Книга Лиза Мейтнер. Расщепление ядра - Роджер Корхо Оррит

Майер сделал важное открытие, доказав, что бета-излучение состоит из потока электронов. К такому же выводу одновременно пришли Беккерель и Фридрих Гизель. Ученые также стремились определить электрический заряд альфа-частиц, но это удалось сделать лишь Резерфорду в 1906 году, использовав мощные магнитные поля.

РАССЕЯНИЕ АЛЬФА-ЛУЧЕЙ

В конце 1906 года Мейтнер начала новые исследования, связанные с радиоактивностью. Было известно, что альфа-частицы обладают слабой проникающей способностью, однако требовалось выяснить, рассеиваются они, как утверждал Резерфорд, или поглощаются материей. Если происходит рассеяние, то это означало, по словам Резерфорда, что «атомы материи находятся в поле действия интенсивных электрических сил». Мейтнер в конце жизни вспоминала о том, как начала заниматься этой темой:

«Помню, как я занималась радиоактивностью в Вене, работая над вопросом рассеяния альфа-лучей на малые углы. Мое исследование началось в результате дискуссии одного физика из Праги и другого из Берлина. [...] Один из них говорил, что рассеяния на малых углах не существует, а второй настаивал на обратном. Тогда я подумала, что это можно было бы доказать экспериментально, и занялась данной темой в институте Стефана Майера. Венцы очень заинтересовались этим проектом. Майер и Швайдлер осуществили большую работу по радиоактивности».

Ее экспериментальная система для доказательства рассеяния лучей должна была направлять пучок альфа-частиц так, чтобы лучи проходили через матрицу из мелких параллельных металлических трубочек. Цель Мейтнер состояла в том, чтобы коллимировать лучи, то есть направить их вдоль металлических трубочек. Затем альфа-пучок должен был пройти через металлическую пластинку, после чего его вновь коллимировали при прохождении через еще одну систему трубочек. При изменении расстояния между коллиматорами ослабление было разным, и это доказывало, что альфа-лучи на самом деле при прохождении через пластинку рассеиваются. Этот эксперимент имел еще одно следствие: стало очевидным, что в зависимости от атомной массы металлической пластинки меняется показатель рассеяния, — чем больше была атомная масса атомов металла, тем больше рассеяние.

Мейтнер опубликовала результат эксперимента в 1907 году в немецком журнале Physikalische Zeitschrift («Физический жур-нал»} — одном из самых престижных научных изданий того времени. Так был дан старт ее научной карьере.

ИЗОТОПЫ

Изотопы — разновидности одного элемента, однако ядро их атома содержит разное количество нейтронов. Физики, приступившие к изучению радиоактивности в тот период, когда отсутствовало полное понимание внутренней структуры атома, думали, что существует гораздо больше элементов, чем это есть на самом деле. Для них все вещества с разной атомной массой были разными элементами. В1910 году Фредерик Содди заметил, что «элементы с разным атомным весом [сейчас мы называем его атомной массой] могут иметь одинаковые свойства», то есть соответствовать одной позиции в периодической системе. Он смог доказать это, сравнив атомные массы свинца, полученного в ходе серии ядерных распадов из урана, и свинца, полученного в результате превращений тория. Их массы отличались, и это подтверждало догадку Содди. Появление новых инструментов, таких как масс-спектрометр, позволило анализировать атомные ядра в зависимости от их соотношения масса — заряд. Это помогло установить, что казавшиеся новыми вещества были изотопами одного элемента.

Ядро протия состоит только из одного протона. В дейтерии, кроме протона, есть еще один нейтрон. В тритии ядро состоит из трех частиц — протона и двух нейтронов.

Вклад Чедвика

Благодаря открытию нейтрона, сделанному в 1932 году Джеймсом Чедвиком, стало возможным обосновать существование изотопов в соответствии с их ядерной структурой. Изменяющееся число нейтронов в атомном ядре объясняло изменение массы одного и того же элемента. Самый простой пример изотопов в природе мы можем привести, вспомнив о водороде. У этого элемента один протон в ядре. Если у него нет нейтронов, он образует изотоп протий; когда добавляется один нейтрон, получается дейтерий; изотоп с двумя нейтронами называется тритий (см. рисунок).

ЭЛЕКТРОСКОП

Электроскоп (см. рисунок 1) — это прибор для обнаружения электрического заряда. Он состоит из двух листов фольги — обычно из золота или алюминия, — подвешенных к металлическому стержню. Устройство размещается в стеклянном или металлическом сосуде. Стержень выступает из сосуда с одной из сторон, а при воздействии на него заряженным телом два листа заряжаются и вследствие электростатической силы взаимно отталкиваются. Таким образом можно было установить, имеет тот или иной объект электрический заряд. Первый электроскоп был сконструирован Уильямом Гильбертом (1544- 1603), английским физиком, пионером изучения свойств магнитов. Когда листы в электроскопе возвращались в первоначальную позицию, это означало, что они теряют заряд, несмотря на то что внутреннее устройство было электрически изолировано.

РИС. 1

Скоро был сделан вывод о том, что поскольку воздух слегка ионизирован, заряд может переходить от металлических листов к стенкам электроскопа. Однако существовали и сомнения, которые необходимо было развеять: почему воздух ионизируется? В1900 году Чарльз Вильсон (1869-1959), шотландский физик, получивший в 1927 году Нобелевскую премию за разработку туманной камеры, смог установить, что ионизация воздуха происходит вследствие естественной радиации, которая есть повсюду. Поэтому в электроскопах мы можем наблюдать, что заряженные листы постепенно возвращаются в начальное положение (см. рисунок 2). В присутствии радиоактивных веществ этот процесс ускоряется, и чем выше интенсивность радиации, тем он быстрее. Так электроскоп превратился в инструмент для измерения фоновой радиации радиоактивных материалов.

РИС. 2

Листы электроскопа, вид сбоку. Проводящие пластинки или листы, имеющие одноименный электрический заряд, взаимно отталкиваются.

ОТКРЫТИЕ ЯДРА

Мейтнер не стала исследовать, что именно вызывает рассеяние альфа-частиц. А Резерфорд, напротив, был одержим поиском ответа на этот вопрос, что привело его к исключительному открытию, — мы говорим об открытии атомного ядра в 1911 году. Взяв тончайшую металлическую пластину и приступив к ее бомбардировке альфа-частицами, он сделал следующий прогноз: если предложенная Томсоном пудинговая модель атома верна, то воздействующие на пластинку частицы не должны отклоняться от своей траектории. Электроны, плавающие в положительно заряженном облаке, имеют слишком небольшой размер, чтобы вызвать отклонение альфа-лучей от линейной траектории. Однако когда опыт, поставленный Марсденом и Гейгером (см. рисунок 3) указал на отклонение альфа-частиц, Резерфорд сделал вывод: «Если принять во внимание данное свидетельство в общем виде, самым простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, расположенный в очень малом объеме». Так было открыто атомное ядро (см. рисунок 4).