Об атомном ядре

НИЛЬС БОР

В переполненном зале Академии наук СССР недавно выступил с докладом один из крупнейших современных физиков, друг Советского Союза профессор Нильс Бор. Свой доклад профессор Бор читал на английском языке. Перевод доклада делал академик А. Ф. Иоффе.

«Я считаю для себя большой честью, — сказал профессор Бор, — выступить перед вами в Академии, имеющей прекрасные традиции — традиции, которые сегодня поддерживаются энтузиазмом всего Советского Союза. Я наблюдаю здесь в стране не только громадный интерес к прикладным, но и к «чистым» теоретическим наукам. Развитие этих наук необходимо для расширения наших знаний. Применением этих знаний на практике займутся будущие поколения».

Так прозвучало обращение маститого ученого к энтузиастам советской науки, нашим академикам, ученым и студентам. Имя Нильса Бора, профессора Копенгагенского университета (Дания), стоит в ряду основоположников современной науки об атоме, науки, к которой еще пятьдесят лет назад многие относились скептически. Однако уже в начале XX в. эта наука стала фундаментом физических наук и вообще всех наших познаний о природе. Необычайно быстрый прогресс физики за последние тридцать лет привел нас в основном к решению той задачи, над которой задумывались древние ученые, но которую не понимали и отвергали многие крупные философы и ученые второй половины прошлого века. И только несколько лет назад наука, наконец, получила возможность точно ответить на вопрос: что представляет собой реально существующий атом?

Почетный член Академии наук СССР, профессор Копенгагенского университета Нильс Бор.

Как известно, атом есть образование чрезвычайно сложной структуры. Он состоит из центральной частицы ядра, окруженного системой электронов, как бы сплошным электронным облаком. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Диаметр ядра очень мал, порядка 0,0000000000001 см, т. е. в сто тысяч раз меньше диаметра атома. Ядро представляет собой сложную компактную систему, состоящую из протонов — элементарных частиц, несущих на себе положительный электрический заряд, и нейтронов — не заряженных электричеством элементарных частиц. Ядро играет самую существенную роль в атоме. Оно является тем центром, вокруг которого вращаются по орбитам все электроны, и выражает всю индивидуальность атома, физические и химические свойства вещества, состоящего из данных атомов, и его энергию. Сложность структуры ядра была обнаружена благодаря открытию явления радиоактивности. В 1902 г. крупнейший английский ученый Эрнст Резерфорд показал, что единственный источник энергии, излучаемой радиоактивными элементами — радием, ураном, полонием — в виде альфа, бета и гамма-лучей, есть ядро атома. Испускание этих лучей приводит к превращению одного химического элемента в другой. Итак, радиоактивные процессы осуществляют превращения элементов. Переход одного элемента в другой означает изменение самого ядра, перестройку его в другое ядро.

Профессор Бор отмечает, что наши познания об атомном ядре за последние годы значительно расширились и продвинулись вперед. В самой теории атомного ядра достигнуто столько новых и разносторонних успехов, что нарисовать общую, все охватывающую картину в популярной лекции не представляется возможным. Поэтому лектор остановился только на выяснении свойств и структуры ядра.

Можно ли видеть частицы, вылетающие из атома и ядра? Оказывается, можно. Правда, понятие «видеть» частицы не совсем точно. Мы можем видеть не частицы, а пути, по которым они движутся, и этого вполне достаточно для изучения частиц и даже для подсчета их количества.

Для этого служит замечательный прибор, построенный английским физиком Вильсоном. Прибор этот носит название «камера Вильсона» и действует следующим образом. Через камеру, в которой имеется поршень и смотровое окно пропускаются заряженные частицы: атомы, ядра, протоны. Камера наполнена парами воды. При движении поршня пар расширяется, и его температура резко понижается — пар конденсируется. Конденсация пара происходит вокруг заряженных частиц. При этом образуются длинные водяные нити — следы путей частиц.

Внешний вид камеры Вильсона.

Альфа-частицы, излучаемые радиоактивным элементом — торием. Сняты в камере Вильсона.

Бомбардировка ядра лития протонами. В центре помещена "литиевая мишень" — кусочек лития. Бомбардировка лития производится потоком протонов, движущихся с огромной скоростью сверху на литий. В результате бомбардировки получаются ядра гелия, пути которых сфотографированы в камере Вильсона. Эти пути расходятся радиально от "мишени".

Расщепление ядра азота альфа-частицей (ядром гелия). В точке столкновения ядер видно разветвление в виде вилки, одно острие которой тонкое, а другое — толстое. Альфа-частица выбивает из ядра азота нейтрон, след которого виден в виде тонкой линии; ядро азота лишилось нейтрона, но захватило альфа-частицу. Ново образовавшееся тяжелое ядро вследствие толчка, происшедшего при столкновении, отклонилось в сторону. След его виден в виде толстой линии. Снимок сделан с помощью стереоскопической камеры, благодаря которой получаются объемные изображения.

Прохождение альфа-частицы через водород. В точках, где видны разветвления, произошло столкновение альфа-частиц с ядрами водорода. В результате столкновения альфа-частицы отклонилась в сторону. Снимок сделан в камере Вильсона, в которой, помимо водяных паров, находился водород, подвергнутый, действию альфа-частиц.

Поистине трудно представить себе те незначительные величины, которыми измеряется атом. Однако еще более фантастическим по своей величине кажется ядро даже по отношению к атому, в составе которого оно находится. Если бы представить себе атомное ядро, равное по величине обычному шарикоподшипнику, то соответствующий ему атом должен был быть величиной с Москву... Таково соотношение между размерами ядра и размерами атома.

Существенная разница между конструкцией атома и конструкцией ядра заключается в следующем. В атоме мы имеем дело с электронами — заряженными частицами, находящимися друг от друга на сравнительно большом расстоянии. Каждую из этих частиц можно рассматривать почти независимо от всех остальных. Это необычайно упрощает задачу при изучении атома. Возможность рассматривать каждый электрон, составляющий атом, сам по себе, в отдельности, является тем фундаментом, на котором обоснована периодическая система Менделеева. Номер элементов в таблице Менделеева определяется числом электронов в атоме; порядковый номер каждого следующего элемента отличается от предыдущего прибавлением одного электрона. В ядре дело обстоит иначе. По своей конструкции оно представляет собой чрезвычайно плотную густую упаковку частиц, в которой нельзя рассматривать отдельные частицы независимо друг от друга. Это значительно усложняет изучение ядра.

Решающий сдвиг в вопросе об атомном ядре был сделан Резерфордом. Он бомбардировал альфа-частицами, излучающимися радием и другими радиоактивными элементами, ядра азота. При этом из ядра азота выбрасывалась составная часть его. Этот эксперимент имел исключительное принципиальное значение, так как здесь имело место действительное разрушение, перестройка атомного ядра, следствием которого было превращение одного элемента в другой.

Следующим этапом были работы учеников Резерфорда. Они бомбардировали ядра элемента лития ядрами водорода. При столкновении ядра лития с ядром водорода, получившим энергию в электрическом поле порядка нескольких сот тысяч вольт, ядро водорода входит в ядро лития. Громадный избыток энергии, который заключается в этом ново образовавшемся ядре, приводит к разрушению его и к распаду на два одинаковых ядра гелия:

\(\mathrm{Li}+\mathrm H=2\mathrm{He}\)

Подобные процессы разрушения, превращения ядер одних элементов в ядра других, носят название ядерных реакций. В результате ядерных реакций получаются другие элементы — изотопы. Изотопами называются такие элементы, которые обладают химическими свойствами одноименных элементов, расположенных в таблице Менделеева, но отличаются от них атомным весом. В настоящее время известны изотопы громадного большинства элементов. Большой интерес представляет рассмотренная профессором Бором реакция — столкновение двух дейтонов, т. е. тяжелых ядер, — изотопа водорода с атомным весом 2 (атомный вес обычного водорода 1), из которых одному придана огромная скорость. При таком столкновении, как показал Резерфорд, получаются реакции, которые могут идти различными путями. Первый путь — это образование совершенно нового ядра гелия с атомным весом 3 (атомный вес обычного гелия 4). Другой путь — это образование нового изотопа водорода (уже не дейтона) с атомным весом 3. Мы пока только можем наблюдать эти процессы, не умея ими управлять.

Ученые Иваненко и Хайзенберг пришли к заключению, что ядро атома состоит из заряженных частиц протонов и незаряженных — нейтронов. Оказалось, что нейтрон является особенно активным и действенным средством для проведения всевозможных ядерных реакций. До открытия нейтрона удавалось получать лишь единичные ядерные превращения. Открытие нейтрона дало возможность необычайно расширить эту область и производить огромное число ядерных реакций.

Французские ученые супруги Жолио открыли явление искусственной радиоактивности. Это открытие явилось крупнейшим шагом вперед в наших познаниях об атомном ядре. Жолио бомбардировали атомные ядра некоторых элементов альфа-частицами и в результате получали новые радиоактивные элементы — радиоизотопы обычных элементов. Эти искусственные радиоэлементы постепенно разрушались, выбрасывая из своего состава различные частицы, и превращались в другие, нерадиоактивные элементы, т. е. теряли свои радиоактивные свойства. При бомбардировке алюминия ядрами гелия (альфа-частицами) супруги Жолио получили промежуточное новое вещество — радио-фосфор, который, постепенно распадаясь, переходил в кремний. Значение этих новых фактов чрезвычайно велико, потому что они дают совершенно новые методы наблюдения и изучения свойств и структуры ядра. Число частиц, участвующих в той или иной ядерной реакции, всегда очень невелико. Но если эти частицы являются радиоактивными, то их очень легко можно обнаружить, особенно в тех случаях, когда длительность существования радиоактивных свойств достаточно велика. В настоящее время получены такие искусственные радиоэлементы, длительность существования которых исчисляется не только минутами и часами, но днями и даже месяцами. Радио-фосфор, например, может существовать четырнадцать дней и поэтому чрезвычайно удобен для экспериментов в области изучения атомного ядра.

Кроме того, искусственные радиоэлементы открывают новые горизонты в изучении некоторых химических и биологических проблем. В Копенгагене недавно были произведены эксперименты, имеющие целью выяснить распределение элементов в животном организме. Для этого в организм животного вводилось вместе с пищей некоторое количество радио-фосфора. Через несколько суток этот радиоактивный фосфор был легко обнаружен в различных частях организма, например в костях животного. Это пролило свет на условия перемещения веществ внутри живого организма, т. е. выяснилось, что организм обновляет свои ткани каждый месяц.

*

Ядро атома удобно рассматривать как какую-то сложную систему, обладающую некоторыми свойствами обычных тел. Например, профессор Ферми рассматривал процесс выбрасывания частиц из ядра как обычное явление испарения. Можно представить себе, что ядро характеризуется какой-то температурой в том смысле, как мы понимаем это в отношении обычных тел, т. е. некоторой средней энергией, приходящейся на заключенные в нем частицы. Разница здесь только в масштабах. Известно, что энергия заряженной частицы измеряется электрон-вольтами. Один электрон-вольт — это энергия частицы, несущей один заряд и прошедшей через электрическое поле с разностью потенциалов в 1 вольт. В то время как температура обычных тел соответствует сотым долям электрон-вольта, в атомном ядре температура соответствует миллионам электрон-вольт. Если перевести на язык градусов, то это миллиарды или десятки миллиардов градусов. Температура звезд и внутренняя температура солнца тоже намеряются огромными числами (десятки миллионов градусов), необычными для явлений, происходящих в обычных условиях. Но эта температура все-таки ничтожна по сравнению с температурой в миллиарды и десятки миллиардов градусов, которой характеризуются ядра.

Процесс расщепления (разрушения) атомного ядра, захват частиц ядром, перестройка атомного ядра — все это сопровождается рассеянием энергии, подобно тому рассеянию, которое происходит в обычных телах при различных тепловых процессах.

Если бы не было рассеяния энергии, то удар нейтрона, обладающего энергией в десятки или сотни миллионов электрон-вольт, мог бы вызвать процесс освобождения внутриядерной энергии, подобно тому, как небольшой горящей головней можно вызвать огромный пожар. В свою очередь, освобожденная энергия ядра вызвала бы аналогичные процессы в соседних ядрах. Таким образом, «зажигание» в одном месте при помощи сравнительно небольших начальных «зажигающих» процессов привело бы к лавинообразному взрыву, при котором выделилось бы колоссальное количество энергии. Значительно более легкой проблемой было бы осуществление технических проектов практического использования этой энергии. Однако явление рассеяния энергии, которое типично для всех ядерных процессов, делает такое простое допущение маловероятным. Влет в ядра первой же частицы сопровождается рассеянием энергии, даже несколько обесценивающим ту энергию, которую мы вначале имели.

Это обстоятельство приводит нас к несколько мрачным перспективам в отношении одной из фундаментальных проблем атомной физики — проблеме использования той огромной энергии, которая заключена в атомном ядре.

Профессор Бор указывает, что в ходе изучения ядерных процессов становится ясно, что сравнительно простые пути, которыми, как казалось вначале, можно достигнуть использования внутриядерной энергии, оказываются на самом деле неосуществимыми. Однако это не значит, конечно, что все пути отрезаны. Возможно, что человечество в будущем все же разрешит эту величайшую проблему и осуществит использование внутриядерной энергии.