Глава 3. Основные этапы развития ядерной физики

3.1. Предвоенный период

В январе 1896 г. в Париже стала известна статья Рентгена о новых лучах. Открытие Рентгена произвело сенсацию особенно тогда, когда появились фотографии внутренних органов живых людей. А. Беккерель задумал исследовать, не испускают ли такие же лучи и всякое другое фосфоресцирующее вещество. Он помещал кристаллы уранового соединения на фотопластинки, завернутые в черную бумагу, выставлял их на свет и затем проявлял. На фотопластинках были четкие очертания кристаллов. Беккерель сначала предположил, что под действием солнечного света кристаллы испускают лучи, проходящие через черную бумагу. Как выяснилось позднее, это излучение протекает самопроизвольно, независимо от наличия солнечного источника возбуждения. Таким образом, Беккерель открыл новое явление. 9 марта 1896 года появилась его первая статья о некоторых свойствах невидимых излучений урановых солей.

С 6.12.1897 г. природу нового вида излучения начала изучать М. Кюри, а с 05.02.1998 г. - П. Кюри. Во второй половине февраля 1898 г. они поняли, что наибольшей активностью обладает урановая смоляная руда, затем металлический уран и его соединения. М. Кюри сделала предположение, что в урановой смолке содержится неизвестный элемент, обладающий более высокой активностью, и что этими свойствами обладают минералы тория, не содержащие уран. Эксперименты для подтверждения этого предположения начались, и 18.07.1898 г. П. и М. Кюри пишут, что им удалось получить из урановой смолки очень активное сернистое соединение неизвестного металла, который предполагают назвать «полонием». Открытие «полония» было подтверждено в 1910 г. М. Кюри и А. Дебьерном.

26.12.1898 года П. и М. Кюри и Ж. Бемоном было сообщение об открытии радия. В этом сообщении впервые появился термин «радиоактивность». Отмечается, что радиоактивность сопровождается потерей массы исходного вещества и энергия радиоактивных веществ постоянно убывает. Радиоактивность - самопроизвольный распад ядер некоторых неустойчивых химических элементов.

Супруги Кюри ставят задачу получить препараты радия в количествах, необходимых для определения его атомного веса. На это потребовалось 45 месяцев напряженного труда. Было получено около 0,1 г хлористого радия. 26.03.1902 г. П. и М. Кюри нашли, что атомный вес радия равен 225,9 (точнее 226,05).

В 1903 году за исследование радиоактивности и открытие радия Нобелевской премии были удостоены М. Склодовская-Кюри, П. Кюри и А. Беккерель, а в 1911 году - М. Кюри-Склодовская - за получение радия в металлическом состоянии.

В 1899 году Э. Резерфорд открыл  - и  - излучения, а в 1903 году предсказал существование трансурановых элементов. Ему в 1908 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Э. Резерфорд член всех академий мира.

В1900 г. немецкий физик-теоретик М. Планк (1858 –1947) ввел новую универсальную постоянную, названную им элементарным квантом действия. Он сформулировал квантовую гипотезу, положив тем самым начало квантовой теории. В первые годы эта теория не имела успеха, пока ее не применил А. Эйнштейн и показал ее незаменимость для понимания явлений, происходящих в микромире.

В 1902-1903 г.г. Э. Резерфордом (физик) и Ф. Содди (радиохимик) создана теория радиоактивных превращений. Ф. Содди ввел понятие периода полураспада.

В 1905 году в немецком журнале «Annalen der Physik» появились три статьи А. Эйнштейна, каждая из которых могла бы обеспечит ему бессмертие. В работе «К электродинамике движущихся тел» изложены основы специальной теории относительности. В течение 1910 –1914 г.г. А. Эйнштейн (1879 - 1955) разработал общую теории относительности, в которой сформулирован новый подход к проблеме пространства и времени и на основе которой были объяснены исследования в области ядерной физики, не укладывающиеся в рамки классической физики.

В 1911 году Э. Резерфорд (1871 - 1937) сделал доклад в Манчестере «Рассеяние альфа- и бета-лучей и строение атома». Он установил наличие в атоме ядра диаметром примерно 10^-12 см, имеющего положительный заряд. Создана планетарная модель строения атома.

1913 год - Н. Бор (1885 - 1962) в серии статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике, развил и дополнил планетарную модель строения атома Э. Резерфорда. Уже квантовая механика несла в себе совершенно новые взгляды на микропроцессы. Так, в основу многих уравнений квантовой механики входило значение массы микрочастиц, а открытие спина (вращения) у электрона С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком (1925), т. е. собственного момента количества движения и выдвижение принципа запрета В. Паули (1925) противоречили существующим представлениям в физике.

1919 год - Э. Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, открыв протон.

₇ N¹⁴ + ₂He⁴ ₈O¹⁷ + ₁H¹

В 1922 году основан Радиевый институт АН (РИАН) во главе с В.И. Вернадским и тогда же сотрудниками РИАНа во главе с В.Г. Хлопиным удалось получить из отечественной руды первые образцы радия, которые демонстрировались в Париже. Позднее, в 1932 году, в РИАНе приступили к проектированию и сооружению ускорителя на 4 МэВа..

В 1923 году основан ЛФТИ во главе с А.Ф. Иоффе, ставшим школой физиков-ядерщи-ков, кузницей кадров ученых.

Наиболее важной в теории атомных взаимодействий оказалась гипотеза нейтрино, выдвинутая в 1931 г. В. Паули с целью объяснения кажущихся аномалий в энергетическом распределении электронов, вылетающих при бета-распаде. Нейтрино было четвертой элементарной частицей после электрона, фотона и протона, с которой столкнулись физики того времени.

Если природа электрона, фотона и протона могла считаться электромагнитной, то в отношении нейтрино сказать это было почти невозможно. Однако электромагнитная теория господствовала вплоть до 1932 года - открытия Д. Чедвиком пятой частицы - нейтрона.

История открытия нейтрона осуществлялась в следующей последовательности.

Еще в 1920 г. Э. Резерфорд выдвинул предположение о существовании нейтральной частицы.

В 1930 г. В. Боте и Г. Бекер сообщили о проникающем излучении, появляющемся при бомбардировке альфа-частицами ядер легких элементов. Особенно значительный эффект обнаруживался при бомбардировке бериллия. В качестве детектора использовался счетчик Гейгера. Они предположили, что наблюдаемое излучение представляет собой поток гамма-квантов высокой энергии.

Почти одновременно И. и Ф. Жолио-Кюри повторили опыт В. Боте и Г. Бекера, используя источник полония высокой активности. Детектором служила ионизационная камера. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. Помещая на пути потока частиц экраны из водородсодержащих веществ, они ожидали, что поток частиц уменьшится, но он даже увеличился. Ученые пришли к выводу, что столкнулись с каким-то новым явлением. Было установлено, что выбитые частицы приобретали значительную энергию и что в пространстве излучаются электроны высоких энергий и что энергия излучения Боте-Бекера гораздо больше энергии гамма-излучения.

В феврале 1932 г. Дж. Чедвик с помощью электронного оборудования и пропорционального усилителя измерил импульсы, возникающие при прохождении ядер и электронов через счетчики и разделил их. Он установил, что излучение состоит из электрически нейтральных частиц с массой, примерно равной массе ядра протона.

Днем открытия нейтрона можно считать 17 февраля 1932 года, когда Дж. Чедвик направил в печать статью «Возможное существование нейтрона». Открытие нейтрона указало на существование в природе нового типа сил - ядерных. Нейтрон - это золотой ключик, открывший путь в ядерную энергетику. Открытие нейтрона стимулировало появление новых фундаментальных направлений науки, таких как физика атомного ядра, физика элементарных частиц, а затем и нейтронная физика.

2 мая 1932 года - Кокрофт и Уолтон ускоренными протонами расщепили ядра бора, лития и алюминия.

В 1932 году в Москве основан ФИАН - физический институт академии наук СССР.

Август 1932 год - создание Д.Д. Иваненко (СССР) и независимо от него В.К. Гейзенбергом (Германия) протон-нейтронного строения ядер и предложил рассматривать нейтрон не как систему из протона и электрона, а как самостоятельную частицу – нейтрон. Модель устраняла трудности протон-электронной модели Э. Резерфорда и явилась основой современного понимания строения ядер.

В 1933 году Э. Резерфорд заявил: “Эти превращения атомов представляют исключительный интерес для ученых, но мы не может управлять атомной энергией в такой степени, чтобы это имело какую-нибудь коммерческую ценность. Я считаю, что вряд ли мы когда-нибудь способны это сделать. Наш интерес к этой проблеме – чисто научный”.

В 1934 году Ирен и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, используя реакцию

₁₃Al²⁷ + ₂He⁴ = ₁₅P^30* + ₀n¹

они получили искусственный радиоактивный изотоп ₁₅Р^30*.

₁₅P^30*  ₁₄Si³⁰ + ₊e