Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Всего лишь через день после того, как Чедвик послал свою статью об открытии нейтрона в журнал Nature, другой журнал, Physical Review, получил известие о втором важнейшем открытии 1932 года, сделанном группой ученых из Колумбийского университета (Нью-Йорк) под руководством химика, физика и астронома Гарольда Юри (1893–1981).

Вспомним объяснение странного атомного веса хлора — 35,46, лежащее почти посередине между двумя целыми числами. В природе существует два вида хлора, два «изотопа», с весами 35 и 37. Вообще, у большинства химических элементов есть по нескольку изотопов. Всего химических элементов известно немногим более ста, а число изотопов превышает 2000, хотя стабильны из них только 280. В ядре хлора 17 протонов соединяются с 18 или 20 нейтронами. Таким образом, атомное число, определяющее химические свойства, в обоих случаях равно 17, но атомные веса различаются: 17 + 18 и 17 + 20; кроме того, существуют редкие изотопы хлора: 17 + 19 = 36 и 17 + 23 = 40.

Еще до 1932 года появилось предположение, что водород может иметь несколько изотопов, так как атомный вес водорода в природе превышает вес протона. Различие настолько мало (относительное превышение составляет около 10^-4), что сказать что-либо определенное было невозможно. Требовалось выделить в чистом виде тяжелую форму водорода, но это очень трудно, поскольку химические свойства изотопов одинаковые. Юри с коллегами смог сделать это. Теперь уже не составляло труда показать, что тяжелый водород имеет атомный вес 2, а значит, его ядро содержит один протон и один нейтрон. Это вещество назвали дейтерием, хотя по сути это водород, точнее — его тяжелая разновидность. Но дейтерий заслужил свое «отдельное» название: он играет ключевую роль в изучении ядерной силы, так как движение двух тел легче исследовать, чем движение трех тел (вспомним о сложной задаче трех тел, движущихся под действием гравитации; см. главу и).

В ядрах элементов возможны не любые комбинации протонов и нейтронов. В массивных ядрах число нейтронов немного больше числа протонов. Если мы пытаемся искусственно уменьшить число нейтронов настолько, что оно выйдет за рамки возможных значений, ядро станет неустойчивым и начнет меняться за счет радиоактивности до тех пор, пока не превратится в стабильное ядро (рис. 18.2).

Рис. 18.2. Ядра состоят из протонов (серые шарики) и нейтронов (темные шарики). Ядро урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Это одно из самых тяжелых среди известных атомных ядер.

Частицы и ускорители.

Хотя о существовании атомного ядра было известно с 1911 года, настоящее рождение ядерной физики произошло в 1932 году. В тот «сумасшедший» год, кроме уже упомянутых открытий, начал действовать самый важный прибор ядерной физики — ускоритель частиц. До этого момента атомные ядра исследовали путем их бомбардировки частицами, вылетающими из радиоактивных веществ. При стоимости, например, радия в 100 000 долларов за грамм это делало создание сильного потока частиц чрезвычайно дорогам. Кроме того, для расщепления тяжелых ядер требуется поток частиц, имеющих скорость гораздо выше той, с которой частицы испускаются природными источниками.

Заряженные частицы можно ускорить, если дать им пройти через большую разность потенциалов. Если электрон пролетает через разность потенциалов 1 вольт, он ускоряется до энергии в 1 электронвольт (эВ, удобная единица энергии). В химических реакциях изменение энергии на атом обычно составляет около 1 эВ. А в ядерных реакциях типичная энергия на атомное ядро составляет миллионы электронвольт (МэВ).

Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (1903–1995) построили в Кавендишской лаборатории ускоритель с разностью потенциалов в 700 000 вольт. В 1932 году, используя эту разность потенциалов, они ускорили протоны и бомбардировали ими литиевую мишень, за которой поместили экран из сульфида цинка, регистрирующий вспышки, вызванные альфа-частицами. Бьющие по литию протоны расщепляют ядра лития на альфа-частицы (ядра гелия). Это и было первым искусственным превращением одного атомного ядра в другое (рис. 18.3).

Тогда же американец Эрнест Лоуренс (1901–1958) разработал более мощный ускоритель, названный циклотроном (рис. 18.4). Лоуренс закончил Йельский университет и затем перебрался в Калифорнийский университет. Там он обнаружил статью норвежца Рольфа Видерое, который считал, что частицы легко можно ускорять шаг за шагом, если они движутся по кругу отклоняемые магнитным полем. На каждом обороте частицы проходят сквозь разность потенциалов и увеличивают свою скорость. В 1932 году Лоуренс со своим студентом построили такой ускоритель и использовали его для разгона частиц до энергий более 1 МэВ. Они смогли подтвердить результаты Кокрофта и Уолтона. Циклотроны вскоре стали широко использоваться: через пять лет в мире работало уже около двадцати таких ускорителей.