Цепная реакция идей

Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, Резерфорд, прежде чем прийти к определенным выводам, проделал еще много опытов. Но окончательное заключение было таково: при столкновении альфа-частиц с ядрами атомов азота некоторые из этих ядер разрушаются, испуская ядра водорода — протоны, а затем происходит образование ядра кислорода.

Колоссальное значение этого открытия было с самого начала ясно самому Резерфорду и его сотрудникам. Впервые в лаборатории осуществилось расщепление атомных ядер. Непоколебимые, как казалось до этого, представления о «неразложимости» химических элементов были наглядно опровергнуты. Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного получения одних элементов из других, выделения огромной энергии, содержащейся в ядрах, и т.д.

Нильс Бор в статье, озаглавленной «Э. Резерфорд — основоположник науки о ядре», впоследствии писал: «В июле 1919 года, когда после заключения перемирия стало возможным свободное передвижение, я отправился в Манчестер навестить Резерфорда и узнать поподробнее о его крупнейшем открытии — открытии управляемых, или так называемых искусственных ядерных превращений, которым он положил начало тому, что любил называть „современной алхимией“, и которое с течением времени привело к столь ужасающим последствиям, дав в руки человека господство над силами природы».

Во время визита Бора в Манчестер Резерфорд сообщил ому, что должен принять важное решение: он приглашен занять должность руководителя Кевендишской лаборатории Кембриджского университета. Резефорду трудно было расстаться с Манчестерской лабораторией, но и предложение было чрезвычайно интересным. Вакансия открылась в 1919 году в связи с уходом в отставку семидесятилетнего Джозефа Томсона. Правда, маститый ученый не думал прекратить работу. Но ему уже было трудно руководить разросшейся Кевендишской лабораторией с усложнившимися административными и организационными обязанностями.

Академик А.Ф. Иоффе посетил Кевендишскую лабораторию в конце двадцатых годов и был представлен Резерфордом Томсону. Он писал из Кембриджа: «Томсон в то время был уже очень стар, но продолжал еще работать и руководить научными работами. Однако он был скорее реликвией, напоминавшей великие достижения эпохи открытия электронов. ...Электронная физика эпохи Томсона перешла в Кембридже, да и во всем мире, в ядерную физику Резерфорда...»

Резерфорд стал четвертым кевендишским профессором и в этой должности находился 18 последних лет своей жизни. До него Кевендишской лабораторией, основанной в 1874 году, руководили великие английские физики Максвелл, Релей и Томсон.

Совет Кембриджского университета не мог выбрать лучшей кандидатуры, достойной продолжения этого списка.

Когда Резерфорд после 20 лет активнейшей деятельности в Монреале и Манчестере приехал в Кембридж, он был уже крупнейшей фигурой в мировой физике, считался непревзойденным экспериментатором и выдающимся мыслителем. Его исследования способствовали развитию теоретической физики, которой придавалось все более важное значение.

Резерфорд внимательно следит за тем, как теория относительности завоевывает все новых сторонников среди ученых. Он видит успехи квантовой механики, основанной его учеником Бором. В то время еще никто не может связать все эти достижения с перспективами, открывающимися в результате успешных опытов самого Резерфорда по расщеплению ядер легких элементов. Но именно так будет. Пока еще недостает звеньев цепи, которая приведет человека к овладению ядерной энергией. Важнейшим в этом ряду станет открытие нейтрона, сделанное учеником Резерфорда позднее. Но пока в 1920 году Резерфорд, размышляя о строении атома, приходит к выводу, что в ядре должна существовать и нейтральная частица. Иначе говоря, он предсказывает существование нейтрона, впоследствии открытого экспериментально в его лаборатории.

Американский профессор С. Девоне работал в Кевендишской лаборатории в последние годы жизни Резерфорда (1935...1937). Он писал: «Резерфорд — личность и Кевендишская лаборатория — научное учреждение слились воедино и вместе они излучали такой ослепительный свет, который редко встречается в жизни. Если Монреальский период характеризуется личными достижениями, манчестерский — Резерфорда и его школы, то в Кембридже Резерфорд уже олицетворял собой великую Кевендишскую Традицию, был частью ее славы».

В приведенной цитате явно ощущается попытка охарактеризовать главные периоды научной деятельности Резерфорда. Это естественно для Девонса — ученого, стремящегося к точной классификации. Но разбивка Девонса дает лишь приблизительное представление о главных периодах работы Резерфорда в Канаде и Англии. На самом деле все гораздо сложнее, в частности, потому, что работы самого Резерфорда невозможно отделить от работ его учеников.

Резерфорд сделался Кевендишским профессором в возрасте 48 лет. Когда-то он впервые вошел в это примечательное здание на Фри скул лэйн молодым провинциальным парнем, приехавшим из Новой Зеландии. Он впервые испытал тогда здесь ни с чем не сравнимую радость исследовательской работы.

Теперь все было и так и иначе. В знакомых комнатах стояли те же добротные массивные столы с грубовато сделанными установками и сплетениями проводов. Поблескивали стекло и медь старомодных солидных физических приборов... Но работали в этих старых стенах представители нового поколения ученых. Несмотря на то, что недавно окончилась мировая война, в Кевендишской лаборатории было сейчас очень много молодежи — гораздо больше, чем в прежние времена.

1919 год проходит под знаком интенсивной работы Резерфорда по расщеплению ядер. Он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения — что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны — ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд, «общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени альфа-частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на одно мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17...»

Итак, азот — тот самый элемент, у которого в результате бомбардировки альфа-частицами происходит расщепление ядер и он превращается в водород и кислород. Резерфорд в своем сообщении приводит запись этого процесса, напоминающую химическое уравнение. Осуществлена первая ядерная реакция, столь важная для продвижения человека к овладению ядерной энергией. Правда, Резерфорд открывает ядерные реакции лишь в легких элементах. Освободить же ядерную энергию удалось лишь позднее путем расщепления тяжелых ядер, в частности, урана. Но в те времена ученые, в том числе и Резерфорд, не имели средств для этого.

Резерфорд подсчитал, что превращения ядер азота происходят крайне резко — одна альфа-частица из 50 тысяч оказывается достаточно близко к ядру азота, чтобы быть захваченной. Сотрудник Резерфорда Патрик Блеккет сфотографировал следы нескольких сотен тысяч альфа-частиц в наполненной азотом камере Вильсона. Он зарегистрировал всего несколько случаев превращений ядер азота.

В результате длительных экспериментов Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. В их числе были бор, фтор, натрий, алюминий, литий, фосфор. Он также пытался путем бомбардировки альфа-частицами вызвать ядерные реакции в некоторых тяжелых элементах, расположенных в конце периодической таблицы. Однако это ему не удавалось. С увеличением атомного номера элемента количество ядерных превращений уменьшалось. У элементов тяжелее аргона с атомным номером 18 совсем уже не наблюдались превращения (не обнаруживались протоны, свидетельствующие о расщеплении).

Продолжая опыты по расщеплению ядер, Резерфорд пришел в следующему выводу: хотя альфа-частицы и обладают большой энергией, но для проникновения в ядра элементов они все же являются недостаточно мощными снарядами. Он решил повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Так был сделан первый шаг в развитии ускорительной техники. В наше время гигантские ускорители стали обычным орудием исследования ядерной физики.