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

Австралийский орех макадамия Австралийский орех макадамия

Макадамия: что мы знаем об этом удивительном орехе?

Наука и жизнь
Аппаратное будущее: как искусственный интеллект меняет индустрию косметологии Аппаратное будущее: как искусственный интеллект меняет индустрию косметологии

Как выглядит косметология будущего?

Forbes
Точка и шар. Что может быть общего между ними? Точка и шар. Что может быть общего между ними?

Что, если взглянуть на квантовые точки с новой точки зрения?

Наука и жизнь
Изучают детскую анимацию, картины и тренды в TikTok: как институт Pantone выбирает «цвет года» и зачем Изучают детскую анимацию, картины и тренды в TikTok: как институт Pantone выбирает «цвет года» и зачем

«Тот, кто управляет цветом, управляет миром»

VC.RU
Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Кольская сверхглубокая – мифы и реальность, или «Совы не то, чем они кажутся» Кольская сверхглубокая – мифы и реальность, или «Совы не то, чем они кажутся»

История самой глубокой в мире скважины – «Кольской сверхглубокой»

Зеркало Мира
Солнечная защита Земли: новые детали Солнечная защита Земли: новые детали

Галактические космические лучи — очень опасный тип радиации

Наука и жизнь
Появление олдованской культуры удревнили до 3,2-3 миллионов лет назад Появление олдованской культуры удревнили до 3,2-3 миллионов лет назад

Археологи определили, когда появилась олдованская культура

N+1
Гений чистой пустоты Гений чистой пустоты

Как Франческо Сбарро создал колесо без оси

Наука и жизнь
Сахар, ты где? Сахар, ты где?

Как производители маскируют сахар в своих продуктах

Лиза
Автобудущее Автобудущее

Мы находимся на пороге одних из самых быстрых перемен в работе транспорта

Популярная механика
Саранча как двигатель прогресса… Саранча как двигатель прогресса…

Как работает искусственный интеллект на основе «роевого интеллекта» насекомых?

Знание – сила
Банкам недокладывают денег? Банкам недокладывают денег?

Банковский сектор перешел в состояние дефицита ликвидности

Монокль
«Математическое невежество снижает качество жизни россиян» «Математическое невежество снижает качество жизни россиян»

Какая наука сегодня в моде и почему в России так плохо знают математику

Наука
От «розовых очков» до стабильности: ученые определили этапы в карьере, через которые проходят все профессионалы От «розовых очков» до стабильности: ученые определили этапы в карьере, через которые проходят все профессионалы

Через какие эмоциональные этапы проходят все высококлассные профессионалы

ТехИнсайдер
Милош Бикович: «Если ты сам себя не удивляешь, ты уже ни кого не удивишь» Милош Бикович: «Если ты сам себя не удивляешь, ты уже ни кого не удивишь»

Актер Милош Бикович — о ностальгии и «ярмарке тщеславия»

VOICE
Дешево и сердито Дешево и сердито

Дискаунтеры захватывают российский рынок

Агроинвестор
Фильм начинается Фильм начинается

Небольшая студия с интерьером в стиле «Криминального чтива»

Идеи Вашего Дома
«Армяне не хотели придавать карабахскому вопросу статус межгосударственных территориальных претензий» «Армяне не хотели придавать карабахскому вопросу статус межгосударственных территориальных претензий»

Тридцать лет переговоров о судьбе Нагорного Карабаха в интервью с политологом

Монокль
Вместо селедки под шубой и бутербродов с икрой: что едят на Новый год в разных странах Вместо селедки под шубой и бутербродов с икрой: что едят на Новый год в разных странах

Чем питаются на Новый год иностранцы?

ТехИнсайдер
9 лучших кукольных советских мультфильмов 9 лучших кукольных советских мультфильмов

Кукольные мультфильмы из СССР, которые вы посмотрите с удовольствием

Maxim
Из любви к искусству Из любви к искусству

Как коллекционировать искусство

SALON-Interior
Движение вокруг недвижимости Движение вокруг недвижимости

Как искусственный интеллект захватывает один из ключевых рынков

РБК
Ренат Давлетьяров: «В режиссуре главное — знать, когда остановиться» Ренат Давлетьяров: «В режиссуре главное — знать, когда остановиться»

Режиссер и продюсер «Человека ниоткуда» — о том, как шла работа над фильмом

Монокль
Большой ресурс для маленькой компании Большой ресурс для маленькой компании

Где предпринимателю взять деньги на развитие бизнеса?

РБК
Ора экзакта Ора экзакта

Электричество бьется в наши сердца и в новом китайском электромобиле

Автопилот
Большой корабль без большого плавания Большой корабль без большого плавания

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

Наука и техника
В битвах вокруг ИИ победят корпорации В битвах вокруг ИИ победят корпорации

Государствам нужно ускориться в регулировании искусственного интеллекта

Монокль
«Лучше пока погодить»: писатель Носов о том, нужно ли называть родителей предками «Лучше пока погодить»: писатель Носов о том, нужно ли называть родителей предками

Отрывок из книги Николая Носова «Иронические юморески. Кванты смеха»

Forbes
Сильно бездействующие лекарства Сильно бездействующие лекарства

Отказ частных аптек от работы с сильнодействующими препаратами создает проблемы

Монокль
Открыть в приложении