Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Однако Рудольф Л. Мессбауэр (р. 1929, Нобелевская премия 1961 г.) смог придумать способ достижения резонансной флюоресценции ядер.

Появление первых двух статей Мессбауэра в 1958 г. вызывало смех у всех читателей: непредставимая и неописуемая точность, бабушкин патефон в ядерной физике, где привыкли к километровым ускорителям и многомиллионной стоимости экспериментов, — ну, конечно, это первоапрельская шутка и ничего больше. Затем наступила эпоха отрезвления, перешедшая во всеобщий ажиотаж: практически все лаборатории мира в бешеном темпе повторяли и видоизменяли опыты Мессбауэра, журналы так были заполнены статьями на эти темы, что скоро объявили об отказе принимать новые…

Его эпохальные эксперименты протекали так. Источником излучения являются атомы кристалла радиоактивного изотопа металла иридия. Охладив кристаллы жидким азотом, Мессбауэр с удивлением обнаружил, что флюоресценция заметно увеличилась. Он понял, что отдельные ядра, испускающие или поглощающие гамма-лучи, передают импульс взаимодействия непосредственно всему кристаллу, а поскольку кристалл гораздо более массивен, чем ядро, у излучаемых и поглощаемых фотонов частотный сдвиг очень мал (вспомните, насколько уменьшается отдача при выстреле, если прижать приклад винтовки к плечу увеличив массу тела, участвующего в процессе).

Как же теперь избавиться от крошечной, но все же существующей потери энергии на отдачу, чем ее компенсировать? И Мессбауэр находит уникальный по остроумию прием: для этого нужно двигать оба образца навстречу друг другу — благодаря эффекту Доплера (мы говорили о нем в связи со специальной теорией относительности) частота кванта, испускаемого источником, движущимся навстречу поглотителю, чуть увеличится, возместит этим потери на отдачу и попадет в резонанс с ядром в приемнике. Для этого, по расчетам, достаточна скорость в несколько сантиметров в секунду. Но как это сделать? И он помещает либо излучатель, либо приемник на… диск патефона (да-да, того самого бабушкиного патефона с заводной ручкой, ничего другого в его бедной лаборатории не нашлось!) — перемещая излучатель по радиусу диска, т. е. меняя его касательную скорость, он в очень узких пределах меняет частоту гамма-квантов и как бы пробегает (сканирует) линию излучения или поглощения ядра!

Уже в первых экспериментах точность определения частоты достигала одной миллиардной доли их энергии, впоследствии она достигла одной статриллионной — нигде и никогда такой точности, как в эффекте Мессбауэра, никому достичь не удавалось!

Одним из первых принципиальных приложений эффекта Мессбауэра стала в 1959 г. работа Р. В. Паунда и Г. А. Ребки.

Отметим, что узость ядерных электромагнитных уровней с начала 1960-х гг. и до сих пор бросает вызов физикам. Как мы уже говорили, эффект стимулированного излучения Эйнштейна позволил создать лазеры — электроны в атомах сначала поднимают на верхний уровень (атомы возбуждают), а затем под действием резонансных фотонов они разом спускаются вниз, излучая лазерный импульс. Самые мощные лазеры работают в инфракрасной области спектра, в видимой области их мощности существенно уменьшаются с ростом частоты, а вот для ультрафиолетовой части спектра мощных лазеров практически нет — приходится особыми ухищрениями создавать некое их подобие. В то же время ничто, казалось бы, не мешает создать лазер на ядерных уровнях, в гамма-диапазоне (для него уже давно придумано название — газер), но для этого нужно из-за узости уровней научиться компенсировать их отдачи. А как это сделать?

Идея ее заключалась в использовании такого следствия ОТО: поскольку фотон обладает энергией, то, согласно формуле Эйнштейна, ему можно приписать массу движения, и поэтому на него должно действовать гравитационное поле. Но тогда при изменении гравитационного поля должны меняться, очень слабо, но все же меняться, его энергия и частота. Вот они и измерили изменения частоты гамма-лучей при прохождении в гравитационном поле, но главная прелесть их работы заключалась в том, что точность эффекта Мессбауэра позволила провести эти измерения при уменьшении гравитационного поля между подножием и вершиной башни, на пути всего в 21 метр и тем самым подтвердить общую теорию относительности Эйнштейна (ранее подобные измерения можно было планировать только в астрофизике, но осуществить их не удавалось).

Сейчас мессбауэровская спектроскопия находит применение не только в ядерной физике, но и в таких разнообразных областях как археология, химический катализ, строение молекул, валентность, физика твердого тела, атомная физика и биологические полимеры[25].

Глава 2

Ядерные реакции

1. Типы реакций и выделение энергии

Для того чтобы какая-нибудь частица могла провзаимодействовать с ядром, она должна пройти сквозь электронную оболочку атома. Поэтому такая частица либо должна обладать достаточно большой энергией, либо быть нейтральной. Само взаимодействие может заканчиваться тем, что налетающая частица или какая-то ее компонента остается в ядре, т. е. масса ядра возрастает, после чего возникает новое ядро, стабильное, радиоактивное или быстро распадающееся.

Особый интерес при таких реакциях вызывает возможность выделения энергии обусловленная разницей энергии связи разных ядер.

Мы уже говорили, что образование связанных состояний (планетная система вокруг Солнца, атомы в молекуле, электроны в атоме) можно объяснить как наличием сил притяжения, гравитационных или электрических, так и тем, что, согласно формуле Эйнштейна Е = mс2 (или, точнее, ΔЕ = ± Δmс2, где греческой заглавной буквой Δ — «дельта» обозначается изменение), полная масса связанной системы меньше суммы масс составляющих частей в свободном состоянии. Получаемая энергия связи позволяет вычислить дефект массы при соединении частей системы (надо разделить его на квадрат скорости света). Однако в тех случаях этот дефект масс был столь мал, что его практически трудно или невозможно измерить.

Однако в ядерной физике положение иное: дефект массы нуклонов в ядре может достигать 0,4 % полной массы — это приводит к грандиозной доле выделяемой энергии в некоторых ядерных реакциях. Максимальный дефект массы наблюдается в ядрах с массовым числом в интервале примерно от 30 до 100, и поэтому существуют две принципиально различные возможности выделения внутриядерной энергии: реакции деления тяжелых ядер с большим массовым числом или соединение ядер с малыми массовыми числами (реакции синтеза).

Физически очевидно, что реакции деления осуществить проще: можно думать, что достаточно сообщить ядру избыточную энергию, дав ему поглотить нейтральные частицы, например фотоны или нейтроны, и тем самым «раскачав» его в надежде на последующее самопроизвольное деление. А вот для реакций синтеза нужно, чтобы два ядра слились, преодолев кулоновский барьер. Для этого им нужно придать, по крайней мере, достаточную кинетическую энергию, либо нужно каким-то образом понизить этот барьер.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г., когда облучение атомов азота альфа-частицами радия привело к образованию одного из изотопов кислорода с излучением протона. Следующая реакция (о ней писали выше) была получена Кокрофтом и Уолтоном.

Как мы уже говорили, В. Боте и супруги Жолио-Кюри обнаружили при облучении легких ядер альфа-частицами возникновение какого-то излучения, которое, согласно Чедвику, является потоком нейтронов.

Фредерик Жолио, электроинженер по первоначальному образованию, сконструировал чувствительный детектор с камерой Вильсона для исследования этой проникающей радиации. Вместе с женой, Ирэн Кюри, они сумели приготовить образец с необычайно высокой концентрацией полония и на этой аппаратуре обнаружили то излучение, которое так успешно смог исследовать Чедвик, — фактически они потеряли открытие нейтрона и сопутствовавшее ряду актов излучение позитронов. Но в самом начале 1934 г. супруги Жолио-Кюри начали новый эксперимент. Закрыв отверстие камеры Вильсона тонкой алюминиевой фольгой, они облучали образцы бора и алюминия альфа-частицами. Как и ожидалось, позитроны действительно испускались, но, к удивлению экспериментаторов, эмиссия позитронов продолжалась в течение нескольких минут после того, как убирали полониевый источник.

Таким образом, Жолио-Кюри обнаружили, что в некоторых образцах алюминия и бора возникли новые химические элементы. Более того, эти новые элементы были радиоактивными: алюминий, поглощая два протона и два нейтрона альфа-частиц, превращался в радиоактивный фосфор, а бор — в радиоактивный изотоп азота. Поскольку такие неустойчивые радиоактивные изотопы не встречались в природе, ясно было, что они созданы искусственным путем. (Впоследствии супруги Жолио-Кюри синтезировали большое число новых радиоактивных элементов.)