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. 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).

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 г. рожд.) 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 элементов. В 1935 г. супруги Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию по химии.

Деление ядра

В 1938 г. было замечено присутствие лантана в уране. Ган и Штрассман доказали, что это результат деления ядра урана. Фредерик Жолио-Кюри сразу оценил важность этого явления для высвобождения ядерной энергии: ведь в тяжелых элементах нейтронов в процентном отношении больше, чем в легких. Следовательно, при распаде высвобождаются “лишние” нейтроны. Отсюда просматривалась возможность цепной реакции. Идею использования ядерной энергии в военных целях подали иностранные ученые, эмигрировавшие в США: Л. Сцилард и Э. Теллер, а также В. Вайскопф и Э. Ферми. Первое испытание атомной бомбы было произведено 16 июля 1945 г. на воздушной базе Аламогордо в штате Нью-Мексико.

Космические лучи

Поднятые на значительную высоту электроскопы разряжались под действием какого-то ионизирующего излучения. В 1925 г. Милликен предложил название “космические лучи”, а в 1926 г. он доказал их внегалактическое происхождение. В 1927 г. Дмитрий Владимирович Скобельцын первым получил фотографию следов космических лучей в камере Вильсона. Энергия космических лучей, определенная отклонением их в электрическом поле, составляла порядка эВ. Оно состоит из альфа-частиц, электронов, протонов и нейтронов, позитронов и гамма-лучей. В 1932 г. Андерсон открыл позитрон, предсказанный Дираком в 1928 г., а в 1933 г. Блэкетт и Оккиалини подтвердили его открытие при исследовании космических лучей. После этого ученые-ядерщики заинтересовались космическими лучами.

В 1936 г. американскими физиками Андерсоном и Неддермейером при исследовании космических лучей были экспериментально обнаружены частицы, которые назвали мюоны. Это частицы с массой промежуточной между массой электрона и протона. В 1935 г. Юкава (Осакский университет) открыл “мезон” (частицу без такого названия с массой в 200-300 электронных масс) теоретически и сомневался в своем открытии, не имея экспериментального подтверждения. С 1947 г. исследования мезонов значительно продвинулись.

Английским физиком С. Пауэллом были открыты пи-мезоны, или пионы. Установлено, что масса мезона, открытого Андерсоном, равна приблизительно 290 электронным массам, а заряд может быть как положительным, так и отрицательным (пи-мезон, пион). Был открыт еще и мю-мезон, или мюон с массой 210 электронных масс, а также частицы с массой больше массы пиона (тяжелые мезоны), которые могут иметь отрицательный, положительный и нулевой заряд. Их время жизни обычно не превышает сотых долей микросекунды.

В настоящее время мюоны уже относят не к мезонам, а к лептонам, поскольку они имеют полуцелый спин (1/2), как электроны, протоны и нейтроны, в отличие от истинных мезонов (например пионов), обладающих нулевым или целочисленным спином. Несмотря на неточность работа Юкавы стояла у истоков физики элементарных частиц [42].

Число экспериментально обнаруженных "элементарных" частиц достигает в настоящее время нескольких сотен, а их классификация, оставаясь сложной, приобретает более стройные очертания на пути к созданию единой картины строения материи. Однако, полное количество микрочастиц не определено и, по мнению некоторых физиков, может быть даже бесконечным, хотя открытие каждой новой частицы стоит большого труда и материальных затрат.

Так называемые элементарные частицы теперь часто называют субъядерными, а к "истинно" элементарным относят например кварки, которые в свободном виде не наблюдались.

Источниками первичных (внеатмосферных) космических лучей, содержащих частицы гигантских энергий (до ) могут быть сильные электромагнитные поля звезд и Солнца, которые ускоряют попадающие в них заряженные частицы. О составе первичного космического излучения можно судить по измерениям на высотах, превышающих 20 км над поверхностью Земли.

16.7. Ядерные "силы" и цепная реакция

Так называемые ядерные силы - основная проблема физики ядра. Уже в 1910 г. Резерфорд опытами с рассеянием альфа-частиц показал, что силы ядра отличаются от сил классической механики. Ядерные силы не могут быть электрического происхождения, т.к. нейтрон лишен заряда. Гравитационными они также не могут быть, т.к. в раз сильнее их. Правда, понятие силы в физике ядра целесообразно заменить на "взаимодействие".

Первый ядерный реактор был построен и запущен 2 декабря 1942 г. в Чикаго под руководством Э. Ферми, который уехал из Рима в 1938 г. для получения Нобелевской премии в Швецию и не вернулся, эмигрировав в США. Атомная бомба была создана интернациональной группой ученых, работавших в Лос-Аламосе под руководством Роберта Оппенгеймера.

В СССР работы по атомному проекту начались под руководством Игоря Васильевича Курчатова (1903-1960). Первые его работы были посвящены физике диэлектриков. С 1932 г. интересы Игоря Васильевича перемещаются в область ядерной физики. В 1939 г. начинают работу над проблемой деления тяжелых ядер. Под его руководством Г.Н.Флеров и К.А.Петржак открывают самопроизвольный распад ядер урана. Г.Н.Флеров 1913 г. рождения, академик, директор лаборатории в Объединенном институте ядерных исследований с 1960 г. Исследовал возможность существования сверхтяжелых элементов.

В 1922 г. Владимир Иванович Вернадский становится директором вновь организованного Радиевого института в Ленинграде. Еще раньше, в 1921 г. был запущен радиевый завод: директор академик (впоследствии) Виталий Григорьевич Хлопин.

С конца 1942 г. Курчатов начал работу над атомным проектом, которая стала вестись интенсивно с марта 1943 г. 25 декабря 1946 г. в СССР была осуществлена цепная реакция урана (деления), а в августе 1948 г. была взорвана атомная бомба. 8 авг. 1953 г. была создана водородная бомба (сообщение ТАСС), а 12 августа 1953 г. она была испытана. С 1955 г. в СССР работает первая в мире атомная электростанция.