Одна из наиболее замечательных особенностей альфа-распада состоит в иногда необычайно долгих периодах времени, необходимых альфа-частицам, чтобы «выбраться» из атомного ядра на свободу. Для урана и тория этот период составляет, по оценкам, миллиарды лет, для радия — около шестнадцати столетий, и хотя существуют элементы, для которых альфа-распад происходит в доли секунды, продолжительность их жизни можно также считать очень долгой по сравнению с быстротой их внутриядерного движения.
Что же заставляет альфа-частицу оставаться внутри ядра на протяжении иногда многих миллиардов лет? И если альфа-частица так долго находится внутри ядра, то что заставляет ее все же покинуть его?
Для ответа на эти вопросы нам необходимо предварительно узнать немного больше о сравнительной интенсивности сил внутриядерного сцепления и электростатических сил отталкивания, действующих на частицу, которая покидает атомное ядро. Тщательное экспериментальное изучение этих сил было проведено Резерфордом, который воспользовался методом так называемой атомной бомбардировки. В своих знаменитых экспериментах, выполненных в Кавендишской лаборатории, Резерфорд направлял пучок быстро движущихся альфа-частиц, испускаемых каким-нибудь радиоактивным веществом, на мишень и наблюдал отклонения (рассеяние) этих атомных снарядов при столкновении их с ядрами бомбардируемого вещества. Эксперименты Резерфорда убедительно показали, что на больших расстояниях от атомного ядра альфа-частицы испытывали сильное отталкивание электрическими силами заряда ядра, но отталкивание сменялось сильным притяжением в тех случаях, когда альфа-частицы пролетали вплотную от внешних границ ядерной области. Вы можете сказать, что атомное ядро в какой-то мере аналогично крепости, окруженной со всех сторон высокими крутыми стенами, не позволяющими частицам ни попасть внутрь, ни бежать наружу. Но самый поразительный результат экспериментов Резерфорда состоял в установлении следующего факта: альфа-частицы, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде или проникающие внутрь ядра при бомбардировке извне, обладают меньшей энергией, чем требовалось бы для преодоления высоты стен крепости, или потенциального барьера, как мы обычно говорим. Это открытие Резерфорда полностью противоречило всем фундаментальным представлениям классической механики. В самом деле, как можно ожидать, что мяч перекатится через вершину холма, если вы бросили его с энергией, недостаточной для подъема на вершину холма? Классическая физика могла лишь широко раскрыть глаза от удивления и высказать предположение о том, что в эксперименты Резерфорда где-то вкралась какая-то ошибка.
Но в действительности никакой ошибки не было, и если кто-нибудь и ошибался, то не лорд Резерфорд, а… классическая механика! Ситуацию прояснили одновременно мой добрый друг доктор Гамов и доктора Рональд Герней и Э. У. Лондон. Они обратили внимание на то, что никаких трудностей не возникает, если подойти к проблеме с точки зрения современной квантовой теории. Действительно, как мы знаем, современная квантовая физика отвергает четко определенные траектории-линии классической теории и заменяет их расплывчатыми призрачными следами. Подобно тому, как доброе старомодное привидение могло без труда проходить сквозь толстые каменные стены старинного замка, так призрачные траектории могут проникать сквозь потенциальные барьеры, которые с классической точки зрения казались совершенно непроницаемыми.
Не думайте, пожалуйста, будто я шучу: проницаемость потенциальных барьеров для частиц с недостаточной энергией является прямым математическим следствием из фундаментальных уравнений новой квантовой механики и служит весьма убедительной иллюстрацией одного из наиболее существенных различий между старыми и новыми представлениями о движении. Но хотя новая механика допускает столь необычные эффекты, она делает это только при весьма сильных ограничениях: в большинстве случаев вероятность пересечения барьера чрезвычайно мала, и попавшей в темницу ядра частице придется невероятно большое число раз бросаться на стены, прежде чем ее попытки выбраться на свободу увенчаются успехом. Квантовая теория дает нам точные правила для вычисления вероятности такого побега. Было показано, что наблюдаемые периоды альфа-распада находятся в полном соответствии с предсказаниями теории. В случае альфа-частиц, бомбардирующих атомное ядро извне, результаты квантово-механических расчетов находятся в великолепном соответствии с экспериментом.
Прежде чем я продолжу свою лекцию, мне хотелось бы показать вам некоторые фотографии процессов распада различных ядер, бомбардируемых атомными снарядами высокой энергии (первый слайд, пожалуйста!).
На этом слайде (см. рис. на с. 174) вы видите два различных распада, сфотографированных в пузырьковой камере, о которой я говорил в своей предыдущей лекции. На снимке (А) вы видите столкновение ядра азота с быстрой альфа-частицей. Это первый из когда-либо сделанных снимков искусственной трансмутации (превращения) элементов. Этим снимком мы обязаны ученику лорда Резерфорда Патрику Блэккету. Отчетливо видно большое число треков альфа-частиц, испускаемых мощным источником альфа-частиц. Большинство альфа-частиц пролетают все поле зрения, не претерпевая ни одного серьезного столкновения. Трек альфа-частиц останавливается вот здесь, и вы видите, как из точки столкновения выходят два других трека. Длинный тонкий трек принадлежит протону, выбитому из ядра азота, в то время как короткий толстый трек соответствует отдаче самого ядра. Но это более уже не ядро азота, поскольку, потеряв протон и поглотив налетевшую альфа-частицу, ядро азота превратилось в ядро кислорода. Таким образом, мы становимся свидетелями алхимического превращения азота в кислород с водородом в качестве побочного продукта.
На снимках (Б), (В) вы видите распад ядра при столкновении с искусственно ускоренным протоном. Пучок быстрых протонов создается специальной машиной, работающей под высоким напряжением и известной публике под названием «атомная дробилка», и поступает в камеру через длинную трубку, конец которой виден на снимках. Мишень, в данном случае тонкий слой бора, помещается у открытого конца трубки с таким расчетом, чтобы осколки ядра, возникшие при столкновении, должны были пролетать сквозь воздух в камере, образуя туманные треки. Как вы видите на снимке (В), ядро бора при столкновении с протоном, распадается на три части, и, с учетом сохранения электрического заряда, мы приходим к заключению, что каждый из осколков деления представляет собой альфа-частицу, т. е. ядро гелия. Эти два ядерных превращения представляют весьма типичные примеры нескольких сотен других ядерных превращений, исследованных современной экспериментальной физикой. Во всех превращениях такого рода, известных под названием ядерные реакции замещения, налетающая частица (протон, нейтрон или альфа-частица) проникает в ядро, выбивает какую-то другую частицу и остается на ее месте. Существует замещение протона альфа-частицей, альфа-частицы протоном, протона нейтроном и т.д. Во всех таких превращениях новый элемент, образовавшийся в результате реакции, является близким соседом бомбардируемого элемента в Периодической системе.
Но лишь сравнительно недавно, перед второй мировой войной, два немецких химика О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения, в котором тяжелое ядро распадается на две равные половины с высвобождением огромного количества энергии. На следующем слайде (следующий слайд, пожалуйста!) вы видите (см. с. 175) на снимке (Б) два осколка ядра урана, разлетающихся в разные стороны от тонкой урановой проволочки. Это явление, получившее название расщепление ядра, впервые наблюдалось при бомбардировке урана пучком нейтронов, но вскоре физики обнаружили, что и другие элементы, расположенные в конце Периодической системы, обладают аналогичными свойствами. Эти тяжелые ядра уже находятся у порога своей стабильности и малейшее возмущение, вызываемое столкновением с нейтроном, достаточно, чтобы они распались на два осколка, как распадается на части чрезмерно крупная капля ртути. Нестабильность тяжелых ядер проливает свет на вопрос о том, почему в природе существует только 92 элемента. Любое ядро тяжелее урана не может существовать сколько-нибудь продолжительное время и немедленно распадается на более мелкие осколки. Явление расщепления ядра представляет немалый интерес и с практической точки зрения, так как открывает определенные возможности для использования ядерной энергии. Дело в том, что при распаде ядра на две половинки из ядра вылетает несколько нейтронов, которые могут вызвать расщепление соседних ядер. Дальнейшее распространение такого процесса может привести к взрывной реакции, при которой вся энергия, запасенная в ядрах, высвобождается за малую долю секунды. Если вспомнить, что ядерная энергия, хранящаяся в одном фунте урана, эквивалентна энергетическому содержанию десяти тонн угля, то станет ясно, что возможность высвобождения ядерной энергии могла бы вызвать глубокие перемены в нашей экономике.