Цепная реакция идей

Я восхищен итогами Ваших опытов по получению радиоактивных веществ путем облучения альфа-частицами. Поздравляю Вас обоих с блестящей работой, которая, по моему убеждению, в конечном счете окажется очень важной.

Я лично очень заинтересован в результатах Ваших исследований, поскольку долгое время думал о том, что такой эффект (т.е. искусственная радиоактивность) может наблюдаться в соответствующих условиях.

В прошлом я проделал много опытов, используя чувствительный электроскоп для обнаружения такого эффекта, однако безуспешно. В прошлом году мы проделали опыт, в котором облучили тяжелые элементы протонами, но получили отрицательные результаты.

С лучшими пожеланиями дальнейших успехов в Ваших исследованиях.

Искренне Ваш Резерфорд.

Р.S. Мы попытаемся определить, произойдут ли сходные явления при бомбардировке протонами или диплонами» (диплонами Резерфорд называл дейтроны. — Ф. К.).

Резерфорд задолго до открытия искусственной радиоактивности сам пытался обнаружить подобные эффекты. После того как он открыл в 1919 году возможность осуществлять ядерные реакции и показал, что ядра азота при бомбардировке альфа-частицами испускают протоны, он решил выяснить, не испускаются ли протоны после прекращения бомбардировки. Резерфорд убирал источник альфа-частиц и измерял электропроводность азота. Эти опыты он проделывал неоднократно, но каждый раз убеждался в отсутствии «вторичной» протонной радиоактивности. Действительно, такого эффекта не существовало.

Фредерик Жолио-Кюри впоследствии объяснял неудачу Резерфорда тем, что в своих опытах он использовал в качестве мишени азот. Если бы Резерфорд применял другой газ, в котором при бомбардировке альфа-частицами возникают не протоны, а положительные или отрицательные электроны, то он несомненно обнаружил бы явление искусственной радиоактивности.

Тут сказалось глубоко принципиальное заблуждение Резерфорда относительно того, какой тип радиоактивного распада наиболее распространен. Об этом впоследствии писали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри: «В продолжение всей своей деятельности Резерфорд стремился доказать существование искусственной радиоактивности, но ему как и другим пионерам в этой области науки, истинной радиоактивностью казалась та, которая сопровождается испусканием тяжелых частиц, а не электронов. В действительности же, как мы теперь знаем, именно излучение электронов наиболее характерно для радиоактивного распада».

Если в опытах Резерфорда искусственная радиоактивность отсутствовала, то в опытах американского физика Эрнеста Лоуренса, проводившихся в 1931 году на сконструированном им циклотроне — ускорителе заряженных частиц, она несомненно возникла. Но исследователь и его сотрудники не заметили ее. Они изучали на циклотроне другие явления. А может быть, им не хватило проницательности.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, облучая нейтронами легкие элементы, не ставили перед собой задачу обнаружить искусственную радиоактивность, так как тогда никто еще не выдвигал предположения о возможности ее существования, но они оказались готовыми к восприятию даже самого непредвиденного. То, что существование искусственной радиоактивности было трудно себе представить, доказывало отношение многих физиков к сообщению Жолио-Кюри на Сольвеевском конгрессе.

По возвращении в Париж с Сольвеевского конгресса супруги Жолио-Кюри продолжали работу по искусственной радиоактивности. У Фредерика созрел план опыта, который мог бы снять все сомнения и подтвердить окончательно уже ранее полученные результаты. Вот что он писал о результатах этого решающего опыта: «Мы с удивлением констатировали, что когда энергия альфа-частиц последовательно уменьшается, эмиссия нейтронов на определенной стадии прекращается, в то время как излучение положительных электронов продолжается с прежней интенсивностью и даже растет, так же как при излучении электронов естественными радиоактивными элементами. Тогда мы повторили опыт, упростив его: в течение некоторого времени бомбардировали алюминий альфа-частицами с максимальной скоростью, а затем постепенно удаляли источник альфа-частиц. И что же? Алюминиевый листок продолжал излучать положительные электроны в течение нескольких минут. Тогда все стало ясно!»

Но надо было проверить, правильно ли работают счетчики Гейгера — Мюллера и вызывается ли пощелкивание новым излучением. Молодой немецкий физик В. Гентнер, работавший у Жолио-Кюри, проверил правильность действия счетчиков и сообщил, что они работают безотказно.

Итак, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри облучали альфа-частицами различные мишени: алюминий, бор, магний (в которых наблюдался новый эффект), водород, литий, углерод, бериллий, азот, кислород, фосфор, калий, натрий, никель и серебро (в них новый эффект не наблюдался).

Этим новым эффектом оказалась позитронная радиоактивность. Когда источник альфа-частиц — диск с нанесенным на него полонием — удалялся, исследователи наблюдали, что облученный алюминий продолжал испускать позитроны. Опыты были тщательно повторены. Оказалось, что бор и магний также продолжают испускать позитроны после удаления радиоактивного источника, хотя время испускания позитронов для разных элементов различно.

Элементы «второго списка», от водорода до серебра, при облучении не испускали позитронов. Наблюдаемая же позитронная радиоактивность первых трех элементов свидетельствовала о происходящих под действием бомбардировки ядерных реакциях. То, что это именно позитроны, а не другие частицы, подобные тем, что испускаются природными радиоактивными элементами, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показывали с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитном поле напряженностью 400 эрстед.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри искусственно получили нестабильные бета-радиоактивные изотопы.

Новый научный термин «искусственная радиоактивность» родился в Париже, где почти за 40 лет до этого Мари и Пьер Кюри впервые произнесли слово «радиоактивность». Термин «искусственная радиоактивность» подчеркивал то обстоятельство, что в природе существует естественная радиоактивность, когда ядра тяжелых элементов (тяжелее свинца) самопроизвольно испускают альфа-частицы — ядра атомов гелия (Не), гамма-излучение — кванты света и бета-частицы — электроны и позитроны.

Но, как указывали Жолио-Кюри, термин «искусственная радиоактивность» не точно передает смысл их открытия: «В самом деле мы не делаем искусственно ядро радиоактивным, а превращаем это ядро в другое, которое является естественно неустойчивым. Вплоть до настоящего времени все попытки, делавшиеся с целью изменения устойчивости атомов либо у стабильных, либо у радиоактивных веществ, кончались неудачей».

Искусственные радиоактивные изотопы излучают не альфа-частицы и не гамма-кванты, а положительные электроны — позитроны. К. Андерсон, П. Блэкетт и Дж. Оккиалини обнаружили позитроны в космических лучах; это были первые известные ученым античастицы. Впоследствии к ним прибавились антипротоны, антинейтроны, антигипероны и многие другие антиподы частиц. До открытия искусственной радиоактивности позитроны в лабораторных экспериментах себя не обнаруживали.

С современной точки зрения методы идентификации продуктов ядерных реакций, использовавшиеся Ирен и Фредериком Жолио-Кюри, были довольно примитивными, хотя в свое время они поражали своей быстротой и наглядностью.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри смогли выделить первый искусственный радиоактивный изотоп в химически чистом виде. Они, конечно, немедленно продемонстрировали его Мари Кюри. Фредерик, описывая эту сцену, не скрывает своего восхищения перед великой исследовательницей радия: «Мари Кюри была свидетельницей наших поисков. Я никогда не забуду выражение радости на ее лице, появившееся, когда Ирен и я показали ей первый искусственный радиоактивный элемент в маленькой стеклянной трубочке. Я и сейчас вижу, как она берет пальцами, обожженными радием, маленькую трубочку, в которой находится искусственно созданный элемент, правда, с еще очень слабой радиоактивностью. Чтобы проверить правильность того, что мы сообщили ей, она подходит к счетчику Гейгера — Мюллера и слышит частые щелчки. Без сомнения, это было последнее большое удовлетворение, которое она испытала в своей жизни. Через несколько месяцев Мари Кюри скончалась от лейкемии».

После открытия искусственной радиоактивности к исследованию ее было привлечено внимание физиков многих стран, главным образом в Европе и Америке. Одним из важнейших результатов стало открытие плутония-239, которое позволило развить атомную энергетику и создать военную ядерную мощь современных государств.

Поразительным примером развития идей и опытов Жолио-Кюри было создание обширной области синтеза и практического применения радиоактивных изотопов. Это можно оценить как подлинный переворот в современной науке, технике и промышленности.