В 1931 г. Ван де Грааф
Ван де Грааф исходил из классической электростатической машины, которой после важных услуг, оказанных физике, особенно в прошлом столетии, казалось бы, следовало удалиться на почетное место в музей науки.
Так началась разработка установок, позволяющих получать высокие напряжения. В этом направлении работали многие экспериментаторы (Кулидж, Лауритсен, Туве, Браш и др.), но наилучших результатов добились почти одновременно Ван де Грааф, Кокрофт и Уолтон и Лоуренс.
2. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ УСТАНОВКИ
Энергия вылета α-частиц была измерена еще в начале нашего столет Мы приведем результаты в единицах энергии, которые с 1930 г. стали широ ко применяться в атомной физике. Эта единица - электрон-вольт (эв) энергия приобретаемая частицей с зарядом, равным заряду электро при прохождении разности потенциалов в один вольт. Легко подсчитать ч эта единица равна 1,59 10-12 эрг. Часто применяется в миллион раз более крупная единица - мегаэлектрон-вольт (Мэв). Наиболее быстрые α-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, имеют энергию 8000000 эв = 8 Мэв В то время, в 1925 г., наиболее мощные индукционные катуш применявшиеся для получения рентгеновских лучей, давали разность п циалов не выше 100 000 в. Это означает, что ускоренный в поле такой катуш ки электрон или протон мог иметь энергию не выше 100 000 эв = 0,1 Мэв, т е. намного меньше энергии α-частиц. Но теория Гамова зародила se же надежду, потому что она предсказывала, что протоны с энергией 1 Мэв будут иметь такую же эффективность, как α-частицы с энергией 32 Мэв. Поэтому для того, чтобы значительно превзойти по эффективности естественные «снаряды», совсем не требуется электростатических напряжений в миллион вольт, что в то время представлялось совершенно фантастической цифрой и могло бы привести в отчаяние даже самых отважных. Достаточно было, по-видимому, увеличить уже «достигнутое напряжение в 5-6 раз, что отнюдь не было вне возможностей лабораторной техники того времени. В связи с этим теория Гамова дала мощный импульс физикам-экспериментаторам. Они вскоре поняли, что можно получать искусственно ускоренные частицы, которые могут сравняться или даже превзойти по своей эффективности естественные «снаряды», получающиеся при радиоактивном распаде, и освободиться тем самым от необходимости иметь дорогие и редкие радиоактивные вещества.
До появления теории Гамова для бомбардировки элементов применяли исключительно α-частицы на том основании, что, будучи в то время частица» с наибольшей энергией, они представлялись наиболее пригодными бомбардировки.
Как мы говарили (см. гл. 15), последующие усилия экспериментаторов направлялись разработанной в 1928 г. теорией Гамова, основанной иа волновой механике. Положительный заряд атомного ядра создает вокру себя сильный потенциал: ядро окружено, как образно выражаются п циальным барьером. Интуитивно ясно, что для преодоления этого барьера внутри или РснаРрУжи частица должна иметь энергию больше некоторого определенного значения. Физики были в недоумении, почему α-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, имеют весьма малые энергии, недостаточные, согласно классической механике, для того чтобы, так сказать, «пробить» этот потенциальный барьер. Но если связывать частицу с волной, то, как показал Гамов, потенциальный барьер ведет себ отношению к этой волне как преломляющая среда по отношению к световой волне И как световая волна, падающая на среду с небольшим поглощением, всегда проникает в эту среду (хотя и с чрезвычайно малой интенсивностью в случае полного внутреннего отражения), а если слои среды очень тонкий, то проходит сквозь него так же и волна, соответствующая частице, падающей на потенциальный барьер, пересекает этот барьер, хотя и сильно ослабленная, даже если энергия частицы недостаточна для его прохождения. Ьсли давать материальной волне вероятностную интерпретацию, то этот результат можно выразить так: даже частица с недостаточно большой энергией имее некоторую вероятность проникнуть через потенциальный барьер. Эт называемый «эффект Гамова», или, как его еще образно называют, «туннельный эффект» Теория Гамова предсказывает, что при одинаковой энергии падак щей частицы вероятность проникнуть через потенциальный барьерам больше чем меньше масса частицы. Отсюда сразу следует, что при одной и той же энергии протоны - значительно более эффективное средство для расщея ния атомов, чем α-частицы.
Машина Ван де Граафа. С острия P1, связанного с положительным полюсом динамомашины D1 на движущуюся ленту N1N1 стекает заряд, который через острие P1 собирается на полом электроде F1, создавая на его внешней поверхности положительный заряд. Аналогично отрицательный заряд накапливается на электроде F2
Это было надежно установленное, но чрезвычайно редкое явление, настолько редкое, что нужно было использовать миллионы α-частиц, чтобы получить несколько десятков протонов, а значит, и претерпевших превращение атомов. Этого, конечно, абсолютно недостаточно даже для самого тонкого химического анализа. Столь незначительное число образующихся протонов было обусловлено не только редкостью соударении, но главным образом тем что не все соударения приводили к выбросу протона. Снимки в камере Вильсона показывают многочисленные случаи неожиданной остановки α-частиц не сопровождающейся испусканием протона. Короче говоря, α-частицы оказывались неэффективным средством для расщепления ядра с помощью соударения.
В результате повторения этих опытов в различных вариантах многими физиками (Позе, Мейтнер, Боте, де Бройль, Ренге, Констабль) вскоре было твердо установлено, что протон испускается подвергнувшимся соударению ядром в процессе «расщепления» атома. Здесь мы имеем, таким образом, первый твердо установленный пример искусственного превращения элементов.
Упругое соударение α-частицы с атомом азота. (Proceedings of the Royal Society of London, 1925.) Не совпадение указывает разветвление на левом снимке, состоящее из двух следов, один из которых обусловлен α-частицей, отразившейся после столкновения и продолжающей свое движение а второй - ядром азота, пришедшим в движение после столкновения
По предложению Резерфорда и при его поддержке Блэккету удалось получить в камере Вильсона фотографии протона, вылетающего в результате столкновения α-частицы с ядром азота. Это явление происходило чрезвычайно редко. Блэккет просмотрел 23 000 фотографий, содержащих 460 000 траекторий α-частиц, и только в восьми случаях наблюдал вылет протона. Во всех этих восьми благоприятных случаях α-частица, по-видимому, поглощалась атомом, с которым она соударялась, поскольку ее следа после удара не обнаруживалось. Это позволило Резерфорду в том же 1925 г. дать этому явлению упомянутую выше интерпретацию (см. гл. 14): ядро азота захватывает α-частицу и испускает после этого протон, превращаясь в изотоп кислорода.
Однако решающее доказательство существования протона, а значит, и возможности истолкования опытов как превращений атомов было получено в 1925 г. П. М. С. Блэккетом, который был учеником Резерфорда в Манчестере и после возвращения из Германии, где был интернирован, вновь стал работать в Кембридже.
Две фотографии, полученные Бляккетом и показывающие вылет протона после соударения частицы с ядром азота. (Proceedings of the Royal Society of London, 1925.) Следы оставлены α-частищши, пролетающими камеру Вильсона. Слева на обеих фотографиях виден разветвляющийся след, обусловленный соударением частицы с ядром. Тонкая ветвь следа после соударения соответствует протону, испущенному ядром; более толстый след вызван новым ядром
Теоретически существование протона, или, как его первое время называли, нуклона, было постулировано Резерфордом и Нёттоллом еще в 1913 г. и в явной или неявной форме предполагалось, как мы видели, всеми физиками. Но одно дело - принять гипотезу, пусть даже подкрепляемую косвенными доказательствами, а другое дело - установить прямым опытом, что в атомных ядрах действительно существуют протоны. Опыты Резерфорда и Чэдвика, о которых мы уже говорили в гл. 14, повторялись и видоизменялись другими физиками, приводя к аналогичным результатам, которые сами по себе не столь и важны, но зато имели большое теоретическое и психологическое значение, поскольку укрепляли убеждение всех ученых в возможности эффективного взаимного превращения элементов друг в друга.
Мы уже говорили о попытках Резерфорда расщепить стабильные атомы, бомбардируя их α-частицами. Если первые полученные им в 1919 г. результаты были ненадежны и восприняты с изрядной дозой скептицизма, едва прикрываемого уважением, которого заслуживали смелые опыты этого новозеландского ученого, то сама идея была столь заманчива, что заслуживала дальнейших усилий, которые в качестве первого надежного результата привели к экспериментальному доказательству существования протона, т. е. иона водорода как составной части атомного ядра.
ГЛАВА 16. ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Цифровые библиотеки и аудиокниги на дисках почтой от INNOBI.RU
ГЛАВА 16. ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ [1970 Марио Льоцци - История физики]
Комментариев нет:
Отправить комментарий