Возникновение химической атомистики

В. Паули предположил, что  при бета-распаде из ядра вылетает не одна частица – электрон (как  предполагалось ранее), а две – электрон и частица, названная Паули нейтрино.

На основе опытов Дж. Аллена, выполненных 10 лет спустя, в 1942 г. было установлено, что нейтрино имеет массу покоя, значительно меньшую (1/30) массы электрона, и полностью лишено электрического заряда и магнитного момента.

Если природа трех ранее  открытых элементарных частиц (электрона, фотона и протона) могла считаться электромагнитной, то в отношении нейтрино сказать это было почти невозможно. Однако до 1932 г. электромагнитная теория господствовала. Решающим шагом в признании новой физической идеи стало открытие Чедвиком (1932 г.) пятой частицы - нейтрона.

История открытия нейтрона достаточно поучительна. Еще в 1920 г. Резерфорд выдвинул предположение о существовании нейтральной частицы. В 1930 г. В. Боте и Г. Бекер сообщили о проникающем излучении, появляющемся при бомбардировке альфа-частицами ядер легких элементов. Особенно значительный эффект получался при бомбардировке бериллия. В качестве детектора излучения был использован счетчик Гейгера. Боте и Бекер предположили, что наблюдаемое излучение представляет собой поток гамма-квантов высокой энергии.

Почти одновременно с этими  немецкими учеными Ирен и Фредерик Жолио-Кюри повторили их опыты, используя источник полония большой активности. Детектором служила ионизационная камера. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. Помещая на пути потока частиц экраны из водородсодержащих веществ (парафина в том числе), они ожидали, что поток уменьшится, но он даже увеличился. Ученые пришли к выводу, что столкнулись с каким-то новым явлением. Продолжая опыты, они убедились, что излучение Боте-Бекера способно выбивать ядра из атомов водорода, гелия и азота. Они установили, что выбитые частицы приобретали значительную энергию и что в пространство излучаются электроны высоких энергий. Жолио-Кюри опубликовали результаты своих опытов и выяснилось, что энергия излучения Боте-Бекера гораздо больше энергии гамма-излучения.

В феврале 1932 г. ученик Резерфорда Дж. Чедвик после ознакомления с результатами опытов Жолио-Кюри измерил с помощью электронного оборудования, пропорционального усилителя, отдельные импульсы, возникающие при прохождении ядер и электронов через счетчик, и разделил их. Оборудование, которым пользовался Чедвик, было более совершенным, и результаты его опытов показали, что первоначальное предположение Боте и Бекера, а также И. и Ф. Жолио-Кюри об электромагнитной природе сверхпроникающего излучения неверно.

Чедвик установил, что  это излучение состоит из электрически нейтральных частиц с массой, примерно равной массе ядра протона. Это были нейтроны.

Открытие нейтрона является результатом работы ученых трех стран: Германии, Франции и Англии. История открытия нейтрона лишний раз иллюстрирует, что путь к высотам науки изобилует сложностями и весьма тернист.

Открытие нейтрона указало  на существование в природе нового типа сил – ядерных. Значение этого открытия для развития ядерной физики необычайно велико, оно позволило преодолеть трудности, стоявшие на пути познания строения ядра атома. Нейтрон – это «золотой ключик», открывший двери в ядерную энергетику.

Открытие нейтрона стимулировало появление фундаментальных направлений науки, таких как физика атомного ядра, физика элементарных частиц. Впоследствии самостоятельной областью физики стала нейтронная физика.

При этом следует отметить, что открытие нейтрона не было случайным, на его существование указывало много сопутствующих фактов, и потому его обнаружение – закономерное следствие знаменитых опытов Резерфорда 1919 г. по искусственному расщеплению ядер альфа-частиц, работ Боте и Бекера, И. и Ф. Жолио-Кюри. Но обнаружил нейтрон Дхеймс Чедвик. Свое открытие Чедвик опубликовал в статье «Возможное существование нейтрона», которую он направил в печать 17 февраля 1932 г.

Этот день по праву считается  днем открытия нейтрона.

О гениальном английском физике Эрнесте Резерфорде (1871-1937) говорилось уже не раз, но в связи с открытием  нейтрона Дж. Чедвиком, его учеником и сотрудником Кавендишской лаборатории, следует сказать о нем и о его вкладе в физическую науку.

Э. Резерфорд заложил основы учения о радиоактивности и строении атома. Он первым осуществил искусственное превращение элементов, установил, что корпускулярное излучение состоит из альфа- и бета-лучей.

В 1903 г. совместно с Ф. Содди  Резерфорд объяснил радиоактивность  как спонтанный распад атома вещества, при котором он меняет свое место в периодической системе элементов. Резерфорд доказал, что в центре атомов существует массивное положительно заряженное ядро, он же предложил планетарную модель атома, в центре которого находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. (Здесь хочется напомнить о гениальных догадках древнегреческих философов, которые указывали, что атомы непрерывно движутся.) За 12 лет до открытия нейтрона Резерфорд высказал предположение о существовании нейтральной частицы - нейтрона, и в 1932 г. оно подтвердилось.

В Кавендишской лаборатории  Резерфорда работали и стажировались молодые ученые из разных стран и в том числе и русские ученые П. Л. Капица, К. И. Синельников, А. И. Лейпунский, Ю. Б. Харитон.

Итак, 1932 год стал годом  великих открытий в ядерной физике. В этом году возникла физика нового типа, имеющая дело со строением  атомов и исследующая неизвестные  до того времени силы и взаимодействия частиц в ядре атома. Три открытия 1932 г. считаются особенно важными  для дальнейшего развития атомной  и ядерной физики:

1. открытие нейтрона;

2. обнаружение позитрона  К. Андерсоном в космических  лучах. Это была первая открытая  учеными античастица;

3. открытие американским  химиком Г. Юри вместе с Ф. Брикведце и Г. Мерфи дейтерия – тяжелого водорода, стабильного изотопа водорода с массовым числом 2. При создании первой американской бомбы Юри руководил производством тяжелой воды (с дейтерием) и участвовал в работах по разделению изотопов урана.

Хотя мы и называем 1932 год годом великих открытий, но роль этих замечательных открытий в  развитии науки была определена гораздо позднее. Тогда за ними лишь следовали события, которые служили как бы продолжением этих открытий.

Первым наиболее выдающимся открытием, совершенным после того, как Чедвик доказал существование  нейтрона, было открытие Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в 1934 г. искусственной радиоактивности. В этом могли видеть некоторую закономерность. Ведь Жолио-Кюри сделали важный шаг к открытию нейтрона, и естественно, что они продолжали опыты по исследованию нейтрона. Для этого у них в лаборатории било все приспособлено. Они имели источники альфа-излучения и опыт работы в молодой тогда области физики элементарных частиц. Их работы показали, что при облучении альфа-частицами легких элементов некоторые из них испускали наряду с нейтронами и позитроны.

И. и Ф. Жолио-Кюри предположили, что натолкнулись на какое-то совершенно новое явление, нигде ранее не упоминавшееся, а именно – позитронное излучение. В своих опытах они бомбардировали алюминий альфа-частицами большой скорости, а затем постепенно удаляли источник альфа-частиц, но алюминиевый листок продолжал излучать положительные электроны, т. е. позитроны, в течение достаточно продолжительного времени. Так была открыта искусственная радиоактивность (термин родился в Париже, где почти за 40 лет до этого появился термин «радиоактивность»).

Искусственную радиоактивность  открыли в 1933 г., а в 1935 г. Ф. Жолио-Кюри в своем Нобелевском докладе сказал: «Мы видим, что несколько сотен различного рода атомов, составляющих нашу планету, не являются раз и навсегда созданными и существуют не вечно. Мы воспринимаем это именно так потому, что некоторые существуют еще и сейчас. Другие же, менее устойчивые атомы уже исчезли. Из этих последних некоторые, вероятно, будут вновь получены в лабораториях. До настоящего времени удалось получить лишь элементы с небольшой продолжительностью жизни - от доли секунды до нескольких месяцев. Чтобы получить достойные упоминания количества элементов со значительно большой продолжительностью жизни, необходимо располагать очень мощным источником излучений».

Ныне в США, России, Европе и других странах появились очень  мощные источники излучений в виде ускорителей протонов и электронов на гигантские энергии.

Дж. Кокрофт (1897-1967), английский физик, в 1932 г. вместе с Э. Уолтоном создал высоковольтный генератор, работающий по принципу умножения напряжения. Ускоряя ионы до больших скоростей, они сумели в первой половине 1932 г. ускоренными протонами осуществить ядерную реакцию, облучая литиевую мишень, и расщепили ядра атомов лития. Здесь уместно добавить, что в Советском Союзе, в Харьковском физико-техническом институте, ученые-физики К. Д. Синельников, А. К. Вальтер, А. И. Лейпунский и Г. Д. Латышев повторили к ноябрю 1932 г. эксперимент на каскадном генераторе, созданном харьковчанами, и расщепили ядро лития. Это сообщение произвело на Западе фурор, так как никто не мог ожидать, что в далеком Харькове есть такие кадры физиков и возможности создать каскадный генератор в короткие сроки.

Вскоре после открытия нейтрона возникли гипотезы о строении ядра. В дискуссии включились физики-теоретики, и в их числе Д. Д. Иваненко. В 1932 г. он высказал гипотезу о протон-нейтронном составе ядер. Эта модель не сразу была принята, и, в частности, теоретик В. Гейзенберг провел большую работу, участвуя в дискуссиях по структуре атомного ядра: он развил идею обменного характера взаимодействий нуклонов в ядре.

Итальянский физик Э. Ферми (1901-1954), в 1938 г. эмигрировавший из фашистской Италии в США, внес большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики. Он заложил основы нейтронной физики, впервые наблюдал искусственную радиоактивность, вызванную бомбардировками нейтронами ряда элементов, в том числе урана, создал теорию этого явления. Позднее, а именно в декабре 1942 г., Ферми первому в мире удалось осуществить управляемую цепную реакцию в построенном им в США первом в мире ядерном реакторе.

В 1934 г. Э. Ферми пытался  с помощью бомбардировки нейтронами элемента урана получить заурановые элементы, не существующие в природе. В результате бомбардировки наблюдалось образование ряда радиоактивных веществ. Химические исследования показали, что эти вещества являлись изотопами известных элементов периодической системы. Наблюдаемое им впервые в истории физики деление ядер урана не было правильно понято. Ферми предположил, что ядро урана, захватив нейтрон, становится бета-радиоактивным и после испускания бета-частицы превращается в ядро нового трансуранового элемента.

Эта работа Ферми и посвященные  тем же проблемам работы его друга  Э. Сегре привлекли широкое внимание ученых к возможности деления ядер урана. В конце 1934 г. известный физико-химик Ида Ноддак выступила в техническом журнале с общим тезисом о том, что с научной точки зрения недопустимо говорить о новых элементах, не установив, что при облучении урана нейтронами не возникают какие-либо известные химические элементы: «Допустимо, что при бомбардировке тяжелых ядер нейтронами эти ядра распадаются на несколько больших осколков, которые являются изотопами известных элементов, хотя и не соседних с облученными».

«Читая сегодня эту  фразу, мы видим в ней ясное предсказание возможности деления ядер» (это высказывание принадлежит В. Герлаху, известному немецкому физику). Но в 1934 г. на эту мысль Иды Ноддак не обратили внимания, ее пророчество повисло в воздухе, и только после опубликования работ по делению ядер О. Ганом и Ф. Штрассманном в 1939 г. И. Ноддак попыталась присвоить себе честь открытия деления ядер урана. Но ученые с этим не согласились, так как Ган и Штрассманн осуществили деление ядер урана медленными нейтронами.

Атомистика  в предвоенные годы.

Этот период был полон  ожиданий новых открытий в ядерной  физике.

В начале нашего столетия очень  немногие верили в решение «атомной проблемы». В первые годы XX в. в университетских учебниках физики было написано «атомная гипотеза», даже не теория. Более того, людей, веривших в нее, высмеивали, их исследования не поддерживали. Слишком уж многое было неясно. И только ученые – физики и химики, дерзкая мысль которых проникла в строение атома, понимали, какие глубины и тайны таит в себе природа микромира.

Виднейшие ученые-физики, очень  многое сделавшие для проникновения внутрь атома и его ядра, хорошо осознавали, какая бездна трудностей ждет их на пути овладения тайнами строения ядра. В 1933 г. в своем письме Британской ассоциации Э. Резерфорд заявил: «...эти превращения атомов представляют исключительный интерес для ученых, но мы не сможем управлять ядерной энергией в такой степени, чтобы это имело какую-нибудь коммерческую ценность. И я считаю, что вряд ли мы когда-нибудь будем способны это сделать. Наш интерес к этой проблеме – чисто научный».

Резерфорд интуитивно понимал, каких огромных усилий, в том числе  и материальных, может потребовать  управление ядерной энергией. Ему  было ясно, что только военные надобности могут заставить государство освоить ядерную энергию, а этого, хотелось бы верить, опасался великий ученый. Последние фразы есть, конечно, домысел авторов. К сожалению, на алтарь войны часто приносились в жертву гениальные научные открытия, величайшие научные достижения.

В 1938 г. И. Кюри вместе с П. Савичем установила, что при попадании нейтронов в ядро урана последнее разделяется и получается элемент, обладающий свойствами лантана, а не трансуранового элемента, как предполагал в 1934г. Э. Ферми, бомбардируя уран. По существу Ферми и И. Кюри были в своих опытах очень близки к открытию деления ядер урана, к сенсации в физике, к установлению факта, что существуют ядерные реакции, при которых ядро «раскалывается» на два приблизительно равных по массе осколка. Кстати, А. фон Гроссе пытался доказать, что в опыте Ферми из урана образуется изотоп предшествующего атома – протактиния. Однако Э. Ферми образование протактиния решительно отвергал и был прав.