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 Чедвиком (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 вольт-электрон; частицы эти были названы Чедвиком нейтронами. Чедвик 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 соударениями 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 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 и 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 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 антидейтерия, изотопы антигелия , , 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.

Радиоактивный фосфор ³⁰P, испуская позитроны, превращается в стабильное ядро ³⁰Si 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».

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:

¹⁰B + ⁴He → ¹⁴N → ¹³N + нейтрон.

Благодаря избытку энергии ядро ¹⁴N очень неустойчиво и мгновенно разрушается, превращаясь в более устойчивое ядро ¹³N. Последнее затем медленно превращается в устойчивое ядро ¹³C, испуская позитрон e⁺:

¹³N → ¹³C + 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:

¹²C + ¹H → ¹³N.

Полученный таким путем радиоазот ¹³N 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».

1933 г. Искусственная радиоактивность

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 2–2-3·10⁶ 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

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.

Карл Андерсон (1905-1991)

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.