1919 Г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. 14n(α,p)17o

1 – микроскоп для наблюдений сцинтилляций, 2 – серебряная пластинка для поглощения α-частиц, 3 – экран из сернистого цинка, 7 – источник α-частиц

    Н-лучи. Из корпускулярных лучей, возникающих при столкновении α-лучей с лёгкими атомами, наиболее изучены лучи водорода, так как они обладают наибольшей проникающей способностью. Эти лучи образуются атомами водорода, потерявшими свой электрон, т.е. протонами. Их обозначают символом H… Чтобы наблюдать H-лучи, сначала пользовались их общим с α-лучами свойством вызывать сцинтилляции на экране с серистым цинком… В качестве источника H-лучей можно вместо водорода пользоваться веществом богатым водородом, например, парафином, в виде очень тонкой плёнки, обычно накладываемой прямо на источник.

М.Кюри. «Радиоактивность. Лучи водорода и других лёгких атомов».

    Наполняя камеру азотом, Резерфорд наблюдал, что при некотором давлении большинство сцинтилляции пропадает. Это происходит тогда, когда α-лучи, испускаемые радиоактивным источником, тратят всю энергию на ионизацию воздуха и не доходят до экрана. Но остающиеся сцинтилляции указывали на присутствие очень малого количества H-лучей с пробегом в несколько раз большим, чем испускалось источником. Если вместо азота взять другой газ, например углекислоту или кислород, то таких остаточных сцинтилляций не появляется. Единственное объяснение — в том, что они появляются из азота. Так как энергия остаточных H-лучей больше, чем первичных, то они могут появляться только за счет разложения ядра атома азота. Так было доказано разложение азота и принципиально решена задача алхимии.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1919 Г. Э. Резерфорд. Ядерная реакция. 14n(α,p)17o

Фотография в камере Вильсона следов α-частиц в азоте.

    Открытие радиоактивного распада атомов оживило алхимическую идею превращения одного элемента в другой. До 1930 г. в течение десятилетий проводились многочисленные опыты этого рода, особенно посредством вольтовой дуги. Но эти мнимые превращения не устояли перед критикой. Превращение достигается, как мы теперь знаем, только методом концентрации необходимого количества энергии на отдельном атоме при бомбардировке его другими атомами или γ-квантами. Но и при этих экспериментах вначале (1907 г.) были ошибочные результаты. Первое действительное искусственное превращение атомов удалось в 1919 г. Резерфорду. Он облучал азот α-частицами и получил при этом протоны с большой длиной пробега. Фотографии этого явления в камере Вильсона, сделанные П. Блэкеттом, ясно показали, наряду с длинным следом протона, короткий след возникшего кроме него изотопа кислорода с атомным весом 17. В период от 1921 г. до 1924 г. Резерфорд и Чедвик смогли доказать существование этой реакции – поглощение α-частицы и испускание протона – также у всех элементов от бора (порядковое число 5) до калия (порядковое число 19), за исключением углерода и кислорода. Кроме протона в этих реакциях постоянно возникает элемент, следующий по порядку в периодической системе.

М. Лауэ «История физики»

    Обнаружив в составе атомного ядра протоны, Резерфорд предложил протон-электронную модель ядра. Протоны определяли массу атомного ядра, а электроны частично компенсировали электрический заряд протонов, что приводило к нужному значению заряда ядра. Так, например, считалось, что ядро, имеющее заряд +2e, состоит из 4 протонов и 2 электронов. Важным аргументом в пользу протон-электронной модели был β^--распад атомных ядер. Это явление можно было легко объяснить, если считать, что электроны входят в состав атомного ядра. Протон-электронная модель ядра встречала определенные возражения, основным из которых было то, что она не могла объяснить значение спинов атомных ядер. Однако она просуществовала до открытия нейтрона в 1932 г.

    Э. Резерфорд, 1920 г.: «Из изучения радиоактивности известно, что ядра радио­активных элементов частично состоят из ядер гелия с зарядом 2e. Кроме того, у нас имеются серьёзные основания считать, что ядра атомов наряду с положительно заряженными частицами содержат также и электроны и что положительный заряд ядра соответствует избытку общего положительного заряда над отрицательным. Интересно отметить совершенно различную роль, которую играют электроны вне атома и внутри него. В первом случае они располагаются на расстоянии от ядра, которое, несомненно, определяется, главным образом, зарядом ядра и взаимодействием их собственных полей. Внутри ядра электроны образуют очень тесное и прочное объединение с положительно заряженными единицами и, насколько нам известно, именно вне ядра они находятся в неустойчивом состоянии. Каждый внешний электрон, несомненно, взаимодействует с ядром как точечный заряд, тогда как о внутреннем электроне этого сказать нельзя. По-видимому, внутренние электроны под влиянием огромных сил сильно деформируются, и силы в этом случае могут совершенно отличаться от тех сил, которые можно ожидать от недеформированного электрона, как, например, вне ядра. Быть может, поэтому электрон может играть столь различную роль в этих двух случаях и даже образовывать стабильные системы».

    Дискуссия о структуре атомного ядра. В феврале 1929 г. в Лондонском королевском обществе была проведена дискуссия о структуре атомного ядра. Ниже приведены сокращенные выступления Э. Резерфорда, Дж. Чедвика и Р. Фаулера.

Э. Резерфорд: «Теперь мы уже можем составить себе картину постепенного построения атомных ядер. Вероятно, у легких элементов ядро состоит из комбинации α-частиц, протонов и электронов, причем отделение части ядра сильно притягивают друг другу, отчасти вследствие возмущающих, отчасти вследствие магнитных сил. О природе этих сил мы пока что, можем только строить то или иное предположение. Прежде всего образуется сильно сконцентрированное и крепко связанное ядро, причем процесс этот сопровождается излучением энергии. Для атомного веса, примерно равного 120, мы имеем наименьшую массу, что означает наиболее тесную связь. При дальнейшем возрастании атомных номеров, добавляемые частицы оказываются связанными все менее и менее плотно.     Таким образом, можно предположить, что ядро имеет очень плотную структуру около центра, причем плотность постепенно убывает с удалением от центра. Вся эта система окружена силовым барьером, обычно мешающим вылету α-частиц. Может бить, эта статическая точка зрения не нравится моим друзьям-теоретикам, которые хотели бы представлять α-частице полную свободу передвижения внутри ядра. Тем не менее, эта точка зрения вполне законна и находится в полном согласии с изложенными мною идеями. Другими словами, если бы мы могли сделать моментальный снимок с ядра – с выдержкой около 10^–28 секунды, – мы увидели бы в центре как бы плотно упакованные, крепко связанные α-частицы, причем плотность убывала бы с увеличением расстояния от центра. Без сомнения, все α частицы находятся в движении, и волны их отражаются от силовых барьеров, а иногда и проникают за пределы системы. Мне кажется, что развитая мною точка зрения вполне обоснована, и я надеюсь, что наши друзья-теоретики смогут описать более детально всю картину. Мы должны не только объяснить построение ядра из α-частиц, – нам приходится найти еще место и для электронов, а запереть электроны в одну клетку с α частицей не так-то легко. Однако я настолько уверен в изобретательности наших друзей-теоретиков, что я твердо верю, что они превзойдут каким-нибудь образом и эту трудность.     Изложенная мною точка зрения объясняет, мне кажется, почему не могут существовать атомы тяжелого урана. С увеличением массы ядро получало бы все больше и больше энергии и стало бы настолько радиоактивным, что исчезло бы. По-видимому, чем больше был бы у ядер запас энергии, тем скорее они исчезали бы, и, вероятно, уран и торий не случайно являются единственными выжившими представителями тяжелых ядер. Здесь не место затрагивать в высшей степени спекулятивный вопрос о том, как образовались ядра элементов. Прежде чем браться за решение этого вопроса, нам нужно узнать гораздо больше о деталях структуры самого ядра».

    Дж. Чедвик: «При бомбардировке некоторых элементов α-частицами, из них выбиваются ядра водорода, или протоны, которые можно обнаружить по сцинтилляции, вызываемой ими на экране из сернистого цинка. Эти протоны появляются вследствие искусственного разложения ядер этих элементов. Мы полагаем, что разложение ядра происходит когда α-частица проникает внутрь ядра и задерживается там, в результате чего вылетает протон. Вероятность разложения мала; так, например, в благоприятном случае, когда бомбардируется азот, разлагается 20 ядер на каждый 10⁶ α-частиц. Вследствие редкости этого эффекта, а также из-за различных экспериментальных трудностей, сведения, добытые нами по сих пор, еще довольно скудны. За исключением углерода и кислорода, все элементы от бора до калия включительно разлагаются при бомбардировке их α-частицами и испускают при этом протон, обладающий значительной энергией. Это значит, что ядра всех этих элементов содержат протоны. Углерод и кислород, если они вообще разлагаются, не испускают частиц с энергией, превышающей энергию рассеянных α-частиц. Возможно, что они разлагаются на ядра гелия, но доказательств для этого пока нет. Некоторые протоны, освободившиеся при искусственном разложении, имеют очень большие энергии, например, энергия протонов, выбитых из алюминия α-частицами радия G, на 40% превышает энергию ударяющих α-частиц. Таким образом в некоторых случаях при разложении освобождается энергия. Существует резкая разница в поведении элементов с четным и нечетным атомным номером. Протоны, вылетающие из нечетных элементов, имеют гораздо большую максимальную энергию, нежели протоны из четных элементов. При разложении, состоящем только в уловлении α-частицы и испускании протона, элемент с нечетным номером переходит в элемент с четным номером, и наоборот. Рассматривая различное поведение четных и нечетных элементов, а также их сравнительное изобилие в природе и их атомные массы, можно сделать заключение, что четные элементы более устойчивы, чем нечетные».

    Р. Фаулер: «Я хотел бы изложить вам, в чем может нам в дискуссии о строении и свойствах ядра помочь новая квантовая теория. Этот вопрос уже был намечен председателем в его вступительном слове. Я хотел бы несколько развить его. Первое, что надо иметь в виду, это то, что новая квантовая механика развилась логическим путем, основываясь на свойствах электронов в атомах. Мы должны предположить, что частицы имеют много свойств, присущих волнам. Назовем ли мы их частицами или волнами, это дело вкуса, Выбор названия, скорее всего, зависит в каждом отдельном случае от их состояния. Раз частицы похожи на волны, мы должны ожидать, например, что они не всегда отразятся от барьеров определенной высоты. Они могут пройти сквозь барьер, конечно, только в некоторых случаях..     То, что частицы могут проходить через такого рода барьер, очень важно для объяснения явления испускания α-частиц тяжелыми ядрами.     Если представить себе ядро так, как мы уже говорили здесь сегодня, в виде некоторого небольшого ящика, окруженного до всех сторон (в трех измерениях) силовым барьером, то можно положить, что внутри него находится α-частица, которую надо представлять себе в виде волны, энергия которой меньше потенциальной энергии верхней части барьера. По классической теории, α-частица навеки останется внутри барьера. Но по квантовой теории существует конечная вероятность того, что волна пройдет через тонкую стенку и уйдет в бесконечность. Эта мысль лежит в основе квантовой теории испускания α-частиц. Идея эта была высказана независимо друг от друга Гамовым – с одной стороны и Герней и Кондоном – с другой. Всё они, и в особенности Гамов, разработали ее довольно детально.     Когда α-частица проходит сквозь барьер, ее, конечно, нельзя уже отожествлять со стоячей волной. Правильно будет изображать α-частицу затухающим колебанием. Мы будем внутри барьера иметь затухающее колебание, т.е. гармоническое колебание с обыкновенным коэффициентом затухания, а снаружи очень слабую волну, соответствующую испусканию α частицы. На самом деле задачу эту можно решить очень хорошо, причем коэффициент затухания получается в виде мнимой части энергии. Это было с большим успехом проделано Гамовым.     Он нашел, что для этих вычислений не имеет большого значения, какой именно вид вы предположите у внутренней части барьера. Главная же наружная часть его хорошо известна из опытов над рассеянием α-частиц.     Вероятность для α-частицы проникнуть через барьер, в сильной мере зависит от энергии α-частицы. Чем больше ее энергия, тем тоньше барьер, который ей надо пройти, и тем меньше его высота. Поэтому, очевидно, существует очень тесная связь между энергией α-частицы, о которой мы судим по энергии вылетевшей α-частицы, и между вероятностью для этой α-частицы пробраться наружу, о которой мы судим по продолжительности жизни атома. Это и есть закон Гейгера-Неттола.     В заключение скажу, что это очень красивая теория, и что мы можем быть абсолютно уверены' в том, что в общих чертах она правильна. Большая заслуга этой теории в том, что она дает закон Гейгера-Неттола совершенно независимо от деталей строения ядра».

    По мере того, как появлялись новые экспериментальные данные по спинам и магнитным моментам атомных ядер, трудности протон-электронной модели в описании этих характеристик атомных ядер нарастали. Особенно ярко это проявилось в так называемой «азотной катастрофе». Суть её состояла в следующем. Согласно протон-электронной модели ядро ¹⁴N должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Так как и протон, и электрон имеют собственное значение спина J = 1/2, полный спин ядра ¹⁴N должен иметь полуцелое значение, в то время как экспериментально измеренное значение спина ядра J(¹⁴N) = 1. Были и другие примеры расхождений предсказаний протон-электронной модели ядра с результатами эксперимента. Так, например, все атомные ядра, имеющие четное значение массового числа A, имели нулевое или целочисленное значение спина J, в то время как протон-электронная модель ядра в большинстве случаев предсказывала полуцелое значение спина. Измеренные значения магнитных моментов ядер оказались почти в 1000 раз меньше, чем предсказывала протон-электронная модель ядра. Стало ясно, что протон-электронная модель ядра содержит какую-то неправильную компоненту. Определенные неудобства создавали электроны, находящиеся в ограниченном объёме атомного ядра. Заточение электронов в ядре противоречило принципу неопределенности ΔpΔx = ћ.

    Э. Резерфорд, 1932 г.: «Дело представляется так, как если бы электрон внутри ядра вел себя совсем отлично от электрона на периферии атома. Эта трудность может быть создана нами самими, так как мне кажется более вероятным, что электрон не может существовать в свободном состоянии в устойчивом ядре, но должен быть всегда соединенным с протоном или другой возможной массивной единицей. В этой связи замечательны указания на существование нейтронов в некоторых ядрах. Наблюдение Бека, что в построении тяжелых элементов из легких электроны прибавляются парами, представляет большой интерес и подсказывает, что для образования устойчивого ядра существенно нейтрализовать большой магнитный момент электрона прибавлением другого электрона. Возможно также, что незаряженные единицы массы 2 и нейтроны массы 1 являются вторичными единицами в структуре ядра».

    Как показали дальнейшие события, представление Резерфорда о том, что может образовываться сильно связанное состояние протона и электрона, было ошибочным. Тем не менее, оно сыграло решающую роль в открытии нейтрона. В 1930–1932 гг. Боте и Беккер обнаружили, что при облучении α-частицами бериллия Be образуется сильно проникающее нейтральное излучение. Все обнаруженные до сих пор излучения сильно поглощались тонкими слоями свинца, в то время как излучение из бериллия свободно проходило сквозь толстую свинцовую защиту. Возникло подозрение, что это новый вид электромагнитного излучения.     Решающий эксперимент был выполнен в 1932 г. учеником Резерфорда Чедвиком. С помощью ионизационной камеры он измерил энергию отдачи ядер водорода и азота под действием нейтрального излучения из бериллия и показал, что в результате реакции

образуются быстрые нейтральные частицы с массой, приблизительно равной массе атома водорода. Эти частицы, названные нейтронами, не имеют электрического заряда, свободно проходят через атомы, не производя ионизацию на своем пути.

    Дж. Чедвик, 1932 г.: «Недавно было обнаружено, что разложение элементов бериллия и бора представляет особый интерес. Боте и Беккером было найдено, что эти элементы, бомбардируемые α-частицами полония, испускают проницающую радиацию, по-видимому, γ-типа. Несколько месяцев тому назад И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио сделали поразительные наблюдения, показывающие, что это излучение имеет свойство выбрасывать протоны с большими скоростями из вещества, содержащего водород. Ими было найдено, что выбрасываемые радиацией бериллия протоны имеют скорости до 3∙10⁹ см/сек. Кюри и Жолио предположили, что это выбрасывание протона происходит благодаря процессу, аналогичному эффекту Комптона, и пришли к заключению, что радиация бериллия имеет квант с энергией около 50 млн. вольт-электронов. Принятие этого допущения вызывает две серьезных трудности. Во-первых, известно, что рассеяние кванта электроном хорошо описывается формулой Клейна-Нишина, и нет оснований предполагать, что сходные отношения не будут правильными для рассеяния протона. Наблюдаемое рассеяние, однако, слишком велико по сравнению с тем, какое дается формулой Клейна-Нишины. Во-вторых, трудно понять испускание кванта столь высокой энергии при превращении ⁹Ве + ⁴Не → ¹³С + квант. Поэтому я изучил свойства этой радиации, пользуясь особым счетчиком. Было найдено, что радиация выбрасывает частицы не только из водорода, но из гелия, лития, бериллия и т. п. и предположительно из всех элементов. Во всех случаях частицы, по-видимому, являются атомами отдачи элемента. По-видимому, невозможно приписывать выбрасывание этих частиц отдачи столкновению с квантом радиации, если энергия и импульс сохраняются при ударе.     Удовлетворительное объяснение экспериментальных результатов может быть получено, если предположить, что радиация состоит не из квантов, но из частиц с массой 1 и зарядом 0, – нейтронов. В случае двух элементов, водорода и азота, пробег атомов отдачи был измерен с большой степенью точности, и отсюда были выведены их максимальные скорости. Они оказались соответственно 3,3∙10⁹ см/сек и 4,7∙10⁸ см/сек. Пусть М, V будет масса и скорость частицы, из которых состоит радиация. Тогда максимальная скорость, которая может быть сообщена при столкновении ядру водорода, будет:

а для азота:

отсюда:

,

и

M = 1,15.

    В пределах ошибок опыта М может быть принято за 1 и поэтому:

V = 3,3∙10⁹ см/сек.

    Так как радиация, обладает крайне большой проницающей силой, то частицы должны иметь заряд очень малый по сравнению с зарядом электрона. Предполагается, что этот заряд равен 0, и мы можем допустить, что нейтрон состоит из протона и электрона в очень тесной комбинации.     Имеющиеся факты сильно поддерживают гипотезу о нейтронах. В случае бериллия, процесс превращения, который дает эмиссию нейтронов, есть ⁹Be + ⁴He → ¹²C + нейтрон. Можно показать, что наблюдения совместимы с энергетическими соотношениями в этом процессе. В случае бора, процесс превращения, вероятно, есть ¹¹В + ⁴Не → N¹⁴ + ¹n; в этом случае массы В¹¹, Н⁴е и ¹⁴N известны из измерений Астона, кинетическая энергия частиц может быть найдена экспериментально, и поэтому возможно получить более близкую оценку массы нейтрона. Выведенная таким образом масса равна 1,0067. Принимая во внимание ошибку в измерении массы, следует думать, что масса нейтрона, вероятно, лежит между 1,005 и 1,008. Эти значения поддерживают тот взгляд, что нейтрон есть комбинация протона и электрона и дает для энергии связи частиц около 1-2∙10⁶ вольт∙электронов.     Нейтрон может быть изображен как маленький диполь, или, может быть лучше, как протон, погруженный в электрон. Так или иначе «радиус» нейтрона будет между 10^–13 см и 10^–12 см. Поле нейтрона должно быть очень мало, за исключением очень близких расстояний, и нейтроны при прохождении через вещество не будут подвергаться воздействию, за исключением тех случаев, когда они прямо попадают в атомное ядро. Измерения, сделанные над прохождением нейтронов через материю, дают результаты, находящиеся в общем согласии с этими взглядами Столкновение нейтронов с ядрами азота изучалось доктором Фезером, применявшим автоматическую камеру Вильсона. Он нашел, что в добавление к нормальным следам атомов отдачи азота, имеется еще некоторое число разветвляющихся путей. Это – следствие разложения ядра азота. В некоторых случаях нейтрон захватывается, испускается α-частица и образуется ядро В¹¹. В других случаях механизм еще неизвестен с определенностью»