Автор Тема: Год чудес  (Прочитано 2447 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн GodfatherАвтор темы

  • Старожил
  • ***
  • Сообщений 201
  • Респектов +1
  • Репутация 28
  • Пол: Мужской
    • Просмотр профиля
Год чудес
« : 16 Апрель 2010, 00:39:38 »
0

Уравнение Дирака (1928—1931)
«Из-за того что я стал писателем, не следует думать, что я никогда не стремился к какой-либо достойной деятельности». Эту шутку Бернарда Шоу вполне мог бы повторить молодой человек из Бристоля, который стремился к весьма достойной деятельности инженера-электрика, а стал автором многих «безумных идей» физики XX века. Его полное имя Поль Адриен Морис Дирак. Лишившись места в Бристоле, он в 1925 году приехал в Кембридж, увлекся только еще рождающейся областью физики — квантовой механикой — и сыграл большую роль в создании новой науки.
На 1925—1930 годы, по выражению Нильса Бора, приходился «золотой век» квантовой механики. Позднее Дирак говорил: «Я благодарен судьбе, что родился вовремя: будь я старше или моложе на несколько лет, мне не представились бы столь блестящие возможности. Казалось, все благоприятствовало мне...». И, прежде всего, исключительная одаренность,— добавим мы.
В 24 года Дирак удостаивается докторской степени, а в 31 год — Нобелевской премии (вместе с Э. Шредингером) «за открытие новой плодотворной формы атомной теории».
Уже в 1927 году были выработаны основные принципы квантовой механики, создан ее математический аппарат. Новая теория смогла объяснить законы природы, действующие в атомных масштабах. Однако она была неприменима к частинам, движущимся со скоростью, близкой к скорости света.
И вот в январе 1928 года Поль Дирак вывел уравнение, описывающее поведение быстрых электронов. Оно объединяло в себе принципы квантовой механики и теории относительности. Это уравнение объясняло взаимодействие электрона с магнитным полем, описывало поведение внутриатомных электронов, разъясняло некоторые особенности спектральных закономерностей и т. д. Все хорошо, но... уравнение Дирака допускало решения, при которых электрон мог иметь отрицательную кинетическую энергию. Это казалось совершенным абсурдом.
Приблизительно три года шли дебаты теоретиков об этих «нефизических» решениях, пока выход не нашел сам автор. Мы не можем привести здесь его рассуждения, а сообщим только окончательный вывод: согласно Дираку, наряду с электроном в природе должна существовать частица — его двойник, но с положительным зарядом +е.

«Антиэлектрон», или «позитрон»
Если такая частица столкнется с электроном, то обе они исчезнут — аннигилируют, а масса частиц, согласно соотношению Эйнштейна Е = тс2, перейдет в энергию образовавшихся гамма-квантов:

Символически этот процесс представлен на рисунке 1.
Пожалуй, никто, кроме Дирака (да и он не проявлял особой уверенности), не принял такого толкования отрицательных решений. Крупнейшие теоретики Нильс Бор, Вольфганг Паули не разделяли точки зрения молодого ученого. Но «год чудес» принес с собой открытие позитрона.
«Мелодия превращается в скрипку»
Это — слова академика С. И. Вавилова. На одной из лекций он рассказывал о процессе, обратном реакции аннигиляции, когда летящий гамма-квант рождает пару электрон-(-позитрон:

Такой процесс превращения электромагнитного поля в вещество был открыт почти одновременно в 1933 году четырьмя группами физиков — во Франции, Германии, Англии и США. На рисунке 2 — знаменитая фотография, полученная супругами Жо- лио-Кюри. Вы видите, как пара частиц возникает словно из ничего, поскольку сам гамма-квант невидим в туманной камере Вильсона.
Существуют два обязательных условия рождения пары. Первое — энергия гамма-кванта должна превышать сумму энергий покоя компонент пары: Еу>2т,.с2 = 1,02 МэВ. И второе — обязательно должны присутствовать ядро или электрон, которые примут на себя избыток энергии и импульса. Иначе нарушатся законы сохранения энергии и импульса*).
Рождение е+?--пар объяснило один непонятный эффект, с которым еще в 1930 году столкнулись исследователи. Эксперименты показывали, что жесткие гамма-кванты поглощаются в веществе значительно сильнее, чем это предсказывала теория. Как оказалось, «аномальное» поглощение было связано с образованием пар. И вполне вероятно, что, если Андерсон и Блэкетт и Оккиали- ни помедлили, честь обнаружения позитрона принадлежала бы физикам, занимающимся вопросами поглощения гамма-квантов.

Позитрон — первый шаг в антимир
Сейчас физики считают, что каждой из элементарных частиц соответствует своя античастица. (Иногда частица и античастица «совпадают», как это имеет место для гамма- кванта.) Открытие позитрона было первым шагом в мир античастиц, в антимир. Следующие шаги — открытие антипротона и антинейтрона — были сделаны только через четверть века. Для их осуществления потребовалось строительство огромных И дорогих приборов — ускорителей частиц. По всем своим параметрам эти приборы совершенно не соизмеримы с тем ускорителем, который создали Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон. Этот ускоритель заработал в лаборатории   Кавендиша весной 1932 года.
Почему возник вопрос об ускорителях
После того, как, обстреливая а-ча- стицами ядра азота, Э. Резерфорд расщепил их и доказал, что из ядра вылетает протон, он продолжал опыты вместе с Чедвиком, и испытанию подверглись все легкие элементы вплоть до калия. Расщепить удалось многие из них — бор, азот, фтор, натрий и т. д., но все же далеко не все. К 1924 году исследователи пришли к двум важным выводам. Во-первых, для расщепления тяжелых ядер с большим зарядом недостаточно энергий а-частиц, испускаемых радиоактивными препаратами. Основная группа быстрых частиц обладает энергиями 8—9 МэВ, и сильное кулоновское отталкивание не позволяет им проникнуть в глубь ядра. Во-вторых, часть легких ядер, с чётными порядковыми номерами устроена более прочно и не распадается под действием облучения.
Итак, энергии снарядов не хватало. Надо было думать о том, как увеличить эту энергию. Речь шла об ускорении в электрическом поле тяжелых заряженных частиц — протонов или а-частиц. Но если не представляло особых трудностей получить ионы водорода (р) или гелия (а-частицы), то разогнать их до энергий  в  миллионы  электронвольт
(а это означало, что частицы должны пролетать огромную, ~106 В разность потенциалов) представлялось невероятно трудной задачей. Во-первых, в это время ни одна лаборатория не имела генераторов такого сверхвысокого напряжения. В самых совершенных рентгеновских трубках использовалось {7 = 0,35 миллиона вольт. Во-вторых, изоляция трубок не выдерживала больших напряжений и происходил ее пробой. Тем не менее идеи витали в воздухе, и работы начались (или уже шли к 1924 г.).
Экспериментаторы ясно видели одно огромное преимущество искусственных источников. В них можно было получить гораздо больший поток частиц, чем от естественных препаратов. Например, 1 г радия испускает 3,7 • 10 а-частиц в секунду, и они летят во все стороны. А пучок ионов гелия при силе тока в 1 мкА (10~6 А) дал бы 3,1 • 1012 а-частиц или в 2 раза больше протонов, которые все можно было бы направить непосредственно на мишень. Как мы увидим ниже, именно огромные потоки искусственных снарядов позволили на первых порах решить задачу расщепления ядра.
Туннельный переход (1928 год)
Существует рассказ о том, как один репортер попросил у Эйнштейна показать ему записную книжку, в ко- .торую ученый заносит свои выдающиеся мысли. «Выдающихся так мало,— ответил Эйнштейн,— что я вполне успеваю их запомнить».
В 1928 году произошли два события, о которых можно сказать, что они были совершенно выдающимися: Дирак создал свое уравнение, и был предсказан «туннельный переход».
Обратимся к рисунку 3.

На нем представлена энергетическая картина взаимодействия налетающего протона с ядром. Исследователям важно, чтобы протон р проник внутрь ядра, то есть в область R<RKi где действуют ядерные силы. Именно там лежит terra incognita (неизведанная земля). Но на пути протона возникает барьер, созданный электрическими силами отталкивания. Его высота на границе ядра с зарядом eZ равна

Для разных ядер величины Вр сильно отличаются. Так, Вp(|Li) «2 МэВ,
5р(ЙА1)«4,5МэВ, a Bp(239«U)« «15 МэВ.
Если протон имеет начальную кинетическую энергию K<BPy то он никогда не попадет в глубь ядра. Он «отразится» от барьера. Так утверждает классическая механика.
Но вот в 1928 году Г. Гамов и, независимо, Р. Генри и Э. Кондон опровергли этот, казалось бы, бесспорный вывод. Они доказали, что, согласно квантовой механике, существует определенная " вероятность проникновения частицы сквозь потенциальный барьер. Эта вероятность очень быстро падает с уменьшением отношения К/Вр, но все же не равна нулю. Пусть, для примера, пучок протонов с энергией 1 МэВ испытывает лобовые соударения (запомним это условие — «лобовые соударения») с -ядрами алюминия (Вр«4,5 МэВ). Тогда из каждой тысячи протонов приблизительно пять проникнут в область R<RW. Такой процесс получил название «туннельный переход». Частицы как бы прорывают себе туннель в потенциальном барьере. В макроскопическом мире это кажется волшебством. Ведь тогда человек, состоящий из атомов, может пройти сквозь стену собственного дома. «Может» — отвечает квантовая механика, но, увы, с очень малой вероятностью. Такой «туннельный переход» осуществится за время, неизмеримо большее, чем время существования Вселенной (поэтому обычный путь — пройти через дверь   имеет очевидные преимущества).
Резерфорд внимательно следил за развитием ускорительной техники. В 1928 году в Кавендише уже работал электронный ускоритель с разрядной трубкой на 0,5 миллиона вольт. Однако до ускорения протонов и бомбардировки ядра, казалось, было еще. очень далеко. Пока не родилась идея туннельного перехода. Один из сотрудников лаборатории Г. Аллибон вспоминал: после лекции Гамова о туннельном переходе «мы с Уолтоном спустились вниз по лестнице в нашу лабораторию и подошли к Кокрофту, который работал в той же комнате. Кокрофт как раз подставлял в формулу Гамова цифры, которые можно было получить в то время для ионного тока,— это 1,0 мкА протонов, ускоренных до энергий 0,5 МэВ,— чтобы выяснить вероятность проникновения протонов через энергетический барьер ядер бора. Даже после учета возможных потерь эти цифры казались вполне приемлемыми, и через некоторое время он подал Ре- зерфорду объяснительную записку с предложением строить трубку». Недостаток энергии можно было теперь скомпенсировать большой величиной тока. А она была очень нужна. Когда мы оценивали вероятность проникновения протона в ядро, речь шла о лобовом соударении. Но такой удар испытывает лишь весьма незначительная часть бомбардирующих частиц. К тому же, протоны тормозятся, ионизируя атомы и теряя при этом драгоценную энергию.
Резерфорд дал свое согласие, и Кокрофт и Уолтон приступили к разработке ускорителя.
Заповедь экспериментатора
Создав новый прибор, получи на нем физические результаты (пускай сначала даже посредственные), а затем занимайся его усовершенствованием. И еще — иди главным путем.
К 1932 году на пороге открытия искусственного расщепления ядер стояло несколько групп ученых. Э. Лоу- ренс и М. Ливингстон (США) приступили к созданию нового прибора — циклотрона. В этом ускорителе частицы разгонялись электрическим полем, а магнитное заворачивало их траекторию. Таким образом, пучок мог многократно проходить ускоряющий промежуток. Он двигался по плоской спирали, набирая энергию и увеличивая радиус. К началу «года чудес» лаборатория Лоуренса обладала протонным пучком с энергией 2,2 МэВ. Но исследователи сразу стали монтировать циклотрон с гигантским (по тому времени) магнитом весом в 74 тонны.
Замечательный электростатический генератор был еще в 1929 году построен Ван-де-Граафом в Прин- стонском университете (США). Модель, созданная в 1931 году, могла уже ускорять частицы до энергий 1,5 МэВ при токе в 25 мкА.
Мы не будем останавливаться здесь на работах других групп. Все они шли к одной цели, шли параллельными или почти одинаковыми путями и почти «голова в голову». Но первой пришла группа из Ка- вендишской лаборатории.
В толстом томе трудов Королевского общества напечатана подробная статья Кокрофта и Уолтона с описанием электростатического генератора для ускорения протонов и других тяжелых ионов. Она поступила в редакцию 23 февраля 1932 года. Экспериментаторы вывели из трубки через тонкое слюдяное окошко пучок протонов с энергией около 0,7 МэВ и... начали изучать их поглощение в воздухе в зависимости от величины приложенного напряжения. Одновременно рождались мысли о модернизации установки и замене ее частей (в начальной конструкции были использованы подручные детали, в частности жестянки из-под печенья).
Итак, все группы исследователей в какой-то мере нарушали приведенную выше заповедь. В Кавендише это продолжалось недолго. По воспоминаниям различных лиц, величина «шторма», который устроил Резерфорд своим ученикам, достигала разных «баллов».
Самый смягченный, «штилевой» вариант приводит тот же Аллибон: «Резерфорд все время спрашивал, ставили ли Кокрофт и Уолтон под пучок мишень; но поскольку они с головой ушли в измерения зависимости пробега от энергии, то ставить мишень даже не пробовали. Резерфорд настаивал и сердился за их медлительность. Поэтому... они сделали мишень из лития и поставили эксперимент только для того, чтобы Резерфорд перестал ворчать». В результате было открыто искусственное расщепление ядер:

Об этом извещает письмо в редакцию журнала «Nature» («Природа»), присланное   16   апреля   1932   года.

(За свою «покладистость» Кокрофт и Уолтон в 1951 году были удостоены Нобелевской премии.)
После этого открытия буквально в течение нескольких месяцев опыт по искусственному расщеплению был повторен несколькими группами и в том числе — советскими физиками, работавшими в Харькове: К. Синельниковым, А. Лейпунским, А. Вальтером и Г. Латышевым.
Теперь очень коротко расскажем о самом эксперименте Кокрофта и Уолтона.
Искусственное расщепление ядра лития (апрель 1932 года)
Установка Кокрофта — Уолтона располагалась в большой светлой комнате. Вы видите ее на фотографии. Слева — четыре секции электростатического генератора, справа — ускорительная трубка из двух секций. Остальные колонны — конденсаторы    или    изолирующие    опоры.
Идея получения высокого напряжения кажется очень простой. Если зарядить п одинаковых емкостей до напряжения Uo и соединить их последовательно, то разность потенциалов на концах цепи будет U = nU0. Самое трудное — придумать механизм подзарядки такой системы. И эта задача была решена Кок- рофтом и Уолтоном чрезвычайно остроумно.
Второй важнейшей частью установки была ускоряющая трубка, собранная из двух секций, к каждой из которых подводилось напряжение от генератора (до 350 тысяч вольт). Таким образом, максимальная энергия протонного пучка могла составлять ~0,7 МэВ.
После «внушения», сделанного Резерфордом, на нижнем конце ускоряющей трубки появилась установка для изучения искусственного расщепления ядер лития (на фотографии она закрыта черной материей). Сначала схема опыта выглядела так, как это показано на рисунке 4. Пучок протонов падал на мишень из лития, повернутую под углом 45° к направлению пучка. Вылетающие из мишени а-частицы попадали на экран из сернистого цинка. Когда на такой экран попадает энергичная (несколько МэВ) а-частица, происходит вспышка света, которую можно увидеть с помощью микроскопа.
Приступив к опыту, исследователи начали понемногу увеличивать напряжение на трубке. Когда оно достигло величины 125 кВ, появились первые вспышки от а-частиц. Их еще было мало (5 штук в минуту при токе в 1 мкА), но чем больше увеличивалось напряжение, тем чаще появлялись световые точки. Число вспышек оказалось пропорциональным току протонов.
Ожидаемая и неожиданная удача!
После первых успешных результатов, как всегда, наступило время их кропотливой проверки. Все — яркость вспышек, величина пробега частиц, характер следов в камере Вильсона (ею был заменен счетчик вспышек) — указывало на то, что это а-излучение с энергией около 8 МэВ.
Однако изобретательные молодые физики провели еще один, контрольный, эксперимент. Согласно расчетам, а-частицы, появляющиеся при ядерной реакции 73Li + p->2a, должны разлетаться под углом 180° *). Одновременная регистрация двух таких частиц была бы полным подтверждением расщепления ядра. Для контрольного эксперимента была собрана установка,в которой использовались два счетчика (два экрана), расположенные по разные стороны от мишени (на рисунке 5 — схема такой установки).
И вот оба экспериментатора смотрят в микроскопы. У каждого из них под рукой телеграфный ключ и движущаяся бумажная лента. Увидев вспышку, надо нажать ключ, и он поставит точку на ленте. При сравнении оказалось, что точки совпадают (по времени) так часто, как это следовало из расчетов.

Еще немного об ускорителях
После 1932 года ускоритель зашагал семимильными шагами. В конце 1936 года разгоняемые в циклотроне а-частицы превзошли по своей энергии все, что давали естественные препараты. Шло время, рождались новые идеи, и создавались новые типы ускорителей. Как-то было подсчитано, что через каждые пять лет энергии ускоряемых частиц возрастали почти на порядок. Ускорителям стало тесно в комнатах, залах, потом в ангарах. Пришло время, когда увидеть ускоритель целиком можно только с самолета. Если установка Кокрофта и Уолтона обошлась «ужасно дорого» (приблизительно в 1000 фунтов стерлингов), то потом эта цифра обросла таким количеством нулей, что строительство ускорителей стало под силу только богатым странам. Но и они объединяются для создания новых гигантов.
В распоряжении физиков оказались пучки самых различных частиц и среди них — дейтонов (d) — ядер тяжелого водорода дейтерия D. Они состоят из одного протона и одного нейтрона, то есть имеют заряд +1 и массу 2.
Удивительная судьба связывает нейтрон и дейтон. Существование обоих было предсказано Резерфор- дом в 1920 году, и обе частицы были открыты в 1932 году.
Дейтон и тяжелая вода
16 февраля 1932 года в редакцию журнала Американского физического общества «Физическое обозрение» поступила статья «Изотоп водорода с массой 2 и его  концентрирование».
Популярный сейчас журнал представлял во времена своей молодости довольно тонкую книжку и намного уступал своей известностью европейским изданиям.
Однако работа трех американских ученых Юри, Брикведда и Мер- фи была выдающимся событием для всей физики.
Путь к обнаружению дейтона был далеко не легким. Подобно любому из путей к большому открытию, он заключал   в  себе  и   ошибки,  и   недоразумения.
Содержание тяжелых атомов в водороде составляет менее 1 на 6000 легких. Это и было основной причиной трудностей.
Свою работу Юри, Брикведд и Мерфи начали с того, что научились обогащать водород тяжелым изотопом. Вот почему в названии статьи стоят слова о концентрации, и недаром ее авторы работали в лаборатории низких температур. В этой лаборатории они подвергали особой перегонке жидкий водород (а он сжижается при температуре —253 СС!). Легкие молекулы 'Н'Н уходили первыми, а остаток обогащался тяжелым изотопом 'Н2?!.
Затем точными спектральными методами, которые мы не можем здесь описывать, было показано, что в обогащенных образцах действительно присутствуют атомы тяжелого водорода.
Вскоре Уошборн и Юри обнаружили, что при электролизе водных растворов первым выделяется легкий водород 'Н'Н, и вода насыщается тяжелым. Ее плотность в процессе, электролиза постепенно повышается, и в конце концов можно получить почти чистую тяжелую воду — D2O. Свойства тяжелой воды необычны: плотность ее — 1,1 г/см3, температура замерзания равна 4°С, температура    кипения    —    101,4 °С.
Необычна и судьба этого вещества, которое сначала было известно лишь узкому кругу ученых, а через 10 лет после своего открытия стало предметом пристального внимания людей, очень далеких от науки. Это объяснялось тем, что тяжелая вода понадобилась для производства атомного оружия. К началу второй мировой войны почти весь европейский запас тяжелой воды — 185 килограммов — находился на территории оккупированной Франции. И гестапо, и абвер устроили настоящую охоту за драгоценным сырьем. Французские патриоты во главе с Фредериком Жолио-Кюри сначала успешно прятали ее у себя на родине, а затем тайно переправили в Англию.
Совсем короткое заключение
Подходил к концу 1932 год — «золотой год экспериментаторов», «год чудес», «год исполнения предсказаний». Замечательные открытия этого года были подготовлены огромным трудом многих и многих людей, о подавляющем большинстве которых мы не смогли даже упомянуть в этой статье. У нас почти не было возможности рассказать и об ошибках, блужданиях и разочарованиях.
«Среди плодотворных дней, встречается много других, когда ничего не получается, когда все валится из рук, когда кажется, что даже сама природа относится к тебе враждебно. Вот именно тогда надо победить разочарованность» (Мария Кюри).

Форум аватар

Год чудес
« : 16 Апрель 2010, 00:39:38 »

Оффлайн anisjon3000

  • Активист
  • ****
  • Сообщений 372
  • Респектов +1
  • Репутация 7
  • Пол: Мужской
    • Просмотр профиля
Re: Год чудес
« Ответ #1 : 25 Апрель 2010, 02:10:54 »
0
так значить они думають что год чудес это 1932 год, лично пока 99% всех загодок для нас тайна, мы знаем всего нечего, так думаю что пока решат какой год, нестоит