Создание атомной бомбы - Ричард Роудс Страница 57

Тогда он попробовал сухой воздух. Результат оказался неожиданным. Присутствие воздуха не уменьшило числа вспышек, как это было при использовании кислорода и углекислого газа, а увеличило – точнее говоря, удвоило его.

Яркость вновь обнаруженных сцинтилляционных вспышек «…глазу кажется примерно такой же, как яркость H-сцинтилляций»[598][599], – осторожно отмечает Резерфорд около начала революционной части IV своей статьи. Он занялся этими вспышками. Если их вызывал водород, речь по-прежнему могла идти о загрязнении. Сперва он исключил эту возможность. Он показал, что водород, содержащийся в водяном паре (Н2О), не мог быть их причиной: тщательное высушивание воздуха почти никак не влияло на число вспышек. Атомы водорода, подобно опасным микробам, могут скрываться в пыли: Резерфорд отфильтровал воздух, вводимый в ящик, пропуская его через последовательность длинных ватных пробок, но и это не привело к значительным изменениям.

Поскольку увеличение числа атомов водорода наблюдалось в воздухе, но отсутствовало в кислороде или углекислом газе, Резерфорд заключил, что аномальный эффект «…должен быть вызван азотом или другим газом, присутствующим в атмосферном воздухе»[600]. А поскольку воздух на 78 % состоит из азота, наиболее вероятным кандидатом казался именно этот газ. Он проверил это предположение самым простым способом, сравнив число вспышек, получающееся в присутствии воздуха и чистого азота. Его гипотеза подтвердилась: «В чистом азоте число длиннопробежных сцинтилляций в тех же условиях превышало число сцинтилляций в воздухе». Резерфорд наконец установил, что атомы водорода действительно происходили из азота, а не только из радиоактивного источника. И тогда он сделал следующее потрясающее заявление, как обычно прикрыв его осторожным преуменьшением, характерным для британской науки: «На основе полученных результатов трудно удержаться от заключения, что длиннопробежные атомы, возникающие при столкновениях α-частиц с азотом, это не атомы азота, а, по-видимому, атомы водорода или атомы с массой 2. Если это действительно так, то мы должны сделать вывод, что атом азота распадается под действием громадных сил, развивающихся при близком столкновении с быстрой α-частицей»[601]. Пресса вскоре перепечатала сообщение об этом открытии в более прямых выражениях. «Сэр Эрнест Резерфорд, – кричали газетные заголовки в 1919 году, – разделил атом».

На самом деле речь шла скорее о превращении, чем о делении, – впервые достигнутом искусственном преобразовании атома. Столкновение альфа-частицы, имеющей атомный вес 4, с атомом азота, имеющим атомный вес 14, приводит к выбиванию ядра водорода (которое Резерфорд вскоре предложил назвать протоном), в результате чего остается новый атом кислорода в виде изотопа 17О: 4 плюс 14 минус 1 дает 17. Полученного 17О вряд ли хватило бы для дыхания: лишь приблизительно одной альфа-частице из 300 000 удается преодолеть электрический барьер, окружающий ядро азота, и произвести это алхимическое превращение[602].

Однако благодаря этому открытию появились новые возможности изучения ядра. До сих пор физики ограничивались измерением излучения, отражающегося от него или естественным образом испускаемого ядром при радиоактивном распаде. Теперь они получили возможность заглянуть и внутрь ядра. Вскоре Резерфорд и Чедвик стали перебирать другие легкие ядра, чтобы выяснить, можно ли вызвать и их распад. Оказалось, что для многих из них – бора, фтора, натрия, алюминия, фосфора – это вполне возможно. Однако дальнейшее продвижение по периодической системе натолкнулось на препятствие. Естественные радиоактивные источники, которые использовал Резерфорд, испускали сравнительно медленно движущиеся альфа-частицы, энергия которых была недостаточной для проникновения сквозь все более мощные электрические барьеры более тяжелых ядер. Чедвик и другие сотрудники Кавендишской лаборатории стали поговаривать об изобретении методов разгона частиц до более высоких скоростей. Резерфорд, презиравший сложное оборудование, был против. В любом случае ускорение частиц казалось делом сложным. Развитие новорожденной науки – ядерной физики – на некоторое время приостановилось.

Помимо резерфордовских «мальчиков» в Кавендишской лаборатории работало еще несколько независимых исследователей, наследников Дж. Дж. Томсона. Одним из них, занимавшимся другой, но родственной темой, был стройный, красивый, спортивный, состоятельный экспериментатор Фрэнсис Уильям Астон, сын дочери бирмингемского оружейника и торговца металлами из Харборна[603]. В детстве Астон делал из баллончиков для сифонов пироксилиновые бомбочки и запускал сделанные из папиросной бумаги монгольфьеры собственной конструкции. Став взрослым и оставшись на всю жизнь холостяком, он, унаследовав в 1908 году состояние отца, занимался горнолыжным спортом, создавал мотоциклы и участвовал в мотоциклетных гонках, играл на виолончели и совершал комфортабельные кругосветные путешествия. В 1909 году, когда ему было тридцать два года, он побывал в Гонолулу и научился там серфингу, который называл с тех пор лучшим из всех видов спорта[604]. Астон был одним из регулярных партнеров Резерфорда по воскресным играм в гольф на кембриджских холмах Гог-Магог. Именно он объявил в 1913 году на заседании Британской ассоциации о разделении неона на два изотопа методом кропотливой диффузии через трубочную глину.

По образованию Астон был химиком; в физику его привлекло известие об открытии рентгеновских лучей. Дж. Дж. Томсон привел его в Кавендишскую лабораторию в 1910 году, потому что Томсону казалось, что он смог разделить неон на два компонента в анодно-лучевой разрядной трубке, а Астон взял на себя трудоемкую работу по доказательству различий между этими компонентами методом газовой диффузии. Томсон выяснил, что пучки атомов разных типов можно разделить, если воздействовать на разрядную трубку параллельными магнитным и электростатическим полями. Пучки, которые он получал в своих трубках, не были катодными лучами; он работал теперь с «лучами», которые отталкивались от противоположного электрода, от положительно заряженного анода. Эти лучи были пучками атомных ядер, то есть атомов, лишенных электронов – ионизированных. Их можно было получить из газа, закачанного в трубку. Другой метод предполагал покрытие самого анода твердым материалом: в таком случае ионизированные атомы материала вылетали из этого слоя при откачке трубки и подаче напряжения на анод.

Пучок, состоящий из смеси ядер, изгибается в магнитном поле, разделяясь на несколько отдельных пучков ядер разной скорости, по которой можно определить их массу. Электростатическое поле по-разному изгибает такие пучки в зависимости от электрического заряда ядер, что позволяет измерить их атомный номер[605]. «Таким образом, – пишет Дьёрдь де Хевеши, – было доказано присутствие в разрядной трубке широкого спектра разных атомов и групп атомов»[606].

Работая во время войны в Королевском авиаконструкторском институте в Фарнборо, к юго-востоку от Лондона, где он разрабатывал более прочные лаки и ткани для самолетных корпусов, Астон напряженно размышлял о разрядных трубках Томсона. Он хотел получить неоспоримое доказательство существования изотопов неона – Дж. Дж. все еще не был в нем убежден – и