Паули выдвинул гипотезу нейтрино для объяснения спектра электронов бета-распада. Роберт Ван де Грааф (Robert Van de Graaff) создал электростатический ускоритель (генератор Ван де Граафа). 1932 г. — Джон Кокрофт и Томас Уолтон (John Cockcroft and Thomas Walton) пучком протонов расщепили ядра бора и лития. Джеймс Чедвик (James Chadwick) открыл нейтрон. Вернер Гейзенберг (Werner Heisenberg) и Дмитрий Иваненко предложили протон-нейтронную модель атомного ядра. Карл Андерсон (Carl Anderson) открыл позитрон. 1933 г. — Отто Штерн (Otto Stern) впервые измерил магнитный момент протона. 1934 г. — Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Irene and Frederic Joliot-Curie) в результате бомбардировке альфа-частицами алюминия получили первый искусственный радиоактивный изотоп 30P. Лео Сцилард (Leo Szilard) понял, что возможны цепные ядерные реакции. Энрико Ферми (Enrico Fermi) сформулировал теорию бетараспада и ввел новое понятие — слабое взаимодействие. Энрико Ферми предложил облучать уран нейтронами, чтобы получать трансурановые элементы. Павел Черенков сообщил о световом излучении, возникающем при прохождении релятивистских частиц через несцинтиллирующие жидкости (черенковское излучение). 1935 г. — Хидеки Юкава (Hideki Yukava) разработал теорию ядерного взаимодействия и предсказал мезоны — кванты ядерного поля. Игорь Курчатов, Борис Курчатов, Лев Мысовский, Лев Русинов открыли ядерную изомерию. 1936 г. — Эуген Вигнер (Eugene Wigner) разработал теорию поглощения нейтронов атомными ядрами. Грегори Брейт (Gregory Breit) и Эуген Вигнер предложили дисперсионную формулу ядерных реакций (формула БрейтаВигнера). Грегори Брейт, Эдвард Кондон (Edward Condon) и Ричард Презент (Richard Present) выдвинули гипотезу о зарядовой независимости ядерных сил. Нильс Бор (Nils Bohr) и Яков Френкель создали капельную модель ядра. 201 Нильс Бор cоздал теорию составного (компаунд) ядра. 1937 г. — Исаак Раби (Isaac Rabi) разработал магнитный резонансный метод определения ядерных моментов. Игорь Тамм и Илья Франк создали теорию излучения Вавилова–Черенкова. Эмилио Сегре (Emilio Segre) и Карло Перье (Carlo Perrier) синтезировали первый искусственный элемент — технеций. 1938 г. — Ганс Бете (Hans Bethe) и Чарльз Критчфильд (Charles Critchfield) открыли протон-протонный цикл термоядерных реакций как источник энергии звезд. Ганс Бете (Hans Bethe) и Карл фон Вайцзеккер (Carl vonWeizsacker) открыли углеродно-азотный цикл термоядерных реакций. 1939 г. — Отто Ган и Фриц Штрассман (Otto Hahn and Fritz Strassman), облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакций барий. Лиза Мейтнер и Отто Фриш (Lise Meitner and Otto Frisch) определили, что в эксперименте Гана-Штрассмана происходило деление урана. Нильс Бор (Nils Bohr) и Джон Уилер (John Wheeler) дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления. Яков Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами. Лео Сцилард (Leo Szilard), Эуген Вигнер (Eugene Wigner), Энрико Ферми (Enrico Fermi), Джон Уилер (John Wheeler), Фредерик Жолио-Кюри (Frederic Joliot-Curie), Яков Зельдович, Юлий Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления. Идею цепной ядерной реакции выдвинул в 1934 г. Л. Сцилард. 1940 г. — Георгий Флеров и Константин Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U. Дональд Керст (Donald Kerst) построил бетатрон. 1940–1953 гг. — Глен Сиборг (Glen Seaborg) и др. синтезировали трансурановые элементы: плутоний, нептуний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий. 1942 г. — Энрико Ферми (Enrico Fermi) осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе. 202 1944 г. — Владимир Векслер открыл принцип автофазировки, который лег в основу создания новых ускорителей. Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук предсказали синхротронное излучение. 1946 г. — Георгий Гамов предложил модель Большого взрыва и разработал теорию синтеза химических элементов. Бруно Понтекорво предложил «хлорный метод» детектирования нейтрино. Уиллард Либби (Willard Libby) разработал радиоуглеродный метод геохронологии. 1947 г. — Сесил Пауэлл, Чезаре Латес, Джузеппе Оккиалини (Cecil Powell, Cesare Lattes, and Giuseppe Occhialini) открыли пионы, исследуя треки космических лучей. Ричард Фейнман (Richard Feynman) предложил диаграммный метод в квантовой электродинамике. 1948 г. — Мария Гепперт-Майер (Maria Goeppert-Meyer) и Ханс Йенсен (Hans Jensen) создали оболочечную модель ядра. 1949 г. — Рольф Видерое (Rolf Wideroe) выдвинул идею встречных пучков, в дальнейшем развитую Дональдом Керстом (Donald Kerst) и Гершем Будкером. 1950 г. — Оге Бор (Age Bohr) и Бен Моттельсон (Ben Mottelson) разработали коллективную модель ядра. 1951 г. — Борис Джелепов предсказал протонную радиоактивность. 1953 г. — Вал Фитч (Val Fitch) и Джеймс Рейнуотер (James Rainwater) измерили радиусы ядер в области значений Z от 13 до 83. Виктор Вайскопф (Victor Weisskopf), Герман Фешбах (Herman Feshbach) и К. Портер (C. Porter) развили оптическую модель ядерных реакций. 1954 г. — Янг Чень-ин и Роберт Милс (Chen Yang and Robert Mills) исследовали теорию адронного изоспина с требованием локальной калибровочной инвариантности в пространстве вращения изоспина — первую не абелеву калибровочную теорию. 203 1955 г. — Овен Чемберлен, Эмилио Сегре, Клайд Виганд и Томас Ипсилантис (Owen Chamberlain, Emilio Segre, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis) открыли антипротон. Джефри Бербидж, Вильям Фаулер и Фред Хойл (Geoffrey Burbidge, William Fowler and Fred Hoyle) выдвинули теорию образования химических элементов в звездах. Свен Нильссон (Sven Nilsson) разработал модель деформированных атомных ядер. 1956 г. — Фредерик Райнес и Клайд Коэн (Frederick Reines and Clyde Cowan) зарегистрировали антинейтрино. Янг Чень-ин и Ли Цзун-дао (Chen Yang and Tsung Lee) предположили нарушение пространственной четности в слабых взаимодействиях. Ву Цзяньсюн (Chien Shiung Wu) открыла несохранение пространственной четности в бета-распаде. Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter) впервые измерил электромагнитный радиус протона. 1957 г. — Лев Ландау предложил понятие комбинированной четности. Герхард Людерс (Gerhart Luders) доказал CPT-теорему. Ричард Фейнман, Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann), Роберт Маршак (Robert Marshak) и Эннакел Сударшан (Ennackel Sudarshan) создали универсальную теорию слабых взаимодействий. Бруно Понтекорво выдвинул идею нейтринных осцилляций. 1958 г. — Джеймс Ван Аллен (James Van Allen), Сергей Вернов и Александр Чудаков открыли радиационные пояса Земли. Рудольф Мессбауэр (Rudolh Moessbauer) открыл явление ядерного гамма-резонанса без отдачи (эффект Мессбауэра). 1959 г. — Спартак Беляев, Вадим Соловьев создали сверхтекучую модель ядра. 1960 г. — Виталий Гольданский предсказал двухпротонную радиоактивность. 1963–1966 г. — Синтезированы изотопы 102-го (No) и 104-го (Rf) элементов (Георгий Флеров и др.). 1963 г. — Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг (George Zweig) предложили кварковую модель адронов. 204 1964 г. — Питер Хиггс (Peter Higgs) предложил механизм возникновения массы частиц. 1965 г. — Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Вудро Вильсон (Robert Woodrow Wilson) открыли реликтовое излучение. 1966 г. — Леон Ледерман (Leon Lederman) синтезировал ядра антидейтерия. 1967 г. — Эксперимент Рэймонда Дэвиса (Raimond Davis) по регистрации электронных нейтрино от Солнца показал заметный дефицит потока солнечных нейтрино по сравнению с результатами расчетов в рамках стандартной солнечной модели. 1968 г. — Федор Шапиро наблюдал ультрахолодные нейтроны. 1970 г. — Джозеф Черны (Joseph Cerny) обнаружил протонную радиоактивность. Синтезирован 105 химический элемент – дубний. Юрий Прокошкин синтезировал ядра антигелия. 1971 г. — Виталий Гольданский предсказал двухнейтронный распад. 1973 г. — Дэвид Политцер (David Politzer) выдвинул концепцию асимптотической свободы кварков. 1974 г. — Синтезирован 106 химический элемент – сиборгий. 1976 г. — Синтезирован 107 химический элемент – борий. 1982 г. — Синтезирован 109 химический элемент – мейтнерий. 1983 г. — Карло Руббиа и Симон ван дер Меер (Carlo Rubbia, Simon van der Meer) с колаборацией CERN UA-1 открыли векторные W- и Z-бозоны. 1984 г. — Роуз (H.J. Rose) и Джонс (G.A. Jones) обнаружили кластерную радиоактивность. Синтезирован 108 химический элемент – хассий. 1994 г. — Синтезированы 110 и 111 химические элементы – дармштадтий и рентгений. 205 1996 г. — Синтезирован 112 химический элемент – коперниций. 1998 г. — Обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется. Синтезирован 114 химический элемент. 2000 г. — Первое наблюдение тау-нейтрино (Лаборатория им. Э. Ферми). Получена кварк-глюонная плазма при столкновении ультрарелятивистских тяжелых ядер (ЦЕРН). Синтезирован 116 химический элемент. 2001 г. — Измеренные в нейтринной лаборатории в Садбери потоки солнечных нейтрино (установка регистрировала нейтрино всех трех типов) оказались в хорошем согласии с результатами расчетов в рамках стандартной солнечной модели. Проблема солнечных нейтрино была решена. Одновременно были получены сильные аргументы в пользу гипотезы нейтринных осцилляций. 2002 г. — Явление двухпротонной радиоактивности изотопа 45 Fe было одновременно обнаружено в GANIL (Франция) и GSI (Германия). 2004 г. — Синтезированы 113 и 115 химические элементы. 2006 г. — Синтезирован 118 химический элемент. 2009 г. — Синтезирован 117 химический элемент. 206 НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ ПО ФИЗИКЕ, УДОСТОЕННЫЕ ПРЕМИИ ЗА РАБОТЫ В ОБЛАСТИ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ 1901 г. — В.Рентген За открытие лучей, названных его именем. 1903 г. — А. Беккерель За открытие радиоактивности. — П. Кюри и М. Кюри-Склодовская За исследования радиоактивности. 1905 г. — Ф. Ленард За работы по катодным лучам. 1906 г. — Дж. Дж. Томсон За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исcледованиях электрической проводимости газов. 1917 г. — Ч. Баркла За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов. 1918 г. — М. Планк За открытие кванта энергии. 1921 г. — А. Эйнштейн За вклад в теоретическую физику и в особенности за открытие закона фотоэлектрического эффекта. 1922 г. — Н. Бор За работы по исследованию структуры атомов и их излучения. 1923 г. — Р. Милликен За работы по элементарному электрическому заряду и фотоэлектрическому эффекту. 1927 г. — А. Комптон За открытие эффекта, названного его именем. — Ч. Вильсон За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара. 1929 г. — Л. де Бройль За открытие волновой природы электрона. 1932 г. — В. Гейзенберг За создание квантовой механики. 1933 г. — Э. Шредингер и П. Дирак За открытие новых плодотворных формулировок атомной теории. 1935 г. — Дж. Чедвик За открытие нейтрона. 1936 г. — В. Хесс За открытие космического излучения. — К. Андерсон За открытие позитрона. 207 1938 г. — Э. Ферми За демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, полученных с помощью нейтронного облучения и за открытие реакций, вызванных медленными нейтронами. 1939 г. — Э. Лоуренс За изобретение и создание циклотрона и за результаты, полученные на нем, в особенности связанные с искусственными радиоактивными элементами. 1943 г. — О. Штерн За вклад в развитие метода молекулярных пучков и открытие магнитного момента протона. 1944 г. — И. Раби За резонансный метод для измерения магнитных свойств атомных ядер. 1945 г. — В. Паули За открытие принципа Паули. 1948 г. — П. Блэкетт За создание метода камеры Вильсона и открытия, сделанные с его помощью в области ядерной физики и космических лучей. 1949 г. — Х. Юкава За предсказание существования мезонов на основе теоретических работ по ядерным силам. 1950 г. — С. Пауэлл За создание фотографического метода и открытия, связанные с мезонами, сделанные с помощью этого метода. 1951 г. — Дж. Кокрофт и Э. Уолтон За пионерскую работу по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц. 1952 г. — Ф. Блох и Э. Парселл За создание новых методов точных ядерных магнитных измерений и связанные с ними открытия. 1954 г. — М. Борн За фундаментальные исследования в квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции. — В. Боте За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия. 1955 г. — В. Ламб За открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода. — П. Каш За прецизионное определение магнитного момента электрона. 1957 г. — Янг Чень-ин и Ли Цзун-дао За глубокие исследования так называемых законов четности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц. 208 1958 г. — П. Черенков, И. Франк, И. Тамм За открытие и интерпретацию эффекта Черенкова. 1959 г. — Э. Сегре и О. Чемберлен За открытие антипротона. 1961 г. — Р. Хофштатер За пионерские исследования рассеяния электронов атомными ядрами и открытия, связанные со структурой нуклона. — Р. Мессбауэр За исследования в области резонансного поглощения гаммаизлучения и открытия в этой связи эффекта, носящего его имя. 1963 г. — Э. Вигнер За вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц, в частности, за открытие и применение фундаментальных принципов симметрии. — М. Гепперт-Майер и Г. Йенсен За открытия в области ядерной модели оболочек. 1967 г. — Г. Бете За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд. 1975 г. — О. Бор, Б. Моттельсон и Дж. Рейнуотер За открытие связи между коллективным и одночастичным движением в атомном ядре и создание на базе этой связи теории структуры атомного ядра. 1978 г. — А. Пензиас и Р. Вильсон За открытие космического микроволнового фонового излучения. 1983 г. — С. Чандрасекар За теоретические исследования физических процессов, важных для структуры и эволюции звезд. — В. Фаулер За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной. 1994 г. — Б. Брокхаус За создание нейтронной спектроскопии. — К. Шулл За создание метода нейтронной дифракции. 1995 г. — Ф. Райнес За детектирование нейтрино. 2002 г. — Р. Дэвис, М. Косиба За вклад в астрофизику, в частности за детектирование космических нейтрино. — Р. Джаккони За вклад в астрофизику, который привел к открытию рентгеновских космических источников. 209 НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ ПО ХИМИИ ЗА ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТЯХ, СМЕЖНЫХ С ЯДЕРНОЙ ФИЗИКОЙ 1908 г. — Э. Резерфорд За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ. 1911 г. — М. Склодовская-Кюри За открытия радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием. 1921 г. — Ф. Содди За вклад в химию радиоактивных веществ и за исследование явления изотопии. 1922 г. — Ф. Астон За открытие большого количества стабильных изотопов и изучение их свойств. 1935 г. — Ф. Жолио-Кюри, И. Жолио-Кюри За открытие искусственной радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов. 1943 г. — Д. Хевеши За использование изотопов как индикаторов и открытие гафния. 1944 г. — О. Ган За открытие реакции деления ядер урана нейтронами. 1951 г. — Э. Мак-Миллан, Г. Сиборг За открытие плутония. 1960 г. — У. Либби За использование метода использования радиоуглерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других науках. 1991 г. — Р. Эрнст За вклад в развитие метода ЯМР-спектроскопии высокого разрешения. 210 ДОПОЛНЕНИЕ Э. Резерфорд ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА α-ЧАСТИЦ, ИСПУСКАЕМЫХ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ Нобелевская лекция, прочитанная в Королевской Академии наук в Стокгольме 11 декабря 1908 г. (1908 г.) Исследование свойств α-лучей сыграло выдающуюся роль в развитии науки о радиоактивности и привело к пониманию целого ряда фактов и зависимостей первостепенного значения. По мере накопления экспериментальных данных все более обнаруживалось, что значительная часть радиоактивных явлений тесно связана с испусканием α-частиц. В этой лекции будет сделана попытка дать краткий исторический обзор развития наших знаний об α-излучении и проследить долгий и трудный путь, пройденный экспериментаторами при решении сложной проблемы химической природы α-частиц. Впервые α-лучи были обнаружены в 1899 г. виде излучения особого типа, и в течение последних 6 лет проводились настойчивые исследования этой важной проблемы, решение которой пришло тогда, когда казалось, что все силы штурмующих уже иссякли. Вскоре после того, как Беккерель открыл фотографическим методом излучательную способность урана, он показал, что урановое излучение, как и рентгеновские лучи, обладает свойством разряжать наэлектризованное тело. При подробном исследовании этого свойства я, изучая зависимость скорости разряда от числа слоев тонкой алюминиевой фольги, помещенных над поверхностью слоя окиси урана, пришел к выводу о наличии двух видов излучения. Выводы в то время были сформулированы следующим образом [1]: «Эти эксперименты показывают, что урановое излучение имеет сложный состав и что существует по крайней мере два вида излучения: одно, легко поглощающееся, которое мы будем для удобства называть α-излучение, и другое, обладающее большей проникающей способностью, названное β-излучением». После того как были открыты другие радиоактивные вещества, оказалось, что их излучения аналогичны α- и β-лучам урана, а когда Вийяр обнаружил еще более проникающее излучение радия, оно получило название γ-излучения. Эти названия вскоре стали общепринятыми, как удобные обозначения трех различных видов излучений, испускаемых ураном, радием, торием и актинием. На первых порах α-лучам вследствие их незначительной проникающей способности не придавали большого значения, главное внимание было направлено на более проникающие β-лучи. После появления активных препаратов радия Гизель в 1899 г. показал, что β-лучи, испускаемые этими препаратами, легко отклоняются магнитным полем в том же направлении, что и поток катодных лучей, несущих отрицательный заряд; 211 следовательно, β-лучи представляют собой также поток отрицательно заряженных частиц. Доказательство тождественности β-частиц и электронов, образующих катодные лучи, завершил в 1900 г. Беккерель, который показал, что β-частицы, испускаемые радием, имеют почти такую же малую массу, как и электроны, и что они испускаются со скоростью, сравнимой со скоростью света. Время не позволяет мне остановиться на более поздней работе Кауфмана и других работах по этому вопросу, которые намного расширили наши знания о структуре и массе электронов. Между тем дальнейшие исследования показали, что ионизация, наблюдаемая вблизи неэкранированного радиоактивного вещества, в основном обусловлена α-частицами и что большая часть энергии излучается в виде α-лучей. В 1901 г. Резерфорд и Маккланг рассчитали, что 1 г радия излучает большую часть энергии в виде α-лучей. Возрастающее признание значения α-лучей в явлениях радиоактивности привело к попыткам выяснить природу этого легко поглощаемого вида излучения. В 1901 г. Стрэтт, а в 1902 г. Вильям Крукс высказали предположение, что α-лучи, по-видимому, частицы с положительным зарядом. К тому же выводу пришел независимо от них и я, исходя из рассмотрения многих данных. Если это справедливо, то α-лучи должны отклоняться в магнитном поле. Предварительные измерения показали, что отклонение весьма незначительно, если вообще оно существует. Опыты продолжались с перерывами в течение двух лет, только в 1902 г., когда мы получили препарат радия с активностью в 19 000, я смог убедительно показать, что α-частицы отклоняются в магнитном поле, хотя и в гораздо меньшей степени, чем β-лучи. Это доказало, что α-излучение заключается в испускании заряженных частиц, а направление отклонения в магнитном поле показало, что каждая частица несет положительный заряд. Отклонение αчастиц наблюдалось также в электрическом поле, и по величине отклонения был сделан вывод, что скорость самых быстрых частиц равна около 2,5·109 см/сек, или 1/12 скорости света, тогда как величина е/m — отношение заряда частицы к ее массе — равна 6000 эл.-магн. ед. Из данных по электролизу воды сейчас известно, что значение е/т для атома водорода равно 9650. Если α-частица несет такой же заряд, как и заряд атома водорода, то масса αчастицы должна быть приблизительно вдвое больше массы атома водорода. Вследствие сложного состава лучей эти результаты следует считать только приближенными. Но эксперименты ясно показали, что масса α-частицы порядка массы атома и они могут в конце концов оказаться либо атомами водорода или гелия, либо атомами какого-то неизвестного элемента с малым весом. Такие опыты повторно провел де Кудр в 1903 г., а Беккерель обнаружит фотографическим методом отклонение α-лучей в магнитном поле. Доказательство того факта, что α-частицы действительно представляют собой заряженные атомы вещества, вылетающие с огромной скоростью, сразу же пролило яркий свет на природу радиоактивных процессов и, в частности, на серию других важных исследований, которые велись мною тогда же в лаборатории в Монреале совместно с Ф. Содди. Если бы время позволило, 212 было бы интересно рассмотреть несколько подробнее сущность этих исследований, которые послужили прочным основанием для построения общепринятой теперь «теории превращений» в учении о радиоактивности. На основе подробного исследования тория, радия и урана Резерфорд и Содди пришли к заключению, что радиоактивные тела находятся в состоянии превращения, в результате чего образуется ряд новых веществ, полностью отличающихся по своим химическим и физическим свойствам от исходного элемента. Из независимости скорости превращения от химических и физических воздействий следует, что превращения носят атомный, а не молекулярный характер. Было показано, что каждое из этих новых тел теряет свои радиоактивные свойства по определенному закону. Даже до открытия материальной сущности α-лучей считали вероятным, что излучение, испускаемое любым конкретным веществом, сопровождается разрушением его атомов. Доказательство того, что α-частица представляет собой выбрасываемый атом вещества, сразу же подкрепило этот вывод и в то же время дало более конкретное и определенное представление о процессах, происходящих в радиоактивном веществе. Наша точка зрения того времени ясна из следующей цитаты [2], утверждения которой с небольшими изменениями справедливы и сейчас: «На основе полученных к настоящему времени данных можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием α-лучей, т. е. выбрасыванием из атома тяжелой заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются испусканием α-лучей, в некоторых случаях — также β-лучей. Свойство радиоактивных тел, по-видимому, самопроизвольно испускать большие массы с огромными скоростями подтверждает ту точку зрения, что атомы этих веществ представляют собой, по крайней мере частично, быстро вращающиеся или колеблющиеся системы тяжелых заряженных тел, больших по сравнению с электроном. Внезапный выброс этих масс с орбиты может произойти под действием внутренних или внешних сил, о которых мы в настоящее время ничего не знаем». Рассмотрим объяснение превращений, происходящих в радии. Предполагается, что каждую секунду небольшая доля атомов радия становится неустойчивой, распадаясь с силой взрыва. Осколки атома (αчастицы) вылетают с большой скоростью, а остаток атома, вес которого уменьшился, становится атомом нового вещества — эманации радия. Атомы этого вещества намного менее устойчивы, чем атомы радия, и снова взрываются, выбрасывая α-частицы. В результате получается атом радия А, и, таким образом, процесс распада продолжается по длинной цепи ступеней. Могу здесь лишь мимоходом сослаться на большое число работ, выполненных различными экспериментаторами для исследования длинного ряда превращений радия, тория и актиния, на связь между радием и ураном и на открытие Болтвудом долго разыскиваемого и неуловимого 213 предшественника радия — иония. Эта сторона вопроса необычайно интересна и важна, но имеет лишь косвенное отношение к предмету моей лекции. Было обнаружено, что огромное большинство переходных элементов, получающихся при превращениях урана и тория, распадается с выбрасыванием α-частиц. Однако несколько элементов выбрасывают лишь β-частицы, а некоторые оказываются «безлучевыми», т. е. подвергаются изменениям без испускания α- и β-частиц. Необходимо предположить, что в этих последних случаях атомы распадаются с испусканием α-частиц, скорость которых слишком мала, чтобы их можно было обнаружить, или, что более вероятно, процесс атомной перестройки происходит без испускания материальных частиц атомных размеров. Другое поразительное свойство распада радия, как было вскоре замечено, также связано с испусканием α-частиц. В 1903 г. П. Кюри и Лаборд показали, что радий — самонагревающееся вещество и температура его всегда выше температуры окружающего воздуха. С самого начала казалось возможным, что этот эффект должен быть результатом нагревания, вызванного бомбардировкой радия α-частицами. Рассмотрим шарик радия, помещенный в трубку. Из всех частей нашего шарика α-частицы вылетают в равной степени, и вследствие их малой проникающей способности все застревают в самом радии или в стенках трубки. Энергия движения α-частиц превращается в теплоту. С этой точки зрения радий подвергается сильной и непрерывной бомбардировке своими собственными частицами и нагревается своим собственным излучением. Это подтвердила работа Резерфорда и Барнса в 1903 г., которые показали, что 3/4 эффекта нагрева радия обусловлено не непосредственно радием, а продуктом его распада — эманацией и что каждое из различных веществ, образующихся в радии, выделяет тепло пропорционально энергии испускаемых им α-частиц. Эти опыты убедительно показали, как огромна по сравнению с содержанием материи энергия, которая выделяется при превращении эманации. Можно легко подсчитать, что 1 кг эманации радия и ее продуктов могут первоначально выделять энергию, отвечающую 14000 л.с., и на протяжении своей жизни выделят энергию, соответствующую 80 000 л.с. в день. Таким образом, стало ясно, что эффект самонагревания радия — явление главным образом вторичное, обусловленное бомбардировкой собственными α-частицами. Стало очевидным, что все радиоактивные вещества должны выделять теплоту пропорционально количеству и энергии α-частиц, испускаемых за 1 сек. Теперь необходимо рассмотреть другое открытие первостепенной важности. Обсуждая следствия теории распада, Резерфорд и Содди обратили внимание на тот факт, что любое стабильное вещество, образующееся в результате превращения радиоактивных элементов, должно присутствовать в радиоактивных минералах, в которых процессы превращения происходят на протяжении всего времени их существования. Это предположение впервые было выдвинуто в 1902 г. [3]. «В свете этих результатов и выдвинутой точки зрения на природу радиоактивности естественно возникают мысли о том, не 214 может ли быть связано присутствие гелия в минералах и его постоянное нахождение совместно с ураном и торием с их радиоактивностью». И еще [4]: «Поэтому следует предположить, что если какие-либо из неизвестных конечных продуктов превращения радиоактивного элемента газообразны, они должны, вероятно в больших количествах, оказаться поглощенными в естественных минералах, содержащих этот элемент. Это подкрепляет уже высказанное нами ранее [3] предположение, что гелий, по-видимому, конечный продукт распада одного из радиоактивных элементов, поскольку он обнаруживается только в радиоактивных минералах». В то же время было признано вполне вероятным, что α-частицы сами могут оказаться атомами гелия. Так как в то время можно было получить только слабо радиоактивные препараты, не представлялось возможным проверить, действительно ли гелий образуется радием. Примерно через год благодаря доктору Гизелю из Брауншвейга экспериментаторы получили препараты чистого бромида радия. В 1903 г., используя 30 мг препарата Гизеля, Рамзай и Содди смогли убедительно показать, что гелий содержится в радии, полученном несколько месяцев назад, и что эманация образует гелий. Это открытие представляло величайший интерес, так как оно позволило выяснить, что в дополнение к ряду переходных элементов превращения радия приводят также к устойчивой форме вещества. Сразу же возникает фундаментальный вопрос о месте гелия в схеме превращений радия. Является ли гелий их последним, конечным продуктом или же он возникает на какой-либо другой стадии? В письме в «Nature» [5] я указал, что гелий, по-видимому, происходит из α-частиц, выбрасываемых α-активными продуктами распада радия, и сделал приблизительную оценку скорости образования гелия из радия. Было подсчитано, что количество гелия, образованного 1 г радия, должно составлять от 20 до 200 мм3 в год, но, вероятно, ближе к верхней оценке. Имевшихся тогда для расчета данных было недостаточно, но интересно отметить, что недавно установленная Дж. Дьюаром (в 1908 г.) скорость образования гелия 134 мм3 в год ненамного отличается от рассчитанного тогда наиболее вероятного значения. Эти оценки скорости образования гелия были изменены позднее, когда были получены новые и более точные данные. В 1905 г. я измерил заряд, переносимый α-частицами с тонкой пленки радия. Предполагая, что каждая α-частица имеет ионный заряд, измеренный Дж. Дж. Томсоном, я показал, что в 1 сек из 1 г собственно радия вылетает 6,2·1010α-частиц, и вчетверо больше этого числа, когда радий находится в равновесии со своими тремя α-активными продуктами распада. Скорость образования гелия, вычисленная по этим данным, составляла 240 мм3 из 1 г в год. Между тем благодаря замечательным исследованиям Брэгга, а также Климана в 1904 г. наши познания о характере поглощения α-частиц веществом существенно расширились. Давно известно, что по сравнению с β-лучами поглощение α-частиц веществом во многих отношениях различно. Брэгг показал, что эти различия возникают потому, что α-частицы благодаря большой энергии движения не отклоняются, подобно β-частицам, от своего 215 пути, а распространяются почти прямолинейно, ионизуя на своем пути молекулы. С тонкой пленки вещества определенного вида все α-частицы вылетают с одной и той же скоростью и теряют свою ионизационную способность внезапно после прохождения конечного расстояния в воздухе. С этой точки зрения скорость α-частиц уменьшилась при прохождении через вещество на одинаковую величину. Эти выводы Брэгга были подтверждены моими экспериментами с помощью фотографического метода. В качестве источника лучей была использована тонкая пленка радия С, осажденного из эманации радия на тонкой проволочке. Исследованием отклонения лучей в магнитном поле было установлено, что лучи однородны и выбрасываются с поверхности проволоки с одинаковой скоростью. Было обнаружено, что при прохождении лучей через экран из слюды или алюминия скорость всех α-частиц уменьшилась на одну и ту же величину, но прошедший пучок все еще оставался однородным. Был замечен интересный результат. Все α-частицы явно теряют свои характерные свойства — способность ионизовать газы, фосфоресцировать и действовать на фотоэмульсию строго одновременно, хотя все еще продолжают двигаться со скоростью 9000 км/сек. При этой критической скорости α-частицы внезапно исчезают из нашего поля зрения, и мы дальше не способны следить за ними с помощью тех методов наблюдения, которыми располагаем. Применение однородного источника α-лучей, подобного радию С, сразу же обеспечило более точное определение величины e/m для α-частицы. Тем самым можно было выяснить, согласуется ли эта величина с предположением, что α-частицы представляют собой заряженные атомы гелия, В результате ряда экспериментов я доказал, что α-частицы независимо от того, чем они испускаются—радием, торием или актинием, тождественны по массе и должны состоять из одного и того же вида вещества. Скорости α-частиц, вылетающих из различных активных веществ, изменяются в сравнительно узких пределах, но значение е/m постоянно и равно 5070. Эта величина незначительно отличается от первоначально найденного значения. Трудность при истолковании полученного результата возникает сразу же. Мы знаем, что для атома водорода е/m = 9650. Если α-частица несет такой же положительный заряд, как и атом водорода, то из значения e / m для α-частицы следует, что ее масса вдвое больше массы атома водорода, т. е. равна массе молекулы водорода. По-видимому, совершенно неправдоподобно, чтобы в результате атомного взрыва водород вылетал в молекулярном, а не в атомном состоянии. Но если α-частица несет вдвое больший заряд, чем атом водорода, то ее масса должна быть около 4, т. е. примерно совпадать с массой атома гелия. Я предположил, что α-частица, по всей вероятности, атом гелия, несущий две единицы заряда. С этой точки зрения каждое радиоактивное вещество, испускающее α-частицы, должно быть источником гелия. Это сразу же объясняет результат, наблюдавшийся Дебьерном, а именно: актиний образует гелий так же, как и радий. Как было отмечено, наличие у атома 216 гелия двойного заряда в силу приведенных ниже причин не совсем неправдоподобно. Хотя данные в целом решительно подтверждали точку зрения, что α-частица есть атом гелия, все же очень трудно было получить убедительное экспериментальное доказательство этого соответствия. Если бы можно было доказать экспериментально, что α-частица действительно несет две единицы заряда, то такое соответствие получило бы серьезное подтверждение. С этой целью Резерфорд и Гейгер разработали электрический метод непосредственного подсчета α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. Ионизация газов, производимая одной α-частицей, чрезвычайно мала, и обнаружить ее электрическим методом можно лишь с помощью очень совершенной методики. Мы прибегли к автоматическому методу увеличения ионизации, производимой α-частицей. Для этой цели было создано устройство, позволяющее α-частицам пролетать сквозь маленькое отверстие в сосуд с воздухом или другим газом при низком давлении, находящимся под действием электрического поля, напряжение которого близко к тому, при котором происходит искрение. В этих условиях ионы, возникающие при прохождении α-частицы через газ, при столкновениях образуют большое число новых ионов. Таким образом, оказалось возможным увеличить в несколько тысяч раз электрический эффект, вызванный α-частицей. Попадание α-частиц в сосуд, где производится опыт, затем обнаруживалось по внезапному отклонению стрелки электрометра. Этот прием был развит в точный метод подсчета числа α-частиц. пролетающих за известное время через маленькое отверстие сосуда. Так было найдено полное число α-частиц, вылетающих в 1 сек из любой тонкой пленки радиоактивного вещества. Так было показано, что 1 г собственно радия и его α-активных продуктов, находящихся с ним в равновесии, испускает 3,4·1010 α-частиц в 1 сек. Точность этого метода была доказана с помощью совершенно отличающегося от него другого метода подсчета. Крукс, Эльстер и Гейтель показали, что α-частицы, попадая на экран из фосфоресцирующего сернистого цинка, вызывают много вспышек (сцинтилляций). Используя специально приготовленные экраны, Резерфорд и Гейгер при помощи микроскопа подсчитали число этих сцинтилляций в 1 сек. Было установлено, что в пределах ошибки опыта число сцинтилляций на экране в 1 сек равно числу ударяющихся в него α-частиц, подсчитанных электрическим методом. Таким образом, стало ясно, что каждая α-частица вызывает видимую вспышку на экране и что как электрический, так и оптический методы могут служить для подсчета α-частиц. Кроме той цели, для которой проводились эти эксперименты, их результаты представляют большой интерес, поскольку впервые оказалось возможным обнаружить единичный атом вещества по его электрическому или химическому действию. Конечно, это возможно только благодаря большой скорости α-частицы. Зная из опытов по подсчету α-частиц, испускаемых радием, их число, можно определить заряд, переносимый каждой α-частицей, путем измерения суммарного положительного заряда, перенесенного всеми выброшенными 217 α-частицами. Установлено, что каждая α-частица несет положительный заряд в 9,3·10-10 эл.-стат. ед. На основании экспериментальных данных о заряде, переносимом ионами газов, было сделано заключение, что заряд α-частицы равен двум единицам заряда и что единичный заряд, переносимый атомом водорода, равен 4,65·10-10 эл.-стат. ед. Из сравнения известных значений е/m для α-частицы и для атома водорода следует, что α-частица представляет собой выброшенный атом гелия, несущий два заряда, или, говоря иначе, α-частица после нейтрализации ее заряда и есть атом гелия. Данные, полученные при подсчете числа α-частиц, позволяют просто определить величины многих важных радиоактивных параметров. Было установлено, что расчетные значения продолжительности жизни радия, объема эманации и теплового эффекта радия превосходно согласуются с экспериментальными данными. Проверка точности этих методов произошла вскоре после опубликования этих результатов. Предполагая, что α-частица — это атом гелия, Резерфорд и Гейгер подсчитали, что из 1 г радия, находящегося в равновесии (с его эманацией), за год должно получиться 158 мм3 гелия. Дж. Дьюар в 1908 г. провел длительное экспериментальное измерение скорости образования гелия из радия и показал, что из 1 г радия, находящегося в равновесии (с его эманацией), за год получается около 134 мм3 гелия. Если учесть трудности исследования, экспериментальная и расчетная величины совпадают хорошо, и это весьма убедительно подтверждает тождественность α-частицы и атома гелия. Хотя целый ряд рассмотренных нами данных не оставляет сомнения в том, что α-частицы — это выброшенные атомы гелия, все же хотелось иметь решающее и неоспоримое доказательство этого взаимоотношения. Можно было бы, например, предположить, что α-частица появляется в результате распада атома радия точно так же, как и атом эманации, и что он не имеет прямой связи с α-частицей. Если атом гелия выделяется одновременно с испусканием α-частицы, эксперимент и расчет могут совпадать и в том случае, когда α-частица представляет собой атом водорода или какого-нибудь неизвестного вещества. Чтобы опровергнуть это возможное возражение, необходимо показать, что α-частицы, собранные совершенно независимо от активного вещества, из которого они вылетают, приводят к гелию. Имея в виду эту цель, недавно (1908 г.) Резерфорд и Ройдс осуществили несколько экспериментов [6]. Они поместили большое количество эманации в стеклянную трубку со столь тонкими стенками, что α-частицы легко проходили сквозь них, хотя и были непроницаемы для эманации. Попадая в наружный стеклянный запаянный сосуд, α-частицы постепенно заполняли откачанное пространство между трубкой с эманацией и наружным сосудом. Через несколько дней в последнем наблюдался яркий спектр гелия. Однако против опыта имеется возражение. Возможно, что наблюдаемый гелий диффундировал из эманации сквозь тонкие стеклянные стенки. Это возражение опровергается тем фактом, что замена эманации еще большим объемом самого гелия не дает даже следов гелия. Можно, таким образом, уверенно сделать вывод, что именно α-частицы 218 вызывают появление гелия и они-то и есть атомы гелия. Дальнейшие опыты показали, что когда α-частицы, проходя сквозь стеклянные стенки, попадают на тонкий лист свинца или олова, то через несколько часов бомбардировки из этих металлов всегда можно выделить гелий. Сопоставляя все данные, делаем заключение, что α-частица — это выброшенный атом гелия, который имеет или каким-то образом приобретает во время полета две единицы заряда положительного электричества. Несколько неожидан тот факт, что атом одноатомного газа—гелия—может иметь двойной заряд. Однако не следует забывать, что α-частица вылетает с высокой скоростью вследствие сильного атомного взрыва и на своем пути проходит через молекулы вещества. Такие условия исключительно благоприятствуют освобождению непрочно присоединенных электронов из атомной системы. Если α-частица может на своем пути потерять два электрона, то тем самым объясняется ее двойной положительный заряд. Мы видели, что есть полное основание считать α-частицы, столь свободно вылетающие из огромного большинства радиоактивных веществ, тождественными по массе и строению и что они должны состоять из атомов гелия. Следовательно, мы приходим к выводу, что атомы первичных радиоактивных элементов, таких как уран и торий, должны быть построены, по крайней мере частично, из атомов гелия. Эти атомы высвобождаются на определенных стадиях превращений со скоростью, не зависящей от воздействий, возможных в лабораторных условиях. Есть полное основание считать, что в большинстве случаев в процессе атомного взрыва испускается единичный атом гелия. Так, несомненно, происходит в случае самого радия и ряда его продуктов. С другой стороны, Бронсон обратил внимание на то, что в некоторых случаях, а именно в случае эманации актиния и тория, по-видимому, одновременно вылетают соответственно два или три атома гелия. Без сомнения, эти исключения станут в будущем предметом тщательных исследований. Интересно отметить, что сам уран, видимо, должен испускать две α-частицы, например, из каждого продукта своего распада. Зная число атомов гелия, испускаемых атомом каждого продукта, можно сразу же определить атомный вес этих продуктов. Так, в ряду уран — ионий — радий уран испускает две α-частицы, а каждый из шести следующих α-активных продуктов — по одной, т. е. всего восемь α-частиц. Если атомный вес урана равен 238,5, то атомный вес иония должен составлять 230,5, радия — 226,5, эманации — 222,5 и т. д. Интересно отметить, что атомный вес радия, определенный таким путем, точно согласуется с самыми последними экспериментальными данными. Атомный вес конечного продукта радия, полученного при превращении радия F (полония), должен быть равен 238,5 − 8 ⋅ 4 = 206,5 — значение, близкое к атомному весу свинца. На основании изучения анализов древних урановых минералов Болтвуд довольно давно предположил, что свинец, по всей вероятности, продукт превращений урано-радиевого ряда. Совпадение чисел, конечно, поразительное, однако, прежде чем можно будет 219 считать это предположение определенно установленным фактом, необходимо получить прямое доказательство образования свинца из радия. Совершенно необыкновенен тот факт, что химически инертный элемент, гелий, играет столь выдающуюся роль в структуре атомных систем урана, тория и радия. Вполне возможно, что это свойство гелия образовывать самые сложные атомы некоторым образом связано с его неспособностью вступать в обычные химические соединения. Не следует забывать, что уран, торий и каждый из продуктов их превращения должны рассматриваться как различные химические элементы в обычном смысле. Они отличаются от обычных элементов сравнительной неустойчивостью своих атомных систем. Атомы разрушаются самопроизвольно с большой силой, испуская во многих случаях с большой скоростью атом гелия. Все данные противоречат той точке зрения, что уран, торий или радий можно рассматривать как обычные молекулярные соединения гелия с известным или неизвестным элементом и что это соединение разлагается с выделением гелия. Характер радиоактивных превращений и их независимость от температуры и других воздействий не похожи на обычные химические изменения. Уран, торий и радий, за исключением радиоактивности и большого атомного веса, не проявляют никаких особенных отличий в своем химическом поведении. Радий, например, по общим химическим свойствам очень близок к барию. Поэтому нет оснований отвергать предположение, что и другие элементы, быть может, построены частично из гелия, хотя отсутствие у них радиоактивности, возможно, не позволит получить определенного доказательства этой гипотезы. С этой точки зрения может оказаться существенным то, что атомные веса многих элементов отличаются на 4 (атомный вес гелия) или кратны 4. К сожалению, время слишком ограничено, чтобы обсудить подробнее эти и другие интересные вопросы, возникшие в связи с установлением химической природы α-частиц. 1. 2. 3. 4. 5. 6. ЛИТЕРАТУРА Rutherford Е. Philos. Mag., 1899, January 116. Rutherford E. Philos. Mag., 1903, February 106. Rutherford E. Philos. Mag., 1902, 582. Rutherford E. Philos. Mag., 1902, April, 453. Rutherford E. Nature, 1903, August 20. Rutherford E., Royds T. Mem. Manchester Liter, and Philos. Soc., 1908, IV. 220 Э. Резерфорд РАССЕЯНИЕ α- И β-ЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВОМ И СТРОЕНИЕ АТОМА (1911 г.) §1 Хорошо известно, что α- и β-частицы при столкновениях с атомами вещества испытывают отклонения от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β-частиц, нежели у α-частиц, так как они обладают значительно меньшими импульсом и энергией. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α- или β-лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат наложения многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения, проведенные Гейгером и Марсденом [1] по рассеянию α-лучей, показали, что некоторое количество α-частиц при однократном столкновении испытывает отклонение на угол, больший 90°. Они обнаружили, например, что небольшая часть падающих α-частиц, примерно 1 из 20000, поворачивается в среднем на 90° при прохождении сквозь слой золотой фольги толщиной 0,00004 см, что эквивалентно тормозной способности α-частицы в 1,6 мм воздуха. Гейгер [2] позднее показал, что наиболее вероятный угол отклонения пучка α-частиц, проходящих сквозь золотую фольгу указанной толщины, составляет около 0,87°. Простой расчет, основанный на теории вероятности, показывает, что вероятность отклонения α-частицы на 90° исчезающе мала. К тому же, как будет видно из дальнейшего, угловое распределение α-частиц при больших отклонениях не подчиняется вероятностному закону, если считать, что такие большие отклонения есть результат большого числа малых отклонений. По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением, так как вероятность такого же повторного столкновения в большинстве случаев чрезвычайно мала. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение. Недавно Дж. Дж. Томсон [3] предложил теорию, объясняющую рассеяние заряженных частиц при прохождении сквозь тонкие слои вещества. В ней предполагается, что атом состоит из N отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества, равномерно распределенного внутри сферы. Отклонение отрицательно заряженных частиц при прохождении через атом обусловлено двумя причинами: 1) отталкиванием от электронов, расположенных внутри атома; 2) притяжением положительного электричества атома. По предположению, отклонение частиц при прохождении через атом должно быть мало, тогда как среднее отклонение после большого числа 221 столкновений m равно m ⋅ θ , где θ — среднее отклонение, обусловленное одним атомом. Было показано, что количество N электронов в атоме может быть определено из измерения рассеяния заряженных частиц. Точность этой теории сложного рассеяния проверялась недавно экспериментально Кроусером [4]. Его результаты согласуются с основными положениями теории. Предполагая непрерывность положительного электричества, он сделал вывод, что количество электронов в атоме примерно втрое больше его атомного веса. Теория Дж. Дж. Томсона основана на допущении, что рассеяние, обусловленное единичным атомным столкновением, мало и что предполагаемая структура атома не создает очень больших отклонений α-частиц при прохождении ими атома, если не предполагается, что диаметр сферы положительного электричества мал по сравнению с диаметром сферы влияния атома. Поскольку α- и β-частицы пересекают атом, то из подробного изучения характера отклонений можно извлечь некоторые представления о структуре атома, создающего наблюдаемые эффекты. Действительно, рассеяние быстро движущихся заряженных частиц представляет собой один из наиболее перспективных методов решения этой проблемы. Появление сцинтилляционного метода счета отдельных α-частиц создает необычайные возможности для исследования, и опыты Гейгера с помощью этого метода уже многое внесли в наши знания о рассеянии α-частиц веществом. §2 Прежде всего рассмотрим теоретически однократные столкновения с атомом простой структуры, способной обеспечить большие отклонения aчастицы, а затем сравним выводы из теории с имеющимися экспериментальными данными. Рассмотрим атом, в центре которого имеется заряд ±Ne, окруженный сферой электричества е зарядом ∓ Ne, который, по предположению, равномерно распределен внутри сферы радиуса R (е — фундаментальная единица заряда, равная 4,65·10-10 эл.-стат.ед.). Предположим, что на расстояниях, меньших 10-12 см, как центральный заряд, так и заряд α-частицы можно считать сосредоточенными в точке. Будет показано, что основные выводы теории не зависят от того, каков центральный заряд — положительный или отрицательный. Для удобства примем положительный знак. На данной стадии нет надобности рассматривать вопрос об устойчивости предполагаемого атома, так как это, по всей видимости, будет зависеть от деталей строения атома и движения входящих в его состав заряженных частей. Чтобы составить некоторое представление о силах, требующихся для отклонения α-частицы на большой угол, рассмотрим атом, содержащий в центре положительный заряд Ne и окруженный отрицательным электричеством Ne, равномерно распределенным внутри сферы радиуса R. 222 Электрическая сила X и потенциал V на расстоянии r от центра для точки внутри атома равны r ⎞ ⎛1 X = Ne ⎜ 2 − 3 ⎟ , R ⎠ ⎝r ⎛1 3 r2 ⎞ V = Ne ⎜ − + 3 ⎟. ⎝ r 2R 2R ⎠ Предположим, что α-частица, имеющая массу т, скорость u и заряд Е, летит прямо к центру атома. Она остановится на расстоянии b от центра, которое определяется из выражения ⎛1 3 1 2 b2 ⎞ + 3 ⎟. μ = NeE ⎜ − 2 ⎝ b 2R 2R ⎠ Из дальнейшего будет видно, что параметр b играет существенную роль в последующих вычислениях. Если предположить, что центральный заряд равен 100е, то можно подсчитать, что значение b для α-частицы, имеющей скорость 2,09·109 см/сек, составляет 3,4·10-12 см. В этом расчете предполагается, что b — очень малая величина по сравнению с R. Так как, по предположению, величина R порядка радиуса атома, т. е. 10-8 см, то очевидно, что α-частица, прежде чем повернуть обратно, проникнет так близко к центральному заряду, что влиянием равномерно распределенного электричества можно пренебречь. Как показывает простой расчет, при всех отклонениях, больших 1°, без заметной ошибки можно считать, что отклонение обусловлено только полем центрального заряда. Возможные однократные отклонения, обусловленные отрицательным электричеством, если оно распределено в виде частиц, на данной стадии теории не принимаются во внимание. Дальше будет показано, что обычно его влияние мало по сравнению с действием центрального поля. Рассмотрим прохождение положительно заряженной частицы вблизи центра атома. Если предположить, что скорость частицы при прохождении через атом изменяется незначительно, то путь частицы под действием силы отталкивания, убывающей как квадрат расстояния, будет представлять собой гиперболу, внешним фокусом которой является центр атома S. Предположим, что частица движется по направлению РО (рис. 1), а от атома — по направлению ОР'. Направления ОР и ОР' образуют одинаковые углы с прямой SA, где А — вершина гиперболы; р = SN — расстояние по перпендикуляру от центра до направления начального движения частицы. 223 Пусть угол РОА=θ; V — скорость налетающей частицы, a v — скорость в точке А. Тогда из рассмотрения момента импульса следует pV = SA ⋅ v По закону сохранения энергии 1 1 NeE mV 2 = mv 2 − , 2 2 SA b ⎞ ⎛ v 2 = V 2 ⎜1 − ⎟ ⎝ SA ⎠ Поскольку эксцентриситет равен secθ, то Рис. 1 SA = SO + OA = p cos ecθ (1 + cos θ ) = pctg θ 2 θ⎛ θ ⎞ p 2 = SA( SA − b) = pctg ⎜ p cos − b ⎟ , 2⎝ 2 ⎠ b = 2 pctgθ . Угол отклонения частицы φ равен π — 20 и φ 2p ctg = (1) 2 b Это выражение определяет угол отклонения через параметр b и расстояние по перпендикуляру от центра атома до направления влета частицы. Для иллюстрации ниже приведены углы отклонения при разных значениях p/b: p/b φo 10 5,7 5 11,4 2 28 1 53 0,5 90 0,25 127 0,125 152 § 3. Вероятность однократного отклонения на любой угол Предположим, что пучок заряженных частиц падает перпендикулярно на тонкий слой вещества толщиной t. Предположим также, что частицы, за исключением нескольких частиц, рассеянных на большой угол, проходят сквозь пластинку почти нормально и лишь немного изменяют скорость. Пусть n — число атомов в единице объема вещества. Тогда число столкновений частицы с атомом радиуса R на толщине t будет равно πR2nt. Вероятность т прохождения частицы на расстоянии р от центра атома равна m = π p 2 nt . Вероятность dm прохождения в пределах радиусов р и р + dp составит dm = 2π pntdp = так как π φ φ ntb 2ctg cos ec 2 dφ 4 2 2 224 (2) φ 2p . 2 b Величина dm определяет ту часть от полного числа частиц, которые отклоняются в пределах углов φ и φ + dφ. Часть ρ из общего количества частиц, которые отклоняются на угол, больший φ, составит ctg ρ= π = ntb 2ctg 2 φ . (3) 4 2 Часть ρ частиц, отклоняющихся в интервале углов φ1 и φ2, составит π φ φ ⎞ ⎛ (4) ρ = ntb 2 ⎜ ctg 2 1 − ctg 2 2 ⎟ . 2⎠ 4 2 ⎝ Для сравнения с экспериментом удобно выражение (2) написать в другой форме. Подсчитаем в случае α-частиц число сцинтилляций, образующихся на экране из сернистого цинка постоянной площади, устанавливаемого под различными углами по отношению к направлению падающих лучей. Если r — расстояние от точки падения α-лучей на рассеивающее вещество, a Q — суммарное число частиц, падающих на рассеивающее вещество, то число у α-частиц, падающих на единицу площади и отклоняющихся на угол φ, составит Qdm ntbQ cos ec 4φ / 2 y= . = (5) 2π r 2 sin φ dφ 16r 2 Поскольку b=2 NeE/μ2, то из (5) видно, что число α-частиц (сцинтилляций) на единице площади экрана из сернистого цинка на данном расстоянии r от точки падения лучей пропорционально: 1) cosec4 φ/2 или 1/φ4, если φ мало; 2) толщине рассеивающего вещества t, если мала только она; 3) величине центрального заряда Ne; 4) обратно пропорционально (μ2)2, или четвертой степени скорости, если m — постоянная величина. В этих расчетах предполагается, что рассеяние α-частиц на большой угол происходит только за счет одного большого отклонения. Это предположение справедливо лишь в том случае, если толщина рассеивающего вещества так мала, что повторное столкновение, влекущее за собой другое большое отклонение, весьма маловероятно. Например, если вероятность единичного отклонения φ при прохождении через толщину t составляет 1/1000 то вероятность двух последовательных отклонений на угол φ составит 10-6, т. е. ничтожно мала. Угловое распределение α-частиц, рассеянных тонким металлическим листком,— простейший способ проверки справедливости этой теории однократного рассеяния. Такие измерения недавно выполнил для α-лучей Гейгер [5], который обнаружил, что распределение частиц, отклоненных тонким листком золотой фольги в пределах от 30 до 150°, находится в 225 соответствии с теорией. Более подробное описание этих и других экспериментов по проверке справедливости этой теории будет опубликовано позже. § 4. Изменения скорости при атомном столкновении До сих пор предполагалось, что α- или β-частицы не испытывают заметного изменения скорости в результате однократного столкновения с атомом, приводящего к большому отклонению частицы. Влияние такого столкновения на изменение скорости частицы может быть подсчитано при некоторых определенных предположениях. Предположим, что в рассеянии участвуют только две системы: быстродвижущаяся частица и покоящийся вначале атом. Предположи далее, что можно применить закон сохранения импульса и энергии и что заметной потери энергии или импульса за счет излучения не происходит. Пусть m — масса частицы; v1 — ее скорость до столкновения; v2 — скорость частицы после столкновения; М — масса атома; V — скорость, приобретенная атомом в результате столкновения. Пусть OA (рис. 2) по величине и направлению соответствует импульсу mv1 налетающей частицы, а ОВ — импульсу частицы, рассеянной на угол АОВ = φ. Тогда ВА соответствует по величине» направлению импульсу отдачи MV атома; ( MV ) 2 = (mv1 ) 2 + (mv2 ) 2 − 2m 2 v1v2 cos φ (6) Рис. 2 По закону сохранения энергии MV 2 = mv12 − mv22 (7) Допустим, что М/m=K и v2=ρv1, ρ < 1. Тогда из (6) и (7) получаем ( K + 1) ρ 2 − 2 ρ cos φ = K −1, Или cos φ 1 K 2 − sin 2 φ . ρ= + K +1 K +1 Рассмотрим случай рассеяния α-частицы с атомным весом 4 на угол 90° при столкновении с атомом золота с атомным весом 197. Так как K ≈ 49 , то K −1 = 0,979, ρ= K +1 226 т. е. скорость частицы при столкновении уменьшилась примерно лишь на 2%. В случае алюминия К = 27/4 и для угла 90° ρ = 0,86. Видно, что уменьшение скорости α-частицы по этой теории становится заметным при столкновениях с более легкими атомами. Так как пробег α-частицы в воздухе или в другом веществе приблизительно пропорционален кубу скорости, то пробег α-частицы вследствие однократного рассеяния на атоме алюминия на 90° снизится с 7 до 4,5 см. Эту величину легко обнаружить экспериментально. При столкновении β -частиц с атомом значение K очень велико, и потому уменьшение ее скорости согласно приведенной формуле оказывается очень малым. Несколько очень интересных для теории случаев возникает при рассмотрении изменения скорости и распределения рассеянных частиц, когда α-частица сталкивается с легким атомом, например с атомом водорода или гелия. Обсуждение этих и подобных случаев оставим до тех пор, пока этот вопрос, не будет изучен экспериментально. § 5. Сравнение однократного и сложного рассеяний Прежде чем сравнивать теоретические расчеты с экспериментальными данными, желательно рассмотреть сравнительную роль однократного и сложного рассеяния и формирование распределения рассеянных частиц. Так как атом, по предположению, состоит из центрального ядра, окруженного зарядом противоположного знака, равномерно распределенным внутри сферы радиуса R, то вероятность столкновений с атомом, приводящих к малым отклонениям, намного больше, чем вероятность одного большого отклонения. Сложное рассеяние рассмотрел Дж. Дж. Томсон в § 1 упомянутой выше статьи [3]. В обозначениях этой статьи среднее отклонение φ1, обусловленное полем положительно заряженного шара радиуса R и величиной заряда Ne, равно π NeE 1 . φ1 = 4 mu 2 R Среднее отклонение φ2, обусловленное отрицательными электронами, по предположению равномерно распределенными внутри сферы, равно 16eE 1 3 N φ2 = . 5mu 2 R 2 Среднее отклонение, обусловленное одновременным действием положительного и отрицательного электричества, определялось как 1 (φ12 + φ22 ) 2 . Таким же способом нетрудно рассчитать среднее отклонение, обусловленное атомом с центральным зарядом,— предмет обсуждения в данной статье. Так как радиальное электрическое поле X на любом расстоянии г от центра составляет r ⎞ ⎛1 X = Ne ⎜ 2 − 3 ⎟ , R ⎠ ⎝r 227 нетрудно показать, что отклонение (по предположению малое) заряженной частицы под действием этого поля определяется выражением 3 b⎛ p2 ⎞ 2 θ = ⎜1 − 2 ⎟ , p⎝ R ⎠ где р — перпендикуляр из центра на траекторию частицы, а b имеет то же значение, что и раньше. Видно, что величина θ возрастает при уменьшении р и при малых значениях φ становится большой. Так как мы уже убедились, что частица, проходящая вблизи центра атома, испытывает большое отклонение, очевидно, неправильно было бы определять среднее отклонение, предполагая θ малой величиной. Если принять величину R равной примерно 10-8 см, то значение р при большом отклонении для α- и β-частиц будет примерно равно 10-11 см. Так как вероятность большого отклонения мала по сравнению с вероятностью малых отклонений, то простое рассуждение показывает, что среднее малое отклонение практически не изменится, если пренебречь большими отклонениями. Это равносильно интегрированию по той части эффективного сечения атома, где отклонения малы; при этом не учитывается небольшая центральная зона. Таким образом, можно просто показать, что среднее малое отклонение составляет 3π b φ1 = . 8 R Это значение φ1 для атома, имеющего сосредоточенный центральный заряд, втрое больше величины среднего отклонения для атома, рассмотренного Дж. Дж. Томсоном, с тем же значением Ne. Суммируя отклонения, обусловленные электрическим полем и электронами, получим, что среднее отклонение равно 1 b ⎛ 15, 4 ⎞ 2 2 2 2 или 5,54 φ φ + + ( 1 2) ⎜ ⎟ . N ⎠ 2R ⎝ Далее будет видно, что величина N приблизительно пропорциональна атомному весу и для золота она примерно равна 100. Второй член в этом выражении обусловлен рассеянием на отдельных электронах, и в случае тяжелых атомов он мал по сравнению с влиянием распределенного электрического поля. Пренебрегая вторым членом, получим, что среднее отклонение на одном атоме составляет Зπb/8R. Теперь можно рассмотреть относительную роль однократного и сложного рассеяний в распределении частиц. Согласно выводам Дж. Дж. Томсона, среднее отклонение θt после прохождения через толщину вещества t пропорционально квадратному корню из числа столкновений и составляет 3π b 3π b θt = π R 2 nt = π nt , 8R 8 где n, как и раньше,— число атомов в единице объема. 1 228 Вероятность p1 того, что отклонение частицы превышает φ, в случае сложного рассеяния равна e −φ 2 /θt2 . Следовательно, 9π 3 2 φ2 = − b nt ln p1 64 Предположим далее, что имеется только однократное рассеяние. В §3 мы видели, что вероятность p2 отклонения на угол, больший φ, составляет p2 = π ntb 2ctg 2 4 Сравнивая эти два выражения, получим и если φ достаточно мало, то φ 2 φ p2 ln p1 = −0,181φ 2 , 2 φ φ = , 2 2 p2 ln p1 = −0, 72. Приняв p2 = 0,5, получим p1 = 24. Если же p2 = 0,1, то p1 = 0,0004. Из этого сравнения видно, что вероятность любого данного отклонения всегда больше для однократного, чем для сложного рассеяния. Это различие особенно заметно, когда лишь небольшая часть частиц рассеяна под данным углом, из этого следует, что распределение частиц, обусловленное столкновениями с атомами, в случае малых толщин определяется главным образом однократным рассеянием. Сложное рассеяние несомненно оказывает какое-то влияние на выравнивание распределения рассеянных частиц, но его влияние становится тем меньше, чем меньшая доля частиц рассеяна под данным углом. tg § 6. Сопоставление теории с экспериментом Важной константой для рассматриваемой теории служит величина центрального заряда Ne. Желательно определить ее значения для различных атомов. Это можно просто сделать, определив малую часть α- и β-частиц, падающих с известной скоростью на тонкий металлический экран и рассеянных в интервале углов φ и φ+dφ, где φ — угол отклонения. Если эта часть мала, влияние сложного рассеяния должно быть незначительным. Эксперименты в этом направлении только проводятся, но уже на данной стадии желательно обсудить в свете рассматриваемой теории опубликованные данные но рассеянию α- и β-частиц. Мы обсудим следующие вопросы. 1) «Диффузное отклонение» α-частиц, т. е. рассеяние α-частиц на большие углы [1]. 2) Зависимость диффузного отклонения от атомного веса радиатора [1]. 3) Среднее рассеяние пучка α-лучей, проходящих сквозь тонкую металлическую пластинку [2]. 229 4) Опыты Кроусера по рассеянию разными металлами β-лучей различных скоростей [4]. 1) В статье Гейгера и Марсдена [1] о диффузном отклонении α-частиц в различных веществах показано, что примерно 1/8000 часть α-частиц, испущенных радием С, падающих на толстую платиновую пластинку, рассеивается обратно в направлении падения. Эта величина получена в предположении, что α-частицы равномерно рассеиваются по всем направлениям; наблюдения проводились для отклонений, близких к 90о. Форма проведения этого эксперимента не вполне пригодна для точного расчета, однако по полученным данным можно показать, что наблюдавшееся рассеяние соответствует теоретическому, если атом платины обладает центральным зарядом около 100е. 2) В своих экспериментах по данному вопросу Гейгер и Марсден привели относительное число α-частиц, отклоненных диффузно в одних и тех же условиях толстыми пластинками различных металлов. Полученные ими величины приводятся в табл. 1; величина Z характеризует относительное число рассеянных частиц, измеренное по количеству сцинтилляций в минуту на экране из сернистого цинка. Таблица 1 Металл Свинец Золото Платина Олово Серебро Медь Железо Алюминий Атомный вес 207 197 195 119 108 64 56 27 Z 62 67 63 34 27 14,5 10,2 3,4 Среднее Z/A3/2 208 242 232 226 241 225 250 243 233 Согласно теории однократного рассеяния, часть полного количества α-частиц, рассеянных под некоторым данным углом при прохождении через толщину t, пропорциональна величине nA2t, если предположить, что центральный заряд пропорционален атомному весу А. В данном случае толщина вещества, из которого могут вылетать рассеянные α-частицы и воздействовать на экран из сернистого цинка, зависит от рода металла. Так как Брэгг показал, что тормозная способность атома для α-частицы пропорциональна квадратному корню из атомного веса, величина nt для различных элементов пропорциональна 1 / A . В этом случае t соответствует наибольшей глубине, из которой могут вылетать рассеянные α-частицы. Следовательно, величина Z рассеянных обратно от толстой пластинки 230 α-частиц пропорциональна A3/2, т. е. Z/A3/2 должно быть постоянной величиной. Для сравнения этого вывода с экспериментом в последнем столбце табл. 1 приведены эти отношения. Учитывая трудности экспериментов, согласие между теорией и экспериментом вполне хорошее. Однократное большое рассеяние α-частиц в некоторой степени несомненно влияет на форму ионизационной кривой Брэгга для пучка α-лучей. Это явление большого рассеяния должно быть заметно в том случае, когда α-лучи пересекают экран из металла с большим атомным весом, но незначительно для металлов с малым атомным весом. 3) С помощью метода сцинтилляций Гейгер провел тщательное измерение рассеяния α-частиц при прохождении через тонкие слои металлической фольги и определил наиболее вероятный угол, под которым отклоняются α-частицы. проходя через различного рода вещества известной толщины. В качестве источника использовался пучок однородных α-лучей. Непосредственно определялось общее количество α-частиц, рассеянных на различные углы после прохождения через фольгу. Наиболее вероятным считался угол, под которым рассеивается максимальное число частиц. Была определена зависимость наиболее вероятного угла рассеяния от толщины вещества, однако расчет по этим данным до некоторой степени усложняется за счет изменения скорости α-частиц при прохождении через рассеивающее вещество. Рассмотрение кривой распределения α-частиц. приведенное в статье [2], показывает, что угол, под которым рассеивается половина всех частиц, примерно на 20% больше наиболее вероятного угла. Мы уже видели, что сложное рассеяние может играть существенную роль в том случае, когда около половины всех частиц рассеивается под данным углом, и в таких случаях трудно различить относительный вклад каждого вида рассеяния. Приблизительная оценка может быть дана следующим образом: соотношение между вероятностями р1 и р2 для сложного и однократного рассеяний (см. § 5) определяется выражением p2 ln p1 = −0, 721. Вероятность q совместного действия этих эффектов в первом приближении может быть вычислена следующим образом: q = ( p12 + p22 ) 2 . 1 Если q = 0,5, то из этого следует p1 = 0,2 и р2 = 0,46. Мы видели, что вероятность однократного отклонения на угол, больший φ, составляет p2 = π φ ntb 2 ctg 2 . 4 2 Так как в рассматриваемых экспериментах φ сравнительно мало, то φ p2 2 NeE . =b= mu 2 π nt 231 Гейгер показал, что наиболее вероятный угол рассеяния α-лучей при прохождении сквозь золотую пластинку, толщина которой по тормозной способности эквивалентна 0,76 см воздуха, составляет 1°40'. Тем самым угол φ, в пределах которого поворачивается половина α-частиц, приблизительно равен 2°; t = 0,00077 см; n = 6,07·1022; u (средняя величина) = 1,8·109; E/m = 1,5·1014 эл.-cтат. ед.; е = 4,65·10-10. Принимая вероятность однократного рассеяния равной 0,46 и подставляя эти величины в формулу, получим, что для золота N = 97. Как установил Гейгер, для толщины золотой пластинки, эквивалентной по тормозной способности 2,12 см воздуха, наиболее вероятный угол составляет 3°40'. В этом случае t = 0,00047 см; φ = 4°,4; среднее и = 1,7·109, а N = 114. Гейгер показал, что наиболее вероятный угол отклонения на атоме примерно пропорционален его атомному весу. Следовательно, величина N для различных атомов должна быть приблизительно пропорциональна их атомным весам, во всяком случае в диапазоне атомных весов между золотом и алюминием. Поскольку атомные веса золота и платины почти равны, то из этих рассуждений следует, что как величина диффузного рассеяния α-частиц на золоте на угол, больший 90°, так и величина малого угла рассеяния пучка α-лучей при прохождении через золотую фольгу объясняется гипотезой однократного рассеяния, если предположить, что центральный заряд атома золота примерно равен 100 е. 4) Теперь рассмотрим, насколько результаты экспериментов Кроусера по рассеянию на разных веществах β-частиц различных скоростей могут быть объяснены на основе общей теории однократного рассеяния. Согласно этой теории часть β-частиц р, которая поворачивается на угол, больший φ, определяется выражением p= π φ ntb 2ctg 2 . 4 2 В большинстве опытов Кроусера φ достаточно мало, так что tg φ/2 без больших погрешностей можно принять равным φ/2. Следовательно, φ2 = 2πntb2, если р =1/2. По теории сложного рассеяния, как мы уже видели, вероятность p1 того, что отклонение частиц будет превышать φ, равна φ2 9π 3 ntb 2 . =− ln p1 64 В экспериментах Кроусера толщина t вещества была определена так, что р1 = 1/2, поэтому φ 2 = 0,96 ⋅ π ntb 2 . Таким образом, для вероятности р1 = 1/2 теория однократного и сложного рассеяний дает одну и ту же формулу, и различаются они лишь величиной константы. Ясно, что основные соотношения теории сложного рассеяния Дж. Дж. Томсона, проверенные экспериментально Кроусером, справедливы и в теории однократного рассеяния. 232 Например, если tm — толщина, при которой половина всех частиц mu 2 рассеивается под углом φ, то, как показал Кроусер, φ / tm , а также tm E постоянны для данного вещества при фиксированном φ. Эти выводы справедливы и по теории однократного рассеяния. Несмотря на кажущееся сходство по форме, эти две теории фундаментально различны. В одном случае наблюдающиеся эффекты обусловлены суммарным действием малых отклонений, тогда как во втором случае большие отклонения, по предположению, есть результат однократных столкновений. В тех случаях, когда вероятность отклонения на угол, больший φ, мала, распределение рассеянных частиц по этих двум теориям совершенно различно. Мы уже видели, что измеренное Гейгером распределение рассеянных α-частиц под разными углами находится в хорошем согласии с теорией однократного рассеяния, и это распределение нельзя объяснить по теории сложного рассеяния. Так как имеется серьезное основание считать, что законы рассеяния α- и β-частиц весьма похожи, то закон распределения рассеянных β-частиц должен быть тем же, что и для α-частиц при малой толщине вещества. Величина mu2/Е для β-частиц в большинстве случаев значительно меньше, чем соответствующая величина для α-частиц, поэтому вероятность больших однократных отклонений β-частиц при прохождении данной толщины вещества намного больше, чем для α-частиц. Так как по теории однократного рассеяния доля общего количества частиц, которые отклоняются под определенным углом, пропорциональна kt (где t, по предположению, малая толщина; k — константа), то число частиц, не отклонившихся под этим углом, пропорционально 1 — kt. На основе теории сложного рассеяния Дж. Дж. Томсона получим, что вероятность отклонения на угол, меньший φ, пропорциональна 1 — е-μ/t, где μ — постоянная величина при любом заданном угле φ. Справедливость последней формулы была проверена Кроусером путем измерения электрическим методом части I/I0 рассеянных β-частиц, прошедших через круглое отверстие, образующее с рассеивающим веществом угол 36°. Если I = 1 − e − μ /t , I0 то значение I должно вначале уменьшаться очень медленно при увеличении t Используя в качестве рассеивающего вещества алюминий, Кроусер установил, что изменение I/I0 находится в хорошем соответствии с теорией при малых значениях t. Однако при однократных рассеяниях, что несомненно происходит в случае α-лучей, зависимость I/I0 от t должна быть в начальных стадиях почти линейной. Опыты Марсдена [6] по рассеянию β-лучей хотя и проводились не со столь малыми толщинами алюминия, какие использовал Кроусер, определенно подтверждают такой вывод. Учитывая важное значение этого вопроса, желательно продолжить соответствующие эксперименты. 233 На основании приведенных Кроусером значений φ / tm для различных элементов для β-лучей, обладающих скоростью 2,68·1010 см/сек, по теории однократного рассеяния может быть рассчитана величина центрального заряда. Предположим, как и в случаях с α-частицами, что для данного значения φ / tm доля β-частиц, отклоненных при однократном рассеянии на угол, больший φ, равна 0,46 вместо 0,5. В табл. 2 приведены рассчитанные по результатам Кроусера значения N. Таблица 2 Элемент Алюминий Медь Серебро Платина φ / tm Атомный вес 27 63,2 108 194 4,25 10,0 15,4 29,0 N 22 42 78 138 Следует напомнить, что на основании результатов по рассеянию α-лучей для золота получены два значения N: 97 и 114. Эти числа немного меньше приведенной величины для платины (138), атомный вес которой почти не отличается от атомного веса золота. Принимая во внимание неопределенности, имеющиеся в расчетах по экспериментальным данным, можно считать это согласие достаточно убедительным показателем того, что как для α-частиц, так и для β-частиц справедливы одни и те же общие законы рассеяния, несмотря на большие различия в относительной скорости и массе. Как и в случае α-частиц, величина N проще всего должна определяться для любого данного элемента по измерению малой доли падающих β-частиц, рассеянных под большим углом. В таком случае мы избегаем возможных ошибок, связанных с малым рассеянием. Данные по рассеянию β-лучей, как и для α-лучей, показывают, что центральный заряд в атоме приблизительно пропорционален атомному весу. Это совпадает с экспериментальными выводами Шмидта [7]. В своей теории абсорбции β-лучей он предположил, что при прохождении тонкого слоя вещества небольшая доля (α) частиц задерживается, а небольшая доля (β) частиц отклоняется или рассеивается обратно в направлении падения. Из сравнения кривых поглощения для различных элементов Шмидт сделал вывод, что константа β для различных элементов пропорциональна nА2, где n — количество атомов в единице объема, а А — атомный вес элемента. Именно это соотношение вытекает и из теории однократного рассеяния, если центральный заряд атома пропорционален его атомному весу. § 7. Общие соображения При сопоставлении излагаемой в данной статье теории с экспериментальными результатами предполагалось, что атом состоит из 234 сконцентрированного в точке центрального заряда и что большие однократные отклонения α- и β-частиц обусловлены главным образом воздействием сильного центрального поля, через которое эти частицы проходят. Влиянием равного, но противоположного по знаку компенсирующего заряда, по предположению равномерно распределенного внутри сферы, мы пренебрегли. Рассмотрим кратко некоторые данные, поддерживающие сделанные предположения. Для определенности рассмотрим прохождение быстродвижущейся α-частицы сквозь атом, имеющий положительный центральный заряд Ne, который окружен компенсирующим зарядом N электронов. Помня, что масса, импульс и кинетическая энергия α-частиц намного больше соответствующих величин для быстродвижущегося электрона, из соображений динамики кажется невозможным, чтобы α-частица могла отклониться под большим углом вследствие того, что близко подошла к электрону, даже если он быстро движется и удерживается большими электрическими силами. Разумно предположить, что вероятность однократных отклонений на большой угол в данном случае если и не равна нулю, то должна быть чрезвычайно мала по сравнению с рассеянием на центральном заряде. Интересно проверить, насколько экспериментальные данные позволяют решить вопрос о размерах центрального заряда. Пусть, например, центральный заряд состоит из N единичных зарядов, распределенных по такому объему, что большое однократное отклонение обусловлено главным образом составляющими зарядами, а не внешним полем, образованным этими зарядами. В § 3 было показано, что доля α-частиц, рассеянных под большим углом, пропорциональна (NeE)2, где Ne — сосредоточенный в точке центральный заряд, а Е — заряд отклоненной частицы. Если, однако, эти заряды расположены в отдельных точках, то доля α-частиц, рассеянных под данным углом, пропорциональна Ne2, а не N2e2 . В этом расчете пренебрегается влиянием массы составных частиц и учитывается лишь действие электрического поля. Было показано, что величина центрального точечного заряда для золота равна 100, поэтому величина распределенного заряда, необходимая для создания той же относительной доли однократных отклонений на большой угол, должна быть равна 10000. В этих условиях масса составляющих частиц должна быть мала по сравнению с массой α-частиц, и сразу же возникают трудности получения больших однократных отклонений. Кроме того, при столь большом распределенном заряде относительная роль сложного рассеяния окажется более значительной, нежели однократного. Например, вероятный малый угол отклонения пучка α-частиц, проходящих через тонкую золотую фольгу, должен быть намного больше наблюдавшегося экспериментально Гейгером (см. п. 2 и 3, стр. 216). Таким образом, рассеяние на большой и малый углы нельзя объяснить на основе предположения о центральном заряде одной и той же величины. 235 При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможность существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра. Доказательство этой точки зрения можно получить путем проверки того, требуется ли тот же самый центральный заряд для объяснения больших однократных отклонений α- и β-частиц; α-частицы должны подходить ближе к центру атома, чем β-частицы средней скорости, чтобы подвергнуться тому же большому отклонению. Имеющиеся данные показывают, что величина этого центрального заряда для различных атомов приблизительно пропорциональна их атомным весам, по крайней мере для атомов тяжелее алюминия. Весьма интересно проверить экспериментально, справедливо ли такое же простое соотношение и для легких атомов. В тех случаях, когда масса отклоняющего атома (например, водорода, гелия, лития) не очень отличается от массы α-частицы, общая теория однократного рассеяния нуждается в модификации, так как необходимо учесть движение самих атомов (см. § 4). Интересно отметить, что Нагаока [8] математически рассмотрел атом «Сатурния», который, по его предположению, состоит из центральной притягивающей массы, окруженной кольцами вращающихся электронов. Он показал, что такая система устойчива, если сила притяжения велика. С излагаемой в настоящей статье точки зрения вероятность большого отклонения практически не должна измениться от того, рассматривается ли атом как диск или как сфера. Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, которое имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2е. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда. Обсуждавшиеся до сих пор выводы из теории не зависели от знака центрального заряда, и пока не найдено определенных данных, позволяющих решить вопрос о знаке заряда. Быть может, вопрос о знаке можно будет решить исследованием разницы в законах поглощения β-частиц, так как уменьшение скорости β-частиц за счет излучения должно быть более заметно при положительном центре, чем при отрицательном. Если центральный заряд положительный, то, как легко заметить, положительно заряженная масса, выбрасываемая из центра тяжелого атома, при движении через электрическое поле приобретает большую скорость. Таким образом, быть может, окажется возможным объяснить высокую скорость испускания α-частиц, избежав предположения, что они первоначально внутри атома находятся в быстром движении. 236 Дальнейшее обсуждение применения этой теории к тем или иным вопросам мы отложим до следующей статьи, когда экспериментально будут проверены основные выводы теории. Эксперименты в этом направлении уже проводятся Гейгером и Марсденом. Philos. Mag. 6, 21 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. ЛИТЕРАТУРА Geiger #., Marsden Е. Ргос. Roy. Soc. А, 1909, 82, 495. Geiger Н. Ргос. Roy. Soc. А, 1910, 83, 492. Thomson J. J. Cambridge Liter, and Philos. Soc., 1910, 25 pt 5. Crowther J. Proc. Roy. Soc. A, 1910, 84, 226. Geiger H. Manchester Liter, and Philos. Soc., 1910. Marsden E. Philos. Mag., 1909, 18, 909. Schmidt H. Ann. Phys., 1907, 4, 23, 671. Nagaoka. Philos. Mag., 1904, 7, 445. 237 Э. Резерфорд ЯДЕРНОЕ СТРОЕНИЕ АТОМОВ Бейкерианская лекция (1920 г.) Введение Представление о ядерном строении вещества первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои вещества [1]. Поскольку α-частицы обладают большой скоростью и большой массой, то эти большие отклонения были весьма примечательны и указывали на существование очень интенсивных электрических или магнитных полей внутри атома. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было предположить [2], что атом состоит из заряженного массивного ядра очень малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. В этом положительно заряженном ядре сосредоточена большая часть массы атома, и оно окружено на некотором расстоянии системой отрицательных электронов, число которых равно результирующему положительному заряду ядра. В этих условиях вблизи ядра существует очень интенсивное электрическое поле, и большие отклонения α-частицы при встрече с отдельным атомом происходят в том случае, когда частица проходит вблизи ядра. Предполагая, что электрические силы между α-частицей и ядром в прилегающей к ядру области изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, автор получил соотношение, связывающее число рассеянных на некоторый угол α-частиц с зарядом ядра и энергией α-частицы. Под влиянием центрального силового поля α-частица описывает гиперболическую орбиту вокруг ядра, и величина отклонения частицы зависит от степени приближения ее к ядру. Из полученных таким образом данных во рассеянию α-частиц было сделано заключение, что результирующий заряд ядра приблизительно равен ½ Ае, где А — атомный вес, а е — фундаментальная единица заряда. Гейгер и Марсден [3] провели серию тщательных экспериментов для проверки справедливости этой теории и подтвердили основные выводы. Они нашли, что заряд ядра примерно равен но в силу специфики этих экспериментов точность определения его величины составляла около 20%. Дарвин [4] разработал полностью теорию отклонения α-частицы и ядра с учетом массы ядра и показал, что результаты экспериментов Гейгера и Марсдена в случае действия центральных сил не могут быть согласованы ни с одним законом, кроме закона обратной пропорциональности квадрату расстояния. Таким образом, в опытах по рассеянию α-лучей идея ядерного строения атомов нашла сильное подтверждение. Так как атом электрически нейтрален, то число внешних электронов, окружающих ядро, должно быть равно числу единиц общего заряда ядра. Следует отметить, что на основании исследования рассеяния Х-лучей легкими элементами Баркла [5] в 1911 г. показал, что число электронов 238 должно быть примерно равно половине атомного веса. Этот вывод был сделан на основе теории рассеяния Дж. Дж. Томсона, в которой предполагается, что каждый внешний электрон в атоме действует как независимая рассеивающая единица. Таким образом, два совершенно различных метода дали одинаковые результаты относительно числа внешних электронов в атоме. Рассеяние α-лучей, кроме того, еще показало, что положительный заряд должен быть сконцентрирован в массивном ядре малых размеров. Ван-ден-Брок [6] высказал мысль, что рассеяние α-частиц атомами не противоречит возможности того, что заряд ядра равен атомному номеру атома, т. е. номеру места, занимаемого данным атомом, когда элементы расположены в порядке возрастания их атомных весов. Важное значение атомного номера для характеристики свойств атома было выяснено в замечательной работе Мозли [7] о спектрах Х-лучей элементов. Он показал, что частота колебаний соответствующих линий в спектрах Х-лучей элементов зависит от квадрата числа, которое изменяется на единицу при последовательном переходе от элемента к элементу. Это соотношение можно объяснить, предположив, что при переходе от атома к атому ядерный заряд изменяется на единицу и что он именно равен атомному номеру. Кстати, я должен подчеркнуть, что большое значение работы Мозли заключается не только в определении числа возможных элементов и положения неизвестных элементов, но и в установлении того факта, что свойства атомов определяются числом, которое изменяется на единицу при переходе от атома к атому. Это дает нам новый метод изучения периодической системы элементов, так как атомный номер или равный ему заряд ядра имеет более фундаментальное значение, нежели атомный вес. В работе Мозли частота колебаний атома не точно пропорциональна N (N — атомный номер), a (N — а)2, где а — постоянная, зависящая от того, какая из серий характеристических излучений элементов ( K - или L-серия) измеряется. Предполагают, что эта константа зависит от числа и положения электронов вблизи ядра. Заряд ядра Вопрос о том, является ли атомный номер элемента действительной мерой его ядерного заряда, настолько важен, что для разрешения его Должны быть применены любые возможные методы. В настоящее время в Кавендишской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучении рассеяния быстрых α- и β-лучей. Первый метод применяет Чадвик, который внес ряд новых приемов; вторым пользуется Кроусер. Полученные до сих пор Чадвиком результаты вполне подтверждают идентичность атомного номера с ядерным зарядом в пределах возможной точности эксперимента — около 1 %. Таким образом, ясно, что мы имеем серьезные основания утверждать, что ядерный заряд численно равен атомному номеру элемента. Между прочим, эти результаты, а также работа Мозли показывают, что в 239 окружающей ядро области достаточно точно выполняется закон обратной пропорциональности квадрату расстояния. В высшей степени интересно найти размеры этой области, так как они дадут нам определенные сведения о расстояниях внутренних электронов от ядра. С этой точки зрения важная информация должна быть получена от сравнения рассеяния быстрых и медленных β-лучей. Согласно эксперименту и теории, при рассеянии α-лучей между 5 и 150° следует, что в случае тяжелых элементов вроде золота закон обратной пропорциональности квадрату расстояния выполняется точно для расстояний примерно между 36·10-12 и 3·10-12 см от центра ядра. Следовательно, можно сделать вывод, что в этой области если и имеются электроны, то в малом количестве. При прямом столкновении с атомом золота (ядерный заряд 79) α-частица поворачивает назад на расстояние 3·10-12 см от ядра. Это указывает, что даже на столь коротких расстояниях ядро можно рассматривать как точечный заряд. Продвинуться дальше в вопросе о размерах ядра тяжелых атомов мы не сможем до тех пор, пока у экспериментаторов в распоряжении не будет более быстрых α-частиц. Однако, как мы увидим дальше, в случае более легких атомов, когда α-частицы могут подходить ближе к ядру, ситуация более обнадеживающая. Вряд ли необходимо подчеркивать большое значение ядерного заряда для характеристики физических и химических свойств элемента, так как совершенно очевидно, что число и распределение внешних электронов, от которых зависит большинство физических и химических свойств, обусловлено общим зарядом ядра. Как это следует из теоретических соображений и подтверждается экспериментально, истинная масса ядра оказывает незначительное влияние на расположение внешних электронов и их колебания. Поэтому вполне возможно представить себе существование элементов с совершенно одинаковыми физическими и химическими свойствами, но с разными массами, так как при одном и том же ядерном заряде могут существовать различные устойчивые комбинации единиц, из которых построено сложное ядро. Следовательно, зависимость свойств атома от заряда его ядра, а не от массы дает рациональное объяснение существования изотопов, физические и химические свойства которых могут быть совершенно неразличимыми, тогда как массы могут варьироваться в определенных пределах. Этот важный вопрос мы рассмотрим в дальнейшем более подробно, когда будем говорить о природе структурных единиц, из которых построено ядро. Таким образом, общая проблема строения атома, естественно, распадается на две части: 1) строение самого ядра; 2) распределение и способы колебания внешних электронов. Сегодня я не собираюсь касаться второго вопроса, так как это необычайно обширная тема, и здесь есть широкое поле для различных мнений. Эта сторона проблемы первоначально изучалась Бором и Никольсоном, которые 240 сделали значительный шаг вперед. Недавно Зоммерфельд и другие с большим успехом применили общий метод Бора для объяснения тонкой структуры спектральных линий и сложных типов колебаний простых атомов, наблюдающихся при эффекте Штарка. Недавно Ленгмюр и другие изучали проблему распределения внешних электронов с химической точки зрения и подчеркнули важность допущения более или менее кубического расположения электронов в атоме. Не подлежит сомнению, что каждая из этих теорий имеет определенную сферу приложения, однако на сегодня наши знания слишком скудны, чтобы согласовать между собой очевидные различия в этих теориях. Сегодня я намереваюсь обсудить довольно подробно эксперименты, проведенные для выяснения вопроса о строении и устойчивости ядер некоторых простых атомов. Из изучения радиоактивности известно, что ядра радиоактивных элементов частично состоят из ядер гелия с зарядом 2е. Кроме того, у нас имеются серьезные основания считать, что ядра атомов наряду с положительно заряженными частицами содержат также и электроны и что положительный заряд ядра соответствует избытку общего положительного заряда над отрицательным. Интересно отметить совершенно различную роль, которую играют электроны вне атома и внутри него. В первом случае они располагаются на расстоянии от ядра, которое, несомненно, определяется главным образом зарядом ядра и взаимодействием их собственных полей. Внутри ядра электроны образуют очень тесное и прочное объединение с положительно заряженными единицами, и, насколько нам известно, именно вне ядра они находятся в неустойчивом состоянии. Каждый внешний электрон, несомненно, взаимодействует с ядром как точечный заряд, тогда как о внутреннем электроне этого сказать нельзя. По-видимому, внутренние электроны под влиянием огромных сил сильно деформируются и силы в этом случае могут совершенно отличаться от тех сил, которые можно ожидать для недеформированного электрона, как, например, вне ядра. Быть может, поэтому электрон может играть столь различную роль в этих двух случаях и даже образовывать стабильные системы. В ядерной теории обычно предполагается, что электрические силы и заряды играют преобладающую роль в формировании структуры внутренних и внешних частей атома. Значительный успех этой теории в объяснении фундаментальных явлений служит указанием общей справедливости этой точки зрения. В то же время, води электроны и составляющие ядро части находятся в движении, то должны возникать магнитные поля, которые следует принимать во внимание во всякой полной теории атома. В этом отношении магнитные поля надо считать скорее вторичным, нежели первичным. фактором, несмотря па то, что эти поля могут играть существенную роль в условиях равновесия атома. Размеры ядер Мы видели, что в случае атомов с большим ядерным зарядом даже самая быстрая α-частица не может проникнуть в саму структуру ядра, так что 241 мы можем лишь оценить его максимальные размеры. Однако в случае легких атомов, когда заряд ядра мал, при прямом столкновении α-частица приближается так близко к ядру, что мы можем оценить его размеры и составить некоторое представление о действующих силах. Наилучшим образом это видно в случае прямого столкновения α-частицы с атомом водорода. В этом случае Н-атом приходит в столь быстрое движение, что он проходит в четыре раза больший путь, чем сталкивающаяся с ним α-частица. и может быть зарегистрирован по сцинтилляции, вызываемой им на экране из сернистого цинка [8]. В работе [9] я показал, что эти сцинтилляции обусловлены атомами водорода, несущими единичный положительный заряд и летящими со скоростью, которую следует ожидать по простой теории столкновений, т. е. со скоростью в 1,6 раза большей скорости α-частицы. Соотношение между числом и скоростью этих Н-атомов совершенно отлично от того, которое следовало ожидать, если рассматривать α-частицу и Н-атом как точечные заряды на данном расстоянии. В результате столкновения с быстрыми α-частицами получаются Н-атомы, которые с почти одинаковыми скоростями летят по направлению налетающих α-частиц. Отсюда было выведено, что закон обратной пропорциональности квадрату расстояния становится несправедливым, когда ядра приближаются друг к другу на расстояние, меньшее 3·10-13 см. Это служит указанием на то, что ядра имеют размеры этого порядка величины и что силы между ядрами очень быстро меняются по величине и направлению при сближении на расстояния, сравнимые с обычно принятыми размерами диаметра электрона. Было указано, что при таких близких столкновениях между ядрами развиваются огромные силы и что, возможно, при столкновении структура ядер претерпевает значительную деформацию. Тот факт, что ядро гелия, которое, как можно предполагать, состоит из четырех Н-атомов и двух электронов, выдерживает это столкновение, свидетельствует о чрезвычайной устойчивости его структуры. Аналогичные результаты [10] наблюдались при столкновениях α-частиц с атомами азота и кислорода. И в этом случае атомы отдачи вылетали главным образом вперед, в направлении α-частицы, а область, где развивались особые силы, имела тот же порядок величины, что и в случае столкновения α-частицы с водородом. Не подлежит сомнению, что пространство, занятое ядром, и расстояния, на которых силы становятся необычными, возрастают вместе со сложностью структуры ядра. Следует ожидать, что Н-ядро должно быть наиболее простым из всех, и если это положительный электрон, то оно может иметь чрезвычайно малые размеры по сравнению с отрицательным электроном. При столкновениях с Н-атомами α-частицы следует рассматривать как более сложные структуры. Диаметр ядер легких атомов, за исключением водорода, имеет, повидимому, порядок величины 5 ⋅10−13 см, и при близких столкновениях ядра приходят почти в контакт, а, быть может, их структуры даже проникают одна в другую. Можно предполагать, что в этих условиях столкновение выдержат 242 только очень устойчивые ядра, так что весьма интересно исследовать возможность распада ядра. Длиннопробежные частицы, возникающие в азоте В предыдущих статьях [9, 10] я описал явления, происходящие при тесных столкновениях быстрых α-частиц с легкими атомами вещества, чтобы определить, не могут ли подвергаться разложению ядра некоторых легких атомов под влиянием огромных сил, развивающихся при столь тесных столкновениях. Было показано, что при прохождении α-частиц через сухой азот возникают быстрые частицы, весьма напоминающие по яркости сцинтилляций и по дальности проникновения атомы водорода, приведенные в движение в результате столкновения с α-частицами. Далее было показано, что эти быстрые атомы, которые появляются только в сухом азоте, но не в кислороде или в двуокиси углерода, не могут быть приписаны присутствию водяного пара или другого вещества, содержащего водород, и должны возникать при столкновении α-частицы с атомами азота. Число таких сцинтилляций, вызванных азотом, было мало (примерно 1:12 соответствующего числа в водороде), но оно было в два или в три раза больше числа естественных сцинтилляций источника. В среднем число наблюдавшихся в азоте сцинтилляций было равно числу сцинтилляций, которые наблюдались, когда водород при давлении примерно 6 см примешивался к кислороду или двуокиси углерода при нормальном давлении. Хотя в основном результаты указывали на то, что эти длиннопробежные атомы из азота представляют собой заряженные атомы водорода, первые эксперименты по определению массы этих частиц путем отклонения в сильном магнитном поле не привели к определенным результатам. На основании данных моей предыдущей работы [10] можно построить несколько теорий относительно этих частиц. Вычисленная длина пробега однозарядного атома, приведенного в движение в результате столкновения с α-частицей с пробегом в воздухе R см, имеет следующие значения: Масса Пробег R, см 1 3,91 2 4,6 3 5,06 4 4,0 Вследствие малого числа и слабости сцинтилляций, в этих экспериментах пробег быстрых атомов из азота не мог быть измерен с точностью, достаточной, чтобы сделать определенный выбор между предполагаемыми теориями. Некоторые из моих корреспондентов указывали на вероятность того, что эти частицы были просто первоначальные α-частицы, потерявшие один из своих двух зарядов, т. е. атомы с зарядом 1 и массой 4. Однако, вероятно, нет никаких веских оснований считать, что из всех исследованных элементов именно азот должен быть тем единственным элементом, в котором прохождение быстрых α-частиц приводит к захвату одного электрона. 243 Однако, если бы условия эксперимента позволили получить достаточное число сцинтилляций, было бы нетрудно выбрать одну из этих различных возможностей, исследуя отклонение быстрых атомов в магнитном поле. Величина отклонения заряженных атомов магнитным полем, перпендикулярным к направлению их полета, пропорциональна e/mu. Предполагая, что эти частицы высвобождаются при прямом столкновении с α-частицей, легко вычислить относительные значения этой величины для различных масс. Если принять величину MV/E для α-частицы за единицу, то значения mu/e для атомов с зарядом 1 и массой 1, 2, 3 и 4 соответственно будут равны 1,25; 0,75; 0,58 и 0,50. Следовательно, Н-атомы должны отклоняться больше, чем α-частицы, под действием которых они возникают, между тем как атомы с массой 2, или 3, или 4 будут отклоняться труднее, чем первоначальные α-частицы. После прибытия в Кембридж я приступил к решению этой задачи различными путями. За счет подбора объектива с большой апертурой удалось увеличить яркость сцинтилляций, и тем самым стало легче их считать. Кроме того, был проведен ряд экспериментов по получению более мощных источников излучения на основе имеющегося в моем распоряжении радия. Однако в конце концов по причинам, которые нет нужды здесь обсуждать, оказалось, что лучше всего получать активный источник излучения в виде радия С способом, описанным в моей предыдущей работе. После некоторого числа наблюдений с твердыми соединениями азота (мы говорим о них ниже) был выработан метод оценки масс частиц, возникающих из азота в газообразном состоянии. Употребление для этой цели собственно газа имело несколько преимуществ перед использованием твердого соединения азота, так как не только возросло число сцинтилляций, но можно было быть уверенным также в отсутствие водорода или водородных соединений. Рис. 1 Окончательная схема эксперимента показана на рис. 1. Главная особенность заключается в применении широкой щели, через которую проходили α-частицы. Как показали эксперименты, отношение числа 244 связанных с газом сцинтилляций к числу естественных сцинтилляций от источника быстро возрастает с увеличением ширины щели. Для пластинок, расположенных на расстоянии 1 мм одна от другой, это отношение было меньше единицы, тогда как при расстоянии между ними 8 мм оно имело значение от 2 до 3. Такую зависимость следует ожидать по теоретическим соображениям в том случае, если большинство частиц вылетает по направлению полета α-частиц. Горизонтальные пластины А и В имели 6,0 см в длину, 1,5 см в ширину и были расположены на расстоянии 8 мм одна от другой. На одном конце помещался источник С — активный осадок радия, а вблизи другого — экран из сернистого цинка. Подставки для источника и щели были установлены в прямоугольном латунном ящике, через который во избежание радиоактивного загрязнения непрерывно пропускался сухой воздух или другой газ. Ящик устанавливался между полюсами большого электромагнита так, чтобы равномерное поле было параллельно плоскости пластин и перпендикулярно их длине. Между экраном и концом пластинок дополнительно вставляли наконечник D длиной 1,2 см для увеличения отклонения выходящих из щели частиц. Экран из сернистого цинка S устанавливался на стеклянной пластинке, закрывавшей с одного конца ящик; расстояние между экраном и источником было равно 7,4 см. Атомы отдачи из кислорода или азота с пробегом 9 см могли задерживаться алюминиевым экраном с тормозной способностью около 2 см воздуха, который устанавливался у конца щели. При такой ширине щели нельзя было отклонить широкий пучок излучения в сторону, но измерялась величина отклонения излучения, проходящего вблизи нижнего края щели. Для этого важно было наблюдать сцинтилляции в определенном месте экрана вблизи точки М. Метод фиксации положения счетного микроскопа заключался в следующем: источник С устанавливался на своем месте, и объем откачивался до давления в несколько сантиметров. В отсутствие поля нижний край пучка определялся прямой линией РМ, пересекающей экран в точке М. Микроскоп располагался так, чтобы граничная линия сцинтилляций была выше горизонтальной риски микроскопа. При возбуждении магнита, когда лучи отклоняются вниз (назовем его + полем), путь крайних α-частиц изображен кривой PLRN, пересекающей экран в точке N так, что граничная линия сцинтилляций смещается в поле зрения вниз. При перемене направления поля (назовем его — полем) путь крайней α-частицы PQRT пересекает экран в точке Т и полоса сцинтилляций смещается в поле зрения вверх. Напряженность магнитного поля подбиралась так, чтобы при отрицательном поле сцинтилляции наблюдались по всему экрану, а при положительном они возникали главным образом ниже горизонтальной риски. Вид поля зрения в микроскопе в этих двух случаях изображен на рис. 2, где точки примерно соответствуют плотности распределения сцинтилляций. Горизонтальные границы поля зрения создавались прямоугольным отверстием пластинки, расположенной в 245 плоскости перекрестия. Горизонтальная риска, пересекавшая поле зрения, была видна в условиях счета и позволяла, если это было нужно, считать относительное число сцинтилляций в двух половинах поля. Так как в действительности в экспериментах с азотом число сцинтилляций было слишком мало, чтобы можно было прямо отмечать границы сцинтилляций, то для оценки границы лучей необходимо было определять отношение числа сцинтилляций с +полем и — полем. Рис. 2 Положение микроскопа и напряженность магнитного поля в большинстве экспериментов выбирались такими, чтобы это отношение примерно равнялось 1:3. Предварительные наблюдения показали, что это отношение чувствительно к изменениям поля, и, таким образом, оно становится удобным методом оценки относительного отклонения лучей. После того как положение микроскопа зафиксировано, через прибор непрерывно пропускали поток сухого воздуха. Поглощающий экран устанавливался в положение Е, чтобы задерживать N- и О-атомы с пробегом 9 см. Затем систематически подсчитывалось число сцинтилляций при двух направлениях поля и, если требовалось, вводилась поправка на слабое радиоактивное загрязнение экрана. Отклонение неизвестных лучей непосредственно сравнивалось с отклонением известных α-лучей. Для этого источник и поглощающий экран удалялись и на месте радиевого источника ставилась такая же пластинка, покрытая небольшим количеством активного осадка тория. Испущенные торием С α-частицы с пробегом 8,6 см, пройдя в воздухе расстояние 7,4 см, создавали на экране яркие сцинтилляции. Как и раньше, определялось отношение числа сцинтилляций при + и — полях. Ниже дан пример подобного сравнения. При токе 4,0 а через обмотки электромагнита это отношение частиц, испущенных из азота, равнялось 0,33. Соответствующее отношение для α-частиц, испущенных торием С, было равно 0,44 при токе 4а и 0,31 при токе 5а. Отсюда видно, что в среднем частицы из азота отклоняются в данном поле больше, чем α-частицы из тория С. Однако, чтобы провести количественное сравнение, необходимо принять во внимание уменьшение скорости лучей при прохождении через воздух. Величина mu/e для α-лучей тория С с пробегом 8,6 см, как известно, равна 246 4,28-10б. Поскольку лучи, прежде чем попасть на экран, проходят в однородном поле 7,4 см воздуха, то можно вычислить, что истинное отклонение соответствует в вакууме α-лучам, для которых величина mu / e = 3,7 ⋅105 . Если считать, что отклонение α-частиц при токе 4,8 а то же самое, что и для частиц из азота при токе 4а (отношение полей 1,17), то среднее отклонение азотных частиц в условиях данного опыта соответствует лучам в вакууме, для которых величина mu/e равна 3,1·105. Если принять во внимание, что частицы возникают во всем объеме газа между пластинками, что их распределение неизвестно и что частицы в среднем вылетают вперед под некоторым углом к направлению падающих α-частиц, то экспериментальных данных совершенно недостаточно для того, чтобы вычислить среднюю величину mu/e для какой бы то ни было массы выбрасываемых частиц. По-видимому, большинство частиц, которые вызывают сцинтилляции, возникает в первых нескольких сантиметрах воздуха возле источника. Действительное отклонение данной частицы магнитным полем зависит от расстояния места ее возникновения от источника. Эти факторы, очевидно, приведут к уменьшению среднего отклонения частиц по сравнению с той величиной, которую имело бы отклонение, если бы частицы вылетали с постоянной скоростью из самого источника. Допуская, что поправка на уменьшение скорости длиннопробежных частиц при прохождении через воздух составляет 10%, получим, что среднее значение mu/e примерно равно 3,4·105. Так как величина MV/E для α-частиц, испущенных радием С, равна 3,98·105, то при данных условиях эксперимента среднее значение mu/e для азотных частиц меньше, чем для α-частиц, которые их создают. Из приведенных ранее в статье данных следует, что это может быть только в том случае, если масса частиц сравнима с массой атома водорода, так как однократно заряженные частицы с массой 2, 3 или 4 должны испытывать меньшие отклонения, чем α-частицы. Например, если мы предположим, что эти частицы есть атомы гелия с одним зарядом, то следует ожидать, что они будут отклоняться примерно вдвое меньше, чем α-частица. Таким образом, результаты экспериментов служат весьма веским доказательством того, что освобождаемые из азота частицы есть атомы водорода. Однако еще более убедительное доказательство этого факта можно получить. сравнив отклонение азотных частиц с отклонениями Н-атомов при одинаковых условиях. Для этого в газгольдере была собрана смесь примерно одного объема водорода с двумя объемами углекислого газа, и эта смесь вместо воздуха пропускалась через прибор. Такая пропорция газов была выбрана для того, чтобы тормозная способность смеси для α-частиц была такая же. как у воздуха. При этих условиях Н-атомы, подобно азотным частицам, возникали во всем объеме газа, и, вероятно, относительное распределение Н-атомов вдоль пути α-лучей не сильно отличалось от соответствующего распределения азотных частиц. Если азотные частицы — 247 это Н-атомы, то мы должны ожидать, что среднее отклонение их будет примерно таким же, как для Н-атомов, высвобождаемых из водородной смеси. Ряд тщательных опытов показал, что отношения чисел сцинтилляций при + и —полях одинаковой величины в обоих случаях были настолько близки, что нельзя было экспериментально различить эти случаи. Так как и в одном и в другом случае эксперименты проводились, насколько это возможно, в идентичных условиях, то равенство отношений показывает, что высвобождаемые из азота длиннопробежные частицы есть атомы водорода. Вероятность, что эти частицы обладают массой 2, 3 или 4, определенно исключается. В предыдущей работе я показал, что длиннопробежные частицы, наблюдаемые в сухом воздухе и чистом азоте, должны возникать из самих атомов азота. Следовательно, ясно, что некоторые атомы азота разрушаются при столкновении с α-частицами и что при этом возникают быстрые атомы положительно заряженного водорода. Отсюда следует сделать вывод, что заряженный атом водорода есть один из компонентов ядра азота. Хотя давно уже известно, что гелий — продукт самопроизвольного превращения некоторых радиоактивных элементов, вопрос о возможности разрушения структуры стабильных атомов искусственными методами оставался открытым. Здесь впервые было получено доказательство, что водород есть один из компонентов ядра азота. Нельзя забывать, что количество распадов, возникающих в азоте под действием частиц, чрезвычайно мало. В среднем, вероятно, лишь одна α-частица из 300000 может подойти достаточно близко к ядру азота, чтобы освободить атом водорода с энергией, достаточной для его регистрации методом сцинтилляций. Если бы даже все α-излучение из 1 г радия поглотилось газообразным азотом, объем освободившегося водорода составлял бы всего 1/300000 объема гелия, образованного его α-частицами, т. е. был бы равен примерно 5·10-4мм3 в год. Возможно, что при столкновении α-частицы с ядром может высвобождаться водород со скоростью, недостаточной для регистрации методом сцинтилляций. Если это окажется так, то количество распадов может быть намного больше приведенной величины. Эксперименты с твердыми соединениями азота Опишем теперь вкратце эксперименты с твердыми соединениями азота. Поскольку высвобождение частиц из азота представляет собой чисто атомное явление, то следует ожидать, что подобные частицы должны высвобождаться также из соединений азота в количестве, пропорциональном содержанию азота. Чтобы это проверить, а также изучить природу этих частиц, были исследованы некоторые соединения, богатые азотом. Для этого я использовал следующие вещества, приготовленные со всей возможной тщательностью, чтобы исключить присутствие водорода в какой бы то ни было форме: 1) нитрид бора, любезно приготовленный для меня В. Дж. Шаттом в Манчестерском университете; 248 2) нитрид натрия, титана и парациан, любезно приготовленные для меня Вильямом Поупом и его ассистентами. Прибор в этих экспериментах был подобен изображенному на рис. с той лишь разницей, что длина пластинок достигала 4 см. Материал в виде порошка насыпался по возможности равномерно при помощи сита на алюминиевую пластинку площадью 2 см2. Вес алюминиевой пластинки составлял около 6 мг/см2, и обычно на 1 см2 приходилось от 4 до 5 мг вещества. Тормозная способность алюминиевой пластинки для α-частиц соответствовала примерно 3,4 см воздуха, а материал брался в таком количестве, что его тормозная способность в среднем была примерно такая же, как и для алюминия. Чтобы вещество пристало к пластинке, вначале наливался слой спирта, затем быстро насыпалось вещество и пластинка просушивалась. Опыт показал, что при таком применении спирта заметной примеси водорода не вводилось. Экран из сернистого цинка устанавливался вне камеры непосредственно за алюминиевой пластинкой с тормозной способностью, эквивалентной 5,2 см воздуха, закрывавшей отверстие в конце латунного ящика. Алюминиевая пластинка с веществом располагалась затем так, что закрывала конец щели, обращенной к источнику, причем принимались необходимые меры, чтобы не стряхнуть вещество. Воздух откачивался, и считалось число сцинтилляций при двух положениях пластинки: 1) когда вещество было обращено к источнику и 2) когда пластинка была перевернута и вещество обращено к щели. В первом случае α-частицы попадали прямо в исследуемое вещество; во втором случае α-частицы попадали на вещество лишь после того, как их пробег уменьшался примерно наполовину, когда их способность освобождать быстрые атомы значительно уменьшалась. Преимущество этого- метода в том, что он избавляет от необходимости вводить поправку на неодинаковое поглощение Н-частиц источником в различных экспериментах. Таким способом было обнаружено, что все исследованные соединения азота давали большее число сцинтилляций в первом положении. Природа этих частиц была исследована таким же методом, как и в случае азота. Кроме того, было проведено непосредственное сравнение отклонения этих частиц с отклонениями Н-атомов, высвобожденных из парафиновой пленки, установленной вместо азотных соединений. Все опыты показали, что частицы отклоняются так же, как и Н-атомы из парафина, причем не было обнаружено следов частиц с массой 2, 3 или 4. Для пленок с одинаковой средней тормозной способностью для α-лучей можно легко подсчитать по правилу Брэгга, что относительная тормозная способность азота в соединениях будет 0,67 для BN, 0,74 для C2N2 и 0,40 для нитрида циана, если тормозную способность нитрида натрия принять за единицу. Так как выбрасывание длиннопробежных азотных частиц должно быть атомным явлением, то следует ожидать, что число сцинтилляций за вычетом поправки на естественный фон источника должно быть пропорционально приведенным выше относительным значениям тормозной 249 способности. Наблюдения с нитридами титана и натрия вполне подтвердили это, и число длиннопробежных азотных частиц было в правильном соотношении и примерно таким, как можно было ожидать из опытов с газообразным азотом. С другой стороны, нитрид бора и парациан дали примерно в полтора — два раза большее число частиц, чем ожидалось теоретически. В этих опытах были приняты все меры, чтобы избежать присутствия водорода или водяных паров. Перед употреблением алюминиевые пластинки прогревались в откачанной кварцевой трубке в электрической печи почти до точки плавления, чтобы выделить водород и другие газы. Исследуемые пленки хранились в эксикаторе и прогревались в электрической печи перед тем, как переносились в прибор. Было проведено несколько контрольных опытов с препаратами, не содержащими азот, например с чистым графитом и кремнеземом, которые любезно изготовил для меня Вильям Поуп. В обоих случаях число сцинтилляций, наблюдавшихся, когда вещество было обращено к источнику α-лучей, было меньше, чем в том случае, когда пластинка переворачивалась. Это указывает на то, что некоторое количество Н-атомов высвобождается из прогретого алюминия под действием α-лучей. Таким образом, контрольные эксперименты дали вполне удовлетворительные результаты, так как показали, что Н-атомы не появляются в веществах, не содержащих азот. В то же время видно, что Н-атомы не возникают в заметных количествах из углерода, кремния или кислорода. Повышенный эффект в нитриде бора и парациане, естественно, заставляет подозревать, что эти препараты содержат некоторое количество водорода, несмотря на принятые меры предосторожности. В случае нитрида бора пока неизвестно, не испускает ли Н-атомы сам бор. Это обстоятельство еще не исследовано. Ввиду такой неопределенности эксперименты с твердыми соединениями азота были временно отложены, и проводились уже описанные эксперименты с газообразным азотом. Интересно отметить, что для получения того числа Н-атомов, которое наблюдалось в этих соединениях, необходимо значительное загрязнение их водородом. Так, в случае нитрида натрия на 1 г вещества должно приходиться по крайней мере 50 см3 водорода. Я склонен думать, что Н-атомы, высвобождаемые α-лучами из нитрида натрия, главным образом, если не полностью, обусловлены азотом, а в случае парациана часть эффекта, повидимому, вызвана примесью водорода или какого-либо его соединения. Впоследствии я надеюсь исследовать этот вопрос более детально. Короткопробежные атомы, возникающие в кислороде и азоте Кроме длиннопробежных Н-атомов, высвобождаемых из азота в результате прохождения α-частиц через кислород и азот, в гораздо больших количествах возникают быстрые атомы, имеющие в воздухе пробег около 9,0 см, тогда как пробег налетающих α-частиц 7,0 см. Метод измерения пробега и числа этих атомов был изложен в моей предыдущей работе [10]. Там показано, что эти атомы возникают при прохождении α-частиц через газ. 250 Как раз за пределами пробега α-частиц, испускаемых радием С, эти сцинтилляции оказались ярче тех, которые обусловлены Н-атомами, и больше походили на сцинтилляции, вызванные α-частицами. Ввиду отсутствия определенной информации о природе этих атомов, было сделано предварительное предположение, что это атомы кислорода или азота, несущие один заряд и приведенные в быстрое движение в результате близкого столкновения с α-частицами, так как наблюдаемый пробег этих частиц приблизительно совпадал с пробегом, вычисленным на основе такого предположения. В то же время было указано, что совпадение пробегов атомов кислорода и азота весьма неожиданно, так как предполагалось, что пробег более быстрых N-атомов должен быть на 19% больше пробега более медленных О-атомов. Представлялось возможным, что эти быстрые атомы могут оказаться осколками распавшихся атомов, однако до самого последнего времени я не видел способа решить этот вопрос. Как только применение широкой щели увенчалось успехом при решении вопроса о природе длиннопробежных частиц из азота, с тем же самым прибором и тем же самым методом были проведены опыты но выяснению природы короткопробежных частиц из азота и кислорода. Прежде всего рассмотрим относительное отклонение, которое можно ожидать для О-атома, приходящего в движение в результате прямого столкновения с α-частицей. Скорость О-атома после соударения равна 2/5 V, где V — скорость налетающей α-частицы. Величина mu/e для О-атома с единичным зарядом, как легко видеть, должна быть в 3,1 раза больше, чем для α-частицы перед столкновением. Следовательно, О-атом с единичным зарядом отклонить намного труднее, чем α-частицу; то же самое будет даже тогда, когда его заряд равен 2. Для проверки этих двух фактов использовался тот же прибор, что изображен на рис. 1. Источник находился на расстоянии 7,4 см от экрана из сернистого цинка; как и раньше, для увеличения отклонения лучей применялись наконечники длиной 1,2 см. Во избежание радиоактивного загрязнения экрана в течение эксперимента через прибор медленно циркулировал сухой воздух или кислород. В случае кислорода наблюдаемые на экране сцинтилляции были обусловлены О-атомами и немного Н-атомами из источника. В случае воздуха сцинтилляции частично вызывались N-атомами и частично О-атомами и Н-атомами из источника и азота. Истинное число короткопробежных N-атомов, по-видимому, было меньше числа О-атомов в аналогичных условиях. Положение микроскопа фиксировалось, как и прежде, так, чтобы получилось подходящее отношение числа сцинтилляций при перемене направления магнитного поля. Это отношение зависело от положения микроскопа и в наших экспериментах колебалось между 0,2 и 0,4. Сразу же стало очевидно, что атомы из кислорода не отклонялись меньше, чем α-частицы, как это должно было быть, если бы они были О-атомами, а отклонялись как раз больше. Это обстоятельство сразу же исключило возможность того, что мы имеем здесь дело с атомами кислорода, 251 несущими один или два заряда. Так как гелий выбрасывается при столь многих радиоактивных превращениях, то можно было ожидать, что он представляет собой один из компонентов легких атомов и освобождается при интенсивном столкновении. Однако отклонение атомов, возникающих из кислорода, было значительно больше того, которое можно объяснить таким образом. Чтобы выяснить этот вопрос, в конце экспериментов с кислородом вместо радиевого источника α-частиц был поставлен источник, полученный экспозицией пластины в эманации тория, и таким же способом исследовалось отклонение α-лучей, испущенных торием С, с пробегом 8,6 см. Если бы α-частицы выбрасывались из О-атомов вблизи от источника, то они отклонялись бы так, как и α-частицы с пробегом 9,0 см; если же они образуются в конце пробега α-лучей, величина отклонения не должна быть больше отклонения α-частиц с пробегом 7 см, т. е. примерно на 9% больше, чем в первом случае. Даже если предположить, что частицы высвобождаются равномерно вдоль всего пути α-частиц и движутся в том же направлении, что и налетающие частицы, среднее отклонение пучка не должно отличаться более чем на 5% от величины отклонения α-частиц, испущенных торием С. Если, что кажется вероятным, отдельные атомы вылетают под некоторым углом к направлению падающих α-частиц, среднее отклонение должно быть еще меньше, и, по всей вероятности, меньше, чем у α-частиц» испущенных торием С. В действительности наблюдаемое отклонение было примерно на 20% больше. Это свидетельствует о том, что гипотеза, по которой атомы из кислорода представляют собой заряженные атомы гелия, совершенно неверна. Если бы атомы из кислорода были Н-атомами, они отклонялись бы больше, чем α-частицы, но тогда их максимальный пробег был бы равен 28 см, а не наблюдавшемуся пробегу 9 см. Таким образом, ясно, что масса этих атомов должна лежать в диапазоне от 1 до 4, тогда как из рассмотрения пробега частиц и величины отклонения видно, что они несут две единицы заряда. Чтобы прийти к более определенному выводу, непосредственно сравнивалось отклонение О-атомов в положительном и отрицательном полях определенной величины с отклонением Н-атомов из смеси водорода и углекислого газа, взятых по объему в отношении 1:2. Чтобы полностью поглотить О-атомы из С02, перед экраном из сернистого цинка устанавливался алюминиевый листок, так что полное поглощение между источником и экраном соответствовало 9 см воздуха. Б обоих экспериментах исследуемые атомы возникали в газе между пластинками, и, вероятно, относительное распределение их вдоль пути α-лучей в обоих случаях заметно не отличалось. Искомые отношения при перемене направления поля в обоих опытах оказались примерно одинаковыми, но в среднем по нескольким опытам отклонение Н-атомов было немного больше, чем атомов, возникающих из кислорода. По результатам нескольких опытов был сделан вывод, что разница 252 в отклонении в среднем не превышает 5%, хотя по характеру наблюдений трудно было фиксировать эту разницу сколько-нибудь определенно. На основании этих данных и пробегов атомов из кислорода в воздухе можно вычислить массу частиц, высвобождаемых из кислорода. Пусть m — масса атома из кислорода; u — его максимальная скорость вблизи от источника; Е — заряд; М, V, Е — соответствующие величины для налетающих α-частиц, а m′, u′, е — для Н-атомов, высвобождаемых вблизи источника. Скорость частиц из кислорода с пробегом 9 см при прохождении их через слой кислорода между источником и экраном толщиной 7,4 см непрерывно уменьшается. Отсюда легко подсчитать, что их среднее отклонение в магнитном поле пропорционально 1,14 E/mu, а не Е/mu как в вакууме. Точно так же отклонение Н-атомов пропорционально 1,05 е/m'u', причем в этом случае поправка на изменение скорости меньше и оценивается примерно в 5%. Мы видели, что экспериментальные результаты указывают на то, что атомы, возникающие в азоте, отклоняются примерно на 5% меньше, чем Н-атомы. Следовательно, E 1, 05 e E 1,14 = = 1, 25 , mu 1, 05 m′u ′ MV (1) 1,14 MV = 1, 25mu , поскольку вычислено и проверено экспериментально, что отклонение Натома в магнитном поле в 1,25 раза больше отклонения α-частицы, приводящей его в движение (см. статью II [9]). В статье III [10] я указал причины, в силу которых надо считать, что пробег х массы m, имеющей начальную скорость u и несущей двойной заряд, определяется формулой 3 x m⎛u⎞ = ⎜ ⎟ , R M ⎝V ⎠ где R — пробег α-частицы, обладающей массой М и скоростью V. Поскольку x = 9,0 см для атомов, вылетающих из кислорода при столкновении с α-частицами, испущенными радием С и имеющими пробег 7 см, то x = 1, 29; R полагая М = 4, получим mu 3 = 5,16V 3 . (2) Формула этого типа была выведена для пробега Н-атомов и есть все основания считать, что она достаточно точна при таких малых разностях пробега. Из формул (1) и (2) получаем u = 1,19V , m = 3,1. 253 Если принять во внимание трудность получения точных данных, то величина 3,1 показывает, что масса атома примерно равна 3, и при дальнейших обсуждениях эту величину следует считать вероятной. Когда вместо кислорода брался воздух, то невозможно было в этих двух случаях обнаружить какую-либо разницу в отклонении короткопробежных атомов. Поскольку в воздухе короткопробежные атомы возникают главным образом из азота, можно сделать вывод, что короткопробежные атомы, высвобождаемые при прохождении α-частиц через кислород или азот, состоят из атомов с массой 3, несущих двойной заряд, и первоначально выбрасываются со скоростью 1,19V, где V — скорость налетающей α-частицы. По-видимому, из полученных результатов следует однозначный вывод: атомы с массой 3 высвобождаются из атомов азота или кислорода в результате интенсивного столкновения с α-частицей. Поэтому разумно предположить. что атомы с массой 3 — это структурные компоненты как ядер кислорода. так и азота. Мы уже ранее показали, что водород также один из компонентов структуры ядра азота. Таким образом, ясно, что распад ядра азота может произойти двумя путями: либо выбрасыванием Н-атомов, либо выбрасыванием атомов с массой 3, несущих два заряда. Поскольку этих атомов с массой 3 в 5—10 раз больше, чем Н-атомов, то, возможно, эти две формы распада независимы одна от другой и не одновременны. Учитывая, что столкновения очень редки, в высшей степени невероятно, чтобы отдельные атомы подвергались обоим типам распада. Так как частицы, выбрасываемые из кислорода и азота, возникают ив у самого источника, а вдоль пути α-частиц, трудно с желаемой точностью определить их массу и скорость. Чтобы обойти эту трудность, были сделаны попытки определения О-атомов, высвобождаемых из слюдяной пластинки, расположенной за источником. Вследствие наличия в слюде водорода, Н-атомы, падающие на экран, были так многочисленны по сравнению с О-частицами, а их отклонения при данных условиях опыта столь близки, что трудно было различить эти атомы. Вопрос об энергии При близких столкновениях между α-частицей и атомом законы сохранения энергии и импульса, по-видимому, остаются в силе [11]. Однако в тех случаях, когда атомы распадаются, не обязательно ожидать справедливости этих законов, если не учитывать изменение энергии и импульса атома вследствие его распада. В том случае, когда из ядер азота выбрасывается атом водорода, имеющихся данных недостаточно, чтобы судить об этом, так как мы не знаем определенно ни скорости атомов, ни скорости α-частицы после столкновения. Если справедливо наше предположение, что из О- и Н-атомов высвобождаются атомы с массой 3, то легко подсчитать, что в результате распада должен получиться небольшой выигрыш в энергии. Если масса 254 высвобождаемого атома точно 3, а скорость равна 1.20 V (где V — скорость налетающей α-частицы), то Энергия освобожденного атома 3 ⋅1, 44 = = 1,08, Энергия α -частицы 4 т. е. выигрыш в энергии движения составляет 8%, если даже не учитывать последующее движение распавшегося ядра и α-частицы. Эта дополнительная энергия должна заимствоваться из ядра азота или кислорода точно так же, как и энергия движения α-частицы при вылете из радиоактивного атома. Для расчета рассмотрим прямое столкновение α-частицы с атомом с массой 3. Скорость последнего равна 8/7 V, где V — скорость α-частицы, а его энергия составляет 0,96 начальной энергии α-частицы. Без сомнения, при фактическом столкновении с атомом кислорода или азота, из которых высвобождается атом с массой 3, как α-частица, так и атом с массой 3 на своем пути находятся под влиянием основного поля ядра. В обоих случаях следует ожидать, что не только α-частица отдает 0,96 своей энергии высвобождающемуся атому, но и он приобретает дополнительную энергию за счет отталкивающего поля ядра. Поскольку строение ядра и природа сил в непосредственной близости от него нам неизвестны, то нежелательно заниматься предположениями относительно механизма столкновения на этой стадии. Однако можно получить дальнейшие сведения, изучая пути α-частиц в азоте и кислороде с помощью хорошо известного метода Вильсона. В предыдущей работе [12] я подверг анализу полученную Вильсоном фотографию, на которой имеется внезапное изменение направления пути на 43°, и маленькое ответвление в виде короткой шпоры. Выло показано, что относительная длина треков α-частиц и шпоры в грубом приближении согласуется с предположением, что шпора обусловлена атомом кислорода, получившим ускорение. Это вполне вероятно, так как данные свидетельствуют о том, что атомы с массой 3 после высвобождения движутся примерно по направлению α-частицы, а косой удар может и не вызвать распад атома. Недавно Шимицу в Кавендишской лаборатории модифицировал камеру Вильсона так, что расширения в ней могут периодически повторяться несколько раз в секунду; это позволяет наблюдать пути нескольких частиц в течение достаточного времени. В этих условиях как Шимицу, так и я сам наблюдали в нескольких случаях разветвленные пути α-частицы, в которых длины обоих треков были соизмеримы. Подобные наблюдения непосредственно глазом слишком неопределенны, чтобы можно было относиться к ним с большим доверием. Поэтому Шимицу разработал устройство для получения таких фотографий, где треки можно будет подробно исследовать. не торопясь. Таким образом, можно будет надеяться получить ценную информацию об условиях, которые определяют распад атомов, и об относительной энергии, сообщаемой трем системам, участвующим в распаде. т. е. α-частице, вылетающему атому и остаточному ядру. 255 Пока мы не располагаем определенной информацией об энергии α-частицы, необходимой для того, чтобы вызвать распад, но общие данные указывают. что быстрые α-частицы с пробегом в воздухе, равном примерно 7 см. более эффективны, нежели частицы с пробегом около 4 см. Это может и не быть непосредственно связано с энергией, необходимой для того, чтобы вызвать распад самого атома; скорее всего, это связано с невозможностью более медленных α-частиц вследствие влияния отталкивающего поля приблизиться достаточно близко к ядру, чтобы разрушить его. Возможно, что истинная энергия, необходимая для распада атома, мала по сравнению с энергией α-частицы. Если это так, то вполне возможно, что и другие агенты с меньшей энергией, чем α-частица, вызовут распад. Например, быстрый электрон может приблизиться к ядру с энергией, достаточной для распада ядра, так как он движется в притягивающем, а не в отталкивающем поле, как α-частица. Точно так же проникающее γ -излучение может обладать достаточной энергией, чтобы вызвать распад. Таким образом, весьма важно проверить, могут ли распадаться азот, кислород или другие элементы под действием быстрых катодных лучей, образующихся в разрядной трубке. В отношении кислорода и азота это можно легко проверить, наблюдая после интенсивной бомбардировки соответствующего вещества электронами, не появляется ли спектр, близко напоминающий спектр гелия. Подобные эксперименты начал проводить в Кавендишской лаборатории Ишида. Чтобы быть уверенным в удалении окклюдированного гелия, который мог первоначально присутствовать в материале прибора, вакуумная трубка из специального стекла и электродов прогревается до высокой температуры. Гелий в разрядных трубках наблюдало несколько исследователей и связывало с выделением его из веществ в результате бомбардировки катодными лучами. Найти истинную причину появления гелия в этих случаях чрезвычайно трудно, однако последние достижения в технике разрядных трубок облегчают возможность дать определенный ответ на этот важный вопрос. Свойства нового атома Мы показали, что атомы с массой около 3 и двумя зарядами высвобождаются α-частицами как из кислорода, так и из азота, поэтому естественно предположить, что эти атомы представляют собой независимые структурные единицы обоих газов. Заряженный атом в течение своего полета, видимо, есть ядро нового атома без внешних электронов. Поэтому можно ожидать, что, если придать этому новому атому два отрицательных электрона, он по своим физическим и химическим свойствам окажется почти идентичен атому гелия, но будет иметь массу 3, а не 4. Вполне возможно, что спектры гелия и этого изотопа должны быть практически одинаковыми, но вследствие заметной относительной разницы в массах смещение линий должно быть больше, нежели в случае изотопов тяжелых элементов вроде свинца. 256 Следует вспомнить, что Бурже, Фабри и Бюиссон [13] на основании изучения ширины линий в спектре туманностей сделали вывод, что этот спектр обусловлен элементом с атомной массой около 2,7, или, округляя, 3. Однако с современной точки зрения трудно предположить, что спектр так называемого «небулия» может быть обусловлен элементом с зарядом ядра 2, если только не предполагать, что при существующих в туманностях условиях спектры совершенно отличаются от наблюдаемых в лаборатории. Возможное происхождение спектра небулия подробно обсуждал Никольсон [14] в совершенно ином духе, и в настоящий момент трудно объяснить, каким образом могут быть связаны новые атомы, возникающие в азоте и кислороде, с веществом туманностей. Поскольку большая часть обычного гелия, по-видимому, непосредственно или косвенно образовалась при превращениях радиоактивных веществ, а они, насколько нам известно, всегда дают гелий с массой 4, то маловероятно обнаружить в подобных источниках изотопы гелия с массой 3. Однако в высшей степени интересно выяснить, не может ли присутствовать этот изотоп в тех случаях, когда кажущееся присутствие гелия трудно отнести за счет радиоактивного вещества; таков случай, например, берилла, на что обратил внимание Стрэтт [15]. Это все основано на предположении устойчивости атома с массой 3. Тот факт, что он выдерживает интенсивные возмущения в своей структуре при близком столкновении с α-частицей, указывает на то, что это — образование, трудно поддающееся разрушению внешними силами. Строение ядра и изотопы При рассмотрении возможного строения элементов естественно предположить, что они построены в конечном счете из ядер водорода и электронов. С этой точки зрения ядро гелия состоит из четырех ядер водорода и двух отрицательных электронов, так что результирующий заряд равен двум. Обычно предполагают, что масса атома гелия, равная 3,997 (если считать массу кислорода равной 16), меньше массы четырех атомов водорода (4,032) из-за близкого взаимодействия полей в ядре, которое приводит к тому, что это ядро обладает меньшей электромагнитной массой. нежели сумма масс его отдельных компонентов. На основе этого факта Зоммерфельд [16] сделал заключение, что ядро гелия должно обладать очень устойчивой структурой, требующей весьма интенсивных сил для ее разрушения. Этот вывод согласуется с экспериментом, так как ни разу не было обнаружено, чтобы гелий распадался под действием быстрых α-частиц, способных разрушить ядра азота и кислорода. В своих последних экспериментах Астон [17] показал, что в пределах точности измерений массы исследованных изотопов обычных элементов выражаются целыми числами, если массу кислорода принять равной 16. Единственное исключение составляет водород, масса которого равна 1,008 в согласии с химическими измерениями. Это не исключает возможности того, что водород представляет собой предельный составной элемент ядра, а указывает на то, что либо группировка ядер 257 водорода и электронов такова, что средняя электромагнитная масса близка к единице, либо (что более вероятно) что вторичные единицы, из которых главным образом построен атом, т. е. гелий или его изотоп, имеют массу, близкую к целому числу, если массу кислорода принять за 16. Проведенные до сих пор наблюдения не дают возможности решить, обладает ли новый атом массой, равной в точности 3, но по аналогии с гелием можно ожидать, что ядро нового атома состоит из трех Н-ядер и одного электрона и что оно имеет массу, более близкую к 3, нежели сумма отдельных масс в свободном состоянии. Если это предположение верно, то кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать также два Н-ядра, а может быть, и одно Н-ядро. Тогда в первом случае возможно существование атома с массой, примерно равной 2, и одним зарядом, который нужно рассматривать как изотоп водорода. В другом случае предполагается возможность существования атома с массой 1 и нулевым зарядом ядра. Подобная атомная структура представляется вполне возможной. С современной точки зрения нейтральный атом водорода следует рассматривать как ядро с единичным зарядом, к которому на некотором расстоянии присоединен электрон, и спектр водорода объясняется движением этого удаленного электрона. При некоторых условиях, однако, электрон может быть связан с Н-ядром намного сильнее, образуя нечто вроде нейтрального дублета. Такой атом обладал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду, за исключением области, прилегающей непосредственно к ядру, благодаря чему он мог бы проходить свободно через вещество. Существование таких атомов, вероятно, трудно было бы обнаружить с помощью спектроскопа, и их невозможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде. С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединяться с ядром, либо распасться под действием интенсивного поля ядра, результатом чего будет, вероятно, испускание Н-атома или электрона, или же обоих вместе. Если существование таких атомов возможно, то они должны возникать, хотя, вероятно, в очень малых количествах, при электрическом разряде через водород, где присутствуют в значительном количестве как электроны, так и Н-ядра. Автор намерен провести эксперименты с целью проверки, не имеется ли каких-либо указаний об образовании подобных атомов в упомянутых условиях. Существование таких ядер может и не ограничиваться массой 1, а возможно, они существуют с массами 2,3,4 или больше в зависимости от возможных комбинаций между дублетами. Существование таких атомов, повидимому, почти необходимо для объяснения строения ядер тяжелых элементов. Действительно, если не предполагать возможным получение заряженных частиц с очень высокими скоростями, то трудно себе представить, каким образом какая бы то ни было положительно заряженная частица может приблизиться к ядру тяжелого атома при наличии его интенсивного отталкивающего поля. 258 Мы видели, что пока экспериментально обнаружено, что ядра трех легких атомов, вероятно, представляют собой структурные единицы атома, т. е. + ++ ++ H1 , X3 , He4 , где индексы соответствуют массе элемента. При рассмотрении возможного строения ядер сразу же возникают трудности, так как многочисленные комбинации этих структурных соединений с отрицательными электронами могут дать элемент с требуемыми зарядом ядра и массой. При нашем полном незнании законов сил, действующих вблизи ядра, мы не имеем критерия устойчивости или относительной вероятности данной теоретической системы. За исключением нескольких элементов, которые могут существовать в газообразном состоянии, возможность существования изотопов у элементов еще не подтверждена. Когда будут получены дальнейшие сведения о продуктах распада других элементов, помимо двух уже исследованных, и более полные данные о числе и массе изотопов, можно будет вывести приблизительные правила, которые помогут отбирать способы образования ядер из более простых элементов. Поэтому сейчас представляется преждевременным пытаться обсуждать сколько-нибудь детально даже возможную структуру легких и, вероятно, менее сложных атомов. Однако, пожалуй, стоит привести для иллюстрации один пример возможных способов образования изотопов в случае легких элементов. Этот пример основан на представлении, что во многих случаях ядро гелия с массой 4 в сложных структурах, по-видимому, может быть заменено соответствующим ядром с массой 3 без серьезного нарушения устойчивости системы. В таком случае ядерный заряд остается неизменным, а масса изменится на единицу. Рассмотрим в качестве примера случай лития с зарядом ядра 3 и атомной массой около 7. Естественно предположить, что его ядро построено из гелия или изотопа с массой 3 и одного связывающего электрона. Три возможные комбинации изображены на рис. 3. 259 Рис. 3 Рис. 4 С этой точки зрения теоретически возможно существование по крайней мере трех изотопов лития с массой 6, 7 и 8, но, если даже эти комбинации одинаково стабильны, вопрос об их относительном содержании в элементе литий на Земле зависит от целого ряда факторов, о которых мы ничего не знаем. К числу таких факторов относятся, например, способы действительного образования таких ядер, относительное количество структурных единиц и вероятность их комбинаций. Приведенные в этой статье экспериментальные результаты подтверждают ту точку зрения, что атомы водорода и атомы с массой 3 — это необходимые структурные единицы ядер азота и кислорода. В таком случае можно a priori предположить, что кислород есть некоторая комбинация четырех ядер гелия с массой 4. Кажется вероятным, что масса 3 — необходимая структурная единица ядер легких атомов вообще, но нельзя считать неправдоподобным и то, что при возрастании сложности ядра и соответствующем увеличении электрического поля структура с массой 3 испытывает перестроение и стремится перейти в предположительно более устойчивое ядро с массой 4. Именно это может быть причиной того, что гелий с массой 4 всегда выбрасывается из радиоактивных атомов, тогда как его изотоп с массой 3 возникает при искусственном разложении таких легких атомов, как азот и кислород. Уже давно известно, что атомные веса многих элементов могут быть выражены формулами 4n или 4n + 3, где п — целое число, и это указывает на то, что атомы с массой 3 и 4 представляют собой важные структурные единицы ядер. Структура ядер углерода, кислорода и азота В связи с описанными опытами представляют интерес некоторые, быть может пока еще незрелые, мысли о возможном строении перечисленных 260 атомов на основе полученных экспериментальных фактов. Следует помнить, что только в азоте возникают Н-атомы, тогда как в углероде и кислороде их нет. Как в азоте, так и в кислороде возникают атомы с массой 3; с углеродом такие исследования не проводились. На рис. 4 показаны возможные структуры и указаны массы и заряды комбинирующихся единиц. Отрицательные электроны обозначены символом —. По предположению, ядро углерода состоит из четырех атомов с массой 3 и зарядом 2 и двух связывающих электронов. Переход к азоту соответствует добавлению двух Н-атомов с одним связывающим электроном, а кислород получается заменой двух Н-атомов ядром гелия. Из этих структур видно, что вероятность прямого столкновения с одним из четырех атомов с массой 3 в азоте гораздо больше, чем вероятность удаления одного Н-атома, так как следует ожидать, что, за исключением ограниченных областей, основная часть ядра будет экранировать Н-атом от прямого столкновения. Это служит иллюстрацией того обстоятельства, что число высвобождаемых из азота Н-атомов с массой 3 значительно больше числа Н-атомов, образующихся при соответствующих условиях. Следует помнить, что описанные структуры носят чисто иллюстративный характер и отдельным деталям их расположения не следует придавать значения. Естественно задаться вопросом о природе остаточных атомов после распада кислорода и азота, предполагая, что эти остаточные атомы выдерживают столкновение и переходят в новую стадию временного или постоянного равновесия. Вылет из азота Н-атомов с массой 1 и ядерным зарядом 1 должен уменьшить массу на единицу и заряд ядра тоже на единицу. Таким образом, остаточный атом должен иметь заряд ядра 6 и массу 13, т. е. быть изотопом углерода. Если одновременно освобождается и отрицательный электрон, то остаточное ядро становится изотопом азота. Выбрасывание из азота массы 3 с двумя зарядами, происходящее, повидимому, совершенно независимо от высвобождения Н-атома, понижает ядерный заряд на 2, а массу на 3. Следовательно, остаточный атом должен быть изотопом бора с ядерным зарядом 5 и массой 11. Если здесь, кроме того, вылетает еще и электрон, то остается изотоп углерода с массой 11. Выбрасывание массы 3 из кислорода приводит к массе 13 и заряду ядра 6; это должен быть изотоп углерода. Точно так же, если теряется электрон, то остается изотоп азота с массой 13. Имеющихся в настоящее время данных совершенно недостаточно, чтобы сделать выбор между этими альтернативами. Мы намерены продолжить эксперименты, чтобы установить, нет ли каких-либо указаний о распаде других легких атомов, помимо азота и кислорода. Это более трудная задача, когда элемент нельзя получить просто в газообразном состоянии, так как нелегко обеспечить отсутствие водорода или приготовить однородные тонкие пленки этих веществ. По этим причинам, а также вследствие напряжения при счете сцинтилляций, проходящих в 261 трудных условиях, нельзя ждать особенно быстрого прогресса в этом направлении. Приношу благодарность моему ассистенту Г. Кроу за приготовление радиоактивных источников и помощь при счете сцинтилляций, а также Дж. Чадвику и Ишиде за помощь в счете сцинтилляций в некоторых последних экспериментах. Proc. Roy. Soc., 1920, A97, 364–400. ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Geiger #., Marsden Е. Ргос. Roy. Soc. А, 1909, 82, 495. Rutherford Е. Philos. Mag., 1911, 21, 669; 1914, 27, 488. Geiger Я., Marsden E. Philos. Mag., 1913, 25, 604. Darwin C. Philos. Mag., 1914, 27, 499. Barkla C. Philos. Mag., 1911, 21, 648. Van denBroek A. Phys. Z., 1913, 14, 32. Moseley H. Philos. Mag., 1913, 26, 1024; 1914, 27, 703. Marsden P. Philos. Mag., 1914 , 27 , 824. Rutherford E. Philos. Mag., 1919, 37, I and II, 538. Rutherford E. Philos. Mag., 1919, 37, III, 571. Rutherford E. Philos. Mag., 1919, 37 , 562. Rutherford E. Philos. Mag., 1919, 37, 577. Bourget, Fabry, Buisson. Compt. Rend., 1914, April 6, May 18. Nicholson D. Roy. Astron. Soc., 1911, 72, N 1, 49; 1914, 74, N 7, 623. StruttR. Proc. Roy. Soc. A, 1908, 80, 572. Sommerfeld A. Atombau und Spektrallinien, 1919, p. 538. Aston F. Philos. Mag., 1919, December; 1920, April, May. Harkins W. Phys. Rev., 1920, 15, 73. 262 Э. Резерфорд СОВРЕМЕННАЯ АЛХИМИЯ По материалам лекции памяти Генри Сиджвика, прочитанной в ноябре 1936 г. в Ньюнхемском колледже, Кембридж (1937 г.) Предисловие Эта небольшая книга представляет собой несколько расширенный вариант лекции памяти Генри Сиджвика, прочитанной в Ньюнхемском колледже 28 ноября 1936 г. Еще на заре возникновения учения о радиоактивности мое внимание очень занимала проблема превращения элементов, и я с необычайным интересом и энтузиазмом следил эа бурным прогрессом наших знаний в последние несколько лет. Этот успех во многом обязан созданию новых мощных методов исследований этой фундаментальной проблемы. Поэтому я счел интересным добавить краткое описание новых приборов и методов, которые сейчас применяются во многих лабораториях мира. Я включил также иллюстрации, которые приводил в своей лекции. Я признателен Ч. Т. Р. Вильсону, Е. Лоуренсу, П. М. С. Блэкетту, Дж. Чадвику, П. Ди, Ч. Гильберту, Г. Тейлору и М. Голдгаберу за разрешение привести некоторые из полученных ими фотографий. Я также благодарю М. Олифанта и П. Ди за помощь в подготовке иллюстраций и исправление ошибок. Февраль 1937 г. Резерфорд. В этой лекции я намерен вкратце изложить современные исследования в области превращения элементов. Название лекции должно оттенить контраст между этими исследованиями и старинной алхимией, которая в течение почти двух тысячелетий с такой исключительной силой привлекала к себе человеческие умы. Вера в возможность превращения вещества возникла еще в начале нашей эры. Поиски философского камня, с помощью которого можно было бы превращать одни элементы в другие и особенно извлекать золото и серебро из обычных металлов, неустанно продолжались на протяжении всего средневековья. Распространение этой идеи в течение ряда столетий в значительной мере связано с философской концепцией природы вещей, опиравшейся на авторитет Аристотеля. Согласно этой концепции, предполагалось, что все тела состоят из одной и той же первичной субстанции, и четыре основных элемента — земля, воздух, огонь и вода — отличаются друг от друга лишь тем, что в различной степени обладают качествами холода, теплоты, сухости и влажности. Путем усиления или ослабления одного из этих качеств свойства вещества могут быть изменены. Алхимикам, впитавшим эти воззрения, казалось очевидным, что одно 263 вещество может быть превращено в другое, надо только найти надлежащий метод такого превращения. В эпоху зарождения химии, когда природа химических соединений была мало понятна, заметное изменение внешнего вида и свойств вещества при химической реакции служило подтверждением подобных воззрений. Время от времени появлялись люди, утверждающие, что они открыли великую тайну, однако есть все основания полагать, что ни одной крупинки золота таким путем никогда не было получено. Когда мы оглядываемся назад с вершины сегодняшних наших знаний, то становится ясно, что при тех чрезвычайно ограниченных возможностях, какими располагали экспериментаторы того времени, превращение элементов было безнадежной затеей. По мере развития экспериментальной техники и непрерывного роста знаний в области химии идея о превращении элементов постепенно отбрасывалась и теряла свое влияние на прогресс науки. Однако в умах широкой публики старинные идеи алхимии укрепились прочнее, и даже по сию пору находятся шарлатаны или жертвы самообмана, претендующие на обладание рецептами изготовления значительных количеств золота путем превращения. Эти шарлатаны нередко столь убедительно пользуются научным жаргоном, что иной раз тревожат сон самых трезвых финансистов. Мы увидим далее, что в настоящее время с помощью современных методов можно искусственно произвести чрезвычайно ничтожные количества золота, да и то лишь путем превращения еще более дорогостоящего элемента — платины. С ростом знаний в области химии старые идеи о превращении элементов теряли под собой почву. Было установлено, что вещество может быть разложено на 80 и более элементов, атомы которых казались неизменными и неразрушаемыми. Обычные физические и химические агенты, находившиеся тогда в нашем распоряжении, казались бессильными каким бы то ни было образом изменить атомы элементов. Идее неизменности атомов был нанесен сильный удар, когда в 1902 г. было обнаружено, что атомы двух хорошо известных элементов — урана и тория — претерпевают подлинный процесс спонтанного превращения, хотя и идущего с очень малой скоростью. Этот вывод вытекал из открытия радиоактивных свойств этих двух тяжелых элементов, которые самопроизвольно испускают несколько типов проникающего излучения, вызывающего почернение фотографической пластинки и разряд наэлектризованных тел. Эти радиоактивные свойства служат признаком неустойчивости атомов. Время от времени какой-нибудь атом самопроизвольно взрывается, выбрасывая из себя с огромной силой быструю α- или β-частицу; α-частица представляет собой заряженный атом гелия с массой 4, выбрасываемый со скоростью около 10 000 км/сек; β-частица — это лишь другое название легкой, заряженной отрицательно частицы — электрона; она обычно испускается со скоростью, во много раз большей. Иногда процесс превращения сопровождается проникающим излучением типа рентгеновских лучей, известным под названием γ-излучения. 264 Радиоактивные превращения Если мы возьмем 1 г элемента урана, то в 1 сек в нем распадается около 24000 атомов, каждый из которых выбрасывает α-частицу. Однако число атомов в 1 г настолько велико, что для превращения половины всех атомов требуется около 4500 млн. лет. В результате испускания α-частицы с массой 4 из атома урана с атомным весом 238 образуется новый атом с атомным весом 234. Атомы этого нового элемента очень неустойчивы и быстро распадаются, причем каждый атом испускает быструю β-частицу. Раз начавшись, этот процесс превращения проходит ряд последовательных стадий, при которых из одного неустойчивого атома образуется другой. Хорошо известный элемент радий происходит от урана и является пятым продуктом в ряду его превращений. Активность радиоактивного вещества, измеряемая интенсивностью испускаемого им излучения, с течением времени спадает по закону геометрической прогрессии. Если активность сокращается наполовину за время Т, называемое периодом полураспада, то за время 2Т она уменьшится до 1/4 своей первоначальной величины, за время 3Т — до 1/8 и т. д. Можно легко подсчитать, что по истечении времени 20Т активность будет составлять менее одной миллионной своей первоначальной величины. Этот закон распада — универсальный закон для всех радиоактивных веществ, но период полураспада Т для каждого радиоактивного вещества имеет свое характеристическое значение, изменяющееся для разных веществ в чрезвычайно широких пределах. Например, период полураспада урана равен 4500 млн. лет, радия — 1600 лет, а для одного из продуктов распада радия, известного под названием радия С', он составляет всего лишь миллионную долю секунды. Этот закон распада выражает тот факт, что количество атомов, распадающихся за единицу времени, в среднем всегда пропорционально числу атомов, оставшихся на данный момент неизменными. Такого соотношения и следовало ожидать, если предположить, что распад отдельных атомов происходит по вероятностным законам. Поразительная цепь превращений урана изображена на рис. 1, где кружками обозначены ядра последовательно образующихся атомов. Для каждого вещества приведен период полураспада и указана природа испускаемых им частиц (α- или β-частицы). Описание методов, с помощью которых была однозначно установлена эта последовательность превращений, заняло бы слишком много времени; однако необходимо обратить внимание на исключительную простоту соотношений, связывающих между собой все члены ряда превращений. Теперь мы знаем, что химические свойства элемента определяются его атомным номером, который также соответствует числу естественных единиц заряда в атомном ядре. Поскольку электричество имеет атомную структуру, то заряд ядра всегда выражается целым числом, изменяющимся от 1 для ядра легчайшего элемента—водорода до 92 для ядра самого тяжелого элемента — урана. Внутри каждого кружка на рис. 1 указан атомный номер ядра и его 265 атомный вес, выраженный через атомный вес кислорода, который принят равным 16. Рис. 1. Ряд превращений урана. Верхняя цифра в каждом кружке означает атомный вес, нижняя — порядковый номер элемента и заряд ядра. Длина жирной стрелки показывает относительную длину пробега α-частиц. Освобождающиеся при превращении α- или β-частицы вылетают из самого ядра атома. Таким образом, выбрасывание α-частицы, несущей две положительные единицы заряда и обладающей массой 4, понижает атомный номер ядра на две единицы и его массу на четыре единицы. С другой стороны, при испускании β-частицы, несущей единичный отрицательный заряд, общий заряд ядра увеличивается на единицу. Так как β-частица обладает очень малой массой, то при вылете ее масса атома в первом приближении не меняется. Эти простые соображения, основанные на рассмотрении природы испускаемого излучения, удовлетворительно объясняют атомные номера и массы всех элементов в длинной цепи превращений. Сейчас твердо установлено, что масса и энергия эквивалентны. Зная точную массу α-частицы (ядра гелия) и максимальную кинетическую энергию выбрасываемой α- или β-частицы, можно точно вычислить атомные веса всех атомов ряда, если только известен атомный вес урана. Конечный продукт ряда, не обнаруживающий никаких следов активности, имеет тот же атомный номер, что и свинец, но его атомный вес равен 206 в отличие от атомного веса обычного свинца 207,2. В настоящее время хорошо известно, что большинство элементов представляет собой смесь нескольких изотопов, т. е. атомов с одинаковым зарядом, но с различными массами. Астон показал, что обычный свинец состоит по крайней мере из трех изотопов с атомными весами 206, 207 и 208, из которых преобладает изотоп с атомным весом 206. Таким образом, конечный продукт ряда урана, обычно называемый урановым свинцом,— это один из изотопов обычного свинца (изотоп 206). Свинец, выделенный из старого уранового минерала, состоит главным образом из этого изотопа 206. Отметим также, что в ряду урана встречаются два радиоактивных изотопа 266 свинца с атомными номерками 82 — радий В с атомным весом 214 и радий D с атомным весом 210. Необходимо упомянуть, что подобная же длинная цепь последовательных превращений обнаружена у элементов тория и актиния. Конечный продукт ряда тория — снова изотоп свинца, но с атомным весом 208, а не 206, как у уранового свинца. Свинец, извлеченный из чисто ториевого минерала, состоит главным образом из изотопа с атомным весом 208. Конечный продукт актиниевого ряда превращений также представляет собой изотоп свинца, но с атомным весом 207. Знаменательно, что конечные продукты всех трех рядов превращений — это три изотопа свинца, но с различными атомными весами. Поразительные изменения химических и физических свойств элементов при радиоактивных превращениях хорошо иллюстрируются на примере превращения радия. Радий в чистом виде представляет собой металл, по своим химическим свойствам напоминающий барий. Он распадается, испуская α-частицы, с периодом полураспада 1600 лет, и превращается в тяжелый радиоактивный газ, называемый теперь радоном. Этот газ химически инертен и в этом отношении принадлежит к хорошо известной группе инертных газов, куда относятся, в частности, гелий, неон и аргон. Атомы эманации весьма неустойчивы по сравнению с атомами радия: половина их распадается за 3,8 дня. Интенсивная радиоактивность этого таза может быть продемонстрирована простым опытом. Ничтожное количество этого газа, объемом менее 0,1 мм3 при нормальном давлении, впускается в откачанный стеклянный сосуд, стенки которого изнутри покрыты слоем фосфоресцирующего сернистого цинка. Тотчас же сосуд начинает ярко светиться вследствие интенсивной бомбардировки сернистого цинка огромным количеством α-частиц, выбрасываемых эманацией при ее распаде. Следует иметь в виду, что энергия, освобождающаяся при превращении одного атома, главным образом в форме кинетической энергии α- и β -частиц, огромна по сравнению с энергией, выделяемой на один атом в наиболее сильных взрывчатых веществах. Если поместить 1 г чистой радиевой соли в закрытую стеклянную трубочку, то α-частицы, выбрасываемые радием и продуктами его распада, будут поглощаться либо радиевой солью, либо стеклянными стенками, и их энергия движения в конечном счете превратится в тепло in situ. Некоторые наиболее быстрые β-частицы и большая часть γ-лучей будут проходить через стеклянные стенки. Благодаря выделению тепла, трубочка с радием всегда оказывается на несколько градусов теплее окружающей среды. Излучение тепла со временем будет медленно ослабевать и сократится наполовину через 1600 лет. При прохождении через вещество α-частицы теряют свою скорость, а в конце концов и заряд, превращаясь в обычные атомы гелия. Полученный таким путем гелий может быть выделен при растворении или нагревании радиевой соли. Громадные количества излучаемого радиоактивным веществом тепла лучше всего могут быть иллюстрированы на примере более быстро распадающихся веществ, например эманации радия с периодом полураспада 3,8 дня. Как видно из 267 рис. 1, эманация, распадаясь с испусканием α-частицы, порождает четыре быстро изменяющихся продукта — радий А, радий В, радий С и радий С', два из которых испускают α-частицы, а два — β-частицы. Через несколько часов после введения эманации в запаянную трубку между нею и ее четырьмя короткоживущими продуктами распада устанавливается своего рода равновесие, когда активность продуктов распада определяется распадом эманации. Через 1—2 месяца практически вся эманация превращается в радий D. Период полураспада последнего (25 лет) настолько велик по сравнению с периодами продуктов его разложения — радия Е и радия F, что окончательный распад этих продуктов определяется периодом полураспада радия D. Представим себе, что нам удалось получить значительное количество, скажем килограмм, эманации радия и поместить его в бомбу из жароупорного материала. Примерно через 2 час количество выделяемого в единицу времени тепла будет соответствовать мощности 20000 квт, и, если не предусмотреть весьма эффективного охлаждения, бомба расплавится. Этот тепловой эффект будет ослабевать с той же скоростью, с какой идет распад эманации, и уменьшится наполовину через 3,8 дня. Примерно через 2 месяца большая часть эманации исчезнет и бомба окажется Наполненной газом гелием, получившимся из α-частиц с объемом, превышающим втрое первоначальный объем эманации, тогда как стенки сосуда будут покрыты слоем осадка из 946 г радия D, который представляет собой медленно распадающийся радиоактивный изотоп свинца с атомным весом 210. Если бы мы могли продолжать эксперимент еще 200 лет, то к концу этого времени обнаружили бы, что радий D почти целиком исчез, а на его месте появился неактивный изотоп свинца — урановый свинец с атомным весом 206. В результате выбрасывания α-частиц из радия F объем гелия увеличился бы в 4/3 раза. Интересно отметить, что последний радиоактивный элемент ряда, радий F, известный обычно под названием полония, был первым радиоактивным элементом, выделенным из урановых минералов Марией Кюри в 1897 г. Хотя можно уверенно предсказать последствия такого эксперимента, мы совершенно лишены возможности осуществить его на практике, ибо чтобы получить 1 кг эманации, потребовалось бы 200 т радия, а все количество добытого до сих пор радия составляет, вероятно, менее 1 кг. Однако нам следует лишь благодарить это обстоятельство, ибо при проведении эксперимента такого масштаба исходящее из бомбы интенсивное излучение энергии в форме проникающих γ-лучей, эквивалентное мощности в 1000 квт, безусловно, оказалось бы опасным для здоровья находящихся поблизости людей. Тем не менее я полагаю, что такой воображаемый эксперимент поможет получить представление о гигантских размерах излучения энергии при радиоактивных изменениях, а также о поразительной природе превращений. в результате которых эманация в конце концов превращается в гелии и урановый свинец. Эти радиоактивные превращения происходят спонтанно и 268 не поддаются внешним воздействиям. На этот естественный процесс ни в малейшей степени не влияют ни сильный жар, ни чрезвычайный холод. Мы можем лишь наблюдать и изучать эти поразительные превращения, не будучи в состоянии как-то повлиять на них. Радиоактивные свойства проявляются заметным образом в двух наиболее тяжелых элементах — уране и тории — и лишь в очень слабой степени в немногих других элементах. Большинство элементов обычно не обнаруживает никаких признаков радиоактивности, так что можно с полным правом заключить, что атомы этих элементов в обычных на нашей Земле условиях неизменно устойчивы. За последние несколько лет были найдены способы не только искусственного превращения одного элемента в другой, но и получения множества новых радиоактивных веществ, распадающихся по тем же законам, что и естественные радиоактивные вещества. Эти познания — результат интенсивных исследований, длившихся многие годы, и развития новых, мощных методов наступления на эту наиболее фундаментальную проблему физики. Элементарные частицы Изучение радиоактивных превращений привело нас к открытию быстрых α- и β-частиц как возможных составных частей тяжелого атомного ядра. При дальнейших исследованиях обычных элементов было обнаружено существование еще нескольких типов элементарных частиц, высвобождающихся при взрыве атомных ядер. Наиболее важными из этих вновь открытых частиц являются протон, нейтрон, дейтрон и положительный электрон. Протоном названо ядро водорода с зарядом 1 и массой 1,0076. Нейтрон представляет собой незаряженную частицу с массой, несколько превышающей массу протона, т. е. 1,0090. По современным представлениям эти две частицы —протон и нейтрон — тесно связаны друг с другом. Полагают, что под действием интенсивных сил, существующих внутри атомного ядра, нейтрон может быть превращен в протон путем отнятия у него отрицательного электрона, и, наоборот, протон может быть превращен в нейтрон путем прибавления отрицательного электрона. Хотя мы пока не располагаем прямыми доказательствами подобных взаимных превращений, общие данные, безусловно, говорят в пользу представлений о наличии определенной связи между этими двумя частицами. Естественно предположить, что нейтрон представляет собой тесную комбинацию протона и электрона, хотя до настоящего времени объяснение разницы в массах этих частиц наталкивается на серьезные трудности. Альфа-частица представляет собой ядро гелия с зарядом 2 и массой 4,0029. Открытие, которое недавно сделал Юри, что изотоп водорода с массой 2 всегда присутствует в небольшой пропорции в обычном водороде, оказалось очень важным как для физики, так и для химии. Подвергая обыкновенную воду многократному электролизу, можно получить чистую тяжелую воду, в которой атом водорода с массой 1 заменен своим изотопом с 269 массой 2. Такая вода приблизительно на 11% тяжелее обычной и имеет иные точки кипения и замерзания. Тяжелый водород с массой 2 был назван дейтерием и получил химический символ D. При пропускании электрического разряда через тяжелый водород некоторые атомы его теряют отрицательный электрон и становятся положительно заряженными ионами. Эти ионы называют «дейтронами», тогда как ионы обычного водорода, как мы видели, называются «протонами». Эти два иона желательно называть поразному, так как они часто применяются в качестве быстрых частиц для бомбардировки вещества. Мы увидим далее, что быстрые протоны и дейтроны наряду с α-частицами и нейтронами оказались чрезвычайно эффективными агентами для превращения многих элементов. Существуют непосредственные экспериментальные доказательства того, что дейтрон, как этого и можно было ожидать, представляет собой плотное соединение протона с нейтроном. При некоторых превращениях появляется также положительный электрон — антипод отрицательного электрона малой массы. Эта неуловимая частица впервые была открыта несколько лет назад Андерсоном при экспериментах с космическими лучами. Теперь мы можем в лабораторных условиях получать положительные электроны в небольших количествах, пропуская через вещество γ-излучение высокой квантовой энергии. Кроме того, некоторые легкие элементы выбрасывают положительные электроны с большой скоростью при бомбардировке их α-частицами. Положительному электрону было присвоено название «позитрон»; считают, что он обладает той же незначительной массой, что и обычный отрицательный электрон, и равным, но противоположным по знаку зарядом. При некоторых превращениях образуются еще два легких элемента, или, вернее, два новых изотопа водорода и гелия: Н3 и Не3. Оба изотопа, повидимому, устойчивы, но ни один из них до сих пор не удалось обнаружить в обычных веществах. Первоначально предполагалось, что Н3 присутствует в препаратах тяжелой воды, но последующие наблюдения этого не подтвердили. Обнаружение быстрых частиц Мы видели, что все виды излучения радиоактивных веществ обладают характерными свойствами разряжать наэлектризованное тело. Это свойство объясняется способностью движущихся α- и β-частиц при прохождении через га л образовывать множество положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов. Первичный акт ионизации заключается в отрыве от атома или молекулы одного из внешних электронов в результате соударения с быстрой частицей. Ионы движутся через газ в электрическом поле, причем положительные ионы идут к отрицательному электроду, и наоборот. Движение этих двух сортов ионов в противоположных направлениях эквивалентно прохождению электрического тока через газ. В начальный период исследования радиоактивности действие различных типов излучения изучалось и сравнивалось с помощью такого 270 электрического метода, причем измерительным прибором служил электроскоп или электрометр. Этот электрический метод представляет собой очень удобное средство для обнаружения ничтожных количеств радиоактивного вещества и еще поныне широко применяется в тех случаях, когда можно ожидать легко измеримый эффект. Быстрый прогресс за последние годы наших знаний о превращениях элементов в значительной мере обусловлен открытием чувствительных методов обнаружения и подсчета отдельных частиц, движущихся с большими скоростями, например протонов или α- и β-частиц. Все эти методы основаны в конечном счете на явлении ионизации газа пролетающими через него быстрыми частицами. Рис. 2. Камера Вильсона. Легкий поршень внезапно опускается посредством понижения давления под ним. Газ А в пространстве над поршнем расширяется, охлаждаясь при этом настолько, что содержащийся в нем пар становится пересыщенным. Этот пар конденсируется в виде маленьких капелек на присутствующих в газе заряженных частицах (ионах). Камера освещается через стеклянную стенку, и образующиеся капли фотографируются в рассеянном ими свете, попадающем в расположенные сверху два фотоаппарата. А — пространство, содержащее газ, насыщенный водяным паром; В — давление в этом пространстве внезапно понижается посредством открытия клапана. Метод расширения. Самый замечательный из этих методов изобретен Ч.Т.Р. Вильсоном. Он основан на том наблюдении, что образующиеся при движении быстрой частицы ионы при определенных условиях могут стать центрами, около которых происходит конденсация водяных паров. При этом 271 вокруг каждого иона образуется видимая капелька воды. Так как быстрая α-частица при своем прохождении сквозь газ образует более 100 000 пар положительных и отрицательных ионов, то истинный путь пролетающей частицы становится видимым как полоска теснящихся друг за другом водяных капелек. Стереоскопические фотографии следов, заснятые тотчас после расширения, отчетливо показывают положение траекторий частиц в пространстве. Прибор, применяемый для этой цели, называется камерой Вильсона. Типичная схема такой камеры, а также пояснение принципа ее работы приведены на рис. 2. Камера имеет цилиндрическую форму; пространство А насыщено водяными парами. Предположим, например, что через газ в момент расширения проходит α-частица. Тогда, если степень расширения подобрана надлежащим образом, каждый ион, образующийся на пути α-частицы, становится центром конденсации, и путь частицы отчетливо виден. Рис. 3. Следы α-частиц, испускаемых торием (С + С'), разделяющиеся на две группы с пробегами 8,6 и 4,8 см в воздухе (фотография Дж.Чадвика) Фотография следов α-частицы, полученная описанным способом, приведена на рис. 3. Источником α-частиц в данном случае служила небольшая металлическая пластинка, активированная путем экспозиции в эманации тория и помещенная в камеру расширения. Поверхность пластинки была покрыта невидимой пленкой активного вещества, содержащего два источника α-лучей — торий С и торий С'. Все α-частицы, испускаемые торием С', имеют одинаковую скорость и длину пробега в воздухе, равную 8,6 см. Следы α-частиц, испущенных торием С, с более коротким пробегом 272 (4,8 см) видны на фотографии вперемежку с преобладающими следами более быстрых α-частиц. Рис. 4. Следы фотоэлектронов с пробегом около 1 см, образованных при абсорбции характеристического K -излучения серебра в воздухе (энергия около 21 000 в) Прямолинейный след принадлежит электрону с гораздо большей энергией и, вероятно, вызван космическими лучами (фотография. Ч. Т. Р. Вильсона). Огромное большинство α-частиц пронизывает газ по прямолинейным траекториям, причем конец следа указывает точку, в которой скорость α-частицы настолько понизилась, что она уже не способна более образовывать ионы. При прохождении β-частицы через газ возникает след, имеющий некоторые характерные отличия от следа более массивной α-частицы. Во-первых, след α-частицы гораздо менее плотен вследствие значительно меньшей ионизации, производимой β-частицей на единице пути. Это ясно видно на фотографии следа β-частицы, приведенной на рис. 4. Прямолинейный путь быстрой β-частицы намечен вереницей капель, настолько далеко отстоящих друг от друга, что их число почти можно сосчитать. Во вторых, легкая β-частица в результате столкновений с атомами чаще отклоняется от прямолинейного пути, чем движущаяся с той же скоростью α-частица. Этим и объясняется извилистый характер следов β-частиц на фотографии. Заметное утолщение в конце следа есть результат 273 увеличения производимой β-частицей ионизации при уменьшении ее скорости. Рис. 5. След фотоэлектрона, образованного при поглощении кванта рентгеновских лучей с энергией 46 000 в. В своем начальном прямолинейном участке след испытывает резкое отклонение в результате тесного сближения электрона с атомным ядром. На снимке отчетливо заметна возрастающая плотность ионизации и искривление пути вследствие столкновений по мере уменьшения скорости частиц к концу следа (фотография Ч. Т. Р. Вильсона). Фотография пути β-частицы, приведенная на рис. 5, интересна тем, что отражает те приключения, которые происходят с β-частицей при прохождении ее через газ. Длинный след, идущий слева, резко загибается почти под прямым углом. Это происходит в результате столкновения β-частицы с тяжелым ядром одного из атомов. Ответвляющиеся от главного пути короткие следы — пути вторичных электронов, вылетающих из атомов в результате соударений с быстрой β-частицей. Скорость и энергия пролетающей β-частицы могут быть непосредственно определены измерением кривизны пути частицы в однородном магнитном поле. Если поле перпендикулярно направлению полета, то β-частица движется по окружности. Если поле достаточно сильное и скорость β-частицы не слишком велика, то след частицы в газе может описать полный круг много раз подряд. Направление отклонения частицы в магнитном поле зависит от знака ее заряда. Если известно направление движения частицы, то этим способом можно сразу определить, принадлежит ли след быстрому положительному или отрицательному электрону. 274 Электрический метод. В ряде экспериментов необходимо бывает сосчитать количество быстрых частиц, попадающих в детектирующую камеру за данный промежуток времени. Проще всего это может быть сделано электрическим методом подсчета. Принцип метода пояснен на рис. 6. Предположим, например, что нужно сосчитать α-частицы. Они направляются в камеру через тонкую металлическую фольгу А и останавливаются, наталкиваясь на параллельную ей изолированную пластинку В. К электродам приложено достаточное напряжение, чтобы быстро переносить к ним ионы, образующиеся между пластинками, находящимися обычно на расстоянии 3–5 мм друг от друга. Каждое попадание α-частицы в камеру вызывает небольшое увеличение потенциала пластинки В, которое автоматически повышается более чем в 100 млн. раз серией специально приспособленных для этой цели усилителей. Мгновенное повышение потенциала на выходе достаточно велико (порядка 100 в), чтобы вызвать значительное отклонение осциллографа, имеющего очень малый собственный период колебаний — меньше 0,001 сек. Рис. 6. Счетчик с одной камерой Фотографическая запись отклонений осциллографа, вызванных попаданием в камеру α-частиц, показана на рис. 7. Каждая вертикальная линия отображает усиленное электрическое действие одной α-частицы, а непрерывная горизонтальная линия — естественное движение ленты осциллографа при отсутствии попаданий α-частиц в камеру. С помощью быстро движущейся фотографической ленты можно зарегистрировать отдельные частицы, даже если в 1 мин влетает в камеру 1000 частиц. Аналогичным путем могут быть сосчитаны также быстрые протоны и дейтроны. Однако вследствие того, что обе эти частицы несут единичный заряд, а заряд α-частицы равен 2, ионизация, производимая α-частицей, приблизительно в четыре раза больше ионизации, вызванной протоном или дейтроном, обладающими той же скоростью. Поэтому попадающий в камеру протон дает отклонение приблизительно в четыре раза меньше, чем α-частица 275 равной скорости. Полученная таким путем регистрация протонов также показана на рис. 7. Разница в величине импульсов позволяет судить о том, несет ли частица единичный или двойной заряд, и при известных условиях можно легко различить записи протонов и α-частиц. Рис. 7. Осциллограммы ионизующих частиц а — α-частицы; б — протоны; в — нейтронные частицы отдачи. Две верхние фотографии (а,б) получены одинаковых условиях, и различие в величине отклонений связано с разной ионизационной способностью α-частицы и протона. На нижней фотографии (в) показаны отклонения, вызванные гелиевыми атомами отдачи, возникшими в результате столкновения с нейтронами с энергией 2 млн. в. Шкала времени — секунды. Описанный метод электрического счета частиц неприменим к быстрым β-частицам, так как в этом случае ионизация слишком мала, чтобы дать измеримое отклонение. Однако Гейгер придумал другой простой и чувствительный способ подсчета β-частиц, вошедший во всеобщее употребление. Конструкция этого счетчика чрезвычайно проста. Он состоит в основном из полого металлического цилиндра, закрытого с обоих концов изолирующими пробками, сквозь которые по оси проходит проволока или стержень, присоединенный к простой усилительной системе. В цилиндре, наполненном воздухом или другим газом, устанавливается определенное давление, и к нему прикладывается напряжение, почти достаточное для того, чтобы в газе начался разряд. Когда при таких условиях через газ проходит β-частица, производимая ею ионизация во много раз усиливается за счет хорошо известного процесса ионизации ударом, и между проволокой и цилиндром проходит мгновенный разряд. Ток разряда увеличивается усилителями, и β-частицы могут быть подсчитаны так же, как и α-частицы, либо по щелчкам в телефоне, либо с помощью осциллографа. Этот прибор, называемый счетчиком Гейгера—Мюллера, является эффективным средством 276 подсчета быстрых положительных и отрицательных электронов, попадающих в цилиндр через стенки. Поскольку γ-излучение, проходя через стенки цилиндра и наполненное газом пространство, порождает β-лучи, то счетчик Гейгера может служить также чувствительным средством для обнаружения γ-излучения. В тех случаях, когда требуется подсчитать большие количества быстрых частиц, будь то α- или β-частицы или протоны, часто применяется автоматическая система подсчета, при которой число частиц регистрируется автоматическим счетчиком. Остроумные методы автоматического счета частиц разработаны Винн-Вильямсом и широко применяются во многих лабораториях. Так как нейтрон не имеет заряда, то он может свободно проходить сквозь внешнюю оболочку атомов, не образуя при этом ионов. Однако иногда нейтрон сталкивается на своем пути с атомным ядром и приводит его в быстрое движение. Это ядро отдачи способно образовывать ионы в газе до тех пор, пока оно не остановится. Частицы отдачи могут быть обнаружены с помощью методов, применяющихся для обнаружения и подсчета α- и β-частиц. Обычно для этой цели камера счетчика наполняется водородом, гелием или воздухом. В общем случае не более одного нейтрона из 5000, попадающих в счетчик, производят измеримый импульс в осциллографе. Регистрация нейтронных частиц отдачи в гелии приведена на рис. 7. В дальнейшем мы увидим, что для очень медленных нейтронов разработан ряд эффективных методов, основанных на способности таких нейтронов вызывать превращения некоторых элементов, в частности лития и бора. Превращение элементов под действием α-частиц После того как ряды естественных превращений урана и тория были изучены, естественно было надеяться, что когда-нибудь удастся найти методы разрушения устойчивых атомов некоторых обычных элементов. Чтобы приступить к штурму этой проблемы с какими-то шансами на успех, необходимо было получить некоторое представление о строении атома различных элементов. Теперь мы считаем, что атомы всех элементов построены по одному типу и тесно связаны между собой определенными соотношениями. В центре каждого атома помещается чрезвычайно маленькое ядро, имеющее избыточный положительный заряд. В этом ядре сосредоточена большая часть массы атома. Заряд ядра меняется на единицу при переходе от одного элемента к следующему и, как мы уже видели, равен для водорода и 92 для урана. Вокруг ядра на некотором расстоянии от него расположены легкие отрицательные электроны, число которых равно заряду ядра. Заряд ядра данного элемента определяет число и распределение внешних электронов, так что свойства атома, как это впервые показал Мозли, определяются целым числом. Почти всем целым числам от 1 до 92 соответствуют известные нам элементы. 277 Некоторые из внешних, или планетарных, электронов могут быть легко отделены от атома посредством электрического разряда или другими способами, но через короткое время их место занимают другие электроны, и атом возвращается в прежнее состояние. Чтобы осуществить устойчивое превращение атома, надо изменить либо заряд ядра, либо его массу, либо и то и другое одновременно. Между тем атомное ядро сдерживается чрезвычайно мощными силами, поэтому с самого начала было ясно, что для расщепления ядра необходимо воздействовать на него весьма концентрированными источниками энергии. Рис. 8. Орбиты α-частиц, пролетающих вблизи тяжелого ядра Из всех известных науке 20 лет назад частиц наибольшей энергией обладали быстрые α-частицы, спонтанно выбрасываемые радием и другими радиоактивными веществами. Скорость и энергия этих частиц настолько велики, что они могут проникать глубоко в недра атома, и, наблюдая за их отклонением или рассеянием, можно получить ценные сведения о природе и интенсивности отклоняющего поля внутри атома. И в самом деле, нынешние представления о ядерном строении атомов появились в результате изучения рассеяния α-частиц под большими углами при их прохождении через вещество. Рассмотрим, например, путь α-частицы, проходящей в непосредственной близости от ядра тяжелого атома. Так как α-частица несет 2 единицы положительного заряда и само ядро имеет большой положительный заряд, то между ядром и α-частицей появляются силы отталкивания, значительно возрастающие вблизи ядра. Поэтому α-частица описывает криволинейный путь около ядра, и если силы взаимодействия подчиняются закону Кулона, то этот путь имеет вид параболы, асимптоты которой совпадают с направлением приближения и удаления α-частицы. В результате одного столкновения с ядром α-частица может претерпевать значительное отклонение. Орбиты α-частиц, пролетающих на различном расстоянии от центра ядра, изображены на рис. 8, где относительные размеры 278 тяжелого ядра показаны черным кружком. Летящая прямо к центру α-частица на некотором расстоянии от него поворачивает назад; это минимальное расстояние (b), на которое α-частица может приблизиться к данному ядру, показано на рис. 8 очерченным вокруг ядра кругом. Чем ближе к центру ядра проходит направление удара α-частицы, тем больше угол ее рассеяния. Измерение количества α-частиц, рассеянных под различными углами при прохождении через вещество, дало результаты, полностью согласующиеся с вычислениями, основанными на этих предположениях. Доля α-частиц, рассеянных под данным углом, зависит от квадрата заряда и быстро возрастает при понижении скорости α-частицы. Нужно иметь в виду, что площадь мишени, которую представляет собой ядро, настолько мала, что α-частицы редко проходят достаточно близко к ядру, чтобы претерпеть значительное отклонение. Рис. 9. Траектории α-частиц в кислороде, на одной из которых видна вилка, обусловленная столкновением с ядром кислорода. Короткая ветвь образована кислородным ядром отдачи, а длинная — отклоненной α-частицей. Измерение углов отклонения показало, что при столкновении сохраняются и импульс и энергия. 279 Пример такого сильного отклонения α-частицы при прохождении через кислород показан на рис. 9. При столкновении α-частица отклонилась влево, а след ядра отдачи виден справа. До сих пор мы рассматривали лишь «упругие» отклонения, подчиняющиеся законам механики. Действительно, в подобных случаях сталкивающиеся ядра ведут себя подобно крошечным идеально упругим биллиардным шарам. Никакого превращения элементов здесь не происходит. Ясно, однако, что в случае «лобового» соударения быстрой α-частицы с легким ядром, несущим небольшой заряд, силы отталкивания будут относительно малы и могут позволить α-частице подойти очень близко к ядру, а может быть, даже проникнуть в него. В этом последнем случае вся структура ядра была бы сильнейшим образом нарушена, что могло бы привести к его распаду. Исходя из этих соображений, атомы нескольких легких элементов были подвергнуты бомбардировке очень большим количеством α-частиц. Выполнив эти опыты, я в 1919 г. получил экспериментальные доказательства того, что небольшое число атомов азота при бомбардировке распалось, испустив быстрые ядра водорода, известные теперь под названием протонов. В свете позднейших исследований общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени α-частица действительно проникает в ядро азота, образуя на одно мгновение новое ядро типа ядра фтора а массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17. Фазы этого процесса превращения показаны ниже в виде соотношения, напоминающего химическое уравнение. Левая часть уравнения содержит вступающие в реакцию элементы, а правая часть — конечные продукты превращения. Два числа у каждого символа обозначают массу и заряд ядер данного элемента Как видно из уравнения, общий заряд ядер при превращении сохраняется,, как и их масса, если только учесть эквивалентность массы и энергии. С этой целью в правую часть уравнения вводится символ Е, который обозначает массу, эквивалентную сумме кинетических энергий протона и ядра кислорода за вычетом первоначальной энергии α-частицы; 14 4 18 17 1 7N + 2He → 9F → 8O + 1H + E. Превращение происходит в ничтожных масштабах, ибо всего лишь одна α-частица из 50 000 приближается к ядру достаточно близко, чтобы быть им захваченной. Фотографируя следы нескольких сотен тысяч α-частиц в наполненной азотом камере Вильсона, Блэкетт наблюдал несколько отчетливых случаев превращения ядра азота. Одна из таких фотографий приведена вместе с пояснительной схемой на рис. 10. На снимке отчетливо виден обратный путь протона с большим пробегом и короткий след ядра отдачи. Превращение аналогичного типа происходит с целым рядом легких элементов при бомбардировке их α-частицами, причем во многих случаях высвобождается быстрый протон. В течение последних нескольких лет механизм этих превращений тщательно изучался и в результате получены 280 важные данные. Оказалось, что испускаемые протоны состоят из двух или большего числа групп, каждая из которых обладает определенной скоростью. Различная энергия протонов этих групп, по-видимому, результат излучения энергии из взрывающихся ядер в форме γ -излучения». Имеются также явные доказательства наличия в ядре определенных уровней энергии, или «резонансных» уровней, что приводит к избирательному захвату α-частиц определенной скорости. Рис. 10. Расщепление азота α-частицами. Из большого числа проходящих через азот α-частиц одна частица осуществила превращение ядра азота в ядро О17 с испусканием обладающего большой энергией протона (7N14 + 2He4 → 8O17 + 1H1) (фотография П. Блэкетта). Открытие нейтронов Мы уже видели, что протон есть продукт превращения ряда легких элементов при их бомбардировке α-частицами. При более детальном изучении этих превращений была обнаружена еще одна частица, значение которой очень велико. При бомбардировке α-частицами легкого элемента бериллия с массой 9 протоны не образуются, но Боте обнаружил, что при этом излучается радиация с проникающей способностью, превышающей даже максимальную проникающую способность радиевых γ-лучей. Супруги КюриЖолио обнаружили некоторые специфические особенности поглощения этого вида излучения. Наконец, Чадвик в 1932 г. показал, что главная часть этого излучения вовсе не принадлежит к типу γ-лучей, а состоит из потока быстрых незаряженных частиц с массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эти частицы, названные нейтронами, обладают весьма своеобразными свойствами, так как благодаря отсутствию заряда нейтрон свободно проходит через атомы и не производит ионизации на своем пути. Механизм превращения, при котором образуется нейтрон, •состоит, повидимому, в следующем: время от времени α-частица захватывается ядром бериллия с массой 9, на мгновение образуя ядро С13 с большим избытком энергии. Это ядро немедленно распадается на устойчивое ядро С12 и нейтрон, причем избыточная энергия реакции выделяется в форме кинетической энергии двух частиц — конечных продуктов реакции. Весьма удобный и постоянный источник нейтронов можно получить, смешав в запаянной 281 трубочке около 100 мг чистой радиевой соли с порошком бериллия. В результате бомбардировки бериллия α-частицами за 1 сек получается около полумиллиона нейтронов, большинство которых проходит сквозь стенки трубки. Интенсивные источники нейтронов можно также получить, применяя вместо радиевой соли эманацию радия. В этом случае испускание нейтронов ослабевает со временем с такой же скоростью, как и распад эманации. Возможность существования нейтронов как составных частей атомного ядра обсуждалась еще задолго до их экспериментального открытия. Небезынтересно процитировать заявление, сделанное мною по этому вопросу в Бейкерианской лекции, прочитанной перед Британским Королевским обществом в 1920 г.: «Если это предположение верно, то кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать также два Н-ядра, а может быть, и одно Н-ядро. Тогда в первом случае возможно существование атома с массой, примерно равной 2, и одним зарядом, которые нужно рассматривать как изотоп водорода. В другом случае предполагается возможность существования атома с массой 1 и нулевым зарядом ядра. Подобная атомная структура представляется вполне возможной. С современной точки зрения нейтральный атом водорода следует рассматривать как ядро с единичным зарядом, к которому на некотором расстоянии присоединен электрон и спектр- водорода объясняется движением этого удаленного электрона. При определенных условиях электрон может быть связан с Н-ядром намного сильнее, образуя нечто вроде нейтрального дублета. Такой атом обладал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду, за исключением области, прилегающей непосредственно к ядру, благодаря чему он мог бы свободно проходить через вещество. Присутствие таких атомов было бы, вероятно, трудно обнаружить с помощью спектроскопа, и их невозможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде. С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединяться с ядром, либо распасться под действием интенсивного поля, результатом чего будет, вероятно, испускание Н-атома или электрона или же обоих вместе». Вначале предполагалось, что нейтроны могут быть получены при пропускании электрического разряда через водород. Поставленные в этом направлении эксперименты дали отрицательные результаты. Теперь представляется очевидным, что с помощью обычных напряжений таким путем нейтроны получить нельзя. Чадвик и я много лет назад ставили также опыты с целью установить, образуются ли нейтроны при бомбардировке алюминия быстрыми α-частицами, но получили отрицательные результаты. Никто не мог предвидеть тех условий, при которых эта замечательная частица была в конце концов открыта. Мы видели, что присутствие нейтрона можно обнаружить в том случае, если на своем пути он испытывает упругое столкновение с ядром. Например, при прохождении нейтрона через водород иногда происходит лобовое 282 соударение его с Н-ядром. При этом энергия нейтрона передается ядру, которое приходит в движение со скоростью, равной скорости налетающего нейтрона. При скользящем ударе ядру передается лишь часть энергии нейтрона. Рис. 11. Следы протонов отдачи, возникающие при обстреле метана нейтронами с энергией в 2,4 млн. в. Источник нейтронов помещался в S, где мишень из тяжелого водорода бомбардировалась ускоренными дейтронами (1H2+1H2→0n1 + 3Не3) (фотография П. Ди и Ч. Гильберта). На рис. 11 приведена фотография нейтронных частиц отдачи в метане, полученная Ди и Гильбертом в камере Вильсона. При пропускании потока быстрых нейтронов через водород или водородсодержащие вещества, например воду или парафин, многие нейтроны быстро затормаживаются этими столкновениями, пока, наконец, их энергия не становится сравнимой с энергией теплового движения окружающих молекул. Этот способ получения очень медленных нейтронов оказался весьма полезным при многих экспериментах. Такие медленные нейтроны проходят с незначительным поглощением через толстые слои многих веществ, например железа и свинца, но сильно поглощаются определенными элементами, в частности бором, кадмием и гадолинием. Поглощение нейтронов гадолинием настолько велико, что слой этого вещества толщиной всего в долю миллиметра поглощает практически все медленные нейтроны. Такое сильное поглощение медленных нейтронов некоторыми элементами, несомненно, есть следствие захватывания их ядрами элементов, в результате чего последние претерпевают превращение. Иногда захват нейтрона ядром придает ему такую неустойчивость, что оно распадается на части. В других случаях этот 283 захват может превратить один изотоп в другой с массой на единицу больше либо образовать неустойчивый или радиоактивный изотоп, распадающийся с испусканием положительного или отрицательного электрона. Как показали Фезер, Харкинс, а также Ферми с сотрудниками, нейтроны представляют собой чрезвычайно эффективное средство превращения элементов. Благодаря отсутствию заряда медленные нейтроны могут свободно проникать в тяжелые ядра, тогда как заряженным частицам необходима большая энергия движения, чтобы вплотную приблизиться к тяжелому ядру вопреки действию сил отталкивания его электрического поля. Рис. 12. Следы частиц на фотографической эмульсии. Фотопластинка, пропитанная бором, облучалась медленными нейтронами. Продукты расщепления бора, происходившего согласно приведенным уравнениям, дали следы в виде цепочки из отдельных почерневших зерен эмульсии (фотография Г. Тейлора и М. Голдхабера) . Действенность нейтрона как средства преобразования атомов я проиллюстрирую на примере легких элементов лития и бора. Тейлор и Голдхабер недавно разработали фотографический метод изучения нейтронных превращений некоторых элементов. Специальная фотопластинка пропитывается раствором соединения, содержащего литий или бор, и облучается в течение нескольких дней источником медленных нейтронов. После проявления пластинки следы быстрых частиц можно отчетливо видеть и рассмотреть в микроскоп с большим увеличением. При облучении лития его изотоп с массой 6 захватывает нейтрон, а затем расщепляется на α-частицу (Не4) и изотоп водорода с массой 3 (Н3). Применяя микроскоп с большим увеличением, можно отчетливо видеть на пластинке следы этих двух частиц, выбрасываемых в противоположных направлениях. Наблюдаются два типа превращения бора; в одном случае изотоп бора с 284 массой 10 захватывает нейтрон, а затем распадается на ядро лития с массой 7 и α-частицу (Не4); в другом случае неустойчивое ядро расщепляется на две α-частицы и ядро Н3. Фотографии следов, полученные таким способом, приведены на рис. 12. Ясно видны три следа, расходящиеся из одной точки, причем самый длинный из них принадлежит ядру Н3 с единичным зарядом. Эти хорошо заметные превращения лития и бора медленными нейтронами оказались весьма полезным средством обнаружения и подсчета медленных нейтронов. В одних случаях детектирующая камера наполняется газообразным фтористым бором, а в других стенки камеры покрываются соединениями бора в лития. Получение радиоактивных веществ Теперь мы переходим к очень важному открытию, сделанному супругами Кюри-Жолио в 1933 г. Они обнаружили, что при бомбардировке некоторых легких элементов α-частицами образуются радиоактивные элементы, распадающиеся по тем же законам, что и естественные радиоактивные вещества, но испускающие в процессе распада не α- или β-частицы, а быстрые положительные электроны. В качестве иллюстрации приведем один единственный пример. Если подвергнуть бор в течение некоторого времени бомбардировке α-частицами, а затем исследовать его, то он окажется радиоактивным, т. е. испускающим поток позитронов. Активность его спадает со временем по геометрической прогрессии, убывая наполовину за 11 мин. Природа превращения и его фазы таковы: В10 + Не4 → N14 → N13 + нейтрон. Благодаря избытку энергии ядро N14 очень неустойчиво и мгновенно разрушается, превращаясь в более устойчивое ядро N13. Последнее затем медленно превращается в устойчивое ядро С13, испуская позитрон е+: N13 → C13+ε+ Получение этого «радиоазота» подтверждается тем фактом, что, будучи собран, он ведет себя как радиоактивный газ с химическими свойствами азота. Интересно отметить, что тот же радиоактивный газ может быть получен совершенно иным способом. Если бомбардировать углерод быстрыми протонами, то происходит следующая реакция: С12 + Н1 → N13. Полученный таким путем радиоазот N13 по своим радиоактивным и химическим свойствам идентичен газу, образующемуся при бомбардировке бора α-частицами. Подобным же образом бомбардируемый α-частицами алюминий порождает радиоактивный фосфор с атомным весом 30 и периодом полураспада 3,2 мин. Радиофосфор, испуская позитрон, превращается в устойчивое ядро кремния с атомным весом 30. За последние несколько лет получено большое количество радиоактивных веществ путем бомбардировки элементов на только α-частицами, но и быстрыми протонами и дейтронами. Ферми и его 285 сотрудники показали также, что медленные нейтроны представляют собой весьма эффективное средство образования радиоактивных веществ даже из самых тяжелых элементов. Сейчас известно уже более 50 таких радиоактивных элементов, причем в большинстве случаев они распадаются с испусканием отрицательных электронов (β-частиц). Даже самые тяжелые элементы — уран и торий — преобразуются при бомбардировке медленными нейтронами и в каждом случае порождают ряд новых радиоактивных веществ, но точная интерпретация этих превращений находится еще в процессе обсуждения. Методы искусственного превращения До сих пор мы имели дело с превращениями, вызванными α-частицами, которые сами получаются в процессе распада радиоактивных веществ, и нейтронами, поникающими при превращении бериллия под действием α-частиц. Количество радия, которым располагают наши лаборатории, ограничено, так что результаты превращений, вызванных α-частицами, вообще говоря, малы и могут изучаться лишь благодаря разработанным нами исключительно чувствительным методам подсчета отдельных быстродвижущихся атомов вещества. Десять лет назад было установлено, что для дальнейшего расширения наших знаний о превращении элементов необходимы гораздо более интенсивные потоки бомбардирующих частиц. Давно известно, что при прохождении электрического разряда через разреженный газ образуется множество заряженных атомов и молекул. Например, если пропускать разряд через водород, образуется огромное число заряженных Н-атомов (протонов), а также заряженных молекул. Благодаря недавнему открытию тяжелого водорода с массой 2, известного под названием дейтерий, в нашем распоряжении оказался еще один снаряд — дейтрон, который приобрел важную роль в расширении наших знаний о превращении элементов. Большие количества протонов и дейтронов можно легко получить, пропуская электрический разряд соответственно через водород и дейтерий, но, чтобы придать им большую скорость, необходимо разогнать их сильным электрическим полем. Это требует применения в некоторых случаях приборов масштаба инженерных сооружений, а также напряжений порядка 1 млн. в; кроме того, необходимы высокопроизводительные насосы для поддержания хорошего вакуума, чтобы предотвратить электрический разряд в ускоряющей системе. В лаборатории Кембриджа высокое постоянное напряжение получалось умножением снимаемого с трансформатора напряжения системой конденсаторов и выпрямителей. На рис. 13 показана фотография установки, применявшейся Кокрофтом и Уолтоном в их первых опытах такого рода, поставленных в Кембридже. 286 Рис. 13. Высоковольтная установка, применявшаяся в Кембридже Кокрофтом и Уолтоном в их первых опытах по искусственному превращению элементов. Метод получения и анализа потока быстрых протонов и дейтронов для бомбардировки вещества пояснен на рис. 14. Этот прибор, спроектированный Олифантом, применялся для изучения превращений легких элементов. Мы надеемся в новой лаборатории высоких напряжений в Кембридже получить для целей ускорения постоянное напряжение в 2 млн. в, которое даст искру длиной около 8 м. В США Ван-де-Грааф изобрел новый электростатический генератор для получения необходимого высокого напряжения. Машину такого рода применяли в экспериментах по превращению элементов Тюве, Хафстад и Даль в Вашингтоне, причем получили устойчивые потенциалы до 1 млн. в. В Калифорнийском университете Лоуренс сконструировал остроумный аппарат, названный «циклотроном», в котором заряженные частицы автоматически многократно ускоряются. Этот метод требует применения гигантских электромагнитов и мощных электрических генераторов. 287 Рис. 14 Прибор для ускорения протонов и дейтронов. При пропускании электрического разряда между анодом А с масляным охлаждением и стальным катодом В через находящийся под низким давлением водород образуется пучок водородных ионов, выходящий через отверстие С в катоде. Ионы ускоряются приложенным к электродам С и Е напряжением, которое может быть доведено до 300000 в. Стальной экран S служит для предохранения стеклянных стенок аппарата N. Система откачивается быстрым насосом 03, снабженным предохранительным щитком X. Пучок ионов проходит через магнитное поле, и частицы нужного типа направляются на мишень Т через диафрагму У. Тонкое слюдяное окошко W пропускает все образующиеся быстрые частицы в камеру счетчика. Цилиндр Фарадея F предназначен для собирания пучка Р, когда электромагнит не включен. На рис. 15 показана схема ускоряющей системы циклотрона. Однородное магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка, а разгоняемый протон или дейтрон описывает спиральную траекторию с постоянно увеличивающимся радиусом. Успех этого метода многократного ускорения основан на том, что время, потребное частице для совершения полного оборота, не зависит от ее скорости и, следовательно, от радиуса вращения, если только масса частицы остается почти неизменной. Лоуренс считает, что протон или дейтрон может совершить 1000 оборотов, не испытав значительного рассеяния на остаточном газе. Таким путем ему удалось получить интенсивные потоки протонов и дейтронов с энергией, доходящей до 6 млн. в. Эта энергия значительно больше той, которую можно рассчитывать получить в лаборатории, непосредственно применив высо¬кие 288 напряжения. Есть надежда, что в ближайшем будущем, применяя более мощный электромагнит и более интенсивные поля, удастся получить частицы с еще большей энергией. Рис. 15. Циклотрон Положительные ноны водорода, образующиеся в разреженном газе электронами в результате бомбардировки электронами, ускоряются между D-образными электродами, к которым приложено переменное напряжение высокой частоты. Магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка, заставляет ионы двигаться по дуге круга, и при определенной частоте переменной э.д.с. они всегда будут попадать в место раздела двух D в тот момент, когда поле снова будет направлено так, чтобы их ускорять. За последние годы были сконструированы устройства, позволяющие вывести наружу из камеры ускорения циклотрона пучок разогнанных до большой скорости частиц; это очень важно для целого ряда экспериментов. На рис. 16 приведена полученная Лоуренсом фотография светящегося пучка дейтронов с энергией 6 млн. в, соответствующего току 6 мка. В этом случае получается почти параллельный пучок, выходящий через платиновое окошко на конце трубки на расстоянии 2 м от камеры ускорения. Такой пучок соответствует вылету 3,8·1013 дейтронов в 1 сек, что эквивалентно потоку α-частиц, выбрасываемых за 1 сек примерно из 1000 г чистого радия. Каждый из этих методов получения быстрых частиц имеет известные преимущества при решении проблем определенного типа. Первоначально предполагалось, что для проникновения в ядра сравнительно легких элементов потребуется частица, обладающая энергией того же порядка, что и α-частица, т. е. около 7 млн. в. Однако в своих расчетах, основанных на принципах волновой механики, Гамов показал, что имеется небольшая вероятность проникновения частицы внутрь ядра даже в тех случаях, когда ее энергия значительно меньше энергии α-частицы. Эта идея полностью подтвердилась позднейшими экспериментами. Кокрофт и Уолтон первыми показали, что искусственное превращение лития и бора может быть достигнуто бомбардировкой протонами с энергией порядка всего 289 лишь 100 000 в. Процессы превращения этих элементов протонами и дейтронами сейчас хорошо изучены и интересны во многих отношениях. Рис. 16. Пучок дейтронов с энергией в 6 млн. в, выходящий из циклотрона (фотография Э. Лоуренса). Рассмотрим сначала процесс превращения лития, который, как мы знаем, состоит из двух изотопов с массами 6 и 7. Недавно были найдены методы разделения этих изотопов, так что эксперименты могут быть поставлены либо с Li6, либо с Li7. При бомбардировке протонами время от времени какой-либо протон проникает в ядро Li7 и захватывается им. Получившееся ядро Be8 неустойчиво и немедленно распадается на две быстрые α-частицы, выбрасываемые в почти противоположных направлениях. Схема этого типа превращения показана на рис. 17. При захвате протона ядром Li6 образуется ядро Be7: которое распадается на α-частицу и изотоп гелия с массой 3 (Не3). Если бомбардировать не протонами, а дейтронами, то захват дейтрона ядром Li6 снова приводит к образованию ядра Be8, но с большим избытком энергии. Это ядро, как и в предыдущем случае, распадается на две α-частицы, имеющие, однако, большую скорость, чем α-частицы, образующиеся при захвате протона ядром Li7. Более того, эти частицы, за одним исключением, наиболее быстрые среди α-частиц, наблюдаемых при всех превращениях, так как их пробег в воздухе равен 13 см. При захвате дейтрона ядром Li7 образуется ядро Be9, сразу же распадающееся на три составные части — две α-частицы и нейтрон. 290 Рис. 17. Схема, иллюстрирующая превращение изотопа лития с массой 7 при бомбардировке протонами. На каждую сотню миллионов протонов с анергией в 200 000 в одно ядро лития превращается в два гелиевых ядра. Длина пробега возникающих α-частиц около 8,4 см Я упомянул здесь лишь о некоторых наиболее важных типах превращения двух изотопов лития. Приведенная таблица наглядно иллюстрирует широкое разнообразие превращений, происходящих при бомбардировке лития различными частицами. Превращения лития могут быть легко обнаружены путем фотографирования в камере Вильсона следов возникающих при этих превращениях частиц. На рис. 18 приведена одна из таких фотографий, полученная Ди и Уолтоном; на ней видны пути α-частиц, образовавшихся при бомбардировке лития дейтронами. На многих фотографиях, полученных таким методом, отчетливо заметно появление пары частиц, разлетающихся в почти противоположных направлениях. Превращение бора В11 при бомбардировке протонами было предметом длительного изучения. В этом случае образуется ядро С12, распадающееся на три α-частицы. Ди и Гильберт показали, что в основном это превращение проходит в две фазы. Прежде всего выбрасывается α-частица и образуется остаточное ядро Be8, содержащее избыток энергии, а затем, спустя очень короткий промежуток времени, это ядро расщепляется на две α-частицы. В силу технических трудностей редко удается получить на фотопластинке след всех трех α-частиц, образующихся при одном превращении. Красивая фотография следов такой тройки α-частиц приведена на рис.19. Все три следа, как и следовало ожидать, лежат в одной плоскости, и их суммарная кинетическая энергия соответствует энергии, освободившейся при реакции. Превращения В10 и В11 под действием бомбардировки дейтронами очень сложны и происходят с испусканием групп протонов с различными скоростями, а также α-частиц. 291 Рис. 18. Следы α-частиц, образующихся при бомбардировке лития искусственно ускоренными дейтронами. α-частицы, летящие по направлению к стенкам камеры, имеют длину пробега > 10 см и образованы при превращении 3Li6 + 1H2 → 2He4 + 2He4 (длина пробега α-частицы 13,4 см). На фотографии видны также следы группы α-частиц с непрерывным распределением пробегов до 8 см. Эта группа образуется в результате процесса 3Li7 + 1H2 → 2He4 + 2He4 + 1 0n . Подвергавшаяся обстрелу литиевая мишень помещалась в вакууме внутри камеры со слюдяными окошками, которая видна в центре фотографии под трубкой, откуда выходит вниз поток быстрых дейтронов (фото графия П. Ди и Э. Уолтона) Рис. 19. Типичный случай расщепления бора на три α-частицы при протонной бомбардировке (5В11 + 1Н1 -> 32Не4) В центре фотографии заметна мишень из бора в виде тонкой линии, окруженной белой сферой, образовавшейся в результате рассеяния протонов из бомбардирующего пучка; α-частицы А и В были выброшены в почти противоположных направлениях, в то время как третья α-частица С получила очень малый запас анергии и едва вышла за пределы пучка рассеянных протонов 292 Превращения лития при бомбардировке протонами (1H1), нейтронами (0n1), дейтронами (1H2) и α-частицами Освобож даемая Примечания энергия, Мэв 6 Изотоп Li 3Li 6 3Li 6 3Li 6 + 1H1 → 2He4 + 2He3 3,6 +0n1 → 2He4 + 1H3 4,7 + 1H2 → 3Li7 + 1H1 Изотоп 3Li7 3Li 7 1 + 1H или 3Li 7 4 2He + 2He4 4 2He + 2He4 8 4Be 4 + hv 4 2He + 2He 4 3 1 2He +2He + 0n + 1H2 → 4Be8 + 0n1 3Li 3Li 7 5,0 8 + 1H1 + 2He4 → 5B10 + 0n1 22 17 hv=17 Монохроматический пучок γ-лучей 14,6 Группа нейтронов с непрерывным распределением скоростей 14? Нейтроны монохроматические ? Группа протонов, пока не обнаружена —3 Медленные нейтроны При этих реакциях образуются протоны, нейтроны, атомы 1Н3, 2Не3, 2Не4, 3Li8, 4Ве8, 5В10 и γ-лучи. Подчеркнутый изотоп лития радиоактивен и имеет период полураспада 0,8 сек. Он распадается с испусканием быстрых β-частиц. Интересно отметить, что при бомбардировке Li7 протонами испускаются также интенсивные γ-лучи с квантовой энергией 17 млн. в — наибольшей из наблюдавшихся до сих пор при превращениях. Изложение даже основных результатов, полученных при бомбардировке всех элементов быстрыми частицами различных сортов, отняло бы слишком много времени. Однако я хотел бы остановиться на нескольких случаях превращений, представляющих особый интерес. Простейший возможный случай превращения имеет место при бомбардировке дейтерия D2 дейтронами Соединение этих двух частиц должно привести к образованию ядра Не4, во с очень большим избытком энергии. Это ядро немедленно распадается каким-либо одним из двух одинаково вероятных способов, показанных на рис. 20. В одном случае ядро расщепляется на быстрый протон и изотоп водорода с массой 3 (Н3), а в 293 другом — на быстрый нейтрон и ядро гелия с массой 3 (Не3). Если энергия бомбардирующих дейтронов мала по сравнению с энергией, освобождающейся при превращении, то две частицы в обоих случаях будут выбрасываться почти в противоположных направлениях. Это хорошо заметно на фотографиях (рис. 21), где длинные следы принадлежат протонам, а гораздо более короткие — ядрам Н3. Описанные превращения могут быть обнаружены, если дейтрон разгоняется напряжением всего в 20000 в. Количество получающегося превращении вещества, конечно, быстро растет с увеличением энергии бомбардирующих дейтронов. Эти типы превращений наиболее эффективны из всех известных нам превращений, происходящих с низкой энергией бомбардирующих частиц; они снабжают нас для экспериментальных целей мощным источником нейтронов с энергией 2,4 млн. в, группой протонов с энергией около 3 млн. в. Рис. 20. Схема расщепления дейтерия при бомбардировке дейтронами. Около 2 млн. дейтронов с энергией 100000 в, бомбардирующих мишень из чистого дейтерия, производят одно превращение по какой-либо из двух указанных реакций. Эти интересные превращения, принадлежащие к наиболее простому типу из всех возможных, впервые были изучены Олифантом и Гартеком и привели к открытию нового изотопа водорода с массой 3 и нового изотопа гелия также с массой 3. Массы этих двух изотопов могут быть точно вычислены, если известна энергия, выделяющаяся при их превращении. Пожалуй, небезынтересно проделать здесь эти вычисления для случая H3. Если соблюдается закон сохранения энергии, то для масс ядер должно выполняться соотношение Н2 + Н2 = Н1 + Н3 + Е. 2,0147 + 2,0147 = 1,0081 + Н3 + 0,0042, где Е — масса, эквивалентная выделенной при превращении энергии. Значение Е вычисляется из наблюденной длины пробега протонов в воздухе, 294 составляющей 14,70 см, что соответствует энергии 2,98 млн. в. Из закона сохранения количества движения, который при расщеплении должен выполняться, следует, что 3/4 всей освобождающейся энергии выделяется в форме кинетической энергии протона. Таким образом, вся выделяющаяся энергия Е составляет 3,97 млн. в. Согласно теории Эйнштейна, масса и энергия эквивалентны между собой, и уменьшение массы системы на dm эквивалентно выделению энергии а количестве с2dm, где с — скорость света. Правильность этого соотношения подтверждена для ряда случаев, когда были точно известны массы участвующих в превращении атомов. Выделение энергии в количестве 3,97 млн. в эквивалентно убыванию массы на 0,0042 а.е.м. Приведенное уравнение остается верным, если в обеих частях его вместо масс ядер поставить массы атомов. Под химическими символами элементов указаны значения атомных весов водорода и дейтерия, найденные Астоном с помощью масс-спектрографа. Чтобы массы элементов обеих частей уравнения сбалансировались, необходимо, очевидно, чтобы масса Н3 была равна 3,0171. Рис. 21. Три примера испускания частиц 1Н1 и 1Н3 в противоположных направлениях при бомбардировке искусственно ускоренными дейтронами тонкой мишени, содержащей дейтерий (1H2 + 1Н2 → 1Н3) Следы частиц 1Н3, заметные слева от трубки с мишенью, имеют пробег в 1,6 см, в то время как длина пробега протонов, вылетающих в противоположную сторону, составляет 15 см Аналогичным образом путем определения энергии быстрого нейтрона, испускаемого при другом типе превращения, было найдено, что масса Не3 равна 3,0171, т. е. в пределах точности измерений совпадает с массой Н3. Имеются достаточные основания полагать, что значения атомных весов, вычисленные этим путем, соответствуют действительности. Известно, например, что Не3 образуется также при бомбардировке Li6 протонами (см. 295 таблицу), и масса Не3, вычисленная из этой реакции, совпадает с приведенной выше. Наконец, я хотел бы вкратце остановиться на некоторых важных открытиях, сделанных Лоуренсом и его сотрудниками, применявшими циклотрон для получения очень быстрых дейтронов с энергией 6 млн. в. При бомбардировке висмута такими быстрыми дейтронами образуется радиоактивный изотоп висмута, который во всех отношениях идентичен хорошо известному радиоактивному веществу — радию Е. Полученное из висмута радиоактивное вещество не только испускает β-частицы и распадается в точности с тем же периодом, что и радий Е, но образует при этом испускающее α-частицы вещество, идентичное с полонием (радий F). Механизм превращения, по-видимому, следующий: 209 + 1D2 → 83Bi210 + 1H1. 83Bi Как указано на рис. 1, радий Е представляет собой изотоп висмута с атомным весом 210. Это доказательство получения одного из природных радиоактивных веществ искусственным путем представляет огромный интерес и имеет выдающееся значение. Я не могу не упомянуть еще об одном превращении, которое может оказаться весьма ценным с технической точки зрения. При бомбардировке натрия с атомным весом 23 (т. е. обыкновенной поваренной соли) быстрыми дейтронами образуется радиоактивный изотоп натрия с атомным весом 24 — радионатрий и быстрый протон. Радионатрий распадается с испусканием β-частицы и образует устойчивое ядро магния с атомным весом 24. Период полураспада радионатрия 15 час. Наряду с β-частицей каждое ядро радионатрия, по-видимому, испускает γ-лучи большой энергии и такой же проникающей способности, как и γ-лучи, испускаемые радием, находящимся в равновесии с продуктами своего распада. Лоуренсу уже удалось получить таким путем мощный источник γ-излучения из радионатрия, приблизительно эквивалентный в этом отношении 1 г радия. Итак, возможно, что искусственно созданный источник γ-излучения сможет когда-нибудь в медицине заменить радий. Превращение с помощью γ-лучей До сего времени бомбардировка вещества быстрыми частицами был» наиболее эффективным методом изучения превращения элементов, хотя мы уже видели, что в случае более тяжелых элементов чрезвычайно эффективны медленные нейтроны. В некоторых случаях, однако, можно вызвать превращение элементов, применяя γ-излучение высокой квантовой энергии. Чадвику и Голдхаберу недавно удалось с помощью γ-лучей расщепить дейтерий 1D2 на протон и нейтрон. В этом случае энергия кванта излучения должна быть больше энергии связи протона и нейтрона, составляющей около 2,3 млн. в. Подобным же образом Сцилард нашел, что бериллий с массой 9 распадается на Be8 и нейтрон при облучении γ-лучами с энергией немногим больше 1 млн. в. Этот новый метод превращения может оказаться 296 эффективным и в других случаях, если только нам удастся получить достаточно интенсивные источники γ-лучей высокой квантовой энергии. Общие выводы За последние несколько лет прогресс наших знаний в области превращения элементов происходил очень быстро; было показано, что почти все элементы с помощью соответствующих воздействий могут быть подвергнуты превращению. Интересно отметить, что существуют достаточно убедительные доказательства возможности получения изотопа золота путем бомбардировки платины быстрыми нейтронами. Однако еще не ясно, какой именно изотоп платины принимает участие в превращении. В процессе этой работы было открыто более 50 новых радиоактивных веществ. Они представляют собой неустойчивые изотопы элементов, вероятно когданибудь существовавшие на Солнце, но исчезнувшие при остывании Земли. Возможно, что из всей большой группы радиоактивных элементов только уран и торий сохранились потому, что их периоды полураспада велики по сравнению с возрастом Земли. Хотя предстоит еще много работы, чтобы выяснить во всех деталях природу многих превращений, но уже сейчас накоплено достаточно данных, указывающих, что посредством бомбардировки находящимися в нашем распоряжении быстрыми частицами можно осуществить большое количество самых разнообразных превращений. Для элементов, имеющих много изотопов, число возможных превращений должно быть очень велико. Вообще установлено, что имеют место все мыслимые превращения элементов, совместимые с сохранением ядерного заряда, а также с законом сохранения энергии, если принимаются в расчет изменения массы. Однако частота различных типов превращения элементов может меняться в широких пределах. При большинстве превращений неустойчивое ядро расщепляется на две частицы, испуская при этом γ-лучи; известны, однако, случаи превращения более легких элементов, когда взрывающееся ядро распадается на три частицы. В процессе этой работы было открыто несколько новых, устойчивых изотопов, в частности Н3, Не3, Be8, Be10, ранее в природе не наблюдавшиеся. Кроме того, как мы уже видели, был обнаружен ряд новых элементарных частиц, в том числе нейтрон, протон, α-частица и положительный электрон. Превращения элементов происходят обычно в ничтожных масштабах, и лишь изредка количество образующегося при превращении вещества может быть взвешено или видимо. Однако наши методы обнаружения и распознавания образующихся при превращении движущихся частиц так необычайно чувствительны, что даже самое ничтожное по своим масштабам превращение вызывает весьма значительный эффект в наших измерительных приборах. Достоверность наших методов обнаружения и анализа быстрых частиц во многих случаях выше, чем достоверность обычных химических методов, даже если предположить, что количество превращенного вещества было бы достаточно велико для химического анализа. 297 Вообще говоря, количество вещества, образующегося при превращении путем бомбардировки толстого слоя элемента, быстро растет с увеличением энергии бомбардирующих частиц. В некоторых случаях заметного превращения не наблюдается до тех пор, пока энергия частицы не достигнет определенной величины, а затем масштабы превращения начинают быстро возрастать при повышении энергии частиц, сверх этого уровня. В случае таких легких элементов, как, например, дейтерий и литий, превращение становится заметным, когда бомбардирующие частицы обладают энергией 20000 в или даже меньше. Но в большинстве случаев необходимая для совершения заметного превращения энергия бомбардирующих частиц должна быть выше этого значения и с повышением атомного номера бомбардируемого элемента быстро растет. Мы видели, что эти соображения неприменимы к нейтронам, так как во многих случаях масштабы превращения бывают наибольшими, когда нейтроны обладают небольшой энергией (порядка долей вольта), сравнимой с энергией теплового движения молекул. Имеются основания полагать, что каждый медленный нейтрон, проходящий, например, через бор, вызывает в конечном счете превращение ядра бора. Представляется также вероятным, что самостоятельное существование нейтрона в нашей атмосфере должно быть очень непродолжительным, так как он скоро будет захвачен ядрами азота и кислорода и при этом произведет превращение этих элементов. Поэтому мы не должны ожидать сколько-нибудь заметного накопления нейтронов в нашей атмосфере на протяжении веков. Мы уже говорили о выделении больших количеств энергии при спонтанном превращении атомов природных радиоактивных веществ. В некоторых случаях искусственного превращения с помощью протонов и дейтронов количество излучаемой энергии, приходящейся на один атом, даже больше, чем в случае радиоактивных превращений. Например, энергия, освобождающаяся при превращении одного атома лития шестью дейтронами, составляет 22,5 млн. в, т. е. почти вдвое больше энергии, излучаемой при распаде любого радиоактивного атома. Поскольку превращение может быть произведено дейтроном, обладающим энергией всего в 20 000 в, то ясно, что в этом индивидуальном процессе получается большой выигрыш энергии. Но, с другой стороны, лишь один из 108 дейтронов оказывается эффективным, так что в конечном счете затрачивается гораздо больше энергии, чем ее излучается при превращении. Даже если учесть, что общий коэффициент полезного действия процесса растет с увеличением энергии бомбардирующих частиц, остается мало надежды на получение таким путем полезной энергии из атомов. Исключительная эффективность медленных нейтронов, вызывающих превращение отдельных элементов с выделением больших количеств энергии, на первый взгляд кажется в этом отношении многообещающей. Однако нельзя упускать из виду то обстоятельство, что сами нейтроны могут быть получены лишь в результате чрезвычайно невыгодного процесса превращения. Перспективы получения полезной 298 энергии из атомов посредством искусственного превращения, таким образом, не выглядят обещающими. Атомное ядро представляет собой целый мир, где в ничтожно малом объеме заключен ряд частиц, в частности протонов и нейтронов, удерживаемых вместе чрезвычайно мощными неизвестными силами. В настоящее время делаются энергичные попытки приспособить существующие идеи к объяснению структуры атомного ядра, и в нескольких простых случаях уже достигнуты некоторые успехи. Однако мы все еще далеки от понимания структуры сложного ядра и причин, вызывающих его распад при определенных условиях. В то время как волновая механика оказалась адекватной для объяснения внешней электронной структуры атома, где электроны достаточно удалены друг от друга, эта теория не может быть с уверенностью применима к сложному ядру, где имеет место такая исключительная концентрация массивных частиц в очень небольшом пространстве. Чтобы преодолеть эти трудности, Бор предложил более общий способ подхода к проблеме, при котором ядро рассматривается как агрегат из неразличимых частиц, способный колебаться как целое и обладающий строго определенными энергетическими уровнями. В пользу этой новой точки зрения имеется много соображений, и ее перспективы на будущее кажутся более обнадеживающими. Большое количество накопленных к настоящему времени экспериментальных данных о превращении элементов должно оказаться весьма полезным подспорьем при разрешении этой наиболее трудной и фундаментальной проблемы. Приобретенные нами сведения о превращении элементов могут оказать большую помощь еще и в другом направлении. Очевидно, что внутри раскаленной звезды, подобной нашему Солнцу, где температура очень высока, протоны, нейтроны и другие легкие частицы должны иметь скорости теплового движения, достаточно большие для того, чтобы производить превращения элементов на Солнце. В условиях такой непрерывной бомбардировки должен происходить постоянный процесс построения новых атомов и расщепления других и через короткое время должно быть достигнуто состояние равновесия, во всяком случае временного. Из наших сведений об относительном преобладании элементов на Земле можно составить себе довольно верное представление также и о том, каков был средний состав Солнца 3000 млн. лет назад, когда Земля отделилась от Солнца. Когда наши знания в области превращений элементов продвинутся еще дальше, мы сможем установить, чем объясняется относительное преобладание некоторых элементов на нашей Земле и почему элементы с четными атомными номерами встречаются в среднем значительно чаще, чем с нечетными. Таким образом, прогресс современной алхимии значительно расширит наши познания не только о самих элементах, но и об их относительном преобладании в нашей Вселенной. The Newer Alchemy, Cambridge, 1937 299 Э. Резерфорд COРOK ЛЕТ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ (1940 г.) I. История радиоактивности Я намерен прочесть две лекции: первую — о развитии представлений о радиоактивности и вторую — о современных воззрениях на структуру атомов. Я полагаю, что Комитет, организовавший эти лекции по истории современной науки, поступил очень разумно, избрав в качестве отправной даты 1895 год, ибо именно этот год отмечен в истории как рубеж, отделяющий то, что мы называем старой, или классической, физикой, от новой, или современной, физики. Именно в том году Рентген сделал свое далеко идущее открытие — Х-лучи, открытие, которое как само по себе, так и по следствиям оказало огромное влияние на прогресс науки. Мне самому посчастливилось в тот переходный 1895 год начать работу в Кавендишской лаборатории с Дж. Дж. Томсоном, и прежде всего я хочу рассказать немного о взглядах ученых того времени. Рассмотрим вкратце, то, в чем мы, физики, были тогда уверены. Прежде всего, существовала знаменитая электромагнитная теория Максвелла, которая устанавливала связь между светом и электрическими колебаниями, так что свет считался не чем иным, как формой электрических волн, распространяющихся в пространстве. Отсюда следовало, что атомные спектры, такие, например, как яркие спектральные линии, испускаемые водородом при воздействии электрического разряда, представляют собой типы электрического колебания и поэтому, видимо, образуются в результате колебания некоторого электрического заряда. В связи с этим многие теоретики, как, например, Лоренц и Лармор, считали, что в атоме должны находиться электрические вибраторы, хотя сначала они и не представляли себе, как эти вибраторы заряжены — положительно или отрицательно. Другой общепринятой теорией была кинетическая теория газов, в которой предполагалось, что свойства газов могут быть объяснены движением молекул, и, как вам известно, на основе определенных экспериментальных результатов можно было вычислить число молекул в кубическом сантиметра газа и оценить размер и вес атомов. Однако сделанные тогда различными специалистами численные оценки время от времени значительно изменялись, и мы могли только очень приближенно вычислить массу или размер атома. Причина этой неопределенности частично связана с тем, что расчеты по кинетической теории были очень грубы и неполны, а частично с тем, что экспериментальные данные были не очень надежны. Многие из вас не будут удивлены, услышав, что мы верили в кинетическую теорию и молекулярное строение вещества. Однако имеется один вопрос, который теперешние молодые ученые легко забывают, и состоит он в том, что атомная структура электричества в то время тоже в основном считалась правильной. Верно, конечно, что в то время не 300 существовало однозначных экспериментов, ведущих к такому представлению, но оно принималось как результат знаменитых выводов, сделанных много лет назад Фарадеем из экспериментов по электролизу. Большая заслуга в широком распространении этих идей принадлежит ученому Джонстону Стони из Дублина, которого я знал лично. Именно он был тем, кто увидел, что должна существовать фундаментальная единица заряда, переносимая атомом водорода при электролизе воды, и для этого заряда он придумал слово «электрон», применяемое теперь во всем мире. Рассмотрим теперь уровень знаний в тех областях химии, которых мы будем сегодня касаться. В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинства элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещества все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы, и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет существовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме, как о твердом «биллиардном шаре», в конце прошлого столетия полностью отказались, химики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении методов атомы неизменны и определению неразрушаемы. Случалось, что кто-нибудь воображал, что превратил один тип атома в другой, но всегда можно было доказать, что он ошибся. Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодический закон, на основе которого свойства элементов связывались с их положением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все атомы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом все сделаны из более элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и истинное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет. Теперь я подошел к началу моего рассказа. Возможно, лишь некоторые из вас отчетливо себе представляют ту необыкновенную сенсацию, которую выдоило открытие Рентгеном Х-лучей в 1895 г. Оно заинтересовало не только ученых, но и простых людей, которые были потрясены возможностью увидеть собственные внутренности и кости. Все лаборатории мира использовали свои старые круксовские трубки для получения Х-лучей и Кавендишская лаборатория не представляла исключения. Эти старые круксовские трубки показывали, что катодные лучи обладают способностью вызывать яркую фосфоресценцию в целом ряде веществ; кроме того, было замечено, что Х-лучи, по-видимому, испускаются из точек падения этих катодных лучей. Это навело многих на мысль, что Х-лучи, возможно, связаны некоторым образом с фосфоресценцией и что, быть может, фосфоресцирующие вещества могут испускать Х-лучи. Многие исследователи на континенте экспериментировали в этом направлении, в том числе и Анри Беккерель в Париже. Его отец, профессор, очень интересовался фосфоресценцией, в частности измерением ее продолжительности, и его тоже интересовали довольно необычные свойства, наблюдаемые в урановых 301 соединениях. Анри помогал своему отцу в работе, и еще за 15 лет до того, т. е. в 1880 г., развлекался тем, что выращивал кристаллы бисульфата урана и калия, которые восхитительно сверкали после того, как их выставляли на свет. В своих поисках зависимости между фосфоресценцией и Х-лучами Беккерель помещал множество фосфоресцирующих веществ, обернутых черной бумагой, над фотопластинкой, но результаты были полностью отрицательными. Тогда ему пришло в голову испытать свои кристаллы солей урана. Сначала он экспонировал эти кристаллы на свету, чтобы заставить их фосфоресцировать, а затем завертывал в черную бумагу и помещал над фотопластинкой. После выдержки в течение нескольких часов и проявления был обнаружен отчетливый фотоэффект. Эксперимент был повторен, причем между урановой солью и фотопластинкой был помещен осколок тонкого стекла, чтобы исключить эффекты, связанные с возможными испарениями, однако фотоэффект был получен снова. Сначала Беккерель предположил, что испускание лучей, которые способны проникнуть сквозь черную бумагу, каким-то образом связано с фосфоресценцией, но затем он показал, что эффект наблюдается и тогда, когда урановая соль предварительно хранилась в течение нескольких недель в темноте, так что не было даже признаков фосфоресценции. Затем он заметил, что все соли урана и сам металл обладают свойством испускать излучение, проникающее сквозь черную бумагу. Так он открыл явление, которое мы теперь именуем радиоактивностью. Теперь мы назовем всем нам знакомое имя — Мария Кюри. Она начала исследовать активность различных веществ, изучая скорость, с которой радиация разряжает помещенные вблизи наэлектризованные тела. Она установила, что урановая смолка и некоторые другие минералы производят больший эффект, чем чистый уран, и пришла к выводу, что эти минералы должны содержать некое вещество, обладающее большей активностью, чем уран. Поэтому она сделала химический анализ этого минерала, последовательно проведя обычные процессы химического разделения, причем на каждой стадии оставляла ту часть, которая обладала большей радиоактивностью. Она обнаружила два особенно активных вещества: одно, похожее химически на висмут, она назвала полонием, другое, химически похожее на барий, — радием. Содержание радия в любых радиоактивных минералах чрезвычайно мало, порядка 1 части на 10 000 000, но, оперируя тоннами исходных минералов, М. Кюри смогла приготовить достаточно чистый бромид радия, чтобы определить атомный вес радия и показать, что он имеет определенный спектр, т. е., иными словами, чтобы показать, что радий ведет себя химически, как обычный элемент. Благодаря Гизелю, химику хининной фабрики в Брауншвейге, впервые в продаже появились препараты почти чистой радиевой соли. Говорят, не знаю, насколько это верно, будто ему удалось выделить радий чуть раньше, чем М. Кюри. Но, поскольку он использовал разработанную ею методику и его работа явилась прямым следствием работ М. Кюри, он с истинно научным 302 благородством отказался претендовать на приоритет в этом деле. Как бы там ни было, его труд имел важные последствия, так как его заинтересованность в этих веществах привела к тому, что рыночная цена чистого бромида радия составляла 1 фунт стерлингов за 1 мг. Я приобрел 30 мг, и Рамзай сделал то же. Немного позднее радий стоил уже 12 фунтов стерлингов за 1 мг. Открытие радия имело огромное значение для науки, главным образом вследствие того, что его активность столь велика (более чем в миллион раз выше, чем урана), что нельзя было уже считать это небольшим второстепенным эффектом. Тот факт, что радий обладает длительной жизнью (1600 лет) и легко выделяется химически, тоже увеличивает его значение. Интересно оглянуться назад и представить себе, что произошло бы, если бы радиоактивность урана была открыта раньше. Элемент, впоследствии названный ураном, был открыт более столетия назад, в 1789 г., Клапротом, и, если бы он поместил это вещество вблизи электроскопа, то мог бы заметить, что оно разряжает электричество. По моему мнению, на этом бы все и закончилось. Люди сказали бы, что это любопытно, но не сделали бы отсюда никаких выводов. Никто бы не задался вопросом, как этот эффект произошел. Для науки характерно, что открытия происходят преимущественно тогда, когда общественная мысль к ним подготовлена. Теперь, я надеюсь, мне позволено будет рассказать о моем знакомстве с сущностью радиоактивности. Когда я поступил в Кавендишскую лабораторию в 1895 г., я начал работу по ионизации газов Х-лучами. Я прочел статью Беккереля, и мне захотелось узнать, не одинаковы ли по своей природе ионы, образующиеся от излучения урана и от Х-лучей, и, в частности, меня заинтересовало мнение Беккереля о том, что его излучение есть что-то промежуточное между светом и Х-лучами. Поэтому я приступил к систематическому исследованию излучения и установил, что существует два его типа: одно создает интенсивную ионизацию и поглощается в нескольких сантиметрах воздуха, а другое производит менее сильную ионизацию, но более проникающее. Я назвал их соответственно α- и β-лучами: когда же в 1898 г. Вийяр открыл еще более проникающий вид излучения, он назвал его γ-лучами. В 1898 г. я приехал в Мак-Гиллский университет в Монреале и там встретился с Р. Оуэнсом, новым профессором электротехники, который прибыл одновременно со мной. Оуэнс получал стипендию, которая обязывала его проводить некоторые физические исследования; он спросил, не могу ли я ему предложить тему, которую он мог бы исследовать для оправдания этой стипендии. Я предложил ему исследовать с помощью электроскопа торий, радиоактивность которого была тем временем открыта Шмидтом. Я помогал ему в проведении экспериментов, и мы обнаружили некоторые очень странные явления. Оказалось, что радиоактивное воздействие окиси тория может проходить сквозь дюжину листков бумаги, положенных поверх этой окиси, но задерживается тончайшей пластинкой слюды, как будто излучается что-то, способное диффундировать сквозь поры бумаги. Тот факт, что прибор был очень чувствителен к движению воздуха, поддерживал эту 303 диффузионную гипотезу. Затем мы провели эксперименты, в которых воздух проходил над окисью тория, а потом попадал в ионизационную камеру. Эти опыты показали, что активность может переноситься воздухом. Однако когда поток воздуха прекращался, активность в ионизационной камере не сразу исчезала, а уменьшалась постепенно по экспоненциальному закону. Я назвал это газообразное вещество, которое может диффундировать сквозь бумагу, переноситься воздухом и в течение некоторого времени сохранять свою активность, исчезающую по характерному закону, «эманацией тория». Я установил, что эта эманация обладает чрезвычайно своеобразным свойством делать радиоактивными тела, над которыми она проходит. Казалось, что это свойство, скорее всего, обусловлено осаждением некой материальной субстанции, а не какой-либо активностью, возникшей в самих этих телах под действием излучения, так как тогда количество осажденного вещества должно увеличиваться при приложении электрического поля. В те времена многие получали неповторяющиеся и странные результаты, помещая предметы вблизи радиоактивных веществ; по-видимому, все это могло объясняться наличием таких же эманации, как обнаруженная нами у тория. Прежде чем считать такое объяснение правильным, необходимо было выяснить истинную природу эманации. Это было очень трудно, так как доступное количество ее всегда было очень мало. С самого начала Содди и я предположили, что это, должно быть, инертный газ вроде гелия, неона или аргона, так как нам никак не удавалось заставить ее соединиться с каким-либо химическим веществом. Мы смогли грубо оценить ее молекулярный вес путем сравнения скорости ее диффузии и других газов с известным молекулярным весом. Используя свойство эманации разряжать электроскоп в качестве меры наличного ее количества, нам удалось, имея в своем распоряжении очень малое количество эманации, измерить эту скорость диффузии. Мы пришли к заключению, что ее атомный вес должен быть примерно равен 100. Затем мы постарались определить, образуется ли эманация непосредственно из тория или же из какого-то промежуточного продукта. Применяя химические методы, мы смогли отделить промежуточное вещество, из которого образуется эманация, и назвали его «торий X». Примерно в то же время Рамзай заметил, что в большинстве радиоактивных минералов присутствует гелий и что он представляет собой другой газообразный продукт превращений. Впоследствии я сам смог показать, что гелий обусловливается накоплением α-частиц. До 1903 или 1904 г. количество радия было очень ограничено, и большей частью имевшегося в мире радия располагали супруги Кюри, которые выделили его из урановой смолки путем долгого и трудного процесса. Одно из первых сделанных ими наблюдений заключалось в том, что температура радия весом около 100 мг выше температуры окружающего воздуха. Они подсчитали, что 1 г радия должен выделять тепло со скоростью около 100 кал/час. Этот эксперимент всех взбудоражил, ибо даже мысль о существовании какого-либо вещества, температура которого выше температуры окружающего воздуха, была нестерпима для старомодных 304 физиков, и тогда всеобщее распространение получило представление о том, что радий обладает своеобразным свойством действовать в качестве термодинамической машины, использующей тепло воздуха. Я был твердо убежден в том, что тепловой эффект неизбежно есть следствие излучения α- и β-частиц и что он уменьшается со временем точно так же, как и активность. Впоследствии мы смогли разобраться в причинах тепловых эффектов радиоактивных тел и показать, что в этом процессе нет ничего загадочного. Мы смогли показать, что теплота при этих радиоактивных превращениях может выделяться в огромных количествах. Эти количества, подсчитанные на единицу массы, оказались в миллионы раз больше тех, которые были получены с помощью химических реакций, и мы смогли показать, что это характерно для всех радиоактивных превращений. Теперь я хочу немного остановиться на экспериментальных доказательствах природы α-частиц. Различными экспериментами и с помощью разных сотрудников мне удалось показать, отклоняя α-частицы в магнитном поле, что эти частицы есть атомы гелия, несущие два положительных заряда; мы смогли также измерить их скорость. Примерно в то же время (1903 или 1904 г.) Брэгг и Климан сделали свой весьма интересный и важный анализ ионизационной кривой α-лучей, показав, что ионизация изменяется вдоль их пути весьма характерным образом. Теперь кривая, описывающая форму такого изменения, известна как «кривая Брэгга». Я хочу рассказать также о двух важных открытиях, являющихся в большой степени заслугой Содди. Я говорю об открытии закона смещения и открытии изотопов среди радиоактивных элементов. Исследуя химические свойства радиоактивных веществ, Содди заметил, что часто имеется простое соотношение между положениями в периодической таблице исходных и конечных элементов, участвующих в радиоактивных превращениях. Прежде чем он смог убедиться в общности такого вывода, необходимо было определить химические свойства всех известных радиоактивных элементов, что было далеко не простой задачей, так как многие из них имелись в ничтожных количествах. Такую же работу провел Ган; в результате широкое обобщение, теперь известное как «закон смещения», было сделано почти одновременно А. Расселом, Фаянсом и Содди. Этот закон просто утверждает, что, если вещество испускает α-частицу, оно перемещается вниз на два места в периодической таблице, а когда оно испускает β-частицу, то оно поднимается в таблице на одно место вверх. Очевидно, что это связано с тем фактом, что α-частица несет два положительных заряда, а β-частица — один отрицательный заряд. В отношении изотопов положение было следующим. Многие исследователи при разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятное, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим явлением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характерными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощью химических операций. Он обратил 305 также внимание, что в периодической таблице для большой группы радиоактивных элементов даже нет места, и предположил, что существуют элементы, неотделимые с химической точки зрения, но обладающие с точки зрения радиоактивности различными свойствами. Содди назвал соответствующие элементы такого рода изотопами, и так было положено начало большой области исследований, огромный вклад в которую внес Астон, о чем он расскажет сам в своей лекции. II. Развитие наших представлений о структуре атома В сегодняшней лекции я попытаюсь рассказать очень кратко о развитии наших представлений о частицах, образующих атом, и его структуре. Одной из наиболее важных частиц в атоме является электрон, и я попытаюсь прежде всего очень коротко изложить вам, как изменились наши представления об электроне за последние 40 лет. Это было в 1897 г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж. Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Дж. Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто отклонил эти частицы, как в электрическом, так и в магнитном полях, и первым понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в атоме. В первых же экспериментах было обнаружено, что отношение заряда к массе электрона более чем в одну или две тысячи раз превышает таковое же для водорода, легчайшего из известных атомов; одновременно было показано, что электроны в откачанной трубке могут обладать огромными скоростями, приближающимися даже к скорости света. Итак, масса электрона оставалась неизвестной, известно было лишь отношение заряда к массе, но все указывало на то, что электрон очень легок и подвижен. Скотсмен и Сазерленд в Мельбурне высказали очень интересное предположение, что этот легкий электрон, возможно, не что иное, как движущийся единичный электрический заряд, не обладающий связанной с ним материальной массой. Еще в 1881 г. Дж. Дж. Томсон показал, что сфера радиуса а, обладающая зарядом е, по-видимому, имеет дополнительную массу 2/3(е2/а), что соответствует тому факту, что при движении этой сферы энергия должна переходить в окружающее ее электромагнитное поле. Сазерленд отметил, что если предположить радиус а достаточно малым, не обязательно считать. что электрон обладает вообще какой-либо «обычной» массой. Если это справедливо, то радиус электрона будет равен около 2 ⋅10−13 см. Это была заманчивая идея, и ученые попытались проверить ее справедливость. Такие теоретики, как Абрахам, Хевисайд и Сирл, здесь, в Кембридже, пытались выяснить, как кажущаяся масса, обусловленная зарядом, должна зависеть от скорости. Разные исследователи приходили к различным результатам, так как в основу клали различные начальные предположения, но при сравнительно больших скоростях результаты были примерно 306 одинаковыми. У всех получалось, что масса должна увеличиваться со скоростью и становиться бесконечной при приближении к скорости света. Тем временем стали доступными небольшие количества радия, а поскольку он испускает электроны, движущиеся со скоростью, очень близкой к скорости света, то стало возможно провести экспериментальную проверку этих теорий. В 1902 г. это сделал Кауфман, и полученные им результаты в пределах точности эксперимента находились в согласии со всеми теориями. Эти эксперименты привлекли очень большое внимание и привели многих к неправильному выводу, что поскольку масса электрона, видимо, полностью обусловлена его зарядом, то и вся масса не что иное, как проявление электрического заряда. Согласно этому представлению, масса атома водорода, в 1850 раз большая массы электрона, просто объяснялась тем, что этот атом содержит 1850 электронов. Однако такое положение сохранялось недолго. В 1905 г. Эйнштейн, исходя из соображений относительности, показал, что масса тела должна изменяться со скоростью и что независимо от того, заряжено или не заряжено тело, изменение массы одно и то же. Любое тело независимо от того, из чего оно состоит, должно подчиняться закону Эйнштейна, и все эксперименты, по-видимому, указывают на справедливость этого закона. Эксперименты Кауфмана согласуются как со следствиями релятивистской, так и старой электрической теорий, так что уже нельзя было больше допускать, что масса электрона полностью обусловлена его зарядом. Единственный способ определения радиуса а электрона заключался в допущении, что масса электрона полностью обусловлена его зарядом, после чего использовалось приведенное выше выражение, поэтому еще раз ясно, что оценки размера электрона не существовало. Вполне вероятно, что радиус электрона порядка 10−13 см, и недавно Борн развил теорию, которая приводит к величине такого порядка, но рано судить о том, насколько эта теория верна. Нас вполне удовлетворяло в течение 10 или 15 лет представление об электроне, как о сферическом распределении заряда, возможно, с некоторой «обычной» массой. Однако в 1925 г. для объяснения некоторых неясностей в спектрах водорода и гелия Уленбек и Гоусмидт предположили, что электрон к тому же обладает магнитным моментом, и так как они понимали, что моментом должен обладать вращающийся сферический заряд, то высказали предположение о «вращающемся электроне». Вскоре после этого, в 1930 г., Дирак развил общую теорию, в которой объединялись релятивизм и волновая механика, и он смог объяснить тонкую структуру спектра, не постулируя специально понятие «вращающегося электрона». Вначале это выглядело, как если бы идея «вращающегося электрона» была неверна, но потом Дирак пришел к выводу, что согласно его теории электрон ведет себя так, как будто обладает магнитным моментом, поэтому и не было нужды постулировать это отдельно. Во всяком случае, он не может себя вести иначе. Далее, интересно уделить внимание определению электронного заряда e , так как эта величина тесно связана с вычислениями атомных величин. Первые эксперименты были осуществлены Таунсендом в Кавендише в 307 1897 г., когда я уже был там. Он обнаружил конденсацию облачка на водороде, полученном при электролизе и пробулькивающем через воду. Оказалось, что это облачко заряжено, и Таунсенд следующим образом определил величину заряда одной капли. Вес всего облачка измерялся путем осаждения его и взвешивания на весах. Средний вес каждой капли определялся измерением скорости падения облачка на основе закона Стокса. Отсюда рассчитывалось число капель. Так как суммарный заряд, переносимый облачком, тоже мог быть измерен, то оказалось возможным определить величину заряда одной капли. Этот метод не дал точного значения заряда электрона, так как многие капли были многократно заряжены, но он интересен тем, что практически включал все идеи, которые в дальнейшем применялись при точных измерениях заряда. В 1908–1913 гг. Дж. Дж. Томсон применил метод, при котором облачко образовывалось при расширении, и его вес определялся по известному коэффициенту расширения. Вильсон приложил электрическое поле, так что заряженные капли могли либо оставаться в равновесии, либо двигаться вниз или вверх. В 1908 г. Гейгер и я подсчитали число α-частиц, испущенных определенным количеством ради я, а затем определили общий заряд, который они перенесли. Мы получили 4,65·10-10 эл.-стат. ед. значительно больше величины 3,4·10-10 эл.-стат. ед., выведенной Томсоном, но мы не считали наш метод вполне точным. В этой связи забавную историю однажды рассказал мне Планк. Когда он впервые выдвинул свою квантовую теорию света, люди не очень охотно ей доверяли, отчасти потому, что согласно этой теории заряд электрода должен быть равен 4,7·10-10, тогда как общепризнанной величиной считалась 3,4·10-10. У самого Планка вызывало сомнение это противоречие но, когда Гейгер и я обнародовали величину 4,65·10-10, Планк уверовал в справедливость собственной теории. Величина заряда, как вы знаете, была точно измерена Милликеном между 1910 и 1917 гг. Сейчас имеются некоторые сомнения в том, действительно ли его результаты настолько точны, как это первоначально считалось, но я не хочу здесь разбирать этот вопрос. Теперь я перехожу к очень интересному открытию последнего времени. Многие полагали, что в правильно построенной Вселенной должна быть определенная степень симметрии, и там, где имеется отрицательный электрон. должен иметься и положительный электрон такой же малой массы. Хотя положительный электрон часто искали, его не могли обнаружить до 1931 г.. В том году Андерсон в Калифорнии фотографировал следы космических частиц, прошедших через туманную камеру Вильсона. Камера находилась в сильном магнитном поле, и Андерсон обнаружил, что некоторые следы искривлены в одном направлении, а другие — в противоположном, т. е. одни были следами положительных частиц, а другие — отрицательных. Полученные другие данные свидетельствовали о том, что массы обеих частиц очень малы, порядка массы электрона. Андерсону удавалось очень редко получать фотографии этих следов, однако в 1933 г. 308 Блэкетт и Оккиалини в Кавендишской лаборатории разработали метод, при котором космические лучи, проходя через прибор, так сказать, «сами себя фотографировали». Благодаря этому методу стало возможным получать много фотографий следов положительных электронов, или «позитронов», как их теперь называют. Блэкетт интерпретировал эти результаты на основе теории, развитой Дираком в 1931 г. В этой теории предполагалось существование положительных электронов, однако жизнь их должна быть очень короткой, ибо они соединяются с первым попавшимся отрицательным электроном, и это приводит к излучению энергии. В некотором смысле Дирак предсказал положительный электрон до его открытия, однако это предсказание не было явно высказано в теории. Как теория, так и эксперимент указывали на то, что при соответствующих условиях энергия очень коротковолнового излучения, подобная имеющейся, например, в космическом излучении, может исчезать и приводить к образованию пары электронов — одного положительного и одного отрицательного. Наиболее легко это происходит в сильном электрическом поле, окружающем тяжелые ядра, и возможно только в том случае, если квантовая энергия излучения превышает 1 Мэв, что эквивалентно массе электронной пары. Теперь вернемся к рассмотрению вопроса об атомной структуре. В 1895 г. Ленард поставил свой известный опыт, в котором он направил электроны сквозь тонкое окно в разрядной трубке, в которой они образовывались, и так стало возможным наблюдать их вне трубки. Поскольку электроны могли легко проникать сквозь окно, он сделал вывод, что атомы окна должны иметь очень открытую структуру и между ними должны быть сравнительно большие промежутки. Он предположил, что в атомах должны быть сферы положительного электричества, связанные как-то с отрицательными зарядами. Год или два спустя Дж. Дж. Томсон детально разработал эту мысль и подсчитал, как отрицательные электроны будут распределены в сфере положительного заряда. Он сумел объяснить таким путем основной принцип периодической таблицы. Поскольку мои личные интересы были тесно связаны со следующей стадией развития, то я изложу ее более подробно; мне хотелось бы использовать этот пример, чтобы показать, как часто вы натыкаетесь на факты случайно. Очень давно я наблюдал рассеяние α-частиц, а Гейгер в моей лаборатории подробно его изучал. Он обнаружил, что на тонких листках тяжелых металлов рассеяние обычно невелико, порядка 1°. Однажды Гейгер пришел ко мне и сказал: «Не считаете ли Вы, что пора бы молодому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, начать небольшое исследование?» Я думал так же, а поэтому ответил: «Почему бы не поручить ему посмотреть, не могут ли некоторые α-частицы рассеяться на большой угол?» Скажу вам по секрету, что я не предполагал, что они так могут рассеяться, поскольку известно было, что α-частицы — это очень быстрые массивные частицы, обладающие чрезвычайно большой энергией. Можно убедиться, что если большое рассеяние есть результат накопления некоторого 309 числа малых рассеяний, то вероятность рассеяться назад для α-частицы очень мала. Помню, что через 2 или 3 дня ко мне пришел весьма возбужденный Гейгер и сказал: «Нам удалось наблюдать α-частицы. возвращающиеся назад...». Это было самым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а он вернулся бы назад и угодил бы в вас. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно быть результатом однократного столкновения а когда я произвел расчеты, то увидел, что невозможно получить величину того же порядка, разве что вы рассматриваете систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядре. Вот именно тогда у меня родилось представление об атоме с малым массивным центром, несущим заряд. Я математически вычислил, какому закону должно подчиняться рассеяние, и нашел, что число частиц, рассеивающихся под данным углом, должно быть пропорционально толщине рассеивающей фольги, квадрату заряда ядра и обратно пропорционально четвертой степени скорости. Этот вывод в дальнейшем был проверен Гейгером и Марсденом в серии великолепных экспериментов. Теперь давайте посмотрим, какие выводы можно было сделать на этом этапе. При рассмотрении вопроса о том, насколько близко к ядру может подойти α-частица, чтобы рассеяться на угол 90°, я смог показать, что ядро должно иметь очень малые размеры. Я также оценил величину заряда и получил, что она должна быть примерно в 100 раз больше заряда электрона е. Точной оценки сделать было невозможно, но все указывало на то, что ядро водорода должно иметь заряд е, заряд гелия 2е и т. д. Гейгер и Марсден исследовали рассеяние на различных элементах и установили, что степень рассеяния изменяется как квадрат атомного веса. Этот вывод был неточным, но вполне достаточным; он показывал, что заряд ядра приблизительно пропорционален атомному весу. К тому времени в нашей лаборатории преобладало представление о том, что заряд и атомный номер связаны между собой, и как раз тогда Мозли начал свои знаменитые опыты с X-лучами. Он показал, что рентгеновские спектры элементов изменяются регулярно и одинаково при переходе от одного элемента к следующему, причем все рентгеновские спектры элементов подобны, но сдвигаются но частоте при переходе от элемента к элементу. Согласно ядерной теории, рентгеновский спектр предположительно связан с движением электронов близ ядра, и экспериментальные результаты Мозли приводила к выводу, что характеристики рентгеновских спектров элементов зависят от квадрата целого числа, которое изменяется на единицу при переходе от одного элемента к следующему. Мозли предположил, что атомный номер соответствует заряду ядра, и, начиная с алюминия 13, он смог объяснить свойства рентгеновских лучей, испускаемых элементами вплоть до золота; в 1932 г. ряд этот был расширен до урана. Эта теория сразу же пока зала, каких элементов недостает в периодической таблице и куда следует обратить внимание для отыскании 310 новых элементов. Тогда стало ясно, что атомный вес, который химики считали раньше важнейшим показателем в периодической системе, должен быть заменен атомным номером и свойства всех элементов должны объясняться в зависимости от их номера. Существенный вопрос о тождественности атомного номера и заряда ядра был экспериментально промерен Чадвиком после войны. Это ядерное представление сразу же в общем виде объясняет существование изотопов: ядерный заряд управляет расположением электронов, а оно, в свою очередь, определяет химические свойства. Таким образом, ми должны предположить, что изотопы — это вещества с тем же самым зарядом, но с другой массой ядра. Как известно, ли полностью подтверждено последующими работами Астона. Теперь мы подошли к вопросу, с которым связано ими Нильса Бора: «Как расположены электроны во внешней части атома?» Я считаю первоначальную квантовую теорию спектра, выдвинутую Пиром, одной из наиболее революционных из всех когда-либо созданных в науке; и я не знаю другой теории, которая имела бы больший успех. Он был в то время в Манчестере и, твердо уверовав в ядерную структуру атома, которая твердо выяснилась в экспериментах по рассеянию, старался понять, как надо расположить электроны, чтобы получить известные спектры атомов. Основа его успеха лежит во внесении в теорию совершенно новых идей. Он внес в наши представления идею кванта действия, в также идею, чуждую классической физике, о том, что электрон может вращаться по орбите вокруг ядра, не испуская излучения. Выдвигая теорию ядерного строения атома, я вполне отдавал себе отчет в том, что согласно классической теории электроны должны падать на ядро, а Бор постулировал, что по некоторым неизвестным причинам этого не происходит, и на основе этого предположения он, как вы знаете, сумел объяснить происхождение спектров. Применяя вполне разумные допущении, он шаг за шагом решил вопрос о расположении электронов во всех атомах периодической таблицы. Здесь было много трудностей, так как распределение должно было соответствовать оптическим и рентгеновским спектрам элементов, но в конце концов Бор сумел предложить такое расположение электронов, которое показало смысл периодического закона, В результате дальнейших усовершенствовавшей главным образом внесенных самим Бором, и видоизменений, произведенных Гейзенбергом, Шредингером и Дираком, изменилась вся математическая теория, и были введены идеи волновой механики. Совершенно независимо от этих дальнейших усовершенствований и рассматриваю труды Бора как величайший триумф человеческой мысли. Чтобы осознать значение его работ, следует рассмотреть хотя бы только необычайную сложность спектров элементов и представить себе, что в течение 10 лет все основные характеристики этих спектров были поняты и объяснены, так что теперь теория оптических спектров настолько завершена, 311 что многие считают это исчерпанным вопросом, подобно тому как это было несколько лет назад со звуком. Теперь мы должны перейти к рассмотрению последующих идей о структуре самого ядра. В 1919 г. Я показал, что при бомбардировке α-частицами легкие элементы могут разрушаться с испусканием протона, т. е. ядра водорода. Поэтому мы предположили, что протон должен быть одной из структурных единиц, из которых состоит ядра других атомов, а теоретики старались объяснить свойства ядра комбинациями протонов и отрицательных электронов. Однако очень трудно объединить медленный и тяжеловесный протон с легким и подвижным электроном в таком ограниченное пространстве, как ядро и, когда Чадвик открыл существование незаряженной частицы – нейтрона, этот вопрос нашел, по-видимому, свое теоретическое решение. Тогда стало возможным предположить, что ядра атомов состоит из комбинации протонов и нейтронов, так что, например, кислород с зарядом 8 и массой 16 обладает 8 протонами и 8 нейтронами. Это была очень простая идея, значение которой состояло в том, что составляющие ядро частицы обладали одинаковой массой. Однако встал вопрос, как объяснить тот факт, что отрицательный электрон часто вылетает из ядра при радиоактивных превращениях и что положительный электрон проявляется при некоторых искусственных превращениях? В ответ на это теоретики предположили, что в ограниченном пространстве ядра, где силы взаимодействии между частицами огромны, протоны превращаются в нейтроны, и наоборот, Например, если нейтрон теряет отрицательный электрон, он переходит в протон, а если протон теряет положительный электрон, он становится нейтроном, так что в первом случае может испускаться отрицательная частица, а во втором — положительная. Электроны и позитроны не существуют в свободном состоянии в ядре, они связаны с нейтроном или протоном в зависимости от обстоятельств и могут высвобождаться лишь при определенных условиях, когда происходят большие изменения энергии внутри ядра. Я попытался дать общую характеристику тех основных представлений, с которых мы начали исследование этой проблемы 40 лет назад, а также того пути, по которому эти представления развивались. Я старался также показать, что никто не делает внезапных открытий. Наука продвигается вперед шаг за шагом, и труд любого человека зависит от труда его предшественников. Если до вас дошел слух о внезапном, неожиданном открытии, как говорится, гром среди ясного неба, можете быть уверены, что оно созрело в результате влияния одних людей на других, и именно это взаимное влияние открывает необычайные возможности прогресса науки. Успех ученых зависит не от идей отдельного человека, а от объединенной мудрости многих тысяч людей, размышляющих над одной и той же проблемой, и каждый вносит свою небольшую лепту в великое здание знания, которое постепенно воздвигается. Background to Modern Science, Cambridge, 1940, p. 47–74 312
