Курс истории физики

Текст добавлен: 7 октября 2016, 12:05

Текст книги "Курс истории физики"

Автор книги: Кудрявцев Степанович

Жанр:

Физика

сообщить о нарушении

Текущая страница: 44 (всего у книги 48 страниц)

Назад к карточке книги

История открытия нейтрона

История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную реакцию, бомбардируя ядра атома а-частицами. Этим методом удалось также осуществить искусственные реакции с ядрами бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора. При этом вылетали длиннопробежные протоны. В дальнейшем удалось расщепить ядра неона, магния, кремния, серы, хлора, аргона и калия. Эти реакции были подтверждены опытами венских физиков Кирша и Петтерсона (1924), которые утверждали также, что им удалось расщепить ядра лития, бериллия и углерода, чего не удалось сделать Резерфорду и его сотрудникам.

Разгорелась дискуссия, в которой Резерфорд оспаривал расщепление указанных трех ядер. Недавно О. Фриш высказал предположение, что результаты венцев объясняются участием в наблюдениях студентов, стремившихся «угодить» руководителям и видевших вспышки там, где их не было.

В 1930 г. Вальтер Боте (1891-1957) и Г. Беккер бомбардировали бериллий а-частицами полония. При этом они обнаружили, что бериллий, а также бор испускают сильно проникающее излучение, которое они отождествили с жестким у-излучением.

И января 1932 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доложили на заседании Парижской Академии наук результаты исследований излучения, открытого Боте и Беккером. Они показали, что это излучение «способно освобождать в водородсодержащих веществах протоны, сообщая им большую скорость».

Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

В следующем сообщении, сделанном 7 марта 1932 г., Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали фотографии следов протонов в камере Вильсона, выбиваемых из парафина бериллиевым излучением.

Интерпретируя свои результаты, они писали: «Предположения об упругих столкновениях фотона с ядром приводят к затруднениям, состоящим, с одной стороны, в том, что для этого требуется квант со значительной энергией, и, с другой стороны, в том, что этот процесс происходит слишком часто. Чедвик предлагает допустить, что излучение, возбуждаемое в бериллии, состоит из нейтронов – частиц с единичной массой и нулевым зарядом».

Результаты Жолио-Кюри поставили под угрозу закон сохранения энергии. В самом деле, если попытаться интерпретировать опыты Жолио-Кюри, исходя из наличия в природе только известных частиц: протонов, электронов, фотонов, то объяснение появления длиннопробежных протонов требует рождения в бериллии фотонов с энергией в 50 МэВ. При этом энергия фотона оказывается зависящей от вида ядра отдачи, используемого для определения энергии фотона.

Эту коллизию разрешил Чедвик. Он помещал бериллиевый источник перед ионизационной камерой, в которую попадали протоны, выбитые из парафиновой пластинки. Располагая между парафиновой пластинкой и камерой поглощающие экраны из алюминия, Чедвик нашел, что бериллиевое излучение выбивает из парафина протоны с энергией до 5,7 МэВ. Для сообщения протонам такой энергии фотон должен сам обладать энергией в 55 МэВ. Но энергия ядер отдачи азота, наблюдаемая при таком же бериллиевом излучении, оказывается равной 1,2 МэВ. Чтобы передать азоту такую энергию, фотон излучения должен иметь энергию по меньшей мере 90 МэВ. Закон сохранения энергии несовместим с фотонной интерпретацией бериллиевого излучения.

Чедвик показал, что все трудности снимаются, если предположить, что бе-риллиевое излучение состоит из частиц с массой, равной примерно массе протона, и нулевым зарядом. Эти частицы он назвал нейтронами. Чедвик опубликовал статью о своих результатах в «Трудах Королевского общества» за 1932 г. Однако предварительная заметка о нейтроне была опубликована в номере «Nature» от 27 февраля 1932 г. В дальнейшем И. и ф. Жолио-Кюри в ряде работ 1932-1933 гг. подтвердили существование нейтронов и их свойство выбивать протоны из легких ядер. Они установили также испускание нейтронов ядрами аргона, натрия и алюминия при облучении а-лучами.

История открытия нейтрона

Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.

Протонно-нейтронная модель ядра

28 мая 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко опубликовал в «Nature» заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Он указал, что такая гипотеза решает проблему азотной катастрофы. В самом деле, по этой гипотезе ядро азота состоит из 14 частиц —7 протонов и 7 нейтронов и, таким образом, подчиняется статистике Бозе, как это было показано в 1930 г. Разетти из исследований рамановского спектра. В июне 1932 г. с большой статьей о протонно-нейтронной модели ядра выступил В. Гейзенберг.

Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Она, как казалось, противоречила испусканию электронов ядрами в р-распаде. Гейзенберг вспоминал в 1968 г., что за предположение об отсутствии электронов в ядре его «довольно сильно критиковали самые крупные физики». Ион справедливо заключал, что это показывает, «как на самом деле трудно отказаться от вещей, которые кажутся настолько очевидными, что принимаются априорно». В соответствии с терминологией Аристотеля очень трудно отказаться от «явного для нас» для «явного по природе».

Идея о строении ядер только из тяжелых частиц с трудом принималась физиками. Мысль о том, что электронов внутри ядра нет, была высказана Дираком еще в 1930 г., но была законсервирована. Открытие нейтрона многими рассматривалось как несущественное – просто открыто сложное образование протона и электрона, так думал еще Резерфорд. Простую картину мира, в которой фундаментальными «кирпичиками мироздания» были протон и электрон, никто не хотел усложнять введением новых частиц.

В сентябре 1933 г. в Ленинграде состоялась конференция по атомному ядру, в которой принимали участие и иностранные ученые, ф. Жолио (он тогда еще не носил двойной фамилии) сделал два доклада: «Нейтроны» и «Возникновение позитронов при материализации фотонов и превращение ядер». П. Дирак сделал доклад о теории позитрона; ф. Перрен – о моделях ядра. С докладом о модели ядра выступил и Д. Д. Иваненко. Он энергично защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. «Появление электронов, позитронов и пр., – говорил Иваненко, – следует трактовать как своего рода рождение частиц, по аналогии с излучением светового кванта, также не имевшего индивидуального существования до испускания из атома». Д.Д.Иваненко отверг идеи 1) сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы «должны, по-видимому, обладать одинаковой, степенью элементарности» т. е. и нейтрон и протон, обе элементарные частицы, могут переходить друг в друга, испуская электрон или позитрон. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы – нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой.

Космические лучи. Открытие позитрона

В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица – позитрон.

Еще в 1899 г. М. Склодовская-Кюри, пытаясь объяснить происхождение радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все мировое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель, описывая свои и Эльстера опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О результатах своего эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в ноябрьском номере «Physikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милладсена и советского физика Л. В. Мысовского (1888-1939), было подтверждено предположение Гесса и изучены свойства космического излучения.

Милликен и Мысовский, проведя измерения под водой, показали огромную проникающую способность этих лучей. Милликен считал космическое излучение чрезвычайно жесткими у-лучами, и эта точка зрения была общепринятой до 30-х годов XX в.

В 1929 г. советский физик Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы—электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.

В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале.

Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон.

Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность». В теории относительности существует для энергии соотношение:

Обычно знак минус отбрасывается как не имеющий физического смысла. Область положительных и отрицательных значений энергии была разделена конечным промежутком +m0с² – (—m0с²) = 2m0с². Поскольку в классической теории энергия меняется непрерывно, отрицательные значения энергии отбрасываются. В квантовой теории скачок энергии от отрицательных к положительным значениям допустим. «В квантовой теории, – писал Дирак в 1930 г. в своей книге «Основы квантовой механики», – могут происходить и прерывные переходы, и если электрон первоначально находится в состоянии с положительной кинетической энергией, то он может перескочить в состояние с отрицательной кинетической энергией. Поэтому уже нельзя игнорировать существование состояний с отрицательной энергией, как можно было поступить в классической теории».

В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон Наблюдаем^ только электроны с положительной энергией. «Электроны, – пишет Дирак, -распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».

Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам»-

Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц. На Ленинградской конференции 1933 г. Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными Энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицав тельной энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».

Естественно, что на незанятый уровень отрицательной энергии может переходить электрон с положительной энергией, излучая избыточную энергию 2m0с² в виде квантов у-лучей.

«Согласно теории Дирака, – писал Ф. Жолио, – положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях. Энергия каждого из фотонов составляет 0,5 • 10е эВ; сумма этих энергий, равная 106 эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов».

Существует и обратный процесс – «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».

На Ленинградской конференции Жолио демонстрировал фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон – позитрон.

Ускорители

Богатый событиями в ядерной физике 1932 г. ознаменовался и другими важными достижениями в этой области. Главнейшим из этих достижений было расщепление ядра лития искусственно ускоренными протонами. Еще в 1922 г. Резерфорд, сравнивая ядра с хорошо защищенной крепостью, указывал, что «лишь а-частицы, как наиболее концентрированные источники энергии, являются наиболее подходящими для нападения на эти хорошо защищенные сооружения». Далее он говорил: «Если бы в нашем распоряжении были заряженные атомы с энергией, в десять раз превосходящей энергию а-частицы радия, то, вероятно, мы могли бы проникнуть в нуклеарную структуру всех атомов, а иногда вызвать их разрушение».

Частицы, ускоряемые сегодня на Серпуховском ускорителе, обладают энергией, в тысячу раз большей, чем та, о которой мечтал Резерфорд. Путь к получению частиц высокой энергии начался в 30-х годах. Именно тогда начали разрабатывать ускорители заряженных частиц. Уже в 1928 г. с помощью последовательно соединенных трансформаторных обмоток удалось получить напряжение 750 кВ. В 1931 г. Ван-де-Грааф построил электростатический ускоритель, позволяющий ускорить ионы до нескольких миллионов электрон-вольт.

В 1930 г. в Кембридже Кокрофт и Уолтон, применяя каскадный метод увеличения напряжения, получили водородные ионы, ускоренные до нескольких сот киловольт. В 1932 г., направляя усиленные таким образом ионы на литиевую мишень, они осуществили расщепление ядра 3Li7 на два ядра гелия. Ядра гелия разлетались с энергией около 8,5 МэВ. Это была первая ядерная реакция, осуществленная на ускорителе, и авторы ее Джон Кокрофт (1897-1967) и Э. Уолтон были удостоены в 1951 г. Нобелевской премии.

В 1931 г. Слоан и Лоуренс (1901-1958) построили линейный ускоритель ионов, в котором ионы, проходя через ряд цилиндров увеличивающейся длины, ускорялись высокочастотным напряжением, подобранным так, что в зазоре между цилиндрами ионы попадали в ускоряющую фазу.

Но особенно важным для развития ядерной физики было создание циклического ускорителя – циклотрона.

Принцип циклотрона был предложен Лоуренсом и Эдлефсеном в 1930 г. В 1932 г. под руководством Лоуренса был построен циклотрон с диаметром полюсных наконечников 28 см, ускоряющий протоны до 1,2 МэВ. В 1939 г. Лоуренс за изобретение циклотрона был удостоен Нобелевской премии.

В июле 1932 г. на V Международной конференции по электричеству состоялось обсуждение проблем ядерной физики. С обзорным докладом «Современное состояние физики атомного ядра» выступил Энрико ферми. В этом докладе ферми все еще держался гипотезы: «Все атомные ядра состоят из двух частиц – электронов и ядер водорода (протонов)». Далее ферми указывал, что некоторые ядра «обладают собственным механическим моментом», выраженным целым или полуцелым числом в единицах h/2п Существование момента ядра обнаруживается в таких явлениях:

а) чередование интенсивностей в полосатых спектрах;

б) сверхтонкая структура спектральных линий атомов.

ферми указывал далее, что «любая система из протонов и электронов должна:

а) подчиняться статистике Бозе – Эйнштейна или принципу Паули в зависимости от того, является ли число частиц этой системы четным или нечетным;

б) иметь собственный момент, равный целому числу или кратному целому числу, деленному на 2, в зависимости от того, четно или нечетно число частиц в системе».

Ядро азота не подчиняется этим правилам, согласно которым для ядра азота должен быть справедлив принцип Паули, в то время как наблюдения Разетти над раман-эффектом для молекулы азота показали, вне всякого сомнения, что для ядра азота справедлива статистика Бозе – Эйнштейна. «Отсюда был сделан вывод, – пишет ферми, – что эта аномалия возникает вследствие того, что ядро атома азота содержит нечетное число электронов».

Как видно, в июле 1932 г. азотная катастрофа продолжала существовать.

Ферми подробно останавливается на теории а-распада, предложенной Гамовым в 1928 г. Гамов (1904-1968), а также Герни и Кондон (1902-1974) применяли к испусканию а-частицы ядром идеи волновой механики, развитые для анализа прохождения частиц через потенциальный барьер. Эта теория была одним из достижений новой квантовой механики.

В отношении в-распада существует трудность, связанная с непрерывным спектром энергии в-частиц. «Этот факт, – писал ферми, – имеет большую теоретическую важность, поскольку он, по-видимому, находится в противоречии со всеми теориями атомного ядра, в которых предполагается справедливость принципа сохранения энергии». Ферми упоминает о гипотезе Паули, предпринятой для объяснения этого противоречия. Он пишет: «Согласно предположению Паули было бы возможно вообразить, что внутри атомного ядра находятся нейтроны, которые испускались бы одновременно с (3-частицами. Эти нейтроны могли бы проходить через большие толщи вещества, практически не теряя своей энергии, и потому были бы практически ненаблюдаемы».

Ферми пришлось употребить в своем докладе слово «нейтрон» дважды. В заключительных заметках он говорит об интерпретации Чедвиком берил-лиевого излучения:

«Продолжая опыты Боте, а также И. Кюри и ф. Жолио, Чедвик сумел доказать, что излучение бериллия способно сообщить движение также ядрам тяжелее протона; в связи с этим он выдвинул гипотезу, что излучение бериллия представляет собой не у-лучи, а нейтроны с массой, равной массе протона».

Термин «нейтрон» сохранился для нейтральных частиц с массой протона. «Нейтроны» же Паули по предложению ферми были названы на Сольвеевском конгрессе 1933 г. «нейтрино». На конгрессе же 1932 г. ферми пришлось давать разъяснение по поводу термина «нейтрон» в р-распаде. Ему резонно возразили, что нейтроны из-за их массы не могут играть той роли, какая им приписывалась гипотезой Паули, ферми отвечал, что «такими нейтронами являются не те, которые были открыты, но нейтроны с гораздо меньшей массой». Именно ферми в дальнейшем удалось построить теорию (в-распада, основанную на гипотезе нейтрино.

В 1933 г. происходило освоение идей, внесенных в ядерную физику. Помимо уже упоминавшейся конференции по атомному ядру, состоявшейся в Ленинграде в сентябре 1933 г., проблемы ядра обсуждались на Седьмом Сольвеевском конгрессе, состоявшемся в октябре 1933 г. Конгресс был очень представительным, председательствовал П. Ланжевен. В работе конгресса принимали участие Э. Резерфорд, Н. Бор, М. Склодовская-Кюри, Дж. Чед-вик, П. Блэккет, Дж. Кокрофт, В. Боте. В. Гейзенберг, Э. Шредингер, В. Паули, Э. ферми, Луи де Бройль, П. Дирак и другие физики. От советских ученых в конгрессе принимал участие А. ф. Иоффе.

На конгрессе большое место заняли выступления сотрудников Кавендиш-ской лаборатории во главе с Резерфор-дом. Кокрофт доложил о своих и Уолтона опытах по расщеплению ядер лития ускоренными протонами, Чедвик сделал доклад об открытии нейтрона, об открытии нейтрона говорили также ф. Жолио и И. Кюри, Блэккет рассказал об открытии позитрона, в котором важную роль сыграли его и Оккиалини исследования с использованием камеры Вильсона, управляемой счетчиками Гейгера – Мюллера. В этих исследованиях были открыты ливни космических частиц, состоящие из позитронов и электронов.(Первые ливни были открыты Д. В. Скобельцыным еще в 1929 г ) Лоуренс доложил об опытах с циклотроном, Гейзенберг – о протонно-нейтронной модели ядра.

Новые идеи прозвучали на Сольвеевском конгрессе во весь голос, их горячо поддерживал основоположник науки о ядре Э. Резерфорд. «Центральной фигурой на Сольвеевском конгрессе, – вспоминал Бор, – был, конечно, Резерфорд, как всегда с необыкновенной энергией принимавший участие во многих дискуссиях». Его ученики и он сам много способствовали развитию «современной алхимии», как называл Резерфорд науку о превращении ядер. Это было последнее его участие в Сольвеевском конгрессе, да и сам конгресс по существу был последним. Международное научное общение было нарушено захватом власти в Германии фашистами и второй мировой войной.

Заметим, что протонно-нейтронная модель ядра, предложенная Иваненко, была активно поддержана Гейзенбергом. Она была высказана Майораной, опубликовавшим в 1933 г. статью о модели ядра, состоящего из протонов и «нейтральных протонов». Период протонно-электронной модели ядра кончился, начался новый плодотворный период в развитии ядерной физики, проходивший под знаком протонно-нейтронной модели ядра.