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

Заповедные новости Заповедные новости

Новости заповедников: орланы-белохвосты, разорение гнезд и амурская тигрица

Наука и жизнь
Здравствуй, дерево! Здравствуй, дерево!

6 удивительных фактов из истории елки и игрушек

Лиза
Во всем мире Во всем мире

Новое солнце Абу-Даби, индийская встреча на орбите и другие события мира

Знание – сила
Любви конец: как понять, что отношения подошли к логическому завершению Любви конец: как понять, что отношения подошли к логическому завершению

Как понять, что союз на грани разрыва? И можно ли избежать такого конца?

Psychologies
Как дети, честное слово Как дети, честное слово

Как изобретали детство: когда появились детские игрушки, одежда и литература

Вокруг света
Сам себе психолог: как найти внутреннюю опору Сам себе психолог: как найти внутреннюю опору

Как взрастить внутренний стержень?

Правила жизни
И снова здравствуйте И снова здравствуйте

Как перестать стесняться своего тела и фантазий и начать получать удовольствие

Добрые советы
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
Как правильно позировать, чтобы отлично получаться на фото: мастер-класс от фотографа и модели Как правильно позировать, чтобы отлично получаться на фото: мастер-класс от фотографа и модели

Как сделать снимки стильными и гармоничными?

VOICE
Как правильно выбрать пиво к блюду. Советы шеф-повара Beer Pairing Как правильно выбрать пиво к блюду. Советы шеф-повара Beer Pairing

Когда пиво должно служить лишь фоном для блюда?

РБК
Йоргос Лантимос Йоргос Лантимос

Режиссер Йоргос Лантимос о своей музе Эмме Стоун

Grazia
9 лучших кукольных советских мультфильмов 9 лучших кукольных советских мультфильмов

Кукольные мультфильмы из СССР, которые вы посмотрите с удовольствием

Maxim
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
Что может Дед Мороз Что может Дед Мороз

Психолог Мария Зеленова о магическом мышлении и его роли в воспитании.

Новый очаг
Портрет со многими неизвестными Портрет со многими неизвестными

Как ученые исследовали тайны и парадоксы «Моны Лизы»

Weekend
Елена Морозова: «Тогда Паша Каплевич сказал Виктюку: «Бери, она точно твоя» Елена Морозова: «Тогда Паша Каплевич сказал Виктюку: «Бери, она точно твоя»

Ведь, задабривая меня, папа объяснял: искусство не терпит фальши

Коллекция. Караван историй
Что такое RunFlat-шины и чем они отличаются от обычных Что такое RunFlat-шины и чем они отличаются от обычных

RunFlat — шины, на которых можно ездить без воздуха

РБК
Делу время, потехе час: как новый подход к работе поможет избавиться от прокрастинации Делу время, потехе час: как новый подход к работе поможет избавиться от прокрастинации

Может ли планирование боли и удовольствия помочь справиться с прокрастинацией?

Psychologies
Ты «чушпан», а я пацан. О чем сериал «Слово пацана. Кровь на асфальте» Ты «чушпан», а я пацан. О чем сериал «Слово пацана. Кровь на асфальте»

Почему «Слово пацана. Кровь на асфальте» стал таким популярным

Psychologies
Работа над отношениями Работа над отношениями

Как остановить офисные конфликты и сохранить свой степлер неприкосновенным

VOICE
Академик Евгений Чойнзонов: «Путь к онкологу должен быть коротким» Академик Евгений Чойнзонов: «Путь к онкологу должен быть коротким»

Томская онкология известна далеко за пределами России

Наука
Салат «Оливье» Салат «Оливье»

Как появился культовый салат «Оливье»

Знание – сила
10 великих фильмов, которые освистали в Каннах 10 великих фильмов, которые освистали в Каннах

Критики холодно приняли работы Дэвида Линча, Квентина Тарантино, Софии Копполы

Правила жизни
Сила любви! Исследование показало, что у людей в браке совпадает кровяное давление! Сила любви! Исследование показало, что у людей в браке совпадает кровяное давление!

Супруги могут иметь "зеркальное" высокое кровяное давление

ТехИнсайдер
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

«Квантовый компьютер – атомная бомба XX века»

ТехИнсайдер
Упразднение города Н. Упразднение города Н.

Красный командир Яков Тряпицын воплотил фантасмагорию великого сатирика в жизнь

Дилетант
Не такой уж малый Не такой уж малый

Меры поддержки кредитования МСП все еще охватывают ничтожную его часть

Монокль
Мы из будущего Мы из будущего

Кто же такие эти промт-дизайнеры или AI-тренеры?

ТехИнсайдер
Военно-политическая обстановка в Пакистане Военно-политическая обстановка в Пакистане

Что поставило под угрозу достижения Пакистана в борьбе с терроризмом

Обозрение армии и флота
Как и зачем тренировать интимные мышцы Как и зачем тренировать интимные мышцы

Рассказываем, зачем нужен вумбилдинг и как правильно тренироваться

Добрые советы
Открыть в приложении