Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв

Два года спустя Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри продолжили исследования природы нового излучения. Направив его на мишень из парафина, они сразу же обнаружили протоны, которые с большой энергией вылетали из мишени, и на этом основании они решили, что открыли «новый способ взаимодействия излучения с материей», посредством которого «у-кванты» Боте и Беккера весьма эффективно выбивают не только протоны из атомов водорода, входящих в состав парафина, но даже ядра углерода.

Джеймс Чэдвик долгое время работал в лаборатории Резерфорда, который осенью 1920 г. пригласил его продолжить с ним эксперименты по искусственному превращению элементов. Подсчитывать сцинтилляции приходилось в темноте, и во время этих длинных и утомительных сеансов Резерфорд подробно развивал перед Чэдвиком свои представления о нейтроне и его возможной роли в структуре ядра. Впоследствии Чэдвик даже предпринял несколько попыток обнаружить нейтрон. Они оказались неудачными, но не напрасными и, в сущности, подготовили его к открытию: узнав об опытах Жолио-Кюри, он уже через месяц понял, что Боте и Беккер наблюдали ядерную реакцию превращения бериллия в углерод с испусканием нейтрона:

а4-4Ве--->- 1бС + п,

а супруги Жолио-Кюри — просто отдачу протонов при столкновении с нейтронами, подобную той, которую каждый многократно наблюдал при соударении бильярдных шаров.

До изумления просто, не так ли? Настолько просто, что это открытие Чэдвика три года спустя, в 1935 г., будет отмечено Нобелевской премией. Но почему все-таки ни Жолио-Кюри, ни Боте не додумались до столь простой мысли?

При анализе подобных ситуаций, которые в истории науки встречаются не так уж редко, следует проявлять известную осторожность. Дело в том, что отчетливая формулировка кардинального открытия, противоречащего общепринятым взглядам, причем такая, которая не оставляет места для отступления в случае ошибки, сопряжена для любого ученого со своеобразным профессиональным риском. И чем именитее ученый, тем опаснее для него ошибка такого рода. Быть может, это одна из причин, по которой часто именно молодые совершают истинно революционные открытия, хотя постановку проблем и пути их решения готовит для них, как правило, предыдущее поколение. (Энрико Ферми любил повторять, что проблемы решаются аспирантами, задача руководителей — сформулировать их.) Таких примеров в истории физики — множество: достаточно вспомнить теорию относительности, атом Бора, матричную механику, спин электрона и многое другое. Как и всякий эмпирический факт, это правило не следует абсолютизировать: Рентген, Планк, Резерфорд, Шрёдингер, Борн и сам Чэдвик сделали свои главные открытия в зрелые годы.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Можно понять огорчение Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри, когда они узнали об открытии Чэдвика. Но они были истинные ученые: радость научного поиска, а не уколы самолюбия направляли их действия, и они с новым энтузиазмом продолжили свои исследования. Их усилия вскоре увенчались успехом: они открыли искусственную радиоактивность.

В начале 1934 г. они облучали а-частицами алюминий и, как прежде, наблюдали излучение с большой проникающей способностью. Теперь им уже было ясно, что происходит ядер-ная реакция

а + НА1 >?5°Р + п,

то есть при захвате а-частицы ядром алюминия излучается нейтрон и образуется ядро одного из изотопов фосфора. Но дальше опять начиналось непонятное: облученный алюминий испускал не только нейтроны, но и позитроны, частицы с массой электрона, но заряженные положительно. Их существование предсказал Поль Дирак в 1928 г., но в это мало кто верил, пока Карл Дэвид Андерсон (р. 1905 г.) не открыл их в 1932 г. в космических лучах, почти одновременно с доказательством реальности нейтрона.

Факт излучения позитронов можно было понять, допустив, например, существование 0-распада протона на нейтрон, позитрон и нейтрино:

Р --»-n+e+ + v,

который вполне аналогичен реакции 0-распада нейтрона, но протекает в обратном направлении. Такое допущение может показаться неправдоподобным: хорошо известно, что ядра атомов водорода стабильны, иначе водород уже давно бы исчез на Земле. Однако устойчив лишь свободный протон,

а останется ли он стабильным при включении его в состав любого ядра — за это нельзя поручиться заранее: мы ведь знаем, что скорость распада нейтрона в ядре отличается от скорости распада свободного нейтрона, он может при этом стать даже стабильным.

Одним словом, сам факт излучения позитронов был хотя и непривычным, но его удавалось как-то истолковать. Непонятно было другое: когда убирали источник а-частиц, поток нейтронов прекращался сразу же, а излучение позитронов продолжалось, причем оно подчинялось хорошо известным законам радиоактивного распада с периодом полураспада 2,5 мин. Почему? Откуда? При взгляде на схему ядерной реакции выбора не остается: позитроны должны излучаться ядрами образовавшегося изотопа фосфора:

зор --30Si + e++v

В результате этого радиактивного распада образуется редкий изотоп кремния, содержание которого в природном кремнии составляет примерно 3 %. Но фосфор, из которого он образуется, в природе отсутствует. Этот новый, искусственно полученный изотоп супруги Жолио-Кюри назовут впоследствии радиофосфором — после того, как докажут, что по химическим свойствам он идентичен элементу фосфору.

Какими бы убедительными ни были аргументы физиков, какие бы схемы ядерных реакций они ни писали, химик все равно им не поверит, пока ему не дадут химического доказательства образования новых элементов при ядерных превращениях. Но как это сделать? Для обычного химического анализа необходимо иметь хотя бы микрокрупинку вещества, по крайней мере не меньше чем 10~8 г, то есть примерно 1014 атомов. А при облучении алюминия а-частицами за разумное время может образоваться в лучшем случае несколько миллионов, то есть 106 атомов. Однако если атомы фосфора — не простые, а радиоактивные, то химические доказательства его образования получить все-таки можно, используя так называемую «реакцию с носителем». Ее идея проста и остроумна: вначале к раствору, где химики подозревают наличие радиофосфора, приближают счетчик Гейгера — Мюллера, который сразу же начинает трещать, отзываясь даже на ничтожные примеси атомов радиофосфора. Затем в этот раствор добавляют большое количество обычного фосфора и после осаждают его с помощью подходящего реактива. Вместе с добавленным фосфором в осадок выпадает и подозреваемый радиофосфор. Дальнейшее просто: к осадку и к оставшемуся раствору поочередно приближают счетчик Гейгера, и если вблизи осадка он щелкает, а в растворе — молчит, значит, действительно в исходном растворе был радиофосфор, который затем полностью перешел в осадок. Вот так примерно и было получено первое химическое доказательство