Резерфорд о важных экспериментальных открытиях 30-х годов

Важные открытия в области ядра, значитель­но продвинувшие науку и способствующие в дальнейшем овладению атомной энергией, произошли еще при жизни Резерфорда. Приведем пример оценки и комментариев Резерфорда крупнейшего открытия в области ядерной физики, сделанного его учеником Джеймсом Чедвиком. Отрывок взят из книги Резерфорда «Современная алхимия».

Открытие нейтронов 

Мы уже видели, что протон является продуктом превращения ряда легких элементов при их бомбардировке α-частицами. При более детальном изучении этих превращений была обнаружена еще одна частица, значение которой очень велико. При бомбардировке α-частицами легкого элемента бериллия с массой 9 протоны не образуются, но Боте обнаружил, что при этом излучается радиация с проникающей способностью, превышающей даже максимальную проникающую способность γ-лучей.

Супруги Жолио-Кюри обнаружили некоторые специ­фические особенности этого вида излучения. Наконец Чедвик в 1932 г. показал, что главная часть этого излучения вовсе не принадлежит к типу γ-лучей, а состоит из потока быстрых незаряженных частиц с массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эти частицы, на­званные нейтронами, обладают весьма своеобразными свойствами, так как благодаря отсутствию заряда ней­трон свободно проходит через атомы и не производит ионизации на своем пути. Механизм превращения, при котором образуется нейтрон, заключается, по-видимому, в следующем: время от времени α-частица захватывает­ся ядром бериллия с массой 9, на мгновение образуя ядро С¹³ с большим избытком энергии. Это ядро немедленно распадается на устойчивое ядро и нейтрон, причем избыточная энергия реакции выделяется в форме кине­тической энергии двух частиц — конечных продуктов ре­акции.

Весьма удобный и постоянный источник нейтронов можно получить, смешав около 100 мг чистой радиевой соли с порошком бериллия в запаянной трубочке. В ре­зультате бомбардировки бериллия α-частицами получается в секунду около полумиллиона нейтронов, большин­ство которых проходит сквозь стенки трубки. Интенсив­ные источники нейтронов можно также получить, приме­няя вместо радиевой соли эманацию радия. В этом слу­чае испускание нейтронов ослабевает со временем с та­кой же скоростью, как и распад эманации.

Мысль о возможности существования нейтронов как составных частей атомного ядра обсуждалась еще за­долго до их экспериментального открытия. Может быть, небезынтересно будет процитировать заявление, сделан­ное автором по этому вопросу на Бейкерианской лекции, прочитанной в Британском Королевском обществе в 1920 г.

«Если наше предположение верно, то кажется весьма правдоподобным, что один электрон в состоянии связать также два Н-ядра, а может быть, и одно Н-ядро. Первое предположение влечет за собой возможность существо­вания атома с массой, примерно равной 2, несущего еди­ничный заряд. Такой атом нужно рассматривать как изо­топ водорода. В другом случае предполагается возмож­ность существования атома с массой 1 и нулевым зарядом ядра.

Такого рода атомная структура отнюдь не представ­ляется невозможной. По современным воззрениям, ней­тральный атом водорода рассматривается как ядро с еди­ничным зарядом, к которому присоединен на некотором расстоянии 1 электрон, и спектр водорода объясняется движением того удаленного электрона. Однако при определенных условиях не исключена возможность более тесного сочетания электрона с Н-ядром и образования своего рода нейтрального дублета. Такой атом обла­дал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду, за исключением области, прилегающей непосредственно к яд­ру, благодаря чему он мог бы свободно проходить через материю. Присутствие таких атомов было бы, вероятно, трудно обнаружить с помощью спектроскопа, и их не­возможно было бы сохранять в герметически закрытом сосуде. С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединиться с ядром, либо распасться в его интенсивном поле, результатом чего будет, вероятно, испускание Н-атома или электрона или же обоих сразу»1.

Мы видели, что присутствие нейтрона может быть об­наружено в том случае, если на своем пути он испытывает упругое столкновение с ядром. Если, например, нейтрон проходит через водород, то иногда происходит лобовое соударение нейтрона с Н-ядром. При этом энергия нейтрона передается ядру, которое приходит в движение со скоростью, равной скорости налетающего ней­трона. При скользящем ударе ядру передается лишь часть энергии нейтрона. При пропускании потока быстрых нейтронов через водород или водородсодержащие вещества, например воду или парафин, многие нейтроны быстро затормаживаются этими столкновениями, пока наконец их энергия не становится сравнимой с энергией теплового движения окружающих молекул. Этот способ получения очень медленных нейтронов оказался весьма полезным при многих экспериментах.

Такие медленные нейтроны проходят с незначительным поглощением через толстые слои многих веществ, например железа и свинца, но сильно поглощаются некоторыми элементами, в частности бором, кадмием и гадолинием. Поглощение нейтронов гадолинием настолько велико, что слой этого вещества всего лишь в долю миллиметра поглощает практически все медленные нейтроны. Такое сильное поглощение медленных нейтронов не­которыми элементами, несомненно, является следствием захватывания их ядрами элементов, в результате чего последние претерпевают превращение. Иногда захват нейтрона ядром придает ядру такую неустойчивость, что оно распадается на части. В других случаях этот захват может превратить один изотоп в другой с массой на еди­ницу больше либо образовать неустойчивый или радио­активный изотоп, распадающийся с испусканием поло­жительного или отрицательного электрона.

Как показали Фезер, Гаркинс, а также Ферми с со­трудниками, нейтроны, особенно медленные, являются чрезвычайно эффективным средством превращения эле­ментов. Благодаря отсутствию заряда медленные нейтро­ны могут свободно проникать в тяжелые ядра, в то время как заряженным частицам необходима большая энер­гия движения для того, чтобы вплотную приблизиться к тяжелому ядру вопреки действию отталкивающих сил его электрического поля. Действенность нейтрона как средства преобразования атомов я проиллюстрирую на примере легких элементов лития и бора.

Тейлор и Гольдгабер недавно разработали фотогра­фический метод изучения нейтронных превращений не­которых элементов. Специальная фотографическая плас­тинка пропитывается раствором соединения, содержаще­го литий или бор, и облучается в течение нескольких дней источником медленных нейтронов. После проявления пластинки следы быстрых частиц можно отчетливо ви­деть и рассмотреть в микроскоп с большим увеличением. В случае облучения лития его изотоп с массой 6 захва­тывает нейтрон и затем расщепляется на α-частицу (Не⁴) и изотоп водорода с массой 3 (Н³). Применяя микроскоп с большим увеличением, можно отчетливо видеть на пластинке следы этих двух частиц, выбрасываемых в противоположных направлениях. Для бора наблюдаются два типа превращения. В одном случае изотоп бора с массой 10 захватывает нейтрон и затем распадается на ядро лития с массой 7 и α-частицу (Не⁴); в другом случае неустойчивое ядро расщепляется на две α-частицы и яд­ро Н³. Эти превращения лития и бора медленными ней­тронами оказались весьма полезными как средство обна­ружения и подсчета медленных нейтронов. В одних случаях детектирующая камера наполняется газообразным фтористым бором, а в других стенки камеры покрыва­ются соединениями бора и лития.

• 1. Масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона, и в связи с этим нейтрон является β-радиоактивной частицей. С периодом полураспада 11,7 мин он распадается на протон, электрон и антинейтрино.