В делении сила. Ферми. Ядерная энергия. - Antonio Hernandez-Fernandez

Поскольку нейтрон уже был открыт, чтобы избежать путаницы в терминах и даже отчасти в шутку, Амальди и Ферми предложили назвать частицу Паули на итальянский манер — нейтрино, то есть что-то нейтральное и маленькое. Предложение прозвучало на Римском конгрессе 1931 года. Вскоре термин был принят мировым научным сообществом, таким образом «крещение» новой частицы стало одним из самых необычных во всей истории науки. Спустя 25 лет, в 1956 году, американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес впервые обнаружили нейтрино опытным путем.

В 1933 году Ферми опубликовал в журнале La ricerca scientifica фундаментальную статью «Попытка теоретического обоснования бета-излучения». Возможно, из-за скромного названия эта работа была отклонена журналом Nature: редакторы сочли, что в работе содержались «рассуждения, слишком далекие от реальности физической науки, чтобы быть интересными читателям». Позже Ферми расширил статью для публикации в Nuovo cimento, и в 1934 году она была переведена на немецкий язык для авторитетного журнала Zeitschrift fur Physik под названием «К теории бета-лучей». В этой новаторской работе Ферми рассматривал бета-распад ядра А, превращающегося в итоге в ядро В, как

А → В + е" + v.

Согласно современной физике частиц, на самом деле в итоге получаются электрон и антинейтрино. Создание и разрушение частиц описывались в квантовой теории Дирака, которая, как в 1927 году доказали Клейн и Джордан, могла применяться к любому виду частиц. Несмотря на дуализм де Бройля и на принцип соответствия Бора, ученые еще довольно сдержанно (это продемонстрировали редакторы Nature) относились к утверждению о том, что частицы и электроны могут с легкостью создаваться и разрушаться. Хотя в рамках теории поля было принято описывать явления в терминах создания и разрушения частиц, лишь Ферми в своей работе применил этот подход не только к фотонам. В основе его теории лежал постулат о том, что в природе материи происходит фундаментальное взаимодействие, которое вызывает переход от нейтрона к протону, при этом образуется один электрон и один электронный антинейтрино:

n0 → p+ + e- + v,

в строгой аналогии с гамма-излучением, при котором возбужденный протон лишается части своей энергии, испуская фотон. Ферми также смог объяснить, почему в одних случаях бета-распад идет быстрее, чем в других: одни процессы распада были разрешены в рамках квантовой теории и могли происходить в стационарных ядрах, в то время как для других, изначально запрещенных, ядро должно было находиться в движении.

В теории бета-распада Ферми не хватало только параметра G. Его надо было найти опытным путем, измерив среднее время жизни бета-распадов. Этот параметр, известный сегодня как постоянная Ферми, определяет интенсивность нового взаимодействия в атоме, вызвавшем бета-распад, которое, в противоположность сильным ядерным силам, обычно использующимся для придания стабильности атомному ядру, было названо слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие имеет ограниченное воздействие, а нейтрино и антинейтрино взаимодействуют с материей очень мягко. В современной стандартной модели переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны, о которых мы говорили в конце предыдущей главы (см. рисунок).

Диаграмма Фейнмана, на которой помазан распад нейтрона согласно современной физике частиц стандартной модели. Один из d-кварков нейтрона становится u-кварком, излучая р-частицу (электрон) и электронный антинейтрино.

Слабое взаимодействие применяется в инструментах медицинской диагностики и в методах геологической датировки, а также имеет основополагающее значение в той физической Вселенной, которая известна нам сегодня. Ферми и Паули обнаружили фундаментальное взаимодействие природы. Такие звезды, как Солнце, производят энергию посредством термоядерных реакций: например, в результате соединения двух атомов дейтерия получается гелий и энергия.

Н21 + Н21 → Не42 + энергия.

Но как получить дейтерий? В ходе слабого взаимодействия двух протонов типа:

p+ + p+ → H21 + e+ + v.

Счетчик Гейгера (или Гейгера — Мюллера) — это прибор, измеряющий интенсивность радиации: естественной и искусственной, космической и земной. Первый счетчик был создан в 1908 году немецким физиком Гансом Гейгером (1882-1945), но распознавал только альфа-частицы.

Спустя 20 лет его ученик Вальтер Мюллер (1905-1979) улучшил аппарат таким образом, что тот стал распознавать все остальные виды ионизирующей радиации. Счетчик состоит из изолированной нити, проходящей по трубке, внутри которой создан вакуум. Нить и трубка соединяются под высоким напряжением, поэтому когда заряженная частица попадает в счетчик, возникает поток, который можно увеличить и измерить. В некоторых счетчиках были установлены динамики, издававшие звуковой сигнал. Современные счетчики электронные. Они подсоединяются к компьютеру и высчитывают количество распадов на единицу времени.

В данном примере мы получаем один позитрон и один нейтрино. Тот факт, что для формирования плавящихся материалов необходимы реакции слабого взаимодействия, гарантирует, что водород Солнца расходуется медленнее, регулируя солнечную активность и увеличивая продолжительность жизни звезды. Ферми не упускал из виду связь своего открытия с космической радиацией. В 1933 году он воспользовался тем, что в Риме находился Бруно Росси, прославившийся разработкой цикла для измерения совпадений в спаренных счетчиках Гейгера и выявления таким образом траекторий частиц, и написал с ним совместную работу «Действие магнитного поля Земли на проникающее излучение». В этой статье объяснялось геомагнитное воздействие широты и долготы на космическую радиацию, достигающую Земли. Ферми был очень доволен результатами в области изучения слабого взаимодействия и считал их своими главными достижениями, достойными того, чтобы остаться в памяти потомков. На основе этой работы японский физик Хидэки Юкава (1907-1981) в 1935 году сформулировал свою теорию мезонов, и с нее началась революция в ядерной физике и физике элементарных частиц.

В январе 1934 года, бомбардируя альфа-частицами ядра бора и алюминия, Ирен Кюри и Фредерик Жолио получили первые искусственные радиоактивные изотопы. Ирен шла по стопам своих родителей, Пьера и Марии Кюри, которые детально изучили поведение естественных радиоактивных изотопов радия и полония и более тяжелых элементов, таких как уран и торий.

Легкие ядра, подвергавшиеся бомбардировке альфа-частицами, довольно быстро излучали позитроны, демонстрируя, таким образом, хорошие радиоактивные свойства, в то время как ядра более тяжелых атомов подобной наведенной радиации не проявляли. Альфа-частицы, как и положительные ионы гелия, не действовали на тяжелые ядра из-за повышенного содержания в них электронов, которые уменьшали воздействие на ядра вследствие электромагнитного отталкивания. Процесс усложнялся и за счет повышенного отталкивания тяжелых ядер.

В начале марта 1934 года в руки Ферми попала статья Кюри и Жолио. Он сразу предложил Разетти провести те же эксперименты, но не с альфа-частицами, а с нейтронами, чтобы избежать электромагнитных трудностей. Разетти разработал несколько источников нейтронов, полония и бериллия, а также еще один, более мощный, радона и бериллия. Он собирался ехать в отпуск, но Ферми не мог тянуть с началом опытов. В отсутствие Разетти ему пришлось самому сконструировать счетчик Гейгера (с чем он блестяще справился) и быстро получить радон для нейтронного источника. Надо сказать, что Ферми повезло: у профессора Джулио Чезаре Трабакки, директора хорошо оснащенных лабораторий итальянской санитарной службы, был радий и необходимые приборы для извлечения из него радона по методу Марии Кюри. Радон — это газ, образующийся при естественном альфа-распаде радия, как доказала Мария Кюри. Если смешать его с пылью бериллия, то порожденные альфа-частицы провоцируют выброс нейтронов.

Если результат подтверждает гипотезу, значит, вы сделали измерение. Если результат противоречит гипотезе, вы сделали открытие.

Энрико Ферми

Ферми начал систематическую бомбардировку в порядке периодической таблицы, взяв водород, литий, бор, углерод и азот. Результаты были отрицательными. Ученый немного упал духом: полученные данные заставили его сомневаться.

Тогда он решил попробовать новые элементы. Ферми пропустил кислород, потому что его бомбардировку надо было проводить в воде, и, бомбардируя фтор, сумел активировать элемент. Отреагировал счетчик Гейгера и на алюминий. Ферми отправил 25 марта 1934 года в журнал La ticerca sdentifica статью «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. I», чтобы ее как можно скорее опубликовали.