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
4 сигнала, что вас скоро уволят 4 сигнала, что вас скоро уволят

Тревожные звоночки о том, что с вами хотят попрощаться

Psychologies
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
Рост есть. Рост будет! Рост есть. Рост будет!

Российская промышленность росла и инвестировала в этом году сумасшедшими темпами

Монокль
Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Впереди — Москва: как устроена столичная система инноваций Впереди — Москва: как устроена столичная система инноваций

Москва начала создавать комплексную систему поддержки инновационного бизнеса

РБК
Чудесная Чудесная

В созвездии Кит расположилась одна из самых удивительных звёзд нашего неба, Мира

Наука и жизнь
Много шума — и ничего Много шума — и ничего

Антирейтинг — топ-7 наиболее значимых технологических провалов нашего времени

РБК
Мы выбираем друг друга не случайно Мы выбираем друг друга не случайно

Выбор партнера предопределен всем предшествующим ходом нашей жизни

Psychologies
«Жаль, нам редко позволяют в хулиганить кадре» «Жаль, нам редко позволяют в хулиганить кадре»

Агате Муцениеце есть чем похвалиться перед другими и за что похвалить себя

OK!
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Треугольник печали Треугольник печали

Как устроены любовные треугольники

Men Today
Очень мутные дела Очень мутные дела

«Сны Алисы»: проблемы подростков в условиях паранормального русского Севера

Weekend
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
Спорно, но задорно Спорно, но задорно

Гарик Харламов вспомнил и проанализировал историю конфликтов в своей жизни

Men Today
Условно-досрочная пенсия Условно-досрочная пенсия

Как сформировать долгосрочные сбережения и разморозить пенсионные в 2024 году

Деньги
Большой корабль без большого плавания Большой корабль без большого плавания

«Урал» для «Коралла» или «Коралл» для «Урала»

Наука и техника
«Как понять, что я навязываюсь?»: чек-лист от психолога «Как понять, что я навязываюсь?»: чек-лист от психолога

Как перебороть чувство, что мы «навязываем» свое общение другому

Psychologies
«Семья — место силы и благополучия» «Семья — место силы и благополучия»

С Анной Снаткиной и Виктором Васильевым у ОK! давние и очень добрые отношения

OK!
Подзарядка батареек Подзарядка батареек

Чтобы повысить энергетический потенциал, прислушайся к нашим советам

Лиза
Минимум танинов и никакой выдержки. Как выбрать вино для глинтвейна Минимум танинов и никакой выдержки. Как выбрать вино для глинтвейна

Из какого вина лучшего всего варить глинтвейн

СНОБ
Фиби Уоллер-Бридж: Смех и слезы аристократки Фиби Уоллер-Бридж: Смех и слезы аристократки

Пока Фиби шла к успеху, слез было пролито немало…

Караван историй
Алексей Мартынцев: «Кибербезопасность — это процесс, а не результат» Алексей Мартынцев: «Кибербезопасность — это процесс, а не результат»

Кибератаки на российские предприятия становятся все более профессиональными

РБК
Юрий Темирканов (10.12.1938 - 2.11.2023) Юрий Темирканов (10.12.1938 - 2.11.2023)

Телеведущая Ника Стрижак вспоминает дирижера Юрия Темирканова

Собака.ru
Нино Шаматова умеет проходить сквозь стены Нино Шаматова умеет проходить сквозь стены

Нино Шаматава собирает архивную коллекцию-ресерч на Петровском бульваре

Собака.ru
Рыночные отношения Рыночные отношения

Известный российский гастрокритик познает этот мир самым действенным способом

СНОБ
Екатерина Борисова: «BIM — это больше чем проектирование» Екатерина Борисова: «BIM — это больше чем проектирование»

Как BIM-проектирование помогает избежать ошибок в документации и сократить сроки

РБК
Зарабатывала миллионы, но скрывала имя: как женщины создавали популярные комиксы Зарабатывала миллионы, но скрывала имя: как женщины создавали популярные комиксы

Их героини спасали мир и остроумно шутили

Forbes
Фитнес тридесятого царства Фитнес тридесятого царства

Правила жизни спортсменов в самом расцвете сил

Men Today
Сам себе психолог: как найти внутреннюю опору Сам себе психолог: как найти внутреннюю опору

Как взрастить внутренний стержень?

Правила жизни
Открыть в приложении