Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 31 страниц)

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДЕР

Как только стали известны результаты первых измерений Фрэнсиса Астона и его заключение о целочисленности атомных масс всех изотопов, тотчас же возродилась гипотеза

Праута, согласно которой все элементы е природе построены путем последовательной конденсации из атомов водорода. Правда, принять эту гипотезу окончательно мешало то обстоятельство, что заряд ядра и его массовое число не равны между собой. Но сразу же во многих местах – Резерфорд в Англии, Харкинс в США, Мэссон в Австралии – предположили, что все ядра атомов построены из протонов и некоторых других, нейтральных, частиц, которые представляют собой очень компактные системы, состоящие из протона и электрона. Такую систему Резерфорд тогда же, несколько поспешно, назвал «нейтроном» (настоящий нейтрон будет открыт 12 лет спустя). Оставался, однако, нерешенным один важный вопрос: какие силы удерживают протоны внутри ядра? В то время уже знали, что размеры ядер во всяком сЛучае меньше, чем 10“¹² см, а силы электрического отталкивания на таких расстояниях огромны.

Чтобы дать представление об этих силах, предположим, что нам удалось разделить электроны и протоны из 1 г водорода и разнести их на расстояние 1 км друг от друга. Даже в этом случае они будут притягиваться с неправдоподобной силой: 6-Ю⁵ т, то есть полмиллиона тонн. Электрон и протон в атоме водорода удалены друг от друга в среднем на расстояние 0,5-10~⁸ см, поэтому силы притяжения между ними поистине огромны. Если заменить электрон протоном, то возникнут точно такие же силы отталкивания. А если учесть, что для образования сложного ядра протоны нужно сблизить до расстояния 10^-12 см, то сразу становится ясно, что для этого нужны специальные ядерные силы.

В 1915 г., еще до точных измерений Астона, американский физик Уильям Дрэпер Харкинс (1873—1951) предположил, что источником таких сил может служить как раз энергия, запасенная в ядре. Он предсказал, что атом гелия должен быть легче тех четырех атомов водорода, из которых он, согласно гипотезе Праута, образован. Он утверждал далее, что именно эта разница масс А/п = 4А_н —А_Не, которую он назвал «дефектом массы», обеспечивает устойчивость ядра гелия, а энергия АЕ = Ат-с², ей соответствующая, удерживает протоны в ядре, несмотря на силы электрического отталкивания между ними. Энергию электрического отталкивания можно оценить по известному закону Кулона:

Учитывая, что заряд протона е = 4,8-10 ¹⁰ ед. СГСЭ, а среднее расстояние между протонами в ядре гелия 240

а«2-10 ¹³ см, найдем

г (4,8.10-’° ед. СГСЭ)²_, _{t 1Л}_₆

эрг = 0,7

МэВ.

~FTo^'cm ’

Это очень много, но все же меньше, чем энергия ядерного притяжения. Теперь хорошо известно, что ядро любого атома построено из нуклонов, то есть из протонов и нейтронов, массы которых немного различаются между собой:

Шр= 1,007276 а.е.м., нг_п = 1,008665 а.е.м.

При объединении двух протонов с двумя нейтронами возникает ядро гелия (а-частица) с массой т_а=4,001506 а. е.м., то есть дефект массы ядра гелия

Am = 2m_p + 2m_n – т_а=0,030377 а.е.м.,

а его энергия связи

Е = Ат-с² = 0,030377* 931,5 МэВ = 28,3 МэВ

в 40 раз больше, чем энергия электрического отталкивания протонов в ядре.

Можно ввести, наконец, некоторую среднюю характеристику прочности ядра, которую называют энергией связи нуклона в ядре Ei и которая равна полной энергии связи, деленной на число нуклонов в ядре. Например, для гелия Ei=28,3 МэВ/4 = 7,1 МэВ. Для более тяжелых ядер энергия связи нуклона вначале возрастает (то есть ядра становятся прочнее), достигает максимума Ei=8,5 МэВ примерно в середине таблицы Менделеева для элементов, расположенных вблизи олова, и затем вновь монотонно уменьшается до значения Ei==7fi МэВ для ядра урана. (Для сравнения напомним, что энергия химической связи между двумя атомами водорода в молекуле равна 4,5 эВ, то есть более чем в миллион раз меньше, а для испарения молекулы воды, то есть для преодоления притяжения между молекулами, достаточно затратить всего около 0,1 эВ.)

При чтении этой главы могло сложиться впечатление, что ядерная физика – очень простая наука. В самом деле, для выяснения источников энергии радиоактивного распада и понимания причины стабильности большинства ядер достаточно знать формулу Эйнштейна Е = тс², значения масс изотопов и четыре правила арифметики. Однако эти простые вычисления не помогают ответить на вопрос: почему распадаются ядра радиоактивных элементов? Ведь для того чтобы вырвать из ядра урана хотя бы один нуклон, надо затратить энергию АЕ|=7,6 МэВ, а а-частица состоит из четырех нуклонов! Так что же заставляет а-частицы покидать ядра урана, радия и других радиоэлементов, и притом с энергией в несколько мегаэлектронвольт?

Ответ на этот вопрос будет получен только в 1928 г.– через 3 года после создания квантовой механики и через 32 года после открытия радиоактивности.

ВОКРУГ КВАНТА

Уран

В 1789 г., в год Великой французской революции, немецкий химик и натурфилософ Мартин Генрих Клапрот (1743—1817) впервые выделил окись урана UO2. Лишь полстолетия спустя, в 1841 г., французский ученый Эжен Пе-лиго (1811 —1890) выделил уран в чистом виде. Оказалось, что это – тяжелый металл серо-стального цвета с плотностью 19,04 г/см³ и точкой плавления 1132 °C. По виду он похож на серебро, по тяжести – на платину, по химическим свойствам – на вольфрам. Вначале ему приписывали атомную массу 120, но в 1874 г. Д. И. Менделеев исправил ее на 240. Сейчас хорошо известно, что природный уран состоит из смеси двух изотопов: на 99,28 % из урана-238 и на 0,72 % – из урана-235.

Урана в земле довольно много: в среднем в каждом грамме земной породы содержится 3«10“⁶ г урана, то есть больше, чем свинца, серебра и ртути. В граните его еще больше: 25 г на каждую тонну гранита. Известно около 200 соединений и минералов урана, среди которых особое место занимает UF6 – бесцветные кристаллы, которые уже при 56,5 °C превращаются в ядовитый газ. Это – единственное известное газообразное соединение урана, и не будь его, разделить изотопы урана было бы намного сложнее.

Периоды полураспада ядер урана чрезвычайно велики: 7,1 «10³ лет для ²92U и 4,5* 10⁹ лет для ²92U. Кроме этих двух изотопов известны еще 12 изотопов урана, самый короткоживущий из которых ²9гП имеет период полураспада 1,3 мин.

Земля и радий

Было давно известно, что при спуске в шахту температура Земли повышается примерно на 3° на каждые 100 м. Этот факт объясняли вполне естественно: когда-то Земля была раскаленным шаром, с тех пор постепенно остывает и поэтому внутри она горячее, чем снаружи. Однако, когда Уильям Кельвин в середине прошлого века вычислил время остывания, оно оказалось необычайно малым: меньше 100 млн. лет.

Этот результат немало обескуражил Чарлза Дарвина, поскольку для эволюции видов нужны громадные промежутки времени, и притом уже на остывшей Земле. (Он даже сделал соответствующие оговорки во втором издании своего знаменитого труда «Происхождение видов».) Геологи также решительно воспротивились: для объяснения наблюдаемых фактов им необходимо было по крайней мере в десять раз большее время существования остывшей Земли. Спор этот между физиками – с одной стороны, и биологами и геологами – с другой, длился довольно долго и прекратился по молчаливому обоюдному согласию ввиду его очевидной бесплодности.

Открытие радиоактивности позволило возвратиться к этой проблеме на новой основе. Было сразу же замечено, что если в каждом грамме вещества земного шара содержится хотя бы 10“¹³ г радия, то этого количества вполне достаточно, чтобы поддерживать внутреннюю температуру Земли на постоянном уровне за счет тепла радиоактивного распада. Как показали дальнейшие анализы, в каждом грамме земных недр содержится 10~⁶ г урана и, следовательно, 3« 10“¹³ г радия, то есть даже больше, чем это необходимо. В связи с этим геологи склонны сейчас считать, что Земля вовсе не остывает, а, наоборот, разогревается изнутри благодаря энергии распада радиоактивных веществ. (Одним из первых в 1910 г. к этой мысли пришел русский ученый Алексей Петрович Соколов (1854—1928).) Общий поток теплоты от распада радиоактивных элементов на поверхности Земли равен 3*10¹³ Вт, то есть примерно в три раза превышает мощность всей энергетики мира.

Что же касается действительного возраста Земли, то его можно сразу оценить, определив относительную концентрацию свинца в урановой руде. В самых древних урановых рудах примерно пятая часть урана распалась до свинца, то есть возраст этих пород никак не меньше 1 млрд. лет.

Рыцари пятого знака

«Часы, весы и масштаб – символы прогресса»,– писал Джемс Клерк Максвелл более ста лет назад. На протяжении всей книги мы неоднократно отмечали значение точных измерений в физике и ту роль, которую они играют в установлении новых законов природы. Такая работа выглядит буднично и не поражает, как правило, воображение юношества, но это – хлеб физики, без которого точные науки немыслимы^ «В наше время,– любил повторять Майкельсон,– новые законы природы можно открыть только в пятом знаке после запятой». Сам он был подлинным энтузиастом точных измерений: достаточно вспомнить измерение диаметра звезды Бетельгейзе, создание оптического эталона метра и знаменитый опыт Майкельсона – Морли, доказавший отсутствие эфирного ветра (Нобелевская премия 1907 г.).

Открытие благородных газов началось с отличия двух чисел всего в третьем знаке после запятой: в 1892 г. Джон Уильям Рэлей (1842—1919) обнаружил, что вес 1 л азота, выделенного из воздуха, равен 1,2521 г, а литр азота, выделенного из химического соединения, весит 1,2505 г. Впоследствии совместно с Уильямом Рамзаем (1852—1916) они объяснили это различие и выделили из воздуха почти все благородные газы, открыв тем самым 8-ю группу элементов таблицы Менделеева (Нобелевская премия 1904 г.).

Без точных спектроскопических измерений Ангстрема не было бы ни формулы Бальмера, ни атома Бора. Прецизионные измерения длин волн спектральных линий привели Уиллиса Юджина Лэмба (р. 1913 г.) к открытию поляризации вакуума (Нобелевская премия 1955 г.).

Именно к таким, по определению Рэлея, «рыцарям пятого знака» принадлежал и Фрэнсис Уильям Астон (Нобелевская премия 1922 г.). Четверть века посвятил он непрерывному усовершенствованию своего масс-спектрографа. Его тщательные измерения масс изотопов стали основой многих открытий: они указали на первоисточники энергии радиоактивного распада, излучения Солнца и звезд, объяснили причину стабильности ядер и позволили сразу же после открытия Гана и Штрассмана вычислить энергию деления ядер урана.

глава 14

Первая мировая война для многих ученых явилась неожиданным и тяжелым испытанием. От повсеместных успехов позитивных наук и возвышенных идей о вездесущем прогрессе Европа внезапно опустилась до уровня худших образцов средневекового варварства. В эти годы научная жизнь в лабораториях едва теплилась: Мария Кюри вместе с дочерью Ирэн налаживала рентгеновские установки в госпиталях, Луи де Бройль служил связистом, Макс Борн и Макс Лауэ воевали по другую сторону фронта, Фрэнсис Астон и Джордж Томсон работали на авиационном заводе, а Генри Мозли – погиб. Ученые впервые поняли тогда, что наука – не всегда благо и что добытое ими знание можно обернуть против людей: они могли видеть, как от изобретенных химиками ядовитых газов задыхались в окопах солдаты.

В то время многим стало ясно, что наука больше не защищена «башней из слоновой кости» и отныне ей придется жить у всех на виду, под пристальным вниманием репортеров и бизнесменов, генералов и политиков. Ученые с обостренным чувством нравственных ценностей уже тогда пытались отделить инстинкт познания от страха перед его неконтролируемыми последствиями. Тридцать лет спустя эта дилемма обернется для ученых трагедией, и многие из них вслед за Отто Ганом захотят сказать после Хиросимы и Нагасаки: «Я не имею к этому никакого отношения!»

В ГЛУБЬ ЯДРА

По окончании войны ученые стали возвращаться к прерванным исследованиям. 1919 г. навсегда войдет в историю науки: в этом году Эрнест Резерфорд впервые на Земле осуществил искусственное превращение элементов. Сама возможность таких превращений в то время уже не казалась удивительной: многочисленные примеры «трансмутации

элементов» можно было наблюдать в явлениях радиоактивности. Но именно наблюдать: тепло и холод, электрические и магнитные поля, давление и химические реакции ни на йоту не изменяли процесс радиоактивного распада. Было нечто величественное в том равнодушии, с которым природа отвергала все попытки человека нарушить ход ее естественных процессов. Можно понять поэтому тот интерес и возбуждение, с которым ученое сообщество встретило опыты Резерфорда.

В 1919 г. Эрнесту Резерфорду исполнилось 48 лет, он был лауреатом Нобелевской премии, директором знаменитой лаборатории Кавендиша, членом почти всех академий мира, признанным авторитетом в атомной и ядерной физике; королева Англии за научные заслуги пожаловала ему титул лорда, вокруг него выросла могучая школа учеников, многие из которых впоследствии сами станут нобелевскими лауреатами. Но как и двадцать лет назад, во времена своей молодости, он по-прежнему любил сидеть за микроскопом и экспериментировать с а-частицами.

В этот раз, продолжая довоенные измерения своего ассистента Марсдена, он обнаружил, что при прохождении а-частиц через обыкновенный воздух возникают какие-то новые частицы, пробеги которых значительно больше пробегов исходных а-частиц. Довольно скоро Резерфорд выяснил, что вторичные частицы – это протоны, и возникают они при столкновениях а-частиц с ядрами азота. Но как? Резерфорд допускал две возможности: либо, сталкиваясь с ядром азота, а-частица выбивает из него протон, в результате чего оно превращается в ядро углерода:

а+ ’|N–> а + ’iC + p,

либо же а-частица застревает в ядре азота и превращает его в ядро кислорода:

a + ’|N–>’⁷₈О + р.

Шесть лет спустя сотрудник Резерфорда Патрик Мейнард Стюарт Блэккет (1897—1974) наблюдал эту ядерную реакцию в камере Вильсона и доказал, что верна вторая схема. Это означало, что человек впервые своими руками изменил то, что, по словам Ньютона, «Бог создал" сам в первый день творения». Сбылись мечты алхимиков и юношеские надежды самого Резерфорда. «Современная алхимия» – так он назовет впоследствии свою книгу о превращениях ядер и до конца жизни сохранит удивление перед открывшимся ему миром.

246

В последующие четыре года Резерфорд совместно с Джеймсом Чэдвиком (1891 —1974) установил, что при обстреле а-частицами по крайней мере еще десяток элементов – вплоть до калия – вступают в ядерные реакции. Но на этом возможности а-частиц были исчерпаны: заряд калия равен 19, заряд а-частицы – 2, и ее энергии уже не хватало, чтобы преодолеть отталкивание ядер с зарядами, большими 20. Заряд протона вдвое меньше, поэтому в качестве снаряда для обстрела ядер он предпочтительнее а-частиц. Но где взять протоны больших энергий? Радиоактивных элементов, испускающих протоны, в природе не существует.

Тогда-то впервые и возникла идея ускорителя протонов, которая воплотилась в металле почти десять лет спустя: в 1931 г. почти одновременно Роберт Ван де Грааф (1901 – 1967) предложил свой электростатический генератор, Эрнест Орландо Лоуренс (1901 —1958) изобрел циклотрон, а Джон Дуглас Кокрофт (1897—1967) и Эрнест Томас Синтон Уолтон (р. 1903 г.) построили каскадный генератор для ускорения протонов.

Кокрофт и Уолтон уже в 1932 г. осуществили в лаборатории Резерфорда первую ядерную реакцию, вызванную ускоренными протонами. Обстреливая мишень из лития протонами, ускоренными до энергии 0,2 МэВ, они обнаружили, что примерно один протон из миллиарда расщеплял ядро лития на две а-частицы, которые с огромной энергией по 8,5 МэВ каждая разлетались в противоположные стороны: р + Ю –> гНе + гНе.

Эта ядерная реакция стала столь же знаменитой, как и первая реакция Резерфорда по превращению азота в кислород. Сравнивая энергии в начале и в конце этой реакции (0,2 и 17 МэВ), в пору усомниться в законе сохранения энергии, если, конечно, не принимать во внимание формулу Эйнштейна Е = пгс². В действительности же справедливость формулы Эйнштейна была окончательно доказана именно в этой реакции. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить массы частиц до и после реакции:

до реакции после реакции

гпр= 1,007276 а.е.м. т_Не= 4,001506 а.е.м.

т_и =7,014359 а.е.м. т_Не =4,001506 а.е.м.

сумма: 8,021635 а.е.м. сумма: 8,003012 а.е.м.

Дефект массы Дт=0,018623 а.е.м. Выделившаяся энергия

Е=Д/п«931,5 МэВ =17,3 МэВ.

Согласитесь, что стоило проделать этот простой расчет, чтобы убедиться в справедливости одного из самых фундаментальных законов природы.

НЕЙТРОН

Нейтрон – это ключ, открывший доступ к запасам внутриядерной энергии. Теперь мы знаем о нем много: он лишен заряда, его масса т_п — 1,008665 а.е.м. незначительно – примерно на две электронных массы – превышает массу протона, его спин равен спину протона, а все ядра представляют собой плотную упаковку из смеси протонов и нейтронов. Гипотеза о протонно-нейтронной структуре ядра была выдвинута сразу же после открытия нейтрона несколькими учеными почти одновременно: советским физиком Дмитрием Дмитриевич Иваненко (р. 1904 г.), Вернером Гейзенбергом, талантливым, рано умершим итальянским ученым Этторе Майорана (1906—1938) —и с тех пор ни разу не подвергалась сомнению. И сразу же был открыт тяжелый изотоп водорода дейтерий (Гарольд Юри, 1932 г.), ядра которого представляют собой связанное состояние протона и нейтрона.

В свободном состоянии нейтрон довольно быстро, с периодом полураспада 10,7 мин, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино по схеме

п–> p+e + v.

В ядре нейтрон связан прочными ядерными силами и, как правило, стабилен, но иногда испытывает распад по обычной схеме, причем протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино излучаются. Именно эти электроны мы воспринимаем как р-лучи радиоактивных элементов. Ядерные силы существенно меняют свойства нейтронов и в зависимости от типа ядра период его p-распада может быть самым разным: от сотых долей секунды до нескольких миллиардов лет.

Положительно непонятно, почему нейтрон обнаружили так поздно: Резерфорд и Харкинс предсказали его еще в 1920 г., для его открытия не нужно было* ничего, кроме привычных а-частиц, и тем не менее лишь десять лет спустя ученые напали на его след.

В 1930 г. ученик Планка Вальтер Боте (1897—1957) совместно с Г. Беккером, продолжая традицию исследований ядерных реакций, начатую в 1919 г. Резерфордом, облучали а-частицами бериллий. Однако наблюдали они при этом не протоны, а какое-то другое излучение, которое проходило 248

даже через слой свинца толщиной в 2,5 см. Они решили, что это жесткое у-излучение возбужденного ядра бериллия, и на этом успокоились.

Два года спустя Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри продолжили исследования природы нового излучения. Направив его на мишень из парафина, они сразу же обнаружили протоны, которые с большой энергией вылетали из мишени, и на этом основании они решили, что открыли «новый способ взаимодействия излучения с материей», посредством которого «у-кванты» Боте и Беккера весьма эффективно выбивают не только протоны из атомов водорода, входящих в состав парафина, но даже ядра углерода.

Джеймс Чэдвик долгое время работал в лаборатории Резерфорда, который осенью 1920 г. пригласил его продолжить с ним эксперименты по искусственному превращению элементов. Подсчитывать сцинтилляции приходилось в темноте, и во время этих длинных и утомительных сеансов Резерфорд подробно развивал перед Чэдвиком свои представления о нейтроне и его возможной роли в структуре ядра. Впоследствии Чэдвик даже предпринял несколько попыток обнаружить нейтрон. Они оказались неудачными, но не напрасными и, в сущности, подготовили его к открытию: узнав об опытах Жолио-Кюри, он уже через месяц понял, что Боте и Беккер наблюдали ядерную реакцию превращения бериллия в углерод с испусканием нейтрона:

а4-4Ве–>– ¹бС + п,

а супруги Жолио-Кюри – просто отдачу протонов при столкновении с нейтронами, подобную той, которую каждый многократно наблюдал при соударении бильярдных шаров.

До изумления просто, не так ли? Настолько просто, что это открытие Чэдвика три года спустя, в 1935 г., будет отмечено Нобелевской премией. Но почему все-таки ни Жолио-Кюри, ни Боте не додумались до столь простой мысли?

При анализе подобных ситуаций, которые в истории науки встречаются не так уж редко, следует проявлять известную осторожность. Дело в том, что отчетливая формулировка кардинального открытия, противоречащего общепринятым взглядам, причем такая, которая не оставляет места для отступления в случае ошибки, сопряжена для любого ученого со своеобразным профессиональным риском. И чем именитее ученый, тем опаснее для него ошибка такого рода. Быть может, это одна из причин, по которой часто именно молодые совершают истинно революционные открытия, хотя постановку проблем и пути их решения готовит для них, как правило, предыдущее поколение. (Энрико Ферми любил повторять, что проблемы решаются аспирантами, задача руководителей – сформулировать их.) Таких примеров в истории физики – множество: достаточно вспомнить теорию относительности, атом Бора, матричную механику, спин электрона и многое другое. Как и всякий эмпирический факт, это правило не следует абсолютизировать: Рентген, Планк, Резерфорд, Шрёдингер, Борн и сам Чэдвик сделали свои главные открытия в зрелые годы.