§ 90. Искусственное расщепление ядер. Открытие нейтрона

До начала 30-х годов были известны только два рода элементарных частиц: электроны и протоны. За последние десятилетия наши знания об элементарных частицах обогатились открытием нейтронов, позитронов, антипротонов, антинейтронов, мезонов, гиперонов, а также обнаружением процессов взаимопревращений ряда частиц друг в друга и взаимопревращения жестких у-фотонов и электронно-позитронных пар. Все эти открытия были сделаны при изучении соударений частиц и при исследовании космических лучей. Методы и результаты этих исследований изложены в последующих главах; здесь мы коснемся их только в той мере, в какой это необходимо для пояснения фактов, доказавших существование нейтронов и позитронов.

Классические опыты Резерфорда (§ 55) уже в 1919 г. показали, что можно искусственно разрушать ядра атомов и осуществлять таким образом древнюю мечту алхимиков о превращении элементов.

Резерфорд, подвергая ядра атомов различных веществ бомбардировке -частицами, установил, что некоторые -частицы выбивают из ядер протоны. О происходящих здесь процессах судят по фотографиям траекторий -частиц по характеру сцинтилляций, наблюдаемых за пределами пробега -частиц (пробег выбиваемых из ядер протонов значительно превышает пробег -частиц).

В одной из своих статей Резерфорд следующим образом рассказывает о результатах своих опытов, в которых впервые были осуществлены ядерные реакции.

«При лобовом соударении с ядром атома азота -частица проникает в ядро азота, и на одно мгновение образуется ядро фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро в естественной обстановке в природе не существует, является чрезвычайно неустойчивым и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17. Фазы процесса показаны ниже в виде соотношения, аналогичного химическому уравнению. Два числа у каждого символа обозначают: верхнее — массу, нижнее — заряд ядра данного элемента. Как видно из уравнения, общий заряд ядер при превращении сохраняется так же, как и их масса, если только учесть пропорциональность массы и энергии (с этой целью можно в правую часть уравнения ввести массу, пропорциональную сумме кинетических энергий протона и кислородного ядра, за вычетом первоначальной энергии -частицы):

Превращение происходит в ничтожных масштабах, ибо всего лишь одна -частица из 50 тысяч приближается к ядру достаточно близко, чтобы быть им захваченной.

Превращение аналогичного типа происходит с целым рядом легких элементов при бомбардировке их -частицами, причем во всех случаях освобождается быстрый протон... Оказалось, что испускаемые протоны состоят из двух или большего числа групп, каждая из которых обладает определенной скоростью». Последнее обстоятельство доказывает наличие в ядре определенных квантовых уровней энергии.

Ярче всего явление, открытое Резерфордом, наблюдается у алюминия, так как в этом случае пробег выбитых из ядер протонов достигает 90 см.

Вплоть до очень малых расстояний между ядром и налетающей -частицей действуют кулоновские силы отталкивания, препятствующие проникновению -частицы в ядро; только с того момента, когда расстояние -частицы от центра ядра становится меньше, чем

(примерно) см, — так приблизиться к ядру удается очень немногим -частицам — отталкивание заменяется силой ядерного притяжения.

Вследствие малой вероятности проникновения -частицы в ядро, а следовательно, и ядерной реакции экспериментаторы (Резерфорд, Чадвик и др.), применявшие визуальную регистрацию сцинтилляций выбитых протонов, были принуждены проводить наблюдения с поистине героической настойчивостью. Блеккет и

Гаркинсон первые создали установку с камерой Вильсона, в которой фотографирование следов -частиц производилось автоматически через короткие промежутки времени. Этими исследователями было получено фотографий, на которых запечатлено около следов -частиц в азоте. Среди них оказалось только, восемь траекторий, заканчивающихся теми особого вида вилками, которые свидетельствуют о происшедшем разрушении ядра азота, вызванного попавшей в него -частицей. Эти вилки двойные: одна их ветвь, тонкая и длинная, представляет собой след выбитого из ядра протона; другая ветвь, более короткая и относительно толстая, — след ядра возникшего атома кислорода (рис. 349). Действительно, третьей ветви, которая представляла бы собой след -частицы после ее столкновения с ядром, ни на одной из этих фотографий нет; это означает, что -частица, проникая в ядро, перестает существовать, а вместо нее вылетает протон.

Рис. 349. Распад ядра атома азота.

В конце 1930 г. Боте и Беккер обнаружили весьма проникающие лучи, испускаемые некоторыми элементами (фтором, алюминием и др.) при бомбардировке их -частицами, и особенно интенсивные при бомбардировке бериллия, вследствие чего эти лучи, проникающая способность которых значительно превышает проникающую способность у лучей, были названы вначале бериллиевыми лучами. Оказалось, что бериллиевые лучи способны вырывать из ядер протоны, имеющие скорости вплоть до 0,1 скорости света.

В 1932 г. Чадвик доказал, что бериллиевые лучи представляют собой поток частиц, лишенных заряда и имеющих массу, близкую к массе протона; эти частицы были названы нейтронами. Впоследствии было установлено, что масса нейтрона

тогда как

Об исключительно большой проникающей способности нейтронов Чадвик пишет: «Проходя сквозь вещество, нейтроны теряют энергию только вследствие столкновений с атомными ядрами, а не с электронами. Такое поведение сильно отличается от поведения заряженной частицы... Протон, летящий со скоростью 0,1 с, имеет пробег в воздухе около 30 см, в то время как нейтрон при той же скорости испытывает в среднем только одно столкновение с ядром азота на протяжении При близкой встрече с ядром нейтрон отклоняется от своего пути, а отброшенное ядро приобретает скорость, достаточную, чтобы вызвать ионизацию. Вследствие этого ядра, подвергнувшиеся столкновениям с нейтронами, могут быть обнаружены по следам, появляющимся в камере Вильсона».

К концу 30-х годов было получено множество фотографий, иллюстрирующих процесс соударения нейтрона с ядрами различных элементов. По величине отброса атомов, претерпевших соударение с нейтроном, а также по уравнениям ядерных реакций и была вычислена масса нейтрона.