Расщепление ядра лития ускоренными протонами - опыт Кокрофта и Уолтона (1932)

Что было до 1932 года

Первую искусственную ядерную реакцию осуществил Эрнест Резерфорд в 1917-1919 годах: бомбардируя азот альфа-частицами радиоактивного источника, он превратил азот в кислород, выбив из ядра протон. Эти опыты разобраны в отдельной статье. Однако у метода Резерфорда было серьезное ограничение: альфа-частицы радиоактивных веществ имели фиксированную энергию, их поток был слаб, и они могли проникать лишь в ядра легких элементов, поскольку тяжелые ядра сильнее отталкивают положительно заряженные частицы.

Резерфорд, руководивший с 1919 года Кавендишской лабораторией в Кембридже, мечтал о мощных потоках искусственно ускоренных частиц. В 1927 году, выступая перед Королевским обществом, он призвал создать источник частиц с энергиями, превосходящими энергии радиоактивных излучений. Техника того времени, однако, не позволяла получать напряжения в миллионы вольт, которые, как считалось, для этого необходимы.

Туннельный эффект Гамова

В 1928 году молодой советский физик Георгий Гамов, работавший тогда в Геттингене, объяснил альфа-распад с помощью квантовой механики. Согласно его теории, альфа-частица может покинуть ядро, даже не обладая энергией, достаточной, чтобы преодолеть окружающий его энергетический барьер, - она «просачивается» через барьер благодаря квантовому туннельному эффекту. Независимо и одновременно ту же теорию предложили американцы Рональд Герни и Эдвард Кондон.

Из этой теории следовал важный вывод: и частица, влетающая в ядро извне, может проникнуть в него при энергии, намного меньшей высоты барьера. Гамов, приехавший в Кембридж, обсуждал это с Кокрофтом. Расчеты показывали, что протоны с энергией в несколько сотен тысяч электронвольт, а не миллионы, имеют заметную вероятность проникнуть в ядра легких элементов. Такие энергии были уже достижимы. Кокрофт представил Резерфорду записку с этими расчетами, и тот поддержал проект.

Резерфорд и его лаборатория

Кавендишская лаборатория при Резерфорде была одним из главных центров мировой физики. Резерфорд, энергичный новозеландец, громкий голос которого, по рассказам, сбивал показания чувствительных приборов, руководил большим коллективом молодых исследователей из разных стран. Он ценил простые, наглядные эксперименты и недоверчиво относился к громоздкому оборудованию и абстрактной теории. Лаборатория славилась скромностью средств: физики сами изготовляли приборы из подручных материалов, а работа прекращалась в шесть часов вечера, поскольку Резерфорд считал, что ученые должны отдыхать и думать.

Строительство высоковольтного ускорителя противоречило этой традиции «сургуча и веревочки». Установка Кокрофта и Уолтона была одним из первых в Кембридже крупных технических сооружений, и для ее создания понадобилось сотрудничество с промышленностью: компания «Метрополитен-Виккерс», где прежде работал Кокрофт, помогла с трансформатором и вакуумной техникой. Опыт стал предвестием перехода физики к «большой науке», основанной на дорогих машинах и больших коллективах.

Кокрофт и Уолтон

Джон Дуглас Кокрофт родился в 1897 году в Тодмордене в Йоркшире в семье владельцев хлопковой фабрики. Он воевал в Первой мировой войне связистом в артиллерии, затем изучал электротехнику в Манчестере, работал в электротехнической компании «Метрополитен-Виккерс» и лишь потом пришел в Кембридж к Резерфорду. Его инженерные знания оказались решающими для постройки ускорителя.

Эрнест Томас Синтон Уолтон родился в 1903 году в Дангарване в Ирландии в семье методистского священника. Он окончил Тринити-колледж в Дублине и в 1927 году приехал в Кембридж по стипендии. Резерфорд поручил ему заниматься ускорением частиц, и вскоре Уолтон объединил усилия с Кокрофтом.

Умножитель напряжения

Кокрофт и Уолтон создали установку, основанную на умножителе напряжения: с помощью каскада конденсаторов и выпрямителей переменное напряжение трансформатора преобразовывалось в постоянное многократно более высокое напряжение. Эта схема позднее получила название генератора Кокрофта - Уолтона. Она позволяла получить стабильное напряжение порядка шестисот - восьмисот тысяч вольт.

Работа шла трудно. Приходилось бороться с пробоями изоляции, утечками, неисправностями выпрямителей, конструировать вакуумные трубки большого размера, которые изготовлялись из стеклянных цилиндров. В 1930 году лаборатория переехала в более просторное помещение, где установку пришлось собирать заново. Резерфорд торопил молодых физиков, опасаясь, что их опередят: в США работали над ускорителями Эрнест Лоуренс, строивший циклотрон, и Роберт ван де Грааф с его электростатическим генератором.

Гонка ускорителей

В конце 1920-х - начале 1930-х годов над ускорителями работали сразу несколько групп. В Вашингтоне в Институте Карнеги Мерл Тьюв с сотрудниками использовали высоковольтные трансформаторы Теслы, а затем генераторы ван де Граафа. В Принстоне и Массачусетском технологическом институте Роберт ван де Грааф строил все более крупные электростатические генераторы. В Беркли Лоуренс создавал циклотрон, использовавший не высокое напряжение, а многократное ускорение частиц в магнитном поле. В Берлине и других городах Европы также проводились опыты с высоковольтными установками.

В СССР в 1928 году был основан Украинский физико-технический институт в Харькове, где молодые физики, многие из которых стажировались в Кембридже, строили собственные ускорители. Международное соперничество подстегивало всех участников, и в Кембридже хорошо понимали, что опоздание даже на несколько месяцев может лишить их приоритета.

14 апреля 1932 года

Весной 1932 года установка была готова. Протоны, полученные в разряде в водороде, разгонялись в вакуумной трубке и попадали на мишень из лития. Для регистрации возможных продуктов реакции напротив мишени поместили экран из сульфида цинка, на котором попадание альфа-частицы вызывало крошечную вспышку - сцинтилляцию. Наблюдатель сидел в затемненной кабине под установкой и следил за экраном через микроскоп.

14 апреля 1932 года Уолтон, включив ускоритель, увидел на экране яркие вспышки, характерные для альфа-частиц. Он позвал Кокрофта, а затем Резерфорда. Резерфорда, по известному рассказу, с трудом втиснули в маленькую кабину наблюдателя; посмотрев на экран, он признал, что вспышки похожи на альфа-частицы. Вспышки появлялись, когда включался пучок протонов, и исчезали, когда его выключали.

Дальнейшие опыты, в том числе с камерой Вильсона, показали, что альфа-частицы вылетают парами в противоположных направлениях. Это означало, что ядро лития-7, поглощая протон, распадается на два ядра гелия-4. Реакция наблюдалась уже при энергиях протонов порядка ста с небольшим тысяч электронвольт, как и предсказывала теория Гамова, хотя с ростом энергии ее интенсивность увеличивалась.

30 апреля 1932 года в журнале Nature было опубликовано письмо Кокрофта и Уолтона «Расщепление лития быстрыми протонами».

Масса и энергия

Опыт имел глубокое теоретическое значение. Суммарная масса ядра лития-7 и протона чуть больше массы двух ядер гелия. Разница масс, согласно формуле Эйнштейна о связи массы и энергии, должна превратиться в энергию - около 17 миллионов электронвольт. Именно такую энергию уносили вылетевшие альфа-частицы. Опыт Кокрофта и Уолтона стал одним из первых прямых экспериментальных подтверждений соотношения между массой и энергией на уровне ядерных превращений.

Вместе с тем опыт показал, что энергия, выделяющаяся в одной реакции, во много раз превышает энергию налетающего протона, но лишь ничтожная доля протонов вызывала реакцию. Поэтому получение полезной энергии таким способом было невозможно. В сентябре 1933 года Резерфорд публично назвал разговоры о получении энергии из превращения атомов «вздором». По известному рассказу, именно раздражение от этого высказывания подтолкнуло Лео Силарда к идее цепной ядерной реакции, поддерживаемой нейтронами.

«Атом расщеплен»

Резерфорд, обычно сдержанный в отношениях с прессой, в этот раз охотно рассказывал журналистам о результате. Газеты сообщили, что в Кембридже «расщепили атом». Эта формулировка, неточная с научной точки зрения, поскольку речь шла о расщеплении ядра, вошла в историю. Кокрофт и Уолтон стали знаменитостями.

Результат быстро повторили в других лабораториях. Лоуренс в Беркли, имевший установку, способную провести такой опыт, повторил его на циклотроне; группа Лоуренса, увлеченная совершенствованием машины, не провела этот опыт раньше. В октябре 1932 года в Украинском физико-техническом институте в Харькове Кирилл Синельников, Александр Лейпунский, Антон Вальтер и Георгий Латышев расщепили ядро лития на собственном ускорителе, впервые в СССР, о чем сообщила советская пресса.

Эпоха ускорителей

Опыт Кокрофта и Уолтона открыл эпоху ускорителей в ядерной физике. Искусственно ускоренные частицы позволяли управлять энергией, интенсивностью и направлением пучка, выбирать тип частиц. Кокрофт и Уолтон провели серию опытов с другими легкими элементами - бором, бериллием, углеродом, - обнаружив новые ядерные реакции. После открытия дейтерия они использовали в качестве снарядов и дейтроны.

Ускорители быстро совершенствовались: циклотроны Лоуренса, электростатические генераторы ван де Граафа, позднее синхротроны и линейные ускорители. Генераторы Кокрофта - Уолтона десятилетиями использовались как первая ступень - инжекторы - в крупных ускорительных комплексах. Современные коллайдеры, в том числе Большой адронный коллайдер, - прямые наследники установки, собранной в Кембридже.

«Чудесный год» Кавендишской лаборатории

1932 год стал для Кавендишской лаборатории «годом чудес». В феврале Чедвик открыл нейтрон, в апреле Кокрофт и Уолтон расщепили ядро лития, а в начале 1933 года Блэкетт и Оккиалини подтвердили существование позитрона, открытого Андерсоном в Калифорнии. За несколько месяцев было преобразовано понимание ядра и элементарных частиц. Все эти открытия разобраны в отдельных статьях.

Дальнейшая судьба

Кокрофт в годы Второй мировой войны занимался радиолокацией, затем возглавлял англо-канадские атомные исследования в Монреале и Чок-Ривере, а после войны стал первым директором британского Исследовательского центра атомной энергии в Харуэлле. Он был возведен в рыцарское достоинство и в 1959 году стал основателем Черчилль-колледжа в Кембридже. Умер в 1967 году.

Уолтон вернулся в Ирландию, где стал профессором Тринити-колледжа в Дублине. Он посвятил себя преподаванию и не участвовал в военных атомных проектах. В 1951 году Кокрофт и Уолтон получили Нобелевскую премию по физике «за работы по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоренных частиц». Уолтон стал единственным ирландцем, получившим Нобелевскую премию по физике. Он умер в 1995 году.

Итоги

Опыт Кокрофта и Уолтона 1932 года стал первым расщеплением атомного ядра с помощью искусственно ускоренных частиц. Он подтвердил квантовую теорию проникновения частиц в ядро Гамова и соотношение массы и энергии Эйнштейна. Созданный ими ускоритель положил начало эпохе ускорителей, превратившей ядерную физику и физику элементарных частиц в экспериментальную науку с мощными инструментами. Вместе с открытием нейтрона и позитрона опыт сделал 1932 год поворотным в истории физики атомного ядра.