Превращение элементов

Казаков Борис Игнатьевич

В камере Вильсона, замечательном регистрирующем приборе, позволяющем сфотографировать пути летящей частицы, появились следы, со всей несомненностью указывающие на то, что частицы эти — протоны.

Этому явлению требовалось объяснение. Оно напрашивалось: бериллиевые лучи, обладающие огромной энергией, приводят в движение протоны, находящиеся в ядре лёгкого элемента. У массивных ядер такой процесс затруднён, поэтому и зарегистрированных камерой Вильсона протонов гораздо меньше.

Казалось бы, всё логично. Но вот беда: не сходится энергетический баланс. По величине пробега протонов представлялось возможным измерить их энергии, и это, конечно, было сделано. Результат измерения был ошеломляющим. Энергия лучей, под воздействием которых вылетали протоны, в десять с лишним раз превосходила энергию альфа-частиц первоисточника — полония. Возникал старый тривиальный вопрос: откуда энергия?

Супруги Жолио-Кюри опубликовали результаты

своей работы, не скрывая своих трудностей. Естественно, что многие учёные недоверчиво отнеслись к экспериментам Жолио-Кюри, так как они не дали удовлетворительного объяснения. Однако в лаборатории Резерфорда сообщению французов оказали исключительное внимание. Джеймс Чэдвик немедленно проверил эксперименты Жолио-Кюри и получил результаты, ещё более несовместимые с предположением об электромагнитной природе бериллиевых лучей. Их воздействию он подверг азот и аргон, значительно превосходящие своей массой водород, и также обнаружил появление частиц с большой кинетической энергией. Расчёт показал, что в таком случае энергия новых лучей должна превосходить исходную уже в 20 и 30 раз. Но не могло же быть так, что энергия этих лучей менялась в зависимости от того, на что они действовали. Всё это навело Чэдвика на мысль, что бериллиевое излучение вовсе не электромагнитной природы, а представляет собой поток частиц, по массе примерно равных протонам, но совершенно не имеющих заряда.

Так была открыта новая элементарная частица — нейтрон.

Открытие, можно сказать, было в руках у французских учёных, но оно выскользнуло, как сказочная жар-птица. Всего пять недель минуло с тех пор, как опубликовали Жолио-Кюри результаты своей работы, и вот англичанин строго и последовательно разбирает их, проверяет, ставит добавочные эксперименты и совершает открытие.

Не следует, однако, думать, что резерфордовскому ученику сильно повезло, что он счастливчик, волей сложившихся обстоятельств пожавший плоды трудов французских учёных. Совсем нет! Он был подготовлен к открытию, шёл к нему уже много лет. За двенадцать лет до описываемых событий Резерфорд высказал убеждение в том, что со временем должна быть обнаружена частица, не имеющая заряда. Он говорил об этом в так называемой бейкерианской лекции ещё в 1920 г. Ни Ирен, ни Фредерик Жолио-Кюри своевременно не ознакомились с текстом её, полагая, что в таких лекциях редко можно найти что-нибудь новое, прежде не публиковавшееся. По собственному признанию Фредерика Жолио-Кюри, если бы случилось иначе, то нейтрон почти наверняка был бы открыт в Париже раньше, чем в Кембридже.

Что же дала новая частица физикам-исследователям? Очень много. Появилась возможность обстреливать ядра элементов, не преодолевая отталкивающего их действия. Ведь нейтрон не имеет заряда, он электрически не взаимодействует ни с протоном, ни с электроном. Открылась перспектива, правда, ещё пока не совсем ясная, попадать в ядро тяжёлой частицей с большей лёгкостью, не прибегая к помощи циклопических установок.

В том же году советский учёный Д.Д.Иваненко и независимо от него немецкий — В.Гейзенберг разработали теорию строения атомного ядра, отличную от прежних представлений. В ядре нет никаких электронов, не надо больше задавать вопроса — почему они не слипаются? Ядро составлено из протонов и нейтронов. Этим и объясняется разница в массах изотопов. Ядро тяжёлого водорода, например, в своём составе имело один протон и один нейтрон, поэтому заряд этого изотопа оставался неизменным, тогда как масса была удвоенной. В скором времени, менее чем через два года, был открыт и ещё один изотоп водорода, названный тритием, или сверхтяжёлым водородом, у которого в ядре было два нейтрона и один протон. Каждый химический элемент стал рассматриваться теперь как совокупность атомов, располагающих одинаковым числом протонов в ядре и неодинаковым — нейтронов.

Не столь многообещающее, но тоже сильно впечатляющее открытие было сделано в том же году. Физик-теоретик П.Дирак предсказал существование своеобразного антипода электрона — частицы его массы, но противоположного заряда. Далеко не всех убедил этот учёный, однако при исследовании следов частиц космического излучения американец К.Андерсон нашёл этот антипод, который был назван позитроном. Видимо, сам он считал, что у него ещё недостаточно данных, чтобы твёрдо говорить о «внеземной» положительно заряженной частице, и первую публикацию об этом сделал не в научном, а научно-популярном журнале. Знаменитый физик Милликен вскоре показал Резерфорду фотографию, снятую в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле, на которой явственно был виден след частицы малой массы. След этой частицы изгибался в противоположную сторону от следа, оставляемого электроном. Появились в атомной физике новые загадки, но многое, до того необъяснимое, стало для учёных ясным и определённым, был получен импульс для новых поисков и исследований.

Как же повели себя супруги Жолио-Кюри после того,

как они «немного не дотянулись» до открытия нейтрона? Разочаровались в своих исследованиях и, что называется, опустили руки? Ничего подобного; наоборот, они повторили эксперименты Чэдвика и опубликовали сообщение, в котором подтверждали его вывод. Начался, по выражению Резерфорда, «бег на старте исследования», в котором лидировали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они стали систематически изучать, от каких веществ под воздействием альфа-частиц можно получить нейтроны. В октябре 1933 г. они выступили в Брюсселе на Сольвеевском конгрессе с сообщением о том, что под ударами альфа-частиц лёгкие элементы вроде алюминия испускают не только протоны, но и нейтроны и положительные электроны — позитроны. Но французов ожидал блистательный провал. Известный немецкий физик Лиза Мейтнер сказала, что она знакома с работами Жолио по предварительным сообщениям, повторила их эксперименты со всей тщательностью, но ничего, кроме эмиссии (испускания) протонов, обнаружить не смогла.

В несколько изменённом виде повторилось то, что в своё время было с Резерфордом. Некоторые участники брюссельской встречи восприняли доклад Жолио-Кюри с сожалением. Они заподозрили у Жолио-Кюри желание поспешным выступлением «отыграться» за неудачу с нейтроном. Только Нильс Бор, а затем и Вольфганг Паули ободрили французских учёных. Бор отвёл их в сторону и сказал, что считает полученные ими результаты очень важными. Эта, хотя и кулуарная, поддержка придала им силы и уверенности, несмотря на общее неприятие их выводов. Как знать, может быть, именно такой поворот событий и помог супругам Жолио сделать не менее важное открытие.

Не было бы счастья, да несчастье помогло.

Сразу же по возвращении в Париж супруги перепроверили всё, что ими было получено, убедились в своей правоте и продолжили опыты. В эти, по выражению биографа Фредерика Жолио, «враждебные дни» они старались «расчленить» свой эксперимент на отдельные этапы, максимально упростив его.

Они поставили себе целью ответить на вопрос: как зависит излучение нейтронов и сопутствующих им позитронов от скорости бомбардирующих атом альфа-частиц? Это изучалось постепенным отдалением от мишени радиоактивного источника. В одном из опытов источник альфа-частиц был убран совсем, а счётчик Гейгера, регистрирующий выделение из обстрелянной алюминиевой фольги заряженных частиц, продолжал щёлкать. Что-нибудь более непонятное было трудно придумать. Боясь ошибки, супруги попросили немецкого физика В.Гентера проверить исправность счётчика. Тот внимательно исследовал прибор и удостоверил, что он в полном порядке. Выходило, что алюминий после воздействия на него альфа-частиц сам становился радиоактивным. Волей-неволей вспомнилось давнее заблуждение, в которое впали и Резерфорд, и Мария Кюри, сделав вывод, что излучения радия или тория заставляют быть радиоактивными окружающие предметы. Выходит, что никакого заблуждения не было? Жолио-Кюри не затруднились измерить продолжительность эмиссии — 3 часа 15 минут. Называйте это как хотите — возбуждённая, наведённая, искусственная радиоактивность, но она — установленный факт! Получена даже фотография следов частиц с помощью камеры Вильсона в магнитном поле.

Сомнений нет: это те самые позитроны, которые предсказал Дирак, которые обнаружил Андерсон в составе космического излучения. Теперь они обнаружены на Земле, французские учёные вызвали их к жизни. Эксперименты были продолжены — заменены мишени. Под воздействием альфа-частиц возбудилась позитронная эмиссия у бора и магния. Измерили её продолжительность: в первом случае — 14 минут, во втором — 2 минуты 30 секунд.

Теперь надо объяснить, что происходит с мишенью, в частности с алюминием; картина представляется такой: поглотив альфа-частицу, атом алюминия увеличивает свой заряд на 2 и становится атомом фосфора; правда, несколько необычного, имеющего массовое число не 31, а 30.

Но как убедить в этом химиков? Для них присутствие химического элемента можно доказать, только проведя характерную аналитическую реакцию. Химической разницы у изотопов нет, потому не так уж и трудно показать присутствие фосфора, ибо известна специфическая реакция его обнаружения. Беда лишь в том, что существует-то этот фосфор в течение трёх с половиной минут, да и образуется его ничтожные доли миллиграмма. Жолио обратилась за содействием к знакомым химикам, но те ничем не могли помочь: не существует экспресс-анализ фосфора; требуется несколько часов, чтобы определить его наличие. Пришлось физикам стать в какой-то степени химиками. Они сами разработали метод, который дал им возможность зарегистрировать новообразованный фосфор. Облучённую альфа-частицами алюминиевую фольгу они быстро растворили, после чего в раствор ввели обычную фосфорную соль и туда же добавили реактив, осаждающий фосфор. Весь фосфор, как прибавленный, так и новообразованный, был отделён от алюминия. Поднесённый после этого к осадку счётчик Гейгера зарегистрировал своими щелчками выбрасывание фосфором заряженных частиц.