Первое искусственное превращение элементов

Мечта алхимиков

Превращение одного элемента в другой считалось невозможным со времен становления научной химии. Лавуазье и Дальтон утвердили представление об элементах как о неизменных основах вещества, и всякое упоминание о трансмутации отсылало к алхимии, то есть к обману или самообману.

Первый удар по этому представлению нанес сам Резерфорд. В 1902 году, работая в Монреале с химиком Фредериком Содди, он показал, что радиоактивность есть самопроизвольный распад атомов одного элемента с образованием другого. По известному рассказу, когда Содди в возбуждении произнес слово «трансмутация», Резерфорд попросил его так не выражаться - иначе их сочтут алхимиками и оторвут головы.

Работа принесла ему Нобелевскую премию по химии 1908 года - обстоятельство, которое он считал забавным, поскольку относил себя к физикам.

Это было, однако, превращение естественное: радиоактивные элементы распадались сами, человек лишь наблюдал.

Ядерный атом

В 1909 году сотрудники Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден в Манчестере обстреливали тонкую золотую фольгу альфа-частицами и обнаружили, что изредка частица отскакивает назад. Резерфорд сравнил это с тем, как если бы артиллерийский снаряд отразился от листа папиросной бумаги.

Из этого в 1911 году родилась планетарная модель: почти вся масса атома и весь положительный заряд сосредоточены в крошечном ядре, вокруг которого на огромном по атомным меркам расстоянии движутся электроны. Через два года Нильс Бор дополнил модель квантовыми условиями.

Возникал естественный вопрос: если альфа-частица - сама по себе ядро гелия - может отразиться от ядра, то может ли она в него попасть и что тогда произойдет.

Коробка и темная комната

Опыты Резерфорд ставил в 1917-1919 годах, в основном в одиночку: сотрудники были на фронте, а сам он между делом занимался для адмиралтейства акустическим обнаружением подводных лодок. В письме коллеге он заметил, что если его догадка о расщеплении ядра верна, то это важнее войны.

Установка была предельно простой. Латунная коробка, внутри источник альфа-частиц - препарат радия. Коробка заполнялась исследуемым газом. С одного конца - экран, покрытый сернистым цинком, который дает вспышку при попадании заряженной частицы. Между источником и экраном ставились металлические фольги, поглощавшие альфа-частицы: все, что пролетало дальше положенного альфа-частице расстояния, должно было иметь другую природу.

Регистрация велась глазом. Экспериментатор полчаса сидел в темноте, привыкая, затем считал слабые вспышки в микроскоп. Ассистент Уильям Кей помогал в наблюдениях. Счет шел на единицы вспышек в минуту, и отделить их от воображаемых требовало дисциплины.

Что он увидел

При заполнении коробки азотом за пределами пробега альфа-частиц появлялись вспышки, которых быть не должно.

По отклонению в магнитном поле Резерфорд определил, что это ядра водорода.

Очевидное объяснение - загрязнение водородом или водяным паром - он проверял методично: тщательно осушал газы, менял препараты, сравнивал с кислородом и углекислым газом, при которых эффект отсутствовал. Оставалось единственное: ядра водорода вылетают из ядер азота.

Результаты вышли в июне 1919 года в «Философском журнале» серией из четырех статей; последняя называлась сдержанно - об аномальном эффекте в азоте.

Количественно эффект был ничтожным: реакция происходила примерно с одной альфа-частицей из миллиона. Речь шла о превращении считанных атомов, а не о сколько-нибудь весомом количестве вещества.

Что это значило

Резерфорд истолковал наблюдение как выбивание ядра водорода из ядра азота - то есть как разрушение ядра.

Истинный механизм оказался сложнее. Альфа-частица не выбивает частицу, а захватывается ядром азота; образуется неустойчивое промежуточное ядро, которое испускает ядро водорода. В итоге азот превращается не в углерод, как следовало бы при простом выбивании, а в кислород - в его редкий изотоп.

Записывается это так: ядро азота плюс альфа-частица дают ядро кислорода плюс ядро водорода.

Принципиальное значение от этой поправки не менялось. Впервые человек намеренно превратил один химический элемент в другой.

Протон

Побочным, но фундаментальным результатом стало представление о ядре водорода как об элементарной составляющей всех ядер.

Раз ядро азота содержит ядра водорода, логично предположить, что из них состоят и остальные ядра. Название для этой частицы Резерфорд предложил в 1920 году - от греческого слова, означающего первый.

В том же году, выступая с лекцией в Королевском обществе, он высказал еще две догадки: о существовании тяжелого изотопа водорода и о существовании нейтральной частицы примерно с массой протона, необходимой для объяснения массы ядер. Дейтерий был обнаружен в 1931 году, нейтрон - в 1932-м его сотрудником Джеймсом Чедвиком.

Уточнение

Окончательную ясность внес Патрик Блэкетт, работавший в Кавендишской лаборатории, куда Резерфорд перешел в 1919 году, сменив Джозефа Джона Томсона.

Блэкетт использовал камеру Вильсона, в которой пролетающая частица оставляет видимый след из капелек тумана. Он отснял около четырехсот тысяч фотографий следов и нашел восемь случаев, где видно было искомое событие: след альфа-частицы обрывался, и из точки обрыва расходились два новых следа.

Это доказывало захват: если бы альфа-частица просто выбивала протон и летела дальше, ее след продолжался бы. Работа вышла в 1925 году.

Что из этого выросло

Опыт 1919 года открыл ядерную физику как экспериментальную науку. До него ядро можно было только наблюдать, после - с ним можно было что-то делать.

Ограничение состояло в источнике частиц: альфа-частицы радиоактивных препаратов имеют фиксированную энергию, их мало и направить их нельзя. Решением стали ускорители. В 1932 году в той же Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон разогнали протоны в электрическом поле и расщепили ими ядро лития - первая ядерная реакция, осуществленная искусственно ускоренными частицами.

Тот же 1932 год дал открытие нейтрона, который, будучи электрически нейтральным, входил в ядро беспрепятственно и оказался идеальным инструментом. В 1934 году супруги Жолио-Кюри получили искусственную радиоактивность, в 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили деление урана, а Лиза Мейтнер и Отто Фриш дали ему правильное объяснение.

От вспышек на цинковом экране до цепной реакции прошло меньше двадцати лет.

Резерфорд

Сын новозеландского фермера, один из двенадцати детей, он приехал в Кембридж по стипендии в 1895 году и прошел путь от Монреаля и Манчестера до руководства Кавендишской лабораторией. Его учениками или сотрудниками были одиннадцать будущих нобелевских лауреатов, включая Чедвика, Блэкетта, Кокрофта, Капицу, Бора.

При этом в практическое применение ядерной энергии он не верил. В 1933 году он публично назвал разговоры о получении энергии из атомов вздором. Лео Силард, прочитавший об этом в газете, в тот же день сформулировал идею цепной ядерной реакции - по его собственному рассказу, именно в раздражении от резерфордовского скептицизма.

Резерфорд умер в 1937 году, за несколько месяцев до открытия деления урана. Его прах покоится в Вестминстерском аббатстве, рядом с Ньютоном и Кельвином.