С древнейших времён пытливый человеческий ум пытался проникнуть в тайны окружающего его мира. Из чего сделано яблоко? Почему камень твёрдый, а металл гнётся? До какой степени мы можем делить яблоко? Состоит ли оно из мириадов маленьких яблочек или же его образуют частицы, совсем на него не похожие?

В своих попытках найти базовые кирпичики, составляющие весь окружающий мир, человечество совершило грандиозное путешествие от простейшей арифметики до невозможных для человеческого мозга вычислений, и от разрезанного яблока до многокилометрового коллайдера.

I. В глубины вещества

Более двух тысяч лет назад Демокрит задумался о существовании мельчайших неделимых частиц вещества. Он назвал их “атомы” —  от древнегреческого «ατομοξ» — неделимый. Давайте повторим его мысленный эксперимент. Первым делом надо представить яблоко. Предположим, что вы это уже сделали. Мысленно возьмите нож. Разрежьте яблоко пополам. Одну половину можно съесть, а вторую необходимо опять располовинить. Продолжайте резать яблоко, пока не получите кусочек, который уже не сможете разрезать (хотя, казалось бы, оно только в вашей голове, а фантазия безгранична). Поздравляю, вы получили атом. Можете собой гордиться.

Из атомов и пространства между ними, по мнению Демокрита, состоит мир. «Как трагедия, так и комедия могут быть написаны одними и теми же буквами, так и всё разнообразие случающегося в мире осуществляется одинаковыми атомами, поскольку они имеют различные положения и выполняют различные движения», – отвечал ему физик ХХ-ого века, Вернер Гейзенберг. Однако, идеи Демокрита не были восприняты всеобщими овациями.

Прошло больше семнадцати веков, схлынули темные воды невежества, наступила эпоха Возрождения, снова началось развитие естествознания. Учёные вспомнили идею атомарного строения материи, и пошли дальше древнегреческих философов. В отличие от греков,  для которых концепция атома была отвлеченным понятием, учёные XVII в. — Гассенди, Бойль и Ньютон —  попытались объяснить посредством атомарной теории физические и химические свойства тел. И началось…

В дальнейшем другие учёные (Ломоносов, Лавуазье, Дальтон и множество других, не менее достойных исследователей) подтвердили догадку непризнанного в своё время грека. Оказалось, что в природе существует относительно небольшое число простых веществ, состоящих из атомов одного типа.  На сегодняшний день в природе обнаружены 94 элемента. Еще 24 синтезированы искусственно.

Забегая вперед: именно атомы определяют свойства веществ. В 1869 году Д.И. Менделеев обобщил формулировки открытых на тот момент частных проявлений периодического закона, строго его сформулировал и построил  на его основе периодическую систему химических элементов, используемую до сих пор. 

Основная характеристика элемента в периодической системе — его атомный вес.Это  отношение массы его атома к массе атома водорода. Менделеев расположил все известные на тот момент элементы в порядке возрастания атомных весов и обнаружил, что в свойствах элементов присутствует явная периодичность. В каждом столбце построенной таким образом системы находились элементы с близкими химическими свойствами. 

Открытый Менделеевым закон послужил основой для развития химии и атомной физики. Позже была выявлена связь периодического закона со строением атомов.

Увы, хотя реальность атомов и была доказана, но сказать об их устройстве со времён Демокрита всё так же было нечего. Почти две тысячи лет потребовалось лишь для подтверждения его гипотезы. В конце XIX века атом все ещё считался неделимым, и, как писал английский физик Дж. Дж. Томсон: «Внутренность атома была объявлена той территорией, в которую физику никогда не удастся проникнуть…».

Несколько позже произошло открытие электрона. Оно пошатнуло представление о неделимости атома. Еще во времена первых опытов с электролизом начали возникать подозрения о существовании «атомов электричества», но то, что под ними подразумевалось, было открыто гораздо позднее. В опытах по прохождению электрического тока через газы были установлены заряд и масса электрона. Тогда же начали предполагать, что электроны каким-то образом входят в состав атомов. Из этой гипотезы логично проистекало предположение, что атом состоит ещё и из положительно заряженных частиц, компенсирующих отрицательный заряд — ведь атом электронейтрален(имеет нулевой заряд). Но строение атома все так же оставалось неясным, непонятным и сумрачным, как призрак коммунизма.

Тогда же, в конце XIX века, исследователи даже не представляли, с какой стороны подступиться к этой проблеме, ведь размеры атомов настолько малы (порядка 10^-8 см), что ни один известный микроскоп не позволял их рассмотреть.

Единственным представлением об устройстве атома, которым тогда руководствовались исследователи, было высказанное в 1904 году упомянутым выше Дж. Дж. Томсоном. Он предложил так называемую «модель пудинга» или «пирога с изюмом», при которой положительный заряд распределён равномерно по объему атома, а отрицательные заряды (электроны) вкраплены в атом в отдельных точках.

Но прошло совсем немного времени, и стало известно, что, несмотря на столь малые размеры атомов, можно экспериментально изучить их строение. 

Немногим ранее, в 1895 году, немецкий физик В. К. Рентген обнаружил существование лучей, обладающих крайне высокой проникающей способностью. Фотопластинки, завёрнутые в несколько слоев плотной черной бумаги, легко засвечивались в потоке этого излучения. Как показали дальнейшие опыты, рентгеновские лучи, возникающие при падении быстрых электронов на различные вещества, имеют ту же природу, что и обычный свет, то есть являются электромагнитными волнами, но имеют гораздо большую энергию, что и объясняет их проникающие свойства.

Через год было совершено ещё более удивительное открытие. Беккерель обнаружил, что если оставить рядом с закрытой фотопластинкой минерал, содержащий уран, то она почернеет. Но свет не мог попасть на пластинку, а значит, на нее попадало какое-то ранее неизвестное излучение, проходящее сквозь непрозрачные материалы. Этот феномен назвали радиоактивностью и ученые всего мира обратили на него внимание.

Вскоре французские физики Пьер и Мария Кюри смогли выделить из урановой руды вещества, намного более радиоактивные, чем уран. Это были полоний и радий.

Именно радиоактивность начала проливать свет на загадки строения вещества.

Радиоактивное излучение сильно ионизирует среду, через которую проходит. Отдельные молекулы вещества, через которое проходит излучение, теряют часть электронов и становятся положительно заряженными. Способностью к ионизации вещества обладают также рентгеновские лучи и быстрые электроны.

Используя этот эффект, физикам удалось разделить излучение радия по проникающей способности на два типа. Слабопроникающие лучи, поглощаемые практически полностью даже листом бумаги, были названы α-излучением, а лучи с большей проникающей способностью, требующие для их задержания, например, несколько миллиметров алюминия, стали называться β-излучением.

Английский физик Э. Резерфорд предположил, что α-частицы являются атомами какого-то уже существующего элемента. Чтобы подтвердить эту гипотезу необходимо определить массу α-частиц, для чего он сконструировал прибор, в котором радиоактивная соль отделена от электроскопа рядом параллельных металлических пластин. Излучение ионизировало электроскоп и его показания менялись. При приложении магнитного поля, направленного параллельно пластинам, поток частиц отклонялся и попадал на пластины из-за чего степень ионизации электроскопа уменьшалась. Из направления и степени отклонения частиц в магнитном поле были вычислены скорость, знак заряда и отношение заряда к массе α-частиц. Получалось, что эти частицы являлись ионами гелия, несущими два положительных заряда, равных по величине заряду электрона, но имеющих противоположный знак.

Немного позже, когда было получено несколько граммов радия, Резерфорд окончательно подтвердил, что α-частицы являлись ионами гелия. Он собрал частицы в газоразрядную трубку, пропустил через получившийся газ электрический ток и увидел спектр излучения, совпадающий со спектром излучения гелия.

Таким же способом определили природу β-излучения, оказавшегося потоком электронов, летящих с чрезвычайно высокой скоростью.

Позднее открыли и γ-лучи, оказавшиеся похожими на рентгеновское излучение, но несущими более высокую энергию.

Помимо радиации изучали и химические свойства открытых элементов. Внезапно оказалось, что из радия образуется радиоактивный газ радон, подобный по химическим свойствам инертным газам. На основании этих исследований Резерфорд и Содди в начале XX века выдвинули теорию, согласно которой одни элементы могут самопроизвольно превращаться в другие с испусканием α- или β-частиц.

Так был совершён переворот в науке. Ранее все атомы считались чем-то нерушимым, незыблемым, тем, из чего состоит вся материя. Но некоторые из них оказались неустойчивыми, способными буквально взрываться, выбрасывая летящие с огромной скоростью частицы. 

Дальнейшие исследования продемонстрировали, что химические элементы бывают с одинаковыми химическими свойствами, но с разной массой. Их назвали изотопами. Природу этого явления смогли понять только после открытия нейтрона – нейтрально заряженной элементарной частицы, входящей в состав ядра атома. Элементы в природе обычно представляют собой смесь нескольких различных изотопов. Как правило, ядро неустойчивого атома распадается на неустойчивые же части, которые в свою очередь распадаются на новые радиоактивные ядра. Процесс продолжается, пока такая последовательность распадов не завершится стабильным ядром. В природе известны три независимые цепочки распада нерукотворных радиоактивных элементов – ряд урана, ряд тория и ряд актиния, завершающиеся тремя стабильными изотопами свинца с атомными массами 206, 208 и 209 соответственно.

После этих открытий возникло естественное желание научиться изменять устойчивые атомы других элементов. Но для этого требовались более глубокие знания об устройстве атома.

Резерфорд поставил эксперимент, в котором бомбардировал атомы α-частицами, желая узнать природу и интенсивность отклоняющего поля внутри атома. Установка представляла собой источник излучения – радий, заключенный в свинцовую капсулу, диафрагму с отверстием для получения узкого пучка частиц и тонкую золотую фольгу, за которой располагался экран, покрытый сернистым цинком, способным к сцинтилляции (свечению) в местах попадания α-частиц. Наблюдатель в темноте смотрел на экран через микроскоп, поворачивая его под разными углами, и считал сцинтилляции. 

Результаты эксперимента были неожиданными. Хотя большая часть α-частиц отклонялась, как и было предсказано, на небольшие углы, изредка наблюдались отклонения более 90^о, то есть частицы как будто отскакивали от фольги. Это свидетельствовало о наличии огромных отталкивающих сил в атомах.

Если исходить из модели Томсона, где отрицательные и положительные заряды равномерно распределены, то подобных сил, вызывающих большие отклонения некоторых частиц, быть не должно.

Если мы посчитаем угол отклонения исходя из массы, скорости и заряда α-частицы, массы и размера атома золота и толщины золотой фольги, то окажется, что для томсоновской модели атома он в среднем будет равен 0,02 градуса, что явно не соответствует эксперименту.

Для такого существенного отклонения α-частица должна столкнуться с массивным объектом, обладающим значительным положительным зарядом, что исключается моделью Томсона. Таким образом, результаты опыта Резерфорда указывали на ошибочность господствовавших в то время представлений о строении атома.

Основываясь на полученных данных, Резерфорд предложил новую теорию строения атома. Он высказал смелое предположение, что весь положительный заряд, а значит и основная масса атома, сосредоточены в очень малом объеме относительно объема всего атома. Радиус этого объема, названного ядром атома, составляет менее 10^-12 см, что во много крат меньше размеров самого атома. Если бы увеличили размер атома до размеров футбольного поля, то его ядро имело бы размер с ягоду черешни!

Новая модель объясняла отражение α-частиц в обратном направлении. Это были те частицы, что пролетали слишком близко от ядра атома и под воздействием электростатических взаимодействий испытывали сильнейшее отталкивание.

Впоследствии, на основе этой теории удалось экспериментальным путем узнать заряды ядер атомов различных элементов. Заряд ядра совпал с атомным номером элемента, являющимся его порядковым номером в Периодической системе.

Но где тогда располагаются электроны? Резерфорд предположил, что они движутся вокруг ядра по круговым орбитам, аналогично планетам в Солнечной системе. При этом, устойчивость движения обеспечивается компенсацией электростатического притяжения электронов к ядру центробежной силой, возникающей при их вращении.

Поначалу планетарная модель атома была плохо воспринята в научных кругах, так как классическая теория электрических явлений (электродинамика) была несовместима с устойчивым движением электрона вокруг ядра. 

В 1913 году планетарную модель атома поддержал датский физик Нильс Бор. Его идея заключалась в существовании у атома стационарных состояний, в которых электрон не излучает энергию. Каждое такое состояние имеет строго определенную энергию, а излучение и поглощении энергии электроном происходит только при переходе его из одного состояния на другое. Происходит как бы перескок электрона с одного уровня на другой.

В своей теории Бор использовал представления о прерывности энергии в микромире. В начале XX века Планк установил, что свет, обладающий определенной длиной волны, может испускаться и поглощаться только квантованно, то есть строго определенными порциями света (квантами). В частности, это подтверждалось при опытах с фотоэффектом – испусканием металлической пластинкой электронов при ее облучении светом. 

Была открыта двойственная природа света – в одних случаях он вел себя как волна, в других — как частица. Позже выяснилось, что и другие элементарные частицы подчиняются корпускулярно-волновому дуализму. На основании этих открытий была создана квантовомеханическая теория.

Новая теория показала, что представления Резерфорда и Бора о существовании в атоме электронных орбит неверны. Такие понятия, как орбита и траектория, оказались вообще неприменимы к электрону в атоме. В соответствии с квантовой механикой может быть определена только вероятность нахождения электрона в любой точке атома. Эта вероятность характеризует распределение электронного заряда, или электронного облака, вокруг ядра.

Итак, со временем стало окончательно понятно, что модель атома с маленьким ядром и носящимися вокруг электронами, в целом, справедлива. И, пользуясь этими представлениями, Резерфорд предпринял первые попытки искусственного превращения элементов. Естественная радиоактивность наглядно показала, что в ядре атома скрывается огромный запас энергии – ведь частицы, вылетающие при распаде, обладают огромными скоростями.

Стала ясна причина неудач средневековых алхимиков, проводивших бесчисленные опыты по превращению различных металлов в золото. Используемые ими химические реакции или механические воздействия просто-напросто не обладали достаточной энергией. Химическим, механическим или электрическим воздействием нетрудно соединить несколько атомов или временно оторвать внешний электрон. Но все эти превращения затрагивают только электронную оболочку. Для превращения одного элемента в другой необходимо воздействовать на ядро.

Но как на него воздействовать? Плотность, а соответственно и масса ядра фантастически огромны!

Резерфорду было понятно, что для расщепления ядра нужны очень мощные источники энергии. В то время известными частицами с наибольшей энергией были α-частицы, испускаемые радием. Это были те же частицы, при помощи которых изучали строение вещества, но теперь их назначение изменилось.

Увы, для превращения элемента требуется исключительно точное прямое попадание частицей в ядро атома. Но чем ближе окажется α-частица к ядру — тем сильнее будет отталкивание. Легко можно посчитать (для интересующихся – нужно приравнять кинетическую энергию частицы к энергии отталкивания), сможет ли такая частица достичь ядра, например, атома золота. Увы, это оказалось невозможным. Но, если мы возьмем более легкие атомы, например, атомы азота, с небольшим зарядом, то уже сможем бомбить их ядра α-частицами радия, за счет того, что кулоновские силы будут значительно меньше.

Точно так же размышлял и Резерфорд, и в 1919 году провел серию новых опытов, приведших к одному из наиболее выдающихся открытий – осуществлению искусственного превращения атомного ядра.

Был сконструирован простой прибор, представлявший собой камеру, заполненную чистым сухим азотом, закрытую с одной стороны серебряной фольгой. Прибор был устроен так, чтобы α-частицы полностью задерживались и не выходили наружу. Напротив фольги был установлен экран с покрытием из сернистого цинка. И, несмотря на полное отсечение α-частиц, на экране происходили сцинтилляции. 

Резерфорд предположил, что сцинтилляции вызваны частицами с большей энергией. Аналогичный эффект наблюдался и при заполнении камеры водородом. Сцинтилляции были идентичны у разных газов и при наложении магнитного поля. Следовательно, этими частицами оказались положительно заряженные атомы водорода. Из этого следовал вывод о вхождении заряженного атома водорода в ядро азота. (Напомним, что положительно заряженный атом водорода – это протон).

Но что же произошло с азотом? α-частица слилась с ядром азота, был испущен протон, а сам атом азота превратился в атом кислорода.

Первая осуществленная ядерная реакция дала миру открытие протона. Открытие же второй составляющей ядра атома – нейтрона – было совершено в 1932 году.

II. Первые ускорители

Но первому успеху сопутствовали и первые серьёзные проблемы. α-частицы естественного происхождения обладают слишком низкой энергией для бомбардировки более тяжёлых атомов, настолько велика сила отталкивания. Да и слишком редко происходит атомный распад, слишком долго приходилось проводить эксперимент, ведь только одна из миллиона частиц попадает в ядро атома.

Необходимы были новые, более мощные снаряды для обстрела атомов. Тогда и возникла идея дополнительного разгона заряженных частиц. Идея крайне проста – хорошо известен факт ускорения заряженных тел в электрическом поле. Достаточно взять две металлические пластины и приложить к ним разность потенциалов.

За время движения от одного электрода к другому частица наберет некоторую кинетическую энергию, которую принято измерять в электрон-вольтах. Энергию в 1 электрон-вольт приобретает частица с единичным зарядом, прошедшая разность потенциалов в 1 вольт.

Самые быстрые α-частицы имеют энергию не более 10 МэВ, что слишком мало для проведения ядерных реакций на тяжёлых ядрах.

А для получения частиц с большей энергией, необходимо поместить их в очень сильное электрическое поле.

Самые первые ускорители были крайне просты и состояли из двух частей – устройства для генерации высокого напряжения и вакуумной трубки, внутри которой происходило ускорение частиц. Высоки требования к материалу трубки – он должен обладать хорошими изолирующими свойствами, ведь разность потенциалов на ее концах составляет миллионы вольт! Отдельной задачей оказалось получение вакуума, чтобы при ускорении частицы не теряли энергию на столкновениях с молекулами газов воздуха.

При ускорении положительно заряженных частиц источник ионов помещают вблизи положительного электрода. Сами частицы получают путем бомбардировки электронами атомов газообразного элемента (например, водорода). Электроны же появляются от раскаленной металлической нити.
Полученные ионы вытягиваются электрическим полем и разгоняются в направлении мишени.

Как правило, помимо крайних электродов, в вакуумной трубке имеются промежуточные электроды,  на каждый из которых подается определенная часть полного напряжения с помощью делителя. Такой прием позволяет сделать падение потенциала вдоль оси трубки более плавным и избежать разрядов у ее концов. Дополнительно, частое расположение электродов позволяет лучше собирать пучок ионов и плотнее его фокусировать.

Но для использования трубки нужно высокое напряжение, которое просто так, из розетки, не получить! Есть несколько путей его получения, наиболее простые – каскадный генератор и генератор Ван-де-Граафа. В каскадном генераторе происходит зарядка конденсаторов при помощи трансформатора и кенотрона, при этом потенциал верхней обкладки относительно земли будет равен суммарному заряду всех конденсаторов.

В 1932 г. Кокрофт и Уолтон при помощи такого генератора ускорили протоны до энергии 700 кэВ и впервые осуществили расщепление лития на две α-частицы при помощи искусственно ускоренных частиц.

Стало ясно, что протонам требуется меньшая, чем α-частицам, энергия для проведения реакции. Объясняется это вдвое меньшим зарядом протона, что позволяет легче подойти к ядру мишени. Но это не единственная причина. На первых ускорителях уже были получены пучки частиц, многократно превосходящие природные источники. Поэтому, несмотря на крайне низкую вероятность попадания протоном в ядро, наблюдение этого процесса стало гораздо проще, чем в опытах Резерфорда.

В современности каскадные генераторы используются в источниках интенсивных потоков быстрых нейтронов.

Другой высоковольтный генератор можно найти даже в школе. Это генератор Ван-де-Граафа, напоминающий по своему устройству электростатическую машину. Гибкая движущаяся лента снимает заряд внизу с щетки и переносит вверх, на внутреннюю поверхность пустотелого электропроводного шара. Электроны отталкиваются друг от друга и перетекают на внешнюю поверхность шара. Потенциал шара растет до тех пор, пока утечки не начнут превышать поступление заряда.

Крупнейшие генераторы такого типа имели размер шара 10 метров и более, получаемое там напряжение составляло миллионы вольт. Позже размеры генератора были уменьшены путем его помещения в инертную атмосферу с повышенным давлением.

III. Как выстрелить нейтроном?

Параллельно с опытами на ускорителях велась работа с естественными источниками α-частиц, и был открыт нейтрон – самый необычный снаряд для бомбардировки атомов. 

Немецкие физики Боте и Беккер обстреливали уже известными нам α-частицами бериллий, который в результате испускал непонятное излучение, проникавшее сквозь значительные слои вещества. Ни к одному из известных видов излучения приписать его не получалось.

Супруги Жолио-Кюри поместили на пути этого излучения кусок парафина (как известно, парафин является углеводородом и содержит много атомов водорода). В итоге из парафина начали вылетать быстрые частицы протоны с большой энергией.

Позже, в 1932 году, Чедвик показал, что таинственное излучение являет собой поток частиц с нейтральным зарядом и массой, близкой к массе протона. В том же самом месте 12 лет назад Резерфорд вел поиски нейтральной частицы, но так и не смог ее найти. Назвали ее “Нейтроном”.

Выяснилось, что нейтрон, наравне с протоном входит в состав ядер атомов. Впервые об этом заявили советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг.

Итак, ядро атома состоит из двух типов частиц. Протоны определяют его заряд и, соответственно, порядковый номер в периодической таблице, тогда как нейтроны в сумме с ними дают массу ядра.

После открытия нейтрона стало, наконец, понятно, откуда берутся изотопы, различающиеся по массе, но одинаковые по заряду ядра. Разное количество нейтронов – вот что служит источником такого разнообразия.

Вскоре супруги Жолио-Кюри совершили ещё одно открытие – в результате обстрела α-частицами бора, алюминия и магния образовались радиоактивные элементы. Ранее это считалось невозможным. Именно в этих опытах стал известен новый тип распада – с испусканием позитрона, являющегося античастицей для электрона. Незадолго до этого позитрон был открыт в космическом излучении.

Позднее оба этих открытия нашли применение во множестве областей науки и техники, от медицины до военной промышленности.

Нейтроны совершенно непохожи по своему поведению на другие частицы. В силу отсутствия заряда они не отклоняются полем атомов, не взаимодействуют с электронами, гораздо меньше теряют свою энергию и проникают куда глубже в вещество. Эти чудесные частицы ведут себя как обычные мячики. При ударе о тяжелое ядро нейтрон не теряет свою энергию. Он отскакивает и продолжает с почти такой же скоростью лететь в другом направлении. Именно поэтому в качестве замедлителя используют лёгкие элементы или воду, которая содержит большое количество водорода, самого легкого элемента, которым нейтроны передают часть своей энергии.

Исходя из закона сохранения импульса, чем меньше отношение массы сталкивающихся частиц, тем меньше теряет скорость первая частица. В уравнении m₁ и m₂ — массы частиц, а v — их скорость до и после столкновения.

Из-за отсутствия взаимодействия с электромагнитным полем ядра нейтрон свободно может его достичь. Конечно же физики тут же воспользовались новым снарядом, которым можно намного эффективнее обстреливать атомы.

Первые же опыты (проведенные Энрико Ферми) дали очень интересные результаты. Во-первых, выяснилось, что под воздействием нейтронов почти все ядра элементов периодической системы переходят в радиоактивное состояние. Во-вторых, при окружении источника нейтронов или мишени веществом-замедлителем (т.е. при столкновении с элементами которого частицы теряют меньше всего скорости. Например, парафин или вода) сильно увеличивалась радиоактивность мишени, что свидетельствовало о более полном поглощении нейтронов. Получается, если мы замедлим нейтрон, отнимем часть его энергии, он будет лучше взаимодействовать с мишенью. Помимо прочего, некоторые вещества намного эффективнее поглощают нейтроны. Например, тончайшая фольга кадмия оказалась намного эффективнее, чем несколько сантиметров свинца.

Это свойство ядер называется “эффективным сечением захвата”. Частицы(например, нейтроны) имеют разную вероятность прореагировать с ядром на разных скоростях.

Ядерные реакции, идущие с захватом нейтрона, уже не являются реакциями расщепления(кроме некоторых реакций с тяжелыми ядрами). В результате ядро не разваливается, а усложняется, к нему добавляется нейтрон. Взамен же испускаются γ-кванты, являющиеся квантами электромагнитного излучения.

Объяснение этому предложил Нильс Бор, проведя аналогию между ядром и лункой с абсолютно упругими бильярдными шарами. При попадании в лунку, в которой уже есть шары, им передается кинетическая энергия и вся кучка начинает соударяться, пока полученная энергия не сконцентрируется в каком-то крайнем шаре, который вылетит из лунки.

По модели Бора протоны и нейтроны ядра аналогичны этим шарам. Частица, попадая в ядро, застревает там, энергия перераспределяется между нуклонами ядра. Образуется возбужденное ядро, избавляющееся от лишней энергии путем испускания частицы или γ-кванта.

Опыты показывают, что это не единственный вариант исхода. Порой попавшая в ядро частица проходит сквозь него без потери энергии. А при больших энергиях бомбардировки из ядра могут вылететь несколько частиц или даже фрагменты ядра.

При облучении урана медленными нейтронами был обнаружен новый тип ядерных реакций – деление ядер с образованием более легких элементов. Объясняется это крайне просто – большое количество протонов в ядре порождают высокую энергию отталкивания, которая при любой существенной деформации ядра приводит к распаду.

В Советском союзе Петржаком и Флеровым в 1939-ом было открыто также явление самопроизвольного деления ядер урана.

IV. Нужно больше энергии!

В попытках получить частицы с энергией больше, чем несколько миллионов электрон-вольт, ученые строили огромные установки линейных ускорителей, но прогресса практически не было. Требовалось иное решение.

В 30-х годах начали активно разрабатываться новые методы ускорения, не требующие огромных напряжений.

Идея была проста. Конечно, не так проста, как «ружьё» с разностью потенциалов на концах, но ненамного сложнее. Ведь зачем один раз пропускать частицу через разность потенциалов в 10 миллионов вольт, если можно двести раз ее прогнать через потенциал в 50 тысяч вольт? А такое напряжение уже можно получить, закинув провод на ближайшие высоковольтные линии (не стоит повторять самостоятельно, поверьте). Но возникает проблема иного характера – как добиться успешного прохождения частицами ряда ускоряющих промежутков?

Сразу приходит на ум сделать так же, как в линейном ускорителе, просто перемежать между собой положительные и отрицательные электроды. Но тогда по выходу из ускоряющего поля частица попадёт в тормозящее и нужного эффекта мы не получим.

Чтобы получить постоянное ускорение, нужно, чтобы в каждом промежутке частица получала «попутное» поле. То есть требуется как-то переключать полярность электродов. Но, с учетом скорости частиц, это просто нереально.

Нереально. Для постоянного тока. Но если взять переменный ток с высокой частотой, проблема будет решена. Ведь каждый раз, как будет меняться направление тока, будет меняться и полярность ускоряющего потенциала.

Но возникает новая проблема. Нам что нужно? Чтобы частицы всегда, будучи в зазоре, попадали в ускоряющее поле. То есть, время пролета между щелями не должно меняться. Но частицы ускоряются. Решение весьма изящно – просто будем увеличивать длину электродов по направлению ускорения. Данный метод был назван резонансным.

В идеальном случае частица должна пересекать щель в момент максимальной фазы напряжения, чтобы приращение энергии было наибольшим. При сохранении точного резонанса фаза частицы во время ускорения останется постоянной и всякий раз она будет приобретать все большую энергию, а скорость будет стремительно расти. Именно это ограничивало применение линейных резонансных ускорителей. В 30-х годах отсутствовали генераторы достаточно коротких волн, и приходилось строить очень длинные ускорители. Поэтому применялись они для ускорения тяжелых, не таких быстрых ионов.

V. Магическая спираль

Ну вы же уже догадались, что произойдет дальше, верно? Да, именно так. Нашелся физик, которому было не жалко прибор и он его согнул в бараний рог. Точнее, в кольцо.

Действительно, зачем заставлять частицу бежать спринт по взлетной полосе, если ее можно загнать на кольцевую беговую дорожку на стадионе? Остается лишь вопрос, как это сделать.

Для этого достаточно всего лишь поместить частицы между полюсов электромагнита постоянного тока. Как известно ещё из школьной физики, в постоянном магнитном поле заряженная частица будет двигаться по окружности с постоянным радиусом. На нее при этом действуют сила Лоренца, направленная к центру окружности, и центробежная сила. Обе они направлены перпендикулярно к вектору скорости и работы не совершают, что означает, в идеальном случае, бесконечный бег частицы по кругу.

Но что будет, если мы ускорим частицу еще сильнее и увеличим ее энергию? Логично, что радиус ее траектории увеличится. И, при этом, внимание! Частота вращения нашей частицы никак не изменится! А что это значит? А значит это то, что мы можем, как и в линейном ускорителе, использовать высокочастотное электрическое поле.

Устройство циклотрона даже проще, чем линейного ускорителя. Всего два электрода, выполненных в форме буквы “D”. Их назвали дуантами и расположили в промежуток электромагнита. Ион попадает из источника в промежуток между дуантами, и в момент, когда первый электрод имеет отрицательный потенциал, ускоряется и улетает в полость второго дуанта, где летит по дуге окружности. (Внутри дуанта электрическое поле отсутствует, оно вытесняется на внешнюю поверхность проводника.) Если никто не ошибся в расчетах, то к моменту выхода частицы в щель между дуантами полярность поменяется, и частица снова будет ускоряться, затем, будучи в полости дуанта, она опишет дугу большего радиуса.

Таким образом, двигаясь в резонансе с переменным электрическим полем, ионы по спирали будут двигаться к краю полюса магнита и увеличивать свою энергию. Этот процесс будет продолжаться, пока частицы не достигнут края полюсов магнита. Осталось поставить на пути потока мишень и изучать происходящую реакцию. Обычно пучок частиц выводят при помощи отклоняющего электрода, имеющего большой отрицательный потенциал. Под его действием пучок отклоняется и выходит из камеры через окошко.

Одновременно с заданием циклической траектории движения частиц магнит выполняет функцию фокусировки пучка, «сжимая» его в плоскости между полюсов.

Какой источник ионов используется в циклотроне? Как всегда, сырьем для получения заряженных частиц является легкий газ – водород, дейтерий, гелий (позже стали разгонять и более тяжелые, многозарядные ионы). Он закачивается под давлением в 100 раз большим, чем в ускоряющей камере, в специальную полость, в которой происходит дуговой разряд, после чего ионы извлекаются из столба ионизации и начинают ускоряться в электрическом поле.

Лучше всего циклотрон ускоряет α-частицы и протоны.

Циклотрон также используется для ускорения дейтронов (ядер дейтерия), состоящих из одного протона и одного нейтрона, активно использующихся в ещё одном методе получения быстрых нейтронов. Если пучок дейтронов направить на мишень, то с достаточно большой вероятностью при прохождении рядом с ядром дейтрон «заденет» его и протон будет «содран», тогда как нейтрон полетит дальше, сохранив около половины энергии дейтрона.

Циклотроны активно используются при исследовании свойств ядер и ядерных реакций. Большинство искусственных элементов были получены именно на циклотроне, например фермий был получен при бомбардировке плутония ядрами углерода. А до постройки атомных реакторов только циклотрон позволял получать изотопы в значительных количествах.

Увы, энергия, достижимая при помощи циклотрона, весьма невелика – всего 25 МэВ у протона. Все же период, а следовательно и частота обращения частицы изменяются в связи с изменением ее массы при ускорении, что описывается специальной теорией относительности. При этом частота электрического поля остается неизменной. В дальнейшем эта проблема была решена, но об этом позже.

VI. А можно ли разогнать частицу до скорости света?

Нельзя. Теория относительности даёт понять, что при ускорении до скорости света масса тела будет стремиться к бесконечности. А по всем известной формуле Эйнштейна, для этого требуется слишком много энергии. Она будет стремится к бесконечности. Согласитесь, такой счет на электричество будет сложно оплатить.

Но никто не запрещает получать скорости чуть меньше скорости света. Например, электрон, движущийся со скоростью в 0,997 скорости света, обладает энергией в каких-то 20 МэВ, а вот для протона такая величина соответствует всего лишь 0,2 скорости света.

Как мы видим, затраты на ускорение электрона почти до скорости света весьма невелики. Вот только как это сделать? Циклотрон с такой задачей не справится из-за гигантского увеличения массы электрона.

Идея того, как же нам ускорить электрон не нова. Об этом задумались ещё до появления высоковольтных ускорителей, и изобрели индукционный ускоритель электронов. Идея проста – нужно лишь взять трансформатор с железным сердечником и вместо второй обмотки, где возбуждается движение электронов посредством индукции, расположить вакуумную камеру, в которую впускать электроны. Звучит даже проще, чем конструкция средневекового ускорителя – баллисты. Увы, реализовать эту конструкцию получилось лишь в 40-х годах, слишком много было технических сложностей. 

Американец Д. Керст построил первый ускоритель такого типа, разгоняющий электроны до энергии в 2,3 МэВ. Он помещался на столе и был назван бетатроном.

Было две основных проблемы  при создании бетатрона: удержание электрона на орбите постоянного радиуса и обеспечение устойчивого движения по этой орбите. Первая задача была решена швейцарским физиком Видероэ. Он обнаружил простое соотношение, обеспечивающее постоянный радиус орбиты – в каждый момент времени напряженность магнитного поля на орбите должна быть в два раза меньше напряженности внутри орбиты. 

Чтобы было понятнее, покажем на примере обычных медных витков на трансформаторе. Если мы возьмем один виток проволоки, радиус которого равен радиусу орбиты электрона и поместим в какой-либо точке орбиты катушку с суммарной площадью витков, равной площади этого витка, тогда по условию Видероэ, напряжение на концах большого витка, индуцируемое переменным магнитным полем, должно быть в два раза больше напряжения на катушке. Любопытно и крайне удачно, что радиус орбиты в бетатроне обеспечивается только соотношением магнитных полей и не зависит от изменения массы и скорости электрона. 

Фокусировка пучка в бетатроне является более сложной задачей. В отличие от циклотрона, в нём требуется не только фокусировка по высоте, но и радиальная фокусировка. 

Было построено огромное количество ускорителей этого типа. В крупных установках электроны ускоряются до энергий 300 МэВ, что отделяет электроны от скорости света всего лишь на 0,03%.

Увы, до ещё больших энергий разогнать электроны сложно. Во-первых, масса магнита для бетатрона на 300 МэВ составляет 1000 тонн, во-вторых, электрон, двигаясь по круговой орбите должен терять значительную энергию в виде излучения, и это излучение стремительно растет. При энергиях в несколько сотен МэВ оно начинает превышать приобретаемую в поле энергию.

Бетатроны широко используются в ядерных исследованиях. Облучение ядер γ-квантами, получающимися при потери электронами энергии, тоже способно их разрушать, главное, чтобы энергия кванта превышала энергию, с которой частица удерживается в ядре.

Эти ускорители нашли свое применение не только в науке, но и в технике, медицине, пищевой промышленности. γ-излучение обладает, к примеру, прекрасным стерилизующим действием. 

VII. Прорыв

Энергии частиц, достигаемые на циклотроне, не могли устроить ученых, занимающихся исследованием атомного ядра. Еще со времен опытов Резерфорда было известно, что силы, связывающие частицы в ядро, действуют на крайне малых расстояниях, порядка 10^-13 см. На основе этих данных японский физик Юкава сделал предположение, что существуют короткоживущие частицы, обеспечивающие данное взаимодействие. Согласно его теории, данные частицы должны были иметь промежуточную массу между массами протона и электрона.

Вскоре в космическом излучении были обнаружены частицы с массой, равной 200 массам электронов. Эти частицы были названы μ-мезонами(или мюонами). Позже были обнаружены и π-мезоны(или пионы), в отличие от предыдущих активно взаимодействующие с ядрами. Именно они считаются ответственными за внутриядерные взаимодействия.

Возникла необходимость в искусственном получении мезонов для проведения дальнейших исследований. Но для этого требовались энергии, которые ещё не были достигнуты.

И вот, в 1944 году, советский физик Векслер открыл явление автофазировки, решившее существующие проблемы с получением частиц высоких энергий.

Проблема старых ускорителей состояла в том, что слишком сильно разогнавшиеся частицы переставали попадать в фазу во время пролета через щель, в результате чего становился невозможным дальнейший разгон частиц.

А что, если есть возможность во время ускорения плавно увеличивать период высокой частоты? 

Тогда в огромном множестве ускоряемых ионов найдутся те, для которых увеличение собственного периода вращения будет таким же, как и увеличение периода частоты. Резонанс не будет нарушен и эти частицы будут продолжать ускоряться. 

Но ведь таких частиц ничтожно мало? Да, но это не играет решающего значения. В соответствии с новым открытием, не только эти частицы (называемые равновесными) будут набирать скорость. Остальные частицы с близким к равновесному уровнем энергии также будут ускоряться.

Например, у нас есть частица с чуть меньшим уровнем энергии. Тогда она подойдет к щели чуть раньше, когда там более высокий уровень напряжения и получит чуть больший прирост энергии. И так, постепенно, оборот за оборотом, она «нагонит» своих равновесных товарищей. Но частица не остановится в своем наборе энергии и начнет приобретать большую энергию. И когда она «обгонит» уровень равновесной энергии, она точно таким же образом начнет замедляться.

То есть частицы колеблются около нужной фазы, и размах этих колебаний уменьшается с увеличением энергии частиц. Они «автоматически» выбирают нужную им для ускорения фазу.

Благодаря автофазировке все ускоряемые частицы могут постепенно дойти до необходимого уровня энергии.

Был установлен и другой способ использования данного явления. Можно оставить электрическое поле без изменений и применять растущее магнитное поле для получения того же самого эффекта.

На основе этого эффекта были созданы новые методы ускорения частиц.

Фазотрон и синхротрон

Фазотрон – прямой потомок циклотрона. Он состоит из увеличенного электромагнита, высокочастотного генератора и вакуумной камеры. Аналогично своему предку, он начинает разгон от центра магнита. Во время «впрыска» частиц частота (напомним, что частота обратно пропорциональна периоду) поля близка к максимальной и соответствует нулевой скорости ионов. По мере ускорения, частота понижается до минимального значения, соответствующего максимальной энергии ионов. Чуть раньше этого момента разогнанные частицы либо попадают в мишень, либо выводятся наружу. После этого частота повышается обратно и начинается новый цикл.

В отличие от циклотрона, фазотрон как правило использует один дуант, вторым же электродом является заземлённая камера. Для изменения частоты поля используют присоединённый к дуанту конденсатор переменной ёмкости с вращающейся обкладкой. Высокочастотный генератор, связанный с таким контуром, создаёт колебания, равные собственной частоте контура.

Увы, частота возможных проведений экспериментов на фазотроне многократно уступает частоте использования циклотрона в силу того, что ввод ионов производится одномоментно и в куда более короткое временное окно. До окончания цикла не имеет смысла добавлять новые ионы – они просто не будут разгоняться.

Также новой проблемой стал вывод пучка из разгонной камеры. Использовать отклоняющий электрод не получалось – слишком узкий шаг спирали. Но проблема была решена изящно – в нужный момент создаются неоднородности в магнитном поле, которые выбрасывают частицы в специальное окошко. Таким образом выводится порядка 8% всех протонов.

Повысились и требования к безопасности – фазотроны окружены намного более толстыми бетонными стенами, чем циклотроны, чтобы  защитить персонал от излучения: протоны, попадая в вещество, порождают в большом количестве нейтроны и γ-лучи. 

Протоны и нейтроны выводятся через узкие каналы, а образующиеся в бериллиевом экране мезоны выводятся в специальную мезонную лабораторию через отверстия в магните.

На фазотронах было обнаружено, что нейтрон и протон на самом деле являются как бы состояниями одной и той же частицы – нуклона. За исключением явлений, где играет роль заряд протона, они ведут себя абсолютно одинаково.

На основе автофазировки был создан и другой ускоритель – синхротрон. 

В синхротроне происходит ускорение электронов. Аналогично бетатрону, магнит служит для создания переменного магнитного поля, но теперь оно требуется только в кольцевой области вблизи орбиты электронов и выполняет задачу управления движением электронов по кругу.

Ускорение электронов происходит за счет электрического поля высокой частоты. Оно создается в специальном резонаторе, являющимся частью ускорительной камеры. Резонатор питается от генератора с длиной волны, равной длине окружности, по которой двигаются электроны. И каждый раз, проходя мимо щели резонатора, электроны получают дополнительную порцию энергии. Конечно же, при этом частота обращения электронов, то есть и их скорость должны быть неизменны.

Но как этого добиться?

Известно, что уже при скорости в 2-3 МэВ электроны становятся очень близки по скорости к скорости света. Соответственно, необходимо перед началом ускорения придать электронам эту энергию, чтобы дальнейшее изменение скорости было достаточно небольшим, чтобы им пренебречь.

Как правило, для получения электронов такой энергии используется бетатронный запуск – внутрь магнита помещают стальной сердечник, создающий ускоряющее магнитное поле. К моменту его насыщения электроны успевают разогнаться и до следующего цикла сердечник не играет роли.

Есть два способа вывода электронов для удара по мишени – нарастить магнитное поле, чтобы частицы уменьшили радиус витка и вылетели в нужное место, или же наоборот – сбросить магнитное поле и тогда электроны полетят вовне.

Синхротроны строятся огромных размеров и энергий (составляющих гигаэлектронвольты). Рост энергии, в отличие от бетатрона, не ограничен потерями на излучение, так как электроны в таком случае начинают забирать энергию у электрического поля (что, разумеется, требует на ускоряющей щели достаточную разность потенциалов).

Синхротроны используются в исследованиях, требующих интенсивного γ-излучения. Спектр опытов, выполняемых при помощи синхротрона, очень велик – от исследования ядерных превращений до установления сложных кристаллических структур.

Второе рождение

Линейные ускорители, сдвинутые на задний план, снова стали актуальны с появлением техники, способной давать короткие и ультракороткие волны. Стало возможным получение на простых линейных ускорителях частиц высоких энергий. Также и эффект автофазировки нашел свое применение в этой конструкции.

Чем хорош линейный ускоритель? Его конструкция проста, и на нем отлично получаются интенсивные пучки частиц. Нет сложности при выводе пучка в сторону мишени, как на циклических ускорителях.

В новых линейных ускорителях генератор создает стоячую электромагнитную волну. Электрическое поле волны направляется вдоль оси установки, где установлены пролетные трубки увеличивающейся длины.

Как работает автофазировка в линейном ускорителе?
Пусть частица имеет слишком низкую энергию. Тогда она пройдет ускоряющий зазор в момент большего напряжения и до следующего зазора долетит быстрее и попадет уже в более слабое поле. Как итог – фаза будет совершать устойчивые колебания вокруг равновесного значения. Отличие от циклических установок лишь в том, что автофазировка осуществляется при нарастании, а не спадании электрического поля в зазоре.

Но возникает другая проблема – при таком режиме автофазировки будет происходить расфокусировка пучка. Есть решения и на такой случай. На каждый вход пролетной трубки надевается металлическая сетка, искажающая электрическое поле так, что усиливается его фокусирующее воздействие. К сожалению, при использовании сеток сильно падает интенсивность пучка. Есть и иные способы фокусировки пучка, например электростатические линзы.

Синхрофазотрон

Увы, есть довольно весомые причины, почему фазотрон не может дать высоких энергий для тяжелых ионов. Требуемый вес магнита фазотрона увеличивается пропорционально кубу энергии. И фазотрон хотя бы на 3 ГэВ будет требовать уже массы магнита в 300 000 тонн. 

Возникает мысль: а почему бы не использовать подход как в синхротроне – ускорять частицы не по спирали, а по узкой дорожке? 

Увы, если электроны способны двигаться по узкой дорожке в силу начальной скорости, близкой к скорости света, то тяжелые частицы стартуют с более низких скоростей и радиус их орбиты сильно изменяется.

Если же зафиксировать радиус орбиты, то будет расти частота их обращения, что требует в процессе увеличения частоты ускоряющего электрического поля. 

Ускорители, сочетающие в себе увеличение магнитного поля с увеличением частоты электрического поля были названы синхрофазотронами.

Технически это гораздо более сложное устройство, ведь частота электрического поля теперь должна строго равняться частоте обращения частиц, иначе их энергия начнет падать, орбита сужаться и они упадут на внутреннюю стенку ускорителя.

Понятно, что следить за полетом частиц несколько проблематично. Но, благодаря эффекту автофазировки, можно отслеживать скорость ионов по изменениям магнитного поля. 

Сейчас самые высокоэнергетические частицы, за исключением коллайдерных установок, получают как раз на синхрофазотронах. Первые из них уже давали энергию в 3 ГэВ.

Электромагнит ускорителя разделен на четыре секторных отрезка, между которыми имеются прямоугольные разгонные участки. В первую очередь это сделано для облегчения впрыска частиц, ведь они предварительно разгоняются в линейном ускорителе для уменьшения необходимого диапазона изменения частот.

Особняком стоит решение проблемы очень точного впрыска частиц, ведь они должны попасть в кольцо ускорителя в положенный момент, и даже ошибка в миллионные доли секунды приведет к завороту частиц прямо в стенку разгонной камеры. Аналогично строгие требования и к углу запуска пучка частиц.

Постройка нового ускорителя предваряется сложнейшими теоретическими расчетами. Поведение частиц очень сложно описывается, ведь там существует три типа колебаний, каждое со своей частотой, и все они влияют на оптимальные для впуска частиц условия. Для движения частиц по выделенной дорожке требуется точность выполнения магнита до долей миллиметра. И даже так приходится использовать корректирующие обмотки, компенсирующие искажения, вызванные остаточным магнетизмом и насыщением стали магнитным полем.

Система энергоснабжения тоже устроена довольно сложно. Требуется где-то запасать энергию для создания импульса в электромагните и куда-то расходовать ее излишки. Например в Дубне для этого используются огромные механические маховики.

На синхрофазотронах было совершено множество крупных открытий. Дирак предположил существование позитрона, и он был обнаружен ещё до появления синхрофазотронов. Впоследствии его теория была расширена и на более тяжелые частицы. Но для их обнаружения требовались энергии в размере нескольких ГэВ, что стало возможным лишь при появлении установок нового типа. Сначала был открыт антипротон, а позже и антинейтрон.

При помощи ранее упомянутых линейных ускорителей удалось установить распределение заряда на протоне и ядрах атомов.

VIII. Вперед и вверх!

В дальнейшем были найдены более эффективные методы фокусировки частиц, уменьшилась масса магнитов, но возросли требования к точности сборки ускоряющих установок. Были построены установки на десятки ГэВ.

Еще в 40-х годах уже известный нам Видероэ предложил идею ускорителей на встречных пучках для изучения элементарных частиц. Керст предложил использовать пучки протонов, а Джерард О’Нил придумал использование накопительных колец для создания интенсивных пучков. Так началась история коллайдеров. 

Первые коллайдеры строились в лабораториях Фраскати, SLAC, ИЯФ. Первым заработал электрон-позитронный коллайдер в Италии, но первые результаты запоздали на год по сравнению с установкой ВЭП-1 в СССР.

Настала эпоха адронных коллайдеров – в 1971 году был построен протонный синхротрон ISR в ЦЕРНе, имевший энергию в 32 ГэВ на пучке. Был даже линейный коллайдер – SLC, закончивший работу в 1998 году.

В настоящее время в мире действует 6 коллайдеров. Два из них в России, по одному в Китае, Италии и США и один международный – Большой Адронный Коллайдер. На последнем был открыт бозон Хиггса. Еще семь коллайдеров находятся на стадии проектирования.

Современные коллайдеры способны разгонять не только элементарные частицы, но и ядра тяжелых металлов.

Переходите в наш телеграм-канал.

Читайте также о физике частиц.

Список литературы

[1] Э. Ферми, Лекции по атомной физике, ИЛ, 1952.
[2] Г. Бете и Ф. Моррисон, Элементарная теория ядра, ИЛ, 1958.
[3] М. Ливингстон, Ускорители, ИЛ, 1956.
[4] В. Векслер, Ускорители заряженных частиц, Изд-во АН СССР, 1956.

Источники изображений

Изображения взяты из открытых источников и используются вобразовательных целях
[5] Д.А. Сабуров. Использование изображения со ссылкой на действующий сайт интернет-журнала "Стройка Века". На момент публикации:
https://stroikaveka.org/
[6] CERN Document Server [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://cds.cern.ch/record/1211045
[7] https://commons.wikimedia.org/ [Электронный ресурс]. – Режим до-ступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоактивные ряды
[8] https://commons.wikimedia.org [Электронный ресурс]. – Режим до-ступа: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Az első magyar gyorsítóVan de Graaff-generátora(2).jpg
[9] Zátonyi Sándor. Az első magyar gyorsító Van de Graaff-generátora. 16 июня 2007 г. Wikimedia Commons. CC-BY-SA 3.
[10] Электронная библиотека история Росатома [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elib.biblioatom.ru/text/uskoriteli_1962/go,224/