Курс истории физики

Степанович Кудрявцев Павел

Опыты Ферми

Вернемся к открытию искусственной радиоактивности. Оно вызвало широкий резонанс, и в короткое время был получен ряд новых радиоактивных изотопов. Но особенно важными были исследования Э. ферми и его сотрудников, начавшиеся весной 1934 г. ферми пошел совершенно по новому пути, он начал облучать элементы нейтронами.

Ферми решил, как он писал в статье «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой», «выяснить, не вызывает ли нейтронная бомбардировка наведенной радиоактивности — явления, аналогичного наблюдаемому супругами Жолио

при облучении а-частицами». Это было неожиданно и смело. «Я помню, — писал О. Фриш, — что моя реакция и реакция многих других была скептической: эксперимент Ферми казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем ex-частиц». В самом деле, супруги Жолио и другие физики бомбардировали элементы а-частицами, вылетавшими из радиоактивного препарата. В опытах же ферми эти частицы сначала использовались для получения нейтронов, которых выделялось очень немного, а затем уже начиналось облучение элементов полученными нейтронами. «Стреляли» не «снарядами», а продуктами попадания этих снарядов. Сами «нейтронные пушки» ферми были маленькими трубочками в несколько сантиметров, заполненными смесью бериллия и радона. Вот как ферми описывал один из таких источников нейтронов размером всего 1,5 см: «Это была стеклянная трубочка..., в которой находились зерна бериллия; раньше чем запаять трубочку, надо было ввести в нее некоторое количество эманации радия. Альфа-частицы, испускаемые радоном, в большом числе сталкиваются с атомами бериллия и дают нейтроны...»

«Опыт выполняется следующим об разом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещается пластинка алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляется на некоторое время, которое может составлять минуты, часы, дни (в зависимости от случая). Нейтроны, вылетающие из источника, ударяют в какие-либо из ядер вещества. При этом происходит множество реакций самого различного типа».

В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 г., ферми, бомбардировавший алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении расщеплений «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками а-частиц и протонов». Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов.

Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с ф. Разетти и О. Д Агостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами». Среди активных продуктов бомбардировки урана было найдено три с периодом полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и еще два с периодом от 40 мин до одного дня. При этом оставалось неясным, «представляют ли эти периоды последовательные или альтернативные процессы распада».

Ферми со своими сотрудниками предпринял попытку химической идентификации р-активного продукта с периодом полураспада 13 мин. Он установил, что 13-минутная активность может быть обусловлена изотопами урана (Z — 92), протактиния (Z = 91), тория (Z = 90), актиния (Z = 89), pa-дет (Z = 88), висмута (Z = 83), свин-qa(Z = 82), а также «экацезия» (Z = 87) и радона (Z = 86). Ни один из тяжелых элементов не является химическим аналогом радиоактивного продукта с 13-минутным периодом. Естественно, что ферми и в голову не приходило сравнивать его с элементами из середины периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, и он сделал предположение, что «атомный номер соответствующего элемента может быть больше 92». Так появилась гипотеза трансурановых элементов.

Э. Резерфорд с большим интересом следил за опытами ферми. Еще 23 апреля 1934 г. он писал ему: «Ваши результаты очень интересны, и нет никакого сомнения, что в дальнейшем нам удастся получить больше сведений о действительном механизме этих превращений». Летом сотрудники ферми Э. Сегре и Э. Амальди были в Кембридже у Резерфорда и привезли ему обзорную статью «Искусственная радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой», авторами которой были Э. ферми,

Э. Амальди, О. Д'Агостино, ф. Разетти и Э. Сегре. Статья содержала полный отчет об опытах, проводившихся в физической лаборатории Римского университета. Резерфорд, как президент Лондонского Королевского общества, передал статью для публикации в «Трудах» общества.

Статья появилась в том же, 1934 г. В ней говорилось и о бомбардировке урана, причем в числе продуктов бомбардировки был идентифицирован еще элемент с 90-минутным периодом полураспада. «90-минутный и 13-минутный активные продукты, — говорилось в статье, — обладают, по-видимому, совершенно аналогичными химическими свойствами, так как в реакции любого типа они получаются примерно в одинаковой пропорции. Поэтому обе эти активности, по-видимому, обусловлены продуктами с атомами номером выше 92,— возможно, изотопами одного и того же элемента».

22 октября 1934 г. ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсо-держащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. В статье «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», написанную ферми совместно с Э. Амальди, Б. Понтекорво, ф. Разетти и Э. Сегре, было выдвинуто следующее объяснение этих фактов: «Нейтроны быстро теряют энергию в ряде повторных столкновений с ядрами водорода... можно ожидать, что после нескольких соударений нейтроны будут двигаться подобно молекулам диффундирующего газа, достигая в конечном счете энергий, соответствующих тепловому движению». Опыты ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов.

Теория в-распада Ферми

Таким образом, Э. ферми в 1934 г. добился замечательных результатов, идя по избранному им пути. Но, помимо этих экспериментальных результатов, 1934 г. был годом замечательных теоретических достижений ферми. Уже в декабрьском номере 1933 г. итальянского журнала «Ricerca Scientifica» были опубликованы его предварительные соображения о в-распаде; в начале 1934 г. в «Zeitschrift fur Physik» была опубликована его классическая статья «К теории р-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория р-распада, основанная на существовании нейтрино; при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра в-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом ».

Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейт-ронной модели ядра, приняв также гипотезу изотопического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели В основу своей теории ферми кладет следующие предложения:

а) Полное число электронов, равно как и число нейтрино, не обязательно должно быть постоянным. Электроны (или нейтрино) могут возникать и исчезать...

б) Тяжелые частицы, нейтроны и протоны, можно рассматривать, следуя В. Гейзенбергу, как два внутренних квантовых состояния тяжелой частицы. Сформулируем это, введя некоторую внутреннюю координату тяжелой частицы р, могущую принимать только два значения: р = 1, когда частица является протоном, и р=— 1, если она оказывается нейтроном.

в) Гамильтонову функцию системы из тяжелых и легких частиц нужно выбрать таким образом, чтобы каждый переход нейтрона в протон сопровождался возникновением электрона и нейтрино, а обратный процесс — превращение протона в нейтрон — сопровождался исчезновением электрона и нейтрино. Заметим, что тем самым обеспечивается сохранение заряда».

Комментируя теорию ферми, ф. Ра-зетти писал: «Построенная им на этой основе теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме».