У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро

Текст добавлен: 5 мая 2017, 02:30

Текст книги "У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро"

Автор книги: Роджер Оррит

Жанры:

Научпоп

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 8 страниц)

«Эти вспышки сильно напоминают альфа-частицы. Если кто и может идентифицировать вспышку невооруженным глазом, так это я, потому что присутствовал при самом ее рождении».

Альфа-частицы на самом деле были фрагментами лития, разделившегося на две половины. Аппарат улавливал альфа– частицы, которые, как мы говорили, состоят из двух протонов и двух нейтронов. Ускоритель частиц запустил протон на изотоп лития, состоящий из трех протонов и четырех нейтронов в ядре. При воздействии на литий первый протон поглощался ядром, так формировалось нестабильное ядро из четырех протонов и четырех нейтронов, начинался процесс дезинтеграции атома на две равные половины (см. рисунок на с. 140). Разделение оказывалось ровным, так что возникали две частицы, у каждой из которых имелось по два протона и два нейтрона. Это были альфа-частицы, улавливаемые детектором. Исследователям удалось разделить атомное ядро пополам.

Резерфорд потребовал, чтобы оба ученых немедленно написали научную статью с подтверждением открытия. Они первыми добились желанной цели, и никто не должен был их опередить в последний момент. Через две недели в журнале Nature было объявлено об открытии, Кокрофт и Уолтон утверждали:

«Блеск вспышек и плотность треков, которые наблюдались на камере расширения, дают основания полагать, что эти частицы являются обычными альфа-частицами. Если эта точка зрения верна, возможно, что изотоп лития с массовым числом 7 время от времени притягивает протон и получившееся ядро из восьми протонов разделяется на две альфа-частицы, у каждой из которых массовое число равно 4, а энергия – примерно восемь миллионов электрон– вольт. Эволюция энергии с этой точки зрения – примерно шестнадцать миллионов электронвольт из-за разделения, что примерно совпадает с ожидаемым, исходя из уменьшения атомной массы, задействованной в дезинтеграции».

ГЕНЕРАТОР КОКРОФТА – УОЛТОНА

Работа Кокрофта и Уолтона состояла в основном в создании большого генератора, то есть электрической цепи, дающей высокое напряжение при постоянном токе, начиная от низкого напряжения при переменном. С помощью этого генератора им впервые в истории удалось ускорить частицы до скорости, достаточной для разделения атома. Генератор состоял из сети в форме лестницы из конденсаторов и диодов, удваивающих напряжение. Эта система была очень эффективной и более экономичной, чем использование трансформаторов.

Эрнест Уолтон настраивает работу генератора Кокрофта – Уолтона детектором, на котором можно было производить наблюдение вспышек при разделении лития, 1940 год.

Ускоренный протон воздействует из ядро лития, возникает энергия, а ядро в тоже время разделяется на две равные части, идентифицированные как альфа-частицы.

По странному стечению обстоятельств через несколько недель в лабораторию должен был приехать Эйнштейн. Немецкий физик познакомился с Кокрофтом и Уолтоном, осмотрел оборудование. Именно для ядерных реакций было необходимо прибегать к формуле Е – mc², чтобы объяснить, как часть задействованной в начале процесса массы превращалась в энергию.

В течение нескольких лет Резерфорд не мог объявить о каком-либо значимом открытии, и вот он снова оказался на вершине. В том же году Чедвик сообщил об открытии нейтрона. Эти вехи развития науки всегда будут ассоциироваться с великим профессором.

КОНЕЦ ЭПОХИ

Резерфорд находился в авангарде передовых научных исследований в течение трех десятилетий и продолжал удерживать центральные позиции. Ему уже было за 60, и все же у него оставалась достаточно энергии и энтузиазма, чтобы приступить к изучению дейтерия, тяжелого водорода, прогноз о котором он дал когда-то давно, но открыт он был недавно. Резерфорд до сих пор переписывался с самыми значимыми учеными, среди которых были и представители нового поколения. Одно из убеждений, которые он настойчиво защищал именно в эпоху великих социальных и политических потрясений, заключалось в том, что научные идеи должны распространяться, сообщаться и передаваться. Научный дискурс по своей природе противоположен закрытости и упорству ура-патриотов. В основе науки лежит космополитизм.

В 1933 году Резерфорд участвовал в научном споре, касающемся возможного использования большого количества энергии, высвобождаемой при расщеплении атомных ядер. Он критически относился к возможности коммерческого использования этой энергии, так как для разделения атома было необходимо использовать невероятные количества энергии для ускорения частиц. С его точки зрения, этот процесс никогда не мог стать эффективным. Ему пришлось уточнить это мнение три года спустя, когда он понял, что нейтронам не требуется так много энергии для разделения ядра и для освобождения хранившейся внутри ядра энергии. "Было необходимо только, чтобы появился метод, позволявший производить медленные нейтроны в достаточном количестве, чтобы не тратить больше энергии". Однако на тот момент не существовало ничего отдаленно похожего.

НАЦИЗМ И НАУКА

Резерфорд был уверен, что сотрудничество является базой научного прогресса, и хотя он никогда не высказывал открыто свои политические взгляды, когда в 1933 году к власти в Германии пришел Адольф Гитлер, он понял, что политика по– настоящему угрожает его научным идеалам.

Эти трансформации атомов представляют необыкновенный интерес для ученых, но мы не можем контролировать атомную энергию до такой степени, чтобы она приобрела коммерческую ценность. Думаю, мы далеки от этого.

Эрнест Резерфорд

В Германии начали публиковать законы, запрещавшие евреям занимать должности в органах власти и других учреждениях. Университеты не стали исключением, так что многие коллеги Резерфорда были уволены из учебных заведений и исследовательских центров. Один из блистательных научных коллективов оказался в трудной ситуации и подвергался гонениям.

Нацисты не только преследовали еврейских ученых, но также старались уничтожить их научные идеи. Они хотели искоренить "еврейскую физику", в которой выделялась теория относительности Эйнштейна, чтобы защитить арийскую физику. Среди вдохновителей были Йоханнес Штарк (1874– 1957) и Филипп Ленард (1862-1947), требовавшие уничтожения книг еврейских авторов и публичного их сожжения.

Резерфорд лично помогал ученым. Так, он позаботился о том, чтобы Борна приняли в Эдинбургском университете, руководил Советом академической помощи, действовавшим как сеть, содействующая ученым по устройству в университетах за границей.

В эпоху обострившегося экономического кризиса и антисемитизма Эрнесту Резерфорду довелось столкнуться с множеством трудностей и непониманием соотечественников. Совету пришлось работать с 1300 просьбами о помощи.

СМЕРТЬ ГЕНИЯ

Резерфорд никогда не прекращал свои лекции, а также постоянно занимался внуками. Напряжение, в котором он непрерывно держал студентов и сотрудников Кавендишской лаборатории (что в прошлом приносило хорошие результаты), снижалось. Это имело неприятное следствие: ближайшие сотрудники покидали Резерфорда. После огромного успеха ускорителя частиц Уолтон согласился возглавить кафедру в Тринити-колледже. Чедвик, получивший в 1935 году Нобелевскую премию, решил отправиться в Ливерпульский университет, уставший от препятствий, которые чинил на его пути Резерфорд, не дававший ему построить циклотрон. Марку Олифанту, с 1927 года работавшему в лаборатории и принимавшему участие в искусственном разделении атомного ядра, в 1937 году было предложено возглавить лабораторию в Бирмингеме.

Узнав о его отъезде, Резерфорд только сказать: "Меня окружают неблагодарные коллеги". Несмотря на разочарование, которым для него становился каждый отъезд, Эрнест всегда поддерживал "своих мальчиков", как он их называл, давал им рекомендации и предлагал помощь в случае необходимости.

В 1937 году Резерфорд упал, когда подрезал дерево в саду. На боль наложилось общее недомогание: его постоянно рвало. Это была грыжа, обострившаяся от падения. Жена сначала пыталась лечить его народными средствами, но потом вызвала хирурга, который должен был сделать простую по тем временам операцию. Хотя казалось, что операция прошла успешно, его состояние ухудшилось. Конец был неизбежен, поэтому с помощью жены он написал несколько прощальных писем, одно из них – Чедвику. Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года.

Один из студентов однажды назвал Резерфорда "силой самой природы". Именно таким он оставался вплоть до конца. Смерть потрясла его коллег, сотрудников и почитателей. "Профессор умер", – эта фраза обошла все научные круги мира, и никто даже не уточнял, о ком шла речь. Бор находился на конгрессе, когда получил телеграмму от жены Резерфорда, и не мог сдержать слез, рассказывая ассистентам и коллегам о трагической развязке. Газеты, среди них New York Times, собрали целое досье его подвигов и достижений и опубликовали некрологи:

«Мало кому уготована честь обрести бессмертие, еще меньше людей достигают Олимпа при жизни. Лорд Резерфорд смог и то и другое. Он относился к поколению, ставшему свидетелем одной из величайших революций в истории науки, он был всемирно признан как лидер в области исследований необъятной и бесконечной сложности вселенной, находящейся внутри атома».

Пепел Резерфорда погребен в Вестминстерском аббатстве рядом с могилой Ньютона. Годы спустя резерфордий (Rf) занял 104-е место в периодической таблице: синтетический высокорадиоактивный элемент был впервые получен в 1964 году и назван в честь ученого.

Приложение А
Альфа· и бета-распад

Радиоактивный распад характерен для определенных элементов, у которых комбинация протонов и нейтронов, соединенных сильным ядерным взаимодействием, представляется энергетически нестабильной. Большинство элементов, имеющих более 81 протона, радиоактивны: то есть радиоактивность возникает в основном в тяжелых атомах, хотя и более легкие элементы, например углерод, имеют радиоактивные изотопы, как в случае с углеродом-14. Мы можем говорить о радиоактивности, потому что в названных элементах происходит спонтанное, не вызванное внешними причинами испускание субатомных частиц.

Чтобы представить последовательность превращений, происходящих внутри ядра атома во время радиоактивного распада, физики и химики используют два числа: атомное и массовое. Атомное (зарядовое) число обозначается Z и указывает на количество протонов в ядре. Каждый элемент характеризуется специфическим и уникальным Z например, 6 – атомное число для углерода, 14 – для кремния. Общее количество частиц в ядре, включающее в себя протоны и нейтроны, называется массовым числом, обозначаемым А. В итоге:

Z – количество протонов,

А – количество протонов и нейтронов (общее количество частиц в ядре),

A-Z– количество нейтронов.

Резерфорд открыл существование альфа-излучения и бета-излучения, α-частицы представляют собой ядра гелия (то есть они состоят из двух протонов и двух нейтронов). Когда элемент испускает альфа-частицу, это означает, что он теряет два протона, таким образом элемент изменяется, его атомное число уменьшается (-2), и происходит превращение элемента. Например, уран обладает 92 протонами, а когда он испускает альфа-частицу, то превращается в торий, обладающий 90 протонами.

Бета-распад (β) представляет собой внутренне более сложное физическое явление и возникает, когда нейтрон превращается в протон или наоборот. При этом взаимном обмене возникают новые частицы. Бета-распад подтверждает, что фундаментальные частицы, "хотя и имеют определенные свойства, не являются постоянными структурами, и одна из них может превращаться в другие".

Бета-распад классифицируется по двум типам в соответствии с механизмами распада: β -распад и β⁺-распад. При β -распаде электрон испускается непосредственно из атомного ядра, это не связано с ионизацией одного из электронов, составляющих электронное облако, окутывающее ядро. Один из нейтронов ядра (я) отделяется и превращается в протон (р*), остающийся в ядре, и электрон (е), который испускается. В ходе этого процесса возникает электронное антинейтрино (ν,). Процесс можно представить как:

n → р* + е^- + v_e.

При изменении числа протонов (+1) изменяется атомное число, и элемент становится другим. При этом массовое число не изменяется (атом теряет нейтрон, но получает протон). Именно это происходит с изотопом тория ²³⁴₉₀Th. После бета-распада, при котором испускается электрон, атом превращается в один из изотопов протактиния, который обозначается ²³⁴₉₁Ра.

Второй тип бета-распада обозначается β+-распад, при нем возникает позитрон (е*), который является античастицей, имеющей одинаковую с электроном массу и при этом отрицательный заряд. В данном случае ядро теряет протон, а вместо него появляются нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Это вновь означает, что количество частиц в ядре не меняется (вместо протона появляется нейтрон), но происходит трансмутация элемента, потеря протона заставляет его изменить химическую идентификацию. В ситуации с азотом ¹³₇Ν, который при испускании позитрона превращается в изотоп углерода, обозначаемый ¹³₆C, β⁺-распад можно представить так:

р+ → n + е⁺ + v_е.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Гамма-излучение отличается от процессов альфа– и бета-распада тем, что при нем испускаются не частицы, а электромагнитное излучение, фотоны с высокой энергией. Гамма-излучение происходит на разных фазах радиоактивных процессов по разным причинам: например, когда ядерная частица переходит из возбужденного состояния в основное. При этом виде излучения не происходит изменения компонентов ядра (или атома). Однако, в связи с высоким уровнем энергии, возникающая радиация имеет существенный проникающий характер и наиболее вредна, так как способна вступать во взаимодействие с клетками и вызывать их изменения при взаимодействии с цепочкой ДНК.

ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

По своим характеристикам альфа-, бета– и гамма-излучение различаются по проникающей способности и ионизации. Так как бета-излучение состоит из электронов или позитронов, имеющих меньшую массу по сравнению с альфа-частицами, возникающая энергия приобретает больший момент силы. Альфа-излучение состоит из двух протонов и двух нейтронов и легко поглощается материей. Масса протона или нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона, таким образом вероятность столкновения и сила взаимодействия значительно больше. Это объясняет, почему проникающая способность альфа-лучей гораздо меньше. Гамма-излучение по сути не является потоком массивных частиц, это электромагнитная волна, похожая на видимый свет, но несущая значительно больше энергии.

На графике представлена тенденция по изменению атомного и массового числа, являющаяся результатом процессов альфа и бета-распада. В конце цели распада находится свинец (РЬ), его нерадиоактивный изотоп.

РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ

При радиоактивном распаде, как правило, получившиеся элементы тоже радиоактивны, так что после окончания первого распада начинается новый. На последнем этапе радиоактивной цепочки формируется стабильный элемент, цикл превращений останавливается. Известны три естественных ряда: ряд урана (см. рисунок), актиния и тория.

Приложение Б
Ускорители частиц

Устройства, которые называются ускорителями частиц, заставляют элементарные частицы, такие как протоны или электроны, воздействовать на другие частицы или атом в условиях абсолютного вакуума и высокой энергии. Изучение получившихся частиц и анализ энергии при столкновениях является важным источником информации для глубинного понимания структур материи. Кроме того, эти установки используются как источник излучения («свет»), позволяющий анализировать и давать детальную характеристику любому виду материалов.

С 1930 года, когда был построен первый ускоритель частиц, технология этого вида устройств и установок не переставала развиваться (см. график). Самым очевидным параметром для совершенствования является увеличение энергии, воздействующей на частицы. Это необходимо, например, для воспроизведения условий, в которых формируется материя при процессах атомного расщепления в недрах звезд, или для открытия базовых составляющих. Кварки и лептоны, вероятно, не были бы открыты, если бы не существовало ускорителей частиц.

Ускоритель постоянного тока Уолтона и Кокрофта, основанный на преобразовании переменного тока, достиг энергии в 260 кэВ, был использован для бомбардировки и запуска протонов на фиксированную мишень, представлявшую собой литиевую пластинку. После воздействия атом лития разделялся на два альфа-луча.

На этой диаграмме Ливингстона показана эволюция технологии ускорителей частиц, в основном в отношении увеличения использованной энергии в прогрессии.

Генератор высокого напряжения Ван де Граафа, созданный в Массачусетском технологическом институте, также основан на явлении электростатики. Начало строительства датируется 1929 годом, а в 1933 году он уже был запущен в эксплуатацию. В нем используется диэлектрическая лента для накопления зарядов внутри сферы. На сегодняшний день ускорители Ван де Граафа очень популярны, а разность потенциалов в современных моделях достигает 20 МэВ.

Использование переменного тока позволило сделать качественный скачок в сфере ускорителей частиц. Американец Луис Альварес разработал знаменитый линейный ускоритель (LINAC) в 1948 году (см. рисунок 1 ). Линейный ускоритель основан на следующей схеме: из источника заряженных частиц, например из катода, вылетают частицы, и на них планируется воздействовать высоким напряжением. Для увеличения скорости генерируемого пучка частиц ускорение частиц происходит по нарастанию с использованием переменных электрических полей, воздействующих при прохождении заряженных частиц. Специфический вид ускорителя зависит от природы и характеристик частиц (являются ли они электронами, протонами, ионами...), а также от их масс, заряда и энергии, которую необходимо передать пучку частиц.

РИС.1

Частицы ускоряются в зазорах между трубками и в конца пути достигают большой скорости.

Также существуют циркулярные ускорители (см. рисунок 2) и синхротроны. Первый циклотрон был разработан американским физиком Эрнестом Лоуренсом в 1932 году. Через семь лет, в 1939 году, эта работа принесла ему Нобелевскую премию по физике. Это был период, когда шло соревнование по созданию первого ускорителя частиц. В основе его изобретения лежала идея ускорения частиц с помощью взаимодействий заряженной частицы с сильным магнитным полем, образуемым мощным электромагнитом. Траектория частиц, взаимодействующих с магнитным полем, представляет собой арки или кривые, отсюда название ускорителя, при этом нет необходимости прибегать к высокому напряжению. Форма циклотронов напоминает две латинские буквы D. Лоуренс смог разогнать частицы до энергии в 1,25 МэВ.

Синхротроны похожи на циклотроны, так как частицы в них также движутся по кривой при использовании электромагнитов, однако траектория частиц закрытая. Принципиальное различие устройств связано с конфигурацией электромагнитных полей, которые в случае синхротронов составные и включают в себя простые биполярные электромагниты, а также сложные конфигурации квадриполярных, октуполь– ных и так далее магнитов. Сложность компенсируется прекрасными экспериментальными условиями с наиболее высокой энергией. Так как ускоряемые частицы, например электроны, являются заряженными, они испускают электромагнитное излучение, известное как "свет синхротрона". Ускорение, необходимое для поддержания траектории, предполагает мгновенное изменение скорости частицы, так что возникает излучение. Это излучение используется в разных областях, в том числе и в медицине.

РИС . 2

Электроны попадают в циклотрон в центральной части, где на них действует магнитное поле, в результате электроны движутся по траектории полукруга в полуцилиндре.

В зазоре между полуцилиндрами электрическое поле начинает действовать на электроны и ускорять их линейно, чтобы они попали наследующий уровень с противоположным магнитным полем. Получая в каждом цикле приращение энергии, электроны продолжают движение по полуокружностям большего радиуса. Наконец, пучок выводится наружу на очень высокой скорости.

Начиная с 1960-х годов синхротроны стали применяться в качестве коллайдеров: ускоренные частицы циркулируют в противоположных направлениях и в конце концов сталкиваются. При взаимодействии возникает большое количество энергии (двойное, если ускоряется одна из частиц). Между сталкивающимися частицами находятся один электрон и один позитрон или два протона. Одним из первых был запущен SPEAR в Стэнфорде (США), он действует по сей день.

Благодаря коллайдерам были достигнуты значительные успехи в физике частиц. Одним из важнейших коллайдеров является Тэватрон, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermilab) в Иллинойсе (США). Он позволяет ускорить протоны и антипротоны в кольце длиной шесть километров до энергии 0,9 ТэВ. Запуск этого коллайдера состоялся в 1987 году. В 1995 году с его помощью был открыт топ-кварк.

Самый мощный коллайдер, являющийся самым крупным и дорогим научным инструментом всех времен, – большой адронный коллайдер (сокращение БАК, или LHC от английского Large Hadron Collider). Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК может сталкивать протоны с энергией, которая в ближайшее время достигнет 7 ТэВ на каждый протон. В апреле 2012 года был зафиксирован рекорд в 8 ТэВ (два пучка протонов по 4 ТэВ циркулировали в противоположных направлениях). Речь идет о необыкновенном инструменте для исследований, в котором протоны ускоряются практически до скорости света и при столкновениях воспроизводят некоторые условия Большого взрыва. Первый неудачный запуск коллайдера был совершен в 2008-м, а регулярное использование началось с 2009 года, хотя первые столкновения частиц стали выполняться только через год. Коллайдер позволил подтвердить существование частицы, "соответствующей по характеристикам бозону Хиггса", что является фундаментальным открытием в понимании причины, по которой у частиц есть масса согласно стандартной модели физики частиц. Открытие было сделано 4 июля 2012 года.