Циклотрон | ТМ 1941-01

Текст В. Смирнягина, проиллюстрированный юмористическими рисунками Л. Смехова, описывает путь от открытия радиоактивности и первых опытов Марии Кюри до создания ускорителей частиц. Показано, как исследования Резерфорда привели к пониманию строения атомного ядра и возможности превращения элементов. Центральное место занимает циклотрон — установка, позволяющая разгонять заряженные частицы до огромных скоростей и использовать их для ядерных реакций, получения новых веществ и медицинских применений. Рассматриваются первые советские циклотроны, их устройство, мощность и перспективы использования для науки и практики.

---

В. СМИРНЯГИН, Рисунки Л. СМЕХОВА

В начале XX века великий русский учёный Менделеев побывал в Париже и познакомился с работами Марии Кюри, открывшей радий. Опыты с этим необычайным элементом поразили учёного. Они нарушали представление об атоме как о неделимой и неизменной частице вещества.

«Каковы бы ни были катастрофы в мировых пространствах, атомы, из которых построен мир, основные камни мироздания, не изменяются ни в своих размерах, ни в своих свойствах», писал когда-то Менделеев, и в этом он был убеждён как в непреложной истине.

И вдруг неопровержимые опыты доказали, что атомы радиоактивных элементов под действием неведомой силы способны самопроизвольно распадаться, причём никакими стараниями нельзя было ни остановить этот распад, ни ускорить его. Оказалось также, что при этом появляются атомы гелия, хотя по условиям опыта гелий никак не мог попасть извне и, следовательно, явился результатом радиоактивного распада.

Со времени открытия радиоактивности весь учёный мир заинтересовался строением атомов. Было установлено, что каждый атом представляет собой как бы отдельную планетную систему. В центре её находится положительно заряженное ядро, составляющее главную массу атома; вокруг ядра на большем или меньшем отдалении, иной раз по очень сложным орбитам, двигаются отрицательно заряженные частицы — электроны.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протон, в противовес электрону, заряжен положительно. По объёму он значительно меньше электрона, но почти в две тысячи раз больше по весу. Нейтрон, как это видно по его названию, нейтрален, то есть не несёт никакого электрического заряда.

Протоны, электроны и нейтроны являются основными частицами, из которых состоят атомы элементов. В последние десятилетия науке удалось обнаружить ещё и другие мельчайшие элементарные частицы, которые улавливаются в процессе превращений и распада атомов.

Все атомы состоят из одинаковых протонов, электронов и нейтронов, отличаясь лишь количеством и сочетанием их. Строение атомов может быть очень сложным. В периодической системе элементы расположены в порядке нарастания этой сложности. Последние элементы в системе — радий, актиний, торий и уран — состоят из столь большого количества электронов, протонов и нейтронов, что представляют собой крайне неустойчивые системы. Этой неустойчивостью и объясняется их способность самопроизвольно распадаться.

При распаде какого-либо радиоактивного элемента из недр его атомов с громадной скоростью вылетают элементарные частицы. В этом, собственно, и заключается процесс радиоактивного излучения.

В излучении, сопровождающем распад радия, содержатся положительно заряженные частицы. Это так называемые альфа-лучи. Каждая такая частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, то есть представляет собой ядро атома гелия. Поток альфа-лучей вылетает из радия с огромной скоростью, доходящей до 10 тыс. километров в секунду.

Широко известный нашим читателям оригинальными исследованиями в различных отраслях знания доктор глубокомысленных наук профессор Арк-Синус решил заглянуть в недра атомов. Приблизившись к ядру атома, он увидел, как оттуда стремительно вылетают альфа-частицы. Скорость их была столь велика, что, вскочив на такую частицу, доктор смог в 21 секунду долететь до Луны.

Для наблюдений над радиоактивными явлениями американский физик Вильсон предложил простейший способ. Этот способ заключается в следующем. Небольшая камера заполняется пересыщенным водяным паром. Когда в этой среде пролетает элементарная альфа-частица, то она как бы прочерчивает туманный след, легко различимый даже невооружённым глазом. Подобное явление объясняется тем, что водяные пары вокруг всякой электрически заряженной частицы сгущаются в туман.

Этот несложный прибор и явился тем чудесным микроскопом, с помощью которого учёные раскрыли немало тайн строения вещества. Туманные следы альфа-частиц в камере Вильсона позволили вычислить массу, скорость и энергию, которую несли в себе эти «атомные снаряды».

Среди физиков, изучающих явления радиоактивности, больших результатов достиг английский учёный Резерфорд. Долгими часами просиживал он перед камерой Вильсона, вычисляя скорость и массу альфа-частиц. Он заметил, что иногда прямолинейный путь альфа-частицы внезапно искривляется, как будто она налетела на какое-то препятствие. А в некоторых, ещё более редких случаях след даже раздваивается в виде вилки. В 1913 г. после длительных опытов Резерфорд пришёл к выводу, что такой след есть действительно результат столкновения альфа-частицы с ядром встретившегося на пути атома. Это было величайшее открытие, которое положило начало целой науке — физике атомного ядра.

Забравшись внутрь атома, Арк-Синус обнаружил там громадные запасы энергии. Оказалось, что энергии, заключённой в одном кубическом сантиметре вещества, достаточно, чтобы взорвать многотонную скалистую гору.

Во всех странах начались работы по бомбардировке атомов химических элементов альфа-частицами. Учёные обнаружили, что, проникая в атомное ядро, альфа-частицы могут совершенно перестроить его и превратить в новое ядро другого элемента. В результате такой бомбардировки фосфор может превратиться в кремний, ртуть в золото... Казалось, был найден тот чудесный философский камень, о котором мечтали алхимики. И такие превращения действительно осуществлялись учёными. Однако новые вещества получались в столь ничтожных количествах, что их нельзя было измерить никакими весами.

Дело в том, что из миллиона положительно заряженных частиц, излучаемых при радиоактивном распаде, только одна-две попадают в ядро атома. Такой ничтожный процент попадания вполне понятен. Если представить себе ядро атома увеличенным до размеров горошины, то соответственно электрон окажется от него на расстоянии 1—2 километров, а ядро соседнего атома — не ближе, как на расстоянии 4—5 километров. Представьте себе горошины, рассыпанные по полю на расстоянии 5 километров друг от друга. Попасть в такую цель нелегко, тем более что ядра, как и альфа-частицы, обладают положительным зарядом, а одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются. Альфа-лучи должны быть направлены прямо в центр ядра и обладать большой энергией, то есть лететь с громадной скоростью, чтобы преодолеть это взаимное отталкивание.

Арк-Синус обнаружил, что альфа-частицы, попадая в ядра атомов, разрушают их. Он решил сам обстреливать атомные ядра. Уподобив горошины ядрам атомов, доктор для соблюдения пропорции должен был положить одну горошину от другой на расстоянии 5 километров. Открыв стрельбу из духового ружья по этим целям, Арк-Синус убедился, что поразить их не так легко. Ему пришлось сделать миллион выстрелов, чтобы добиться всего лишь одного попадания. А доктор был отличным стрелком.

Вот почему, хотя каждая крупинка радия излучает миллионы альфа-частиц, этот поток всё же слишком слаб, чтобы вызывать ядерные реакции в сколько-нибудь значительных размерах.

Возник вопрос: нельзя ли для бомбардировки атомов создать искусственным путём поток положительных частиц, которые обладали бы громадной скоростью?

Учёным было известно, что достаточно ионизировать водород, чтобы получить любое количество положительно заряженных частиц. Оставалось решить вторую часть задачи: придать этим частицам огромную скорость, превышающую 10 тыс. километров в секунду. Здесь на помощь пришло электричество.

Известно, что всякая электрически заряженная частица, оказавшись в электрическом поле, отталкивается от одноименного полюса и притягивается к противоположному. Это движение будет тем быстрее, чем больше разность потенциалов между полюсами. Чтобы придать частицам достаточную скорость, нужно создать разность потенциалов в миллионы вольт. Для этой цели были построены громадные электростатические генераторы, установленные на изолирующих колоннах высотой в 20 и более метров. Это было громоздкое сооружение, которое, однако, не давало достаточно мощного потока частиц.

Но вот в 1930 г. американский учёный Лоуренс придумал чрезвычайно остроумный аппарат, названный циклотроном. В этом аппарате положительно заряженные частицы водорода «разгоняются» до нужной скорости, подобно тому, как раскручивается камень в праще, прежде чем из неё вылететь.

Представим себе для наглядности коробку из-под крема для обуви, только очень больших размеров, диаметром до метра. Распилив её по диаметру, мы получим два так называемых дуанта. Вот в таких дуантах и происходит «разгонка» положительно заряженных частиц.

В циклотроне дуанты раздвинуты на несколько сантиметров друг от друга. Они заряжаются высокочастотным током напряжением в десятки тысяч вольт. Благодаря переменному току знаки зарядов всё время меняются, причём в каждый данный момент оба дуанта заряжены разноимённо. В пространстве между ними образуется электрическое поле.

Всякая положительно заряженная частица, очутившаяся в середине этого пространства, притягивается к отрицательно заряженному дуанту и по инерции влетает внутрь его.

Каждый дуант находится между полюсами чрезвычайно мощного магнита. По закону Ампера, заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, отклоняется от своего прямолинейного пути. Поэтому, описав полукруг в полости дуанта, частица вылетает из него и вновь оказывается в электрическом поле. В этот момент положительный дуант становится отрицательным, а отрицательный, из которого только что вылетела частица, — положительным. Частица испытывает притяжение одного дуанта и отталкивание со стороны другого. Под влиянием этих сил скорость её возрастёт. Влетев внутрь другого дуанта, частица под действием магнитного поля опять опишет полукруг, но на этот раз по большему радиусу, так как её скорость будет уже значительно больше.

Заинтересовавшись действием циклотрона — аппарата, предназначенного для создания быстрого потока элементарных частиц, — доктор Арк-Синус проник внутрь вакуум-камеры. Предвидя длительную научную работу, он предусмотрительно захватил с собой письменный стол, кресло, чернила. Внезапно циклотрон был включён, и вихрь заряженных частиц подхватил Арк-Синуса и с громадной скоростью закружил его по спирали.

Перелетая таким образом из дуанта в дуант, частица описывает как бы спираль. При каждом пересечении электрического поля частица получает новое ускорение. В конце спирали она приобретёт огромную скорость, для получения которой с помощью электростатического генератора потребовалось бы создать напряжение в несколько миллионов вольт.

Первый советский циклотрон был построен в Ленинграде в Радиевом институте. Для создания электрического поля между его дуантами потребовался генератор высокочастотных колебаний мощностью в 50 киловатт и напряжением в 20 тыс. вольт. Другой генератор питает весьма мощные магниты циклотрона. На одну лишь обмотку этих магнитов ушло около 2 тонн меди. Такой магнит может вырвать из рук поднесённый к нему железный ключ, может намагнитить на расстоянии часы и остановить их.

Дуанты циклотрона заключены в вакуум-камеру, из которой на время опыта удаляется воздух.

Это делается для того, чтобы частицы во время разгона встречали меньше препятствий на своём пути и не теряли скорости.

В вакуум-камеру вводится необходимое количество так называемого тяжёлого водорода. Это вещество имеет вдвое больший атомный вес, чем обычный водород. Ядра тяжёлого водорода оказались наиболее удобными для атомной бомбардировки.

Таким образом, для работы циклотрона потребовалась ещё установка, вырабатывающая тяжёлый водород, а также непрерывно работающая вакуумная установка и весьма сложная охладительная система. Дуанты опутаны целой сетью тонких медных трубочек, по которым непрерывно циркулирует вода, уносящая тепло, образующееся в этой своеобразной высокочастотной печи.

Несмотря на свои сравнительно небольшие масштабы, опытный циклотрон, установленный в Радиевом институте, по силе своего излучения равноценен 15 килограммам радия. Это почти в десять раз превышает всё количество радия, добытого на земле.

Действие циклотрона можно испытать, поместив внутрь камеры на пути разгоняемых частиц пластинку какого-либо металла. Если таким образом бомбардировать пластинку бериллия, из неё вылетают нейтроны, обладающие ещё большей проницающей способностью, чем положительно заряженные частицы.

Потоки нейтронов проходят через все стенки циклотрона и вызывают радиоактивный распад находящихся поблизости элементов.

Так, например, если на циклотрон положить серебряный портсигар, то через некоторое время портсигар становится радиоактивным, потому что вылетающие из пластинки бериллия нейтроны производят разрушение атомов серебра. Такой портсигар, в свою очередь, становится источником радиоактивного излучения. Свою радиоактивность он сохраняет в течение известного времени, длительность которого зависит от того, как долго он подвергался облучению. Таким путём можно сделать радиоактивными самые различные вещества, причём в такой степени и на такой срок, на какой это будет желательно. Это открывает совершенно новые горизонты перед наукой и, в частности, перед медициной, так как можно искусственно получать в достаточном количестве радиоактивный натрий, иод, фосфор и пр.

Сотрудники Радиевого института испытывали также непосредственное действие циклотрона на живые ткани. Мыши, облучённые с помощью циклотрона, через некоторое время гибнут. Как показывают вскрытия, в составе крови мышей происходят глубокие органические изменения и уничтожаются белые кровяные шарики.

«Осколки» атомов, которыми пронизана атмосфера вокруг мощного циклотрона, могут причинить ущерб здоровью окружающих. Надёжной защитой от этих излучений служит водяная завеса, так как вода задерживает атомное излучение.

Заметив, что мышь, облученная циклотроном, теряет шерсть, доктор с беспокойством подумал о своей шевелюре. Чтобы защитить ее от опасного облучения, он скрылся за водяной завесой. Она оказалась надежной защитой для доктора, так как поглощала все частицы, вылетающие из циклотрона.

Сейчас в США построено уже восемнадцать циклотронов. Самый мощный из них даёт поток заряженных частиц с энергией около 15 млн. электрон-вольт. В СССР в ближайшее время вступит в строй циклотрон Физико-технического института в Ленинграде мощностью в 12 млн. электрон-вольт. Третий и самый мощный советский циклотрон будет построен в Москве. Его мощность достигнет 50 млн. электрон-вольт. Он будет весить 1000 тонн. Для его установки понадобится помещение объёмом в 8 тыс. кубометров.

Циклотроны открывают заманчивые перспективы перед новой увлекательной наукой — физикой атомного ядра. Помимо огромного теоретического и познавательного значения, циклотрон открывает практические возможности превращения элементов друг в друга. Но это не всё. В конечном счёте циклотрон поможет человечеству найти пути к освобождению и практическому использованию колоссальных запасов внутриатомной энергии.