Хронологія ядерної фізики та фізики елементарних частинок

Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/nuc_timeline.html

1853 — Довгий час вважалося, що Землі не більше кількох десятків тисяч років. Однак, починаючи з 1820-х років, багато геологів і біологів прийшли до думки, що Земля набагато старша, ніж вважалося раніше, можливо, на сотні мільйонів років. (У першому виданні «Походження видів» Дарвін оцінює вік Землі в 300 мільйонів років). Ці оцінки ґрунтуються на підвищенні усвідомлення того, наскільки повільно відбуваються геологічні та біологічні процеси, такі як ерозія чи еволюція, і, отже, наскільки величезна давність Земля повинна їх вмістити.

Видатний фізик Вільям Томпсон (також відомий як Лорд Кельвін - на його честь названі градуси Кельвіна) категорично виступає проти еволюції. Він починає збирати теоретичні докази проти Дарвіна. Він виконує класичні термодинамічні розрахунки, які доводять, що якби Земля була такою ж старою, як стверджують Дарвін та інші, то вона давно б охолола до інертної породи, і жодна геологічна діяльність, така як вулканізм чи джерела гарячої води, була б неможливою. Невдовзі до боротьби приєднуються й інші фізики. Герман Гельмгольц, який лише шістьма роками раніше проголосив принцип обміну енергією, обчислює, скільки тепла випромінює Сонце, якщо його енергія надходить від повільного стиснення, таким чином перетворюючи гравітаційну потенційну енергію в тепло. Він обчислює вік лише 18 мільйонів років.

Величезний розрив між геологією та біологією з одного боку та теоретичною фізикою з іншого (що стосується оцінки віку Землі) триватиме 50 років. Перед обличчям жорсткої критики з боку поважних фізиків Дарвін видаляє всі згадки про будь-який конкретний вік Землі в пізніших виданнях «Походження видів».

1896 — Анрі Беккерель, французький фізик, читає про експерименти Вільяма Рентгена з рентгенівськими променями і дізнається, що вони можуть викликати флуоресценцію певних матеріалів. (Технічна примітка. Рентгенівські промені були лише захоплюючими спектральними лініями у флуоресцентних матеріалах, таких як газові трубки, які я показую в класі, за винятком рентгенівських променів замість електрики).

Беккерель задається питанням, чи випромінюють фосфоресцентні матеріали рентгенівське випромінювання, коли вони світяться? (Технічна примітка. Вони цього не роблять). Щоб перевірити свою ідею, Беккерель отримує деякі матеріали, які світяться під дією світла, як ті чарівні кільця-декодери, які вони досі кладуть у коробки з пластівцями. Він проводить кілька експериментів, під час яких спочатку виставляє матеріали на сонце, щоб вони почали світитися, а потім кладе їх на фотопластинку, загорнуту в чорний папір, щоб перевірити, чи випромінюють вони рентгенівські промені. Беккерель отримує деякі позитивні результати, а деякі негативні, що вводить в оману.

Одного разу, коли хмарно, він кладе один із мінералів, які дають йому позитивні результати, у шухляду з неекспонованою фотопластинкою, а потім із примхи вирішує її проявити, очікуючи побачити лише слабкий контур відтоді, як Сонце було такий тьмяний той день. Натомість він випадково виявляє, що пластина повністю затуманилася, хоча мінерал майже не піддавався впливу світла й не світився! Мінерал виявляється уранілдисульфатом калію, і Беккерель зрештою виявляє, що уран у цій сполукі є чарівним інгредієнтом. Усі сполуки, що містять уран, запотівають фотопластинку; сполук без урану не буде. Тому Беккерель називає нове випромінювання «урановими променями».

Технічна примітка. Властивість, через яку деякі сполуки «світяться в темряві» після впливу світла, пов’язана з їхньою молекулярною структурою і не має нічого спільного ні з рентгенівськими променями, ні з радіоактивністю. Коротше кажучи, деякі молекули демонструють помітну «часову затримку» між моментом, коли вони збуджуються вхідним світлом, і моментом, коли вони випромінюють свої молекулярні спектральні лінії. Замість того, щоб миттєво вивільнити всю свою накопичену енергію та згаснути після припинення живлення, як це робить неонова вивіска, фосфоресцентні матеріали обережно вивільняють свою енергію протягом деякого часу після припинення подразника. Те, що Беккерель використовував сполуку, що «світиться в темряві», яка містила уран, була абсолютною випадковістю.

1897 – Ернест Резерфорд, фізик родом із Нової Зеландії, але працював у Канаді, досліджував «уранові промені» Беккереля та виявив, що насправді вони є сумішшю двох компонентів: дуже важкого компонента, який легко поглинається речовиною та має позитивний заряд; і набагато легший, більш проникаючий компонент, який не так легко поглинається і має негативний заряд. Резерфорд називає ці компоненти і за першими двома літерами грецького алфавіту.

1898 — П’єр і Марія Кюрі, двоє французьких фізиків, які вивчали «уранові промені» Беккереля, виявили, що торій також випромінює «уранові промені». Вони пропонують новий термін «радіоактивність» для опису елементів, які мають властивість випромінювати промені. Працюючи зі зразками смоляної суміші, вони виділяють і відкривають два нові елементи, які є набагато більш радіоактивними, ніж уран: подружжя Кюрі називають їх полонієм (на честь батьківщини Марі, Польщі) та радієм (через його високу радіоактивність).

1899 — французький хімік Андре Деб’єрн, близький друг подружжя Кюрі, виділив ще один радіоактивний елемент із настирової обманки. Він називає це actinium, після грецького слова, що означає промінь.

Беккерель, який продовжував вивчати «уранові промені», розуміє, що b -частинки Резерфорда настільки схожі на електрони, що вони повинні бути електронами, хоча й електронами дуже високої енергії.

Французький фізик Поль Віллар виявив, що уран виділяє ще третій компонент, на який не впливають магніти і тому він, очевидно, не заряджений. Вони значно проникливіші, ніж -частинки або -частинки, і Віллар називає їх (передбачувано) -променями, після третьої літери грецького алфавіту. Вілард підозрює, що -промені є електромагнітним випромінюванням неймовірно короткої довжини хвилі, навіть коротшої за рентгенівські промені. (Він має рацію).

Технічна примітка. Ми все ще використовуємо терміни « -частинки», « -частинки» та « -промені» для позначення трьох форм випромінювання, хоча ми знаємо, що - та -частинки насправді є просто ядрами гелію (два протони та два нейтрони) і електрони відповідно.

1901 – подружжя Кюрі виміряло енергію, яку виділяють радіоактивні елементи, і виявило, що один грам радію виділяє неймовірну кількість 140 калорій на годину. Наскільки вони можуть судити, ця енергія просто чарівним чином триває і продовжується, не зменшуючись, місяць за місяцем. Радій, здається, ніяк не змінюється. Звідки вся ця енергія? Чи порушується принцип збереження енергії?

1903 – Ернест Резерфорд першим усвідомив, що давню суперечку про вік Землі між біологами та геологами, з одного боку, та фізиками, з іншого, можна вирішити, якщо припустити, що всередині Землі міститься невелика сліди радіоактивних елементів. Величезна маса Землі та низька теплопровідність кам’янистих матеріалів, які в основному її складають, означають, що навіть невеликого надходження тепла буде достатньо, щоб підтримувати її геологічно активну набагато довше, ніж час, розрахований Вільямом Томпсоном (який, звичайно, припускав, що надра Землі абсолютно інертні). Резерфорд висуває гіпотезу про те, що (очевидно, невичерпна) енергія, яку виробляють радіоактивні руди, насправді є саме цим джерелом тепла, таким чином підтримуючи біологів і геологів щодо віку Землі.

Дійсно, лише за кілька років Резерфорд та інші фізики, які досліджують радіоактивні руди, приходять до висновку (на основі дуже довгих періодів напіврозпаду деяких знайдених ними ізотопів), що вік Землі цілком може становити мільярди років, а не просто сотні мільйонів. (Вони мають рацію — наразі прийняте значення віку Землі становить приблизно 4,2 мільярда років).

1906 - Резерфорд відкриває, що -частинки, коли вони зупиняються всередині контейнера, стають атомами гелію. Іншими словами, -частинка складається з двох протонів і двох нейтронів (які є ядром атома гелію), що рухаються з високою швидкістю. Якщо і коли -частинка сповільнюється і звідкись захоплює пару електронів, її можна впізнати як звичайний гелій.

Дуже висока швидкість ядер гелію та висока швидкість електронів ( променів), що випромінюються радіоактивними елементами, а також випромінюване електромагнітне випромінювання високої енергії та вимірювання тепла Кюрі вказують на те, що щось відбувається в ці елементи справді дуже енергійні. Але що? Резерфорд не усвідомлює, що відповідь уже була опублікована Ейнштейном у 1905 році (опосередковано) у формі E = mc 2.

1909 — Юджин Марсден і Ганс Гейгер — два аспіранти, які працюють з Ернестом Резерфордом у Манчестері, Англія, куди Резерфорд переїхав. Вони проводять серію експериментів, у яких -частинки вбивають у золоту фольгу. Всупереч очікуванням, більшість -частинок проходять крізь золото, ніби його там не було, але деякі відхиляються під великими кутами, а дуже небагато навіть повертаються і відскакують прямо назад, ніби вони вдарилися об непроникний бар'єр. Це спонукає Резерфорда запропонувати модель атома «сонячної системи», в якій атом, по суті, є порожнім простором, але має дуже маленьке і неймовірно щільне ядро. (Додаткову інформацію дивіться в часовій шкалі квантової механіки).

1913 - британський хімік Фредерік Содді та американський хімік Теодор Річардс з'ясували концепцію атомної ваги. У міру того, як люди продовжували вивчати радіоактивність, ставало все більш очевидним, що існує безліч різновидів елементів. Наприклад, існують як радіоактивні, так і нерадіоактивні варіанти вуглецю. Содді та Річардс доводять, що різниця полягає у вазі атомного ядра – можуть існувати різні версії одного елемента з різною вагою. Різні версії охрещені ізотопами, від грецьких слів, що означають «те саме місце».

Технічна примітка. Хімічні властивості елемента визначаються виключно кількістю протонів у ядрі, оскільки саме позитивно заряджені протони взаємодіють з електронною хмарою навколо ядра, і саме електронна хмара створює хімію. Ядра також можуть містити нейтрони, які мають приблизно таку саму масу, як і протони, але не мають заряду. Таким чином, нейтрони можуть впливати на вагу ядра та його радіоактивні властивості, але не впливають на його хімічні властивості.

1915 — американський хімік Вільям Харкінс зауважив, що маса атома гелію насправді не в чотири рази більша за масу протона. Це трохи менше. Він стверджує, що надлишкову масу було перетворено в енергію через Ейнштейна E = mc 2 і що це джерело ядерної енергії.

1919 - Резерфорд, який все ще наполегливо працював, бомбардуючи речі -частинками (див. 1897, 1906, 1909), зумів змусити -частинку (тобто ядро ​​гелію) прореагувати з ядром азоту з утворенням протона (тобто ядра водню) і ядро ​​кисню. Резерфорд здійснив першу ядерну реакцію, створену людиною. Крім того, це робить його першою людиною в історії, яка змінила один елемент на інший.

1930 – британський фізик Пол Дірак намагається поєднати теорію відносності та квантову механіку. Йому це вдається, і внаслідок цього релятивістське квантове рівняння називають рівнянням Дірака. Він зауважує, що його рівняння передбачає існування «негативних» станів для електрона та протона, і таким чином він передбачає існування антиматерії.

1931 рік - більше десятиліття фізики боролися з дуже загадковою проблемою з -випромінюванням. Електрони, випущені при -розпаді, не завжди мають однакову кінетичну енергію, на відміну від частинок, випущених під час -розпаду. Швидше, електрони виходять із розподілом енергій у вигляді дзвонової кривої, що означає, що (1) енергія, очевидно, не зберігається, і (2) кількість відсутньої енергії змінюється певним ймовірним чином. Схоже, що частина ядерної енергії, що живить розпад, спрямовується кудись, крім емітованого електрона. Але де? Робляться ретельні спроби виявити тепло або електромагнітне випромінювання, що надходить від зразків, але всі зусилля марні. Кілька фізиків починають серйозно замислюватися, чи можливо-розпад справді порушує принцип збереження енергії, і Нільс Бор заходить так далеко, що розробляє можливий сценарій того, як енергія Сонця може генеруватися в результаті масового незбереження енергії в результаті -розпадів .

Німецький фізик Вольфганг Паулі та італійський фізик Енріко Фермі припускають, що b -розпад утворює дві частинки, які мають спільну кінетичну енергію: електрон і невидиму частинку, яку Фермі називає нейтрино, що з італійської означає «маленький нейтральний». Вважається, що частинка дуже легка, а також нейтральна, що дозволяє їй настільки легко проникати в матерію, що її майже неможливо виявити.

1932 — англійський фізик Джеймс Чедвік бомбардував берилій a -частинками, щоб вибити вільні нейтрони, і таким чином став першим фізиком, який безпосередньо виявив нейтрони.

1932 – американський фізик Карл Андерсон, вивчаючи космічні промені, помітив на своїх фотопластинках деякі доріжки, які виглядають точно так само, як доріжки електронів, за винятком того, що вони викривляються в неправильному напрямку. Він розуміє, що відкрив позитивно заряджений електрон, тобто антиелектрон, передбачений Діраком. Андерсон називає нову частинку позитроном.

Технічна примітка. Електрони та позитрони абсолютно однакові, за винятком того, що вони мають протилежні заряди та протилежні квантові числа. Це і ще одна дрібниця. Якщо електрон і позитрон торкаються, вони миттєво знищують один одного в спалаху g -випромінювання. Іншими словами, вони обидва перетворюються на чисту енергію. Ось чому позитрони живуть недовго після їх створення.

Примітка Star Trek. Усі частинки мають античастинки, тому існують також негативно заряджені антипротони тощо. Зіркові кораблі Федерації нібито живляться реакціями матерія-антиматерія, тому, ймовірно, вони завжди так вражаюче вибухають. Якщо Джорді дозволить своїй антиматерії вилитися з магнітного контейнера, у нього великі проблеми.

1934 — Фредерік Жоліо та його дружина Ірен Кюрі, донька Марії Кюрі, бомбардували алюміній α -частинками, щоб отримати фосфор-30, перший штучно радіоактивний елемент.

1935 - японський фізик Хідекі Юкаваприпускає, що нейтрони і протони в атомних ядрах утримуються разом надзвичайно потужною силою, яку він називає сильною силою. Працюючи з теорією Дірака, він усвідомлює, що фундаментальні сили повинні переноситися квантами, тобто вони не можуть існувати як класичні «лінії» сили. Єдиний спосіб існування таких квантів і сумісність із класичною фізикою полягає в тому, що вони «крадуть» свою енергію, з’являючись і зникаючи так швидко, що збереження енергії не порушується, оскільки воно маскується принципом невизначеності Гейзенберга. (Іншими словами, принцип невизначеності застосовується навіть до порожнього простору - як ви знаєте, що він справді "порожній", коли Принцип не дозволяє вам точно виміряти його енергію?) Юкава передбачає, що сильну силу «переносить» те, що він називає «обмінною частинкою». Виходячи з відомих розмірів атомів і припускаючи, що обмінна частинка зазвичай рухається зі швидкістю світла, він обчислює, що її маса повинна приблизно в 200 разів перевищувати масу електрона.

1938 - Зараз загальновизнано, що розрахунок, зроблений Германом Гельмгольцом понад 60 років тому, який встановив вік Сонця близько 18 мільйонів років, далекий від позначки з тієї ж причини, що й обчислення віку Землі Томпсона. було так далеко: і Земля, і Сонце мають ядерні джерела енергії. Але залишається питання: як ядерна енергія живить Сонце? Його величезний енергетичний вихід занадто великий, щоб бути створеним слідами радіоактивних елементів, як на Землі.

Німецько-американський фізик Ганс Бете докладно розраховує, як ядерний синтез, а не ядерний поділ, може живити Сонце. Він виводить послідовність із трьох кроків, яку ми тепер називаємо протон-протонним ланцюгом:

1. Два протони стикаються настільки сильно, що відбувається ядерне перетворення. Один із протонів перетворюється на нейтрон і зливається з іншим протоном, утворюючи дейтрон, тобто «важкий» водень 2 Н. Для збереження заряду та лептонного числа випромінюються антиелектрон і нейтрино. Нейтрино втікає від Сонця, але антиелектрон негайно ангілює з електроном, вивільняючи енергію.
2. Дейтрон стикається з протоном високої енергії, і обидва зливаються, утворюючи 3 He. Маса 3 He трохи менша, ніж маса 2 H і протона окремо, і надлишкова маса перетворюється на гамма-промені високої енергії.
3. Два енергійних атома 3 He стикаються, і в отриманій наноядерній вогняній кулі виникають a -частинка (атом 4He) і два протони. . Різниця в масах до і після зіткнення є значною: виділяється приблизно вдвічі більше енергії, ніж на перших двох кроках разом. Енергія проявляється насамперед у кінетичній енергії побічних продуктів, тобто у вигляді тепла.
4. Чистий ефект ланцюжка полягає в тому, що чотири атоми водню були перетворені в один атом гелію, і 0,7% початкової маси водню було перетворено в енергію. Це відповідає 175 мільйонам кіловат-годин енергії з кожного кілограма водню.

1938 — австрійські фізики Отто Ган і Ліза Мейтнер бомбардували уран нейтронами й відкрили поділ ядер. Коротше кажучи, уран — це дуже великий атом із понад 230 протонами та нейтронами, тому вдар по ньому нейтронною «кулею» може призвести до розколу навпіл. Мейтнер, яка є єврейкою, тікає до Швеції, коли Німеччина вторгається в Австрію, і готує статтю за допомогою свого племінника, фізика Отто Фріша. Фріш розповідає Бору (див. 1913) про статтю, який, у свою чергу, поширює інформацію в США під час конференції, що відбулася в січні 1939 року.

1939 — угорський фізик Лео Сілард, який втік із окупованої нацистами Європи до США, дізнався про ядерний поділ і зрозумів, що його можна використати для ланцюгової реакції. Він негайно починає кампанію, щоб переконати американських вчених, що вони повинні добровільно зберігати свої ядерні дослідження в таємниці, щоб нацисти не могли з них навчитися. Він багато в чому успішний.

1940 - американські фізики Едвін Макміллан і Філіп Абельсон бомбардували уран нейтронами для отримання плутонію. Уран — елемент під номером 92, а плутоній — елемент під номером 93, тому Макміллан і Абельсон є першими фізиками, які створили новий елемент. У своїх зусиллях із виділення плутонію Абельсон починає розробляти методи відділення рідкісних радіоактивних ізотопів від їх більш звичайних побратимів. Він зробив перший крок до виробництва збагаченого урану.

1941 – Частково у відповідь на лист, підписаний Альбертом Ейнштейном та іншими видатними фізиками, який попереджав про небезпеку, якщо нацистська Німеччина виявить ядерний поділ, президент Франклін Д. Рузвельт підписує секретний наказ, який розпочинає Манхеттенський проект.

1942 - Енріко Фермі(див. 1931), який на той час втік із фашистської Італії до США, призначений головним вченим, відповідальним за створення ланцюгової реакції Манхеттенського проекту. Працюючи в секретній лабораторії, розташованій під трибунами футбольного стадіону Чиказького університету, Фермі та його команда будують першу в світі ядерну купу (названу так, тому що це буквально величезна купа ретельно складених блоків урану, графіту та кадмію). О 15:45 2 грудня допускається критичний стан лише на кілька секунд, що свідчить про можливість практичного використання ядерної енергії. З міркувань безпеки троє молодих фізиків стоять на риштуваннях над купою з відрами води, що містить розчинені солі кадмію — їм кажуть, що вони повинні вилити свою воду в купу, якщо реактор почне реакцію витоку.

1945 - 16 липня, незадовго до світанку, перша в світі атомна бомба була підірвана на випробувальному полігоні в пустелі в 60 милях на північний захід від Аламогордо, Нью-Мексико. Фермі миттєво оцінює його потужність, підкидаючи кілька шматочків паперу в повітря під час займання, а потім спостерігаючи, наскільки далеко їх розносить вибух. (Фермі був приблизно в 10 милях від нуля). Ця подія сталася після трьох років шаленої праці на секретних об’єктах, розташованих у Хенфорді, штат Вашингтон; Оук-Рідж, Теннессі; і Лос-Аламос, Нью-Мексико.

Лише через місяць атомні бомби майже знищили Хіросіму та Нагасакі, убивши понад 100 000 людей. Японська імперія капітулює незабаром після цього. (На фото зображено Нагасакі, Японія, 9 серпня 1945 року).