Дмитрий Трифонов
Эрнст Резерфорд в лаборатории.
Фото 1930-х годов.
«Альфа, виват!» Мы вправе так приветствовать ее: альфа-частицу, внесшую огромный вклад (где прямой, где косвенный) в изучение явления радиоактивности. Еще один повод отдать ей должное состоит в том, что ее «прикосновениям» к тайнам радиоактивности – открытию искусственного расщепления атомного ядра – в 2009 году исполняется 90 лет.
Покушение на постулаты
На исходе XIX столетия в мире химических элементов царило относительное спокойствие. Многие из них нашли свои законные места в периодах и группах менделеевской таблицы. Часть еще «металась» в поисках подходящего пристанища, а некоторые вообще оказывались на обочине системы. Постулаты классической атомистики были едины для всех: атом – материальная точка; число различных атомов равно числу элементов; все атомы одного элемента одинаковы; атомы неразложимы и не могут превращаться друг в друга.
Но приближались времена, когда стали сомневаться в незыблемости этих постулатов.
Судьбоносным для химических элементов стал 1896 год, когда Анри Беккерель, работая с образцами урановых солей, обнаружил явление, которое позднее было названо естественной радиоактивностью. За короткое время в природе обнаружили внушительную совокупность элементов, которые как раз и подвергались превращениям. Одним из таких элементов, например, был радий (по таблице Менделеева – химический аналог бария). Радиоактивных веществ за четверть века набралось около четырех десятков. Их стали называть радиоэлементами.
Некоторые из них настолько были похожи друг на друга по своим химическим и физическим свойствам, что им следовало бы занимать одно и то же место в периодической системе. Такие совокупности радиоэлементов получили название изотопов. Различные радиоэлементы резко отличались по продолжительности жизни, периоды их полураспада колебались от долей секунды до миллиардов лет.
На первых порах радиоактивностью считали только испускание лучей. В действительности кроме истинных лучей (их назвали гамма-лучами) испускалось два сорта материальных частиц – альфа-частицы (заряженные положительно) и бета-частицы, несущие отрицательный заряд. Названия «альфа» и «бета» для этих сортов частиц ввел Эрнст Резерфорд в 1899 году. Действительную сущность первых определили далеко не сразу, тогда как бета-частицы оказались обычными электронами.
Радиоэлементов начиная от урана – 46. Стабильных элементов в природе гораздо больше: от водорода до висмута (83), и три четверти из них также имеют изотопы (общим количеством около 260). Остальные элементы представлены единственной разновидностью атома. Важнейшая характеристика изотопа – массовое число: А=Z+М, где Z – порядковый номер элемента в периодической системе, а М – масса, атомный вес.
Планета под названием «атом»
В 1909 году Резерфорд и молодой магистр наук Томас Ройдс доказали, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Между тем уже долгое время дискутировался вопрос о том, как же, собственно, устроен сам атом.
В том же году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден поставили эксперименты по рассеянию альфа-частиц на тонких металлических пленках. Эти работы сыграли определяющую роль в последовавшем вскоре открытии Резерфордом атомного ядра и формировании представления о планетарной модели атома. В 1911 году Резерфорд разработал теорию рассеяния частиц в веществе.
Чуть позже, в апреле 1914 года, Эрнст Резерфорд предположил: «Возможно, что ядро атома способно изменяться при непосредственном столкновении с очень быстрыми электронами или атомами гелия... При благоприятных условиях эти частицы могут подходить очень близко к ядру или соединяться с ним». Не содержится ли в этой фразе Резерфорда предвидение возможности ядерного синтеза?
В апреле 1919 года он опубликовал несколько статей, посвященных изучению столкновения альфа-частиц с легкими атомами. Заключительная статья озаглавлена вполне определенно: «Аномальный эффект в азоте». В ней отмечалось, что при столкновении альфа-частиц с азотом появляются атомы, имеющие аномальную длину пробега. Оставался неясным механизм этой реакции: имел ли место акт расщепления атома? Во что превратилось бы ядро, какая судьба ожидала альфа-частицу?
Чтобы ответить на эти вопросы, потребовалось пять лет работы и удивительное упорство ученика Резерфорда Блэккета. Тот успешно воспользовался камерой Вильсона, позволявшей делать фотографии событий столкновения частиц. Но только шесть таких событий удалось обнаружить на фотографиях. Детальный анализ показал, что ядро азота теряет протон, но, приобретая альфа-частицу, то есть захватывая входящие в ее состав два протона, превращается в ядро изотопа кислорода-17.
Однако логика подсказывала, что для получения более тяжелых, чем кислород, элементов требовались более энергичные атомы азота. А для этого нужны были специальные ускорители частиц и иные методы изучения результатов. Такой энергетически очень активный инструмент для атомной физики вскоре был открыт.
 Таблица видов радиоактивного излучения. |
Крестники альфа-частиц
В 1930 году Вальтер Боте и Ханс Беккер показали, что бериллий при облучении альфа-частицами испускает сильно проникающее излучение, которое назвали «бериллиевым».
Спустя два года Фредерик Жолио и Ирена Жолио-Кюри заметили, что это излучение способно «выбивать» протоны из водородосодержащих веществ. Дальше этого вывода они не пошли, хотя, по существу, держали в руках новую элементарную частицу – нейтрон. Успех открытия нейтрона выпал на долю Джеймса Чедвика, о чем он сообщил в статье от 27 февраля 1932 года.
Так, альфа-частица, хотя и косвенным образом, способствовала открытию нейтрона, которое существенно повлияло на развитие теоретической и экспериментальной ядерной физики.
Нейтрон не нес заряда, потому мог проникать в ядра самых тяжелых элементов, далеко вперед продвинув возможности ядерного синтеза. Ядерные реакции на нейтронах нашли самое широкое применение. Одним из первых ими заинтересовался Энрико Ферми. Важным открытием Ферми оказался эффект замедления нейтронов при прохождении их через воду или парафин.
В 1934 году альфа-частице снова довелось проявить себя. Супруги Жолио-Кюри, огорченные неудачей с нейтроном, тем не менее продолжали исследовать действие альфа-частиц на легкие элементы – бор, магний и алюминий. Они наблюдали вылет протонов и нейтронов. Но однажды исследователи зафиксировали неожиданное явление – вылет позитронов, то есть положительно заряженных электронов, которые были открыты незадолго до этого. Поначалу Жолио-Кюри полагали, что имеет место совместный вылет нейтрона и позитрона, которые вместе как бы «эквивалентны протону».
В начале января 1934 года они обнаружили, что после удаления источника альфа-частиц испускание протонов и нейтронов прекращалось, но вылет позитронов продолжался. Вот что сообщали Жолио-Кюри в «Докладах Парижской академии»: «Алюминиевая фольга оставалась радиоактивной. И интенсивность испускаемого излучения падала экспоненциально. Такое же явление мы наблюдали с бором и магнием... При их превращении под действием альфа-частиц появляются новые радиоактивные элементы, испускающие позитроны... Вероятно, эти элементы представляют собой неизвестные изотопы, которые всегда нестабильны».
Статья в «Докладах...» называлась: «О новом типе радиоактивности» – позитронной. Он был зафиксирован для бора и магния. В заключение статьи говорилось: «Эти эксперименты дали первое химическое доказательство возможности искусственного превращения, а также того, что при этих реакциях происходит захват альфа-частицы».
Формулировка Нобелевской премии, присужденной Фредерику Жолио и Ирене Жолио-Кюри, гласила: «...за совместно выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Однако очевидно, что речь могла идти о новых радиоактивных изотопах, а не элементах. Явление получило название – искусственная радиоактивность. Но сама Ирена Жолио-Кюри отмечала, что этот термин недостаточно точен: «Действительно, явление состоит не в том, что ядро искусственно делают радиоактивным, а в том, что это ядро превращается в другое ядро, по своей природе неустойчивое. В результате искусственным путем получают радиоэлемент».
В 1940 году Эмилио Сегрэ с сотрудниками синтезировали первый изотоп элемента с порядковым номером Z = 85, который так и не удавалось обнаружить в природе.
Мишень из висмута-209 подверглась бомбардировке альфа-частицами. Итогом ядерной реакции стал изотоп элемента 85 с массовым числом 211. По существу, это был первый искусственный синтез химического элемента, отсутствующего на Земле. Элемент получил название астатин от греческого слова «неустойчивый» (Аt); теперь его именуют астатом.
Синтез же технеция (Z = 43), осуществленный в 1937 году Карло Перрье и Эмилио Сегрэ, в немалой степени носил случайный характер и вопрос о нем как первенце синтеза нового элемента не может быть бесспорным.
Альфа-частица использовалась как бомбардирующий агент при синтезе ряда изотопов трансурановых элементов – от америция до калифорния.
По всей видимости, «обреченная на вечную жизнь», альфа-частица сулит науке новые сюрпризы.
Дарья Гармоненко