НАД ЧЕМ ДУМАЮТ ФИЗИКИ
ВЫПУСК 1
ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Перевод с английского
В. К. ФЕДЯНИНА и В. Т. ХОЗЯИНОВА
Под редакцией
Б. В. МЕДВЕДЕВА и Д. В. ШИРКОВА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1962
530.3
Н 17
АННОТАЦИЯ
Этот сборник — первый из серии научно-популярных сборников, выходящих под общим названием «Над чем думают физики». Цель этих сборников — рассказать о состоянии различных областей современной физики и о наиболее интересных проблемах, над разрешением которых трудятся физики в наши дни. Так как авторами статей, публикуемых в этих сборниках, являются крупные ученые, читатель получит из них не только сведения о сделанных открытиях, но и известное представление о том, как были сделаны эти открытия.
Первый сборник целиком посвящен проблемам физики атомного ядра. В нем рассказывается об экспериментальных методах ядерной физики, создании искусственных элементов и работах по изучению строения атомных ядер. Авторами статей являются известные физики-ядерщики Р. Вильсон, Г. Сиборг. Р. Пайерлс, Р. Хофштадтер и др. Все статьи переведены из американского научно-популярного журнала «Scientific American».
Сборник рассчитан на широкий круг читателей со средним образованием, интересующихся современным состоянием науки.
Над чем думают физики.
Выпуск 1.
Физика атомногол ядра.
М., Физматгиз, 1962 г., 100 стр. с илл.
Редактор Б. Л. Лившиц
Техн, редактор К. Ф. Брудно	Корректор Т. С. Плетнева
Сдано в набор 30/VI 1962 г. Подписано к печати 8/Х 1962 г. Бумага 70X1081 itt. Физ печ. л. 6,25. Условн. печ. л 8,56. Уч -изд л.7,65. Тираж 20 000 экз. Цена книги 23 коп. Заказ ль 3122
Государственное издательство физико-математической литературы. Москва, В-71, Ленинский проспект 15.
Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Московского городского совнархоза. Москва, Ж-54, Валовая, 28.
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Настоящий сборник научно-популярных статей является первым выпуском непериодической серии сборников под общим названием «Над чем думают физики». Каждый сборник этой серии будет посвящен какому-либо важному разделу современной физики. В сборники включаются статьи крупных советских и зарубежных ученых, в которых «из первых рук» рассказывается о ведущихся ими исследованиях. Сборники должны помочь читателю ознакомиться с физикой наших дней, ее сегодняшними и завтрашними проблемами, понять, как делаются научные открытия.
Данный сборник содержит статьи, относящиеся к различным проблемам физики атомного ядра. Все статьи этого сборника переведены из американского научно-популярного журнала «Scientific American». Две первые статьи известных американских физиков-экспериментаторов Роберта Вильсона и Германа Ягоды рассказывают об экспериментальных методах исследования атомных ядер. Следующие две статьи, автором которых является лауреат Нобелевской премии Гленн Сиборг, посвящены новым искусственно созданным элементам периодической системы Д. И. Менделеева. В двух последних статьях, написанных крупными физиками-теоретиками Робертом Хофштадтером и Рудольфом Пайерлсом, рассматривается современное состояние теории и эксперимента в области физики атомного ядра.
Первая, четвертая и шестая статьи сборника переведены В. Т. Хозяиновым, вторая, третья и пятая статьи — В. К. Федяниным.
Роберт Р. Вильсон
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
(МАРТ 1958 г.)
Развитие этих огромных машин продолжает идти быстрыми темпами. Они используются для двух целей: чтобы «видеть» элементарные частицы и чтобы создавать новые.
истории человечества бывали времена, когда людей захватывал оссн " бенно мощный поток созидательной активности. В пирамидах Египта, скульптуре Греции, живописи Флоренции мы находим памятники таких творческих вспышек человеческого гения. Моим любимым примером являются готические соборы, словно по волшебству поднявшиеся во Франции двенадцатого и тринадцатого веков. Я позволю себе сравнить это
Рис. 1.1. Космотрон — синхрофазотрон в Брукхэвене (3 миллиарда электронвольт) был первым из многомиллиардных ускорителей. Его 2 200-тонный магнит имеет внутренний диаметр 18 м.
замечательное стремление к созиданию с «поветрием» наших дней — постройкой ядерных ускорителей.
Подобно ядерной физике наших дней религия в то время являлась предметом напряженной интеллектуальной деятельности. Мне кажется, что внутренние побуждения конструктора современного ускорителя и строителя средневекового собора во многом похожи. Эстетическая привлекательность обоих сооружений в основном технического порядка. В готическом соборе она, конечно, заключена в действии стрельчатых кон
6
РОБЕРТ Р. ВИЛЬСОН
струкций — напора и контрнапора. В ускорителе мы тоже чувствуем своеобразную техническую эстетику: спиральность орбит частиц, баланс электрической и механической форм движения, нарастание сил и событий
Рис. 1.2. Синхрофазотрон в Советском Союзе (10 миллиардов электрон-вольт). Его магнит, часть которого вид на на фотографии, весит 36 000 т и имеет диаметр примерно 60 м.
вплоть до достижения высшей точки — на этот раз в энергии частиц. В обоих случаях мы находим мастеров-строителей, работавших на самом
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
7
пределе технических знаний. В обоих случаях происходит напряженное состязание между отдельными местностями, областями и нациями. Оба сооружения дорогостоящи: большой ускоритель может стоить до 100
Рис. 1.3. Огромный синхрофазотрон, строящийся в Брукхэвене, снятый с воздуха. Круговой туннель, содержащий кольцевую ускоряющую трубку, имеет 250 м в диаметре. Эта машина будет производить частицы с энергиями 25—30 Бэе.
миллионов долларов; стоимость собора, в масштабах средневековой экономики, была, возможно, и выше.
8
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
Однако если собор являлся общественным предприятием, так что многие люди из окрестных мест принимали активное участие в его финансировании и постройке и почти всякий мог любоваться им, то ускоритель обычно скрыт покровом таинственности. Немногочисленны рабочие,
Рис. 1.4. Синхрофазотрон в Женеве, предназначенный для получения энергий в 25 Бэе. Здесь показана одна из секций внутренней части его кольцеообраз-ного здания. Это сооружение имеет приблизительно 180 м в диаметре.
помогающие строить его; еще меньше людей, которые будут заниматься его использованием.
Таким образом, подъем строительства ускорителей проходит почти незамеченным, хотя идет все возрастающими темпами. Циклотроны, первоначальные инструменты «расщепления атома», рассеяны теперь ио всему земному шару. Они породили синхроциклотроны и достигли своей вершины в трех гигантских машинах. Одна из них находится в Калифорний
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
9
ском университете в Беркли, другая в Европейской организации по ядер-ным исследованиям в Швейцарии и третья в СССР. Эти машины ускоряют протоны до энергий, заключенных между 600 и 700 миллионами электронвольт (Мэв). Другое усовершенствование — синхротроны еще более велики и мощны.
Космотрон (рис. 1.1), 2200-тонное чудовище Брукхэвенской Национальной лаборатории, дающий протоны в 3 миллиарда электрон-вольт (Бэе), кажется малым по сравнению с 6-миллиардным и 10 000-тонным Беватроном в Беркли. Но обе эти машины превзойдены 36 000-тонным синхрофазотроном в СССР с энергией протонов в 10 Бэе (рис. 1.2). Две еще более значительные машины строятся в Брукхэвене (рис. 1.3) и Женеве (рис. 1.4), они предназначаются для получения протонов с энергией от 25 до 30 Бэе*). Намечается постройка еще более мощных ускорителей.
Ядерные микроскопы
К чему все это? Какова цель этих почти лихорадочных усилий строить все более и более крупные машины? Быть может, самый простой ответ на этот вопрос состоит в том, что ускорители по существу являются микроскопами ядерной физики. Обычно мы представляем себе ускоритель как своеобразную пушку, испускающую частицы больших скоростей, которые бомбардируют ядра атомов. Мы знаем, однако, что частицы обладают и волновыми свойствами. Поэтому с равным успехом можно сказать, что ускоритель излучает «свет», падающий на ядра и позволяющий их «видеть».
Разрешающая сила микроскопа, то есть его способность различать мелкие объекты, зависит от длины волны света, который в нем используется. Наиболее короткая длина волны видимого света — около четырех стотысячных (4-10“5) долей сантиметра; с помощью этих волн мы можем рассматривать микробов примерно тех же размеров.
Для изучения еще меньших предметов биологии используют теперь электронный микроскоп. Длина волны частицы зависит от массы и энергии этой частицы. При нескольких тысячах электрон-вольт (именно на таких энергиях работает электронный микроскоп) электрон обладает длиной волны примерно в 10 000 раз короче, чем длина волны видимого света (около 10 “9 см). С такими волнами мы начинаем различать детали молекул.
Диаметр ядра атома составляет около 10"12 см. Такова же длина волны протона с энергией 1 Мэв. Поэтому для того, чтобы «видеть» ядро, необходим протонный «микроскоп» на один миллион электрон-вольт. Чтобы обнаружить некоторые внутренние детали ядра, потребуется энергия еще в десять-двадцать раз большая. Поэтому лаборатория, занимающаяся классической ядерной физикой, непременно должна иметь ускоритель Ван-де-Граафа или циклотрон, работающие в области энергий от 1 до 20 Мэе.
Но физики перешагнули этот рубеж. В настоящее время многие из них интересуются уже не ядром как целым, а структурой протонов и нейтронов (нуклонов), из которых состоит ядро. Это — старая проблема миров внутри миров, так как сам протон тоже, оказывается, имеет сложное строение. Он, вероятно, обладает размерами порядка 10~13сл1, и для его изучения требуется энергия в несколько сотен миллионов электрон
*) В настоящее время оба этих ускорителя работают. Ускоритель в Брукхэвене сообщает протонам энергию в 33 Бэе, а ускоритель в Женеве — 29 Бэе. (Прим, ред.)
10
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
вольт. А для того, чтобы исследовать детали его строения, подобно деталям строения ядра атома, нам понадобится еще большая энергия. Именно для этой цели и строятся 25- и 30-миллиардные машины. Но, когда нам станет известна структура протона, не окажется ли, что его составные части в свою очередь также будут иметь сложное строение? Это вполне возможно. Тогда для исследования этого вопроса будут построены машины еще более высоких энергий.
Правда, аналогия между ускорителем и микроскопом не совсем полная. Дело в том, что когда мы достигаем достаточно коротких длин волн (то есть когда бомбардирующие частицы в наших ускорителях обладают достаточно большой энергией), мы не только видим исследуемые частицы, но и порождаем новые. Электрон в 1 Мэе имеет достаточно энергии, чтобы породить пару частиц — электрон и позитрон. При энергии в 150 Мэе, сталкиваясь с нуклонами, он производит пи-мезоны (пионы). Ускоритель в Корнелльском университете на 1 Бэе производит более тяжелые частицы (Я- и ламбда-частицы). Беватрон, дающий протоны с энергией 6 Бэе, способен создавать антипротоны, антинейтроны и еще более тяжелые частицы, например кси- и сигма-частицы.
Значит, с увеличением энергии машин становится возможным получать больше различных частиц, причем все более и более тяжелых. Следующим увлекательным шагом явится достижение еще более высоких энергий, чтобы посмотреть, что за новые удивительные частицы при этом возникнут. Есть большая уверенность, что новые частицы действительно появятся. Может, конечно, оказаться,что эти новые частицы будут только комплексами из уже известных нам ранее частиц; но ведь мы для того и строим наши машины, чтобы находить ответ на подобные вопросы.
Первоначально ускорители создавались в поисках основных или первичных (элементарных) частиц. Мы ожидали, что эти частицы, будучи составными частями, осколками, например, ядер, должны быть последовательно все меньше и меньше. Чтобы уточнить наши представления об этих частицах, мы двинулись к более высоким энергиям. И вот по иронии судьбы оказалось, что осколки становятся все больше, все крупнее. Возникает тревожное чувство, что новые машины производят новые частицы, которые ведут к созданию новых машин, и так далее до бесконечности. Быть может, здесь скрывается своеобразный принцип неопределенности, который неявно ограничивает наши знания чрезвычайно малого.
Но довольно о том, для чего строятся ускорители. Обратимся теперь к самим машинам. Все они работают на основе одного и того же фундаментального принципа: заряженные частицы (электроны или положительные ионы, обычно протоны) помещаются в электрическое поле, которое действует на них с некоторой силой, ускоряющей частицы до больших скоростей и энергий (единица электрон-вольт, с помощью которой обычно выражается энергия частиц, есть энергия, приобретаемая частицей с зарядом, равным заряду одного электрона, ускоряемой разностью потенциалов в один вольт).
Простейшая форма ускорителя — трубка, вдоль которой приложено постоянное электрическое поле, ускоряющее частицы. Это — хорошо известная машина Ван-де-Граафа. Для получения более высоких энергий можно использовать более длинную трубку с несколькими ускоряющими электродами, которые на пути вдоль трубки разгоняют частицы до все более высоких скоростей. Однако для достижения действительно больших энергий этот метод потребует чрезвычайно длинной трубки. Можно обойти возникающую трудность, заставив частицы двигаться по круговым
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
И
или спиральным путям, так, чтобы при каждом обороте частица возвращалась обратно к тем же электродам, вновь и вновь подвергаясь действию
ускоряющей разности потенциалов.
В нашей статье мы будем в основном касаться именно таких круговых или циклических машин. Круговое движение обеспечивается приложением магнитного поля. Магнитное поле действует на всякий движущийся через него заряд; действующая сила всегда направлена под прямым углом к направлению движения заряда. Она подобна силе, действующей на камень, который мы раскручиваем на веревке. Магнитное поле, как и веревка, заставляет частицы двигаться по круговым орбитам. Чем сильнее поле, тем больше кривизна пути; с другой стороны, чем быстрее движется частица или чем она тяжелее, тем меньше искривляется ее путь (рис. 1.5).
Простейшим и самым старым из ускорителей, в которых используется закручивание в магнитном поле, является циклотрон. Принцип действия этой машины можно сделать наглядным, если представить себе какую-либо тяжесть, подвешенную на веревке и совершающую, вследствие толчка, круговое движение. Как и для всякого маятника, время, необходимое для совершения полного оборота, одно и то же независимо от величины описываемой окружности. Поэтому, если ритмично* подталкивать груз, он будет двигаться по все увеличивающимся кругам, всякий раз через одно и то же время возвращаясь к месту толчка (см. рис. 1.6). Так же и в циклотроне: каждый ион кружится внутри двух полых полукруглых электродов, или «дуантов», испытывая электрический толчок при переходе от одного электрода к другому. Вертикальное магнитное поле даст постоянно действующую силу, направленную к центру, которая подобно веревке удерживает ион на круговой орбите и направляет его обратно к щели между дуантами, где ион получает новый электрический толчок. При этом скорость иона увеличивается, а следовательно, (как результат возросшей инерции) увеличиваются размеры описываемой окружности. Время прохождения полного круга остается, однако, неизменным, как бы ни был велик радиус орбиты, потому что рост скорости в точности компенси
руется увеличением длины проходимого пути. Если напряжение на дуаитах сделать быстропеременным, таким, чтобы период колебаний точно соответствовал периоду обращения ионов, то ионы будут подталкиваться в нужном направлении и в
Рис. 1.5. Магнитная сила, действующая на движущийся заряд (черный пунктир),показана стрелками, направленными направо вниз. Стрелки, направленные вверх, указывают скорость частиц, а цветные линии —
направление поля. Более крупная точка внизу соответствует более тяжелой частице.
нужные моменты вре-
мени при каждом пересечении зазора между дуантами. Энергия ионов будет расти до тех пор, пока орбиты не подойдут к краю магнитного
12
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
поля, откуда ионы могут быть выведены наружу в виде пучка частиц или же использованы внутри ускорителя.
Если кафедральные соборы средних веков знали своих великих мастеров — строителей, подобных Сюжеру для собора Сан-Дени или Сюлли для собора Парижской богоматери, то ускорители тоже имеют своих Кокрофта в Кэмбридже или Лоуренса в Беркли. В 1928 г. Дж. Д. Кокрофт и Е. Г. С. Уолтон построили прибор, в котором напряжение, приложенное между двумя электродами, разгоняло ионы до скоростей, достаточно
Рис. 1.6. Действие циклотрона похоже на круговой маятник (слева), в котором груз ритмично подталкивается, чтобы придать ему все большие колебания. Схематичный чертеж справа показывает частицу (точка), движущуюся по спиралям внутри двух D-образных электродов—дуантов. Полюсы магнита направляющего поля (цветные линии) изображены светлым пунктиром. Частицы ускоряются переменным электрическим полем между дуантами. Генератор, создающий это поле, показан волнистой линией в прямоугольнике (вверху).
больших, чтобы вызывать расщепление бомбардируемых ядер. Они следовали замечательно простым идеям научной школы Эрнеста Резерфорда в Кэмбриджском университете. Другая школа, основанная на совершенно иной традиции, возникла вместе с постройкой в 1930 г. Эрнестом О. Лоуренсом первого циклотрона. Новые идеи распространились из его лаборатории в Калифорнийском университете и стали играть главную роль во всей экспериментальной ядерной физике Америки. Тот же круг идей разрабатывался в других странах, и в особенности в СССР, где он получил развитие еще более мощное, чем в США.
Это была новая традиция в экспериментальной физике. Раньше экспериментальные установки, приборы, оборудование изготовлялись специально для проверки некоторой определенной научной идеи, предположения, догадки. Теперь постройка большого ускорителя более похожа на снаряжение судна для далекой исследовательской экспедиции или
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
13
на строительство огромного телескопа для изучения множества астрономических объектов. После постройки нескольких циклотронов в Беркли ученики и сотрудники Лоуренса распространили новые идеи повсюду. Во время второй мировой войны они помогали строить циклотроны не только для университетов США, но и в ряде других стран. Наибольшая из этих машин давала протоны с энергией около 10 Мэв, Мы уже говорили, что эта энергия подходит для исследования ядра как целого, но слишком мала для изучения его составных частей. Перед самым началом войны Лоуренс приступил к сооружению гигантского циклотрона, чтобы перейти к энергиям больше 100 Мэв и начать исследование природы нуклонов.
Синхротрон
Для Лоуренса было характерно, что он упрямо шел вперед, несмотря на преобладающее убеждение, что предел энергий, достижимых на циклотроне, лежит около 20 Мэв, Основой этого убеждения было явление, предсказываемое теорией относительности Альберта Эйнштейна: масса частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, резко возрастает. При 20 Мэв протон входит в эту «релятивистскую» область, и дальнейшее увеличение его энергии проявляется не столько в росте скорости, сколько в росте массы. Тогда частица в своем движении по спиралям выпадает из «расписания» и уже более не прибывает к зазору между дуантамм вовремя, чтобы получить очередной толчок от переменного напряжения.
Война остановила работу над большой машиной Лоуренса. Огромный магнит был использован для разделения изотопов урана при изготовлении атомной бомбы. В конце войны В. И. Векслер в СССР и Е. М. Мак-Миллан в Калифорнийском университете независимо и почти одновременно высказали так называемый синхротронный принцип, который указал путь для ускорения частиц в полностью релятивистской области. Это была та неожиданная удача, о которой мечтал Лоуренс, когда вложил в игру более миллиона долларов, начиная свой большой циклотрон. Принцип был немедленно принят. Был построен удачный синхроциклотрон (фазотрон), ускорявший протоны до энергии в несколько сотен миллионов электрон-вольт (рис. 1.7). В последующие несколько месяцев было открыто много важных свойств протона.
Чтобы понять принцип синхротрона, лучше сначала рассмотреть его осуществление в электронном синхротроне, а не в более сложном синхроциклотроне. Около полдюжины таких электронных ускорителей с максимальными энергиями до 300 Мэв также были построены сразу после войны.
В синхротроне электроны движутся по круговым орбитам внутри узкой баранкообразной вакуумной трубки. В одной точке такой «баранки» расположена пара ускоряющих электродов, к которым приложено переменное напряжение, как и в циклотроне. Кольцеобразный магнит, окружающий трубку, создает поле, заставляющее электроны двигаться по орбитам вблизи оси трубки (рис. 1.8). Электроны впрыскиваются в «баранку» из маленького линейного ускорителя с энергиями порядка 2 Мэв, При такой энергии скорость их составляет около 98 процентов скорости света, следовательно, они уже не могут двигаться значительно быстрее. Для простоты предположим, что скорость электронов в точности равна скорости света и все дальнейшее увеличение энергии связано только с ростом массы. Представим себе электрон на круговой орбите, проходящей через центр сечения трубки. Он удерживается на этой орбите постоянным магнитным полем. Представим себе также, что электрон пересекает уско
14
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
ряющую щель как раз в тот момент, когда переменное напряжение на щели проходит через нуль. Частота переменного напряжения совпадает с частотой обращения по орбите электрона, движущегося со скоростью света. Значит, электрон и впредь при каждом обороте будет пересекать щель в момент нулевого напряжения. Таким образом, ничего не происходит, электрон остается на своей орбите и сохраняет ту же энергию. Увеличим теперь немного магнитное поле. Поскольку энергия (масса) остается прежней, частица вынуждена двигаться по пути с большей кривизной,
Рис. 1.7. Синхроциклотрон в Беркли является сейчас наиболее мощной машиной своего класса. Усовершенствования в его устройстве увеличили энергию пучка протонов до 730 Мэв.
т. е. ее орбита уменьшается. Но поскольку орбита уменьшается, а скорость остается постоянной, время, затрачиваемое частицей на один оборот, становится меньше. Электрон попадет к электродам щели чуть раньше того, как напряжение на них упадет до нуля; значит, он будет слегка ускорен. При следующем обороте, если энергия все еще недостаточно велика, орбита опять окажется малой; электрон вновь придет к электродам с малым упреждением и вновь будет ускорен. В конечиохМ счете энергия электрона возрастет до такой величины (то есть электрон настолько увеличит свою массу), при которой кривизна пути в магнитном поле уменьшится и электрон вернется на прежнюю орбиту. Если же энергия станет слишком большой, то и орбита окажется слишком длинной, а с ней и время, которое электрон тратит на один оборот. Это приведет к тому, что электрон будет отставать от переменного ускоряющего напряжения и тормозиться, то есть терять энергию. Таким образом, мы получаем замечательное автоматическое устройство, которое удерживает электрон на центральной орбите или во всяком случае заставляет его колебаться около правильной орбиты. В этом и состоит принцип действия синхротрона или, как его иногда называют, принцип автофазировки.
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
15
Нетрудно понять, что если магнитное поле синхротрона непрерывно увеличивать, то энергия электронов также будет непрерывно расти. Энергия электронов будет увеличиваться с той именно скоростью, которая необ-
Рис. 1.8. Синхротрон заставляет частицы двигаться почти по круговым орбитам с помощью магнитного поля (цветные линии), которое усиливается при увеличении энергии частиц. Вверху электрон (пунктирный круг) находится на орбите, которая приводит его к ускоряющему зазору (справа) как раз в момент, когда напряжение меняется с ускоряющего на тормозящее (кривая внизу). На среднем рисунке поле стало сильнее и электрон закручивается тоже сильнее, следуя более короткому пути, и прибывает к зазору во время, чтобы получить толчок. После нескольких толчков он возвращается по спирали на прежнюю орбиту. Сечение справа внизу показывает магнитные силовые линии вокруг трубки.
ходима для удержания электронов на центральной, или синхронной, орбите. На прак1ике электроны могут быть введены в ускоряющую трубку,
16
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
Рис. 1.9. Сильная фокусировка производится магнитными полями, изогнутыми попеременно наружу и внутрь. Горизонтальные стрелки показывают радиальные силы, действующие на частицу во внутренних и внешних участках поля. Наклонные стрелки представляют силы, фокусирующие или дефокусирующие частицы в вертикальной плоскости.
когда магнитное поле довольно слабо (около 10 гаусс), а выведены из нее при очень сильном поле (более чем 10 000 гаусс). Синхротрон достаточно большого радиуса может ускорять электроны вплоть до энергий в 10 Бэе. Сейчас имеется до шести машин, уже построенных или строящихся, предназначенных для получения электронов с энергиями от одного до полутора миллиардов электрон-вольт. В Кембридже (штат Массачусетс) строится синхротрон на 6 Бэе.
Вернемся теперь к синхроциклотрону. Он работает на основе того же принципа, что и синхротрон, но устроен подобно циклотрону. Вместо переменного магнитного поля в нем используется постоянное поле, но зато меняется частота ускоряющего напряжения на дуантах. Это приводит к тому, что синхронная орбита протонов уже не замкнутая окружность, а раскручивающаяся спираль. В ускорителях другого класса — протонных синхротронах (синхрофазотронах) — изменяются как магнитное поле, так и частота ускоряющего напряжения. Растущее поле противодействует стремлению протонов, когда энергия становится релятивистской, двигаться по спирали, так что орбита вновь представляет собой окружность. При энергии выше 5 Бэе протоны движутся практически со скоростью света, поэтому, начиная с этой энергии, протонный синхротрон работает совершенно так же, как электронный.
Продолжая вольные сравнения начала этой статьи, я бы сказал, что каждая конструкция ускорителей обладает своим архитектурным стилем. Для меня синхроциклотроны представляют барокко. Протонные синхротроны определенно романского стиля, хотя их округленные арки и располагаются горизонтально. А легкость и грация электронного синхротрона могут быть только готическими.
Новейшие машины
Мы подошли к сегодняшнему дню в истории развития техники ускорителей. Важно было бы знать, находимся ли мы сейчас уже в конце этого движения в физике или еще только в начале. Несомненно, поле деятельности здесь еще необычайно велико, и я надеюсь, что мы примерно в том же положении, что и средневековые мастера-строители после возведения собора Парижской богоматери. Позади уже остались важные открытия и нововведения, но создание большинства шедевров еще впереди.
В начале статьи мы говорили, что находящиеся в стадии сооружения две машины — одна
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
17
в Брукхэвенской национальной лаборатории, другая в Женеве — дол-жны будут давать протоны с энергиями от 25 до 30 Бэе. Оба эти ускорителя будут синхрофазотронами, стоимость каждого из них заключена между 25 и 30 миллионами долларов. Диаметр орбиты протонов в этих ускорителях равен примерно 200—250 м\
Создание таких ускорителей стало возможным благодаря открытию в Брукхэвене нового принципа так называемой жесткой фокусировки. Этот принцип связан с изменением формы направляющего магнитного поля
Рис. 1.10. Электронный синхротрон был сфотографирован в лаборатории автора в Корнелльском университете, когда направляющие магниты еще только строились. Машина, дающая энергию в 1 Бэе была первой, в которой использовалась жесткая фокусировка. Ускоряющие электроды находятся справа.
для того, чтобы сильнее сжать пучок орбит частиц в ускоряющей трубке вокруг идеальной орбиты. Его использование позволяет сделать саму вакуумную трубку значительно уже, а охватывающий ее магнит — меньше и легче.
До сих пор мы рассматривали только радиус орбиты, то есть величину окружности, по которой движутся частицы. Но ведь частицы могут испытывать отклонения не только в радиальных направлениях (наружу и внутрь), а также вверх и вниз; поэтому необходима не только горизонтальная, но и вертикальная фокусировка. В синхротронах старых конст* рукций линии магнитного поля были несколько выгнуты наружу (см. рис. 1.8). Это заставляло частицы, отклонившиеся вверх или вниз, возвращаться обратно к центральной линии. Однако с увеличением расстояния от центральной линии такое поле ослабевает. Поэтому корректирующее действие поля на частицы, слишком далеко отклонившиеся от центральной линии, будет недостаточным.
При жесткой фокусировке поле разбито на секторы, в которых силовые линии изогнуты попеременно то наружу, то внутрь (рис. 1.9). Секторы, где магнитные силовые линии выгнуты наружу, обеспечивают четкую
2 Физика атомного ядра
18
РОБЕРТ Р. ВИЛЬСОН
вертикальную фокусировку, но вернуть частицу обратно со слишком большой орбиты их поля способны в еще меньшей степени, чем магнитное поле старых машин. Иными словами, эти секторы не производят радиальной фокусировки. С другой стороны, поле секторов, где силовые линии изогнуты внутрь машины, растет с увеличением радиуса, что обеспечивает сильную радиальную фокусировку. Наоборот, в вертикальном направлении действие этих участков даже вредно, так как они скорее рассеивают частицы вверх и вниз, чем фокусируют их. Оказывается, однако, что всякое фокусирующее действие сектора превосходит дефокусирующее действие соседнего сектора, и в результате мы получаем значительно более сжатый пучок. Этот метод фокусировки был с успехом применен в Корнел-льском синхротроне с энергией в 1 Бэе (рис. 1.10), а также будет использован в шестимиллиардном электронном синхротроне в Гарварде.
В последнее время СССР объявил о строительстве синхрофазотрона с жесткой фокусировкой на 50 Бэе *). Магнит этой установки будет весить до 22000 лг, а диаметр будет порядка 500 м. Как видно, что бы мы в США ни сделали, наши советские друзья могут сделать то же, но еще увеличенное в два раза.
Ускорители с постоянным полем
Пожалуй, самым интересным из последних изобретений в Америке является ускоритель с «постоянным полем переменного градиента», предложенный К. Р. Саймоном из Ассоциации научных исследований университетов Среднего Запада. Эта машина есть в некотором роде циклотрон стиля рококо, в котором магнитное поле имеет строение, позволяющее циклотрону работать в релятивистской области очень больших энергий. Мы уже видели, что обычный циклотрон не может ускорять протоны до энергий, превышающих примерно 20 Мэе. Еще в 1938 г., когда впервые стало ясным существование такого предела, Л. Г. Томас из университета Огайо предложил способ обойти возникшую трудность. Он предложил вырезать полюсные наконечники магнита так, чтобы поверхность их состояла из ряда разбегающихся из центра гребней, разделенных впадинами. Томас показал, что сила возникающего при такой конфигурации поля будет увеличиваться в направлении от центра, компенсируя релятивистский рост массы протонов, фокусируя быстрые протоны и вынуждая их оставаться в вакуумной камере. Схема Томаса оказалась слишком сложной для технических возможностей того времени и не была использована. Теперь мы понимаем, что он предвосхитил принцип жесткой фокусировки. В настоящее время строятся два ускорителя по схеме Томаса: один в Окридже, другой в Б рек ли. Оба будут производить протоны и дейтоны с с энергиями в несколько сотен миллионов электрон-вольт.
Понять принцип работы ускорителя, предложенного Саймоном, можно, представив себе магнит, у которого радиальные гребни и впадины схемы Томаса закручены в спиральные ребра и борозды (не похоже ли это на цветистый, «пламенеющий» стиль, которым ознаменовался конец готического периода?). Ребристость полюсных наконечников приводит к дополнительной сильной фокусировке. Надо сказать, что сама идея родилась из попытки добиться еще более сильной фокусировки; только потом уже была понята аналогия с циклотроном Томаса. Идея ускорителя с постоянным
*) Этот ускоритель рассчитан на 50—70 Бэе. Недавно в Москве вступил в строй синхрофазотрон с жесткой фокусировкой на 7 Бэе, являющийся своеобразной рабочей моделью будущего гигантского ускорителя. (Прим, ред.)
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
19
полем была разработана сотрудниками лаборатории в Мэдисоне, штат Висконсин. Они рассчитали (используя две быстродействующие счетные
Рис. 1.11. Установка с постоянным полем переменного градиента представлена в виде электронного ускорителя, построенного как модель для большой протонной машины в лаборатории Мэдисона, штат Висконсин. Темные спиральные секторы — магниты.
машины) все возможные варианты геометрического строения ускорителя и построили несколько моделей (рис. 1.11), которые с успехом показали практическую ценность предложенной схемы.
2*
20
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
Рис. 1.12. Полезная энергия при столкновении зависит от движения частиц после столкновения. Стрелки слева изображают энергию движения бомбардирующих частиц. Сплошные стрелки справа показывают энергию движения системы после столкновения. Пунктирные стрелки изображают часть полной энергии, которая может быть использована . для данных реакций. Маленькие кружки — легкие частицы, большие кружки—тяжелые частицы. Если частицы испытывают лобовое столкновение (внизу), то может быть использована вся их энергия.
Работа с постоянным полом имеет двойное преимущество. Во-первых, как совершенно ясно, постоянное поле легче контролировать, чем переменное. Во-вторых, машины с постоянным полем действуют непрерывно, в то время как синхротроны и синхроциклотроны должны работать циклически или импульсами, причем каждый новый цикл начинается с момента, когда поле достигает максимального значения. Непрерывность действия означает, что в единицу времени можно производить больше ускоренных ионов; иными словами, мы получаем пучок частиц большей интенсивности.
Согласно расчетам выигрыш в интенсивности на машинах этого типа должен дать возможность обойти одно серьезное препятствие, о котором я еще не упоминал. Дело идет о величине энергии, действительно участвующей в ядерных реакциях, которые мы исследуем.
Когда ион высокой энергии из ускорителя ударяет неподвижную частицу мишени, то часть имеющейся энергии идет на ускорение частицы мишени, и, следовательно, расходуется зря. То же самое бывает, когда мы пытаемся расколоть камень, ударяя по нему молотком. Та часть энергии удара, которая идет на толчок камня, на его ускорение, оказывается потерянной для нашей цели — расколоть камень. Если молоток очень легок, а камень очень тяжел, то мишень отлетит недалеко; почти вся энергия молотка пойдет на разрушение камня. Наоборот если мы ударим тяжелым молотком по мелкой гальке, то почти вся энергия удара перейдет в энергию
движения этой гальки и для разрушения камня останется слишком мало энергии. Если молоток и камень весят одинаково, то после удара они будут двигаться вместе со скоростью, равной половине первоначальной скорости молотка; при этом ровно половина энергии может быть использована для разрушения камня.
Аналогично обстоит дело и при расщеплении атомных ядер. Однако здесь особенно скверную роль играют релятивистские эффекты, которые отнимают у нас большую часть преимуществ, достигаемых при увеличении энергии бомбардирующих частиц. Мы уже знаем, что по-настоящему высокие энергии означают значительное увеличение массы. Значит, двигаясь вверх по шкале энергий частиц, мы увеличиваем массу нашего «молотка» и поэтому теряем все большую и большую часть энергии. При одном миллиарде электрон-вольт протон уже заметно тяжелее покоящегося протона; когда он ударяет неподвижный протон, то 57 процентов его энергии расходуется впустую и только 43 процента могут быть использованы для нужных целей. При 3 Бэе (энергия Брукхэвенского космотрона) полезная часть составляет 1,15 Бэе, при 6 Бэе (Беватрон в Беркли) эта часть составляет 2 Бэе, при энергии в 10 Бэе реально можно использовать только
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
21
2,9 Бэе, при энергии в 50 Бэе — только 7,5 Бэе\ наконец, при энергии в 100 Бэе полезная часть составит только 10,5 Бэе. Мы видим, что стократное увеличение энергии от одного до ста миллиардов электрон-вольт дает нам только двадцатикратное полезное увеличение энергии (рис. 1.12).
Предположим, однако, что вместо того, чтобы обстреливать движущимися частицами неподвижную мишень, мы осуществим лобовое столкновение между двумя частицами высоких энергий. При этом возрастание массы будет нейтрализовано и после столкновения частицы не будут
Рис. 1.13. Система со «встречными пучками» — установка, в которую входят рядом стоящие ускорители, так что их пучки пересекаются. Лобовые столкновения между частицами должны дать максимальную величину полезной энергии.
вынуждены двигаться в каком-либо избранном направлении. Вся полная энергия обеих частиц пойдет на осуществление желаемой ядерной реакции. Таково предложение авторов проекта со Среднего Запада.
Они рассмотрели смелую схему установки, названной «встречные пучки», в которой два 15-миллиардных ускорителя располагаются таким образом, чтобы их протонные пучки пересекались и ускоренные частицы сталкивались друг с другом (рис. 1.13). Это должно привести к величине полезной энергии в 30 Бэе, в то время, как в случае, когда протон энергии 30 Бэе сталкивается с покоящимся протоном, полезными оказываются
22
РОБЕРТ Р. ВИЛЬСОН
только 6 Бэе. Для того чтобы получить полезную величину энергии в 30 Бэе обычным путем, потребовался бы ускоритель с энергией по крайней мере в 500 Бэе. Но успех идеи лобового столкновения встречных пучков целиком зависит от интенсивности пучков в ускорителях: необходимо значительное количество протонов, чтобы сделать нужные столкновения достаточно частыми. Несколько лет описанное предложение лежало под спудом, теперь интерес к нему вновь возрастает. Быть может, сложные орбиты искусственных спутников Земли имеют какое-то отношение к тому, что сложные орбиты частиц в ускорителях с постоянным полем снова кажутся заманчивыми.
Новые идеи советских физиков
Советские специалисты в области ускорения частиц продвигаются в различных направлениях. Векслер работал над схемой, приближающей нас к идеальному ускорителю, то есть такому, в котором ускоряющее поле действует только в непосредственной близости к ионам и нигде больше. Он рассматривает маленький сгусток ионов в плазме (ионном газе), возбуждающий колебания, или волны, в пучке электронов. Эти волны
Рис. 1.14. «Пинч-эффект» (сжатие) может быть использован для получения направляющего магнитного поля в ускорителе, тем самым сделав ненужным тяжелый магнит. Серое кольцо изображает сжатый шнур плазмы. Магнитное поле этого шнура, показанное цветными линиями, удерживает частицы вблизи внешнего края.
действуют согласованно, давая колоссальный толчок ускоряемым ионам. Если это не совсем ясно читателю, то только потому, что и мне самому это неясно. Детали в значительной степени ускользают от многих из нас по причине языковых трудностей, однако Векслер говорит о теоретической возможности достижения энергий до 1000 Бэе. Проверка этого утверждения может быть сделана в конечном счете только практикой. Надо, однако, заметить, что другие, казавшиеся ранее слишком смелыми, схемы Векслера, например синхротронный принцип, лежат в основе большинства современных ускорителей.
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
23
Советский ученый Г. И. Будкер также предложил ряд идей, возникающих, по-видимому, из научных исследований проблемы управляемых термоядерных реакций. Будкер предлагает интенсивный круговой электронный пучок, удерживаемый слабым направляющим магнитным полем. Значительный электрический ток в таком пучке приведет к его сжатию (пинч-эффект) до очень малого диаметра благодаря действию его собственного магнитного поля. Идея состоит в использовании очень сильного локального магнитного поля вокруг сжатого пучка как направляющего поля в соответствующем ускорителе (см. рис. 1.14). Имея электронный пучок шести метров в диаметре, можно надеяться удержать на орбите протоны с энергиями до 100 Бэе. Будкер и его коллеги построили специальный ускоритель, в котором они получили ток в 10 а из электронов с энергиями в 3 Мэв, а в ближайшем будущем они надеются иметь значительно более сильные токи и высокие энергии. Может случиться, что эти исследования приведут к революционизирующим результатам в технике ускорителей.
Термоядерные исследования в Америке также привели к изучению сильных магнитных полей. Кажется несомненным, что это поле деятельности найдет применение в проблеме управления пучками частиц в многомиллиардных ускорител ях.
Ускорители электронов
До сих пор в основном обсуждались ускорители протонов, но и в области электронного ускорения наблюдается также большая активность. Мы уже упоминали Гарвардский синхротрон на 6—7,5 миллиарда электронвольт, а также шесть других, меньших по размерам, машин миллиардных энергий. Линейный электронный ускоритель Стэнфордского университета длиной 67,3 м уже давно находится в действии. Его энергия непрерывно увеличивалась, так что теперь он может использоваться в экспериментах при 600 Мэв. В скором времени он, вероятно, пополнит семью миллиардных ускорителей.
Линейный ускоритель имеет большое значение вследствие наличия еще одного специального затруднения при достижении высоких энергий на электронных синхротронах. Когда мы заставляем электроны двигаться по криволинейным путям на больших скоростях, они неизбежно излучают электромагнитную энергию. Это свечение можно видеть невооруженным глазом. Трудности состоят в том, что излучение связано с заметными потерями энергии, причем эти потери быстро растут при увеличении энергии частиц. В Гарвардском синхротроне излучаемая энергия достигает 10 Мэв на один оборот при энергии частиц в 7,5 Бэе. Именно поэтому для достижения больших энергий, скажем 20 Бэе, Стэнфордская группа решила работать над линейным ускорителем, в котором указанного препятствия нет, так как электроны движутся прямолинейно. Но подобная машина должна быть длиной около пяти километров.
Я не думаю, что предел электронных синхротронов уже достигнут. Действительно, нетрудно представить себе 50-миллиардный электронный синхротрон. Проблему излучения можно разрешить, уменьшая кривизну пути электронов, то есть увеличивая радиус их орбит, скажем, до километра. Мне кажется, что верхний предел электронного синхротрона лежит около 100 Бэе.
Если думать действительно «большими масштабами», то не надо забывать о предложении Энрико Ферми опоясать земной шар вакуумной
24
РОБЕРТ Р ВИЛЬСОН
трубкой и, используя магнитное поле Земли, получить 100 000 Бэе. Теперь, когда искусственные спутники Земли становятся обычным явлением, мы можем поднять вверх кольцо из спутников — фокусирующих магнитов, ускорителей, инжекторов — вокруг Земли. От такого ускорителя (назовем его «лунатроном») можно ожидать, что-нибудь вроде миллиона миллиардов электрон-вольт. В нем по крайней мере не понадобятся вакуумные насосы, так как он будет находиться вне земной атмосферы.
Виллар де Гоннекур, а потом Виоле-ле-Дюк оставили нам детальные описания работы строителей замечательных средневековых соборов и их методов. Положение тогда и теперь в значительной степени одинаковое. Строитель собора не был в прямом смысле слова архитектором, точно так же и конструктор ускорителя не является в точности физиком. Обе профессии требуют слияния науки, техники и искусства. Строители соборов были хорошо знакомы между собой, однородность, одностильность их работы в разных странах есть свидетельство широкого обмена информацией. Схожесть ускорительных устройств указывает на такой же обмен в наши дни. Наши средневековые предшественники были только люди, и ничто человеческое не было им чуждо. Теперь мы можем судить, как часто они были подвержены чувству ревности, как при случае могли похитить чужую идею, как часто единственной их целью было произвести выгодное впечатление на своих единомышленников или унизить противников. Эти черты случается проявляются и их потомками. Но мы всегда находимся под обаянием увлеченности, вдохновленности могучих творцов средневековья, выразившихся в их творениях. Это чувство увлеченности поставленными задачами не менее сильно среди современных физиков.
Гермам Ягода
ТРЕКИ—СЛЕДЫ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
(МАЙ 1956 г.)
Каждая ядерная частица характеризуется своим треком—следом в веществе. Здесь мы рассмотрим треки, которые дают визуально наблюдаемое изображение в толстых фотографических эмульсиях.
ГЧпециалист по ядерной физике, изучая элементарные частицы природы, находится почти в таком же положении, как исследователь, пытающийся представить себе незнакомое животное по его следам. Физик никогда не может увидеть сами частицы, а лишь их треки в камере Вильсона или на фотографической пластинке. Однако по этим следам он делает вывод о массе частицы, ее движении, скорости, времени жизни и о том, как частицы ведут себя, сталкиваясь друг с другом. В настоящее время следы некоторых членов ядерной семьи почти так же знакомы и ясны ученым, как следы домашних животных. Интересные новые треки продолжают появляться, порою странные, порою предсказанные; самые последние — это следы антипротона, который так долго разыскивали. По-видимому, своевременно осмотреть место действия и сделать обзор галереи отпечатков, которые характеризуют членов странной семьи атомного ядра.
Мы будем рассматривать треки, которые регистрируются в фотографических эмульсиях. Именно таким образом было впервые установлено существование частиц в ядрах атомов, когда Анри Беккерель забыл в ящике с фотопластинками немного урана. Беккерель заметил лишь, что радиоактивное действие урана «затуманило» его пластинки. То, что этот «туман» состоит из сетки следов, было обнаружено через 13 лет. В 1909 г. Отто Мюгге в Германии экспонировал несколько пластинок у крошечного кристалла циркония, слабо радиоактивного материала. Для того чтобы изучить слабо проявившееся изображение, он воспользовался микроскопом и заметил тогда, что изображение состояло из тонких прямых следов, расходящихся от кристалла. Немного позднее треки альфа-частиц, излученных радием, были обнаружены в мелкозернистых эмульсиях в знаменитой лаборатории лорда Резерфорда в Англии.
Когда заряженная частица пролетает сквозь фотографическую эмульсию, то, как и под действием света, в бромистом серебре формируется скрытое изображение. В случае движущейся частицы скрытое изображение есть результат ионизации, произведенной частицей вдоль ее траектории. Это изображение, отмечающее трек частицы, становится видимым после проявления эмульсии обычным путем. Так как быструю частицу желательно остановить внутри эмульсии, то обычно эмульсии делают как можно толще. Эмульсия, применяемая для космических лучей и частиц высоких энергий от ускорителя, бывает часто толще одного миллиметра — почти в сто раз толще, чем в обычных фотографических пластинках.
26
ГЕРМАН ЯГОДА
Для определения кинетической энергии частицы необходимо точно измерить длину ее трека. Так как путь частицы в эмульсии расположен косо, то непосредственно измерить его длину невозможно; она вычисляется с помощью теоремы Пифагора по двум измеримым расстояниям — глубине проникновения частицы в эмульсию до остановки и горизонтальному расстоянию вдоль поверхности эмульсии, от точки, где частица вошла в нее, до точки, расположенной непосредственно над концом следа.
Рис. 2.1. Специальный микроскоп, применяемый для просмотра ядер-ных эмульсий. Большой столик дает возможность прослеживать длинные следы. Эмульсия имеет вид диска, вделанного в прямоугольную люцитовую рамку, подведенную под покровное стекло. Глубина следа читается на штурвальчике микрометрического винта вверху справа.
Поиски следов частиц в эмульсии — это в лучшем случае медленное и нудное занятие. Оно занимает много часов или дней сосредоточенного изучения фотографических пластинок с помощью микроскопа, для того чтобы найти и проследить тонкие линии зерен серебра (рис. 2.1). Поэтому физики для обнаружения частиц долгое время предпочитали работать с камерами Вильсона. Но у фотографических пластинок есть очевидные преимущества перед камерой Вильсона. Пролетая через более плотную среду, частицы с большей вероятностью сталкиваются с ядрами атомов и порождают интересные явления.
Была проделана большая работа по улучшению ядерной эмульсии. В 1947 г. Демерс в университете Монтреаля нашел способ изготовлять устойчивые эмульсии, содержащие 90% бромистого серебра вместо обычных 30%; в этих более концентрированных эмульсиях частицы давали более четкие следы.
ТРЕКИ — СЛЕДЫ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
27
Природная радиоактивность
Рассмотрим теперь некоторые хорошо известные следы. Опустим фотопластинку в весьма разбавленный раствор, содержащий радиоактивный элемент радий. Оставив ее на время (дни, недели или месяцы) в темной комнате, вынем затем пластинку, проявим и посмотрим ее под микроскопом. Тут и там на пластинке мы увидим звездоподобные картинки из коротких и толстых треков, которые расходятся подобно спицам от втулки. Эти следы показывают, что частицы являются медленными альфа-частицами,
Рис. 2.2. Альфа-частицы дали изображение в этой темнопольной микрофотографии. Эмульсия содержит крошечные взвешенные частички радия, одна из которых и явилась центром изображения. Следы были оставлены альфа-частицами, излученными радием и его потомками.
и каждая такая картинка называется альфа-звездой (рис. 2.2 и 2.3). В центре звезды находится атом радия, испускающий серию альфа-частиц; при этом сперва радий, распадаясь, переходит в радон, затем радон — в другой нестабильный потомок, и в итоге целого ряда следующих друг за другом превращений получается свинец. В этом самопроизвольном переходе от радия к свинцу испускается всего пять альфа-частиц (плюс некоторое количество бета-частиц). Каждая частица выходит с определенной кинетической энергией (достигающей 7,7 Мэе); различные энергии служат причиной того, что лучи в звезде имеют разную длину.
Звезда, видимая на фотографической пластинке, может случайно представлять собой распад не одного, а многих атомов радия. Это было выяснено Шами в экспериментах, проделанных в институте Кюри в Париже. Она экспонировала пластинку в чрезвычайно разбавленном растворе полония, последнего потомка радия, излучающего альфа-частицу при переходе в свинец, и ожидала увидеть в эмульсии одиночные следы альфа-частиц от отдельных атомов радия. Вместо этого Шами обнаружила звезды,
28
ГЕРМАН ЯГОДА
состоящие из нескольких сотен альфа-частиц, расходящихся от общего центра. Все треки были той самой длины, которая соответствовала энер-
Рис. 2.3. Альфа-звезды, возникшие от атомов тория в эмульсии. Звезды справа и слева представляют серию распадов отдельных атомов тория. Вначале атом тория излучает альфа-частицу, его дочерний изотоп излучает еще одну альфа-частицу и так далее.
гип альфа-излучения полония. Итак, оказалось, что даже в максимально
полония атомы не
разбавленном растворе
Рис. 2.4. Электроны дали слабые искривленные следы. Эта эмульсия перед проявлением выдерживалась 50 дней. Толстый след внизу оставлен ядром кислорода из первичного космического излучения. Следы электронов вдоль этого изображения называются дельта-лучами.
диссоциируют целиком на отдельные ионы, а образуют группы из нескольких тысяч атомов. Эти образования были названы радиоколлоидами.
Все вещества содержат следы радиоактивных излучений, которые пронизывают минералы с тех пор, как затвердела земная кора. Природа сама усыпает путь исследователя путеводными нитями, надо только уметь их видеть. Задолго до открытия радиоактивности геологи наблюдали, что зерна в некоторых минералах, например в слюде, иногда окружены ободком окрашенного материала. Они не могли объяснить, как сформировался этот цветной пояс. В 1907 г., когда радиоактивность была предметом все возрастающего интереса, Джоли (в Ирландии) заметил, что расстояние от центра каждой маленькой сферы до цветного пояса вокруг нее было того же порядка, что и пробег альфа-частицы, излучаемой радием или торием. Он предположил (теперь это
является точным решением загадки), что альфа-частицы, излучаемые радиоактивным атомом в центре, иони-
зируют в конце своего пути атомы железа, содержащиеся в слюде, вследствие чего железо окисляется и создается цветной пояс.
ТРЕКИ — СЛЕДЫ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
29
Так же, как и треки альфа-частиц, хорошо известны и вездесущи следы бета-частиц, или электронов. Эти легкие частицы дают в эмульсиях бледные, сильно искривленные треки (рис. 2.4). Электроны, летящие от радиоактивных веществ или падающие на землю в составе космических ливней, отмечают свое присутствие в эмульсии, где бы она ни была расположена и как бы тщательно она ни была заэкранирована. Даже глубоко под землей фотографическая пластинка набирает около миллиона электронных следов в каждом кубическом сантиметре эмульсии за день экспозиции.
Мезоны
Рис. 2.5. Отрицательный л-мезон создал трек между этими двумя звездами. Верхнее ядро разрушено первичным космическим излучением. Второе, нижнее ядро разрушено л-мезоном. Отрицательные мезоны легко захватываются, так как их заряд противоположен заряду ядра.
Ни один след не зачаровывает так, как следы удивительных частиц— мезонов. Если бы теперешние эмульсии применялись в 1920 г., мезонные треки были бы вначале открыты, а потом «объяснены»; на самом же деле мезоны были предсказаны теоретиком X. Юкавой за два года до их действительного обнаружения. Юкава «изобрел» мезон для объяснения сил, сдерживающих частицы в атомном ядре. Следы предсказанных им частиц-— почти в 200 раз более тяжелых, чем электрон, — были впервые зарегистрированы в 1937 г. в камере Вильсона при наблюдении за космическими лучами. Но вскоре положение стало загадочным: теория предсказывала сильное взаимодействие этих частиц с ядрами атомов, на опыте же выяснилось, что они захватываются ядрами крайне редко.
Пока теоретики размышляли над этой пропастью, обнаружившейся между теорией и опытом, молодые физики были заняты тем, что карабкались на горы и выдерживали фотографические пластинки в космических лучах высоко в атмосфере. И вот в 1947 г. был открыт более тяжелый мезон, который сильно взаимодействовал с веществом. В Бристольском университете группа исследователей под руководством Пауэлла получила фотографии, показывающие, что тяжелый мезон (пи-мезон) *), останавливаясь, быстро распадается на легкий мезон (мю-мезон) и нейтрино.
Годом позднее молодой бразилец Латес, участник Бристольской группы по изучению космических лучей,
приехал в Калифорнийский университет и совместно с Е. Гарднером обнаружил мезоны при облучении ядер пучком альфа-частиц с энергией 400 Мэв на синхроциклотроне в Беркли. Были обнаружены два типа треков л-мезонов. Положительно заряженные л-мезоны распадались на р-мезоны. Отрицательно заряженные л-мезоны взаимодействовали с ядрами атомов, и распад захватывающих их ядер давал «звезду» (рис. 2.5).
*) Мезоны принято обозначать греческими буквами л (пи), р (мю); ниже читатель встретит и т (тау)-мезоны.
30
ГЕРМАН ЯГОДА
Тем временем европейские исследователи, не имеющие денег на постройку дорогих ускорителей, продолжали изучать мезоны в космическом излучении — «циклотроне бедных людей». Эти простые эксперименты позволили обнаружить целый ряд новых частиц.
Первым дополнением к растущему «греческому» семейству мезонов были т-частицы. Исследователи Бристольского университета нашли их треки в электроно-чувствительной пластинке, помещенной под 30-сантиметровым слоем свинца на высокогорной исследовательской станции на Юнгфрау (в Альпах). Эти частицы, более тяжелые чем л-мезоны, давали при остановке необычную трехконечную звезду. Все три луча оказались треками л-мезонов. Анализируя треки, Пауэлл пришел к выводу, что т-мезон — это нестабильная однократно заряженная частица, которая почти в 1000 раз тяжелее электрона. Этот блестящий анализ заставил его в итоге описания восторженно воскликнуть: «Новая частица — элементарная, мой дорогой Ватсон!»
Тяжелые т-мезоны чрезвычайно редки, но в результате упорной охоты удалось «набрать» довольно много этих частиц и определить их свойства. Недавние контрольные опыты на 6-миллиардном Беватроне в Беркли показали, что т-частицы и другие тяжелые мезоны (известные как /С-ме-зоны), вероятно, одни и те же частицы, только обнаруженные при различных, возможных для них, путях распада.
Антипротон
Нейтральные частицы, к несчастью, не оставляют треков в эмульсии или камере Вильсона. Однако они могут сигнализировать о своем присутствии косвенно. Например, быстрый нейтрон, несущийся через эмульсию, может столкнуться с атомом водорода, оторвать от последнего электрон и заставить протон, отскочив, дать трек,
Рис. 2.6. Медленный нейтрон оставил этот след в эмульсии, содержащей борат лития. На нижнем конце короткой толстой линии в верхней части чертежа нейтрон встретил атом лития. След оставлен двумя осколками ядра, отскочившими друг от друга.
который и расскажет историю соударения (рис, 2.6),
В Беркли все взоры только что были устремлены на треки антипротона, который наконец-то был порожден Беватроном несколько месяцев назад*). Антипротон — отрицательно заряженный антипод положительного
протона — живет весьма недолго, но его существование безошибочно установлено из-за эффективного способа его гибели. Когда эта частица оста-
навливается в эмульсии, происходит взрыв, порождающий большую звезду. Частицы, появляющиеся при взрыве, среди которых будет несколько пи-мезонов, имеют большую кинетическую энергию. Полная освобождающаяся энергия того же порядка, что и предсказываемая теорией, по которой антипротон и протон, соединяясь друг с другом, аннигиллируют, вы-
деляя энергию, эквивалентную количественно их массе.
*) Напомним, что статья была написана летом 1956 г. (Прим, ред.)
ТРЕКИ — СЛЕДЫ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
31
Беватрон порождает антипротоны, когда пучок протонов высокой энергии (6,2 Бэе) попадает на медную мишень. Быстрые протоны, атакующие ядра атомов меди, рождают большое число тяжелых мезонов и изредка антипротоны — выход их составляет около одного антипротона на каждые 62 000 мезонов. Теория считает, что протон-антипротонная пара образуется, когда протон высокой энергии сталкивается с одним из нейтронов в ядре меди.
Антипротон имеет такую же массу, что и протон. Поэтому можно было предполагать, что он будет иметь почти ту же вероятность столкнуться с атомными ядрами, проходя через вещество. Однако эксперименты с новой частицей показали, что антипротон в действительности обладает почти в два раза большей вероятностью столкновения, или эффективным сечением, чем протон. Это удивительное свойство поставило ядерных физиков перед загадочной проблемой.
Рис. 2.7. Протон первичного космического излучения оставил почти вертикальный след в верхней части эмульсии. Следы частиц, появившихся в результате его столкновения с ядром в центре эмульсии, характерны для частиц (или осколков) с однократным электрическим зарядом.
Космические лучи
Сколько бы света ни проливала на эти проблемы работа с машинами для расщепления ядер, исследователи частиц никоим образом не теряли интереса к тому «дикому» набору ядер и остатков ядер, которые пронизывают нашу атмосферу в результате бомбардировки ее космическими лучами. Первичные космические лучи почти не достигают уровня Земли вследствие того, что атмосфера поглощает их так же эффективно, как поглощал бы слой свинца толщиной в метр, окружающий Землю. Но физики ловят следы первичных частиц, приходящих из пространства, поднимая свои инструменты и фотографические пластинки на воздушных шарах в верхние слои воздушного океана. Эта работа получила большой стимул благодаря достижениям с пластмассовыми шарами. В отличие от резинового, пластмассовый шар можно поднять на определенную, заранее предуказанную высоту. Стопки эмульсий поднимались на высоту до 30 км — почти на границу пустого пространства (поскольку вес воздуха над ним составляет там только 13 г на квадратный сантиметр в отличие от 1030 г на уровне моря).
Первичные космические лучи, попадая в атмосферу, разбивают ато
мы азота и кислорода воздуха; при этом рождается целый каскад вторичных и третичных частиц. Треки этих осколков были зарегистрированы на высокогорных установках по всему миру. Люди, рискующие жизнью, чтобы влезть на горы, просто «для того, чтобы побывать там», обычно весьма охотно сотрудничают с физиками, изучающими космические лучи. Легкий пакет фотографических пластинок немного прибавляет к ноше при восхождении, но он может добавить альпинисту стимул для его совершения.
32
' ГЕРМАН ЯГОДА
При восхождении на Эверест сэр Эдмунд Хиллари взял маленький пакет пластинок (данный ему профессором Эйгстером из Цюрихского университета) в лагерь на высоту около 8 км над уровнем моря. К сожалению, от волнения при триумфальном спуске с пика пластинки были забыты. Сэр Джон Хант, глава экспедиции, извинялся в своей книге «Покорение Эвереста»: «Я очень сожалею, что пластинки остались на южном склоне, где они определенно до сих пор регистрируют... явления в космических лучах».
Рис. 2.8. Я др и железа из первичного космического излучения, проникшее слева вверху, оставило это изображение. Избежав катастрофических соударений с ядрами эмульсин, оно в итоге останавливается справа внизу. Энергию свою оно растеряло в результате серии столкновений, при которых оно отрывало электроны от атомов эмульсии. Искривленные следы вдоль пути ядра железа оставлены этими электронами. След имеет в длину почти 40 см и не может быть показан на одиночной микрофотографии. Поэтому для его воспроизведения была применена составная микрофотография.
Среди первых ученых, наблюдавших расщепление ядер в космических лучах, была Мариетта Блау из Венского университета. Девятнадцать лет тому назад она выставила серию фотографических пластинок на четыре месяца на вершину горы в Инсбруке. Когда она их проявила, то нашла не только знакомые альфа-звезды от радиоактивных веществ, но и несколько больших звезд с более длинными, но менее плотными лучами. Треки, очевидно, были порождены главным образом протонами (рис. 2.7.) Доктор Блау совершенно верно предположила, что это были остатки ядер, раздробленных космическими лучами; она продолжает эту работу и теперь, исследуя разрушения ядер, получаемые на космотроне Брукхэвенской национальной лаборатории.
Разрушение ядер космическими лучами быстро растет с высотой. На уровне моря в северных широтах в фотографических пластинках рождается примерно одна звезда на кубический сантиметр эмульсии за день
ТРЕКИ — СЛЕДЫ ЯДЕРЙЫХ ЧАСТИЦ
33
выдержки; на высоте 4,5 км (гора Эванс в Колорадо) интенсивность в 20 раз больше, а в шарах на верхней границе атмосферы — в 2500 раз.
Рис. 2.9. Гигантский ливень мезонов зарегистрирован на этой микрофотографии небольшого участка ядерной эмульсии, которая была поднята пластмассовым шаром на высоту 32 км. В верхней части микрофотографии виден толстый след необычайно энергичного ядра железа из первичного космического излучения. След заканчивается «звездой», возникшей в результате столкновения ядра железа с ядром эмульсии. Ниже звезды видна струя из почти 40 л-мезонов.
Справа и слева от звезды расходятся тяжелые осколки ядра-мишени.
Случается, что треки первичных космических частиц, приходящих к нам из глубины пространства, оказываются особенно толстыми. Эти
3 Физика атомного ядра
ГЕРМАН ЯГОДА
34 толстые треки создаются тяжелыми ядрами, во много раз большими ядра атома водорода. След покрыт «пухом» отростков вторичной ионизации, отходящих от его боков; это так называемые дельта-лучи. Поскольку степень ионизации, создаваемой частицей вдоль ее пути, пропорциональна квадрату заряда, количество дельта-треков ионизации определяет природу частицы. Найдено, что первичные космические частицы включают ядра почти всех элементов от водорода до никеля. Ядра железа часто порождают треки достаточно толстые для того, чтобы видеть их простым глазом (рис. 2.8).
Иногда падающие тяжелые ядра частично раскалываются при ударах о молекулы воздуха и отдельные обломки ядер расходятся от точки соударения. Иногда первичные космические лучи налетают на атом и разбивают его, при этом испускается ливень тяжелых мезонов; их так много, что удавалось наблюдать до 200 заряженных мезонов в одной звезде (рис. 2.9). Многие из пи-мезонов распадаются на лету на мю-мезоны, которые, как известно, почти не взаимодействуют с атомами и поэтому «проскакивают» через атмосферу и часто погружаются глубоко в землю.
Небольшое число тяжелых ядер из космического пространства избегает катастрофических соударений и замедляется ионизационными процессами в атмосфере. Когда эти частицы попадают в эмульсию, они производят весьма эффектные следы. Трек выглядит сначала толстым и «пушистым»; затем, когда тяжелое ядро замедляется и начинает захватывать электроны, уменьшение его положительного заряда ослабляет ионизацию, так что след его сходится в точку к концу полета.
Последнее зерно в точке остановки тяжелой первичной космической частицы — это вещь достойная восхищения. В этом серебряном зерне эмульсии содержится атом, история которого не похожа на историю его соседей. Это атом, который, может быть, был вырван из какой-либо звезды нашей Галактики миллионы лет тому назад. Он был ускорен в межзвездном пространстве магнитогидродинамическими полями. Миллионы лет он избегал столкновений с космической пылью. В конце концов он проник в земную атмосферу и в одно мгновение потерял весь свой запас энергии, накопленный с рождения. Такова вечно возрастающая энтропия вселенной, о которой Суинберн писал:
«Мы приносим краткое благодарение любому божеству
За то, что ни один человек не живет вечно,
Что ни один умерший никогда не воскреснет,
Что даже утомленная река
Вольется где-либо, сохраненная морем».
И. Нерлман и Г. Т. Сиборг
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
(АПРЕЛЬ 1950 г.)
Вместе с недавно полученным берклием их насчитывается сейчас девять. Четыре из них заполняют пробелы в периодической таблице до 92 элемента, а пять расположены за ураном *).
/Стремление разделить наш мир на части и определить составляющие его основные единицы восходит по меньшей мере к ранним греческим философам. Долгий путь отделяет нас от их представлений, что все вещества суть разные вариации варева, приготовленного на Олимпе всего-навсего из четырех ингредиентов — огня, воды, земли и воздуха, — однако вопрос этот до сих пор стоит на повестке дня. К настоящему времени список открытых элементов обрывается на девяносто седьмом номере. Физики, конечно, разбивают их на протоны, нейтроны и единицы, возможно, даже более фундаментальные. В этой статье, однако, мы остановимся на пороге субатомного мира и ограничимся элементами, касаясь протонов и нейтронов лишь постольку, поскольку они влияют на стабильность элементов. С чисто химической стороны элементы можно рассматривать как кирпичи, из которых построена наша вселенная.
Эта статья будет посвящена, в основном, так называемым синтетическим элементам, то есть элементам, практически не найденным в природе, а сотворенным алхимиками современных лабораторий. Поясним сразу, что мы имеем в виду, когда говорим, что синтетических элементов нет в природе. На самом деле следы некоторых из них, например плутония, обнаружены в земле и все они, несомненно, существовали в значительных количествах при первоначальном образовании элементов. Однако все они без исключения настолько неустойчивы, что первоначальные атомы должны были распасться еще в незапамятные времена. Те же их атомы, которые иногда удается найти теперь в природе, созданы исключительно в ядерных реакциях, являющихся результатом либо бомбардировки космическими лучами, либо естественной радиоактивности.
Идея о том, что всю материю можно свести к ограниченному числу химических неделимых элементов, начала формироваться в XIX столетии. Ее развитие было существенно связано с открытием определенного периодического подобия среди известных элементов. Когда элементы были расположены в последовательности их* атомных весов, то выяснилось, что элементы, расположенные на определенных местах, похожи друг на друга по химическим свойствам. Это привело к построению периодической
*) См. следующую статью Сиборга и Гиорзо в этом сборнике, которая является продолжением настоящей статьи. (Прим. ред. )
3*
Прпметий
Астатин
н
в
6
7
9
3
4
5
2 не I 70
6d	7р
Рис. 3.1. Периодическая таблица в форме, приданной ей Бором, в нижней части схемы представляет в своих горизонтальных рядах 97 естественных и искусственных элементов, расположенных так, чтобы подчеркнуть подобие в их химических свойствах Элементы, подобные по своим химическим свойствам, соединены линиями, идущими сверху вниз. Цифры над каждым элементом обозначают его атомный номер, то есть число положительных зарядов ядра или число связанных с ядром электронов. Девять синтетических элементов выделены красным цветом. В каждой горизонтальной строке имеется одна или больше полускобок с индексами Is, 2s, 2р и т. д. Каждая такая полу
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
37
таблицы элементов, в которой в свою очередь были открыты некоторые пробелы (рис. 3.1). Казалось логичным предположить, что отсутствующие химические свойства надо приписать элементам, которые еще не были открыты *).
С открытием в начале XX столетия рентгеновских лучей и атомных ядер начинает выясняться более глубокая картина различий между элементами. Теперь мы знаем, что отличительным признаком каждого элемента, определяющим его химические свойства, является число электронов, принадлежащих его атомам. Это число в свою очередь однозначно определяется зарядом ядра, или числом протонов в нем. Электроны расположены вокруг ядра в виде последовательных оболочек. Когда мы проходим периодическую таблицу от более легких элементов к более тяжелым, мы видим, что ближайшие к ядру электроны связываются с атомом все более и более прочно. Если выбить один из этих внутренних электронов, на освободившееся место тотчас же упадет какой-либо электрон из внешней оболочки, а выделившаяся энергия будет испущена в виде рентгеновских лучей. Длина волны таких рентгеновских лучей характерна для каждого элемента. Эта связь была открыта английским ученым Мозли. Она позволила расположить элементы согласно их атомным номерам и совершенно точно установить, какие из них отсутствовали. Постепенно, открывая новые элементы, химики заполнили почти все пробелы между водородом (атомный номер 1) и ураном (атомный номер 92). К 1925 г. осталось найти только четыре элемента с атомными номерами 43, 61, 85 и 87.
Конечно, нельзя было ожидать, что новый элемент сразу удастся найти в чистом виде или что он моментально проявит свою индивидуальность. Возможно, что некоторым исследователям удавалось иметь дело с веществом в относительно чистом виде, но они не смогли распознать в нем новый элемент. Чаще же всего оказывалось, что в качестве новых элементов описывались либо элементы, уже известные раньше, либо какая-нибудь смесь известных элементов. В течение 1920-х и 1930-х годов многие исследователи сообщали об открытии элементов 43, 61, 85 и 87. Они давали им такие имена, как мазурий, иллиний, флоренций, алабамин, вирги-ний и молдавий, до сих пор иногда появляющиеся в некоторых таблицах
*) Открытие периодической системы элементов, равно как и блестяще подтвердившиеся смелые предсказания существования еще не открытых элементов, были сделаны великим русским ученым Д. И. Менделеевым. (Прим, ред.)
скобка означает, что в этом месте заполнилась определенная электронная оболочка, точнее, электронная под оболочка. На схематическом чертеже в верхней части рисунка дана структура электронных оболочек у синтетических элементов астатина и прометия. В рентгеноскопии эти оболочки обозначают буквами К, £, М, N, О и Р. В обычной спектроскопии они будут обозначаться просто цифрами 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Подоболочки в спектроскопии обозначаются буквами s, р, d и т. д. Максимальное число электронов (черные точки) в любой s-подоболочке равно двум, в любой р-подоболочке — шести, в любой d-подоболочке — десяти и в любой /-подоболочке — четырнадцати. Цифра вверху на чертеже (у букв s, р, d и f) указывает число электронов в той или иной подоболочке; например, 6p* s у последней подоболочки астатина означает, что там находится
5 электронов в р-подоболочке 6-й оболочки.
У астатина заполнены все подоболочки, исключая последнюю. В случае прометия и других редких земель дело усложняется. У группы редких земель от церия до лютеция число 5d- и 6$-электр инов остается неизменным; у этой последовательности элементов электроны заполняют 4/-под обол очку. Так, прометий имеет четыре 4/-электрона. Трансурановые элементы составляют вторую группу редких земель.
38
И. ПЕРЛМАН И Г.Т. СИБОРГ
элементов. Теперь, однако, совершенно ясно, что ни один из этих элементов не может существовать в природе в количествах, которые позволили бы обнаружить его известными в то время методами. Действительно, чтобы убедительно идентифицировать три из четырех элементов (исключая 87-й), пришлось ожидать их приготовления искусственным путем, и даже элемент 87 проще получить искусственно, чем выделить из природных источников.
Стабильные и нестабильные изотопы
Чтобы понять превращения элементов, обратимся к рассмотрению стабильности ядер. Элемент, как мы отметили выше, однозначно характеризуется числом протонов в ядре. Однако число нейтронов, связанных с данным числом протонов, может меняться. Это приводит к существованию нескольких разновидностей того же самого элемента, известных под названием изотопов. Они отличаются по атомному весу и стабильности, но почти не отличаются по химическим свойствам. Из числа возможных изотопов какого-либо элемента стабильны лишь относительно немногие; так, из 1000 изотопов 97 элементов, известных нам сегодня, только примерно 275 стабильны. Возможно, что будет изготовлено еще несколько сотен нестабильных ядер, но неоткрытых стабильных ядер, по всей вероятности, осталось совсем немного.
Малочисленность стабильных ядер в основном объясняется взаимными превращениями протонов и нейтронов. Если числа протонов и нейтронов в ядре хотя бы немного отклоняются от нормы, своей для каждой области периодической таблицы, то протон превращается в нейтрон или наоборот. Ядра оказываются гораздо более стабильными, если они имеют четное число нейтронов или протонов. В результате каждый элемент с нечетным числом протонов имеет только один или два стабильных изотопа. «Капля энергии», которая переполняет чашу и определяет, будет ли изотоп стабильным или нет, очень мала по сравнению с полной энергией, связывающей частицы в ядре. Так, например, для умеренно тяжелого ядра полная энергия связи составляет примерно 1000 Мэв. Несмотря на это, если одно ядро связано всего лишь на 0,01 Мэв сильнее другого, отличающегося заменой протона на нейтрон, то второе ядро превращается в первое. Такие небольшие колебания энергии ядерной связи могут лишить некоторые элементы с нечетными номерами возможности иметь даже один стабильный изотоп. Поэтому такие элементы, если отвлечься от некоторых своеобразных причин, запрещающих распад их «наиболее близких к стабильным» изотопов, не будут существовать в природе.
Было бы интересно пофантазировать, как отличалась бы наша жизнь, если бы она вообще была возможна, в случае нестабильности кое-каких элементов. У йода, например, имеется только один стабильный изотоп. Йод является частью тироксина — гормона щитовидной железы. Он жизненно необходим в качестве регулятора роста, развития и степени обмена веществ. Трудно представить себе какие-либо формы жизни позвоночных животных в отсутствие этого элемента. Другим элементом с одним лишь стабильным изотопом является золото. Этот изотоп Au197, насколько удается измерить, всего на малую долю мегаэлектрон-вольта стабильнее искусственного и быстро распадающегося изотопа ртути Hg197. В случае обратного положения вещей в форте Нокс *) можно было бы, конечно, хранить что-нибудь, но уже во всяком случае не золото.
♦) Место, где хранятся золотые запасы США. (Прим ред.)
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
39
Недостающие элементы
До свинца, элемента 82, имеется только два элемента, которых нет в природе: 43 (технеций) и 61 (прометий). Как мы увидим дальше, их можно приготовить искусственно в радиоактивной форме, как и радиоактивные изотопы всех других элементов. Нестабильность элементов 43 и 61 объясняется взаимными нейтрон-протонными переходами. Она носит название бета-нестабильности и заключается в том, что ядра при переходе в устойчивое состояние излучают бета-частицы, то есть электроны.
Среди более тяжелых элементов существует другой тип нестабильности. Он является, грубо говоря, следствием излишка положительного заряда в ядре. Ядро как бы испытывает необходимость избавиться от протонов. Механизмом для изменения состояния служит испускание альфа-частиц — ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Излучается эта сложная частица, а не отдельный протон просто потому, что ядро гелия — весьма устойчивое образование, уносящее протоны из ядра энергетически более выгодным путем, чем при их индивидуальном испускании. Начиная с висмута, элемента 83, альфа-нестабильность становится основной формой нестабильности. (Некоторые ядра не проявляют своей альфа-нестабильности, так как скорость их бета-распада выше скорости альфа-распада.) Время жизни альфа-нестабильных ядер изменятся в необычайно широких пределах: у одних оно порядка микросекунды, у других сравнимо с возрастом Земли.
Следует отметить, что существуют только три ядра тяжелее висмута, у которых время жизни оказывается достаточным для того, чтобы выжить в течение геологических эпох, — торий 232, уран 235 и уран 238. Благодаря именно этим изотопам на Земле все еще встречаются небольшие количества элементов с номерами между 83 и 92, представляющих собой продукты распада урана и тория. Таким образом, единственной причиной того, что периодическая таблица не оканчивается на висмуте, является существование этого небольшого островка относительной стабильности в районе тория и урана.
По мере распада этих трех ядер, устанавливается равновесие между ними и продуктами их распадов в количествах, которые зависят от их относительной стабильности, или периода полураспада. Так, например, радий 226 является одним из продуктов распада урана 238. Поскольку периоды полураспада этих изотопов равны соответственно 1600 лет и 4,5 миллиарда лет, они находятся в соотношении одна часть радия на три миллиона частей урана, или треть грамма радия на тонну урана. В семействах радиоактивного распада почти полностью отсутствуют два элемента с наиболее короткими периодами полураспада — элементы 85 и 87. Элемент 87 встречается в уране лишь в фантастически малых концентрациях — несколько частей на миллиард миллиардов. Еще более незначительны количества элемента 85, которые были найдены в природе. Подобные малые количества, конечно, не могут быть выделены и измеряются только по их радиоактивности.
Между прочим, только благодаря странному стечению необычных обстоятельств расщепляющийся U285 до сих пор существует в природе в количествах достаточных, чтобы снабдить нас ядерными реакторами и атомной энергией. Период полураспада U285 составляет только 0,7 миллиарда лет. Это означает, что более 90% его исчезло путем радиоактивного распада в течение трех миллиардов лет жизни Земли. Оказывается, что этих незначительных остатков U28S в естественном уране хватает для
40
И ПЕРЛМАН И Г. Т. СИБОРГ
работы многочисленных ядерных реакторов и для отделения U285 от U288. Но это только половина дела. Недавние исследования альфа-радиоактивности показали, что U285 относится к категории элементов, у которых время жизни больше предсказываемого из энергии распада — основного фактора, определяющего период полураспада. Даже среди этой группы, в которой альфа-распад «запрещен», U285 является чем-то своеобразным. По его энергии можно было бы ожидать распада, раз в десять более быстрого, чем тот, который имеет место в действительности; однако, если бы он распадался даже в два раза быстрее, он фактически исчез бы к нашему времени с лица Земли.
У элементов тяжелее урана период альфа-распада опять становится очень коротким, вследствие чего «изначальные» атомы трансурановых элементов не существуют, хотя можно считать, что они образовались одновременно со стабильными. Наиболее долгоживущий из известных сейчас трансурановых изотопов — нептуний 239 обладает периодом полураспада лишь в два миллиона лет, что почти в сто раз короче времени жизни, при котором элемент сохранился бы до нашего времени.
Радиохимия
Как же обстоит дело с химическим поведением этих нестабильных элементов? Радиоактивность не влияет на химические свойства элемента. Чрезвычайно важная особенность радиоактивных элементов состоит в
Рис. 3.2. «Горячая лаборатория» Калифорнийского университета. Называется так потому, что в ней можно работать с сильно радиоактивными элементами (например, синтетическими). Все химические манипуляции проводятся за свинцовой стеной при помощи оборудования, управляемого на расстоянии.
том, что их можно обнаружить даже тогда, когда они присутствуют в исчезающе малых концентрациях. Если бы не это свойство, большинство не
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
41
стабильных ядер так и остались бы не открытыми: ведь все они существуют в природе или могут быть приготовлены лишь в практически «невесомых» количествах.
Современная техника новой отрасли науки, именуемой радиохимией, позволяет получать большое количество информации о химических свой-
Рис. 3.3. За свинцовой стеной расположено оборудование для работы с радиоактивными элементами. Вверху слева находится зеркало, в котором можно наблюдать за всеми операциями. Некоторые этапы выделения кюрия были выполнены в этой лаборатории.
ствах и проводить химическое разделение количеств вещества гораздо меньших тех, с которыми имеет дело обычная химия. Простым анализом радиоактивности вещества можно получить полуколичественные сведения о его растворимости, окислительно-восстановительных потенциалах, способности образовывать комплексные ионы и о многих других его свойствах.
42
И. ПЕРЛМАН И Г. Т. СИБОРГ
Открытие элемента, естественно, служит стимулом для получения его в наблюдаемых количествах, достаточных для изучения спектра, кристаллической структуры и всех тех свойств, которые нельзя определить радиохимическими методами. С появлением ядерного реактора синтез радиоактивных элементов уже не составляет большого труда, так как превращения элементов производятся нейтронами. Однако слишком большая радиоактивность приводит к своим трудностям. Желательно работать с изотопами, у которых относительно большой период полураспада: если период полураспада мал, трудно получать элемент «быстрее, чем он распадается». Кроме того, если изотоп берется в заметном количестве, возникает существенная опасность при работе с радиоактивным веществом (рис. 3.2 и 3.3). Хорошим примером служит основной изотоп кюрия Ст242, который применялся для экспериментирования вплоть до настоящего времени. Период полураспада его только пять месяцев, и если бы удалось получать его в количестве пяти миллиграммов, то альфа-радиоактивность составила бы 3,5 кюри*). А это уже слишком много, чтобы можно было безопасно работать. Если бы такое количество кюрия было равномерно распределено по поверхности штата Нью-Йорк (мы, конечно, не хотим распределять erQ у себя в Калифорнии), радиоактивность могла бы быть измерена на каждом квадратном метре земли.
Таким образом, экспериментатор вынужден работать с исчезающе малыми количествами подобных изотопов. Поэтому были развиты ультрамик-рохимические методы, которые позволили производить почти любые виды химических и физических измерений всего лишь с несколькими миллиграммами или микрограммами элемента.
Элемент 43
Первый пробел в периодической таблице, заполненный впоследствии искусственно полученным элементом технецием 43, лежал между молибденом и рутением. Впервые технеций был обнаружен в Италии в 1937 г. Сегре и Перье, которые исследовали образец молибдена, облученного дейтонами на циклотроне Калифорнийского университета. Они выделили из этого образца химическую фракцию, отличавшуюся по своим радиоактивным свойствам от всех известных элементов. Ее химические свойства совпадали с теми, которые были предсказаны для элемента 43, находящегося в VII группе периодической таблицы. Такие группы, как указывалось выше, составлены из элементов, сходных по своим химическим свойствам, потому что они имеют одно и то же число электронов во внешней оболочке. Дальнейшие исследования показали, что элемент 43 несколько ближе по своим свойствам к рению, следующему более тяжелому элементу VII группы, нежели к более легкому марганцу. Спустя десять лет Сегре предложил назвать этот элемент технецием (Тс), образовав это слово от греческого «техникос», чтобы подчеркнуть искусственный, или «технический», характер его происхождения.
Исследуя изотоп технеция Тс" с периодом полураспада, равным шести часам, пришли к выводу, что этот изотоп должен иметь также и другую форму—так называемый ядерный изомер — с большим периодом полураспада. Таким образом, выполнялось одно условие для получения макроско-
♦) Кюри — единица радиоактивности. В веществе с активностью 1 кюри ежесекундно распадается 37 миллиардов атомов и рождается такое же количество альфа-частиц. (Прим, перев.)
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
43
пических количеств элемента, а именно: должен был существовать долгоживущий изотоп. Другое условие—получение измеримого количества элемента — оказалось выполненным, когда было показано, что Тс" с периодом полураспада 6 часов является продуктом деления и, следовательно, может быть приготовлен в атомном котле. Выход технеция при делении высок: Тс" составляет 6,2% обычных продуктов деления в котле. Можно подсчитать, что деление одного грамма U285 дает в итоге 26 миллиграммов Тс". Этот элемент можно получать также при облучении нейтронами молибдена, который при этом переходит в Мо", распадающийся в Тс98> Таким образом, в нашем распоряжении оказалось два метода получения технеция в достаточных количествах.
Рис. 3.4. Технеций приготовлен в виде пертехната аммония. Репродукция с микрофотографии, сделанной с увеличением в 16 раз.
После того, как стало возможным приготовить необходимое количество долгоживущего Тс", оказалось, что его период полураспада равен примерно одному миллиону лет. Элемент с таким периодом полураспада относительно удобен в обращении. Было приготовлено несколько миллиграммов элемента и исследованы многие его химические свойства (рис. 3.4). Пертехнат так же ярко окрашен, как и сверкающий, фиолетовый, всем хорошо знакомый перманганат («марганцовка»). Технеций был получен в металлическом состоянии, а также в некоторых соединениях; были исследованы спектры его оптического и рентгеновского излучения; при помощи масс-спектрометра было доказано, что его массовое число действительно равно 99.
Почти нет сомнений, что первоначально образовавшегося технеция не осталось в природе, так как все его возможные изотопы, по-видимому, имеют слишком короткий период полураспада. Источником для образования технеция в природе могут служить только следующие процессы: 1) самопроизвольное деление U288— весьма редкое явление, 2) воздействие случайных нейтронов на молибден и U285. Если мы предположим, что выход Тс" в результате самопроизвольного деления U288 будет таким же, как и в случае деления U28S под воздействием нейтронов, и что полупериод самопроизвольного деления равен 1018 лет, то каждый килограмм добытого природного урана должен содержать всего лишь несколько миллионных долей микрограмма Тс". Другие механизмы образования Тс" не должны давать большего выхода.

И. ПЕРЛМАН И Г Т СИБОРГ
Элемент 61
Следующий синтетический элемент, который мы рассмотрим, — прометий — относится к редким землям. Редкоземельные элементы образуют группу от церия до лютеция (атомные номера 58—71 включительно). В химическом отношении они весьма близки друг к другу и к их прототипу лантану (элемент 57). Редкие земли всегда встречаются вместе и замечательным образом не отделяются при большинстве химических операций.
Рис. 3.5. Один элемент—синтетический редкоземельный прометий — обладает характерным рентгеновским спектром с двумя линиями.
Рис. 3.6. Три элемента, расположенные один за другим,— неодим, прометий, самарий — дают последовательные пары линий.
Классическим методом их разделения является повторная перекристаллизация — процесс трудоемкий и требующий больших материальных затрат.
Если расположить редкие земли по их атомным номерам, то место элемента 61 останется незаполненным. Очевидно, что его нужно искать среди редкоземельных руд, однако этому препятствует трудность отделения редких земель друг от друга. Хотя определенные претензии на открытие этого элемента были высказаны уже довольно давно, но до тех пор, пока не появилась возможность готовить его искусственно, вопрос о существовании или отсутствии его в природе не был решен. Некоторые группы исследователей облучали соседние с ним редкие земли и в результате получили несколько новых источников радиоактивности. Среди них, несомненно, были и изотопы элемента 61. Однако никто не знал, какие активности следовало отнести к элементу 61, а какие — к новым изотопам известных редких земель. Вследствие необычайной трудности разделения, а также из-за коротких периодов полураспада полученных радиоактивных изотопов этот вопрос оставался невыясненным.
Убедительное обнаружение элемента 61 явилось следствием двух открытий, сделанных во время войны в Манхеттенском проекте *). Это,
♦) Условное наименование секретных работ по созданию атомной бомбы в США во время второй мировой войны. (Прим, ред.)
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
45
во-первых, создание метода разделения редких земель при помощи синтетических ионнообменных смол. Было обнаружено, что при однократном
пропускании через стеклянную колонку, наполненную смолой, соседние редкие земли могут быть в значительной степени разделены. При этом
редкие земли появляются из колонки в определенном порядке, обратном атомному номеру. Таким образом, можно совершенно надежно считать,
что элемент 61 должен следовать за самарием, элементом 62. Вторым важным открытием явилось установление того факта, что относительно долгоживущий изотоп элемента 61 является продуктом деления урана. Первая надежная идентификация элемента 61 была сделана в 1945 г. Маринским и Гленденином в Клинтоне (теперь Ок-Риджская национальная лаборатория). Они предложили назвать элемент прометием (Рш),
Рис. 3.8. Нитрат прометия выделен в виде гроздей кристаллов. Репродукция с микрофотографии, сделанной с увеличением в 30 раз.
Рис. 3.7. Два элемента — неодим и самарий — обладают рентгеновским спектром, между линиями которого имеется промежуток, соответствующий линиям прометия.
чтобы подчеркнуть параллель между покорением человечеством ядер-ных сил и покорением огня, который, согласно греческой мифологии, был похищен у богов Прометеем и отдан им людям.
Наиболее долгоживущий из известных изотопов прометия Pm147 имеет период полураспада всего 3,7 года, тем не менее он был выделен в чистом виде (рис. 3.8). В Ок-Риджской лаборатории Паркер и Лентц получили прометий из смеси продуктов деления, а Китель и Бойд выделили некоторое его количество из облученного нейтронами неодима.
46
И. ПЕРЛМАН И Г. Т. СИБ0РГ
Элемент 85
Рассмотрим теперь третью пустую клетку (из четырех) в периодической таблице — элемент 85. В действительности синтез этого элемента хронологически произошел раньше прометия. Получение его — задача, несколько отличающаяся от получения технеция и прометия. Технеций можно получить облучением нейтронами или дейтонами молибдена, соседнего более легкого элемента; прометий аналогично можно получить из соседнего с ним, более легкого неодима. Однако более легкий сосед элемента 85, полоний, сам существует в природе только в виде следов. Поэтому полоний не может служить исходным материалом. Таким образом, чтобы получить элемент 85, необходимо взять висмут, элемент с номером, меньшим на две единицы. Следовательно, чтобы перевести элемент 83 в элемент 85, необходимо добавить не один, а два заряда. Это может быть сделано облучением висмута ускоренными ионами гелия, содержащими по два протона.
Такой синтез был впервые произведен Корсоном, Маккензи и Сегре в Калифорнийском университете (в который Сегре прибыл из Италии). Они назвали элемент 85 астатином, от греческого слова, означающего «нестабильный». Окончание «ин» означает, что элемент является галогеном, то есть членом семьи хлора *).
Первым из изотопов астатина был получен At21излучающий альфа-частицы. Точнее, при его распаде возникает так называемая «вилка», когда некоторые атомы распадаются одним способом, а остальные — другим, причем оба пути связаны с испусканием альфа-частиц. Некоторые из атомов астатина испускают альфа-частицы непосредственно, превращаясь в висмут 207, в то время как другие сперва захватывают электрон, превращаясь в полоний 211, который живет чрезвычайно мало и сразу испускает весьма энергичные альфа-частицы. Таким образом, в итоге распада At211 появляются две группы альфагчастиц, которые очень сильно отличаются по энергии.
При наблюдении с помощью соответствующего измерительного прибора этот изотоп бросается в глаза так же, как бросилась бы в глаза кошка с двумя головами.
Ядерные свойства изотопов астатина были хорошо изучены, и выяснилось, что, по всей вероятности, нет разновидностей этого элемента, имеющих период полураспада больше нескольких часов. Химия астатина была исследована радиохимическими методами по «шкале носителей». Его поведение — это поведение галогена значительно более электроположительного, чем йод, точно так же как йод электроположительнее следующего более легкого галогена — брома. Одним из способов выделения астатина из раствора служит электролитическое осаждение или химическое осаждение. Не существует легкого способа получения видимых количеств астатина — его долгоживущие изотопы можно добывать лишь с помощью ускорителей, например циклотрона. Но даже они имеют период полураспада всего лишь в несколько часов, так что из-за сильной радиоактивности работа с макроскопическими количествами этого элемента невероятно трудна.
*) В русском языке характерное окончание «ин» не прибавляется к другим галогенам. (Прим, ред.)
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
47
Элемент 87
Элемент 87 — четвертый и последний пробел в периодической таблице. В соответствии с его местом этот элемент должен быть членом группы щелочных металлов, в которую входят натрий, калий и цезий. Как и в случае других отсутствующих элементов, здесь имелось несколько претензий на открытие обычными химическими методами; определенные при этом вещества назывались то виргинием, то молдавием. Однако теперь мы знаем, что у элемента 87 нет стабильных изотопов, более того, наиболее
рий 227, излучая бета-частицы. Ничтожное количество его, излучая альфа-частицы, переходит во франций 223.
долгоживущий из известных радиоактивных изотопов этого элемента имеет период полураспада всего около 20 минут; таким образом, он не мог быть выделен обычными химическими методами.
Элемент 87 впервые был открыт по его радиоактивности. Он был найден как продукт распада более тяжелого элемента. Чтобы понять, как его опознали, напомним кратко различные способы распада тяжелых элементов, расположенных в конце периодической таблицы. Встречающиеся в природе тяжелые элементы образуют три различных радиоактивных семейства, известных как семейства тория, урана и актиния. Первое семейство начинается торием, который в результате ряда распадов превращается последовательно в различные изотопы радия, актиния, полония и других тяжелых элементов, пока в итоге он не перейдет в стабильный изотоп свинца. Второе семейство начинается ураном, переходящим в результате различных превращений в другие изотопы тех же тяжелых элементов, пока он, в свою очередь, не дойдет до другого стабильного изотопа
48
Й. ПЁРЛМАН И Г. Т. СИБ0Р1*
свинца. Третий ряд начинается с актиноурана, или урана 235, проходит через актиний, от которого ряд получил свое имя, и заканчивается третьим стабильным изотопом свинца.
Вскоре после того, как физики разобрались в схеме образования радиоактивных семейств и поняли, что многие изотопы элементов, расположенных между ураном и свинцом, должны содержаться в продуктах распада, были предприняты попытки обнаружить среди членов радиоактивных семейств и какие-либо изотопы 87-го элемента. Элемент 87 лежит, конечно, за свинцом, элементом 82, поэтому он должен был бы обнаружиться в одном из этих семейств. Однако скоро стало ясно, что изотопа элемента 87, являющегося результатом известных распадов в главных направлениях любого из этих трех семейств, не существует. Но в 1914 г. Майер,
количествах в результате облучения тория 232 нейтронами. При облучении возникает Th233 — исходная точка этого рисунка. Превращаясь последовательно в пять других изотопов, он в итоге переходит во франций 221.
Гесс и Панеш в Австрии заметили, что Ас227, который был известен как излучатель бета-частиц, в некоторых случаях распадается также с излучением альфа-частицы (рис. 3.9). Поскольку актцний является элементом 89, продукт его альфа-распада должен быть изотопом элемента 87, в данном случае 87223. Однако его не удавалось получить вплоть до 1939 г., когда французской исследовательнице Переи удалось весьма тонкими радиохимическими манипуляциями выделить излучатель бета-частиц с периодом полураспада в 21 минуту, который, как она доказала, был продуктом альфа-распада Ас227. Позже она назвала этот новый элемент францием в честь своей родины.
В трех естественных радиоактивных семействах, как мы отметили выше, элемент 87 почти не встречается. Однако после синтеза искусствен-
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
49
кого трансуранового элемента нептуния было открыто четвертое радиоактивное семейство, начинающееся с него. Этот ряд содержал изотоп франция Fr221 в своей главной последовательности. Этот изотоп возникает в результате альфа-распада Ас225. Он имеет период полураспада в 5 минут и распадается с испусканием альфа-частицы на изотоп астатина, период полураспада которого равен 0,02 секунды. Впоследствии было найдено, что Fr221 получается также и как продукт распада в последовательности, начинающейся искусственным изотопом тория — торием 233 (рис. 3.10).
Короткий период полураспада и недоступность изотопов франция затрудняли исследования его химических свойств. Было выяснено, что в растворах его поведение подобно поведению щелочных элементов; отметили также, что он легко возгоняется, когда раствор выпаривается досуха и осадок нагревается до нескольких сотен градусов. Это свойство щелочных элементов становится заметным начиная с цезия и весьма ярко выражено у франция. Итак, клетки классической периодической таблицы от водорода до урана заполнены целиком. Перейдем теперь к трансурановым элементам.
За ураном
Поиски трансурановых элементов, поиски, рожденные научной любознательностью, послужили толчком для целого ряда событий, которые вот уже десятилетие волнуют мир и ворвались в сознание каждого образованного человека. Мы имеем, конечно, в виду открытия, приведшие к использованию ядерной энергии в качестве оружия массового уничтожения. Другие фундаментальные научные открытия в прошлом, несомненно, оказывали такое же или даже большее влияние на способ существования человечества, но ни одно из них не взорвалось буквально перед его собственным лицом, как случилось с этим последним.
В 1934 г. Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри сделали волнующее открытие: обычный стабильный элемент может стать радиоактивным, если его облучить альфа-частицами естественного происхождения. Открытие искусственной радиоактивности немедленно дало толчок к приготовлению радиоактивных видов многих элементов. Приблизительно в это же время произошли два других чрезвычайно важных событий. Во-первых, Лоуренс в Калифорнийском университете построил циклотрон, позволивший ускорять заряженные частицы до энергий гораздо больших, чем у естественных альфа-частиц. Это впервые позволило бомбардировать и видоизменять тяжелые элементы, так как альфа-частицы из естественных источников могут проникать лишь в ядра самых легких элементов. Вторым событием было открытие в Англии Чадвиком нейтрона — незаряженной частицы, легко проникающей внутрь любых ядер. Нейтроны буквально сваливаются в любое ядро, на которое они направлены. Поскольку нейтроны можно приготовить, направляя на любой легкий элемент, в частности на бериллий, альфа-частицы от радия, то у любого физика, располагающего хотя бы ста миллиграммами радия, появилась возможность получать и изучать превращения элементов. Наиболее выдающихся результатов в подобных исследованиях добилась группа, работавшая с Энрико Ферми в Италии. Вскоре они нашли способы приготовления трансурановых элементов, использовав большую «алчность» ядер по отношению к нейтронам.
Уже давно было известно, что если ядро наиболее тяжелого стабильного изотопа какого-либо элемента захватит нейтрон, то оно становится нестабильным и переходит в соседний, более тяжелый элемент, излучив при этом бета-частицу. Этот метод, как мы видели выше, может быть
4 Фиаика атомного ядра
50
И. ПЕРЛМАН И Г. Т. СИБОРГ
применен для получения технеция из молибдена и прометия из неодима. Предположим, что этот процесс применен к урану, самому тяжелому элементу. Можно было бы ожидать, что U238, захватив нейтрон, перейдет в более тяжелый изотоп U239, который будет бета-нестабильным и превратится в элемент 93 — совершенно новый элемент, находящийся вне периодической таблицы. Когда этот опыт был проведен, экспериментаторов ожидал удар: вместо ожидаемых одной или двух они обнаружили бестолковую кучу различных активностей. Некоторое время думали, что эти активности должны относиться к ряду новых трансурановых элементов. Потребовалось несколько лет, чтобы понять, что эти активности связаны с продуктами даления. Таким образом, открытие деления явилось побочным результатом поисков трансурановых элементов.
С поэтической справедливостью настоящее открытие первого трансуранового элемента в свою очередь произошло в процессе опытов по изучению деления. Некоторые экспериментаторы, в том числе и Мак-Миллан в Калифорнийском университете, измеряли энергии двух главных продуктов деления — осколков, определяя расстояние, на которое они разлетаются вследствие взаимной отдачи при взрыве ядра. Мак-Миллан заметил, что при этом возникал и другой радиоактивный продукт с периодом полураспада 2,3 дня, который не испытывал отдачи, во всяком случае достаточной, чтобы вылететь из слоя делящегося урана. Он заподозрил, что это был продукт, образованный захватом нейтрона, при котором, в отличие от деления, не высвобождается много энергии. В начале 1940г. Мак-Миллан и Эйбл-сон доказали химическим способом, что это несомненно был изотоп элемента 93, появившийся в результате бета-распада U239. Последний имел период полураспада в 23 минуты. Элементу 93 было дано имя нептуний, поскольку он лежит за ураном, подобно планете Нептун, следующей за планетой Уран.
Примерно в это же время начала вырисовываться возможность применения цепных ядерных реакций и производства трансурановых элементов в военных целях. Уже бушевала война; последующие работы по трансурановым элементам и все, что сюда относилось, проводились физиками и химиками под строгим секретом; вначале это сложилось неофициально, а в итоге превратилось в организованную программу. Np237, изотоп нептуния, имеющий большой практический интерес, был открыт в 1942 г. в Калифорнийском университете Уолом и Сиборгом. Это весьма долгоживущий изотоп (период полураспада равен двум миллионам лет). Он может быть получен в заметных количествах в качестве побочного продукта в урановом котле. Ввиду его относительной безвредности с ним можно обходиться при экспериментах, в принципе, как с любым нормальным элементом.
Заранее не было ясно, какова конфигурация электронов у нептуния и каковы его химические свойства. Было известно, что уран несколько похож на вольфрам и поэтому думали, что элемент 93 может быть гомологом следующего за вольфрамом рения. Существовала, однако, и та возможность, что элемент 93 является членом повой переходной группы среди тяжелых элементов, подобной группе редких земель. Оказалось, что нептуний не обладает сходством с рением, но очень близок к своему соседу урану. Из этого, очевидно, можно сделать вывод, что все трансурановые элементы относятся к новой переходной группе, аналогичной группе редких земель. Трансурановые элементы параллельны редким землям по электронным конфигурациям и имеют большое сходство с ними в химических свойствах. Как лантан является прототипом для редких земель, так и актиний служит прототипом для группы тяжелых элементов. Поэтому новую группу можно назвать группой актинидов. У природных членов этой группы—
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
51
тория, протактиния и урана химическое сходство но бросалось сразу в глаза, и только при изучении трансурановых элементов начало проявляться скрытое подобие этой группы.
Сделаем теперь несколько замечаний о некоторых общих химических свойствах этих тяжелых элементов, которые и объединяют их в одну группу, и сравним их с редкими землями. Редкоземельные элементы преимущественно трехвалентны, или, как говорят теперь химики, находятся в «состоянии окисления плюс три». (Большинство химиков применяет теперь
термин «окисление» для обозначения удаления или нейтрализации электронов элемента за счет образования химической связи независимо от того, выполняется ли это специфическим присоединением кислорода или каким-либо другим путем. «Состояние окисления» есть несколько более строгий термин для того, что мы обычно называем «валентностью» элемента.) Только у очень немногих редких земель можно вызвать состояние окисления, отличное от трех, и то с большими трудностями. Тяжелые элементы, особенно уран, нептуний, плутоний и америций, являются, несомненно, многовалентными, однако их трехвалентное состояние становится все более стабильным по мере роста атомного номера; Так, трехвалентный торий нельзя получить в водном растворе; уран переводится в это состояние, но с большим трудом; плутоний можно привести к нему очень легко; для америция оно является основным состоя
нием, а для кюрия только оно одно и известно.
Грандиозные усилия, затраченные на изучение химии плутония, возвели его в ранг «обычных» элементов, по крайней мере с точки зрения знания
Рис. 3.11. Гидроокись плутония выделена на дне капиллярной трубки в виде нескольких кристаллов. Образец был приготовлен в 1942 г. в Чикагском университете.
его химических свойств. Присущая плутонию резко выраженная многовалентная природа делает его очень интересным объектом для химических исследований: один такой элемент является средством для наблюдения большинства явлений неорганической химии. Плутоний, возможно, уникум из-за наличия у него четырех различных состояний окисления, которые сосуществуют в легко измеримых концентрациях в водном растворе. Изменения цвета при переходе от одного состояния окисления к другому образуют своеобразный зрительный аккомпанемент к замечательному сосуществованию многих состояний. Раствор трехвалентного плутония имеет прекрасный чисто голубой цвет, который изменяется на зеленый или янтарный (в зависимости от условий растворения) при переходе к четырехвалентному состоянию. Следующее Состояние — пятивалентный плутоний — бесцветно; наконец, наивысшее, шестивалентное состояние — ярко-желтое. Можно только пожалеть, что плутоний из-за его радиоактивности не подходит для школьных демонстраций: он обладает великолепными качествами наглядного пособия.
4*
52
И. ПЕРЛМАН И Г Т СИБОРГ
Элемент 94
Следующим элементом, открытым после нептуния, был, конечно, плутоний. В его названии была продолжена астрономическая аналогия: Плутон является следующей планетой за Нептуном. Исследования Мак-Миллана и Эйблсона выяснили, что Np239, распадаясь, излучает бета-частицы; следовательно, в результате должен получиться элемент с атомным номером 94. Однако новый элемент распадался так медленно, что его трудно было обнаружить по радиоактивности. В конце 1940 г. Сиборг, Мак-Миллан, Кеннеди и Уол открыли элемент 94 несколько отличным способом. Облучая уран дейтонами, они получили новый изотоп нептуния, который также распадался на плутоний, однако в этом случае получался плутоний с достаточно коротким периодом полураспада, чтобы его можно было обнаружить. Этот изотоп плутония, как было показано, представлял собой Ри288, с периодом альфа-распада в 90 лет, тогда как для полученного вначале изотопа Ри289 период полураспада составляет 24 000 лет.
Вооруженные информацией о химии новых трансурановых элементов, Кеннеди, Сиборг, Сегре и Уол в 1941 г. смогли выделить Ри289 из интенсивно облученного урана и доказали, что Ри289 делится при облучении
	206	207	208	209	210	277	272	273	274	275	276	277	278	279	220	227	222
/Оирий																	
Америций																	
Лиу/иоиий																	
Лел/пуиий																	
Урии																	
Лротлахтам/й																	
Торий																	
Аи/аииий																	к™
Радий																	r/"
франций													Fr**				
Радии					Rn^								Rn^				
Астатин																	
Ролоний	р0^				Pi/"7								Рп"				
Лисмутл	бЛ*				В*												
Оеинец	pt																
Рис. 3.12. Радиоактивное семейство урана изображено на графике, где по вертикали тов), а по горизонтали — атомный вес, или суммарное число протонов и нейтронов в ураном 238, который путем четырнадцати последовательных распадов превращается в ки) за счет превращения естественных изотопов в искусственные облучением в котле существовали в природе. Изотопы, распадающиеся с испусканием альфа-частицы, теряют щие отрицательную бета-частицу (электрон), выигрывают единицу в атомном номере;
медленными нейтронами. Тогда же было проведено самое интенсивное из когда-либо предпринимавшихся облучений на циклотроне, чтобы синтезировать плутоний в количестве, достаточном для выяснения некоторых свойств, которые было бы надежнее исследовать на макроскопических образцах. В сентябре 1942 г. Канингхэм и Вернер, работавшие во время войны в Металлургической лаборатории *) Чикагского
*) Условное название группы, работавшей под руководством Энрико Ферми над
постройкой первого уранового котла. (Прим, ред.)
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
53
университета, получили несколько микрограммов Ри 289. Этот плутоний явился первым искусственным элементом, сделанным человеком в видимом количестве (рис. 3.11).
Сознание того, что плутоний подобно U285 мог бы служить ядерным горючим и что его можно было бы производить в заметных количествах в ядерном реакторе,— вот результат первых шагов человека в алхимии в производственных масштабах. Плутоний — единственный синтетический элемент, уже получаемый килограммами. Для этой цели, являющейся реальным воплощением идей, которые выглядели фантастическими еще несколько лет назад, предназначены большие заводы в Хэнфорде (и, по-видимому, другие заводы значительно западнее Хэнфорда).
За плутонием
Вскоре после того, как плутоний стали получать в больших количествах, были открыты следующие элементы — америций и кюрий. Основываясь на методах, разработанных для получения изотопов нептуния и плутония, в основном на циклотронной бомбардировке урана, Сиборг и сотрудники в течение 1944 г. и начала 1945 г. получили элементы 95 и 96. Быстрое
стабильный свинец 206. Теперь это семейство расширилось (черные символы и стреляли бомбардировкой в циклотроне. Эти искусственные элементы, несомненно, некогда при этом две единицы атомного номера и четыре — в атомном весе. Изотопы, испускаю-испускающие положительную бета-частицу (позитрон) — проигрывают единицу.
открытие этих элементов в значительной степени связано с точным предсказанием их химических свойств. Элемент 96, найденныйСиборгом, Джемсом и Морганом, был в действительности открыт раньше элемента 95. Это было сделано путем бомбардировки плутония альфа-частицами в циклотроне. В результате получился изотоп с массовым числом 242 и периодом полураспада в полгода. Сиборг, Джемс и Гиорзо позднее получили элемент 95, приготовляя сперва Ри241, который, излучая бета-частицы, превращался в изотоп элемента 95 с массовым числом 241 и периодом полураспада несколько меньшим 500 лет.
54
И. ПЕРЛМАН И Г. Т. СИБОРГ
Рис. 3.13. Кюрий настолько радиоактивен, что он светится в водяном растворе. Кюрий был открыт в Чикагском университете в 1944 г.
Имена для элементов 95 и 96 были выбраны с учетом их мест в периодической таблице, по аналогии с названиями актинидов. Соответствующие редкоземельные элементы называются европий и гадолиний, первый в честь Европы, второй в честь Гадолина, финского пионера в исследованиях химии редких земель. Элемент 95 был соответственно назван америцием (Ат) в честь Америки, а элемент 96 кюрием (Ст) в честь Марии и Пьера Кюри.
Оба они, америций и кюрий, были выделены в чистом состоянии методами ультрамикрохимии. Каиингхэм первым получил видимые количества америция. Оказалось возможным добыть заметное количество кюрия в котле, использовав уже полученный америций. Этим путем Вернер и Перлман впервые получили кюрий в свободном состоянии (рис. 3.13). Последующая работа с чистыми америцием и кюрием привела к выводу, что имеется много оснований считать эти элементы подобными их прототипу актинию.
Все рассмотренные выше элементы полностью заполняют периодическую таблицу от водорода до кюрия. Если будут добавляться новые элементы, то по атомным номерам они должны располагаться за кюрием. Начало 1950 г. было встречено сообщением об открытии Томсоном, Сиборгом и Гиорзо в Беркли первого транскюриевого элемента с номером 97. При наименовании элемента 97 был применен тот же принцип, что и в предыдущих случаях. Соответствующим ему элементом в группе редких земель является тербий, названный по городу Иттерби в Швеции, где были найдены большие залежи редких земель. Принимая во внимание роль, сыгранную Калифорнийским университетом в Беркли в приготовлении большинства син
тетических элементов, новый элемент назвали берклием (Вк).
Изотоп берклия был впервые получен облучением небольшого количества америция альфа-частицами на циклотроне. Поиски принадлежащей ему радиоактивности были успешно закончены в декабре 1949 г., что и подвело итог четырехлетней работы над этой проблемой.
В дальнейшем, несомненно, можно ожидать получения новых элементов. Однако трудности в нахождении новых элементов в трансурановой области резко возрастают, в основном потому, что остается все меньше и меньше надежды получить изотопы с временем жизни, достаточно большим для сложных химических разделений. Возникнут ли и какие более фундаментальные трудности, пока сказать нельзя.
Алъберт Гиорзо и Гленн Сиборг
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
(ДЕКАБРЬ 1956 г.)
Продолжение статьи «Синтетические элементы», опубликованной в апреле 1950 г. С тех пор ядерная химия синтезировала с 98-го по 101-й элемент,
СЬтой ночью уныние царило в лаборатории. В попытке получить и иден-& тифицировать элемент 101 — следующее звено в цепи искусственно приготовленных человеком химических элементов за ураном — мы провели много тщательных экспериментов, но все они окончились неудачей. Теперь мы заканчивали последний опыт, возможности которого казались, однако, малоубедительными. Ничтожный образец приготовленного нами материала даже в лучшем случае мог содержать только один или два атома неуловимого элемента 101. Были основания полагать, что атом этого элемента должен в течение одного или двух часов подвергнуться радиоактивному распаду, превратившись в атом элемента 100, который в свою очередь распадается путем спонтанного деления. Если случится такая комбинация событий, то присутствие элемента 101 будет отмечено в ионизационной камере сравнительно большим импульсом ионизации. Эта ионизация создается осколками деления элемента 100, а элемент 100 есть продукт распада элемента 101.
Мы пристально следили за регистратором импульсов, связанным с ионизационной камерой (рис. 4.1 и 4.2). Прошел час. Время близилось к рассвету. Ожидание казалось бесконечным. Наконец это случилось! Перо самопишущего механизма подскочило до середины шкалы и упало вниз, оставив четкую красную линию: это был большой ионизационный импульс — в 10 раз больший, чем обычно производимый альфа-частицей. Ни одного подобного импульса не было отмечено за все время длительных контрольных опытов, когда определялся естественный радиоактивный фон. Казалось крайне вероятным, что этот большой импульс действительно является сигналом столь ожидавшегося спонтанного деления. Но наблюдение продолжалось. Примерно через час был зарегистрирован второй импульс, похожий на первый. Теперь мы были уверены, что являемся свидетелями распада двух атомов элемента 101 и, таким образом, пополнили химическую семью новым элементом.
Этот эксперимент был, пожалуй, самым драматичным из многих, осуществленных в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета по программе синтеза новых элементов. Открытие элемента 101 было особенно замечательным, так как он был обнаружен на основе только пары атомов, полученных в результате трансмутаций в мишени, само количество вещества в которой было столь мало, что его практически нельзя было даже взвесить. Это открытие стало возможным только благодаря
56
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
самым последним достижениям в повышении чувствительности приборов. Так было, впрочем, при каждом увеличении списка элементов. Каждое новое открытие всегда следовало за периодом освоения и углубления полученных знаний, продвижения вперед в методах анализа. Синтетические элементы открывались, если можно так сказать, парами: элементы 93 и 94 — примерно в одно время, затем 95 и 96 — спустя пять или шесть лет, потом 97 и 98 — еще спустя примерно четыре года и т. д. После каждого открытия шел период мобилизации сил для нового поиска. При переходе
Рис. 4.1. Ионизационная камера измеряет энергию частиц, испускаемых радиоактивными атомами. В ней возникает импульс электрического тока, сила которого пропорциональна энергии частицы. На фотографии показано, как диск с образцом (такого рода, как на рис. 4.6) помещается в ионизационную камеру. Капля раствора на поверхности диска была предварительно высушена.
к следующему этапу надо было каждый раз научиться сначала производить уже полученные новые элементы в заметных количествах, а также усовершенствовать методику, инструменты и оборудование.
В предыдущей статье *) история получения искусственных элементов была доведена до элемента 97. Здесь же мы займемся открытыми после того элементами 98—101 и подведем итоги новым знаниям об этой странной семье тяжелых элементов. Открытие и отождествление этих элементов основывались именно на том, что они образуют семейство, причем такое семейство, каждый член которого по своим химическим свойствам может быть сопоставлен с членом другого семейства известных и существующих в природе элементов. Этот полезный факт (впервые отмеченный Сиборгом в 1944г.,
♦) См. стр. 35.
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
57
когда стали известны химические свойства первых синтетических элементов, нептуния и плутония) позволяет предсказать химические свойства каждого трансуранового элемента еще до того, как он будет действительно
Рис. 4.2. Прибор, анализирующий импульсы от ионизационной камеры. Сама камера видна в левой части фотографии.
обнаружен. Он послужил ключом к открытию элементов 95 и 96 (америция и кюрия); открытие элементов, стоящих за 96-м, без такой путеводной нити вообще было бы невозможным.
Семья актинидов
Группа химических элементов, которая будет служить нам образцом,— это так называемые редкие земли, элементы с номерами 57—71, от лантана до лютеция. Аналогичный этой группе ряд тяжелых элементов начинается с актиния (№ 89) и включает торий, протактиний, уран и трансурановые элементы вплоть до еще не открытых элементов 102 и 103 (рис. 4.3)*).Так как первым членом ряда является актиний, это семейство носит название актинидов (подобно тому как редкие земли называются также лантанидами). Семейное сходство между актинидами и лантанидами дает ключ к химическому разделению и идентификации трансурановых элементов. Для выделения отдельных актинидов из смеси был разработан чувствительный ме-
) См. примечание на стр. 71.
Эимитешшй	Фдрлши
79
к
го г? гг
Са Sc И
23 24 25
V Cr Mn
26 Fe
27 28 29 30 37
Co
Ni Си
Zn.Ga
32 33 34 Ge As Se
35
Br
36 Kr.
3d
37 Rb
30 39 40 Sr Y Zr
4/ 42
Nb Mo
44 Ru
45 Rh
46 47
Pd Ag
48 Cd
49 . In
50 57 Sn
Sb
52 ТВ
53 J
54
xe
f
i
f i
I
й !<
4 1'
f i! f I ll L !!
i
55 56 57 58
Cs Bo La jCe J 6s
59 60 Q 62 63 64
pr Nd ^3sm Eu Gd
5d
1бО 69 90 97 92 Ro Ac Th Pa U
65 66 67 Tb Dy Ho
68 69 70 77 72 73 74 75
Er Tu Yb LujHf Ta W Re Os I I Ы
76
77 It
78 Pt
79
Au
80 87 02 83 04
HQjTl pb Bi Po 5d
86
RJ
ILJL.jLJL.1j
J J	-I
7s 60	57
.....................................................  ~6d
4?


Рис. 4.3. Периодическая таблица внизу рисунка представляет естественные и синтетические элементы (вплоть до 101). Тринадцать синтетических элементов отмечены красными прямоугольниками. Положение еще не открытых синтетических элементов указано пунктирными прямоугольниками. Строение электронных оболочек двух синтетических элементов (эйнштейния и фермия) показано на схемах вверху рисунка.
Рис. 4.4 Время, необходимое для спонтанного деления еще не открытых изотопов, можно предсказать на основе данных о полупериодах спонтанного деления для известных изотопов Круглые цветные точки на диаграмме указывают полупериоды спонтанного деления известных изотопов с различным числом нейтронов. Сплошные кривые проведены на основе этих данных; они подсказывают, где начнется уменьшение времени жизни не открытых еще изотопов. Квадратные цветные точки представляют аномальные случаи. Стрелка над фермием 255 (Fm255) означает,что известен только верхний предел времени жизни. Пунктирные кривые показывают изменение от элемента к элементу периода полураспада путем альфа-излучения. Эти кривые основаны на экспериментальных наблюдениях, кроме неоткрытых еще элементов 102 и 104. Жирная вертикальная цветная линия проходит через отметку, соответствующую 152 нейтронам,— это есть точка начала резкого уменьшения времени жизни по отношению к спонтанному делению.
60
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
тод ионного обмена: более тяжелый трансурановый элемент первым выделяется в обменной колонке, за ним следует более легкий и т. д. Таким образом можно повышать концентрацию впервые полученного элемента.
Однако тяжелые элементы не только дают пример химического родства, они обладают и рядом характерных физических свойств. За прошедшее десятилетие были разработаны высокочувствительные методы счета альфа-частиц, испускаемых радиоактивными атомами, и точного определения энергии альфа-частиц. Поскольку каждый распадающийся изотоп обычно испускает альфа-частицы преимущественно с одной характерной энергией, четкое разрешение альфа-частиц по энергиям позволяет распознавать изотопы по этому признаку. Кроме того, у наиболее тяжелых элементов обнаруживается вполне определенный ход кривой изменения свойств альфа-излучения от элемента к элементу, так что можно заранее довольно точно предсказать период полураспада и энергию альфа-частиц изотопа, который мы хотим синтезировать.
К этим «особым приметам» добавляется также и «опознавательная метка» спонтанного деления, по которой был открыт элемент 101. Энергия спонтанного деления меняется от элемента к элементу незначительно, зато полупериод спонтанного деления характерен для каждого атома: он изменяется регулярным образом при увеличении атомного веса (рис. 4.4). Например, мы смогли предсказать, что полупериод спонтанного деления неустойчивого элемента 100, в который распадается элемент 101, должен быть в сотни или тысячи раз короче, чем любой до сих пор известный, и это подтвердилось.
В настоящее время мы заранее знаем кое-что и о статистической вероятности образования новых изотопов, когда данный тяжелый элемент бомбардируется частицами определенной энергии. Нет нужды говорить, сколь важную роль все эти успехи в познании систематичности ядерных свойств тяжелых элементов сыграли при разработке опытов, имевших целью получение новых элементов и изотопов.
Элементы 97 и 98
Начнем рассказ с элементов 97 и 98, открытых в конце 1949 и в начале 1950 г. Для их приготовления надо было прежде всего получить в заметных количествах два предыдущих синтетических элемента, 95 и 96. Эти элементы, америций и кюрий, сильно радиоактивны. Надеяться обнаружить новые элементы, продукты превращений элементов 95 и 96, можно было, лишь разработав особенно эффективные методы их отделения, чтобы вновь получаемая радиоактивность не затерялась в радиоактивности исходных элементов — родителей. Отделение опасных радиоактивных веществ потребовало разработки сложной аппаратуры управления и контроля на расстоянии (рис. 4.5).
Исходным материалом был элемент 95 (америций). Он получался бомбардировкой плутония нейтронами. Интенсивная бомбардировка плутония в реакторе в течение долгого периода времени давала миллиграммы элемента 95. На следующем этапе сам он становился мишенью. При бомбардировке альфа-частицами, ускоренными до 35 Мэв на полутораметровом циклотроне в Беркли, некоторые атомы элемента 95 превращались в атомы элемента 97. Новый элемент получался в виде изотопа с массовым числом 243 (следовательно, он содержал на пять нуклонов больше, чем уран 238) и периодом полураспада, равным 4,6 часа. Распад шел главным образом
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
61
путем захвата ядром электрона из электронной оболочки атома, что равнозначно испусканию позитрона.
Рис. 4.5. «Пещера», используемая для химических манипуляций с сильно радиоактивными веществами в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета. Химик производит операции с помощью управления на расстоянии и наблюдает за ними через толстое стеклянное окно. Таким образом были изолированы полученные интенсивным нейтронным облучением плутония элементы берклий, калифорний, эйнштейний и фермий.
Следующий элемент 98 получался из нескольких микрограммов элемента 96, приготовленного бомбардировкой элемента 95 нейтронами. Превращение 96-го элемента в 98-й, как и превращение 95-го элемента в 97-й, осуществлялось с помощью 35 мегавольтных альфа-частиц от полуторамет
62
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
рового циклотрона. При этом возникал изотоп с массовым числом 245 и периодом полураспада 45 минут. Новый элемент был обнаружен в ничтожном количестве: всего около 5000 атомов — меньше, чем число студентов в Калифорнийском университете!
Позднее было найдено, что можно получить в заметных количествах изотопы элементов 97 и 98 с большим временем жизни, облучая нейтронами
Рис. 4.6. Ионнообменная смола используется для разделения смеси трансурановых элементов. Ее можно видеть в нижней половине трубки, находящейся в большом сосуде слева. Раствор смеси наливается в верхнюю часть трубки. Каждый из составляющих смесь элементов проходит через смолу с определенной характерной для него скоростью. Таким образом, внизу, трубки составляющие появляются в некоторой последовательности. Они отделяются друг от друга с помощью вращающегося столика под трубкой. Когда капля раствора появляется из трубки и падает на маленький металлический диск, столик поворачивается и подставляет под трубку другой, свежий диск. После этого капля анализируется химическими методами и по ее радиоактивности.
плутоний, америций и кюрий. В этом процессе постройка более тяжелых элементов происходит в результате ряда нейтронных захватов. В настоящее время изготовляются восемь изотопов элемента 97 и одиннадцать изотопов элемента 98, причем долгоживущие изотопы доступны в таких количествах, что стало возможным изучение химических свойств этих элементов в
Рис. 4.7. Идентификация методом ионного обмена элементов калифорния (Cf) и берклия (Вк) (нижняя схема). По горизонтали отложено число капель раствора, выходящих из ионнообменной колонки, содержащей смесь трансурановых элементов калифорния, берклия, кюрия (Ст) и америция (Ат). По вертикали отложена величина радиоактивности в каждом образце (цветные точки).
Верхняя диаграмма показывает расположение лантанидов (редких земель), химически аналогичных трансурановым элементам: тулия (Тп), эрбия (Ег), гольмия (Но), диспрозия (Dy), тербия (ТЬ), гадолиния (Gd) и европия (Ен). Европий, например, обладает химическими свойствами, похожими на свойства америция, который располагается под ним на нижней диаграмме. По этой аналогии были предсказаны положения менделевия (Mv), фермия (Fm) и эйнштейния (Es) (пунктирные кривые). Горизонтальная координата на верхней диаграмме (часы) отличается от координаты нижней диаграммы (капли раствора) потому, что для разделения редких земель было использовано гораздо большее количество раствора. В действительности координаты сравнимы. Редкие земли (лантаниды) не обладают естественной радиоактивностью; для упрощения процесса идентификации применялась искусственная радиоактивность, получаемая путем нейтронной бомбардировки в реакторе.
64
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
макроскопических масштабах. Один изотоп (252) элемента 98частично распадается путем спонтанного деления. Деление ядра атома всегда освобождает некоторое число нейтронов. Поэтому данный изотоп может служить крошечным портативным источником нейтронов, удобным во многих экспериментах. В семействе редких земель элементу 97 аналогичен тербий (ТЬ), названный так по имени города Иттерби в Швеции, где он был найден. Поэтому элемент 97 назвали берклием (Вк) по имени города Беркли, где он был впервые создан. Но в наименовании элемента 98, аналогом которого среди редких земель является диспрозий (Dy), первооткрыватели отклонились от прецедента и выбрали имя калифорний (Cf). Сообщая об открытии, они писали: «По поводу того обстоятельства, что «диспрозий» происходит от греческого слова, означающего «труднодостижимый», нам не остается ничего другого, как заметить, что столетие назад искатели другого элемента ♦) находили труднодостижимой Калифорнию».
Как мы уже указывали, новые элементы химически опознавались по их поведению в ионнообменной колонке. С первой каплей, собираемой внизу колонки, выходит самый тяжелый элемент, следующие же капли содержат другие члены ряда в порядке уменьшения атомного номера (рис. 4. 6). Если взять один определенный элемент, то следующие друг за другом капли будут содержать его в концентрации сначала возрастающей, а затем убывающей (концентрация измеряется по радиоактивности). Это обстоятельство изображено на диаграмме в форме кривых (рис. 4.7) для трансурановых элементов и их аналогов среди редких земель. На этом рисунке хорошо видно химическое соответствие между элементами обеих групп.
Элементы 99 и 100
Следующие два элемента, 99 и 100, могут служить примером непредвиденного, случайного открытия. Они были найдены в обломках после испытательного термоядерного взрыва на Тихом океане в ноябре 1952 г. («операция Майк»), Материал, собранный сначала на фильтровальной бумаге при полетах самолетов через взрывное облако, а затем в «осадках», выпавших на соседние атоллы, был доставлен в ряд лабораторий США для химического анализа. В Аргоннской национальной лаборатории и в Лаборатории Лос-Аламос было найдено, что доставленный материал содержит несколько новых тяжелых изотопов плутония. Это навело на мысль, что в результате взрыва путем неоднократных последовательных нейтронных захватов из урана могли образоваться и новые, дотоле не полученные элементы. Мы предприняли поиски этих элементов (в области за элементом 98) в Беркли. Опыты по ионному обмену сразу же выявили присутствие одного из них. Однако для уверенного анализа потребовалось гораздо больше материала. Тогда было собрано и исследовано много сотен килограммов кораллов с ближайшего к месту взрыва атолла. Собранный материал получил несекретное кодовое наименование «ценная грязь»! Грязь эта поистине оказалась ценной, так как позволила доказать существование изотопов элементов 99 и 100 (рис. 4.8). Впервые элемент 100 был обнаружен по присутствию едва ли 200 его атомов. Большая группа исследователей в Беркли, Аргонне и Лос-Аламосе, принимавших участие в работе, предложила назвать элемент 99 эйнштейнием (Es) в честь Альберта Эйнштейна, а элемент 100 фермием (Fm) в честь «отца атомного века» Энрико Ферми.
*) Авторы намекают на «золотую лихорадку» в связи с открытием в середине прошлого века золотых месторождений в Калифорнии. (Прим, ред.)
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
65
Еще до того, как новые данные были рассекречены и объявлены всему миру, элементы 99 и 100 были получены несколькими другими способами. Главным среди них был метод продолжительного облучения плутония чрезвычайно мощным потоком нейтронов от «реактора для испытаний материалов» в Арко, штат Айдахо. Сложная цепь ядерных реакций (нейтронных захватов и распадов), ведущая к образованию всех элементов вплоть
Рис. 4.8. Эйнштейний и фермий (Es и Fm) отделялись методом ионного обмена от калифорния (Cf), изотопа берклия с массовым числом 249 (Вк249), кюрия (Ст) и америция (Ат). Они были опознаны по их радиоактивности. В ионизационной камере их можно было отличить по энергиям частиц, испускаемых при радиоактивном распаде.
до 100 (как в реакторе, так и при взрыве «Майк»), показана на рис. 4.9. Для того чтобы получить все эти изотопы в реакторе, нужно бомбардировать граммы плутония в течение двух или трех лет; при термоядерном же взрыве (основанном на реакциях слияния и деления) изотопы образуются из урана в течение микросекунд.
Для исследования химических свойств в наличии были лишь ничтожные следы эйнштейния и фермия. Однако существует изотоп эйнштейния с периодом полураспада около 270 дней, так что, по-видимому, можно изолировать весомые количества этого изотопа. Другие изотопы в заметных порциях могут изготовляться путем очень долгой и интенсивной нейтронной бомбардировки больших масс предшествующих элементов. Кажется, однако, что эйнштейний является самым тяжелым из элементов, которые можно выделить в видимых количествах.
5 Физика атомного ядра
66
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
Рис. 4.9. Эйнштейний и фермий были получены сначала в результате последовательности ядерных реакций при термоядерном взрыве «операции Майк», а затем в «реакторе для исследования материалов» в Арко, штат Айдахо. На этой диаграмме по вертикали отложены атомные номера, то есть элементы, по горизонтали — массовые числа, или атомные веса, то есть изотопы элементов. При термоядерном взрыве исходным веществом был обычный уран U238. В результате мгновенного добавления нейтронов в момент взрыва образуется вся последовательность изотопов урана от U239 до U2SS (нижний ряд). Эти изотопы быстро распадаются, испуская отрицательные бета-частицы (электроны), и переходят в изотопы, расположенные над ними (пунктирные цветные линии). В случае реактора исходным веществом был плутоний Ри2 , полученный из U238. При добавлении двух нейтронов Ри239 превращается в Ри2*1, который превращается в америций Ат241. Прибавлением нейтронов строились другие изотопы америция, следуя сплошным цветным линиям на диаграмме. Изотопы эйнштейния и фермия, не находящиеся на этих линиях, были приготовлены позднее другими путями. Некоторые из возможных путей альтернативны, но все они заканчиваются в одной точке: фермии Fm256. Маленькие черные стрелки, направленные вверх, указывают, что эти изотопы распадаются в направлении стрелки с испусканием отрицательной бета-частицы. Черные стрелки, направленные вниз, указывают, что эти изотопы распадаются в направлении стрелки путем захвата электрона из электронной оболочки атома.
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
67
Элемент 101
Открытие элемента 101, как мы писали в начале статьи, было во многих отношениях самым трудным и увлекательным. Мы решили сделать эту попытку еще до того, как была накоплена заметная порция вещества мишени — эйнштейния (элемент 99). План атаки состоял в том, чтобы бомбардировать изотоп эйнштейния 253 самым интенсивным пучком альфа-частиц от циклотрона в Беркли. Весь доступный материал мишени (полученный из реактора в Арко) измерялся примерно миллиардом атомов. Предполагалось, что изотоп элемента 101 будет иметь период полураспада всего около 10 минут. Кроме того, можно было подсчитать, что бомбардировка миллиарда атомов эйнштейния пучком альфа-частиц в течение нескольких часов даст только один атом нового элемента! Этот единственный атом следовало отделить от миллиарда атомов эйнштейния и химически идентифицировать методом ионного обмена менее чем за 10 минут.
> Такая задача требовала новых усовершенствований в технике эксперимента. Кроме того, нужно было, чтобы нам просто повезло. К счастью, пришло и то и другое. Был найден новый метод отделения трансмутировав-шего атома от вещества мишени. Он состоял в следующем. Мишень из эйнштейния была приготовлена электролитическим осаждением невидимо тонкого слоя вещества на золотую фольгу. Пучок альфа-частиц бомбардировал этот слой после прохождения через фольгу. Возникающие вследствие столкновений с альфа-частицами атомы элемента 101 должны были испытывать отдачу. Отлетающие атомы попадали на вторую золотую фольгу (рис. 4.10). Эта фольга, с новыми атомами, в которой почти не было эйнштейния, растворялась, а новые атомы выделялись затем методом ионного обмена.
Сначала мы попытались опознать элемент 101 по его альфа-излучению. Но мы оказались не в состоянии обнаружить какой бы то ни было альфа-активности, которую можно было бы приписать элементу 101, даже тогда, когда время между концом бомбардировки и началом анализа альфа-излучения было сведено к пяти минутам. Одной из существенных помех был распад присутствующего в земной атмосфере редкого радиоактивного газа радона. Дело в том, что радон испускает альфа-частицы примерно той же энергии, которая ожидалась для элемента 101. Более того, продукты распада радона выходили из ионнообменной колонки примерно в том же месте, которое ожидалось для элемента 101! При таком совпадении было очень трудно выделить распад элемента 101 с необходимой уверенностью в его подлинности.
Тем не менее эти первые эксперименты дали чрезвычайно важный, как потом оказалось, результат. Наш счетчик зарегистрировал явление, которое очень походило на спонтанное деление! Хотя мы и не могли быть совершенно в этом уверены, мы пред положили, что регистрация спонтанного деления означает образование нового короткоживущего изотопа элемента 100, который образовался при распаде 101. Если это было правильно, то отмеченное событие могло, очевидно, служить для обнаружения элемента 101.
То, что вначале казалось только сомнительной возможностью, стало затем реальностью. План эксперимента был пересмотрен. Мы начали искать не альфа-излучение, а акты спонтанного деления. Тем самым свелся до нуля затемнявший дело фон; кроме того, счетчик регистрирует деление вдвое эффективнее, чем альфа-распады. Далее выяснилось, что период полураспада изотопа 101 был равен примерно часу, вместо предполагавшихся 10 минут. Однако этот выигрыш был скомпенсирован тем, что вероят
5*
68
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
ность образования элемента оказалась значительно меньше, чем мы думу-ли. В результате мы смогли получить в среднем только один атом в каждом опыте: иногда их получалось два, иногда — ни одного. Огромный пожарный колокол в зале химического здания был подключен к цепи счетчика, так что каждое из столь редких и желанных событий вызывало громкий торжествующий звон. Однако вскоре нам пришлось отказаться от этого метода регистрации атомов нового элемента ввиду протеста пожарной охраны.
Рис. 4.10. Циклотронная мишень для бомбардировки эйнштейния имела специальное устройство, позволяющее отделить возникающий при бомбардировке менделевий. Эйнштейний осаждался на золотую фольгу; при бомбардировке в циклотроне несколько атомов эйнштейния превращались в атомы менделевия. Энергия бомбардирующих частиц была достаточна для того, чтобы выбить атомы менделевия из фольги и перебросить их на вторую фольгу. На фотографии показано, как вынимается вторая фольга. Первая фольга находится внутри мишени.
Может ли химическое поведение одного или двух атомов верно отражать химию нового элемента? Мы пришли к выводу, что в условиях нашего эксперимента это именно так, поскольку каждый атом во время продвижения вниз по колонке до тысячи раз участвует в тех же самых химических реакциях (адсорбция и растворение). Иными словами, мы получаем подлинную статистическую картину его поведения.
Решающий эксперимент, утвердивший открытие элемента 101, был осуществлен в ту памятную ночь. Мы бомбардировали три различных образца эйнштейния в течение трех часов каждый, а затем быстро отделили продукты трансмутации методом ионного обмена. В каждом случае в смеси в колонке имелись некоторые количества эйнштейния, калифорния и кюрия, так что можно было определить времена выходов элементов из колонки. Проводя измерения сразу пятью счетчиками, мы зафиксировали пять
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
69
спонтанных делений в каплях, содержащих элемент 101, восемь — в каплях, содержащих элемент 100, и ни одного в остальных порциях (рис. 4.11).
Сопоставляя результаты всех экспериментов, мы пришли к выводу, что изотоп элемента 101 имеет массовое число 256, распадается путем захвата орбитального электрона с периодом полураспада, равным примерно получасу, и продукт его распада — элемент 100, определенный как фермий 256, подвергается спонтанному делению с периодом полураспада около трех часов.
Рис. 4.11. Менделевий (Mv) был отделен аналогично предыдущему, но опознан по явлению спонтанного деления атомов его дочернего элемента. Светлые столбики указывают число делений в образцах, выходящих из ионнообменной колонки в последовательности, ожидаемой для менделевия и фермия (Fm). Серые столбики дают активность деления других образцов. Кривые для эйнштейния 253 (Es25S) и калифорния 246 (Cf246) характеризуют альфа-активность. Кривые основаны на измерении активности многих образцов.
Группа ученых, участвовавших в открытии, предложила назвать элемент 101 менделевием в честь великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первый использовал периодическую систему элементов для предсказания химических свойств еще не открытых элементов, то есть провозгласил принцип, послуживший ключом к открытию последних семи трансурановых элементов.
Теперь с увеличением количества эйнштейния в мишени оказывается возможным получать более 100 атомов менделевия за один раз. Распад менделевия 256 в фермий 256 был подтвержден и химическими методами. Все данные подтверждают, что менделевий является типичным членом семейства актинидов, ионизирующимся до «трижды положительного» состояния (то есть состояния тройного положительного заряда), и что он химически сходен с тулием, его двойником в семье редких земель.
За менделевием
За 15 лет, прошедших с открытия первого трансуранового элемента, человеком приготовлено уже около семидесяти радиоактивных изотопов, располагающихся за ураном. В этой работе ученые-ядерщики так много узнали о радиоактивном распаде тяжелых элементов, что теперь они могут
5* Физика атомного ядра
70
АЛЬБЕРТ ГИОРЗО И ГЛЕНН СИБОРГ
предсказывать основные свойства распада еще до открытия изотопа. Выяснилось, что среди очень тяжелых элементов, начиная с фермия, распад путем спонтанного деления становится столь же обычным, как и альфа-излучение. Было найдено, что и для альфа-распада, и для спонтанного деления предсказание свойств распада лучше всего удается для ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов. Изотопы же с нечетным числом протонов или нечетным числом нейтронов, а также изотопы с нечетным числом и тех и других распадаются медленнее, чем ядра регулярного четного типа.
Учитывая эти результаты, посмотрим теперь па будущее синтеза новых элементов. К несчастью, с увеличением атомного номера периоды полураспада становятся все короче и короче. Достигнув 104-го и 105-го элементов, мы, по-видимому, найдем, что наиболее долгоживущие изотопы этих элементов будут существовать в течение времени, едва достаточного для их химического опознания. Похоже, что после этого при открытии новых элементов мы должны будем всецело основываться на предсказанных свойствах распада, а не на химическом анализе. Тщательные измерения этих свойств должны позволить нам продолжить список примерно до элемента 108.
Каким образом можно надеяться синтезировать эти тяжелые элементы? Метод строительства ядер многократными прибавлениями нейтронов кажется малообещающим для элементов, стоящих за фермием, поскольку некоторые из необходимых промежуточных изотопов оказываются слиш-ком короткоживущими. Например, изотоп фермия 258 будет, вероятно, иметь время жизни около одной минуты. Едва ли удастся накопить его в концентрации достаточной, чтобы продолжить ряд нейтронных захватов.
К счастью, имеется другой тип ядерных реакций, который, кажется, позволяет надеяться на получение еще более тяжелых элементов. Это — метод бомбардировки снарядами более тяжелыми, чем альфа-частицы (ядра гелия). Например, изотопы калифорния, эйнштейния и фермия уже были получены бомбардировкой урана ядрами углерода, азота и кислорода соответственно. Такие ядра могут быть ускорены в циклотронах обычного типа, а Калифорнийский и Йельский университеты строят линейные ускорители, которые будут предназначены исключительно для ускорения тяжелых ионов до энергий, позволяющих вызывать трансмутации тяжелых элементов. Обе установки готовятся для получения довольно мощных пучков всех ядер вплоть до неона, а быть может, смогут дать пучки даже таких тяжелых ядер, как аргон.
Предсказание химических свойств неоткрытых элементов за менделевием кажется довольно простым. Элементы 102 и 103, соответствующие иттербию и лютецию в ряду редких земель, будут завершать группу актинидов. Это будет означать заполнение так называемой 5/-элсктронной оболочки, которая, как и оболочка 4/, характерная для группы редких земель, имеет 14 мест. Предполагается, что элемент 104 начнет новый ряд, члены которого будут соответствовать гафнию, танталу, вольфраму и т. д., как это можно видеть по периодической таблице элементов. Этот ряд закончится заполнением электронной оболочки 6d. Следующий ряд, если более тяжелые элементы смогут быть найдены (что, как мы отметили, очень сомнительно), должен заполнять 7/?- оболочку и закончиться на гипотетическом элементе 118. Химические свойства всех этих элементов могут быть предсказаны исходя из их предполагаемого положения в периодической таблице.
НОВЕЙШИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ	71
Таким образом, текущая глава в истории синтетических элементов еще не окончена. Авторы даже надеются, что эта статья устареет уже к тому времени, когда окажется перед глазами читателя, благодаря открытию новых элементов за менделевием. Увлекательная область современной алхимии развивается так быстро, что это представляется вполне возможным ♦).
*) Синтез дальнейших элементов оказался еще более сложной задачей. В результате напряженной работы исследователям в ряде стран (Швеция, СССР, США) удалось получить лишь два новых элемента — нобелий (№ 102) в 1957 г. и лауренсий (№ 103) в 1961 г. Однако ничтожно малые количества синтезированных ядер новых элементов, а также малое время их жизни (десятки секунд) не позволили получить столь же убедительные доказательства существования этих элементов, как для предыдущих. Вопрос о свойствах 102-го элемента до сих пор остается спорным. 103-й элемент синтезирован лишь в одной лаборатории (в США). (Прим, ред.)
Роберт, Хофштадтер
АТОМНЫЕ ЯДРА
(ИЮЛЬ 1956 г.)
Когда мы изучаем их строение при помощи пучков электронов высокой энергии, выясняется, что они окружены оболочкой, плотность которой падает постепенно. Такое же строение имеют и отдельные протоны.
*О е прошло еще и 50 лет с тех пор, когда физики и химики могли спорить о том, существуют ли атомы в действительности. Сегодня самый отсталый школьник знает, что атомы реальны. Он даже знает, как они выглядят. Картинка маленького круглого ядра, окруженного облаком электронов, является как бы эмблемой нашего времени.
Однако это не только популярная эмблема. Действительный облик атома мыслится физиками во многом похожим на нее. Физики пошли и дальше. Примерно в течение последних 20 лет они пытались нарисовать мысленные картины внутреннего строения ядра.
Сама возможность мечтать о воссоздании деталей такого мельчайшего объекта говорит как о силе воображения физиков, так и о тонкости их экспериментальных методов. Хотя все знают, сколь малы атомные ядра, стоит еще раз подчеркнуть, о каких величинах идет речь в ядерной физике. Диаметр ядра составляет несколько десятитриллионных (10-13) долей сантиметра. Если ядра всех атомов Земли изолировать от электронов и уложить вместе, то они образуют шар радиусом всего лишь в 60 метров. Обычно мы думаем об атоме как об очень маленьком объекте. Однако, если бы мы увеличили атом так, чтобы его внешние электроны заняли площадь размером с Нью-Йорк, ядро в его центре представлялось бы футбольным мячом.
Возможность заглянуть внутрь такой пылинки материи является одним из наиболее удивительных подвигов современной физики. Можно лишь удивляться гению лорда Резерфорда и других ранних исследователей, совершивших этот подвиг, обладая лишь относительно грубыми средствами. Автор и его коллеги в Стэнфордском университете, используя передовую технику современной экспериментальной физики, разработали недавно новый и очень эффективный метод изучения ядер. С его помощью удалось разглядеть такие детали структуры ядра, которые никогда не были доступны прежде. Они убедительно показывают, что старые представления о ядре должны быть пересмотрены. Мы даже начали проникать внутрь «первичных» частиц, из которых построены ядра,— протонов и нейтронов.
Модели ядра
Значение нашей работы лучше всего понять на фоне представлений о ядре, существовавших в начале 30-х годов XX века.
Заметим сразу, что, говоря о «картине» ядра или «заглядывая» в него, физик пользуется чистыми метафорами. Ядра совершенно и безнадежно
АТОМНЫЕ ЯДРА
73
невидимы. В действительности физик имеет в виду не «картины», а «модели». Это слово удачнее, так как отражает тот искусственный прием, к которому приходится прибегать. Эксперименты, как мы увидим, не ведут к прямому представлению о ядрах. Физик должен рассмотреть отдельные группы экспериментальных результатов, а затем попытаться придумать модель ядра, отвечающую им всем.
Вероятно, одной из первых моделей — и для некоторых целей все еще очень полезной — является представление о ядре как о «сферической капле» («капельная» модель). В этой модели протоны и нейтроны (их часто называют нуклонами), которые составляют ядро, считаются плотно упакованными, подобно молекулам в капле воды. Поэтому ядро имеет везде постоянную плотность и резко ограниченную поверхность. Более того, все ядра, большие и маленькие, имеют одну и ту же плотность. Подобно тому как в большой капле воды содержится больше молекул, чем в маленькой, при одинаковой плотности, так и большие ядра содержат просто больше нуклонов при такой же плотности, как и в маленьких ядрах.
Если эта точка зрения верна, то должно существовать довольно простое правило, определяющее относительные размеры различных ядер. Их объемы, очевидно, должны быть пропорциональны числу нуклонов, которое они содержат. И поскольку объем сферы пропорционален кубу радиуса, радиусы различных ядер должны относиться, как кубические корни из числа нуклонов. Например, если большое ядро содержит в 8 раз больше протонов и нейтронов, чем маленькое, то оно должно иметь вдвое больший радиус.
Можно пойти дальше и получить не только относительные, но и абсо-I лютные размеры.
Если принять модель сферической капли, то различные эксперимен-1 тальные данные приводят для радиуса ядер, выраженного в «ферми-еди-ницах» (1 ферми = 10 ~13 ал/), к значению 1,45, умноженному на кубический
1 корень из числа нуклонов. Так, радиус ядра золота, которое содержит 197 нуклонов, равен 1,45х у/ 197x10“13 см, или 8,45 ферми.
,	Кроме размера и массы ядро характеризуется электрическим заря-
дом. Он положителен, так как складывается из зарядов отдельных прото-
1 нов ядра. Незаряженные нейтроны влияют на размер и вес ядра, но не на его электрический заряд. Предполагают, основываясь на сферически-ка-I пельной модели, что заряд также однородно распределен по всему ядру. Однако «плотность заряда», или число зарядов, сконцентрированное в дан- ном объеме, может меняться от одного ядра к другому в зависимости от отношения числа протонов к полному числу нуклонов. Ядро обычного водорода, которое состоит всего из одного протона, имеет, очевидно, наивысшую возможную плотность заряда. В ядре, где половину нуклонов состав-, ляют протоны (что примерно соответствует большинству наиболее легких ’ ядер), плотность заряда будет вдвое меньше. В более тяжелых ядрах отношение протонов к полному числу частиц уменьшается до 0,39, в связи с чем и плотность заряда также немного падает.
(	Модель жидкой капли безусловно отражает некоторые важные свой-
ства ядра. Однако нет никаких сомнений, что действительное ядро не может быть в точности подобно капле жидкости. Мало вероятно, чтобы 1 поверхность ядра была действительно очерчена столь резко и плотность ядра внезапно падала от постоянного значения внутри ядра до нуля. Согласно современной квантовой теории плотность должна была бы спадать от высоких внутренних значений до нуля постепенно в переходном
и
РОБЕРТ ХОФШТАДТЕР
внешнем слое, или «коже». Это было понято уже несколько лет тому назад, но казалось, что нет способа узнать, какова толщина этой «кожи».
Действительно, если отказаться от упрощенной модели сферической капли, то при современном неопределенном состоянии ядерной теории можно представить себе множество моделей. Некоторые расчеты показывают, что ядро может быть «размытым шаром», плотность которого падает
Рис. 5.1. На этом рисунке приводятся модели ядра, основанные на различных возмож каждой модели показывают, как меняется плотность заряда (в условных единицах) как «выглядело» бы поперечное сечение каждой модели. Модель А — жидкая капля с ниченной поверхностью — это точечное ядро (модель F) и шаровый слой (модель G). зывают, однако, что ядро не имеет резкой границы. Их результаты говорят в пользу с результатами экспериментов да
постепенно от центра наружу. По другим теориям масса и заряд сосредоточены в концентрических оболочках. Некоторые из возможных моделей проиллюстрированы на рис. 5.1. Но никто не знал, насколько серьезно следует относиться к этим моделям.
Электронные зонды
В 1951 г., когда автор начал думать о новом пути исследования ядер, эти вопросы носились в воздухе. Идея состояла в том, чтобы обстрелять ядра электронами больших скоростей и посмотреть, как будут отклоняться, или, как говорят физики, рассеиваться, электроны. К настоящему времени эксперименты по рассеянию являются классическим методом атомной физики. Ведь именно при наблюдении рассеяния альфа-частиц лорд Резерфорд впервые обнаружил существование ядер. Позднее другой британский физик Дж. П. Томсон использовал рассеяние электронов для изучения структуры молекул и атомов. В 1951 г. Лайман и его сотрудники в Иллинойском университете (США) пытались изучать рассеяние электронов на ядрах. И хотя электроны, с которыми они проводили свои опыты, обладали слишком малой энергией, чтобы можно было детально разобраться в строении ядра, все же было найдено, что тяжелые ядра несколько меньше, чем ранее предполагалось.
Понять, почему для выявления деталей структуры ядра нужна высокая энергия, будет гораздо легче, если представить себе электроны не частицами, а волнами. Подобно всем другим субатомным частицам, элект
АТОМНЫЕ ЯДРА
75
роны обладают как свойствами волн, так и свойствами частиц. (Правила квантовой физики говорят нам, что длина волны зависит от энергии частиц; чем больше энергия, тем короче длина волны.) Во многих случаях поведение электронов одинаково хорошо можно описать как с одной точки зрения, так и с другой. Например, мы можем говорить как о дифракции электронных волн на ядрах, так и о рассеянии электронов-частиц.
ных распределениях электрического заряда внутри него. Соответствующие графики для по мере удаления от центра ядра. Слева от каждого графика мы попытались представить постоянной плотностью и резкой границей. Другие возможные структуры с резко огра-Эксперименты по рассеянию электронов, проведенные автором и его коллегами, ука-внешнего слоя, плотность которого постепенно спадает до нуля. Наилучшее согласие ют модели, подобные Е или Н.
Электроны, использованные в опытах Томсона, имели энергии в несколько десятков тысяч электрон-вольт, что соответствует длинам волн порядка 10"8сл«, то есть 100 000 ферми. Эти волны вообще не могут «увйдеть» ядро, поскольку их длина сравнима с размером всего электронного облака и «сидящее» внутри него ядро будет полностью заэкранировано от таких волн. В электронном пучке Лаймана, при 15 миллионах электрон-вольт, волны были в сотни раз короче и уже могли проникнуть сквозь электронное облако. Но и они были все еще значительно больше диаметра ядра и потому не могли «увидеть» его деталей.
В 1951 г. в Стэнфорде был построен большой линейный ускоритель, на котором можно получить интенсивный пучок электронов с энергиями, приближающимися к миллиарду электрон-вольт. Этому соответствует длина волны порядка нескольких ферми, достаточно короткая, чтобы обнаружить многие детали структуры ядра. Таким образом, возникла возможность использовать электроны для исследования внутренней части атома.
Это была захватывающая перспектива. До этого времени главными ядерными «зондами» были протоны, нейтроны и альфа-частицы. Иначе говоря, частицы, которые употреблялись для изучения ядер, не отличались от тех, которые составляют ядро. В связи с этим возникала трудная проблема. Дело в том, что одной из глубочайших загадок, которая и по сей день стоит перед физикой, является природа сил, действующих между ядрами. В некотором смысле все ядерные исследования направлены к выяснению этой фундаментальной проблемы. Если же мы выстреливаем в ядро протоном
76
РОБЕРТ ХОФШТАДТЕР
или нейтроном, то все происходящее дойдет до нас лишь через посредство их взаимодействия с другими нуклонами, то есть благодаря процессу, существо которого мы как раз и стремимся разгадать, и мы оказываемся в заколдованном кругу.
С другой стороны, электроны — это не нуклоны; они не испытывают действия таинственных ядерных сил. Когда они пролетают мимо протонов и нейтронов, на них действуют только электрическое и магнитное поля, изученные лучше, чем что бы то ни было в физике. Электромагнитное взаимодействие можно рассчитать с большой точностью.
Рассеяние
Рассмотрим более детально, что происходит с электронами, которыми выстреливают по ядру, и что можно понять по их поведению. Электрон можно мысленно представить в виде отрицательной заряженной крупинки,
Рис. 5.2. Рассеяние (или отклонение) происходит всякий раз, когда электрон проходит через силовое поле ядра. Если он проходит вблизи ядра, то его отклонение вызывается в основном электрическим притяжением между его отрицательным зарядом и положительным зарядом ядра (вверху). Если же он проходит сквозь ядро, то удобнее использовать волновую картину. Электронные волны преломляются ядерной материей (нижний рисунок), подобно тому как цуг световых волн преломляется, проходя через линзу.
Рис. 5.3. Картина рассеяния зависит от структуры ядра-мипгени. Протяженное, размазанное ядро (вверху и в середине) приводит к тому, что отклонение мало, когда электрон проходит вблизи его центра. Действительно, частица, проходящая точно через центр ядра, совсем не отклоняется. С другой стороны, точечное ядро вызывает большие отклонения (вплоть до 180°),когда электрон проходит вблизи центра (нижний рисунок). Следовательно, относительная степень рассеяния на большие и малые углы отражает некоторые детали структуры ядра.
тельно, и крошечный заряд, и одновременно крошечный магнит. Ядро—это положительно заряженный шар. В зависимости от того, как вращаются внутри него протоны, оно может быть намагниченным или нет. В некоторых
АТОМНЫЕ ЯДРА
77
случаях эти движения создают суммарный магнитный эффект, в других случаях они компенсируются. Для элементов с атомным весом большим 10 электрические эффекты настолько больше магнитных, что последними можно пренебречь. В этом случае взаимодействие между электронами и ядром чисто электростатическое. Более легкие элементы с намагниченными ядрами оказывают как электрическое, так и магнитное воздействие на падающий электрон, и разделить эти эффекты довольно трудно. Возможность такого разделения возникла лишь после того, как Розенблат рассчитал кар-
тину рассеяния при наличии чисто магнитного взаимодействия.
В любом случае электрон, который проходит через силовое поле ядра, отклоняется. Если он проходит вблизи ядра, то можно считать, что происходит просто процесс рассеяния двух при тягивающихся частиц, напоминающий отклонение кометы Солнцем. Если же электрон действительно проникает в ядро, то удобнее использовать понятия дифракции и волн,а не отклонения и частиц (рис. 5.2).
Картина рассеяния зависит от строения ядра-мишени. Если это точка или маленькая плотно упакованная сфера, то, чем ближе бомбардирующий электрон проходит к его центру, тем больше угол отклонения. Электрон, который проходит очень близко к мишени, может быть
Рис. 5.4. Теоретические кривые характеризуют картины рассеяния, которые ожидаются от точечного заряда (верхняя кривая) и однородно размазанного облака (нижняя кривая). По вертикальной оси отложена величина, пропорциональная доле электронов, рассеяния которых на данный угол, откладываемый по горизонтальной оси, следовало бы ожидать.
так сильно притянут, что, сделав петлю вокруг ядра, он вернется туда же, откуда пришел. Иными словами, его угол рассеяния будет равен 180° (рис. 5.3).
Диффузное, или разма-
занное, ядро даст другие
результаты. Электрон, направленный в центр такой структуры, «увидит» столько же положительного заряда с одной стороны своего пути, как и с другой. Потому он «не будет знать, куда свернуть», и пройдет сквозь ядро напрямик (средняя часть рис. 5.3).
Здесь мы подошли к сути метода рассеяния электронов. Для плотного,
тесно упакованного ядра мы должны ожидать значительного рассеяния на большие углы, вплоть до 180°. Если же ядро размытое, «диффузное», то рассеяние на большие углы, или рассеяние назад, будет сильно уменьшено по сравнению с рассеянием вперед. Две кривые на рис. 5.4 показы
78
РОБЕРТ ХОФШТАДТЕР
вают, чего можно ждать теоретически от рассеяния электронов на точечном заряде или на однородном, диффузном облаке. Как вскоре мы увидим, возможно, хотя в некоторых случаях и очень трудно, также рассчитать картины рассеяния и для более сложных моделей ядра.
Уменьшение отклонений на большие углы — не единственная особенность размытого ядра. В этом случае в рассеянии возникает характерная дифракционная картина последовательных максимумов и минимумов. Чтобы понять их природу, сравним дифракцию электронов на ядрах с дифракцией пучка света, проходящего сквозь маленькое круглое отверстие в непрозрачной стенке. Если на пути прошедшего через отверстие света поставить экран, то непосредственно против отверстия мы увидим яркое пятно, окруженное перемежающимися темными и светлыми кольцами, яркость которых ослабевает с увеличением размеров (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Дифракционная картина, возникающая при прохождении света сквозь маленькое отверстие, напоминает картины, получаемые в экспериментах по рассеянию электронов. Кривая справа показывает, как меняется интенсивность света, если двигаться от центра внутреннего яркого пятна по прямой линии. Это аналогично измерению числа электронов, рассеянных мишенью на различные углы. Минимумы на кривых рассеяния электронов, хотя и менее глубокие, чем на световых кривых, дают нам ту же информацию.
Если изобразить эту дифракционную картину графически, откладывая зависимость яркости от угла, то мы получим кривую, подобную нижней кривой рис. 5.4, но с более ярко выраженными максимумами.
Методы теоретической оптики позволяют вычислить диаметр отверстия из расположения колец или максимумов в дифракционной картине света. Подобно этому из расположения максимумов в картине рассеяния электронов можно получить информацию о размерах ядра.
Эта аналогия не вполне точна. Она станет лучше, если считать, что отверстие в эксперименте со светом закрыто линзой из неоднородного стекла, такого, что показатель преломления неодинаков в различных точках линзы. Действие такой линзы скажется в искажении обычной картины, и задачей будет теперь определение из неправильных дифракционных колец как размера отверстия, так и точного строения линзы. В действительном случае нужно подсчитать размер ядра и внутреннее распределение его заряда. Можно представить себе, сколь сложна такая задача; она практически неразрешима без помощи быстродействующих вычислительных машин. Теперь, однако, для большого числа ядер подсчет уже сделан и выяснилась поразительная новая картина.
АТОМНЫЕ ЯДРА
79
Аппаратура
Прежде чем обратиться к результатам, рассмотрим, как проводятся дифракционные эксперименты. Стэндфордский линейный ускоритель выстреливает 60 очередей в секунду, каждая очередь длится 1 миллионную долю секунды и содержит около 10 миллионов электронов. Машина может ускорять электроны до энергии в 700Мэе, однако наша анализирующая аппаратура рассчитана на частицы с энергиями до 550 Мэв. По причинам, которые выяснятся ниже, особенности эксперимента требуют, чтобы частицы,
анализатор
Лучок Т"
Защита
Рис. 5.6. Схема экспериментального устройства для изучения рассеяния электронов. Магнитный анализатор и задающая энергию щель выбирают из падающего электронного пучка узкую полоску заданной энергии. Столкнувшиеся с мишенью электроны отбираются и фокусируются на детекторе (не указан) магнитом, который можно устанавливать под разными углами. Монитор (контрольный счетчик) регистрирует полное число электронов, проходящих через мишень. Окружающая детектор 10-тонная защита поглощает постороннее излучение (фон).
Задающая энергию щель
ударяющиеся в ядра-мишени, обладали строго определенной энергией. Электроны, выходящие из ускорителя, уже близки по энергии — разброс составляет от 5 до 10 Мэв. Этот разброс уменьшается, когда пучок проходит сначала через магнитное поле, а затем через узкую щель (см. схему установки на рис. 5.6). Магнит отклоняет электроны различных энергий на разные углы, а щель выбирает затем электроны, идущие в одном направлении.
Узкий пучок моноэнергетических электронов направляется на мишень, например на золотую фольгу толщиной около одной двухсотой доли сантиметра. Может показаться, что для получения картины рассеяния достаточно просто двигать детектор вокруг фольги и подсчитывать количество электронов, отклоненных на разные углы. Это было бы, конечно, очень здорово, так как наша аппаратура оказалась бы примерно на 200 000 долларов дешевле и на 45 тонн легче. Указанные величины дают некоторое
80
РОБЕРТ ХОФП1ТАДТЕР
представление об огромном D-образном магните, который сортирует рассеянные электроны по энергиям.
Зачем же это нужно? Почему, в самом деле, не подсчитывать просто все электроны, отклоняющиеся на каждый угол? Оказывается, что не все частицы, отклонившиеся на определенный угол, одинаковым образом взаимодействовали с ядрами мишени. Поэтому они несут разную информацию. При некоторых соударениях электрон и ядро ведут себя подобно паре биллиардных шаров, отскакивающих друг от друга, или скорее электрон можно сравнить с шариком от пинг-понга, отскакивающим от пушечного ядра. Иными словами, полная энергия движения частиц (кинетическая энергия) остается после соударения той же, что и до соударения. Такие соударения называются упругими. Большое ядро настолько тяжелее электрона, что практически не испытывает отдачи; поэтому при упругом соударении электрон почти не меняет своей энергии.
В других случаях электрон отдает некоторую энергию, которая идет не на отдачу ядра, иными словами, переданная энергия перестает быть кинетической. За счет этой энергии ядро «возбуждается» — переходит из своего нормального, или «основного», состояния в состояние с большей внутренней энергией. Грубо говоря, можно сказать, что отдельные нуклоны начинают двигаться энергичнее; в этом случае соударение называется неупругим.
Если мы стремимся изучить ядро в его нормальном состоянии, то электроны, которые рассеиваются неупругим образом, не могут нам помочь. Ведь они «видели» ядро в возбужденном состоянии. Поэтому необходимо выбрать упруго рассеянные электроны — электроны, сохранившие после соударения ту же энергию, которую они имели до него. Именно это и делает магнит. Войдя в полукруг магнита с одной стороны центра, рассеянные электроны отклоняются магнитным полем на 180° и выходят с другой стороны. Частицы с различными энергиями идут различными путями, вследствие чего можно сфокусировать в детекторе частицы определенной энергии. Электроны большой энергии трудно отклонить, и поэтому магнит берется большим и мощным. Первый аппарат, который мы построили, имел магнит, весящий 2,5 тонны, и мог управлять только теми электронами, энергия которых не превосходила 190 Мэв. Новое устройство, которое мы используем примерно около года, может заворачивать электроны с энергией до 550 Мэв. Его чувствительность позволяет отбирать электроны с энергией 400 Мэв и разбросом лишь в 0,8 Мэв. Другими словами, он может отделять электроны, энергии которых различаются на одну пятисотую.
Наш детектор представляет собой небольшой кусок люцита, который дает мгновенную вспышку в момент прохождения быстрого электрона. Трубка фотоумножителя принимает световые вспышки и преобразует их в серию электрических импульсов, которые попадают в счетчик.
Абсолютное число рассеянных электронов, подсчитанных при каком-либо угле отклонения, не имеет значения до тех пор, пока неизвестно полное число падающих частиц. Необходимо знать относительную долю общего числа частиц, которая рассеивается в определенном направлении. Каждый падающий электрон выбивает сгусток вторичных электронов из пластинки контрольного материала, и подсчет этих сгустков указывает на число частиц в первоначальном пучке.
Магнит, детектор и 10-тонная свинцовая и бетонная защита, которая окружает их, укреплены на старом лафете 5-дюймового военно-морского орудия. На этой подвижной платформе аппаратуру можно поворачивать под различными углами по отношению к мишени (рис. 5.7). При помощи
АТОМНЫЕ ЯДРА
81
дистанционного управления можно устанавливать лафет с точностью, превосходящей 0,1°.
Наша аппаратура во многих отношениях подобна оптической системе и была даже названа ядерным микроскопом. Подобно тому как линза собирает свет, рассеянный каким-либо объектом, магнит собирает электроны, отскакивающие от мишени. Линза фокусирует собранный свет в пятно, так же поступает и магнит с электронами. Однако магнит делает больше,
Рис. 5.7. Магнитный спектрометр, измеряющий рассеяние быстрых электронов на ядрах мишени. Электроны от линейного ускорителя Стэнфордского университета проходят через тонкую трубку, идущую снизу слева к центру переднего плана. Материал мишени подвешивается перед трубкой в держателе, имеющем форму лестницы. Вдали справа можно рассмотреть огромный .D-образный магнит, фокусирующий рассеянные электроны. Он установлен на лафете морского орудия, который может поворачиваться на различные углы относительно мишени.
поскольку он сортирует электроны по энергиям. Оптической аналогией яв- , ляется спектроскоп или спектрометр, сортирующий свет по цветам или длинам волн. Магнит производит операции собирания, отклонения, фокусирования электронов, подобно тому как спектрометр собирает световые волны, отделяет их различные цвета призмой или дифракционной решеткой и снова фокусирует их.
Новые ядерные модели
Рассмотрим теперь некоторые из результатов, полученных с помощью этой аппаратуры. Как уже указывалось, экспериментальная процедура в принципе весьма проста. Мы запускаем ускоритель так, чтобы частицы выходили из него с данной энергией, и считаем процент электронов, упруго рассеянных мишенью на разные углы. На рис. 5.8 показаны результаты
82
РОБЕРТ ХОФШТАДТЕР
некоторого числа такого рода облучений ядер золота при энергиях 84— 183 Мэв.
В то время, как экспериментаторы делали эти опыты, группа физиков-теоретиков, включавшая Пенни, Равенхолла и Вильсона, была занята расчетом ожидаемых дифракционных картин для различных ядерных моделей, типа изображенных на рис. 5.1. Одна из моделей ядра золота состояла
Рис. 5.8. Результаты экспериментов по рассеянию быстрых электронов на ядрах золота указаны точками. Сплошные кривые подсчитаны для некоторой определенной модели. Различные кривые отвечают разным энергиям электронов.
из плотной сердцевины радиуса примерно 4 ферми, окруженной оболочкой, в которой плотность быстро падала и на расстоянии около 9 ферми обращалась в нуль (рис. 5.9). Теоретические кривые дифракции для этой модели при различных энергиях от 84 до 183 Мэв показаны на рис. 5.8 сплошными линиями. Согласие между экспериментальными данными и теоретическими кривыми удивительно хорошее. Очевидно, распределение заряда в ядре золота должно быть очень похожим на эту модель. Поскольку протоны и нейтроны, по-видимому, распределены одинаковым образом, это распределение должно иметь место и для всей массы ядра.
АТОМНЫЕ ЯДРА
83
Если мы определим толщину оболочки ядра золота как расстояние между точкой, где плотность заряда равна 90% от максимального значения, и точкой, где она падает до 10%, то найдем, что толщина оболочки равна примерно 2,4 ферми. Взяв за определение радиуса ядра расстояние от центра до точки, где плотность равна 50% максимальной, получим для него примерно 6,3 ферми.
Если мы обратимся теперь к исследованию других ядер, то обнаружится удивительная регулярность. Вместе с Равенхоллом и Ханом автор провел систематическое исследование некоторых ядер с массовыми числами от 40 до 238. По всему этому интервалу толщина оболочки равна 2,4
Рис. 5.9 Модель ядра золота, которая дает хорошее согласие с экспериментом, изображена сплошной кривой. Пунктирные кривые отвечают другим моделям, которые привели бы примерно к тем же результатам.
ферми! Размер плотной сердцевины меняется, но рыхлый внешний слой сохраняет для всех этих ядер одну и ту же толщину.
В качестве характеристики размеров ядра для многих целей более удобно использовать не расстояние от центра до точки с половинной плотностью, а другую среднюю величину, называемую «среднеквадратичным» радиусом. Если воспользоваться ею, то радиусы тяжелых ядер подчиняются простому закону: радиус ядра в ферми-единицах равен кубическому корню из его массового номера, умноженному на 1,18. Это правило напоминает закон кубического корня для модели жидкой капли, но оно приводит к меньшим размерам ядер.
У ядер с массовым числом ниже 40 внутренняя сердцевина практически исчезает и плотность начинает спадать сразу от центра. Размеры таких ядер подчиняются несколько иному правилу: среднеквадратичный радиус равен кубическому корню из массового номера, умноженному на 1,35.
Как раз в то время, когда мы впервые получили эти результаты, Фитч и Рейнуотер в Колумбийском университете измеряли размеры ядер (но не толщину оболочки) совсем другим методом. Они нашли тот же закон, что и у нас для ядер с массовым числом, большим 40. Однако для более легких ядер их формулы содержат коэффициент 1,18 вместо нашего 1,35.
84
РОБЕРТ ХОФШТАДТЕР
Протон
Убедившись, что наш электронный пучок действительно может «увидеть» строение ядра, мы начали думать и о еще меньших частицах. Что можно сказать о самом протоне? Есть ли это точка «без длины и ширины»? Или он также имеет конечные размеры и внутреннюю структуру?
Чтобы выяснить это, мы поместили мишень из газообразного водорода на пути электронного пучка и снова стали мерить упругое рассеяние. Как
Рис. 5.10. Рассеяние на протоне изображалось бы верхней кривой, если бы протон был точкой «без длины и ширины». Если же его заряд размазан по конечной области, то некоторое определенное распределение привело бы к нижней кривой. Точки представляют результаты действительных измерений.
видно из графика на рис. 5.10, результаты не вызвали сомнений. Случаев рассеяния назад намного меньше, чем должно было бы быть от точечного протона. И опять одна специальная теоретическая кривая очень хорошо удовлетворяет действительным результатам. Распределение заряда, которое дает эту кривую, похоже на колокол; его называют «гауссовым» (рис. 5. 11).
Можно показать, что и магнитное поле протона распределено аналогичным образом. Поэтому протон надо считать протяженным телом, и наши
АТОМНЫЕ ЯДРА
85
электроны впервые «заглянули» в него. Заряд протона спадает до нуля только на расстоянии 1,4 ферми от центра, а среднеквадратичный радиус равен примерно 0,75 ферми.
Протонные опыты сделаны совсем недавно, и мы не можем ручаться,
что приведенное распределение заряда окажется единственным для столь тесного согласия с этими экспериментальными результатами. Мы думаем,
однако, что настоящая модель, не будет сильно отличаться от рис. 5.11. При этом плотность заряда вблизи центра изменится, по-видимому, заметнее, чем во внешней части.
Протяженное распределение заряда в протоне могло бы объяснить явное несоответствие между радиусами, измеренными в экспериментах по рассеянию электронов и в старых экспериментах, основанных на взаимодействии нейтронов и протонов с ядрами. Если центр протона находится от центра ядра золота на расстоянии 8,45 ферми (старое значение для радиуса ядра золота),то будет наблюдаться значительное перекрытие заряда: внешние части оболочек уже соприкоснутся. Таким образом, протон окажется примерно в том
которая выяснится из дальнейших опытов,
Рис. 5.11. Модель протона, изображенная здесь, дает теоретическую картину рассеяния, весьма хорошо согласующуюся с исследованной. Плотность заряда спадает от центра по «гауссовой» кривой.
же положении, что и внешний протон ядра золота, и нет никакой очевидной причины, которая запретила бы ему сильно взаимодейство
вать с другими нуклонами
золота. Следовательно, можно ожидать, что радиус, измеренный ядер-
ными методами, в которых существенную роль играет сильное ядерное взаимодействие, окажется больше, чем электромагнитный радиус, измеренный электронами.
Согласно современной теории модель протона, полученная из экспериментов по рассеянию, может в действительности и не представлять единственную размазанную частицу. Напротив, протон может на самом деле состоять из точечного «голого нуклона», окруженного пульсирующим облаком мезонов (рис. 5.12). Весьма вероятно, что мы зондируем это мезонное облако.
Теория говорит, что протон время от времени извергает мезон, который невообразимо малое время вертится вокруг, а затем снова поглощается протоном. Процесс испускания и поглощения рассматривается как постоянная, существенная черта жизни протона (как и нейтрона). Вопрос состоит в том, чтобы узнать, какую часть полного времени мезон проводит
6 Физика атомного ядра
86
РОБЕРТ ХОФШТАДТЕР
вне протона. Наши измерения указывают, что эта часть не меньше нескольких десятых. А это больше, чем давали все предыдущее оценки.
Считают, что таинственные ядерные силы возникают в результате того, что нуклоны обмениваются мезонами. Если электроны можно ис-
пользовать для «видения» мезонов, они могли бы помочь прояснить эту загадку.
Пока эта статья пишется, наша группа занята новыми экспериментами по рассеянию. Мы усовершенствуем наши исследования протона. Предварительные исследования альфа-частицы показывают, что опа имеет распределение заряда, подобное протону, и неожиданно компактна. Она только немного больше двух своих протонов, несмотря на то что содержит еще и два нейтрона. Эксперименты с дейтоном (ядром тяжелого водорода, состоящим
Рис. 5.12. Мезоппая теория полагает, что протон, возможно, в действительности состоит из
вращающегося «головного нуклона», существенно точечного, окруженного часть времени вращающимся облаком мезонов.
из одного протона и одного нейтрона) показывают, что он больше альфа-частицы. Наблюдения над дейтоном
могут также дать некоторые сведения о распределении магнитного поля нейтрона. Возможно, что вскоре удастся выяснить, действительно ли нейтрон и протон, как говорит общепринятая теория, сходны во всем, за
исключением их заряда.
Таков краткий перечень волнующих проблем, которые ждут своего исследования при помощи электронов большой энергии.
Р. Е. Пайерлс
АТОМНОЕ ЯДРО
(ЯНВАРЬ 1959 г.)
Каким представляют его себе физики сейчас? Удивительно, что разные подходы к ядру подсказывают различные наглядные образы, такие, как капельная модель, модель оболочек и оптическая модель.
Т^ще с 1930 г., когда открытие нейтрона выявило, что ядра атомов по-" строены из протонов и нейтронов, физики стремятся создать картину строения ядра. Для остальной части атома подобная задача была завершена в первой четверти этого столетия. Мы смогли тогда подробнейшим образом понять, как движутся электроны под действием притяжения к ядру и как влияет на. это движение их взаимное отталкивание.
Три основных элемента, три ступени необходимы, чтобы достичь подобного понимания. Во-первых, мы должны знать силы, действующие между частицами. Во-вторых, надо знать механические законы, управляющие движением частиц под действием этих сил. В-третьих, в большинстве случаев нам нужна упрощенная картина, или модель, в качестве отправной точки. Будь у нас две первые составляющих, мы могли бы, хотя бы в принципе, выписать систему математических уравнений, решения которых рассказали бы нам все об атоме или все о ядре. Для простейшего из возможных атомов, такого, как атом водорода с его единственным электроном, или для простейшего составного ядра — дейтона, содержащего лишь один протон и один нейтрон, подобные уравнения записываются и решаются без труда. Однако, чем сложнее система, тем труднее становится такая лобовая атака, и вскоре она превосходит возможности даже наиболее современных электронных вычислительных машин.
Мы оказались в положении людей, внезапно столкнувшихся со сложной машиной и пытающихся понять, как она работает. Если попытаться распутать без всякого руководства взаимодействие всех частей такой машины, то мы скоро заблудимся, как в лабиринте. Постараемся вместо этого установить сначала только главные черты работы машины. Для этой цели придумаем модель, передающую основные детали реальной вещи, но в то же время достаточно простую для изучения. В дальнейшем, конечно, надо будет внести поправки, учитывающие отброшенные осложнения, и убедиться, что они не меняют картину существенным образом.
Когда мы изучали атом, преодоление первой из упомянутых трех ступеней не составляло проблемы. С тех пор, как Эрнест Резерфорд доказал, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и легких отрицательно заряженных электронов, стало очевидным, что между ними должно действовать обычное электрическое притяжение разноименных
88
Р. Е. ПАЙЕРЛС
зарядов, следующее привычному для каждого студента-физика «закону обратных квадратов». Труднее всего было преодолеть вторую ступень. Оказалось, что основные принципы механики, установленные Исааком Ньютоном и применимые ко всем «большим» объектам, начиная с планет и Луны вплоть до корабельных двигателей и часов, в атомной области должны быть пересмотрены. Чтобы «понять атомы», приходится прибегать к совершенно новым идеям квантовой теории, следуя основополагающей работе Нильса Бора, обратившегося для этой цели к понятию кванта действия, который был открыт Максом Планком при объяснении поведения теплового излучения. В дальнейшем эти новые законы механики были сформулированы как законы «квантовой», или «волновой», механики, науки, которая дала нам исчерпывающие предписания для теории атома.
Преодолеть третью ступень — найти упрощающую модель для исследования атома — оказалось тоже сравнительно легко. Изучая допустимые орбиты для одного электрона, притягивающегося протоном (как в атоме водорода), Бор обнаружил, что поведение более сложных атомов можно объяснить, допуская, что каждый из электронов движется по одной из таких же орбит. При этом, однако, чем больше электронов в атоме, тем больше различных орбит они занимают; это является следствием открытого Вольфгангом Паули «принципа исключения», который строго ограничивает число электронов, двигающихся по заданной орбите.
Конечно, надо учитывать не только притяжение электронов ядром, но и их взаимное отталкивание. Мы упростим, однако, природу этого отталкивания и забудем, что оно непрерывно изменяется, когда электроны пробегают свои орбиты, а будем трактовать его как постоянное силовое поле. Иными словами, мы заменяем отталкивание от движущегося электрона отталкиванием от электрона, как бы равномерно размазанного по своей орбите. Это упрощение можно оправдать тем, что отталкивание распространяется на сравнительно большие расстояния, так что на каждый электрон действует одновременно множество других. Поэтому, если мы и недооценим влияние какого-либо электрона, который случится сравнительно близко к тому, за которым мы следим, то, вероятно, переоценим действие другого, который как раз окажется далеко.
Такую модель атома называют обычно «моделью оболочек», поскольку в ней удобно объединять в одну группу электроны, движущиеся по орбитам близких размеров, хотя и различных по форме и ориентации. Оболочкой и называется такая группа орбит.
Когда же ученые обратились к исследованию атомного ядра, они встретились с трудностями совершенно другой природы. Что касается общих законов динамики, то не было впечатления, что они требуют дальнейшего пересмотра: открытые в мире атомной физики законы квантовой механики представлялись вполне применимыми для мира ядра. Во всяком случае до сих пор в поведении ядер не обнаружено ничего предвещающего, что эти законы могли бы вести к ошибкам. Таким образом, наша вторая ступень не содержит здесь особых трудностей.
Ядерные силы
Первая же ступень — определение сил между частицами,— напротив, оказалась очень сложной задачей. И сегодня, после примерно 25 лет интенсивных исследований, мы все еще не можем претендовать на окончательный ответ, хотя теперь мы по крайней мере можем немало сказать о том, «на что эти силы похожи».
АТОМНОЕ ЯДРО
89
Их происхождение не может быть электрическим. Единственные электрические заряды, найденные в ядре,— это положительные заряды протонов, а одноименные заряды отталкиваются; поэтому электрические силы не могли бы сдерживать нуклоны в ядре. Кроме того, электрические силы слишком слабы. Мы знаем, что энергия притяжения двух разноименных зарядов (то есть работа, необходимая, чтобы развести их друг от друга) изменяется обратно пропорционально расстоянию. Энергия притяжения электрона и протона в атоме водорода составляет несколько электронвольт, и, поскольку поперечник атома водорода в 20 000 раз больше самого маленького ядра, для электрической энергии в ядре следовало бы ожидать величину порядка нескольких десятков тысяч электрон-вольт. В действительности же силы в ядре достигают многих миллионов электронвольт. Следовательно, ядерные силы гораздо более «могучи», чем электрические силы.
Ясно и то, что эти могучие силы действуют только на необычайно малых расстояниях. Уже в первой работе по прохождению заряженных частиц через вещество Резерфорд обнаружил, что даже в таких соударениях, когда заряженная частица приближается к ядру на расстояние всего лишь в несколько ядерных диаметров, заметным образом сказываются только электрические силы. Теперь мы знаем, что ядерные силы становятся совершенно несущественными для расстояний между частицами больших, скажем, четырех ферми. (Диаметр тяжелых ядер составляет примерно 15 ферми, диаметр водородного атома — примерно 100 000 ферми.) Поэтому не надо удивляться, что прежде физики не встречались с ядерными силами в своих лабораториях. Для изучения этих сил есть только один путь— бомбардировать водород или другие ядра быстрыми протонами или нейтронами при таких условиях, когда проявляется действие близких соударений.
Задача осложняется еще и тем, что ядерные силы, в отличие от простого закона обратных квадратов для электрических сил или сил тяготения, зависят от расстояния довольно сложным образом. Подчиняйся ядерные силы простому закону, немногих наблюдений хватило бы, чтобы разгадать их общую форму. Однако все простые догадки, основывавшиеся на нескольких опытах, неизменно опровергались дальнейшими экспериментами. Поэтому нам приходится трудолюбиво восстанавливать закон ядерных сил по отдельным обрывкам информации, которые удается извлечь из каждого опыта.
Несмотря на это, мы надеемся, что удастся вывести закон ядерных сил из более основных принципов, подобно тому как можно вывести закон обратных квадратов из основных законов электромагнетизма. Начало такому пути было положено японским физиком Хидеки Юкава, выдвинувшим, пользуясь аналогией с электромагнитным излучением, предположение о том, что ядерные силы должны быть связаны с новой формой излучения, которое могло бы переносить заряженные частицы, весящие в несколько сот раз больше электрона. Предсказание Юкавы нашло сильное подкрепление в открытии так называемых пи-мезонов. Картина, которую он предложил в качестве основы для объяснения механизма действия ядерных сил, качественно подтверждается многочисленными наблюдениями и служит путеводной нитью, направляющей наши рассуждения. Однако до сих пор использование этой идеи не привело к количественному выводу закона ядерных сил из-за огромных математических препятствий. Поэтому мы все еще не знаем, приведет ли аккуратное решение уравнений, воплощающих идею Юкавы, к правильным силам или же в таком подходе есть
88
Р. Е. ПАЙЕРЛС
зарядов, следующее привычному для каждого студента-физика «закону обратных квадратов». Труднее всего было преодолеть вторую ступень. Оказалось, что основные принципы механики, установленные Исааком Ньютоном и применимые ко всем «большим» объектам, начиная с планет и Луны вплоть до корабельных двигателей и часов, в атомной области должны быть пересмотрены. Чтобы «понять атомы», приходится прибегать к совершенно новым идеям квантовой теории, следуя основополагающей работе Нильса Бора, обратившегося для этой цели к понятию кванта действия, который был открыт Максом Планком при объяснении поведения теплового излучения. В дальнейшем эти новые законы механики были сформулированы как законы «квантовой», или «волновой», механики, науки, которая дала нам исчерпывающие предписания для теории атома.
Преодолеть третью ступень — найти упрощающую модель для исследования атома — оказалось тоже сравнительно легко. Изучая допустимые орбиты для одного электрона, притягивающегося протоном (как в атоме водорода), Бор обнаружил, что поведение более сложных атомов можно объяснить, допуская, что каждый из электронов движется по одной из таких же орбит. При этом, однако, чем больше электронов в атоме, тем больше различных орбит они занимают; это является следствием открытого Вольфгангом Паули «принципа исключения», который строго ограничивает число электронов, двигающихся по заданной орбите.
Конечно, надо учитывать не только притяжение электронов ядром, но и их взаимное отталкивание. Мы упростим, однако, природу этого отталкивания и забудем, что оно непрерывно изменяется, когда электроны пробегают свои орбиты, а будем трактовать его как постоянное силовое поле. Иными словами, мы заменяем отталкивание от движущегося электрона отталкиванием от электрона, как бы равномерно размазанного по своей орбите. Это упрощение можно оправдать тем, что отталкивание распространяется на сравнительно большие расстояния, так что на каждый электрон действует одновременно множество других. Поэтому, если мы и недооценим влияние какого-либо электрона, который случится сравнительно близко к тому, за которым мы следим, то, вероятно, переоценим действие другого, который как раз окажется далеко.
Такую модель атома называют обычно «моделью оболочек», поскольку в ней удобно объединять в одну группу электроны, движущиеся по орбитам близких размеров, хотя и различных по форме и ориентации. Оболочкой и называется такая группа орбит.
Когда же ученые обратились к исследованию атомного ядра, они встретились с трудностями совершенно другой природы. Что касается общих законов динамики, то не было впечатления, что они требуют дальнейшего пересмотра: открытые в мире атомной физики законы квантовой механики представлялись вполне применимыми для мира ядра. Во всяком случае до сих пор в поведении ядер не обнаружено ничего предвещающего, что эти законы могли бы вести к ошибкам. Таким образом, наша вторая ступень не содержит здесь особых трудностей.
Ядерные силы
Первая же ступень — определение сил между частицами,— напротив, оказалась очень сложной задачей. И сегодня, после примерно 25 лет интенсивных исследований, мы все еще не можем претендовать на окончательный ответ, хотя теперь мы по крайней мере можем немало сказать о том, «на что эти силы похожи».
АТОМНОЕ ЯДРО
89
Их происхождение не может быть электрическим. Единственные электрические заряды, найденные в ядре,— это положительные заряды протонов, а одноименные заряды отталкиваются; поэтому электрические силы не могли бы сдерживать нуклоны в ядре. Кроме того, электрические силы слишком слабы. Мы знаем, что энергия притяжения двух разноименных зарядов (то есть работа, необходимая, чтобы развести их друг от друга) изменяется обратно пропорционально расстоянию. Энергия притяжения электрона и протона в атоме водорода составляет несколько электронвольт, и, поскольку поперечник атома водорода в 20 000 раз больше самого маленького ядра, для электрической энергии в ядре следовало бы ожидать величину порядка нескольких десятков тысяч электрон-вольт. В действительности же силы в ядре достигают многих миллионов электронвольт. Следовательно; ядерные силы гораздо более «могучи», чем электрические силы.
Ясно и то, что эти могучие силы действуют только на необычайно малых расстояниях. Уже в первой работе по прохождению заряженных частиц через вещество Резерфорд обнаружил, что даже в таких соударениях, когда заряженная частица приближается к ядру на расстояние всего лишь в несколько ядерных диаметров, заметным образом сказываются только электрические силы. Теперь мы знаем, что ядерные силы становятся совершенно несущественными для расстояний между частицами больших, скажем, четырех ферми. (Диаметр тяжелых ядер составляет примерно 15 ферми, диаметр водородного атома — примерно 100 000 ферми.) Поэтому не надо удивляться, что прежде физики не встречались с ядерными силами в своих лабораториях. Для изучения этих сил есть только один путь— бомбардировать водород или другие ядра быстрыми протонами или нейтронами при таких условиях, когда проявляется действие близких соударений.
Задача осложняется еще и тем, что ядерные силы, в отличие от простого закона обратных квадратов для электрических сил или сил тяготения, зависят от расстояния довольно сложным образом. Подчиняйся ядерные силы простому закону, немногих наблюдений хватило бы, чтобы разгадать их общую форму. Однако все простые догадки, основывавшиеся на нескольких опытах, неизменно опровергались дальнейшими экспериментами. Поэтому нам приходится трудолюбиво восстанавливать закон ядерных сил по отдельным обрывкам информации, которые удается извлечь из каждого опыта.
Несмотря на это, мы надеемся, что удастся вывести закон ядерных сил из более основных принципов, подобно тому как можно вывести закон обратных квадратов из основных законов электромагнетизма. Начало такому пути было положено японским физиком Хидеки Юкава, выдвинувшим, пользуясь аналогией с электромагнитным излучением, предположение о том, что ядерные силы должны быть связаны с новой формой излучения, которое могло бы переносить заряженные частицы, весящие в несколько сот раз больше электрона. Предсказание Юкавы нашло сильное подкрепление в открытии так называемых пи-мезонов. Картина, которую он предложил в качестве основы для объяснения механизма действия ядерных сил, качественно подтверждается многочисленными наблюдениями и служит путеводной нитью, направляющей наши рассуждения. Однако до сих пор использование этой идеи не привело к количественному выводу закона ядерных сил из-за огромных математических препятствий. Поэтому мы все еще не знаем, приведет ли аккуратное решение уравнений, воплощающих идею Юкавы, к правильным силам или же в таком подходе есть
90
Р. Е ПАЙЕРЛС
какая-то существенная ошибка. Трудности возникают главным образом из-за гораздо большей силы ядерных взаимодействий по сравнению с электромагнитными, что приводит к необычайному усложнению математического анализа.
Итак, непосредственные опыты все еще являются лучшим источником информации о ядерных силах (рис. 6.1). Такие опыты требуют соударений при высоких энергиях, намного превосходящих энергии частиц в обычных ядрах. Причина этого лежит в волновых свойствах частиц — одной из
Рис. 6.1. Ядра кислорода бомбардируются нейтронами на этой установке в Брукхэвенской национальной лаборатории. Нейтроны получаются из Брукхэвенского ядерного реактора, бетонная защита которого видна справа. Ядра кислорода находятся в длинной трубе в средней части рисунка. Непоглотившиеся нейтроны подсчитываются в более коротком цилиндре слева внизу.
основных особенностей квантовой механики. Медленным частицам соответствуют волны большой длины, и изучение столкновений таких частиц не дает нам подробных сведений о тонких деталях сил, действующих между ними, подобно тому как смотря через микроскоп на пылинку, меньшую длины световой волны, можно заметить только неясное пятно, которое не вскрывает ни формы, ни природы рассматриваемой пылинки. Для получения частиц с достаточно малой длиной волны приходится доводить их энергию до нескольких сотен миллионов электрон-вольт. Поэтому сколько-нибудь детальные сведения о ядерных силах стали доступными лишь в последние годы в результате постройки ускорителей, способных создавать чистые пучки протонов, нейтронов и электронов нужной энергии. Потребность в высокоэнергичных пучках совершенно аналогична положению в атомной физике, где, для того чтобы получить детальное представление о структуре атома, приходится прибегать к рентгеновским лучам или пучкам электронов с энергией в несколько тысяч электрон-вольт, во много раз превосходящей энергию электронов в атоме, длина волны которых сравнима с
АТОМНОЕ ЯДРО
91
поперечником атома. Добытые таким путем результаты очень сложны, и, чтобы распутать данные наблюдений, приходится прибегать к помощи электронных вычислительных машин.
Я не пытаюсь привести в этой статье что-то вроде полного описания ядерных сил, а постараюсь подчеркнуть только те их особенности, которые будут иметь существенное значение для дальнейшего.
Мы уже указывали, что ядерные силы должны отличаться большой интенсивностью и малым радиусом действия. Поскольку они прочно скрепляют частицы, составляющие ядро, должно преобладать притяжение, однако они не могут быть чистыми силами притяжения, так как иначе тяжелые ядра испытывали бы «коллапс». Под этим словом понимают такое положение вещей, когда частицы располагаются в ядре столь тесно друг к другу, что каждая из них попадает в радиус действия сил притяжения всех других частиц. В таком случае энергия притяжения, приходящаяся на одну частицу, росла бы вместе с числом частиц и ядро занимало бы один и тот-же объем вне зависимости от числа составляющих его частиц. В действительности это не так, приходящаяся па частицу энергия примерно одинакова во всех ядрах, как легких, так и тяжелых, а объем ядра растет вместе с числом входящих в него частиц.
Обменные силы
Такое поведение, указывающее на ограниченность притяжения, называют обычно «насыщением» ядерных сил. Чтобы объяснить его, были выдвинуты две особенно правдоподобные идеи. Первая была предложена немецким физиком Вернером Гайзенбергом, одним из основателей квантовой механики. Он постулировал, что по крайней мере часть ядерных сил
Рис. 6.2. Схематическое изображение обмена зарядами в ядре. Когда быстрый нейтрон (красный шарик) ударяет по протону (черный шарик), то в половине случаев (слева) нейтрон продолжает лететь вперед. В другой половине случаев (справа) нейтрон и протон меняются зарядами.
между нейтроном и протоном связана с тем, что они меняются своими положениями, так что после соударения между ними нейтрону надо было бы следовать по бывшему пути протона, и наоборот. Обмен может легко произойти только при условии, что обе частицы движутся по весьма сходным орбитам, и, поскольку введенный Паули принцип исключения разрешает пользоваться одной и той же орбитой лишь ограниченному числу частиц, такие обменные силы подвергали бы каждую частицу действию сильного притяжения только со стороны немногих других. Бомбардировка протонов быстрыми нейтронами подтвердила эту идею, так как оказывается, что в большинстве случаев либо нейтрон, либо протон стремится лететь вперед, почти в точности повторяя скорость и направление прилетевшего нейтрона (рис. 6. 2). Поскольку столь быструю частицу трудно отклонить от ее
92
Р. Е. ПАЙЕРЛС
пути, это указывает, что падающий нейтрон продолжает лететь почти прямо вперед, но что примерно в половине случаев он меняет свою природу и становится протоном, оставляя нейтрон позади.
Опыт привел, однако, к выводу, что только половина сил носит обменный характер, в то время как другая половина, соответствующая нейтронам, которые продолжают после соударения лететь вперед, относится к «обычным» силам. Половины сил для насыщения недостаточно, поэтому и приходится привлекать какой-либо другой фактор. Таким вторым фактором, действующим в пользу насыщения, почти наверняка является изменение направления действия ядерных сил на малых расстояниях, так что, когда две частицы сближаются особенно тесно, притяжение сменяется отталкиванием (рис. 6.3). Представление о такой «отталкивающей

Рис. 6.3. Ядерные силы зависят от расстояния между частицами. Когда частицы очень близки, они расталкивают их (слева). При среднем расстоянии между частицами (в центре) эти силы притягивают их друг к другу. Если же разнести частицы еще дальше, то они не оказывают друг на друга почти никакого действия (справа).
сердцевине» у действующих сил совершенно обычно при описании поведения атома. Когда атомы образуют химические соединения, а также жидкие или твердые вещества, они удерживаются силами притяжения. Но
Рис. 6.4. Спин-орбитальные силы возникают из-за соотношения между спином и орбитой. Если две частицы (слева) вращаются в том же направлении, в котором они движутся по орбите, то силы между ними будут сравнительно велики. Если же они вращаются в противоположном направлении (справа), то силы будут сравнительно малы.
каждый атом имеет совершенно определенные размеры, и, когда два атома соприкасаются, их притяжение сменяется отталкиванием. Такое поведение можно сравнить с поведением двух резиновых мячей, связанных резинкой. Между мячами существует притяжение, но существуют и контактные силы, препятствующие центрам мячей сблизиться больше, чем на длину их диаметра. Вскоре после того, как стало ясно, что отталкивающая сердце-вина нужна для ядерных сил с теоретической точки зрения, опыты по соударениям быстрых частиц подтвердили существование такой сердцевины.
Из других особенностей ядерных сил следует упомянуть о «спин-ор-битальных» силах, то есть о том, что взаимодействие между двумя частицами зависит от ориентации их орбиты относительно их спина. Если две частицы вращаются вокруг своих осей в том же направлении, что и обращаются одна вокруг другой, то притяжение между ними усиливается; если
АТОМНОЕ ЯДРО
93
же они вертятся в направлении, противоположном обращению, то притяжение ослабевает (рис. 6.4). Некоторые эксперименты по ядерным соударениям говорят в пользу спин-орбитальных сил, однако сложность их интерпретации оставляет место и для противоположной точки зрения.
Современное, хотя и весьма неполное, состояние наших знаний о ядерных силах достаточно для обсуждения поведения ядер и соударений между ними. Теперь нам необходим третий элемент нашей общей программы— простая модель, в рамках которой мы могли бы подойти к динамической задаче о движении 16 частиц в ядре кислорода или же 208 частиц в самом тяжелом стабильном ядре, ядре свинца.
Модели ядра
Выбор подходящей модели ни в коей мере не был самоочевиден. Правда, на недостаток предложений пожаловаться было нельзя. Действительной трудностью недавнего прошлого было скорее изобилие моделей, каждая из которых с успехом объясняла поведение ядра в какой-либо определенной ситуации, находясь в то же время в разительном противоречии как
с другими, столь же плодотворными моделями, так и с нашими представлениями о ядерных силах. Однако за несколько последних лет удалось достичь большого прогресса, наведя в этой неразберихе некоторый порядок и найдя обоснования для каждой модели в пределах той области, в которой ее, собственно, и применяли. Я постараюсь теперь изложить основные идеи, которые привели к этому развитию.
Наиболее естественным казалось использовать модель оболочек, столь плодотворную при рассмотрении атома. Действительно, первые попытки воспользоваться этой моделью предпринимались еще до открытия нейтрона, когда считалось, что ядра устроены из протонов и электронов. Исходящая из неправильных составных частей ядра, модель оболочек не могла достичь больших успехов в описании фактов, но в те дни этих фактов было известно так мало, что даже ей удалось все же про
Рис. 6.5. Модель ядерных оболочек представлена потенциальной «ямой», где группы горизонтальных линий изображают орбиты, которые могут быть заняты ядерными частицами. Группы сплошных линий изображают орбиты более низкой, а группы штриховых линий — более высокой энергии.
жить некоторое время.
После открытия нейтрона попытки построить модель ядерных оболочек возобновились. В такой модели пользуются представлением об орбитах (или квантовых состояниях) протонов и нейтронов, на которых каждый из них движется независимо под влиянием некоторого силового поля, представляющего усредненное действие всех остальных частиц, как и в случае электронов в атоме (рис. 6.5). Однако никак не удавалось правильно выбрать группы орбит и добиться того, чтобы они соответствовали правильным числам протонов и нейтронов, то есть объясняли бы повышенную устойчивость ядер с некоторыми определенными («магическими») числами протонов и нейтронов.
94
Р. Е. ПАЙЕРЛС
Та же идея была применена и к столкновению нейтронов с ядрами. Согласно модели оболочек падающий нейтрон должен был бы пролетать через ядро по своей собственной орбите, как через некоторое силовое поле, а индивидуальные соударения с частицами, составляющими ядра мишени, были бы редкими и несущественными. Поэтому в большинстве случаев нейтрон должен был бы испускаться с той же скоростью, с которой он влетел, и лишь изредка мог бы захватываться ядром. Все детали процесса не должны были бы существенно зависеть от скорости нейтрона.
Наблюдения таких столкновений, впервые предпринятые Ферми в Риме, привели к совершенно противоположной картине. Большая часть нейтронов, провзаимодействовавших с ядром, захватывалась, а их избыточная энергия излучалась в виде гамма-лучей. Более того, вероятность взаимодействия нейтрона с ядром оказалась сильнейшим образом зависящей от энергии. Было найдено много резонансов, то есть резко выделенных энергий, при которых нейтрон гарантированно захватывался ядром. У каждого из ядер мишени было много таких резонансов, а разности их энергий уменьшались зачастую вплоть до 100 эв — величины, в ядерном масштабе необычайно малой.
Резонансы оказались чрезвычайно резкими, а согласно квантовомеханическому принципу неопределенности резко определенная энергия связана с большим временем жизни. Итак, отсюда следует, что если только нейтрон попадает в ядро в резонансных условиях, то он останется там на очень долгое время, гораздо большее, чем потребовалось бы ему, чтобы пересечь область размером с ядро.
Модель жидкой капли
чиях, был предложен Бором. Он
Рис. 6.6. Капельную модель можно представить также и кучкой биллиардных шаров. Если посторонняя частица — такой же шар — входит в ядро, то возмущается движение всех остальных шаров.
Путь, который позволил разобраться в этих разительных противоре-“	~ понял, что ошибка совершалась, когда
представляли себе нейтрон как бы проходящим через некоторое силовое поле. Действительно, ядро плотно набито частицами, каждая из которых сильно взаимодействует как с влетающим нейтроном, так и со всеми другими. Вместо того, чтобы сравнивать происходящий процесс с пролетающей через солнечную систему кометой, что было вполне уместно для прохождения электрона через атом, следовало представить себе биллиардный шар, влетающий в пространство, плотно набитое такими же шарами (рис. 6.6). В результате должно начаться сложное движение всех шаров, а энергия движения лишнего шара должна вскоре распределиться между остальными шарами.
Возникающая в такой модели динамическая задача — это настоящая задача многих тел, в которой открывается необычайно много возможностей для отдельных деталей движения всех частиц. Но это значит, что правила квантовой механики приведут к громадному числу возможных состояний движения и возникновение большого числа резонансов становится понят-
АТОМНОЕ ЯДРО
95
ным. Видна также и причина, из-за которой нейтрон долго остается в ядре: когда энергия движения разделяется между многими частицами, ни одна из них не может набрать скорость достаточную, чтобы ускользнуть от общего притяжения. Пройдет немало времени, пока по игре случая какая-либо из частиц наберет запас энергии достаточный, чтобы вырваться наружу. В нашей наглядной картине с биллиардными шарами этого на самом деле не случится никогда, поскольку слишком много энергии рассеется за среднее время жизни на трение. В случае ядра аналогом трения будет потеря энергии за счет гамма-излучения; оно-то и ответственно за те случаи, когда нейтрон захватывается. Этот механизм менее действен, чем трение в примере с биллиардными шарами, и некоторым нейтронам все же удается вылететь.
Специалист-физик не будет взывать к аналогии с системой биллиардных шаров, которая недостаточно замкнута, но вспомнит об очень близкой ситуации, возникающей, когда молекула воды попадает на водяную каплю. Поэтому модель Бора называют обычно «капельной моделью».
Капельная модель привела к значительным успехам и сумела объяснить много детальных особенностей ядерных реакций. В этот момент казалось совершенно очевидным, что прежняя идея оболочечной модели, представлявшая частицы движущимися независимо, обречена на неудачу, так как из-за высокой плотности внутри ядра и большой интенсивности взаимодействий частице суждено пережить много соударений за время ее движения по орбите. Большинство физиков стало тогда рассматривать всю идею модели оболочек как недоразумение, однако некоторые, то ли из упрямства отказываясь согласиться с выдвинутыми против этой модели соображениями, то ли следуя более проницательной интуиции, которая убеждала их, что возражения можно будет как-нибудь обойти, продолжали изучать поведение ядер (в их основных чертах) в рамках этой модели.
Снова модель оболочек
Вскоре стало ясно, что существуют неопровержимые доказательства в пользу оболочечных представлений. Окончательный успех выпал на долю Марии Гепперт-Майер из Чикагского университета и И. X. Д. Енсена из Гейдельберга, когда они независимо друг от друга показали, что факты изумительно хорошо совпадают со слегка видоизмененной моделью оболочек. Новым было предположение, что если частица вращается в том же направлении, в каком она обращается вокруг центра ядра, то она будет двигаться по орбите, не совпадающей с орбитой частицы, вращающейся противоположно. Когда выдвигалась эта идея, еще не знали, что силы между частицами зависят от относительной ориентации спина и орбиты. Теперь эта идея кажется совершенно естественной. В результате этого уточнения оказалось возможным объяснить такую массу данных о поведении ядер, что в справедливости оболочечной модели не осталось никаких сомнений.
Но как же быть с соображениями о том, что взаимные возмущения движущихся по орбитам частиц должны быть весьма сильны и поэтому о справедливости модели оболочек не может быть и речи? С этой загадкой связан и вопрос о том, как следовало бы получать орбиты частиц, исходя из основных сил, действующих между ними. До сих пор орбиты выбирались исключительно из требования наилучшего возможного согласия с опытными данными; теперь хотелось бы понять и происхождение орбит.
На эти вопросы ответила серия исследований, начатых К. А. Брюкнером, который работает сейчас в Пенсильванском университете, и продол-
96
Р Е. ПАЙЕРЛС
женных многими другими. В этих работах разобраны два основных вопроса. Первая задача состояла в том, чтобы учесть принцип Паули, утверждающий, что только два нейтрона и два протона могут двигаться по одной и той же орбите. Если ядро находится в основном состоянии, то все орбиты низкой энергии заняты такими четверками частиц, и частицам очень трудно возмутить взаимное движение: чтобы отклонить частицу с ее орбиты, ее надо перебросить на какую-либо другую, а все орбиты низкой энергии уже заняты (рис. 6.7). Перебросить же частицу на орбиту, которой соответствует большая энергия движения, можно лишь в случае, если другой партнер соударения отдаст недостающую энергию, то есть перейдет к движению
Рис. 6.7. Орбиты малой энергии в модели ядерных оболочек могут быть заняты только двумя нейтронами (цветные шарики) и двумя протонами (черные шарики) каждая. При нормальном положении вещей (слева) все орбиты малой энергии заняты, частицы не могут ни получить, ни отдать энергию и потому не могут изменять своих орбит. У бомбардирующей частицы (вверху справа) есть лишняя энергия, поэтому она может обмениваться энергией с частицами ядра и перемещать их на более высокоэнергетические орбиты.
с меньшей энергией, что также невозможно, поскольку все подходящие орбиты заняты. Именно так ведут себя электроны в металле, которые трудно отклонить с их путей по той же причине. Как раз поэтому большинство металлов являются хорошими проводниками электричества.
Обоснование модели оболочек за счет принципа Паули внушало бы полное доверие, если бы не отталкивающая сердцевина ядерных сил. Силы отталкивания, возникающие между двумя частицами при очень тесном сближении, столь велики, что при лобовом столкновении одна частица не может пройти сквозь другую. Поэтому, несмотря на принцип исключения, оказывается, что частицы все же слегка отклоняются от своих орбит.
Это приводит нас ко второй стороне Брюкнерова подхода. При подробном исследовании соударений между двумя частицами, которые действуют друг на друга подобными силами отталкивания с весьма коротким радиусом действия, было выяснено, что отклонения частиц от своих путей зависят не столько от интенсивности отталкивания (в предположении, что оно достаточно сильно), сколько от расстояния, на котором оно действует. Если это расстояние, то есть поперечник сердцевины, достаточно мало, то и результирующее возмущение будет малым, так как частицам достаточно
АТОМНОЕ ЯДРО
97
лишь слегка «посторониться», чтобы пройти одна мимо другой. Но поперечник сердцевины ядерных сил действительно мал сравнительно со средним расстоянием между частицами в ядре, и поэтому можно надеяться, что обусловленное отталкиванием возмущение будет слабым. Для аккуратного описания таких соударений мы должны уметь точно решать задачу о столкновении двух частиц в присутствии сил отталкивания. К счастью, это можно сделать.
В то время как в атоме мы считали, что каждая частица движется под влиянием средней силы со стороны всех остальных частиц, задачу, возникающую для ядра, можно упростить, если принять, что происходят столкновения пар частиц, каждая из которых движется под влиянием средней
Рис. 6.8. Гигантские резонансы некоторого типичного ядра изображены цветной кривой. Каждая из вертикальных линий представляет обычный резонанс. Высота каждой линии соответствует тому, как много бомбардирующих нейтронов, захва-тится ядром или покинет его, потеряв часть первоначальной энергии. Гигантские резонансы наблюдаются, если бомбардировать ядро частицами меньшей энергии при худшем разрешении.

силы со стороны всех остальных. Воплощающее эти идеи математическое рассмотрение сразу позволило вычислить энергии связи и другие свойства ядер, основываясь только на сведениях о ядерных силах, выведенных из изучения столкновений двух частиц, без привлечения каких-либо дальнейших гипотез.
Рассмотренные идеи ни в коей мере не обесценивают аргументов Бора касательно добавления лишней частицы к ядру. Здесь мы сталкиваемся с частицей, обладающей солидным запасом лишней энергии, достаточной, чтобы извлечь частицу из ядра, если она и будет им захвачена. Поэтому частица без труда обменивается энергией с другими частицами ядра, не нарушая принципа Паули.
Но и в такой постановке задачу можно рассматривать с разных сторон. При изучении нейтронных резонансов, о которых говорилось выше, и аналогичных резонансов в соударениях протонов с ядрами выяснилось, что не все они одинаково сильны. Для заданной скорости нейтронов выделялись ядра с особенно сильными резонансами или, напротив, для какого-либо одного ядра выделялись некоторые области в спектре нейтральных скоростей, в которых резонансы были особенно ясно выражены. Такие области называют «гигантскими резонансами» (рис. 6. 8).
98
к е. пайеРЛС
Оптическая модель
Виктор Ф. Вайскопф из Массачусетского технологического института связал эти результаты с «оптической моделью» ядра, в которой мы возвращаемся к представлению о частицах, движущихся каждая сама по себе в силовом поле. Однако теперь мы добавим к этой картине новый элемент, будем считать, что частица может поглотиться, то есть выбыть из пучка бомбардирующих нейтронов. Как можно понять успех такого представле-
Рис. 6.9. Оптическая модель рисует ядро в виде слегка затуманенного прозрачного шара. Затуманенность изображает при этом, что налетающие нейтроны могут поглотиться ядром.
ния о независимо движущихся частицах с точки зрения аргументации Бора?
Существо ответа на этот вопрос и было найдено Вайскопфом. Его удобно выразить, рассматривая временную последовательность событий. Конечно, путь бомбардирующей частицы будет, по всей вероятности, возмущен столкновениями, но для этого потребуется некоторое время. Итак, проникнув в ядро, частица будет некоторое, хотя и малое, время обращаться по правильной орбите, и в этот начальный период решается вопрос о том, погрузится ли она действительно в глубины ядра или же вернется на поверхность (рис. 6.9). Вспомним теперь вновь о принципе неопределенности, который, как мы знаем, требует, чтобы говоря о малых интервалах
времени, мы не старались слишком точно фиксировать энергию. Поэтому мы должны рассматривать не нейтроны строго определенной энергии, а
пучок нейтронов, энергия которых варьирует в пределах тем более широ
ких, чем короче время, за которое они, вероятно, вступят в столкновения с частицами ядра. Подобные смешанные пучки часто встречаются на опыте, если только экспериментатор не прилагает специальных усилий для выделения нейтронов одной и той же энергии. Если же нам придется иметь дело с опытами, в которых производилась точная селекция нейтронов по энергии, то надо будет размазать результаты наблюдений по нужной области энергий.
Теперь мы не увидим больше острых резонансов, так как они всегда будут попадать в используемую область энергий в большом количестве и результаты наблюдений будут отражать число и интенсивность резонансов, попадающих в выбранную энергетическую область. Сейчас мы можем подумать о том, как связаны эти результаты с первой, краткой фазой события, и заключить, что, поскольку в течение этой фазы нейтрон движется по регулярной орбите, он должен отражать свойства такой орбиты. Такое рассуждение непосредственно приводит нас к представлениям оптической модели, в которой нейтроны движутся по регулярным орбитам. Поглощение, введенное в оптическую модель Вайскопфом, отражает просто то обстоятельство, что частица не остается на такой орбите навсегда, но рано или поздно сбивается с нее, сталкиваясь с другими частицами.
АТОМНОЕ ЯДРО
29
Таким образом, интенсивность поглощения сводится к вероятности, с которой такие столкновения происходят внутри ядра. Если они случаются очень часто, так что частица, прежде чем столкнуться с чем-нибудь, может покрыть лишь малую долю ядерного поперечника, то соответствующие одпочастичным орбитам «гигантские резонансы» расплываются и становятся ниже. Если же они ясно выражены и четко разделяются, то у частицы есть много шансов завершить по крайней мере одно обращение по орбите. В этой связи видно, что крайняя форма боровской капельной модели или наш простой пример с биллиардными шарами изображает положение в несколько утрированном виде. Но мы достигнем успеха, сочетав данное Бором объяснение многочисленных острых резонансов за счет многочастичного аспекта проблемы с налагающимися на них гигантскими резонансами, отражающими начальную стадию процесса.
Нам остается упомянуть о количественной стороне оптической модели — в частности, о том, как долго частица может оставаться на орбите, прежде чем тесное соударение с другой частицей сбросит ее оттуда,— и о ее связи с основными силами. В этом направлении сейчас предпринимаются обещающие попытки. В группе автора в Бирмингамском университете этой работой занят Г. Е. Браун. В частности, кажется, что малая вероятность соударений, по-видимому, опять-таки связана с принципом Паули. Как мы видели, в основном состоянии ядра этот принцип решительно подавляет возможности соударений. В случаях рассеяния на ядре, когда свободной энергии больше, соударения могут происходить чаще, поскольку оказывается больше доступных, еще не занятых орбит, но запрещение частично еще действует и вероятностям соударений все еще далеко до подсказываемых моделью биллиардных шаров, в которой квантовые эффекты, включая и принцип Паули, не играют никакой роли.
Мы приходим к такой картине, в которой различные и даже частично противоречащие друг другу модели ядра рассматриваются как совместимые части единого целого, будучи, каждая, приспособлены, чтобы отвечать на свои определенные вопросы о поведении ядра. Существуют и такие вопросы, для ответа на которые приходится привлекать новые модели, например очень важную «коллективную модель», развитую Оге Бором и Б. Мотельсоном в Копенгагене, однако задача, связанная с тем, чтобы описать их и показать, какое место занимают они в общей картине, выходила бы за рамки этой статьи.
СОДЕРЖАНИЕ
От издательства....................................................... 3
Роберт Р. Вильсон, Ускорители частиц.................................. 5
Герман Ягода, Треки — следы ядерных частиц............................25
И, Перлман и Г. Т. Сиборг, Синтетические элементы ....................35
Альберт Гиорзо и Гленн Сиборг, Новейшие синтетические элементы........55
Роберт Хофгитадтер, Атомные ядра......................................72
Р. Е. Пайерлс, Атомное ядро...........................................87
Цена 23 коп.
Настоящий сборник научно-популярных статей является первым выпуском непериодической серии сборников под общим названием «Над чем думают физики». Каждый сборник этой серии будет посвящен какому-либо важному разделу современной физики. В сборники включаются статьи крупных советских и зарубежных ученых, в которых «из первых рук» рассказывается о ведущихся ими исследованиях. Сборники должны помочь читателю ознакомиться с физикой наших дней, ее сегодняшними и завтрашними проблемами, понять, как делаются научные открытия.
Данный сборник содержит статьи, относящиеся к различным проблемам физики атомного ядра. Все статьи этого сборника переведены из американского научно-популярного журнала «Scientific American». Две первые статьи известных американских физиков-экспериментаторов Роберта Вильсона и Германа Ягоды рассказывают об экспериментальных методах исследования атомных ядер. Следующие две статьи, автором которых является лауреат Нобелевской премии Гленн Сиборг, посвящены новым искусственно созданным элементам периодической системы Д. И. Менделеева. В двух последних статьях, написанных крупными физиками-теоретиками Робертом Хофштадтером и Рудольфом Пайерлсом, рассматривается современное состояние теории и эксперимента в области физики атомного ядра.