Первое искусственное превращение химических элементов

Наука и жизньНаука

Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики

Алексей Левин

Эрнест Резерфорд, выдающийся физик, основатель блестящей экспериментальной школы. Двенадцать учеников Резерфорда стали лауреатами Нобелевских премий по физике и химии. Источник: Smithsonian Institution, SIL-SIL14-r004-07

Эрнест Резерфорд (1871—1937) прославился многими открытиями. Среди них на первом месте и по значению, и по известности стоит планетарная модель атома, которую он придумал в 1911 году. Она стала предтечей первой квантовой теории атомных электронных оболочек, два года спустя предложенной Нильсом Бором и вскоре обобщённой Арнольдом Зоммерфельдом. За три года до этого, в 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ. Именно Резерфорд обнаружил (в 1899 году), что уран испускает два вида частиц, которые он назвал альфа- и бета-лучами, а позднее доказал, что альфа-частицы представляют собой полностью ионизированные атомы гелия. Были у него и другие замечательные свершения, среди которых я бы прежде всего назвал первое искусственное превращение химических элементов. Хотя его эксперименты и не закончились «преобразованием свинца в золото», они указали на принципиальную возможность исполнения вековечной мечты алхимиков. История и постистория этих исследований Резерфорда не слишком хорошо известны, но они заслуживают того, чтобы о них знать.

Кислород из азота

В 1907—1919 годах Эрнест Резерфорд возглавлял кафедру физики в Манчестерском университете королевы Виктории. Незадолго до начала Первой мировой войны его ассистент Эрнест Марсден начал довольно рутинный эксперимент, в ходе которого сравнивалось прохождение альфа-частиц через водород и обычный воздух. Результат первой серии наблюдений был вполне предсказуем — альфа-частицы выбивали из ёмкости с водородом его атомы, которые потом давали вспышки на сцинтиллирующем экране. Можно было ожидать, что во второй серии число вспышек резко упадёт, так как содержание водорода в воздухе составляет малые доли процента. Поскольку этого не случилось, Марсден решил, что здесь работает какой-то новый механизм генерации частиц водорода, но наблюдений не продолжил. Вскоре он уехал преподавать в Новую Зеландию, а потом был мобилизован в британскую армию.

В 1917—1918 годах Резерфорд сам занялся этой аномалией. Он предположил, что она как-то связана с атомами основного компонента воздуха, то есть азота. Эту гипотезу он проверил и подтвердил в серии экспериментов всё с теми же альфа-частицами. В итоге он пришёл к выводу, что при прохождении альфа-частиц, испущенных веществом RaC (радий C, так тогда называли радиоактивный изотоп висмута) через ёмкость с чистым азотом, молекулы этого газа порождают либо атомы водорода, либо другие атомы с удвоенным атомным весом. В то время подобный результат выглядел весьма парадоксально.

Сейчас мы знаем, что Резерфорд осуществил ядерную реакцию превращения азота в кислород 14N + 4He → 17O + 1H, но до подобного понимания процесса тогдашняя физика ещё не дошла. Первым такой вывод в 1924 году сделал ученик Резерфорда Патрик Блэкетт, который наблюдал и фотографировал следы этой реакции в камере Вильсона. Стоит отметить, что обнаруженный Блэкеттом по треку в вильсоновской камере изотоп кислорода с атомным весом 17 тогда ещё не был известен науке.

Ядерная реакция превращения азота в кислород при столкновении с альфа-частицей (ядром гелия), которую впервые наблюдал Резерфорд.

Пока же Резерфорд главным результатом эксперимента счёл доказательство того, что в состав ядер азота входят ядра водорода, поскольку те высвобождаются при распаде атома азота в результате столкновения с быстрыми альфа-частицами. Свои наблюдения и теоретические выводы он представил в большой четырёхчастной статье1, опубликованной на следующий год после окончания Первой мировой войны, в 1919 году.

Эта статья наполнена важнейшими результатами. Во-первых, Резерфорд пришёл к заключению, что ядра водорода надо считать такими же основными компонентами вещества, как электроны и альфа-частицы. Во-вторых, там продемонстрировано искусственное расщепление элементов со стабильными ядрами, не обладающими природной радиоактивностью. В-третьих, как писал Резерфорд, есть все основания полагать, «что α-частица имеет сложную структуру и, вероятно, состоит из четырёх ядер водорода и двух отрицательных электронов». Наконец, из статьи можно понять, что рассеяние альфа-частиц на ядрах мишени не всегда подчиняется классической механике. Сейчас, в ретроспективе, это очевидно: ядерные силы управляются квантовой механикой, но до такой интерпретации физика ещё должна была дойти.

Экспериментальная установка Резерфорда, на которой он впервые наблюдал ядерную реакцию превращения азота в кислород (схематичное изображение). Происходило следующее: Резерфорд бомбардировал альфа-частицами различные газы, которыми заполняли цилиндрическую трубку (A). Источник альфа-частиц (D) мог перемещаться по направляющей (B). Меняя расстояние между источником альфа-частиц и сцинтилляционным экраном из сульфида цинка (F), Резерфорд наблюдал в микроскоп (М), когда на экране появятся вспышки. Вспышка означала, что образовавшаяся при соударениях частица долетела до экрана. Так исследователь оценивал длину пробега частиц. Поглощающая пластинка (S) перед экраном задерживала сами альфа-частицы, пробег которых в воздухе — всего 7 см. Если длины трубки не хватало, то добавлялись ещё пластинки, имитирующие действие слоя воздуха. Когда трубка наполнялась водородом, появлялись частицы с очень длинным пробегом (~30 см). Резерфорд идентифицировал их как ядра водорода, которые ускорились ударом альфа-частицы. При заполнении трубки кислородом ядра водорода не появлялись, а при заполнении её азотом — снова возникали, причём с ещё большим пробегом (~40 см). Резерфорд пришёл к выводу, что при взаимодействии с альфа-частицами происходит разрушение ядер азота. Позднее выяснилось: при этом образуются ещё и ядра кислорода. Источник: Rutherford E. Philos. Mag., 37, 543
На фото: усовершенствованный вариант той установки, которую Эрнест Резерфорд использовал в экспериментах 1915—1919 годов. Источник: The Cavendish Laboratory Photo Archive/CC BY-NC 3.0

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Кольская сверхглубокая – мифы и реальность, или «Совы не то, чем они кажутся» Кольская сверхглубокая – мифы и реальность, или «Совы не то, чем они кажутся»

История самой глубокой в мире скважины – «Кольской сверхглубокой»

Зеркало Мира
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Атомно-силовой микроскоп отличил дейтерий от водорода в молекуле пентацена Атомно-силовой микроскоп отличил дейтерий от водорода в молекуле пентацена

Теперь электронный парамагнитный резонанс можно измерять и с одной молекулы

N+1
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Веками учёные настойчиво искали «космическое чудо»

Наука и жизнь
От «розовых очков» до стабильности: ученые определили этапы в карьере, через которые проходят все профессионалы От «розовых очков» до стабильности: ученые определили этапы в карьере, через которые проходят все профессионалы

Через какие эмоциональные этапы проходят все высококлассные профессионалы

ТехИнсайдер
Магомет идет к горе Магомет идет к горе

Мобильная станция, в которой содержится около 7–8 т различных видов масел

Популярная механика
5 признаков того, что вас обрабатывает манипулятор 5 признаков того, что вас обрабатывает манипулятор

Намерения манипулятора можно вычислить заранее, если знать, на что смотреть

Psychologies
Когда это закончится? Когда это закончится?

Жителям Польши дольше других пришлось ждать, чем кончится схватка

Дилетант
Революция Ноама Хомского Революция Ноама Хомского

7 декабря 2023 года исполняется 95 лет Ноаму Хомскому

Наука
Борьба за ярлык Борьба за ярлык

Как Калита начал собирать русские земли вокруг Москвы?

Дилетант
Программа «Антистресс» Программа «Антистресс»

Доступные методики борьбы со стрессом

Добрые советы
Как праздновали Новый год в царской России и в Советском Союзе? Как праздновали Новый год в царской России и в Советском Союзе?

История праздника, который мы любим больше всего

Караван историй
Спокойная среда Спокойная среда

Элегантный, функциональный и психологически комфортный интерьер

Идеи Вашего Дома
Цена личного выбора: фрагмент из книги «Толпа» Эмили Эдвардс Цена личного выбора: фрагмент из книги «Толпа» Эмили Эдвардс

Отрывок из романа о цене личного выбора «Толпа»

СНОБ
«Современные фильмы страшно захламлены без всякого смысла» «Современные фильмы страшно захламлены без всякого смысла»

Елена Жукова о том, где и как живут герои в российском кино

Weekend
Лед тронулся: как перестать возводить стену между собой и миром Лед тронулся: как перестать возводить стену между собой и миром

Почему мы стараемся казаться сильнее, чем есть на самом деле?

Psychologies
Умный дом: как российские технологии преображают жилище Умный дом: как российские технологии преображают жилище

Чем хороши умные дома по-русски

ФедералПресс
Повзрослел или разлюбил: почему муж вас больше не ревнует Повзрослел или разлюбил: почему муж вас больше не ревнует

Стоит ли беспокоиться, если ревности в отношениях нет вообще?

Psychologies
В новый год с новым телом. 10 жиросжигающих тренировок, которые помогут быстро похудеть к празднику В новый год с новым телом. 10 жиросжигающих тренировок, которые помогут быстро похудеть к празднику

С помощью каких небанальных видов спорта можно скорректировать фигуру

Лиза
Из любви к искусству Из любви к искусству

Как коллекционировать искусство

SALON-Interior
Траты и возвраты: 16 историй предпринимателей, меняющих Россию Траты и возвраты: 16 историй предпринимателей, меняющих Россию

16 историй предпринимателей из регионов — в фоторепортаже Forbes

Forbes
Что может Дед Мороз Что может Дед Мороз

Психолог Мария Зеленова о магическом мышлении и его роли в воспитании.

Новый очаг
Уи, шеф! Уи, шеф!

Сверхпопулярный светский спот — морское бистро Crevette

Собака.ru
Заимствованные рецепты кулинарных сборников Западной Европы XVI века Заимствованные рецепты кулинарных сборников Западной Европы XVI века

В XVI веке в кулинарную традицию и практику вошли поваренные книги

Знание – сила
Усечённое древо Усечённое древо

Для династии Птолемеев браки между братьями и сёстрами были обычным делом

Дилетант
Сколько стоит адаптироваться к климату Сколько стоит адаптироваться к климату

Изменения погодных условий как один из драйверов инвестиций в перспективе

Агроинвестор
Рубен Ениколопов: «В вопросах на миллиарды долларов нельзя консультироваться с ChatGPT» Рубен Ениколопов: «В вопросах на миллиарды долларов нельзя консультироваться с ChatGPT»

Рубен Ениколопов: сможет ли Россия в одиночку совершить технологический рывок

РБК
В языке кашалотов нашли аналогии гласным и дифтонгам языков людей В языке кашалотов нашли аналогии гласным и дифтонгам языков людей

Носовой комплекс кашалота работает как речевой аппарат у человека

ТехИнсайдер
Страстно интересно Страстно интересно

В каких фильмах искать чужие и свои страсти, рассказывают кинокритики

СНОБ
Открыть в приложении