Первое искусственное превращение химических элементов

Наука и жизньНаука

Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики

Алексей Левин

Эрнест Резерфорд, выдающийся физик, основатель блестящей экспериментальной школы. Двенадцать учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевских премий по физике и химии. Источник: Smithsonian Institution, SIL-SIL14-r004-07

Эрнест Резерфорд (1871—1937) прославился многими открытиями. Среди них на первом месте и по значению, и по известности стоит планетарная модель атома, которую он придумал в 1911 году. Она стала предтечей первой квантовой теории атомных электронных оболочек, два года спустя предложенной Нильсом Бором и вскоре обобщённой Арнольдом Зоммерфельдом. За три года до этого, в 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ. Именно Резерфорд обнаружил (в 1899 году), что уран испускает два вида частиц, которые он назвал альфа- и бета-лучами, а позднее доказал, что альфа-частицы представляют собой полностью ионизированные атомы гелия. Были у него и другие замечательные свершения, среди которых я бы прежде всего назвал первое искусственное превращение химических элементов. Хотя его эксперименты и не закончились «преобразованием свинца в золото», они указали на принципиальную возможность исполнения вековечной мечты алхимиков. История и постистория этих исследований Резерфорда не слишком хорошо известны, но они заслуживают того, чтобы о них знать.

Кислород из азота

В 1907—1919 годах Эрнест Резерфорд возглавлял кафедру физики в Манчестерском университете королевы Виктории. Незадолго до начала Первой мировой войны его ассистент Эрнест Марсден начал довольно рутинный эксперимент, в ходе которого сравнивалось прохождение альфа-частиц через водород и обычный воздух. Результат первой серии наблюдений был вполне предсказуем — альфа-частицы выбивали из ёмкости с водородом его атомы, которые потом давали вспышки на сцинтиллирующем экране. Можно было ожидать, что во второй серии число вспышек резко упадёт, так как содержание водорода в воздухе составляет малые доли процента. Поскольку этого не случилось, Марсден решил, что здесь работает какой-то новый механизм генерации частиц водорода, но наблюдений не продолжил. Вскоре он уехал преподавать в Новую Зеландию, а потом был мобилизован в британскую армию.

В 1917—1918 годах Резерфорд сам занялся этой аномалией. Он предположил, что она как-то связана с атомами основного компонента воздуха, то есть азота. Эту гипотезу он проверил и подтвердил в серии экспериментов всё с теми же альфа-частицами. В итоге он пришёл к выводу, что при прохождении альфа-частиц, испущенных веществом RaC (радий C, так тогда называли радиоактивный изотоп висмута) через ёмкость с чистым азотом, молекулы этого газа порождают либо атомы водорода, либо другие атомы с удвоенным атомным весом. В то время подобный результат выглядел весьма парадоксально.

Сейчас мы знаем, что Резерфорд осуществил ядерную реакцию превращения азота в кислород 14N + 4He → 17O + 1H, но до подобного понимания процесса тогдашняя физика ещё не дошла. Первым такой вывод в 1924 году сделал ученик Резерфорда Патрик Блэкетт, который наблюдал и фотографировал следы этой реакции в камере Вильсона. Стоит отметить, что обнаруженный Блэкеттом по треку в вильсоновской камере изотоп кислорода с атомным весом 17 тогда ещё не был известен науке.

Ядерная реакция превращения азота в кислород при столкновении с альфа-частицей (ядром гелия), которую впервые наблюдал Резерфорд.

Пока же Резерфорд главным результатом эксперимента счёл доказательство того, что в состав ядер азота входят ядра водорода, поскольку те высвобождаются при распаде атома азота в результате столкновения с быстрыми альфа-частицами. Свои наблюдения и теоретические выводы он представил в большой четырёхчастной статье1, опубликованной на следующий год после окончания Первой мировой войны, в 1919 году.

Эта статья наполнена важнейшими результатами. Во-первых, Резерфорд пришёл к заключению, что ядра водорода надо считать такими же основными компонентами вещества, как электроны и альфа-частицы. Во-вторых, там продемонстрировано искусственное расщепление элементов со стабильными ядрами, не обладающими природной радиоактивностью. В-третьих, как писал Резерфорд, есть все основания полагать, «что α-частица имеет сложную структуру и, вероятно, состоит из четырёх ядер водорода и двух отрицательных электронов». Наконец, из статьи можно понять, что рассеяние альфа-частиц на ядрах мишени не всегда подчиняется классической механике. Сейчас, в ретроспективе, это очевидно: ядерные силы управляются квантовой механикой, но до такой интерпретации физика ещё должна была дойти.

Экспериментальная установка Резерфорда, на которой он впервые наблюдал ядерную реакцию превращения азота в кислород (схематичное изображение). Происходило следующее: Резерфорд бомбардировал альфа-частицами различные газы, которыми заполняли цилиндрическую трубку (A). Источник альфа-частиц (D) мог перемещаться по направляющей (B). Меняя расстояние между источником альфа-частиц и сцинтилляционным экраном из сульфида цинка (F), Резерфорд наблюдал в микроскоп (М), когда на экране появятся вспышки. Вспышка означала, что образовавшаяся при соударениях частица долетела до экрана. Так исследователь оценивал длину пробега частиц. Поглощающая пластинка (S) перед экраном задерживала сами альфа-частицы, пробег которых в воздухе — всего 7 см. Если длины трубки не хватало, то добавлялись ещё пластинки, имитирующие действие слоя воздуха. Когда трубка наполнялась водородом, появлялись частицы с очень длинным пробегом (~30 см). Резерфорд идентифицировал их как ядра водорода, которые ускорились ударом альфа-частицы. При заполнении трубки кислородом ядра водорода не появлялись, а при заполнении её азотом — снова возникали, причём с ещё большим пробегом (~40 см). Резерфорд пришёл к выводу, что при взаимодействии с альфа-частицами происходит разрушение ядер азота. Позднее выяснилось: при этом образуются ещё и ядра кислорода. Источник: Rutherford E. Philos. Mag., 37, 543
На фото: усовершенствованный вариант той установки, которую Эрнест Резерфорд использовал в экспериментах 1915—1919 годов. Источник: The Cavendish Laboratory Photo Archive/CC BY-NC 3.0

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Очищают ли растения воздух в доме? Очищают ли растения воздух в доме?

Как комнатные растения могут избавить нас от избытка углекислого газа

Наука и жизнь
Четверть — веха Четверть — веха

Несмотря на возраст, ТНТ продолжает искать новое и не боится экспериментировать

Правила жизни
Кунсткамера Кунсткамера

Самый маленький автомобиль в мире, ядовитый сад и запрещенное в США дерево

Наука и жизнь
Врач, который всегда был не согласен с коллегами Врач, который всегда был не согласен с коллегами

Макс фон Петтенкофер — основатель первого в Европе Института гигиены в Мюнхене

Знание – сила
Музыка Музыка

Неочевидный брит-поп, пост-панк и экологический манифест

СНОБ
Малопонятный государственный муж Малопонятный государственный муж

Портреты изображают Победоносцева человеком сухим и строгим, без тени улыбки

Дилетант
Игорь Миркурбанов: «Любое пение должно быть актерским» Игорь Миркурбанов: «Любое пение должно быть актерским»

Игорь Миркурбанов о своем новом спектакле-концерте и песнях Сергея Наговицына

Монокль
Владимир Никифоров: «Нельзя ни на минуту забывать, что ботокс, хоть и разведённый в миллионы раз, всё-таки смертельно опасный яд» Владимир Никифоров: «Нельзя ни на минуту забывать, что ботокс, хоть и разведённый в миллионы раз, всё-таки смертельно опасный яд»

Как яд стал медицинским препаратом? Отвечает доктор медицинских наук

Здоровье
«Мода — это язык мира» «Мода — это язык мира»

Карина Нигай о пути в моду, любимых брендах и новых целях

OK!
Зачем подводить итоги года и как сделать это грамотно Зачем подводить итоги года и как сделать это грамотно

Как итоги старого года помогут сделать будущий год еще продуктивнее

Maxim
Друзья человека: как психология помогает нам находить контакт с животными Друзья человека: как психология помогает нам находить контакт с животными

Почему между зверем и человеком больше общего, чем кажется

Psychologies
Водочный король: история Петра Арсеньевича Смирнова Водочный король: история Петра Арсеньевича Смирнова

Как крепостной крестьянин стал одним из самых богатых людей Российской империи

Maxim
4 совета, которые помогут вам пережить семейный ужин 4 совета, которые помогут вам пережить семейный ужин

Немного подготовки, и вам будут не страшны даже самые токсичные члены семьи!

Psychologies
Изучаем состав Изучаем состав

5 ингредиентов в составе зубной пасты, которые на самом деле опасны

Лиза
Борис Порфирьев, Александр Широв: «Решить климатические проблемы в лоб невозможно» Борис Порфирьев, Александр Широв: «Решить климатические проблемы в лоб невозможно»

Как и кем формируется глобальная климатическая повестка

Монокль
Вениамин Семёнов-Тян-Шанский и причуды топонимики Вениамин Семёнов-Тян-Шанский и причуды топонимики

О жизни и вкладе выдающегося географа В. П. Семенова-Тян-Шанского

Знание – сила
Маршруты Камчатки: «В приоритете туристы, обладающие экологически осознанным поведением» Маршруты Камчатки: «В приоритете туристы, обладающие экологически осознанным поведением»

Как развивается сфера туризма в одном из самых ярких и удаленных регионов России

ФедералПресс
Верим в добрые приметы Верим в добрые приметы

В новогоднюю ночь мы, как дети, начинаем верить в чудеса и приметы

Лиза
«Городок» «Городок»

Юмористическое шоу «Городок», выходило с 1993 по 2012 г.

Правила жизни
«Искусственный интеллект задает основнои вектор нашеи стратегии» «Искусственный интеллект задает основнои вектор нашеи стратегии»

Андрей Белевцев о том, каким он видит будущее AI и о нейроинтерфейсах

Деньги
За пределами Фрейда: как на самом деле работает психоанализ За пределами Фрейда: как на самом деле работает психоанализ

Как психоанализ работает и с какой целью люди приходят в психоаналитику?

Psychologies
Дорогие коллеги Дорогие коллеги

Как подобрать подарок для коллег или подчиненных и не прогадать

Лиза
Что есть будем Что есть будем

Чем опасны для ребенка здоровые пищевые привычки: 7 неочевидных факторов

Лиза
Плоды ошибок трудных Плоды ошибок трудных

Государство усиливает регулирование в сфере абортов

Монокль
Научная фантастика Поднебесной: с каких книг начать читать Лю Цысиня Научная фантастика Поднебесной: с каких книг начать читать Лю Цысиня

С каких произведений начать знакомиться с великим китайским фантастом Лю Цысинем

ТехИнсайдер
Как правильно сочетать пиво с едой Как правильно сочетать пиво с едой

Открываем новые вкусовые горизонты в сочетаниях алкоголя с едой

Maxim
Вся правда о мандаринах: какие самые сладкие и без косточек. И самое главное: сколько килограммов в день можно съесть? Вся правда о мандаринах: какие самые сладкие и без косточек. И самое главное: сколько килограммов в день можно съесть?

Как выбрать вкусные мандарины и сколько их можно съесть

ТехИнсайдер
Итоги-2023 Итоги-2023

Уходящий год был насыщен событиями, и вот некоторые из них

Агроинвестор
Антидворянец: «Вилла Родэ» Антидворянец: «Вилла Родэ»

Предлагаем вниманию читателя самые свежие слухи и сплетни столетней давности

Правила жизни
Лидеры и мнения Лидеры и мнения

Как за 25 лет изменились телевидение и люди, которые его создают?

Правила жизни
Открыть в приложении