Блэкетт. Искусство экспериментальной физики, ч. 2

Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт. Искусство экспериментальной физики, 1933

Радиоактивна лишь малая часть веществ, из которых состоит земная кора - то есть они самопроизвольно распадаются с образованием новых элементов. Мало того, что исследование этих редких процессов представляет чрезвычайный интерес, так еще и радиоактивные тела предоставили экспериментатору непревзойденный метод исследования атомной структуры других элементов. Они сделали это, предоставив атомные частицы такой большой энергии, что их можно использовать в качестве инструментов для изучения структуры других ядер. В частности, альфа-частицы, или ядра атомов гелия, которые испускаются многими радиоактивными веществами, обладают такой большой скоростью, что они могут проникать в силовое поле, окружающее ядро атома, и таким образом могут быть использованы для исследования его структуры. До недавнего времени возможность этих исследований полностью зависела от любопытного и почти случайного факта, что эти альфа-частицы могут быть обнаружены по отдельности сцинтилляционным методом.

Если наблюдать определенные кристаллы под микроскопом во время бомбардировки альфа-лучами от какого-либо радиоактивного препарата, можно увидеть множество мельчайших вспышек света. Каждое из этих мерцаний вызвано воздействием одной частицы. Посредством некоего сложного процесса большая часть энергии, выделяемой частицей при ударе о кристалл, преобразуется во вспышку света, достаточно интенсивную, чтобы ее можно было легко увидеть с помощью маломощного микроскопа.

Единственные кристаллы, с помощью которых можно увидеть яркие мерцания, - это кристаллы сульфида цинка, хотя гораздо более слабые мерцания встречаются с некоторыми другими веществами, включая некоторые виды алмазов. Но далеко не во всех кристаллах сульфида цинка можно увидеть эти мерцания. Чистые кристаллы ничего не дают; очевидно, определенные примеси должны присутствовать в мельчайших пропорциях - одна десятитысячная часть солей меди кажется наиболее эффективной. Этот прекрасный метод, основанный на любопытном свойстве одного, достаточно чистого вещества, в течение многих лет оставался непревзойденным инструментом для исследования атомных явлений.

Такими экспериментами были те, в которых исследовалась структура атомных ядер: исследователи пытались узнать, что происходит, когда быстрые альфа-частицы сталкиваются с ними. Экспериментальной основой, на которой Резерфорд основал ядерную теорию атома, было открытие, что рассеяние быстрых альфа-частиц тяжелыми элементами указывало на то, что электрические силы взаимодействия между двумя частицами изменялись обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, точно так же, как и гравитационные силы между кометой и солнцем.

Более поздние исследования Резерфорда и его научной школы в период с 1919 по 1924 год были связаны главным образом с исследованием рассеяния альфа-частиц легкими элементами, поскольку при этом можно было ожидать отклонений от закона обратных квадратов, поскольку легкое ядро оказывает гораздо меньшее воздействие на альфа-частицу, чем тяжелое; так что можно ожидать, что альфа-частица приблизится достаточно близко для прямого столкновения. Было установлено, что это именно так. В частности, было обнаружено, что столкновения быстрых альфа-частиц с ядрами водорода и гелия происходят во много раз чаще, чем можно было ожидать, исходя из предположения, что силы подчиняются простому закону обратного квадрата. Таким образом, стало возможным по величине аномального рассеяния определить приблизительный размер самих ядер.

Еще более поразительные результаты были получены при бомбардировке альфа-частицами других легких элементов, таких как алюминий. Было обнаружено, что на экране из сульфида цинка наблюдались мерцания, даже когда между алюминием и экраном были размещены довольно толстые поглотители. Таким образом, частицы, испускаемые алюминием, обладали гораздо большей проникающей способностью, чем исходные альфа-частицы, бомбардирующие алюминий. Этот результат интерпретировали так: некоторые альфа-частицы вызвали распад ядер алюминия, выбрасывая из них ядра водорода с большой энергией. Эти эксперименты были первыми, показавшими искусственное превращение одного элемента в другой, и в то время, когда они были впервые проведены, их возможность полностью зависела от метода сцинтилляции.

Техника, необходимая для таких экспериментов, на удивление проста. Радиоактивный препарат, выделяющий альфа-частицы, наносится на металлическую подложку. Рядом с ним помещается тонкий лист алюминия, затем несколько слюдяных поглощающих экранов и, наконец, экран из сульфида цинка и микроскоп для наблюдения за мерцаниями. Эксперименты заключались в подсчете количества мерцаний на экране из сульфида цинка, когда на пути частиц помещалась слюда различной толщины.

Наблюдатели, которые уже провели полчаса или около того в темноте, чтобы их глаза достигли максимальной чувствительности, чтобы иметь возможность четко видеть мерцания, по очереди садятся за микроскоп и наблюдают за слабо освещенным полем, которое выглядит слегка зернистым из-за кристаллов сульфида цинка. Сигнал раздается автоматически с интервалом в одну минуту, и в течение каждого периода наблюдатель концентрирует свое внимание на том, чтобы держать экран в фокусе, чтобы можно было подсчитать каждую крошечную вспышку; ни одна из них не должна быть пропущена; при этом исследователь должен отбрасывать то, что ему могло померещиться. Нелегко избежать любой неисправности, если мерцания слабые и если экран мерцает светом, создаваемым сопутствующими бета- и гамма-лучами. Особенно это важно, если у наблюдателя есть некоторое предварительное представление о том, сколько частиц следует ожидать. Поэтому разумно держать его в неведении о любых изменениях, внесенных в аппаратуру между наблюдениями, чтобы он не знал, какого количества частиц ожидать.

Трудность в этих экспериментах заключалась в получении достаточно мощных радиоактивных источников, которые давали бы каждую минуту достаточное количество мерцаний на экране из сульфида цинка. Размер доступных радиоактивных источников определяется как расходами на исходные радиоактивные объекты, так и трудностями и опасностью, связанными с использованием очень большого количества распадающегося материала. Наблюдение не может продолжаться в течение длительного времени, хоть и удаётся увидеть лишь небольшое количество мерцаний, - как из-за того, что радиоактивные источники, которые обычно приходится использовать, не имеют постоянную мощность, а распадаются до половины своей интенсивности менее чем за полчаса, - так и из-за сильной нагрузки на глаза людей, которые считают мерцания. Таким образом, работа по этому методу шла очень медленно.

Хотя сцинтилляционный метод оказался чрезвычайно ценным для первых исследований аномального рассеяния и искусственной дезинтеграции, позже, когда были исследованы общие свойства явлений и, следовательно, надо было исследовать более мелкие детали, этот метод оказался устаревшим. Для изучения этих более мелких деталей требуются более узкие пучки частиц, а это неизбежно еще больше уменьшает количество наблюдаемых частиц.

Все подобные измерения интенсивности рассеяния путем подсчета частиц, рассеянных за данный момент времени, страдают неточностью из-за вероятных отклонений. При одинаковых условиях количество частиц, наблюдаемых в последовательные периоды, скажем, в одну минуту, не будет одинаковым, а будет меняться от минуты к минуте. Чем больше частиц будет подсчитано, тем точнее наблюдатель будет знать желаемое число - среднее число, ожидаемое в данный момент времени. Но из математической теории вероятности можно показать, что если он подсчитает N частиц, то его результат будет неопределенным для квадратного корня из N. Таким образом, если он подсчитает 100 частиц, его ошибка составит 10%; если 10 000, то она составит 1%. Чтобы повысить точность в десять раз, необходимо увеличить количество частиц в сто раз. К этому закону, как и к другим статистическим законам, нельзя апеллировать. Следовательно, для точной работы необходимо подсчитать очень большое количество частиц, а делать это сцинтилляционным методом непомерно трудно и долго. Поэтому требуются новые методы.

Еще в 1908 году Резерфорд и Гейгер обнаружили одиночные альфа-частицы электрически, увеличив обусловленную ими ионизацию, используя процесс ионизации при столкновении. Заряженные молекулы, или ионы, образующиеся в газе при прохождении альфа-частицы, ускорялись электрическим полем до такой степени, что при столкновении с другими молекулами они могли расщеплять их с образованием новых ионов. Они снова ускорялись тем же электрическим полем и, таким образом, производили еще больше ионов, и так далее, пока электрический ток, обусловленный всеми ионами, косвенно создаваемый таким образом одной альфа-частицей, не стал достаточно большим, чтобы его можно было непосредственно обнаружить. Но этот метод не нашел широкого применения из-за помех в виде сильных бета- и гамма-лучей, которые неизбежно сопровождают альфа-лучи от большинства радиоактивных источников. Требовался электрический метод, который позволял бы регистрировать одиночные альфа-частицы даже при наличии сильных помех от бета- и гамма-лучей.

Появление беспроводного клапана сделало это возможным; в руки экспериментатора попал прекрасный инструмент, обладающий предельной гибкостью и мощностью. Точно так же, как с помощью искусственного искажения инженер-радиотехник может превратить бас в тенор, физик, применяя аналогичные методы, может значительно усилить внезапный всплеск тока, вызванный альфа-частицей, без усиления в такой же степени колеблющегося из-за помех от бета- и гамма-лучей фона ионизации. Как только эта техническая проблема была решена, снова стал возможен быстрый прогресс в исследовании ядра. Устройство, необходимое для электрического обнаружения одиночных частиц путем усиления с помощью клапанов создаваемых ими мельчайших ионизационных токов, намного сложнее, чем ранний метод сцинтилляции. Он может состоять из пятиклапанного усилителя, тщательно спроектированного таким образом, чтобы обеспечивать очень высокое усиление и в то же время быть стабильным и надежным. Кратковременный ток, создаваемый ионизацией, вызванной альфа-частицей, усиливается в достаточной степени, чтобы вызвать громкий щелчок в динамике или, как правило, внезапное отклонение высокочастотного гальванометра. Регистрируя усиленные токи движущейся фотобумаги, можно получить непрерывную запись наблюдаемых частиц, продолжающуюся в течение нескольких часов. Таким образом, не только значительно повышается точность наблюдения в отличии от сцинтилляционного метода, но и становится возможным наблюдать явления, при которых низкая частота обнаружения частиц выводит эксперимент совершенно на новый уровень.

Еще один продукт промышленных исследований, тиратрон, стал бесценным инструментом в физической лаборатории. Этот новый тип трехэлектродного клапана содержит пары ртути вместо полного вакуума, какой дают обычные клапаны. Следовательно, такой клапан имеет особый вид характеристической кривой, которая позволяет использовать его в качестве очень быстрого реле. Таким образом, легко вызвать скачок тока от усилителя из-за одиночной альфа-частицы, щелкающей по механическому счетчику - такому, который используется на телефонной станции для регистрации количества звонков от абонента. Количество альфа-частиц, поступающих за заданное время, считывается затем непосредственно с механического счетчика. Благодаря разработке таких устройств было обнаружено, что можно подсчитывать частицы, даже если они поступают с частотой до 2000 в минуту. Эффективный диапазон скоростей подсчета частиц с помощью сцинтилляции составляет, возможно, от одной до ста частиц в минуту. Клапан и тиратрон во много раз расширили данный диапазон.

Единственным соперником вентильного усилителя в качестве средства подсчета одиночных частиц является прекрасный электрометр Гоффманна. Этот прибор подходит только в тех случаях, когда частицы поступают очень редко, но при его использовании были получены очень важные результаты. Однако сложность его конструкции, вероятно, не позволит ему получить такое же широкое распространение, какое получил клапанный усилитель.

В дополнение к новым техническим возможностям, предоставляемым этими новыми приборами, важным шагом стало производство очень крупных образцов радиоактивного полония. Полоний, последний активный представитель радиоактивных элементов уранового ряда, уникален среди радиоактивных источников тем, что он выделяет только одну группу однородных альфа-частиц, не сопровождающихся заметным бета- или гамма-излучением. Кроме того, он живёт сравнительно долго, разлагаясь лишь наполовину за 140 дней. Его свобода от других бета- и гамма-излучения и сравнительное постоянство активности делают его идеальным материалом для решения многих задач. Поскольку полоний является радиоактивным потомком радия, его можно обнаружить во всех старых растворах солей радия или на стенках любого сосуда, в котором излучение радия подверглось разложению. Большинство лабораторий, специализирующихся на радиоактивных работах, располагают примерно половиной грамма радия, обычно хранящегося в растворе в стеклянном сосуде. В любом таком сосуде, который не трогали несколько лет, скопится большой запас полония. Но опасность, связанная с манипуляциями с такими большими количествами радия, заставляет по возможности не трогать сосуд, и поэтому полоний не может быть извлечен. Следовательно, запас полония должен быть получен из стенок стеклянных трубок, которые содержали излучение радия. Извлечение полония довольно простое; трудность заключается в получении пробирок. В настоящее время полоний не имеет коммерческой ценности. Его редко покупают или продают, поскольку он буквально ничего не стоит, хотя и бесценен для экспериментатора. Если эти трубки вообще доступны, их обычно приобретают в подарок от какой-нибудь больницы, поскольку больницы владеют подавляющей частью мировых запасов радия и не используют полоний. К сожалению, в медицине лишь в немногих случаях излучение радия используется так, чтобы физик мог получить из этого необходимый радиоактивный полоний.

Только в последние несколько лет такие эффективные препараты полония были успешно использованы для экспериментов по искусственному распаду; но результаты, полученные с их использованием, уже представляют интерес. С помощью этого средства Боте и Беккеру в Берлине удалось обнаружить существование высокопроникающего излучения, испускаемого при бомбардировке альфа-частицами определенных легких элементов, в частности бериллия. Эти лучи не были обнаружены до тех пор, пока не появились крупные источники полония, поскольку все другие радиоактивные источники сами по себе дают гамма-излучение во много раз более интенсивное, чем при бомбардировке вещества альфа-лучами. Дальнейшее изучение этих лучей Кюри и Жолио в Париже выявило странные особенности, которые поставили под сомнение первоначальное предположение о том, что они были проникающими электромагнитными лучами. Дальнейшие исследования Чедвика привели его к тому, что он приписал некоторые свойства лучей присутствию частиц нового типа - нейтронов. Таким образом, открытие нейтрона - открытие первостепенной важности - технически зависело от подготовки крупных источников полония и от разработки вентильного усилителя и электрометра Хоффмана для обнаружения ионизации, вызванной одиночными частицами. Важная роль, которую сыграл облачный метод в этом открытии, будет описана позже.

Благодаря использованию этих новых методов оказалось возможным исследовать процесс искусственного распада легких элементов в экспериментах, далеко выходящих за рамки возможностей старых методов. Боте и Фрэнц далее обнаружили, что когда элемент бор распадается при бомбардировке альфа-частицами, испускаемые протоны распадаются на несколько групп частиц с разной энергией. Дальнейшие исследования в Кавендишской лаборатории показали, что такой же процесс, но часто гораздо более сложный, происходит и с другими легкими элементами. Таким образом, стало возможным исследовать энергетические уровни легких ядер и, таким образом, получить первые количественные данные об их действительной структуре.

Структуру тяжелых ядер не так-то легко исследовать с помощью бомбардировки альфа-частицами, поскольку не известно таких частиц, которые обладали бы достаточной энергией, чтобы проникать сквозь окружающие их большие электрические поля. Но структуру тяжелых радиоактивных ядер можно исследовать, изучая энергии лучей, испускаемых при их самопроизвольном распаде. Значения этих энергий за многие годы были вычислены с достаточной точностью, и поэтому новые эксперименты были направлены на достижение повышенной точности и разрешающей способности. Важным техническим шагом в этой работе стало сооружение Коттоном в Париже большого магнита, который создавал сильное магнитное поле на большем пространстве, чем было когда-либо использовано ранее. Отклоняя альфа-частицы с помощью этого магнита и обнаруживая их по их воздействию на фотопластинку, Розенблюм показал, что альфа-частицы от некоторых радиоактивных тел, которые ранее считались движущимися с одной скоростью, на самом деле состояли из нескольких отдельных групп частиц со слегка отличающимися скоростями. Исследование этой тонкой структуры групп альфа-частиц очень быстро провели в Кавендишской лаборатории, - путем измерения расстояния, которое они проходят в газе, с использованием оригинального метода, с помощью которого непосредственно регистрировался точный конец следа альфа-частицы.

Метод этот выглядит так. Три металлические плёнки расположены параллельно и близко друг к другу. Когда частица проходит через плёнку, она ионизирует газ и вырабатывает небольшой электрический ток, который очень сильно усиливается с помощью клапанов. Однако три пленки подключены к усилителю таким образом, что, когда частица проходит через все три, ничего не регистрируется. Но когда частица проходит в пространство между первой и второй, но останавливается, не дойдя до третьей, вентильный усилитель реагирует, и частица регистрируется.

Совсем недавно был сконструирован новый магнит оригинальной конструкции, с помощью которого можно направлять альфа-лучи по полукруглой траектории диаметром около 75 сантиметров. Частицы обнаруживаются не так, как в методе, используемом Розенблюмом, путем их воздействия на фотопластинку, а с помощью метода усиления клапаном, аналогичного уже описанному.

С помощью этих методов была очень подробно проанализирована структура сложных групп альфа-частиц, испускаемых различными радиоактивными телами. Зная энергии различных групп частиц, можно начать узнавать что-то о действительном строении ядер тяжелых атомов, - точно так же, как изучая спектров молекулы, можно понять её электронную структуру.

Среди множества устройств, изобретенных для изучения природных явлений, нет ни одного, которое могло бы так так удивить, как облачная камера. Конечный результат большинства экспериментов состоит в наборе цифр, графике или группе спектральных линий на фотопластинке. Между экспериментальным результатом и теоретическим заключением лежат аналитические этапы, иногда простые, но часто заумные; без понимания этих этапов полная оценка значимости эксперимента невозможна. Для мгновенного понимания красоты облачного метода таких преград нет. Тысяча повторений одних и тех же действий не ослабит интерес к зрелищу внезапного появления на черном фоне ярких следов, которые отмечают траектории одиночных атомных частиц. Нет двух одинаковых снимков; исследователь всякий раз знает, что может увидеть какой-то новый тип атомарного события.

О большинстве экспериментальных методов можно сказать, что, если бы их не открыл их автор, то они наверняка были бы очень скоро открыты кем-то другим. Но если бы не было К.Т.Р. Уилсона, который в 1896 году начал эксперименты по образованию капель воды в воздухе и который получил первые фотографии атомных следов в 1911 году, физике, возможно, еще много лет не хватало бы этого превосходного экспериментального метода.

Этот метод удивительно прост. Воздух, насыщенный водяным паром, содержится в плоской камере, снабженной подвижным поршнем. Если поршень внезапно опустить, воздух расширяется и, таким образом, охлаждается в процессе расширения; теперь уже перенасыщенный водяной пар конденсируется, образуя облако из капель воды. Именно от детального механизма этой конденсации водяного пара с образованием капель зависит возможность фотографирования атомных следов.

Давно было известно, что давление водяного пара, находящегося в равновесии с выпуклой поверхностью воды, больше, чем давление, находящееся в равновесии с плоской поверхностью. Вода всегда будет испаряться с поверхности воды, если давление водяного пара вблизи поверхности меньше равновесного давления пара. Следовательно, очень маленькая капелька воды испарилась бы из-за своей выпуклой поверхности, даже если окружающий газ перенасыщен до такой степени, что конденсация на плоской поверхности происходит легко. Таким образом, маленькие капельки вообще не будут образовываться, если не будет какого-то способа провести их через раннюю стадию их жизни, когда они слишком малы, чтобы расти самостоятельно. Этого можно достичь двумя способами. Если в газе присутствует частица пыли, она образует ядро, на котором может происходить конденсация, поскольку даже самая маленькая частица пыли настолько велика с молекулярной точки зрения, что ее поверхность достаточно плоская, чтобы на ней легко происходила конденсация. Однако существует другой способ заставить капли расти. Если во влажном газе присутствует ион - то есть молекула, несущая электрический заряд, - он может выступать в качестве ядра для конденсации. Заряд на мельчайшей капельке склонен увеличивать ее размер подобно тому, как мыльный пузырь расширяется при электрическом заряде из-за отталкивания электрических зарядов на его поверхности. Таким образом, на каждом заряженном ионе в перенасыщенном паре будет конденсироваться вода, образуя видимую капельку, даже если в остальном газе конденсации вообще не происходит. Точно регулируя расширение воздуха за счет опускающегося поршня таким образом, чтобы получить правильную степень перенасыщения, можно обнаружить все ионы в камере по мельчайшим каплям воды, которые образуются на них. Если в каждом кубическом сантиметре газа содержится только один ион, то есть если среди 10 в девятнадцатой степени незаряженных молекул есть только одна заряженная, то каждую из них можно увидеть невооружённым глазом или сфотографировать в виде крошечной ярко освещенной капли воды.

Теперь, когда быстро движущийся электрон или альфа-частицы проходят через газ, он расщепляет некоторые молекулы, через которые он проходит, на положительные и отрицательные ионы. Он оставляет за собой след из разорванных молекул, которые после расширения газа проявляются в виде следа капель воды. Если частица представляет собой электрон, движущийся очень быстро, то ионов немного и они расположены далеко друг от друга; поэтому видно, что дорожка состоит из отдельных капель. Но если частица движется медленнее и несет больший заряд, то ионов очень много, и след кажется непрерывным - яркая белая линия на черном фоне остальной части камеры. Если частица отклоняется в результате столкновения с другим атомом, одиночный след капель, отмечающий ее первоначальный путь, делится на два, образуя раздвоенный след, который отмечает путь двух частиц после столкновения. Из измерений таких фотографий можно непосредственно вывести законы взаимодействия атомных ядер.

Особая прелесть облачного метода заключается в непосредственном наблюдении атомных процессов и взаимодействий; без этого метода эти процессы тоже стали бы известны, но путем взаимодействия с набором цифр или графиком; и до того, как метод стал известен, было бы неразумно предполагать, что прямое знакомство с атомными процессами могло бы когда-либо случиться.

Облачный метод сыграл важную роль в недавнем открытии нейтрона. Эксперименты, проведенные электрическими методами, привели к гипотезе о существовании нового типа частиц, способных проходить сквозь большие толщи вещества без заметной потери энергии и способных приводить в неистовое движение другие ядра, сталкиваясь с ними. Фотографии, сделанные облачной камерой, прекрасно это подтвердили. В воздухе появились короткие плотные следы, очевидно, из-за быстрого движения ядер азота. Но не было видно следа частицы, которая привела их в движение. Поскольку нейтрон не имеет заряда, он почти не вызывает ионизации, и поэтому его след не виден по следам капель воды. Итак, облачная камера непосредственно продемонстрировала существование этого нового и наиболее интересного типа частиц.

Три метода экспериментальной физики, которые были описаны в качестве примеров экспериментальной техники: сцинтилляционный метод, усиление ионизационных токов клапанами и облачная камера, настолько разнообразны, насколько это возможно. Первое зависит от необычных свойств одного конкретного кристалла, содержащего достаточно примесей; второе - от использования узкоспециализированного продукта радиопромышленности, а третье - от того факта, что давление паров жидкости на выпуклой поверхности больше, чем на плоской. Благодаря подобным ухищрениям  и развивается атомная физика.