16.3. Искусственная радиоактивность и семейство микрочастиц
Протон. Еще в 1913 г. Резерфорд вместе с Нетоллом пришли к теоретическому открытию протона. Затем Резерфорд вместе с Чадвиком установили это экспериментально d 1919 u/. Окончательное подтверждение получил Блэкетт ученик Резерфорда. Из 23000 фотографий, содержащих 460000 траекторий, он в 8 случаях наблюдал вылет протона. Ядро азота после удара альфа-частицы испускает протон, превращаясь в изотоп кислорода:
Опыт повторили ряд физиков и среди них - Гейнц Позе. Речь идет об исторически первом случае искусственного превращения элементов (алхимия!).
К этому времени началось создание высоковольтных установок и ускорителей. А в 1932 г. американский физик Лоуренс получил ускоренные до энергии 1,25 МэВ протоны на изобретенном им циклотроне. Для ускорения электронов циклотроны не подходят, поскольку электрон успевает приобрести большую массу. Малое количество образующихся протонов (несколько десятков на миллион альфа-частиц) показало, что альфа-частицы не годятся для получения протонов. Экспериментаторам помогла теория Джорджа (Георгия Антоновича) Гамова (1904-1968), бывшего сотрудника Ленинградского физико-технического института, уехавшего в 1934 г. в США. Он в 1928 г. разработал теорию проникновения альфа-частицы в ядро. Физики не понимали, как альфа-частицы сравнительно небольшой энергии могли пробить отталкивающий барьер ядра. Гамов же считал, что здесь проявляются волновые свойства альфа-частиц, а если барьер очень тонкий, то даже частица с недостаточной энергией может в него проникнуть. Это “эффект Гамова” или “туннельный эффект”. Теория Гамова показала, что частица с меньшей массой (протон) проникает в ядро легче (в 32 раза).
16.4. Циклотрон
Напряжение в миллион вольт в тридцатые годы было редкостью. Поэтому американский физик Эрнест Лоуренс (1901-1960) достиг ускорения заряженных частиц другим способом, воспользовавшись результатом немецкого физика Видроэ, который ускорял частицы импульсным методом. Первая такая установка была сконструирована Лоуренсом с помощником в 1930 г. и имела 10 см в диаметре. Она была собрана из стекла и сургуча. Затем была создана металлическая установка, которая при напряжении 2000 В могла ускорять протоны до 80000 эВ. Затем - до 1,25 МэВ при диаметре 28см.
1932 год - год рождения циклотрона. Принцип действия резонансный. Электроны движутся по спирали, получая импульсное питание, в сильном магнитном поле между дуантами электромагнита. Диаметр дуантов определяет размеры циклотрона и энергию ускоренной частицы. Протоны с энергией в несколько МэВ проходят в воздухе 1,5 м. Для ускорения электронов были разработаны фазотрон, синхротрон и бетатрон. Первые два были созданы Владимиром Иосифовичем Векслером (1907-1966) и Мак-Милланом.
1932г. был годом великих открытий: открытие позитрона, превращения материи в энергию, открытие нейтрона и дейтерия. Нейтрон открыл английский физик Джеймс Чадвик, используя наблюдение супругов Жолио-Кюри, заключавшееся в том, что при ядерных исследованиях парафин многократно увеличивает ионизацию.
Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904 - 1994) высказал предположение, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. До этого ведь считали, что ядро состоит, из протонов и электронов или из групп “полугелия” (Ж. Перрен и др.). Вскоре В. Гейзенберг сделал расчет устойчивости такого ядра.
В 1934 г. Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность. Они же годом раньше открыли испускание позитронов при бомбардировке альфа-частицами легких элементов.
Узнав об опытах супругов Жолио-Кюри, Энрико Ферми (1901-1954) решил получить радиоактивные элементы бомбардировкой нейтронами. Парадоксальным казался факт, что медленные нейтроны лучше быстрых вызывают ядерные превращения. Почти все химические элементы при бомбардировке медленными нейтронами давали радиоактивные изотопы. Искусственная радиоактивность заключалась в испускании позитронов при бомбардировке альфа-частицами ряда химических элементов33. В 1935 г. супруги Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию по химии.