Năm phép lạ

4

Bản thân lượng tử gamma có thể vô hình trong buồng mây trong bao lâu?

Có hai điều kiện bắt buộc để một cặp vợ chồng ra đời. Đầu tiên, năng lượng của lượng tử gamma phải vượt quá tổng năng lượng nghỉ của các thành phần trong cặp: $E_\gamma > 2m_e c^2 = 1,02$ MeV. Và thứ hai, phải có một hạt nhân hoặc một electron, chúng sẽ nhận năng lượng và động lượng dư thừa. Nếu không thì sự bảo toàn năng lượng và động lượng $^*$) bị vi phạm.

Sự ra đời của các cặp $e^+e^-$ là do một hiệu ứng khó hiểu mà các nhà nghiên cứu gặp phải vào năm 1930. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng tia gamma cứng bị hấp thụ trong vật chất mạnh hơn nhiều so với dự đoán của lý thuyết. Hóa ra, sự hấp thụ “dị thường” có liên quan đến sự hình thành các cặp. Và rất có thể là, nếu Anderson, Blackett và Occalini ngần ngại, thì một phần khám phá ra positron sẽ thuộc về các nhà vật lý nghiên cứu về sự hấp thụ tia gamma.

“Giai điệu biến thành tiếng vĩ cầm”

Đây là lời của Viện sĩ S.I. Vavilov. Tại một trong những bài giảng của mình, ông nói về quá trình ngược lại của phản ứng tạo góc, khi một lượng tử gamma bay tạo ra một cặp electron + positron:

$$\gamma \rightarrow e^+ + e^-.$$

Quá trình biến đổi trường điện từ thành vật chất này được phát hiện gần như đồng thời vào năm 1933 bởi bốn nhóm nhà vật lý - ở Pháp, Đức, Anh và Hoa Kỳ. Hình 2 thể hiện bức ảnh nổi tiếng được chụp bởi cặp đôi Jollus-Curie. Bạn thấy một vài phần xuất hiện như thể không có gì,

7

Đến năm 1932, một số nhóm nhà khoa học sắp khám phá ra sự giãn nở hạt nhân nhân tạo. E. Lawrence và M. Livingston (Mỹ) bắt đầu chế tạo một thiết bị mới - máy gia tốc cyclotron. Trong thiết bị này, các hạt được gia tốc bởi điện trường và từ trường làm lệch quỹ đạo của chúng. Như vậy chùm tia có thể đi qua khe gia tốc nhiều lần. Nó di chuyển theo hình xoắn ốc phẳng, thu thêm năng lượng và tăng bán kính. Vào đầu “năm của những điều kỳ diệu”, phòng thí nghiệm Lawrence đã có được chùm proton có năng lượng 2,2 MeV. Nhưng các nhà nghiên cứu ngay lập tức bắt đầu lắp đặt một máy gia tốc cyclotron với một nam châm khổng lồ (vào thời điểm đó) nặng 74 tấn.

Một máy phát tĩnh điện đáng chú ý được chế tạo vào năm 1929 bởi Van de Graaff tại Đại học Princeton (Mỹ). Mô hình được tạo ra vào năm 1931 đã có thể tăng tốc các hạt lên tới năng lượng 1,5 MeV ở cũng 25 μA.

Ở đây chúng ta sẽ không tập trung vào công việc của các nhóm khác. Tất cả họ đều hướng tới cùng một mục tiêu, đi những con đường song song hoặc gần như giống hệt nhau và gần như “đối đầu”. Nhưng người đầu tiên đến là một nhóm từ Phòng thí nghiệm Cavendish.

Trong cuốn sách dày cộm của Hội Hoàng gia có một bài viết chi tiết của Cockcroft và Walton mô tả một máy phát tĩnh điện dùng để gia tốc proton và các ion nặng khác. Bà đã xây dựng tòa soạn vào ngày 23 tháng 2 năm 1932.

Các nhà thí nghiệm đã loại bỏ một chùm proton có năng lượng khoảng 0,7 MeV ra khỏi ống qua một cửa sổ mica mỏng và… bắt đầu nghiên cứu sự hấp thụ của chúng trong không khí tùy thuộc vào độ lớn của điện áp đặt vào. Đồng thời, người ta nảy sinh ý tưởng về việc hiện đại hóa việc lắp đặt và thay thế các bộ phận của nó (trong thiết kế ban đầu, các bộ phận phế liệu đã được sử dụng, một phần là hộp đựng bánh quy).

Vì vậy, tất cả các nhóm nghiên cứu đều vi phạm điều răn trên ở một mức độ nào đó. Điều này không kéo dài lâu ở Cavendish. Theo hồi ức của nhiều cá nhân, độ lớn của “cơn bão” mà Rutherford tạo ra cho các học trò của mình đạt tới những “điểm số” khác nhau.

Phiên bản thoải mái, “bình tĩnh” nhất được đưa ra bởi cùng một Alibon: “Rutherford liên tục hỏi liệu Cockcroft và Walton có đặt mục tiêu dưới chùm tia hay không; nhưng vì họ hoàn toàn đắm chìm trong việc đo lường sự phụ thuộc của đầu dò vào năng lượng nên họ thậm chí không cố gắng đặt mục tiêu. Rutherford khăng khăng và tức giận vì sự chậm chạp của họ. Vì vậy, họ đã làm một mục tiêu lithium và thực hiện thí nghiệm chỉ để khiến Rutherford ngừng càu nhàu.” Kết quả là sự giãn nở hạt nhân nhân tạo đã được phát hiện:

$$\frac{7}{3} \text{Li} + p \rightarrow \alpha + \alpha.$$

Điều này được báo cáo trong một bức thư gửi biên tập viên của tờ Nature, gửi vào ngày 16 tháng 4 năm 1932.

8

(Vì “tính linh hoạt” của họ, Cockcroft và Walton đã được trao giải Nobel năm 1951.)

Sau phát hiện này, theo đúng nghĩa đen, chỉ trong vòng vài tháng, thí nghiệm về phân bố nhân tạo đã được lặp lại bởi một số nhóm, bao gồm cả các nhà vật lý Liên Xô làm việc tại Kharkov: K. Sinelnikov, A. Leypunsky, A. Walter và G. Latyshev.

Bây giờ chúng ta hãy nói ngắn gọn về thí nghiệm của Cockcroft và Walton.

Phân phối nhân tạo hạt nhân lithium (tháng 4 năm 1932)

Cơ sở lắp đặt Cockcroft-Walton được đặt trong một căn phòng rộng, sáng sủa. Bạn nhìn thấy cô ấy trong bức ảnh. Bên trái là bốn phần của hệ thống máy phát điện, bên phải là ống tăng tốc gồm hai phần. Các cột còn lại là bình ngưng hoặc giá đỡ cách điện.

Ý tưởng để có được điện áp chất lượng cao rất đơn giản. Nếu bạn sạc $n$ với các xương em giống hệt nhau đến điện áp $U_0$ và nối chúng nối tiếp, thì hiệu điện thế ở hai đầu mạch sẽ là $U=nU_0$. Điều khó khăn nhất là tìm ra cơ chế sạc lại hệ thống như vậy. Và bài toán này đã được Cockcroft và Walton giải quyết vô cùng khéo léo.

Phần quan trọng thứ hai của quá trình lắp đặt là một ống tăng tốc, bao gồm hai phần, mỗi phần được cung cấp điện áp từ máy phát điện (lên đến 350 nghìn volt). Như vậy, năng lượng cực đại của chùm proton có thể là ~0,7 MeV.

Sau “gợi ý” của Rutherford, một tác phẩm sắp đặt để nghiên cứu sự phân bố nhân tạo của hạt nhân lithium xuất hiện ở đầu dưới của ống gia tốc (trong ảnh nó được bao phủ bởi vật chất đen). Lúc đầu, thiết kế thí nghiệm trông như trong Hình 4. Một chùm proton rơi xuống một mỏ lithium, quay một góc 45° so với hướng của chùm tia. Các hạt a thoát ra khỏi mỏ chạm vào một tấm chắn làm bằng kẽm sunfua. Khi một hạt alpha năng lượng (vài MeV) chạm vào màn hình như vậy, một tia sáng sẽ xuất hiện, có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi.

Sau khi bắt đầu thí nghiệm, các nhà nghiên cứu bắt đầu tăng dần điện áp trên ống. Khi nó đạt tới giá trị 125 kV, những tia sáng đầu tiên từ hạt a xuất hiện. Vẫn còn rất ít trong số chúng (5 mảnh mỗi phút ở dòng điện 1 μA), nhưng điện áp càng tăng thì các điểm sáng càng xuất hiện thường xuyên hơn. Số lượng tia sáng tỷ lệ thuận với dòng điện proton.

May mắn được mong đợi và bất ngờ!

Sau những kết quả thành công đầu tiên, như mọi khi, đã đến lúc họ phải thử nghiệm kỹ lưỡng. Mọi thứ - độ sáng của tia sáng, kích thước của khe hở hạt, tính chất của dấu vết trong Vil-

9

son (đã được thay thế bằng máy đếm) - cho biết đây là bức xạ α có năng lượng khoảng 8 MeV.

Tuy nhiên, các nhà vật lý trẻ đầy sáng tạo đã tiến hành một thí nghiệm khác, có kiểm soát. Theo tính toán, các hạt α xuất hiện trong phản ứng hạt nhân $^7_3\text{Li} + p \rightarrow 2\alpha$ sẽ bị phân tán một góc 180° *). Việc đăng ký đồng thời hai thương số như vậy sẽ hoàn toàn xác nhận việc mở rộng kernel. Đối với thử nghiệm đối chứng, một thiết lập đã được lắp ráp trong đó hai máy đếm (hai màn hình) được sử dụng, nằm ở các phía đối diện của mục tiêu (Hình 5 hiển thị sơ đồ của một thiết lập như vậy).

Và thế là cả hai người thí nghiệm đều nhìn qua kính hiển vi. Mỗi người trong số họ đều có sẵn một phím điện báo và một cuộn băng giấy chuyển động. Sau khi nhìn kỹ, bạn cần nhấn phím và nó sẽ ghi một dấu chấm trên băng. Khi so sánh, hóa ra các điểm trùng khớp (về thời gian) thường xuyên như sau khi tính toán.

*) Năng lượng của proton nhỏ hơn nhiều so với năng lượng được giải phóng trong quá trình này và chuyển thành động năng của hạt α.

Hình 4.

Hình 5.

Tìm hiểu thêm một chút về máy gia tốc

Sau năm 1932, máy gia tốc đã có những bước tiến nhảy vọt. Vào cuối năm 1936, các hạt α được gia tốc trong cyclotron vượt quá năng lượng được tạo ra bởi các chế phẩm tự nhiên. Thời gian trôi qua, những ý tưởng mới ra đời và những loại máy gia tốc mới được tạo ra. Người ta từng tính toán rằng cứ năm lần năng lượng của các hạt được gia tốc lại tăng gần một bậc độ lớn. Máy gia tốc trở nên đông đúc trong các phòng, hành lang và sau đó là nhà chứa máy bay. Đã đến lúc bạn chỉ có thể nhìn thấy toàn bộ bộ phận tăng tốc từ trên máy bay. Nếu việc lắp đặt của Cockroff và Walton “đắt khủng khiếp” (khoảng 1.000 bảng Anh), thì con số này đã tăng quá mức với nhiều số 0 đến mức chỉ các nước giàu mới có đủ khả năng để chế tạo máy gia tốc. Nhưng họ cũng đoàn kết lại để tạo ra những gã khổng lồ mới.

Các nhà vật lý có sẵn các chùm hạt gồm nhiều loại hạt khác nhau, và trong số đó - deuteron (d) - hạt nhân của hydro nặng, deuterium D. Chúng bao gồm một proton và một neutron, nghĩa là chúng có điện tích +1 và khối lượng bằng 2.

Một số phận đáng kinh ngạc kết nối neutron và deuteron. Sự tồn tại của cả hai hạt đã được Rutherford dự đoán vào năm 1920 và cả hai hạt đều được phát hiện vào năm 1932.

Dayton và nước nặng

Vào ngày 16 tháng 2 năm 1932, các biên tập viên của tạp chí Physical Review của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ đã nhận được một bài báo có tựa đề “Đồng vị của hydro với khối lượng 2 và nồng độ của nó”.

Tạp chí phổ biến hiện nay, khi còn trẻ, là một cuốn sách khá mỏng và kém hơn nhiều so với các ấn phẩm châu Âu về mức độ phổ biến.

Một công trình của ba nhà khoa học Mỹ Urey, Brickwedd và Murphy là một công trình xuất sắc cho toàn bộ ngành vật lý.

Con đường khám phá dayton không hề dễ dàng. Giống như bất kỳ con đường nào dẫn đến một khám phá vĩ đại, nó