Энергия атома - Орудия труда ученых

ОРУДИЯ ТРУДА УЧЕНЫХ
КАК УДАЛОСЬ СОСЧИТАТЬ АТОМЫ

У каждой научной специальности есть свои средства исследования, свои тонкие и точные приборы.
Орудиями астронома являются телескоп, фотографическая камера, спектрограф, точнейшие хронометры и другие приборы и аппараты; биолог и физиолог чаще всего применяют оптический, а в последнее время и электронный микроскопы; химик — многообразную химическую аппаратуру и бесконечно большой набор реактивов, и т. д.
Подавляющее большинство явлений, изучаемых физикой атома, недоступно непосредственному наблюдению: органы чувств человека не дают возможности реагировать на отдельные атомы и составляющие его частицы.
Поэтому, чтобы обнаружить эти частицы, приходится прибегать к различным косвенным методам, которые так или иначе основаны на явлении ионизации вещества под действием заряженных частиц.

Принцип устройства ионизационной камеры.
Мы уже говорили, что если в сосуд, содержащий некоторое количество ионизированного газа, ввести два противоположно заряженных электрода, то положительные ионы начнут двигаться к отрицательному, а отрицательные ионы — к положительному электродам источника. Газ станет проводимым, и через него потечет электрический ток, который можно обнаружить самыми разнообразными методами.
Именно на этом принципе и основан первый, самый простой прибор ядерных исследований — ионизационная камера. Схема ее работы показана на рисунке.
Пролетающая через камеру заряженная частица ионизирует определенное количество атомов газа, а образующиеся при этом ионы собираются электрическим полем. Количество образовавшихся зарядов показывает соединенный с камерой электрометр. По его показаниям и судят о количестве прошедших через камеру частиц. Несмотря на свою простоту, прибор в сотни миллионов раз чувствительнее аналитических весов и в тысячу раз чувствительнее спектрального анализа.
Но физикам нужно знать гораздо больше: надо отличать частицы одну от другой, уметь измерять их энергию, подсчитывать точное количество и фиксировать направление полета.
Учитывая недостатки ионизационной камеры, немецкий физик Г. Гейгер довольно давно предложил несколько иную конструкцию прибора для обнаружения заряженных частиц, позднее усовершенствованную им совместно с физиком В. Мюллером.
Прибор представляет собой металлический сосуд — трубку, внутри которой по оси протянута тонкая металлическая нить. Между нитью и трубкой создается сильное электрическое поле (500—800 в, а иногда и выше). Обычно нить является положительным электродом. Трубка наполнена разреженным газом под давлением порядка 7юо атмосферного.
Проходя через это устройство, заряженная частица ионизирует содержащийся в нем газ. 

Схема простейшего ионизационного счетчика Гейгера — Мюллера. Он может обнаружить даже одиночную пролетевшую заряженную частицу.
Выбитые из атомов газа электроны, попав в сильное электрическое поле, существующее между нитью и корпусом, разгоняются до больших скоростей и сами начинают ионизировать атомы газа, на которые они налетают, двигаясь к нити трубки. Ускоренные этим же полем вторичные электроны также получают способность к дальнейшей ионизации газа. Электроны третьего поколения, в свою очередь, ионизируют новые атомы, и т. д. Короче говоря, появление одного электрона в трубке вызывает образование целой лавины электронов, несущихся к нити, то есть вызывает появление между электродами трубки кратковременного электрического тока (импульса), который легко может быть уловлен измерительным прибором, а если нужно, то и усилен при помощи лампового усилителя.
Чувствительность такого прибора настолько высока, что он, если требуется, может обнаружить появление внутри трубки даже одиночного электрона или иной заряженной частицы. Если к нему подключить еще и специальный счетчик импульсов, то можно сосчитать и количество частиц, пролетающих через трубку за секунду, так как каждый импульс тока будет соответствовать прошедшей частице.
Наконец, если вместо заряженных частиц сквозь трубку проходит рентгеновское или гамма-излучение, счетчик позволяет регистрировать и это излучение. Падая на металлическую поверхность корпуса трубки, гамма-лучи выбивают из атомов металла электроны, которые, попадая в электрическое поле между нитью и корпусом, ускоряются, выбивают электроны из встречных атомов газа, и т. д. В этом случае прибор действует так же, как и при попадании в него заряженных частиц.
Если поставить параллельно несколько таких приборов и соединить их между собой так, чтобы срабатывание счетчика импульсов происходило только при совпадении разрядов в трубках, стоящих, например, горизонтально, вертикально или наклонно, то при помощи этого устройства можно определить и точное направление полета ионизирующих частиц.
Существует множество разновидностей подобных приборов, предназначенных для регистрации самых разнообразных частиц и излучений. Называются они счетчиками Гейгера — Мюллера. Их делают большими и маленькими, стационарными и переносными, слабо чувствительными для измерения мощных потоков частиц и большой чувствительности для обнаружения единичных частиц.
В самых разнообразных областях науки и техники, использующих методы ядерной физики, можно встретить счетчики Гейгера — Мюллера. Это, пожалуй, наиболее распространенные приборы, регистрирующие невидимые частицы.

ТУМАН, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

Обычно, когда что-либо плохо видно или когда что-то мешает видеть, говорят, что «все как в тумане» или «все затуманилось». Однако в некоторых случаях, по крайней мере в области физики, как раз туман позволяет увидеть невидимое.
Мы знаем, что в воздухе, каким бы он ни был сухим и прозрачным, всегда содержится некоторое количество влаги, непрерывно испаряемой морями, озерами, реками, растениями и почвой.
Любимым вопросом особенно придирчивых школьных экзаменаторов является такой: «Можно ли видеть пар?» И очень частым поспешным ответом на него забывчивых учеников, к сожалению, бывает: «Да». Но водяной пар не виден: отдельные молекулы пара распределены в воздухе равномерно и не изменяют его однородности, так же как не видны молекулы соли или сахара, растворенные в воде.
Однако, если при полном насыщении воздуха влагой атмосферное давление сильно понизится, часть содержащегося в нем пара становится избыточной. Вот тогда-то можно увидеть пар — отдельные молекулы влаги начинают соединяться, сначала в мелкие капельки, образуя облака, а затем и в более крупные капли, которые уже не в состоянии свободно плавать в воздухе и выпадают в виде дождя.
Это явление связано с очень интересными и важными для физических исследований обстоятельствами: излишняя влага собирается в капли только в том случае, если в воздухе присутствуют мелкие пылинки или заряженные частицы. Вот почему, чтобы вызвать искусственный дождь, над облаками рассыпают мелкий песок или мелко распыленные химические вещества.
В 1911 году английский физик Чарлз Вильсон, много работавший до этого над вопросами происхождения дождей и туманов, предложил гениально простой и удивительно удобный прибор — камеру для непосредственного наблюдения пути заряженной частицы (см. рисунок на стр. 60).
Она состоит из стеклянного цилиндра с подвижным поршнем, заменяющим дно, и заполнена воздухом, насыщенным паром какой-либо жидкости — воды, спирта или их смесью. Но стоит очень быстро опустить вниз поршень, как давление в камере резко понизится, и в ней образуется уже перенасыщенный пар. Если воздух внутри камеры не содержит пыли или других взвешенных частиц, то молекулам пара трудно собираться в капли и никакого тумана в течение некоторого времени внутри камеры не появится.

Камера Вильсона.
Однако если в этот момент сквозь камеру пролетит какая-либо заряженная частица, то на своем пути она, как и обычно, будет непрерывно ионизировать молекулы воздуха, которые тут же станут центрами конденсации пара. Путь такой частицы (трек) мгновенно заполняется множеством капелек влаги и становится видимым как тонкая, но четкая линия. Особенно хорошо эти линии видны, если их сильно осветить сбоку, а стенки камеры и поршень покрыть черной матовой краской.
По окончании наблюдения или фотосъемки поршень необходимо вернуть в исходное положение, а внутри камеры создать электрическое поле, чтобы оттянуть образовавшиеся ионы газа к стенкам камеры. По истечении некоторого времени прибор готов для следующего наблюдения. Этот удивительно простой прибор позволяет не только видеть следы пролетающих частиц, но и определить некоторые их свойства. Например, по толщине следа можно установить, медленно или быстро летела частица, определить ее заряд. Чем медленнее она летит или чем больше ее заряд, тем больше молекул газа она успевает ионизировать на каждом сантиметре своего пути. Если сделать снимок следов, оставленных частицами, скорость которых заранее известна, и следов таких же частиц, но неизвестной скорости, то, измеряя ширину или плотность тех или других следов, можно довольно точно определить и скорость, а следовательно, и энергию исследуемых неизвестных частиц.

Увеличенное изображение следа частицы в камере Вильсона. Отчетливо видны капельки влаги.
По длине следа, а точнее — по числу капелек в следе, если он начинается и кончается в пределах камеры, можно определить полное число пар ионов, образованных пролетевшей исследуемой заряженной частицей. А зная энергию, которую необходимо затратить на образование одной пары ионов, можно вычислить и полную энергию, которую имела частица в момент ее появления в камере. Позднее камера Вильсона была значительно усовершенствована. В частности, поршень был заменен тонкой резиновой диафрагмой, благодаря чему камера может работать в любом положении.

Пролетающие в магнитном поле частицы изгибают свой путь (траекторию) в зависимости от заряда, массы и скорости. Более медленная частица движется по окружности, быстро летящая частица почти не отклоняется в сторону.
Особенно ценный вклад в ее конструкцию внесли советские физики П Л. Капица и Д. В. Скобельцын, предложившие в 1927 году помещать камеру в сильное магнитное поле. Магнитное поле, взаимодействуя с заряженными частицами, заставляет их искривлять свой путь, благодаря чему можно, во-первых, точно определить, положительно или отрицательно они заряжены, во-вторых, еще одним способом определить энергию и скорость частиц, так как чем быстрее движется заряженная частица или чем больше ее масса, тем меньше искривляется ее путь в магнитном поле.

ПРИБОР "ПРОЩЕ ПРОСТОГО"

Однако даже удивительная по своей простоте, сочетающейся с исключительной точностью и предельной убедительностью получаемых результатов, камера Вильсона имеет и ряд серьезных недостатков. Для устранения некоторых из них камера подверглась серьезным изменениям, другие потребовали создания хотя и несколько сходных, но принципиально новых устройств.
Например, чтобы восстановить работу камеры Вильсона после ее расширения для новой регистрации частиц, требуется не менее 5—10 сек. А за это время можно пропустить какое-либо особо важное ядерное событие. Поэтому в 1939 году была предложена несколько иная конструкция камеры, названная диффузионной.
Камера представляет собой сосуд, содержащий воздух или иной газ, температура которого в верхней части сосуда поддерживается высокой, а в нижней — низкой. В верхней части камеры испаряется какая-либо сильно летучая жидкость (спирт). Этот пар, имеющий относительно высокое давление, непрерывно проникает (диффундирует) в нижнюю, холодную область, где давление пара становится низким, и он конденсируется в капли.
Где-то в промежутке между этими крайностями образуется чувствительная зона (7—10 см), в которой воздух перенасыщен паром до такой степени, что достаточно в ней появиться заряженной частице (иону), как по пути ее движения начинает образовываться след из мельчайших капелек влаги, примерно так же, как это происходит в камере Вильсона сразу же после ее расширения. Но, в отличие от нее, диффузионная камера продолжает оставаться непрерывно чувствительной к ионизирующим частицам, пока в ней происходит испарение летучей жидкости.

Проще простого выглядит диффузионная камера.
Частоту появления наблюдаемых частиц и ядерных процессов, например столкновения частиц, в диффузионной камере можно значительно увеличить, если ее наполнить газообразным водородом или гелием под давлением (до 35 атм), а разность температур между верхней зоной ( + 30°С) и нижней (—70°С) довести до 100° и больше.
На этом развитие регистрирующих устройств, однако, не остановилось.

"ХОЛОДНЫЙ КИПЯТОК"

С каждым днем физика атомного ядра все больше и больше имеет дело с необыкновенно быстрыми частицами. Эти частицы, пролетая камеру Вильсона или диффузионную камеру, оставляют в ней столь короткий, слабый и не успевший искривиться след, что измерить его с необходимой точностью уже не представляется возможным. В результате многое очень важное и интересное об этих частицах ускользает от наблюдателя. К тому же в момент расширения газа в камере Вильсона в нем возникают малозаметные движения — потоки и завихрения, которые хотя и ненамного, но все же искажают следы частиц. Так, в первый момент правильные кольца дыма от папиросы очень быстро растягиваются и искажаются под давлением неощутимого движения частиц воздуха в комнате.
На любом снимке следов, оставленных частицами, пролетающими через камеру Вильсона, обычно можно видеть множество линий (треков), пересекающихся в самых различных направлениях. Очень часто возникает необходимость точно знать, в какой именно последовательности появлялись эти следы, какой из них прошел выше или ближе, какой ниже или дальше другого.
На эти и некоторые другие вопросы камера Вильсона ответа не дает.
Как же заставить ее отвечать и на такие вопросы? Помощь пришла со стороны «кипятка».
В течение долгого времени считалось, что процесс кипения жидкости и все явления, происходящие при этом, изучены достаточно хорошо и ничего неожиданного при этом не происходит. Кипит чайник, из него непрерывно вырывается пар, все ясно, все понятно.
Однако оказалось, что столь знакомое всем явление — кипение жидкости — совсем уж не такое простое, как кажется с первого взгляда. Например, что является первым признаком закипания жидкости? Появление пузырьков. Но как и где они зарождаются, вряд ли кто на это обращал особое внимание. А в физике кипения жидкости это обстоятельство, оказывается, имеет весьма важное и решающее значение. Стоит только вспомнить огромное количество всевозможных машин, использующих для своей работы пар, и процессов, основанных на испарении жидкостей.
Опыты показали, что пузырьки лара зарождаются главным образом на стенках сосуда, в котором производится нагревание жидкости. И не на стенках вообще, а в местах, где на них имеются мельчайшие углубления или бугорочки, которые практически невозможно устранить никакой, даже самой тщательной, шлифовкой или полировкой. Они и служат центрами образования и дальнейшего роста пузырьков.
Если жидкость содержит в себе взвешенные частички твердого вещества или в ней растворен какой-нибудь газ, то центрами образования пузырьков пара и являются такие твердые и газообразные частицы.
Если же начать кипятить очень чистую воду в сосуде с идеально отполированными стенками, избегая даже самых ничтожных толчков и сотрясений, то температуру воды можно осторожно довести до 150—180° без каких-либо признаков кипения. Но стоит лишь слегка нарушить покой перегретой воды, как она мгновенно вскипит.
Это явление и навело физиков на мысль использовать в камере Вильсона не облачко невидимого пара, а перегретую жидкость. Так появился новый прибор — пузырьковая камера.

Достаточно какой-либо заряженной частице пролететь сквозь перегретую жидкость и произвести ионизацию ее молекул, как эти молекулы на всем протяжении пути частицы становятся центрами образования пузырьков пара, то есть жидкость на этом пути мгновенно вскипает.
Если теперь успеть достаточно быстро сделать фотографический снимок, то мы увидим на нем цепочки микроскопических пузырьков — такие же следы частиц, как и те, которые можно наблюдать в обычной камере Вильсона.
Можно поступить и иначе. Известно, что вскипание жидкости можно предотвратить увеличением давления пара над ней. Если быстро снять это давление, то жидкость вскипит не мгновенно, а спустя некоторый, правда короткий, промежуток времени. Следы пролетающих через жидкость частиц и можно фотографировать в период между снятием давления и вскипанием жидкости.
Заполняющий пузырьковую камеру сжиженный, а следовательно, находящийся под большим давлением газ тоже идеально прозрачен.
Но если это давление уменьшить до критической величины, при которой жидкость не вскипает только потому, что в ней еще нет центров, способствующих образованию пузырьков — пылинок, заряженных частиц и т. п., то стоит сквозь такую сверхчувствительную, готовую мгновенно вскипеть жидкость пролететь заряженной частице, как ее след, густо облепленный пузырьками газа, становится видимым.
Какие же преимущества имеет камера с перегретой жидкостью перед обычной — паровой?
Любая жидкость значительно плотнее, чем водяной пар, и поэтому она сильнее замедляет пролетающие частицы. Благодаря этому ионизированные следы от них остаются более короткие, плотные и легче поддаются наблюдению и измерениям. Образование пузырьков в перегретой жидкости идет значительно быстрее, чем в паре, вследствие чего оставляемый частицей след в жидкости искажается значительно меньше. И, наконец, что очень важно и что является самым главным преимуществом такой камеры, пузырьки пара, после того как они образовались вокруг ионизированных частиц жидкости, продолжают непрерывно увеличиваться. По их величине на фотоснимках можно точно установить, какие следы появились в жидкости раньше, а какие позднее.
«Перегретая» жидкость не всегда означает нагретую до высокой температуры. Существует огромное количество жидкостей «вскипающих» и превращающихся в пар не только при комнатной, но и при значительно более низкой температуре или при незначительном уменьшении внешнего давления. Например, сжиженный водород, пропан, изопентан и другие газы.

В такой камере нет поршня и других подвижных частей. Ее длина может достигать нескольких метров, а это как раз и нужно ученым.

«ЛИЛИПУТСКАЯ ГРО3А»

Общим недостатком всех этих видов камер является то, что поиски исследуемых частиц в них ведутся наудачу: производится огромное количество фотографических снимков, иногда по нескольку десятков тысяч, с надеждой на то, что среди бесконечного разнообразия следов частиц на каком- либо из них случайно окажутся или те, которые ищут, или что-то новое, доселе неизвестное.
Но часто бывает необходимо не только выделить и сфотографировать, но и сосчитать частицы, свойства которых, например энергия, скорость, заряд или масса, известны. В этом случае оказалось целесообразнее применить так называемую искровую камеру.

«Родословная» устройства и схема действия искровой камеры: 1 — счетчик Гейгера — Мюллера; 2 — камера Вильсона; 3 — искровой счетчик. К металлической пластинке, помешенной между двумя заземленными пластинками, приложено высокое постоянное напряжение. Пролетающая заряженная частица вызывает электрический разряд в газе (неоне) в промежутках между пластинками; 4 — искровая камера. В наполненном газом неоном сосуде помещено большое количество металлических пластин, соединенных друг с другом через одну. Прохождение через камеру заряженных частиц, удовлетворяющих тем или иным требованиям опыта, регистрируется каждая своим счетчиком: А, Б, В, Г и т. д. — и специальной электронной «логической» схемой. Когда заряженная частица проходит через электрод общего искрового счетчика а, на четные пластинки подается импульс высокого напряжения, в результате чего вдоль ионизационных следов, оставляемых этой частицей, между пластинками возникает цепочка искр. В приведенном на рисунке примере заряженная частица провзаимодействовала с веществом электрода искрового счетчика а, породив одну нейтральную и одну заряженную вторичные частицы. Пройдя некоторое расстояние, вторичная нейтральная частица распалась, в свою очередь породив уже две заряженные и одну нейтральную частицу. Счетчики А, Г и Д зарегистрировали появление трех заряженных частиц третьего поколения.
В принципе она представляет собой сосуд, заполненный газом под давлением, с двумя параллельными электродами, на которые может подаваться высокое электрическое напряжение. В какой-то мере она напоминает ионизационную камеру. Достаточно в промежутке между электродами появиться хотя бы одной заряженной частице, которая способна ионизировать вещество в этом промежутке, как на электроды автоматически подается высокое напряжение и между ними мгновенно возникает микроскопический электрический разряд (искра). Если этот разряд снять с помощью сверхскоростной фотокамеры на одну и ту же фотографическую пластинку, то на ней появится и как бы повиснет пунктир из множества маленьких светящихся точек, обозначающий путь частицы через камеру. Его можно снять и объемно.
Присоединенное к такой камере особое электронное устройство позволяет с большой точностью определять положение светящейся точки (а следовательно, и самой частицы) в пространстве, скорость и направление ее движения, а по ним автоматически определять энергию, массу, заряд и другие свойства частицы.

СНОВА ФОТОПЛАСТИНКА

Как вы помните, явление радиоактивности было открыто Беккерелем благодаря действию излучений на фотографическую пластинку. В 1909—1911 годах было установлено, что почерневшие участки проявленной фотопластинки, облученной альфа-частицами, состоят из отдельных крупинок почерневшего серебра, располагающихся в виде коротких цепочек. Эти цепочки и соответствовали движению альфа-частиц в эмульсии пластинок.

Толстослойные фотопластинки позволяют зафиксировать разлетающиеся во все стороны осколки распавшегося ядра атома.
Фотографическая эмульсия имеет сходство с камерой Вильсона в том смысле, что с ее помощью можно регистрировать практически любые процессы, в которых участвуют атомные ядра и другие заряженные частицы, а по толщине, длине, форме, количеству и последовательности появления следов определять энергию, заряд и массу частиц. С помощью фотографической эмульсии впервые удалось наблюдать различные формы разрушения ядер атомов бромистого серебра при попадании в них частиц с большой энергией и определить физические свойства образующихся осколков.
Вследствие малой пригодности обычных фотографических пластинок для более тонких и сложных ядерных исследований советский физик Л. В. Мысовский предложил использовать специальные толстослойные эмульсии (без стекла). Они содержат в себе в 10 раз больше бромистого серебра, чем обычные пластинки. Для исследования частиц больших энергий применяют толстые пакеты, составленные из большого числа таких пленок, благодаря чему непрерывные следы частиц можно наблюдать в трех измерениях и в пространстве большого объема. Перед проявлением пленки разделяют, а затем соединяют опять. Обычно проявленные пленки исследуют с помощью бинокулярного микроскопа и специальных измерительных установок.

БОЛЕЕ КРУПНЫЕ "КАЛИБРЫ"

Многочисленные опыты бомбардировки атомов заряженными частицами показали, что для достижения цели энергии частиц, выбрасываемых атомами естественных радиоактивных элементов, явно недостаточно. Нужно было думать о том, как увеличить скорость, то есть энергию этих «атомных снарядов».
Это и понятно. Чем большей энергией будет обладать частица, тем глубже сможет проникнуть она в ядро, тем труднее заставить ее свернуть со своего пути.
И ученые начали проектировать специальные машины — ускорители заряженных частиц.
Мы уже знаем, что ускорить заряженную частицу можно электрическим полем, а изменить ее движение — магнитным или электрическим полями.
Вследствие этого и разработка ускорителей тоже шла по двум главным направлениям. Сначала строили установки, в которых заряженные частицы разгонялись до максимально возможной энергии, двигаясь при этом прямолинейно. Эти устройства напоминали увеличенную во много раз катоднолучевую трубку, к электродам которой сразу прикладывалось полное ускоряющее напряжение — вплоть до нескольких десятков и даже сотен тысяч вольт.

Таким путем можно одновременно и ускорить заряженную частицу (электрон), и изменить направление ее движения.
Несколько позднее оказалось более удобным и выгодным применять устройства, в которых ускоряемые электрическим полем частицы при помощи магнитного поля заставляли двигаться по окружности. А так как по мере ускорения электронов радиус этих окружностей непрерывно увеличивался, то в конечном счете в таком ускорителе частицы вынуждены описывать спираль.
Такие установки получили название циклических.
Однако даже в самых сложных и гигантских установках для накапливания электрических зарядов получить напряжение в 6—8 миллионов вольт дело исключительно трудное, сложное и дорогое. А энергия альфа-частиц, испускаемых, например, полонием-210, равна 5,26 Мэв. Следовательно, никакой выгоды по сравнению с естественными радиоактивными элементами частицы, искусственно ускоренные с помощью таких генераторов сверхвысоких напряжений, не давали. Поэтому и в линейных, и в циклических ускорителях частицы стали разгонять не в один прием с помощью импульса максимально возможного электрического напряжения, а путем последовательных, многократно повторяющихся «подстегивающих» импульсов сравнительно невысокого напряжения.
Каждый, очевидно, знает, что даже тяжелые качели легко раскачать, если небольшое усилие детской руки непрерывно повторяется строго в такт с движением качелей.
Сначала рассмотрим, что представляет собой линейный ускоритель. Это прямая труба длиной несколько десятков метров, а в последних установках — даже несколько километров, из которой тщательно откачан воздух. Внутри грубы одна за другой расставлено большое число коротких металлических трубок, длина каждой из которых увеличивается по мере удаления от входа в ускоритель. Положительно заряженные ионы, получаемые от источника ионов, предварительно при помощи небольшой ускорительной трубки разгоняются до энергии порядка 100—200 тысяч электронвольт, после чего они попадают уже внутрь, собственно, линейного ускорителя. На каждые две соседние трубки ускорителя подается переменное и даже не очень высокое электрическое напряжение от специального генератора высокой частоты. Оно непрерывно меняется и по величине, и по знаку, становясь то положительным, то отрицательным.
Основной функцией генератора высокой частоты и является задача так менять напряжение, подаваемое на электроды, чтобы заряженная частица, проходя разность потенциалов, непрерывно увеличивала свою скорость. Это может быть достигнуто только тогда, когда высокое отрицательное электрическое напряжение будет оказываться перед движущейся положительно заряженной частицей всякий раз, когда она проходит любой промежуток между электродами. Это похоже на анекдотический способ понукания ленивого верблюда. Перед носом у него на длинной палке висит большой клок вкусного сена. И чем скорее верблюд бежит за ним, тем скорее уходит от него желанное лакомство.

Процесс ускорения частиц в прямом, так называемом линейном, ускорителе. По мере увеличения скорости, а следовательно, и массы частицы ускоряющие электроды приходится делать все длиннее и длиннее.
Когда положительно заряженная частица подходит к очередному электроду-трубке, нужно, чтобы электрический потенциал на ней был максимально отрицателен и притягивал частицу, а после того, как частица уже пролетит внутри трубки и станет покидать ее, потенциал на ней менялся и был максимально положительным и как бы подталкивал частицу вперед. Максимальный отрицательный потенциал в этот момент должен быть подан уже на следующую трубку, и т. д.
Если перемена напряжения на трубках в такт (резонанс) с движением частицы не соблюдается, она вместо ускорения будет, естественно, тормозиться.
Поскольку скорость движения частиц в ускорителе непрерывно увеличивается, а частота перемены электрического напряжения на каждой паре электродов остается постоянной, последующие звенья трубки делают все большей и большей длины, так как ускоряющее напряжение действует на частицу только в пространстве между трубками. Внутри же трубки частицы, заслоненные от действия электрического поля, движутся с постоянной скоростью, или, как говорят, «дрейфуют» в них.
Таким образом, путем многократных «подстегивающих ударов» в ускоряющих промежутках удается придавать энергии в десятки и сотни миллионов электронвольт положительно заряженным частицам и в сотни и тысячи миллионов электронвольт — электронам.
Работает линейный ускоритель тем лучше, чем тщательнее удален из него воздух. Поэтому вакуумное хозяйство каждой такой установки весьма обширно и сложно.
Ускоренный поток частиц через очень узкое окошечко в конце ускорителя выводится наружу и направляется в специально сконструированные установки для облучения тех или иных исследуемых веществ.
Точно такой же результат можно получить и несколько иным способом.
Вы уже знаете, что летящая прямолинейно заряженная частица, попав в магнитное поле, начинает искривлять траекторию своего полета, а если это поле оказывается достаточно сильным, то частица начинает «навиваться» на линии этого поля и оказывается, как бы пойманной своеобразной «магнитной ловушкой». Если теперь на пути кругового движения такой частицы расположить ускоряющие электроды, на которые, так же, как и в линейном ускорителе, в такт с оборотами частицы подавать попеременно то положительное, то отрицательное сравнительно невысокое электрическое напряжение, то частица, попадая в промежуток между этими электродами, начнет постепенно ускоряться.

Двигаясь по спирали в переменном электрическом поле циклотрона, заряженная частица постепенно приобретает огромную скорость. Однако по мере увеличения скорости масса частицы постепенно увеличивается, вследствие чего она начинает отставать — не поспевать за сменой напряжения на ускоряющих электродах. Чтобы преодолеть этот недостаток, частоту ускоряющего напряжения уменьшают по мере увеличения скорости, а следовательно, и массы частицы.
При этом движение ее может быть организовано двумя путями: один, когда по мере набирания скорости частица будет двигаться по спирали с постепенно увеличивающимся радиусом витков, другой — частица будет ускоряться, не меняя радиуса своего движения, двигаясь как бы по трубе свернутого кольцом линейного ускорителя или как камень, раскручиваемый с помощью пращи.
В наипростейшем виде циклический ускоритель — циклотрон — представляет собой плоскую круглую или прямоугольную коробку, из которой откачан воздух. Внутри нее располагается тоже плоская круглая медная камера, напоминающая круг швейцарского сыра, вернее — его пустую наружную корку. Эта камера разрезана пополам, и ее половинки, называемые дуантами, раздвинуты на несколько сантиметров одна от другой. А вся комбинация вдвинута в промежуток между полюсами очень сильного электромагнита.
В наипростейшем виде циклический ускоритель — циклотрон — представляет собой плоскую круглую или прямоугольную коробку, из которой откачан воздух. Внутри нее располагается тоже плоская круглая медная камера, напоминающая круг швейцарского сыра, вернее — его пустую наружную корку. Эта камера разрезана пополам, и ее половинки, называемые дуантами, раздвинуты на несколько сантиметров одна от другой. А вся комбинация вдвинута в промежуток между полюсами очень сильного электромагнита.
В самом центре камеры между дуантами помещено устройство, с помощью которого подлежащие ускорению заряженные частицы, например протоны — ионизированные ядра атомов водорода, вводятся («впрыскиваются») в ускоритель.
К обоим дуантам присоединен генератор переменного тока высокой частоты таким образом, что когда на какое-то мгновение один из электродов находится под высоким положительным электрическим напряжением, то другой находится под таким же по величине, но отрицательным напряжением. В следующее мгновение напряжение переключается, и электрод, бывший до этого под положительным напряжением, становится отрицательным, а бывший отрицательным — положительным.
А далее все многократно повторяется. Поток протонов, оказавшихся в промежутке между электродами, устремляется к отрицательно заряженному дуанту, подталкиваемый сзади положительным зарядом уже покинутого дуанта. При этом поток частиц приобретает какую-то начальную скорость. Сделав внутри дуанта полукруг, протоны влетают в следующий ускоряющий промежуток. К этому моменту напряжение на дуантах меняется — и частицы устремляются к противоположному, ставшему теперь тоже отрицательно заряженным дуанту, подстегиваемые сзади положительным зарядом только что бывшего отрицательно заряженным дуанта. Сделав внутри дуанта второй полукруг, частицы снова вылетают к первому промежутку, здесь напряжение на дуантах снова меняется, и весь цикл изменения напряжения на дуантах повторяется снова.
Частицы, попавшие к ускоряющему промежутку чуть-чуть раньше смены напряжения на дуантах, немного тормозятся, а непоспевшие отстают от остальной массы частиц, вследствие чего сплошной поток поступающих в ускоритель заряженных частиц оказывается на выходе как бы поделенным на порции — сгустки.
Раскрутившиеся до предельно большой скорости частицы с помощью особого отклоняющего устройства выпускают из ускорителя и направляют на мишень, изготовленную из подлежащего бомбардировке вещества.
Процесс раскручивания, а следовательно, и увеличения энергии частиц в циклотроне мог бы повторяться до бесконечности, если бы не два существенных обстоятельства: по мере приближения скорости частиц к величине, сопоставимой со скоростью света, начинает проявляться так называемое релятивистское утяжеление частиц — существенное увеличение их массы, вследствие чего с каждым оборотом становится труднее и труднее наращивать скорость. Радиус вращения частиц постепенно увеличивается, и они начинают все больше и больше запаздывать к моменту смены напряжения в каждом из ускоряющих промежутков. Вследствие этого импульсы напряжения все больше и больше перестают попадать в такт движения частиц. Ускоряющее и подталкивающее действие переменного напряжения на дуантах столь же быстро слабеет и постепенно сводится на нет. Это и не позволяет ускорить заряженные частицы до энергий, превышающих 10—20 Мэв.
Такие энергии, все же в несколько раз превышавшие энергии частиц, испускаемых радиоактивными элементами, устраивали ученых, и поэтому циклотрон стал обязательной принадлежностью главнейших исследовательских лабораторий мира.

На этих рисунках художник попытался изобразить особенности в способах ускорения частиц при помощи различных ускорителей атомных частиц:
а — линейный ускоритель; б — циклотрон; в — синхроциклотрон; г — синхрофазотрон.
Однако очень скоро ученые убедились, что и этой энергии частиц недостаточно.
И трудно сказать, как бы пошли дела в физике, если бы двум ученым почти одновременно—В И. Векслеру в СССР и Е. Мак-Миллану в США — не пришла в голову такая идея. Если благодаря релятивистскому утяжелению ускоряемая частица не успевает попадать к ускоряющим промежуткам одновременно, или, как говорят, в фазе с максимальным переменным напряжением, приложенным к дуантам, то почему бы не сделать так, чтобы частота этого переменного напряжения уменьшалась в той же степени, в какой утяжеляется, а следовательно, и замедляет набор скорости частица. Тогда, как бы она ни замедлялась, приложенное в точно положенный момент максимальное напряжение будет не тормозить, а все же подстегивать частицу. Частица как бы сама начинает следить за полем, проходя ускоряющий промежуток в наиболее благоприятные для ее ускорения моменты. И хотя общий темп набора скорости ускоряемыми частицами с каждым оборотом будет постепенно уменьшаться, абсолютная скорость их должна все время расти, неограниченно приближаясь к скорости света. Этот метод ускорения частиц получил название принципа автофазировки.
Тем самым удалось преодолеть препятствия, связанные с релятивистским утяжелением, ограничивающим предельную энергию частиц, ускоряемых в циклотроне, и стало возможным получать протоны с энергиями в несколько сотен миллионов электронвольт.
В такого рода установках ускорять сплошной поток частиц уже нельзя. Их приходится впрыскивать в ускоритель строго определенными порциями.
Эту разновидность ускорителей стали называть синхроциклотронами или фазотронами.
Опыт, приобретенный учеными при создании циклических ускорителей, показал, что дальнейшее увеличение энергии ускоряемых частиц возможно только в том случае, если отказаться от необходимости разгонять их по спирали и обеспечить движение частиц по так называемой равновесной орбите постоянного радиуса. Это удалось осуществить в установках, у которых переменным сделано и магнитное поле. Напряженность его периодически нарастает и спадает до некоторой начальной величины, то есть каждому увеличению напряженности магнитного поля соответствует вполне определенное нарастание частоты ускоряющего электрического напряжения, благодаря чему частица, «подхлестываемая» ускоряющим напряжением, летит по одной и той же орбите.
Это позволяет сделать магнитную систему в виде кольца, собранного из отдельных электромагнитов, или из кольца, у которого электромагниты расположены в виде секций только в нескольких местах или даже в одном месте. Такие ускорители стали называть синхротронами или синхрофазотронами.

Первые ускорители были несовершенны. Они давали частицы небольших энергий — всего до 100 тысяч электрон-вольт. Но для физики атомного ядра, для техники и это было огромным достижением и свидетельством удивительной гибкости человеческой мысли. Однако для достижения целей, намеченных учеными, этого было явно недостаточно.
С 1929 года начали строить ускорители, позволяющие получить частицы с энергией, превышающей энергию частиц, выбрасываемых радиоактивными элементами.
К 1935 году энергия частиц поднялась до 5 Мэв. В 1945 году появляются ускорители, позволяющие получать частицы с энергией 200 Мэв.
Изобретение синхрофазотронов сразу подняло верхний предел энергии ускоряемых частиц. К 1955 году появились ускорители на 2,3 и 6,2 миллиарда электронвольт в США, затем в 1957 году в СССР начал работать в г. Дубне советский синхрофазотрон на 10 миллиардов электронвольт, долгое время остававшийся самым мощным в мире. Лишь недавно он был превзойден синхротронами в Швейцарии на 30 миллиардов и в Брукхавене (США) на 33 миллиарда электронвольт.
Однако в г. Серпухове, под Москвой, уже завершено строительство ускорителя на энергию 70 миллиардов электронвольт, который становится самым мощным в мире. Длина его окружности 1,5 км, вес 120 магнитов — 24 тысячи тонн!
Чтобы легче было разобраться в типах современных циклических ускорителей, ниже мы приводим табличку их главных особенностей.

Различного рода усовершенствования этих основных типов позволяют получить циклические ускорители самых разнообразных назначений: например, для ускорения электронов (бетатроны), для ускорения альфа-частиц и многозарядных ионов (ядер атомов тяжелее атомов гелия), и т. п.
Пройдет еще немного времени, и тяжелая «атомная артиллерия», созданная человеком, приблизится по своей мощи к энергии природных космических «снарядов», падающих на нашу планету из бесконечных глубин Вселенной.

Как увеличивалась энергия ускорителей ядерных частиц с 1935 года по настоящее время и сравнительные размеры этих ускорителей.

Исследования, проведенные учеными при помощи ускорителей частиц, и полученные при этом удивительные и чрезвычайно важные результаты настолько обширны и интересны, что описание их заслуживает отдельной книги. Изложение их здесь, даже краткое и беглое, увело бы нас далеко в сторону от основной темы. Но к некоторым вопросам мы позже еще вернемся.

НА ПЕРЕКРЕСТКЕ НОВЫХ ДОРОГ

Расчеты ученых, сделанные еще в 1928 году, показали, что самым удачным «снарядом» для бомбардировки ядер атомов должен быть все же быстро движущийся протон.
Причин этому было много. Протон—достаточно тяжелая частица, и поэтому им легче попасть в ядро другого атома. Его проще ускорить, чем, скажем, альфа-частицу. Это может показаться очень странным и непонятным. Ведь, казалось бы, легче ускорить альфа-частицу. У нее электрический заряд вдвое больше, чем у протона, и поэтому, пройдя такую же разность потенциалов, она приобретает вдвое большую энергию. Однако отталкивающее действие суммарного положительного заряда любого ядра атома проявляется меньше, когда к нему приближается частица, несущая всего лишь одиночный положительный заряд, а не два.
Итак, ускоренные до большой энергии протоны являются более эффективными «снарядами» «атомной артиллерии», чем альфа-частицы. Имея эго в виду, английские физики Д. Кокрофт и Э. Уолтон еще в 1932 году осуществили опыт, которому суждено играть в современной физике особую, исключительно важную роль.
Опыт состоял в том, что ускоренные в ускорительной трубке до энергии порядка 0,125 Мэв протоны бомбардировали узким пучком мишень, изготовленную из изотопа лития-7. Получаемые при бомбардировке частицы направлялись в камеру Вильсона для определения их заряда, массы и скорости.
Результат опыта оказался совершенно неожиданным. Атом лития, вступив в реакцию с попавшим в него протоном, превращался сначала в изотоп атома бериллия, который, однако, тут же распадался на два ядра атома гелия. При этом каждая из альфа-частиц приобрела энергию порядка 8,6 Мэв!

Атом лития, в который попал протон, распадается на две альфа-частицы.
Ученых на этот раз взволновало не только это, но и другое, еще более важное обстоятельство. Когда попробовали с карандашом в руках подсчитать, как говорят, баланс энергий, масс и скоростей всех участвовавших в такой реакции частиц, то обнаружился целый ряд действительно удивительных «убытков» и «прибылей».
На глазах у экспериментаторов происходило не только превращение одних ядер в другие, но и куда-то исчезала масса, составляющая разницу между начальным и конечным состоянием веществ, участвовавших в ядерной реакции.

Разница, как видим, довольно ощутительная. Что это, крушение закона сохранения материи и энергии?
Куда же все-таки пропала масса?

В свою очередь, откуда-то появился излишек энергии в виде кинетической энергии движения двух альфа-частиц — продуктов осуществленной ядерной реакции, равный 17,2 Мэв, — значительно превышающий энергию обстреливающих ядро атома лития протонов.

При превращении ядра атома лития в два ядра атома гелия куда-то исчезает масса, равная 0,0185 атомной единицы. Куда?
Естественно, напрашивался вывод: или материя превращалась в энергию, что с точки зрения диалектического материализма является нелепостью, так как энергия может быть только формой существования материи, ибо двигаться может только какая-то физическая реальность, то есть материя; или же, что единственно могло быть правильным, масса и энергия — две меры существования материи. Уменьшение одной из них по закону сохранения материи и энергии должно каким-то образом на основании строгих физических законов компенсироваться увеличением другой.
Эти опыты и догадки подсказали пути, по которым должна была пойти физика в поисках новых источников энергии, тем более что некоторые ответы на многие такие вопросы уже задолго до опытов Кокрофта и Уолтона были блестяще подсказаны теоретической физикой.
Надо было искать ядерные реакции, продукты которых были бы по массе меньше, чем сумма всех частиц, участвующих в реакции. И такие реакции были найдены, причем многие сначала на бумаге, а потом уже в лаборатории.