Знаменитые опыты Эрнеста Резерфорда, с которых, собственно, и началась ядерная физика, проводились в начале прошлого века. В своей лаборатории Резерфорд работал под руководством Джозефа Томпсона, а затем, в 1919 году, возглавил ее сам. Его знаменитый прибор — первый ускоритель (хотя трудно назвать его ускорителем: в нем альфа-частицы не ускорялись, а вылетали из радиоактивного источника с начальной энергией 10 МэВ), с помощью которого было впервые осуществлено расщепление ядра.

Как был устроен первый ускоритель

Он представлял собой латунный сосуд длиной 18 см, шириной 2 см, высотой 6 см. На нем было установлено два натекателя (крана), через которые различные газы напускались в объем. Внутри цилиндра была установлена металлическая пластинка с напыленным тонким слоем соли радия, которую можно было двигать в горизонтальном направлении. Экран-телескоп из сернистого цинка располагался в торце цилиндра, и через него можно было наблюдать вспышки от частиц, которые рождались в ходе ядерных реакций (столкновения альфа-частиц с энергией 10 МэВ с ядрами газа).

Все эти наблюдения и подсчеты делались исключительно вручную. Один из членов группы Эрнеста Резерфорда, впоследствии известный экспериментатор Ханс Гейгер, изобретатель счетчика, названного в его честь, гордился тем, что первым из коллег достиг рубежа в один миллион наблюденных вспышек. Используя именно этот прибор, напуская поочередно кислород, углекислый газ, воздух и азот, Резерфорд увидел, что в результате взаимодействия альфа-частиц с сухим кислородом и углекислым газом количество сцинтилляций уменьшалось вследствие поглощения альфа-частиц слоем газа.

А вот в случае напуска воздуха число вспышек, соответствующих большим длинам пробега, яркость которых для глаза представлялась приблизительно равной яркости вспышек от атомов водорода, увеличивалось примерно в 2 раза по сравнению с измерениями в вакууме. Резерфорд предположил, что причиной тому мог быть азот, содержащийся в воздухе, и напустил чистый азот в камеру. Количество сцинтилляций резко возросло, и после многочисленных опытов Резерфорд показал, что, действительно, в результате столкновений альфа-частиц с молекулами азота возникали частицы с таким же пробегом, как у атомов водорода. Таким образом, была экспериментально исследована первая реакция расщепления атомов азота атомами гелия на кислород и водород.

Начало ядерной физики

Впоследствии Резерфорд назвал их, ядра водорода, составной частью атомного ядра и предложил для них термин «протон». Результаты опытов были опубликованы в 1919 году в четырех статьях под общим названием «Столкновения альфа-частиц с легкими атомами». 3 июня 1920 года Резерфорд прочитал так называемую Бакерианскую лекцию под названием «Нуклеарное строение атома», рассказывая об осуществлении первой искусственной ядерной реакции — превращении азота в кислород.

Эрнест Резерфорд первым непосредственно доказал наличие в ядрах элементов протонов и выдвинул гипотезу о существовании изотопов водорода (дейтерия и трития) и о существовании нейтрона: «Кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю.

 

Подобные образования представляются вполне возможными… Подобный атом обладал бы совершенно фантастическими свойствами. Его внешнее поле практически должно равняться нулю, за исключением областей, весьма близко прилегающих к ядру; вследствие этого он должен бы обладать способностью свободно проходить через материю. Существование подобного атома, вероятно, трудно было бы обнаружить спектроскопом, и его нельзя было бы удержать в закрытом сосуде. С другой стороны, он должен был легко входить в структуру атома и либо соединяться с его ядром, либо разгоняться интенсивным полем последнего, давая начало заряженному Н-атому, или электрону, или тому и другому».

 

Однако и Резерфорд, и его коллеги хорошо понимали, что использование радиоактивных источников не имеет перспективы в плане более серьезного исследования структуры ядра. Во-первых, соли радиоактивных элементов были редки и дороги. Во-вторых, частицы, вылетающие вследствие радиоактивного распада, «летят во все стороны», то есть трудно иметь хорошо сфокусированный и направленный пучок таких частиц с малым угловым разбросом по скоростям и малым разбросом по энергии. Ну и, в-третьих, и это, пожалуй, самое главное: радиоактивные источники могли испускать частицы только с определенной энергией, которую, может, и можно было уменьшить, но уж никак не увеличить. Резерфорд писал: «Если бы в нашем распоряжении были заряженные атомы с энергией, в десять раз превосходящей энергию альфа-частицы радия, то, вероятно, мы могли бы проникнуть в нуклеарную структуру всех атомов, а иногда вызвать их разрушение». Таким образом, он обозначил направление для дальнейшего развития ядерной физики — создание приборов, с помощью которых можно было бы увеличивать энергию частиц до величины, необходимой для расщепления ядер и изучения их внутренней структуры, — ускорителей. Путь к получению частиц высокой энергии начался в 30-х годах. Именно с этих лет отсчитывают начало эры ускорительной техники.