4
Сколько сам gamma-квант невидим в туманной камере Вильсона.
Существуют два обязательных условий рождения пары. Первое — энергия gamma-кванта должна превышать сумму энергий покоя компонент пары: МэВ. И второе — обязательное должно присутть ядро или электрон, которые присут на себя избыток энергии и импульса. Иначе нарушается сохранение энергии и импульса).
Рождение пар обязываило один непонятный эфект, с которым еще в 1930 году столкнулись исследователи. Эксперименты показали, что жесткие gamma-кванты поглощаются в веществе значительно сильнее, чем это предсказывала теория. Как оказалось, «анomalное» поглощение было связано с образованением пар. И вплоне вероято, что, если Андерсон и Блэкетт и Оккалини помедлили, часть обнаружения позитрона принадлежала бы физкам, занимающимся вопросами поглощения gamma-квантов.
«Мелодия превращается в скрипку»
Это — слова академика С. И. Вавилова. На одной из лекций он рассказывает о процессе, обратном реакции ангигляции, когда летающий gamma-квант рождает пару электрон+позитрон:
Такой процесс превращения электромагнитного поля в вещество был открыт почти одновременно в 1933 году четьрым группами физков — во Франции, Германии, Англия и США. На рисунке 2 — знаменитая фотография, полученная супругами Жоллю-Кюри. Вы видите, как пара части возникает словно из ничего, по-
7
К 1932 году на пороге открытия искусственного расшеления ядер стояло несколько групп ученых. Э. Лоуренс и М. Ливингстон (США) приступили к созданию нового прибора — циклотрона. В этом устройстве частицы разгонялись электрическим полем, а магнитное заворываюло их траекторию. Таким образом, пучок мог многократно проходит ускоряющий промежуток. Он движался по плоской спирали, набирая энергию и увеличивая радиус. К началу «года чудес» лаборатория Лоуренса обладала протонным пучком с энергией 2,2 МэВ. Но исследователи сразу стали монтировать циклотрон с гигантским (по тому времени) магнитом весом в 74 тонны.
Замечательный электростатический генератор был еще в 1929 году построен Ван-де-Граафом в Принстонском университете (США). Модель, созданная в 1931 году, могла ужеускорять частицы до энергией 1,5 МэВ при тоже в 25 мкА.
Мы не будем остановивать здесь на работах других групп. Все они шли к одной целли, шли параллельными или почти одинаковыми путими и почти «голова в голову». Но первый пришла группа из Кавендишской лаборатории.
В толстом томе трудов Королевского общества наречатана подробная статья Кокрофта и Уолтона с описанием электростатического генератора дляускорения протонов и других тяжелыхонов. Она построила в редакцию 23 февраля 1932 года.
Экспериментаторы вывели из трубки через тонкое слюдяное окно пучок протонов с энергией около 0,7 МэВ и… начали изучать их поглощение в воздухе в зависимости от величины приложенного напряжения. Одовременно роздались мысли о модернизации установки и замене ее частей (в начальной конструкции были использованы подручные детали, в частиности жестяники из-под печенья).
Итак, все группы исследователей в какой-то мере нарушали приведенную выше заповедь. В Кавендише это продолжалось недолго. По воспоминаниям различных лиц, величины «шторма», который устройл Резерфорд своим ученикам, достигла разных «баллов».
Самый смягченный, «штилевой» вариант приводит тот же Алибон: «Резерфорд все время справивал, ставили ли Кокрофт и Уолтон под пучок мишень; но поскольку они с головой ушли в измерения зависимости пробета от энергии, то ставить мишень даже не пробовали. Резерфорд настанвал и сердился за их медлительность. Поэтому они сделали мишень из лития и поставили эксперимент только для того, чтобы Резерфорд перестал ворчать». В результате было открыто искусственное расшеление ядер:
Об этом извещает письмо в редакцию «Nature» («Природа»), присланное 16 апреля 1932 года.
8
(За свою «покладистость» Кокрофт и Уолтон в 1951 году были удостоены Нобелевской премии.)
После этого открытия буквально в течение нескольких месяцев опыт по искусственному распределению был повторен несколько группами и в том числе — советскими физики, работавшими в Харькове: К. Синельниковым, А. Лейпунским, А. Вальтером и Г. Латышевым.
Теперь очень коротко расскажем о самом эксперименте Кокрофта и Уолтона.
Искусственное распределение ядра лития (апрель 1932 года)
Установка Кокрофта — Уолтона располагалась в большой светлой комнате. Вы видите ее на фотографии. Слева — четыре секции электросистемского генератора, справа — ускорительная трубка из двух секций. Остальные колонны — конденсаторы или изолирующие опоры.
Идея получения высокого напряжения качества очень простой. Если зарядить одинаковых emкостью до напряжения и соединить их последовательно, то разность потенциаль на концах цепи будет . Самое трудное — придумать механизм подзарядки такой системы. И эта задача была решена Кокрофтом и Уолтоном черезчайно острумно.
Второй важнейшей частью установки была ускорiosaная трубка, соответная из двух секций, к каждому из которых подводилось напряжение от генератора (до 350 тыссч волт). Таким образом, максимальная энергия протонного пучка могла составлять ~0,7 МэВ.
После «внушения», сделанного Резерфордом, на нижнем конце ускоряющей трубки появился установка для изучения искусственного распределения ядра лития (на фотографию она закрыта черной материей). Сначала схема опыта выглядела так, как это показано на рисунке 4. Пуок протонов padал на минень из лития, повернуть под углом 45° к направлению пучка. Вылетающие из минень а-частицы попадали на экран из сернистого цинка. Когда на такой экран попадает энергия (несколько МэВ) а-частица, происходит вспышка света, которое можно увидеть с помощью микросопа.
Приступив к опыту, исследователи начали понемного увеличивать напряжение на трубке. Когда оно достигло величины 125 кВ, появились первыые вспышки от а-частиц. Их еще было мало (5 штук в минуту при токе в 1 мкА), но чем больше увеличилось напряжение, тем чаще появлялись световые точки. Число вспышек оказалось пропорциональным току протонов.
Ожидаемая и неожиданная удача!
После первых успешных результатов, как всегда, наступило время их кропотливой проверки. Все — яркое вспышек, величина пробела частиц, характер следов в камере Виль-
9
сона (его был заменен счетчик всышек) — указывало на то, что это α-излучение с энергийой около 8 МэВ.
Однако изобретательные молоды физики проводили еще один, контROLный, эксперимент. Согласно расчетам, α-частицы, появляющиеся при ядерной реакции , должны разметаться под углом 180° *). Одновременная регистрация двух таких частных была бы полным подтверждением расшеления ядра. Для контROLного эксперимента была собрану установленка, в котором использовались два счетчика (два экрана), расположенные по разные стороны от мишени (на рисунке 5 — схема такой установки).
И вот оба экспериментатора смотрят в микроскопы. У каждой из них под рукой телеграфный ключ и движущаяся бумажная лента. Увивед всышку, надо нажать ключ, и он поставит точку на ленте. При сравнения оказалось, что точки совпадают (по времени) так часто, как это следовало из расчетов.
*) Энергия протонов много меньше, чем высвобождаемая в этом процессе и переходящая в кинетическая энергия α-частиц.
Рис. 4.
Рис. 5.
Еще немного об ускорителей
После 1932 года ускоритель зашагал семимильными шагами. В конце 1936 года разгоняемые в циклотроне α-частицы превозлили по своей энергии все, что давали естественные препараты. Шло время,рождались новые идиен, и создавались новые типы ускорителей. Как-то было подсчитано, что через каждые пять энергии ускоряемых частиц возрастили почти на порядок. Ускорителем стало тесно в комнатах, залах, потом в ангарах. Пришло время, когда увидеть ускоритель целком можно только с самолета. Если установка Кокрофа и Уолтона обошлась «ужасно дорого» (приблизительно в 1000 футов стерлингов), то потом эта цифра обросла таким количеством нулей, что строителью ускоритель стало под силу только богатым странам. Но и они обединиются для создания новых гигаентов.
В распоряжении физков оказались пучки самых различных частц и среди них — дейтонов (d) — ядер тяжелого водорода дейтерия D. Они составят из одного протона и одного нейтрона, то есть имеют заряд +1 и массу 2.
Удивительная судьба связаывает нейтрон и дейтон. Существование обихых было предсказано Резерфордом в 1920 году, и обе частицы были открыты в 1932 году.
Дейтон и тяжелая вода
16 февраля 1932 года в редакцию журнала Американского физического общества «Физическое обозрение» поступила стать «Изотоп водорода с массой 2 и его концентрирование».
Популярный сейчас журнал представляет во времяна своей молодости довольно тонкую, книжку и намного уступал своей известностью европейским изданиям.
Одно работа трех americanских ученых Юри, Брикведда и Мерфи была выдающимся собственным для всей физики.
Путь к обнаружению дейтона был далеко не легким. Подобно любому из путей к большому открытию, он