Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Однако если заполнить трубку водородом, то на экране время от времени начинают появляться очень яркие вспышки. Это можно объяснить тем, что иногда альфа-частица сталкивается с ядром водорода (то есть с протоном) и тот, оставив свой электрон, устремляется вперед. В этом случае скорость протона будет гораздо выше, чем у тяжелых ядер углерода и кислорода, и достаточной для того, чтобы при его столкновении с экраном возникла яркая вспышка.

Резерфорд обнаружил, что если заполнить трубку азотом, то на экране также появляются фотонные вспышки. Альфа-частица не могла толкнуть ядро атома азота сильнее, чем ядра углерода или кислорода, но вполне могла выбить из него протон, который и устремлялся к экрану.

В 1925 году английский физик Патрик Блэкетт (1897–1974) доказал это. Он бомбардировал альфа-частицами атомы азота внутри камеры Вильсона. В большинстве случаев альфа-частица оставляла за собой след из водяных капель, не сталкиваясь ни с одним ядром, и, когда ее энергия уменьшалась, присоединяла электроны и исчезала. Однако одна из 350 000 альфа-частиц все же встречала на своем пути препятствие.

В этом случае след ее траектории раздваивался на конце. Один конец был тоньше и довольно длинный. Это — ионизирующий протон, с меньшим, чем у альфа-частицы, зарядом (+1 против +2). Второй след был толстый и короткий. Это — отскочившее ядро атома азота, лишенное большинства электронов, благодаря чему оно получило высокий положительный заряд и соответственно сильные ионизирующие свойства. Тем не менее оно двигалось медленно и, быстро набрав электроны, лишилось этих свойств. Никаких следов альфа-частицы не было, значит, она присоединилась к ядру атома азота.

В 1919 году Резерфорд стал первым, кому удалось изменить структуру атомного ядра, то есть провести первую искусственную ядерную реакцию. (Это что-то вроде «ядерной химии»: нуклоны перераспределяются аналогично тому, как перераспределяются электроны в процессе обычной химической реакции.)

Предположим, вначале у нас было ядро атома азота (7 протонов, 7 нейтронов). Добавим сюда альфа-частицу (2 протона, 2 нейрона) и вычтем протон, который был «выбит» альфа-частицей. Получаем атом, состоящий из 8 протонов и 9 нейтронов, то есть кислород–17. В записи это выглядит так:

где подстрочный индекс — атомные числа, а надстрочный — массовые. 2He 4— это ядро атома гелия, или альфа-частица, а 1H 1— ядро атома водорода, или протон. Обратите внимание, что сумма атомных чисел и правой, и левой частей формулы равняется 9, а массовых чисел — 18. Согласно законам сохранения электрического заряда и массы, при любых ядерных реакциях суммы атомных и массовых чисел исходных и образующихся продуктов должны быть равны.

Физики разработали и более короткий способ записи формул ядерных реакций. Так как по названию элемента можно узнать его атомное число, в формуле его просто не пишут. Символом альфа-частицы является α, а протона — p. Таким образом, формулу 9.1 можно представить как: N 14(α, p)O 17.

По этой системе в левой части записывается ядро-мишень, затем в круглых скобках название ударяющей по нему частицы, потом — выбиваемой частицы. В правой части записывается остаточное ядро. Все семейство (α, p)-реакций можно представить в виде аналогичной формулы: в любой из таких реакций атомное число остаточного ядра будет на 1, а массовое — на 3 выше, чем у ядра-мишени.

Резерфорд провел и другие (α, p)-реакиии, однако встретился с серьезными ограничениями. Дело в том, что и альфа-частица, и ядро-мишень обладают положительным зарядом и отталкивают друг друга. Чем выше атомное число ядра, тем сильнее они отталкиваются, и даже самым быстрым альфа-частицам радиоактивных элементов не хватает энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания ядер элементов с зарядом выше калия (+19).

Нужно было найти способ получения субатомных частиц, энергия которых была бы выше, чем у радиоактивных частиц.

Заряженную частицу можно ускорить, подвергнув ее действию электрического поля, направленного по ходу движения частицы. Чем выше потенциал этого электрического поля, тем выше ускорение и энергия частицы.

Частица с единичным зарядом, например электрон, под действием электрического поля напряжением 1 вольт получает заряд энергии, равный 1 электронвольту (сокращенно эв). 1 эв равен 1,6∙10 –12. Для более крупных зарядов используется килоэлектронвольт (Кэв). 1 Кэв равняется 1000 эв.