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

11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Иван Охлобыстин: «Янковский был дедом фанатичным, а я обычный дед» Иван Охлобыстин: «Янковский был дедом фанатичным, а я обычный дед»

В рождении и воспитании детей есть нечто высшее

Караван историй
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
«Автор неизвестен»: объективная ценность произведения искусства «Автор неизвестен»: объективная ценность произведения искусства

Можно ли воспринимать анонимные произведения искусства

Монокль
Экстремалы в природе, или о пределах выносливости Экстремалы в природе, или о пределах выносливости

Они выбрали себе жизнь, какой не позавидуешь, и везде сумели освоиться

Наука и жизнь
Строить, не ломать Строить, не ломать

Очень надеемся, что облик XXI века определят не конфликты, а проекты городов

Robb Report
Геофизика: новые задачи и возможности Геофизика: новые задачи и возможности

Почему институт физики Земли носит имя Отто Юльевича Шмидта?

Наука и жизнь
Одиночество назвали независимым фактором риска смерти от всех причин Одиночество назвали независимым фактором риска смерти от всех причин

Связаны ли как-то одиночество и смерть? Отвечают ученые

N+1
Почва в объективе микроскопа Почва в объективе микроскопа

Микроморфология — наука, изучающая тонкие срезы почвы

Наука и жизнь
Банковская «цифра» для экспортера Банковская «цифра» для экспортера

Что сегодня позволяет получать господдержка российского экспорта

РБК
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Сильно бездействующие лекарства Сильно бездействующие лекарства

Отказ частных аптек от работы с сильнодействующими препаратами создает проблемы

Монокль
Краснодар: станица-мегаполис Краснодар: станица-мегаполис

Население Краснодара растет, и это резко усиливает дефицит инфраструктуры

Монокль
Биополимеры вошли в госзадание Биополимеры вошли в госзадание

Ученые не первый год работают над созданием биоразлагаемой пленки

Наука
Замена в команде Замена в команде

Какую функцию выполняют бакучиол, NAD+, транексамовая и азелаиновая кислоты

Grazia
Теневой биткоин: Как наказывают майнеров, ворующих электричество Теневой биткоин: Как наказывают майнеров, ворующих электричество

Энергетики сдерживают аппетиты воротил «серого» сектора биткоинов

ФедералПресс
Как праздновали Новый год в царской России и в Советском Союзе? Как праздновали Новый год в царской России и в Советском Союзе?

История праздника, который мы любим больше всего

Караван историй
Исследование: у владельцев собак риск развития деменции на 40% ниже Исследование: у владельцев собак риск развития деменции на 40% ниже

Люди старше 65 лет, у которых есть собаки, намного реже страдают деменцией

ТехИнсайдер
Сын Макконахи, король Англии, защитник Арракиса: экранная эволюция Тимоти Шаламе Сын Макконахи, король Англии, защитник Арракиса: экранная эволюция Тимоти Шаламе

Кинокритик Елена Зархина проследила экранный путь актера Тимоти Шаламе

Правила жизни
ВОЗмутительная политика ВОЗмутительная политика

Подходы к борьбе с табакокурением сегодня все больше напоминают охоту на ведьм

Наука
Атмосферная старина Атмосферная старина

Аутентичный, атмосферный интерьер, где много воздуха и архитектурных конструкций

Идеи Вашего Дома
Смех – подарок культуры Смех – подарок культуры

Арсений Дежуров напоминает: человека от животного отличает способность смеяться

Правила жизни
Гавань по имени БРИКС Гавань по имени БРИКС

БРИКС привлекает глобальные инвестиции в эпоху перемен

Деньги
Археологи нашли древнейшие в Северной Африке следы человеческих ног Археологи нашли древнейшие в Северной Африке следы человеческих ног

Древнейшие отпечатки ног людей, которые когда-либо находили в Северной Африке

N+1
Федерико Арнальди: «Я не могу без любви» Федерико Арнальди: «Я не могу без любви»

Федерико Арнальди – о вкусной еде, русских девушках и любви

Добрые советы
5 неожиданных фактов о женщинах и мужчинах с короткой стрижкой 5 неожиданных фактов о женщинах и мужчинах с короткой стрижкой

Короткая стрижка может сказать много интересного о своем обладателе

Psychologies
Шимпанзе отобрал добычу у орла Шимпанзе отобрал добычу у орла

Зоологи стали свидетелями того, как вожак группы шимпанзе отобрал у орла добычу

N+1
Будьте как дети Будьте как дети

Как проживать праздники по-настоящему и зачем каждому нужен маленький карнавал

Seasons of life
Зажгите искру любви! Вот почему отношениям нужна «романтическая ностальгия» Зажгите искру любви! Вот почему отношениям нужна «романтическая ностальгия»

Как воспоминания о хороших временах могут углубить вашу связь с партнером

ТехИнсайдер
Цирк со слонами и коммунистами Цирк со слонами и коммунистами

«Великая магия»: Нанни Моретти переписывает историю

Weekend
Открыть в приложении