8
Искусственная радиоактивность
(к 50-летию со дня открытия)
Кандидат физико-mатематических наук
А. А. БОРОВОЙ
В конце прошло века известный шведский инженер-химик, изобретатель динамита и один из богатейших промышленников Альфред Нобель оставил завышение, согласно которому проценты от его капитала в 31 миллион крон идут на выплату премии за выдающиеся работы по физике, химии, физиологии или медицинке, по литературе и за активную деятельность по укреплению мира.
Первую premio по физике в 1901 году получил немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген за открытие излучения, которое он назвал «Х-лучами», а мы привели назватьRENTGENOVSKIUM.
Очень скоро Нобельская premia по естественным научам стала общепризнанной международной наградиой. Ее вручают 10 декабря. Позднее Нобельские луреаты выступают с традиционной lekцией в зале Стокгольмского университета.
Комитет, выбирающий луреатов, считает обязательным, чтобы открытие прошло проверку временем. По тем или иным принципам, для многих ученых она затягивалась на десятилетия.
Однако Джеймс Чедвик, Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри, выступавшие перед шведскими и иностранными учеными 12 декабря 1935 года не могли пожаловать на долго время ожидания.*) Масштаб их открытия был оценен сразу, поскольку они вызвали настоящую революцию в физике.
Первым в тот вечер выступал Чедвик. Известный ученый, долгие годы работавший вместе со своим учительем Эрнестом Резерфордом, рассказывал об открытии нейтрана. Он было сделано весной 1932 года.
Затем на трибуну по очереди поднимаются супруги Жоллю-Кюри. В января 1934 года французские физики сообщили об открытии имми нового явления — искусственный радиоактивности.
«Впервые стало возможным внешней причины вызвать радиоактивность некоторых atoms ядер в течение определенного промежутка времени и в отсутствии вызвавшей ее причины».
Тепер они рассказывали об этом открытии, имеемх хотя и неprodолжительную, но довольно драматическую предысторию, самым темным образом связанную с обнаружением нейтрана.
Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри
«Для нас является великий честь и радость, что Шведская Академия наук присудила нам premio… после того, как она удостоила Нобельской premии Пьера и Марию Кюри в 1903 году и Марию Кюри в 1911 году за открытие радиоэлементов»,
— так начала свое выступление Ирен Кюри.
…А за десять лет до этоговадцатипятилетний инженер Фредерик Жоллю впервые появился в Институте радия, возглавляемом Марийей Кюри. Он приSEL договориться о месте лабората, на которой его
*) Чедвик получил premio по физике «За открытие нейтрана»; Ирен и Фредерик Жоллю-Кюри — premio по химии «За открытие искусственного радиоактивности и синтез новых радиоактивных элементов».
9
рекомендоваал профессор Ланжевен. Формальности были сведены к нулю: «Вы можете начать работу с завтрашнего дня?» — спросила его маленькая седая женишка с живыми глазами.
На первых порах молодому исследователю пришлось достаточно трудно, поскольку он имел самые поврежденные представления о радиоактивности. А все вокруг только ей и занимались, и особенно успешно дочь Марии Кюри — Ирен, защищшая в это время докторскую диссертацию.
Однако Фредерик удивительно быстро освоил и теории, и эксперимент. «Мальчик — настоящий фейерверк», — говорила о нем Мария Кюри. Процесс приобретения к радиоактивности привел к тому, что через год в зэричетворого округа Парижа был зарегистирован брак Ирен Кюри и Федерака Жолю.
Что связавало этих людей в течение тридцати лет их счастью и трудной жизни?
«Ирен… казалась прямой противоположностью Фредерику; она была настоящко же спокойна и невозмутима, насколько он — вспыльчив и экспансивен… При спорах она не шла ни на маленьую уступку. С безжалостной прямолинейностью Ирен выдвигала свои положения, прямо бросая их в лице собственника, даже если он занимамал высокое общественное положение. Напротив, Федерак Жолю, никогда не уступая по существу, умерло использовал свои способности, чтобы психологически подготовить собственника к принятию своей точки зрения» (П. Бикар)*.
Очевидно, для них как нельзя лучше подхолла любимая Фраза Нильса Бора: «Противоположности — это не противоречия, а дополнения!»
В 1930 году Федерак защищил докторскую диссертацию, и супруги Жолю-Кюри продолжили свои работы по изучению радиоактивности. Они хотели сделать мощный источник излучения, для того чтобыombардировать а-частицами различные вещества. Изготовление такого источника было не простым и далеко не безопасным делом. Пройдут годы, и радиоактивный полонный самый страшным образом напомнить о себе.
*) П. Бикар — профессор физики. Друг Жолю-Кюри.
10
No poka молоды физики стал обладаетями десяти миллиардов α-распадов в секунду.
В том же 1930 году в лаборатории появились пока еще иком не узналиные нейтроны.
Нейтрон
Нобелевская лекция продолжается:
«В течение последних лет были открыты разного рода искусственные превращения: одна вызываются α-лучами… другие нейтронами, то есть нейтральными частицами с массой 1, о которых говорил профессор Чедвик».
…Физики уже довольно долго — с 1896 года — занимались исследованием естественной радиоактивности. Радией, торий, полоний, … — всего около 30 веществ — испускали α-частицы (ядра геля), β-частицы (электроны) и γ-лучи (электромагнитное излучение). В 1919 году Резерфорд быстроми α-частицами расшиел ядро и обнаружил, что в состав ядер входят протоны — ядра водорода.
В 1930 году немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, бомбардиря α-частицами мишени из легких элементов, обнаружили излучение необчайной проникающей способности. Они называли его «берилиевые лучи» (поскольку лучшее эксперимент шел с бериллием) и решили, что это γ-лучи с огромной энергейой. Около года их работа не привлекала внимание, пока его не заинтересовалась Жоллю-Кюри. Они проведели красивые опыты — ставили на пути берилиевых лучей вещества, содержащие водород (например, парафин), — и обнаружили, что загадачные частицы выбивают из мишней ядра водорода — протоны. Испследатели измерили скорость этих протонов и пў нейценили энергию берилиевых лучей, считая, что это γ-кванты. Получалась огромная величины.
11 января 1932 года работа была доложена во Французской Академии наук. Жоллю-Кюри продолжали опыты, все еще считая, что имеют дело с γ-лучами. Возможно, что им понадобилось бы совсем немного времени, еще несколько недель, чтобы отбросить эту гипотезу и найти правильное решение. Но тут их опередили.
Чедвик, уже 12 лет безспешно искавший нейтрон (существование которого предсказал его учитель Резерфорд), сразу понял, с какими частицами имели дело французские физики. Его лабораторное оборудование было наготовое, и понадобился всего месяц для доказательства того, что берилиевые лучи — поток тяжелых нейтральных частиц — нейтронов. Ядерную реакцию взаимодействия α-частиц с бериллием надо было записать так:
Можно представить себе разочарование французских физков, которые так близко от физища уступили победу.
Позитрон
Из Нобелевской лекции:
«Мы наблюдали, что алюминий и бор испускают при облучении не только протоны и нейтроны, но также и положительные электроны».
Мы наблюдали…
Пришло время кратко расскаать о приборах, а точнее, об одном, самом любимом приборе Prefederico Жоллю-Кюри — камере Вильсона, с помощью которого велись эти наблюдения. В этой камере капельки жидкости, образующая вдоль траектории заряженной частицы, делают ее следы видимым и дают возможность сфоргаировать его. Большинство прибора в лаборатории Жоллю-Кюри было сделано руками самих экспериментаторов или, во всяком случае, им сконструировано. И камера Вильсона была большой и весла усвоершенствованной, так что след частицы мог бы растнуть почти в 80 раз по сравнению с обычным вариантом прибора. Кроме того, камера была помещена в магнитное поле, и следы положительных частиц в ней отклонались в одну сторону, а отрицательных — в другую. По кривизне
11
траектории можно было судить и об имплусе частицы.
…Жолно-Кюри продолжали работу, облучая α-частицами бор, фтор, натрий, и вскоре доказали, что в этих реакциях также появляются нейтроны (иногда и протоны). Тут они столкнулись с трудностями, которые и стали продолжом к открытию. Трудности состояли в том, что при испускании нейтрона, например, алюминим, в результате реакции
должны образоваться ядра фосфора-30, которое никакто в природе не встречал, тогда как ядра кремния-30 — — способно существовать.
Наверное, при облучении все же появляется кремний, — решили использовать, и стали изобретать механизм, при котором ядро фосфора-30 с зарядом +15 могло бы потерять единицу заряда, не меняя массы.
Сначала предположили, что оно захватывает во время реакции один из atomных электронов и превращается в ядро кремния:
Если бы все знать наперед! Ведь переход мог бы осуществлен и при испускании положительного электрона — позитрона. Более того, на фотографиях в камере Вильсона французские физики давно замещали следы, выходящие из мишени, по всем признакам электронные, но только поворачивающие в магнитном поле в сторону, соответствующее заряду . Они обьясняли их электронами, летящими назад — к мишени.
«Нильс Бор занитересовался этим chimkammi, но мы сделали ошибку, неудельвдолжного вимания этим следам».
Прошло еще несколько месяцев, прежде чем в космических лучах Андерсон открыл существование позитрона. Все вроде бы встало на свои места, и Жолно-Кюри могли теперь записать реакцию взаимодействия ядер алюминия с α-частицами в виде
Второй раз они были так близки к обнаружению новой частицы и второй раз опоздали!
Искусственная радиоактивность
Теперь следует то, что можно было бы назвать формулой открытия:
«Имеются два процесса, различно протекающие во времени. Сначала происходит захват α-частицы и мгновенное испускание нейтрона с образованным… фосфора-30… Затем этот неустойный, то есть новый радиоактивный элемент… распадает по экспоненциальному закону с временем полураспада в три минуты и образует кремний».
Но до этого обьяснения оставались еще места упорного труда. Осенью 1933 года на Сольвевском конгрессе в присутствии крупнейших физков супруги Жолно-Кюри расскаазали о своих опытах, при которых под действием α-лучей из ядер алюминия, фосра, натрия вылетали нейтроны и позитроны. «Большинство из присутствующих на конгрессе физков не поверило в правильность наших опытов. После заедания мы были очень огорченны, но в этот момент Нильс Бор ответел на сторону… и сказал, что придает больше значения полученным результатам. Вслед за этим и Паули поддержал нас своим одобренемом» (Ф. Ж-К).
Вернувшись с конгресса в Париж, Жолно-Кюри снова приступал к работе. И наконец пришел тот день, а точнее яварский вечер 1934 года, когда это произшло. Нензвестно, насоклько можно доверять легенде, которая быут среди физков, но согласно ей это произшло так. Ирен и Фредерик спешли закончить свои опыты, поскольку в тот вечер были приглашены в гости, спешли, и в результате кто-то из них опрокиннул амплуу с полонем. Альфа-частицы перестали попадать на алюминиеву фольгу, а счетчик продолжал считать позитроны, правда, все медленнее и медленнее.
Дальше легенда уже подтверждается восполнимами П. Бикара: «Все стало ясным… При условии, что пошелкивание счетчиков вызвано новым излучением, а не поломкой самих прибора. Этот вопрос Жолно задал себе в 6 часов вечера. Но они уже не могли отказаться от приглашения в гости. К счастью, в лабора-
12
Приборы, с помощью которых Жоллю-Кюри удалость выделить радиоактивные элементы.
торин работал молодой немецкий физик В. Гентнер, специализит по счетчикам. Жоллю… попросил его проверить правильность их действия…
На следующей утро Фредерик и Ирен нашли на своем столе запису Генттера, в котором он уверял, что счетчик в полном порядке».
Итак, когда уносили источник α-частиц, алиминевая фольга продолжала изучать позитроны! Они испускались еще некоторое время, при этом число их уменшалось вдвое каждые три минуты, строго следуя закону радиоактивного распада, который открыл Резерфорд для естественных радиоактивных изотопов.
Реакция взаимодействия α-частиц с алиминем представилась теперь с совершению новой стороны —
— и впервые были произнесены слова «искусственная радиоактивность».
…На трибуну поднимается Фре-, дерик Жоллю-Кюри и продолжает рассказ Ирен:
«Получив источников первых результатов при помощи выводов чистого физического характера, мы поставили свое целую подкрепить наши гипотезы с помощью… химических доказательств реализации вызываний превращений».
Физики на время превращлись в химikus, чтобы выделить образован-
шийся фосфор из алюминия. Сделать это было нелегко: ведь период полураспада фосфора мал — всего около трех минут. Кроме того, выделить несколько радиоактивных atoms вообще невозможно. Однако можно сначала подмешать к ним весомое количество неактивного фосфора-31, обладающего абсолотно теми же химических свойствами, а затем проводить извлечение. Атомы фосфора-30 будут всуду следовать за свойствами «братьями» — атомами фосфора-31.
Облученную алиминеву фольгу и кусочек красного фосфора помещали в пробирку с соляной кислотой. Из пробирки выделялся водород вместе с фосфористым водородом, которые и собирались в другую пробирку. Вся операция продельалась за считанные минуты. Потом пробирка с газами подносилась к счетчику, и он начал считать позитроны. Вот теперь можно было раздновать победу!
Оtkрытие завоевывает мир
«Число известных в настоящее время искусственного полученных радионзотопов уже превосходит число естественных радиоэлементов, которые находится в земной коре»,
— говорил Ф. Жоллю-Кюри.