Дискуссия о структуре атомного ядра. Часть 1. Речь Э. Резерфорда

Лорд Резерфорд. В моей речи сегодня я дам краткий обзор некоторых главных линий, в направлении которых шли успехи нашего знания атомного ядра, с тех пор как я имел честь открыть прошлую дискуссию. В промежутке между этими дискуссиями имело место значительное дви­жение вперед во многих направлениях и были найдены но­вые и обещающие методы атаки этой трудной проблемы. Я могу только сослаться на ценные данные, полученные Астоном и другими в отношении изотопного состава эле­ментов и относительной изобильности изотопов многих из элементов. Это сделало возможным определение со значительной точностью химических атомных весов посредством масс-спектрографа. Были сделаны новые опыты по точному определению относительных количеств изотопов свинца и, в частности, свинца, добытого из чистых урановых и ториевых минералов большого геологического возраста. Дан­ные этого рода крайне важны и интересны не только с точки зрения радиоактивности, но также и в отношении фиксирования точной шкалы времени в геологии. По-видимому, достоверно, что конечный продукт актиниевого ряда — актиниевый свинец — имеет атомную массу 207 и что актиний происходит в результате превращения изотопа урана. Из относительной изобильности актиниевого и ториевого свинца, происходящих из старых радиоактивных минералов, можно вывести среднюю продолжительность жизни этого уранового изотопа. Некоторое время тому назад я отметил в «Nature», что из соображений о сред­ней жизни двух урановых изотопов могут быть выве­дены важные заключения об образовании элементов на солнце.

Оптические методы. Одним из наиболее интерес­ных успехов последних лет является приложение оптиче­ских методов к определению наличия изотопов и к изу­чению движения ядер. Исследование полосатых спектров молекул легких элементов обнаружило наличие изотопов, существующих в малых количествах по сравнению с глав­ным изотопом. Было показано, что кислород состоит из трех изотопов с массами 16, 17, 18, углерод — 12, 13, берил­лий — 8, 9, бор — 11, 10 и недавние наблюдения Юрея, Брикведде и Мерфи, — можно верить, — указывают на при­сутствие небольших количеств в водороде нового изотопа с массой 2. В настоящее время делаются попытки концен­трирования нового изотопа фракционированной перегонкой жидкого водорода.

Наряду с отождествлением линий, принадлежащих но­вым изотопам, значительное внимание было уделено отно­сительной интенсивности линий в полосатых спектрах. Такое изучение дает не только сведения о спине ядра, но и также подготовляет метод для овладения одним из наи­более важных пунктов ядерной физики, — а именно вопросам об одинаковости членов данной изотопной системы.

В продолжение последних немногих лет было выполнено много исследований по определению сверхтонкой структуры в оптических спектрах. Это открывает другую линию для атаки трудной проблемы спина ядра. Я предоставлю проф. Р.X. Фаулеру обсуждение полученных данных и выводов, которые могут быть сделаны из них.

Приложение волновой механики. На прошлой дискуссии обсуждалось применение Гамовым, а также Гернеем и Кондоном, тогда еще новых идей волновой механики к некоторым проблемам атомного ядра — и, в частности, к объ­яснению хорошо известного правила Гейгера-Неттола, связы­вающего скорость а-частицы, вылетающей из радиоактивного вещества с его константой распада. В этой теории предполагается, что ядро окружено высоким положительным потенциальным барьером и что а-частицы или другие компоненты ядра удерживаются в состоянии равновесия вну­три этого барьера значительными притягательными силами неизвестного типа. По такой модели существует конечная вероятность, что a-частица в ядре сможет пройти через барьер без потери энергии, — вероятность, быстро увеличи­вающаяся с увеличением энергии a-частицы. Эта общая концепция ядра оказалась очень ценной в ряде направлений и стала очень полезной рабочей гипотезой для эксперимен­таторов. К несчастью, до сих пор не было найдено возмож­ности дать детальную теоретическую картину структуры ядра. Вообще предполагается, что ядро тяжелого элемента состоит, главным образом, из a-частиц с примесью немногих свободных электронов и протонов, но неизвестно точное подразделение между этими составными частями. Для теории существует большая трудность во включении вну­три маленького ядра частиц столь различных масс, как a-частицы и электроны. В добавление к этому, ядро является столь концентрированной структурой и соста­вляющие его частицы так близки друг к другу, что теория действия одной частицы на другую, приложимая при обыч­ных условиях, не может быть приложена для столь малень­ких расстояний.

Дело представляется так, как если бы электрон внутри ядра вел себя совсем отлично от электрона на периферии атома. Эта трудность может быть создана нами самими, так как мне кажется более вероятным, что электрон не мо­жет существовать в свободном состоянии в устойчивом ядре, но должен быть всегда соединенным с протоном или другой возможной массивной единицей. В этой связи замечательны указания на существование нейтронов в некоторых ядрах. Наблюдение Бека, что в построении тяжелых элементов из легких электроны прибавляются парами, представляет боль­шой интерес и подсказывает, что для образования устой­чивого ядра существенно нейтрализовать большой магнитный момент электрона прибавлением другого электрона.

Возможно также, что незаряженные единицы массы 2 и ней­троны массы 1 являются вторичными единицами в стру­ктуре ядра.

Хотя в настоящее время ни одна теория ядра не может считаться законченной, все же можно пойти далеко посредством аналогий, основанных на очерченной ранее общей модели ядра. Например, Гамов вывел важные заключения о дефекте массы легких атомов, образованных из а-частиц, т. е. из элементов типа 4pi, исходя из аналогии, что силы внутри ядра похожи в общих чертах на силы, действующие в маленькой капле воды. В дополнение он разобрал с большою ясностью условия, которые должны быть выполнены для образования устойчивого ядра высокого атомного номера. К несчастью, для того чтобы продвинуться дальше в этом направлении, требуется знание масс изотопов многих элементов с гораздо большей точностью, нежели они известны сейчас.

В другом направлении также оказалось плодотворным приложение к ядру многих из общих идей об уровнях энергии, которые принесли столь большую пользу при об­суждении электронной структуры периферии атома. Давно предполагалось, что квантовые законы сохраняют свое зна­чение и внутри ядра, и правильность этого допущения в недавние годы достаточно проверена. Представление об уровнях энергии и возбуждении ядра оказалось крайне полезным в весьма недавней работе над трудной проблемой о происхождении g-лучей и в понимании результатов на­блюдений над искусственным расщеплением элементов.

Происхождение g-лучей. Давно было установлено, что g-лучи возникают в ядре и представляют в некотором смысле характеристические собственные колебания ядерной структуры. Интерпретация сложных спектров g-лучей, принадлежащих радиоактивным элементам, была, однако, затруднена нашим незнанием происхождения этой ра­диации— возникает ли она от составных частей ядра элек­трона, протона или a-частицы, или от ядра, действующего как единое целое. В течение немногих последних лет эта проблема подверглась энергичной атаке и теперь кажется ясным, что ядерные g-лучи являются результатом перехода a-частицы между уровнями энергии в возбужденном ядре. Были разработаны две различных линии нападения, опираю­щиеся на:

Изучение длиннопробежных a-частиц радия С и то­рия С.
2. Тонкую структур в эмиссии а-частиц из некоторых радиоактивных веществ.

Можно предположить, что испускание b-частицы в про­цессе превращения вызывает сильное возмущение в остаю­щемся ядре, так что некоторые из составляющих ядро a-частиц поднимаются на более высокий уровень энергии, чем нормальный. Эти a-частицы неустойчивы и после очень короткого интервала времени падают назад на нормальный уровень, излучая излишек своей энергии в форме g-лучей известной частоты, определяемой квантовыми условиями. В этот короткий интервал времени имеется небольшой шанс, что a-частицы в высоких уровнях могут протечь сквозь потенциальный барьер ядра. С этой точки зрения убегаю­щие с различных уровней a-частицы и представляют наблю­даемые группы a-частиц с большим пробегом. Энергия убегающих a-частиц дает значение уровня энергии, зани­маемого a-частицей в возбуждаемом ядре перед ее освобо­ждением.

Для того чтобы проверить эту гипотезу, длиннопробежные a-частицы радия. С были тщательно анализированы при помощи новых методов счета группой работников: Вин Вильямсом (Wynn Williams), Уордом (Ward), Льюисом (Lewis) и автором, при этом было найдено, что они состоят из, по крайней мере, десяти различных групп.

Было найдено, что разница энергий между различными группами тесно связана с энергиями некоторых из наиболее заметных g-лучей и в общем опыты дают сильное доказательство того, что g-лучи обязаны своим происхождением переходам в возбужденных ядрах одной или более a-ча­стиц. В то же самое время эксперименты дают прямые све­дения о величине некоторого числа возможных уровней энергии в этом ядре.

В преобладающем большинстве случаев a-частицы испу­скаются в радиоактивном превращении с одинаковой ско­ростью. Розенблюм (Rosenblum), однако, показал, что элемент торий С испускает не одну, а пять различных групп a-частиц и с тех пор были получены доказательства тонкой структуры a-лучей также и для других радио­активных элементов. Гамов отметил, что g-лучи должны бы возникать во всех случаях, где налицо имеется такая тонкая структура a-лучей. Вследствие некоторых технических трудностей в случае тория С было трудно дать ясное дока­зательство правильности этой точки зрения. Эллис, а также Розенблюм, пришли к заключению, что взгляд Гамова пра­вилен, но Мейтнер пришла к противоположному выводу.

Я могу только упомянуть вскользь некоторые экспери­менты Мр. Боудена и мои для доказательства испускания g-лучей актиниевой эманацией, относительно которой Льюис и Вин-Вильямс нашли, что она излучает две различных группы a-лучей. Результаты, как мне кажется, подкре­пляют общую правильность теории, согласно которой тонкая структура в эмиссии а-лучей всегда сопровождается по­явлением g-лучей. Я предоставлю одному из следующих ора­торов, др. Эллису, — возможность изложения более адек­ватного настоящему положению этой важной проблемы.

Раз происхождение лучей определенно установлено, имеется разумная перспектива успешной атаки проблемы интерпретации спектра g-лучей, — проблемы, разрешение которой только начато. Очевидно, можно ожидать, что раз­решение этой проблемы бросит много света на детальную структуру ядра. Для этой цели весьма важно исследовать спектр g-лучей с наибольшей возможной точностью, а это требует многих лет работы.

Прежде чем оставить эту часть предмета, мне хотелось бы подчеркнуть замечательное различие в возмущении ядра при эмиссии a-частицы и b-частицы. Странно сказать, осво­бождение a-частицы либо не возбуждает ядра вовсе, или под­нимает одну или более составляющих a-частиц на сравни­тельно низкий уровень энергии выше нормального. Однако, во многих случаях освобождение b-частицы создает сильное возбуждение остаточного ядра, в результате которого неко­торые a-частицы поднимаются на очень высокий уровень энергии и вызываются g-лучей большой энергии. Это раз­личие между действиями двух типов частиц очень порази­тельно и может быть интимно связано с процессами, кото­рые вызывают эмиссия b-частицы из радиоактивности эле­мента.

Всякий раз, когда мы имеем дело с поведением элек­трона в ядре, мы встречаем большие трудности в прило­жении наших теоретических идей. Наиболее поразительный пример может быть тот, что радиоактивные ядра типа b-лучей излучают электроны со сплошным спектром энергии, и что, кажется, здесь нет компенсирующих процессов, которые бы позволили установить определенный баланс энергии, ожи­даемый по квантовой динамике. Без сомнения, это одна из наиболее фундаментальных проблем сегодняшнего дня, но, вероятно, мы не будем иметь достаточно времени, чтобы дискутировать ее во всей ее теоретической сложности.

Возбуждение ядра g-лучами. До недавнего времени вообще предполагалось, что абсорбция рентгеновых лучей и g-лучей является следствием взаимодействия ра­диации только с внеядерными электронами и что самое ядро не участвует в этом процессе. Теперь ясно, что если кван­товая энергия g-лучей превосходит 2 млн. вольт, появляется дополнительный тип абсорбции обычным ядром, сопрово­ждаемый эмиссией характеристической радиации с часто­тами, отличными от первичной. Этот эффект абсорбции ядра был выявлен работой Чао, Мейтнер и Гупфильда, Тарранта и других, применявших проникающую g-радиацию тория С с энергией около 2,65-Ю6 вольт-электронов.

В статье, находящейся сейчас в стадии публикации, Грэй и Таррант дают результаты детального изучения ядерного возбуждения различных элементов. Применялись не только g-лучи тория С, но также и высокочастотные компоненты радиации радия С. Грэй и Таррант пришли к заключению, что это ядерное возбуждение есть общее свойство элементов, во всяком случае между кислородом и свинцом. Характеристическая радиация сходного типа, кажется, излучается всеми элементами, причем интенсив­ность излучения от различных элементов варьирует при­близительно как квадрат атомного номера. Эта характери­стическая радиация ядра, которая испускается равномерно по всем направлениям, может быть разложена в две компо­ненты с квантовыми энергиями около 500 000 и 1 000 000 вольт-электронов. В объяснении Грэй и Таррант указы­вают, что g-радиация не возбуждает ядра как целого, но только некоторые составные части, подобные а частицам, которые общи всем элементам. Может быть, наблюдаемые характеристические радиации представляют некоторые спо­собы вибраций самой структуры a-частицы. Представляет большой интерес провести эти важные исследования дальше, но успеху препятствует трудность получения интенсивных источников радиации высокой частоты с широким спектром квантовых энергий. Возбуждение ядра посредством радиа­ции высокой частоты без сомнения тесно связано с процес­сом, который освобождает g-лучи из радиоактивных ядер, и может помочь пролить дальнейший свет на эту проблему.

Искусственное преобразование. В самые по­следние годы увеличились наши знания об искусственном преобразовании легких элементов посредством бомбарди­ровки a-частицами. Это увеличение явилось следствием развития новых электрических методов счета a-частиц и протонов, сменивших затруднительный метод сцинцилляций. Позе первый указал, что некоторые из протонов, выбрасы­ваемые из алюминия, появляются в группах определенных скоростей. Наше знание было расширено работами Позе Мейтнер, Боте, де-Бройля и Ринге и Чадвика и Констэбля. Например, Чадвик и Констэбль разложили протоны, освобо­ждаемые из алюминия a-частицами полония на восемь раз­личных групп, соединенных в пары. В объяснение они предположили, что протоны или a-частицы в бомбардируе­мом ядре занимают определенные уровни энергии. Пред­полагается, следуя Гернею, что благодаря резонансу имеется гораздо больше шансов прохождения сквозь потенциальный барьер ядра, если бомбардирующие a-частицы имеют почти ту же энергию, как протон или a-частица в уровне ядра. Для данной энергии a-частиц испускаются две группы протонов, соответствующие, как полагают, двум различным процессам захватывания a-частицы ядром. Сход­ные результаты наблюдались во фторе и других легких элементах.

Было найдено, что эти резонансные уровни для избран­ного захватывания a-частицы довольно широки, соответствуя приблизительно 5% уровня энергии. Результаты в преде­лах того, что сделано, дают важные сведения о значениях уровней энергии легких ядер и, путем, применения еще более быстрых частиц, чем полониевые, мы сможем ожидать еще дальнейшего расширения наших знаний об этих уровнях.

В интерпретации этих экспериментов неявно принима­лась приложимость закона сохранения энергии и количе­ства движения. Таким путем можно было вычислить со значительной точностью атомную массу, получающуюся в результате захвата a-частицы ядром и испускания протона. В тех случаях, когда с одним резонансным уровнем свя­заны две группы протонов различных скоростей, было най­дено появление g-лучей, квантовая энергия которых при­близительно соответствует разности энергии протонов в двух группах. Изучение g-радиации, испускаемой в про­цессе искусственного превращения, привело в последние месяцы к новым и интересным результатам. Боте и Беккер в 1930 г. нашли, что бериллий, бомбардируемый a-частицами, не испускает протонов, но дает нечто такое, что ка­жется g-радиацией большей проницающей силы, нежели g-лучи радия С.

Поглощение этой радиации материей изучалось И. Кюри-Жолио и М. Жолио, а также Вебстером. В текущем году И. Кюри-Жолио и М. Жолио наблюдали ионизационным ме­тодом, что эта радиация вырывает протоны большой ско­рости из водородсодержащих веществ. Сперва предполага­лось, что эти быстрые протоны могут быть результатом взаимодействия между квантом g-лучей и протоном, но оказалось, что это требует очень высокой квантовой энергии излучения порядка 50 млн. вольт. Как результат дальней­ших опытов электрическим методом, Чадвик нашел, что аналогичный эффект отдачи наблюдается для всех легких атомов и пришел к заключению, что эффект может быть объяснен при допущении, что из ядра бериллия освобо­ждается поток быстрых нейтронов. Нелегко сделать выбор между этими двумя предположениями, но накопилось до­статочно доказательств, что этот новый тип радиации обла­дает удивительными свойствами и способен производить разложение азота, вероятно, каким-то новым путем.

Я предоставлю д-ру Чадвику дать вам более полный от­чет о работе по искусственному превращению и о свой­ствах этого нового типа радиации. Идея о возможности су­ществования «нейтронов», т. е. тесной комбинации протона и электрона с массой около 1 и с нулевым зарядом не нова. В бэккеровской лекции перед этим Обществом в 1920 г. я дискутировал вероятные свойства нейтрона, в то время как д-р Глассон и И. Робертс делали опыты в Кэвендшиевской лаборатории с целью обнаружить образование нейтро­нов в сильном электрическом разряде через водород, но без успеха. Если гипотеза о нейтронах будет подтверждена опытом, она будет, очевидно, иметь большое влияние на наше понимание образования ядра и его состава. Много лет тому назад в лекции перед Королевским институтом я обсу­ждал возможность образования тяжелых ядер из водорода через посредничество нейтрона. Не кажется невероятным, что нейтроны благодаря их взаимодействиям могут со­бираться в массивные агрегаты, которые с течением вре­мени в процессах разложения и соединения перестраиваются в ядра устойчивых элементов. Я просто напомнил эту старую идею, как, может быть, достойную дальнейших размышлений в свете новых знаний.

Рассеяние a-частиц. В предыдущих дискуссиях внимание было направлено на аномальное рассеяние a-частиц легкими элементами и на трудности интерпретации полученных результатов. Многие из этих трудностей были устра­нены применением идей волновой механики к этой

проблеме. Например, X. М. Тэйлор мог объяснить со значительными деталями аномальное рассеяние a-частиц, наблюдаемое в водороде и гелии, простыми соображениями, осно­ванными на волновой механике. Мотт направил внимание на ожидаемые аномалии в рассеянии a-частиц малой ско­рости атомами гелия, и его заключения были подтверждены работой Чадвика и Блэкетта и Чампиона. По теории Мотта сходные аномалии должны ожидаться при столкновении между двумя одинаковыми ядрами любого сорта.

Заключение. Я старался в этом обзоре привлечь ваше внимание к тем линиям экспериментальной атаки про­блемы структуры атомного ядра, которые мне кажутся наи­более важными. Я не входил в спекулятивные вопросы, по­добные вопросу о возможности аннигиляции материи и ее превращения в излучение, не касался и догадок о числен­ном соотношении между единицей заряда и постоянной Планка h или соотношения между массой протона и элек­трона; я не входил в трудные вопросы образования и превращений ядра под влиянием условий, существующих в горячих звездах,—вопросы, о которых много писалось.

Делая это обозрение, я был поражен сравнительно быстрым прогрессом, который произошел со времени нашей последней дискуссии в овладении этой центральной про­блемой физики. Прогресс был бы много ускорен, если бы мы могли получить в лаборатории мощные, но контроли­руемые источники быстрых атомов и радиации высокой частоты для бомбардировки материи. В экспериментах Тюва, Хофстеда и Дэля в Отделении земного магнетизма в Вашингтоне и Кокрофта и Уолтона в Кэвендишевской лаборатории было найдено возможным посредством высо­ких потенциалов создать искусственный поток протонов с индивидуальной энергией около 1 млн. вольт-электронов и изучить их свойства. Некоторые другие методы получения быстрых атомов испытываются другими исследователями, я мог бы особенно сослаться на исключительно остроумный метод, развитый Лауренсом и Ливингс­тоном в Калифорнском университете, где посредством многократных ускорений были получены протоны с энер­гией, отвечающей примерно 1 млн. вольт. В недавно опубли­кованной статье они приходят к заключению, что этим ме­тодом возможно получить поток быстрых атомов еще боль­шей энергии. Таким образом здесь открывается полная на­дежд перспектива на то, что в близком будущем мы смо­жем получить источники быстрых атомов и высокочастот­ной радиации и вместе с тем расширить наши знания о структуре ядра.

Добавление

Пока этот доклад обсуждался среди членов Общества, Кокрофтом и Уолтоном в Кэвендишевской лаборатории были сделаны новые опыты. Была собрана установка, даю­щая постоянное напряжение в 600—800 тысяч вольт. Посредством вспомогательной разрядной трубки создавались протоны и затем ускорялись в вакууме высоким потенциа­лом. Этим путем можно было получить постоянный поток быстрых протонов с энергией до 600 тысяч вольт и применить их для бомбардировки некоторых элементов. Материал, подлежащий бомбардировке этими быстрыми ионами, поме­щался внутри трубки под 45° к направлению луча. На стенке трубки было закреплено тонкое слюдяное окошко так, что существование быстрых частиц можно было исследовать методом сцинтилляций вне трубки.

Первый элемент, подвергнутый изучению, был литий, причем при ускоряющем потенциале около 125 тысяч вольт наблюдалось немного ярких сцинтилляций. Их число быстро увеличивалось с увеличением напряжения до 400 тысяч вольт, когда уже наблюдалось много сотен сцинтилляций в минуту при токе протонов в немного микроампер. Эти частицы имели максимальный пробег в воздухе около 8 см. Яркость частиц указывает, что они, вероятно, являются a-частицами, и это было подтверждено наблюдениями сле­дов, производимых этими частицами в камере Вильсона. Кажется ясным, что некоторые из ядер лития разлагаются. Простейшее допущение заключается в том, что ядро лития массы захватывает протон и затем результирующая масса 8 ломается на две a-частицы, По этому взгляду излучаемая энергия отвечает 16 млн. вольт-электронов, значение, нахо­дящееся в хорошем согласии с сохранением энергии, если принять во внимание разницу между начальной и конеч­ной массой ядра. Если этот взгляд правилен, то разложе­ние ядра лития должно бы создавать две a-частицы, выбро­шенные в противоположных направлениях, и это можно испытать на опыте. Можно оценить, что при 200 тысячах вольт число разложений есть 1 на 10^9 протонов.

Опыты были сделаны и с другими элементами. Бор, фтор и алюминий все дают частицы, похожие на a-частицы с характеристичным пробегом для каждого элемента. На­блюдались также сцинтилляции от бериллия и углерода, некоторые яркие, другие — слабые, и есть указания, что азот дает немного ярких сцинтилляции. Кислород и медь не дают сцинтилляций для протонов с энергией до 400 ты­сяч вольт.

Очевидно, что изучение этим методом всех элементов и определение природы быстрых частиц, которые могут испускаться, требует большей работы. В некоторых слу­чаях выбрасываемые частицы кажутся a-частицами, но мы должны всегда иметь в виду возможность эмиссии частиц различных типов и масс.

Нетрудно сделать предположения о возможных способах разложения некоторых из отмеченных элементов, предполо­жения, согласные с законом сохранения энергии. Например, возможно, что ядро фтора с массой 19 после захватывания протона ломается на а-частицу и кислородное ядро. Сход­ным образом алюминий может превращаться в магний. Мы должны, однако, ожидать дальнейших доказательств, прежде чем какое-нибудь определенное решение может быть при­нято в таких вопросах. Ясно, что успешное приложение этих новых методов открывает новое и широкое поле иссле­дования, в котором может изучаться эффект бомбардировки материи быстрыми ионами разных сортов. Д-ра Кокрофта и Д-ра Уолтона можно поздравить с успехом в этих новых экспериментах, которые потребовали нескольких лет упор­ной подготовительной работы.

Дискуссия состоялась 28 апреля 1932 г. в Лондонском королевском обществе