Глава XIX развитие ядерной физики и физики элементарных частиц в первой половине XX столетия

В

Открытие изотопов

1918 году возобновились исследования по ядерной физике, временно прерванные первой мировой войной. Так в Кембридже продолжил эксперименты по исследованию каналовых лучей Дж. Дж. Томсон.

Эти эксперименты были начаты Томсоном в 1912 году. Он работал с газоразрядной трубкой, в которой катод имел форму металлического цилиндра с просверленным вдоль оси симметрии каналом. Прошедший сквозь канал узкий пучок положительно заряженных частиц (которые получили название каналовых лучей) падал на экран или фотопластинку. Аналогично тому, как это делал В. Кауфман при исследовании катодных лучей, Томсон подвергал каналовые лучи одновременному воздействию электрического и магнитного полей, поперечных по отношению к направлению распространения лучей. При этом векторы и были направлены параллельно (либо антипараллельно) друг другу, так что отклонения положительных частиц в электрическом и магнитном полях оказывались взаимно перпендикулярными. В отличие от катодных лучей каналовые лучи представляют собой поток положительных ионов газа, содержащегося в разрядной трубке. Все ионы с одинаковыми удельным зарядом и начальной скоростью после прохождения в обоих полях попадали в одну и ту же точку фотопластинки. В итоге следы одинаковых частиц с различными скоростями образовали на фотопластинке параболу (метод парабол Томсона). По виду парабол можно было судить о величине удельного заряда частицы.

Проводя опыты с различными газами, Томсон обнаружил, что в случае, когда в разрядной трубке содержался неон, на фотопластинке наблюдались две параболы различной интенсивности. Более резкая парабола отвечала ионам с массой 20, другая – ионам с массой 22 а.е.м. В этих опытах Томсон фактически открыл существование различных изотопов одного и того же элемента. Собственно представление об изотопах было сформулировано Фредериком Содди в 1913 году; им же был введен термин «изотопы».

В 1919 году сотрудник Томсона Ф. Астон создал первый масс-спектрометр. В масс-спектрометре Астона ионы с различными скоростями испускались ионным источником в определенном направлении, и использовался принцип фокусировки ионов по скоростям. В первых же экспериментах Астон доказал существование различных изотопов у неона, хлора, криптона, ртути и других элементов.

Масс-спектрометр иного типа был сконструирован в 1918 году А. Демпстером. В масс-спектрометре Демпстера все ионы имели одинаковую скорость, но исходили из источника широким пучком, и фокусировка производилась по направлениям.

В

Открытие протона

1919 году была осуществлена первая в истории физики ядерная реакция в лабораторных условиях:

. (19.1)

Это открытие было сделано Резерфордом в Кембридже в Кавендишской лаборатории, которую он возглавил в 1919 году.

Открытие указанной ядерной реакции произошло при помощи прибора, использовавшегося для изучения ядер отдачи, возникающих при бомбардировке различных веществ частицами. Прибор представлял собой вакуумную камеру с окошком, закрытым тонкой фольгой, за которой располагался экран из люминесцирующего вещества. При попадании частиц на экран возникали вспышки, наблюдавшиеся в микроскоп. На противоположном конце камеры размещался препарат радия, испускающий частицы с энергией 7,7 МэВ, характеризующиеся пробегом в воздухе при нормальном давлении около 7 см. Камера откачивалась, а затем заполнялась исследуемым газом. Давление газа в камере подбиралось таким образом, чтобы пробег исследуемых частиц был в точности равен расстоянию от препарата до экрана. По известной зависимости пробега от давления вычислялся пробег частицы при нормальном давлении, и по формуле, связывающей пробег с энергией, находилась энергия частицы.

Изучая с помощью этого прибора возникновение ядер отдачи водорода, азота и кислорода при облучении этих газов частицами, Резерфорд обнаружил, что в случае азота наряду со сравнительно короткопробежными рассеянными частицами наблюдаются частицы с пробегами, более чем в четыре раза превышающими пробеги частиц. Именно такими максимальными пробегами обладали ядра отдачи водорода. Однако объяснить наблюдавшееся явление наличием в азоте примеси водорода было невозможно, так как эффект возрастал при переходе от воздуха к чистому азоту и, наоборот, исчезал при замене азота на кислород или двуокись углерода. При этом угловое распределение возникающих ядер водорода оказывалось более равномерным, чем следовало ожидать для ядер отдачи, летящих преимущественно вперед.

Поэтому Резерфорд предположил, что наблюдающиеся длиннопробежные ядра водорода обусловлены не упругим рассеянием частиц, а протеканием совершенно нового явления – ядерной реакции, в результате которой исходные ядра и превращаются в другие ядра и . «Из полученных результатов можно сделать вывод, – утверждал Резерфорд, – что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновениях частиц с азотом, являются не атомами азота, а, вероятно, атомами водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается под действием огромных сил, развивающихся при столкновении с быстрой частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть атома».

Таким образом, открытая Резерфордом ядерная реакция одновременно служила доказательством того, что ядро водорода представляет собой простейшую частицу, входящую в качестве составной части в ядра более тяжелых элементов. Отметим, что подобную гипотезу Резерфорд высказал еще в 1913 году. Впоследствии Резерфорд для этой составной части ядра предложил название «протон».

Наглядное и убедительное доказательство того, что при взаимодействии частицы с ядром азота происходит именно ядерная реакция (19.1), было дано в 1925 году П. Блэкеттом, который с помощью камеры Вильсона получил фотографию расщепления ядра азота частицей. На этой фотографии были отчетливо видны следы первичной частицы, вылетающего протона и образующегося ядра. Расчет массы этого ядра, выполненный на основе законов сохранения энергии и импульса, дал значение 16,72  0,42 а.е.м.

Вслед за азотом аналогичным методом были расщеплены ядра бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора, которые, подобно азоту, испускали длиннопробежные протоны.