В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

В 1933 году Ферми опубликовал в журнале La ricerca scientifica фундаментальную статью «Попытка теоретического обоснования бета-излучения». Возможно, из-за скромного названия эта работа была отклонена журналом Nature: редакторы сочли, что в работе содержались «рассуждения, слишком далекие от реальности физической науки, чтобы быть интересными читателям». Позже Ферми расширил статью для публикации в Nuovo cimento, и в 1934 году она была переведена на немецкий язык для авторитетного журнала Zeitschrift fur Physik под названием «К теории бета-лучей». В этой новаторской работе Ферми рассматривал бета-распад ядра А, превращающегося в итоге в ядро В, как

А -> В + е" + v.

Согласно современной физике частиц, на самом деле в итоге получаются электрон и антинейтрино. Создание и разрушение частиц описывались в квантовой теории Дирака, которая, как в 1927 году доказали Клейн и Джордан, могла применяться к любому виду частиц. Несмотря на дуализм де Бройля и на принцип соответствия Бора, ученые еще довольно сдержанно (это продемонстрировали редакторы Nature) относились к утверждению о том, что частицы и электроны могут с легкостью создаваться и разрушаться. Хотя в рамках теории поля было принято описывать явления в терминах создания и разрушения частиц, лишь Ферми в своей работе применил этот подход не только к фотонам. В основе его теории лежал постулат о том, что в природе материи происходит фундаментальное взаимодействие, которое вызывает переход от нейтрона к протону, при этом образуется один электрон и один электронный антинейтрино:

n⁰– > p⁺ + e^– + v,

в строгой аналогии с гамма-излучением, при котором возбужденный протон лишается части своей энергии, испуская фотон. Ферми также смог объяснить, почему в одних случаях бета-распад идет быстрее, чем в других: одни процессы распада были разрешены в рамках квантовой теории и могли происходить в стационарных ядрах, в то время как для других, изначально запрещенных, ядро должно было находиться в движении.

В теории бета-распада Ферми не хватало только параметра G. Его надо было найти опытным путем, измерив среднее время жизни бета-распадов. Этот параметр, известный сегодня как постоянная Ферми, определяет интенсивность нового взаимодействия в атоме, вызвавшем бета-распад, которое, в противоположность сильным ядерным силам, обычно использующимся для придания стабильности атомному ядру, было названо слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие имеет ограниченное воздействие, а нейтрино и антинейтрино взаимодействуют с материей очень мягко. В современной стандартной модели переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны, о которых мы говорили в конце предыдущей главы (см. рисунок).

Диаграмма Фейнмана, на которой помазан распад нейтрона согласно современной физике частиц стандартной модели. Один из d-кварков нейтрона становится u-кварком, излучая р-частицу (электрон) и электронный антинейтрино.

Слабое взаимодействие применяется в инструментах медицинской диагностики и в методах геологической датировки, а также имеет основополагающее значение в той физической Вселенной, которая известна нам сегодня. Ферми и Паули обнаружили фундаментальное взаимодействие природы. Такие звезды, как Солнце, производят энергию посредством термоядерных реакций: например, в результате соединения двух атомов дейтерия получается гелий и энергия.

Н²₁ + Н²₁– > Не⁴₂ + энергия.

Но как получить дейтерий? В ходе слабого взаимодействия двух протонов типа:

p⁺ + p⁺– > H²₁ + e⁺ + v.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА

Счетчик Гейгера (или Гейгера — Мюллера) — это прибор, измеряющий интенсивность радиации: естественной и искусственной, космической и земной. Первый счетчик был создан в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером (1882-1945), но распознавал только альфа-частицы.

Спустя 20 лет его ученик Вальтер Мюллер (1905-1979) улучшил аппарат таким образом, что тот стал распознавать все остальные виды ионизирующей радиации. Счетчик состоит из изолированной нити, проходящей по трубке, внутри которой создан вакуум. Нить и трубка соединяются под высоким напряжением, поэтому когда заряженная частица попадает в счетчик, возникает поток, который можно увеличить и измерить. В некоторых счетчиках были установлены динамики, издававшие звуковой сигнал. Современные счетчики электронные. Они подсоединяются к компьютеру и высчитывают количество распадов на единицу времени.

В данном примере мы получаем один позитрон и один нейтрино. Тот факт, что для формирования плавящихся материалов необходимы реакции слабого взаимодействия, гарантирует, что водород Солнца расходуется медленнее, регулируя солнечную активность и увеличивая продолжительность жизни звезды. Ферми не упускал из виду связь своего открытия с космической радиацией. В 1933 году он воспользовался тем, что в Риме находился Бруно Росси, прославившийся разработкой цикла для измерения совпадений в спаренных счетчиках Гейгера и выявления таким образом траекторий частиц, и написал с ним совместную работу «Действие магнитного поля Земли на проникающее излучение». В этой статье объяснялось геомагнитное воздействие широты и долготы на космическую радиацию, достигающую Земли. Ферми был очень доволен результатами в области изучения слабого взаимодействия и считал их своими главными достижениями, достойными того, чтобы остаться в памяти потомков. На основе этой работы японский физик Хидэки Юкава (1907-1981) в 1935 году сформулировал свою теорию мезонов, и с нее началась революция в ядерной физике и физике элементарных частиц.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИАЦИЯ И ЦЕНА УСПЕХА

В январе 1934 года, бомбардируя альфа-частицами ядра бора и алюминия, Ирен Кюри и Фредерик Жолио получили первые искусственные радиоактивные изотопы. Ирен шла по стопам своих родителей, Пьера и Марии Кюри, которые детально изучили поведение естественных радиоактивных изотопов радия и полония и более тяжелых элементов, таких как уран и торий.

Легкие ядра, подвергавшиеся бомбардировке альфа-частицами, довольно быстро излучали позитроны, демонстрируя, таким образом, хорошие радиоактивные свойства, в то время как ядра более тяжелых атомов подобной наведенной радиации не проявляли. Альфа-частицы, как и положительные ионы гелия, не действовали на тяжелые ядра из-за повышенного содержания в них электронов, которые уменьшали воздействие на ядра вследствие электромагнитного отталкивания. Процесс усложнялся и за счет повышенного отталкивания тяжелых ядер.

В начале марта 1934 года в руки Ферми попала статья Кюри и Жолио. Он сразу предложил Разетти провести те же эксперименты, но не с альфа-частицами, а с нейтронами, чтобы избежать электромагнитных трудностей. Разетти разработал несколько источников нейтронов, полония и бериллия, а также еще один, более мощный, радона и бериллия. Он собирался ехать в отпуск, но Ферми не мог тянуть с началом опытов. В отсутствие Разетти ему пришлось самому сконструировать счетчик Гейгера (с чем он блестяще справился) и быстро получить радон для нейтронного источника. Надо сказать, что Ферми повезло: у профессора Джулио Чезаре Трабакки, директора хорошо оснащенных лабораторий итальянской санитарной службы, был радий и необходимые приборы для извлечения из него радона по методу Марии Кюри. Радон — это газ, образующийся при естественном альфа-распаде радия, как доказала Мария Кюри. Если смешать его с пылью бериллия, то порожденные альфа-частицы провоцируют выброс нейтронов.

Если результат подтверждает гипотезу, значит, вы сделали измерение. Если результат противоречит гипотезе, вы сделали открытие.

Энрико Ферми

Ферми начал систематическую бомбардировку в порядке периодической таблицы, взяв водород, литий, бор, углерод и азот. Результаты были отрицательными. Ученый немного упал духом: полученные данные заставили его сомневаться.

Тогда он решил попробовать новые элементы. Ферми пропустил кислород, потому что его бомбардировку надо было проводить в воде, и, бомбардируя фтор, сумел активировать элемент. Отреагировал счетчик Гейгера и на алюминий. Ферми отправил 25 марта 1934 года в журнал La ticerca sdentifica статью «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. I», чтобы ее как можно скорее опубликовали.

В статье ученый давал интерпретацию полученных результатов для каждого элемента. Римская цифра I означала, что за этой статьей должны были последовать и другие из этой же серии, что и произошло.

Ферми понимал, что сила современной науки кроется в совместной работе. Он тут же подключил к новым исследованиям Амальди и Сегре. Помощники с энтузиазмом отнеслись к первым же результатам и предложили химику Оскару Д’Агостино присоединиться к ним (он как раз вернулся в Рим после работы в лаборатории Жолио-Кюри). Ферми отправил Разетти в Марокко телеграмму, в которой объяснял ситуацию и спрашивал, как приступать к сбору материала (речь шла обо всех элементах периодической таблицы!). Готовился поистине обширный эксперимент.