Скажу честно, снова планировал текст по БелАЭС….да вот шота пошло не так….
Внимание! Данный текст про историю ядерной физики, и по средствам рассказа о истории повествует о вещах которые все считают элементарными (считают и понимают конечно же разные вещи). Если вы не настроены на МНОГАБУКАВ, лучше закройте страницу.

Начало можно почитать тут: Х-лучи или ядерная эра….самое начало
На чём остановился.
На том, что в 1895 году открыли новый тип электромагнитного излучения, это был без 5-ти минут прорыв в медицине. Но тогда все больше поражались удивительной проникающей способностью открытых Х-лучей. И в самом деле, фотопластинки засвечивались даже через простейшие деревянные и небольшие металлические преграды.

У некоторых возникали вопросы, не является ли новое излучение опасным для человека?
К несчастью у учёных всё ещё не было нужного количества данных об новом явлении.

Помните из прошлой части нашего рассказа, что Рентген когда включал свою новороченную катодную трубку (прообраз аппарата названного в его честь), то всякий раз светился кусок картона покрытый тетрацианоплатинатом бария. Обычный люминоформ, вещество которое светится в ультрофиолете, а это ещё и в рентгеновских лучах. Во Франции в то время жил один товарисчь, назовём его Анри Беккерель, помимо прочего он занимался и люминофорами. У него появилась теория что всякая люминесценция сопровождается рентгеновскими лучами (хотя быть может идея принадлежала знаменитому математику Пуанкаре, а Беккерель только решил это проверить, но в дебри не полезем).
В те времена не было ни счётчиков гейгера, ни дозиметров на их основе, и радиоактивные лучи можно было заметить только по засвету фотопластинок. Вот и Беккерель начал тащить в лабораторию всё что плохо лежит светиться в темноте.

Эксперимент
Фосфорные игрушки. Все мы (ну или почти все) в детстве встречались с такой штукой.

Если положить на солнце, так сказать “подзарядить”, то потом такая штуковина начинала светиться в темноте.
То что для нас было обычным баловством, для Беккереля было исследовательской работой которой он посвятил многие годы.
Искомые объекты (фосфор, соли урана, и т.д.) помещались на некоторое время на яркий солнечный свет, затем заворачивались (каждый по отдельности) в чёрную непрозрачную бумагу и складировались в тёмном шкафу на фотопластинки (тоже завёрнутые в максимально тёмную бумагу). Всё это оставлялось на некоторое время в наглухо закрытом шкафу.
Проверяя результаты эксперимента Беккерель понял что теория ошибочна. Фосфор светясь не выделял никакого рентгеновского излучения, хотя по факту весело поблёскивал радуя глаз. Но вот соли урана вообще не светились видимым светом, зато оставили яркий след на фотопластинке. И Беккерель понял, что они светятся, вот только излучение не видно глазу. На дворе кстать было 1 марта 1896 года.
В конце концов Беккерель решил повторить опыт Рентгена с чьейто рукой (насчёт руки я правда вроде переврал). Правда вместо руки был металлический крестик, да и уран вместо катодной трубки… Правда контуры крестика всё равно отпечатались на фотопластинке.

Но шота с урановыми лучами было не то, они проникали сквозь преграды уж как то не по рентгеновски. Преграды которые запросто бы остановили рентгеновский луч, урановым лучам были нипочём.
Беккерель обнаружил ещё то, что излучение производит именно уран а не какое ни будь его соединение. И чем больше урана, тем интенсивнее излучение. Так в мировой науке громко «засветилось» слово Уран. Элемент который по непонятной причине выделяет огромное количество энергии в виде невидимых глазу лучей.
В процессе своих работ Беккерель частенько общался с Марией и Пьером Кюри (ну т.е. он предложил Пьеру Кюри проверить люминофоры на предмет мельчайших примесей, которых собственно и не нашлось), которые подхватив идею (Мария Кюри как раз подыскивала тему для докторской диссертации…а тут непаханое поле радиоактивности) быстренько обнаружили что Торий тоже радиоактивен (1898 год). А после чего по радиоактивным следам в разных породах руд, открыли элементы полоний и радий.

Опасность новых веществ
Беккереля всё же больше интересовали люминофоры как вещества которые светятся видимым светом. Он отошёл от дальнейшего исследования радиоактивности, но т.к. он был ещё и лектором в университете, о радиоактивности иногда всё же вспоминал на своих лекциях. И вот однажды для более наглядного проведения лекции решил при всех устроить опыт с засветом фотопластинки (или что-то типа того). Пошёл к супругам Кюри, и попросил чего-нить едрёного (что б не ждать «засвета» 2 дня, а обойтись часиком-другим). Те дали ему какую-то бадягу в пробирке, и Беккерель положил её в карман своей жилетки. После лекции положил пробирку в тот же карман, и вечером вернул пробирку владельцам. Утром Беккерель обнаружил у себя на теле покраснение кожи по форме очень напоминающее пробирку (и была она естественно в том месте, где накануне вечером в кармане была пробирка с едрёной радиоактивной бадягой).
Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности. Пьер Кюри предположил что не всё так и «безопасно» с этой радиоактивностью.
Да, кстать сам термин «радиоактивность» народная молва приписывает Марии Кюри.
В 1903 году Нобелевскую премию за открытие радиоактивности присудили всей компашке.


Радиоактивное превращение
Ещё в 1903 году Пьер Кюри заметил, что 1 грамм чистого радия выделяет 135 калорий в час. И через неделю он всё равно выделяет 135 калорий в час. И через месяц всё равно 135 калорий в час. Вот выделяется и всё тут.
Чисто теоретически 500 кг радия просто лежавшие в чане смогли бы производить энергию достаточную для отопления 4-х этажного 2-х подъездного дома при температуре на улице минус 20 градусов.

Что-то творилось внутри атомов, что-то с чем наука ранее не имела дел.
В 1902-1903 году, Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, изучив работы своих французских коллег пришли к выводу что:

и выдвинули теорию согласно которой выделяемые кванты выделяются за счёт превращения одних химических элементов в другие.
Теория была не единственной высказанной, и поначалу привела в ступор даже Нобелевских лауреатов, но в итоге в 1906 году её приняли как наиболее перспективную.
Резерфорд кстать был тем человеком кто придумал термин «полураспад». Грубо говоря время за которое число радиоактивных атомов по причине естественного распада станет в 2 раза меньшим.
До взрыва первой атомной бомбы оставалось 39 лет. Но её призрак уже маячил на горизонте.

Резерфорд
1-й барон Резерфорд Нельсонский, или в бытности Эрнест Резерфорд. 4-й ребёнок в семье, как бэ ни на что особо в своей Новой Зеландии он рассчитывать не мог. Закончил местный универ, стал даже магистром. Его работа была на не очень весёленькую тему звучавшую как: «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». По приколу изобрёл какой-накакой но магнитный детектор. Закончил универ, и…всё, специалист по магнитам и магнитным полям по окончании универа стал всеми забытым преподом в средней школе (прям таки параллели с современной Беларусью на лицо).
К счастью из Англии раз в пару лет присылали степендии лучшим студентам и выпускникам. Перепало и Резерффорду, и он таки подумал, а почему бы и нет….и свалил в Англию в поисках лучшей жизни. И правильно сделал, оказалось вчерашний магистр может начать научную практику в лаборатории при Кэмбриджском университете. Казалось бы красота, вырвался в лучшую жизнь…да не тут то было. В то время даже в Кэмбридже без связей и богатых родителей, на нищенскую степендию можно было разве шо ноги протянуть. Ну или пойти попутно по ночам вагоны разгружать. А что всегда студентам нужно в первую очередь: хотелось потусить с друганами, подцепить какую-нибудь студенточку для приятного времяпрепровождения, и сделать какое-нибудь важное открытие в науке, и т.д. и т.п...
Значит разгружать ночами вагоны. К счастью Резерфорду повезло чуть больше, и он устроился работать ассистентом к местному профессору Дж.Дж.Томсану.

Дж.Дж.Томпсон был занят изучением процесса ионизации газов под действием открытых недавно рентгеновских лучей. Резерфорд подошёл к этому делу в т.ч. и с точки зрения магнетизма.
Под действием магнитного поля излучение создаваемое урановой рудой ведёт себя неоднозначно. Будто бы это смесь чего-то не однородного. Но пару лет работ, и в 1898 (1899?) году Резерфорд открыл альфа-излучение, а в 1899 бетта-излучение. А в 1900 году его коллега Поль Виллард открывает гамма-излучение (в 1908 году он ещё предложит ионизационную камеру как прототип дозиметра).

В 1908 году вчерашнему студенту Резерфорду за его старания дали Нобелевку по физике.
Правда в целом 1906-1908 года стали трагическими, сначала Пьера Кюри насмерть сбила гружёная телега, а потом и Анри Беккерель….
Затем планы подпортила 1-я мировая война, с которой некоторые физики уже не вернулись. Вчерашние коллеги-учёные даже оказывались по разные стороны баррикад. Как интересно сложилась в итоге судьба. Вчерашние рядовые через пару лет сделали штуку которая напугала даже видавших виды генералов.
Война закончилась, но что дальше? Это было тяжёлое время, бывших профессоров и лаборантов раскидало по Европе, лаборатории были в плачевном состоянии. В ту пору послевоенного лихолетья ядерную физику двигал разве что Резерфорд и его компашка.
У них была интересная штуковина, прадедушка всех ускорителей частиц.

Ускоритель который по сути даже не ускоритель, так, латунная труба 18 на 6 см с вводным и выводным отверстием. 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).

Исследователи на специальном экране-телескопе могли наблюдать за вспышками от ядерных реакций частиц. Считали в ручную естественно, поговаривают что у Ханса Гейгера после того как он сосчитал миллионную вспышку родилась идея прибора который сам будет всё считать (в итоге изобретение прозвали счётчик Гейгера. Про него и его прибор на форуме уже подробнее писали ТУТ).

Много чего тогда напридумывали-наоткрывалли:
• Идея про дейтерий;
• Идея про существование нейтрона, который правда удалось открыть лет тока через 10;
• Доказали наличие в ядрах элементов протонов.
• В 1919 году Резерфорд возвращается к экспериментам, и сталкивает атомы азота с альфа-частицами. Азот превращался в кислород



В первые в истории осуществлено искусственное превращение одного элемента в другой. Физикам до этого исследовали естественные процессы. Чтож, теперь открылось новое поле для исследований – искусственное превращение элементов.

Бор, алюминий, фосфор, ядра всех этих элементов успешно расщеплялись в лабораториях по всему миру. Но вот атомные ядра тяжёлых элементов альфа-частицы не брали.

Немного теории
Положительный заряд ядра атома создает вокруг себя сильный потенциал: ядро окружено, образно говоря, потенциальным барьером. Для преодоления этого барьера изнутри или снаружи частица должна обладать определенной энергией. Если энергии частицы будет мало, то она даже столкнувшись с ядром атома, просто отскочит. Это как два магнита с одинаковыми полюсами, что б их приблизить нужно приложить усилие.
Забегая вперёд скажу, что для преодоления этого барьера физикам и нужны огромные циклотроны, ускорители и большие андронные колайдеры. Именно они разгоняют и придают огромную энергию маленьким заряженным частицам, которые на огромной скорости таранят атомные ядра.

Резерфорд бомбил азот альфа частицами полученными от полония, их энергия составляла 8 МэВ. Но для более серьёзных экспериментов этот способ не годился, и чтобы разогнать что-либо специально просто не хватало ресурсов. Как можно придать скорости атомному ядру которое даже не видишь? Нужен был новый подход.
С ходу 2 проблемы:
1. соли радиоактивных элементов были редки и дороги.
2. 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.
3. радиоактивные источники могли испускать частицы только с определенной энергией, которую, может, и можно было уменьшить, но уж никак не увеличить.
Да, 3-я причина, это те 8-10 МэВ про которые писалось выше. Резерфорд отметил в своём дневнике:
«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».
Разрушение атома…очень заманчиво…

Циклотрон и Разрушитель атомов
Представьте стальной гвоздь лежащий на деревянном столе. Как его можно сдвинуть с места да при этом разогнать до определённой скорости не касаясь гвоздя или стола? А если вместо гвоздя заряженный ион то дело вообще труба.
Физики того времени не могли решить эту задачу, а её решение сулило новыми открытиями. Кстати железный гвоздь можно сдвинуть силой электромагнитных полей.

Ион впрочем тоже…
Высоковольтный ускоритель заряженных частиц. В случае с гвоздём правда это можно обозвать гаусс-пушкой. Высоковольтный генератор создаёт высоковольтное напряжение подающеяся на электроды ускоряющей системы и создаёт внутри неё электрическое поле. Заряженная частица проходя через всё это ускоряющее безобразие ускоряется. Вот только что б повторить фокус Резерфорда нужно примерно 8 000 000 вольт на генераторе или очень сложная многоступенчатая схема разгона, а по тем временам это почти не достижимо.
По сути начался застой в ядерной физике…
Отвлекёмся.

Лоуренс

Эрнест Орландо Лоуренс, норвежский эмигрант во 2-м поколении. Родители – преподаватели в школе одного из многих провинциальных городков. Вощем там же он и учился. Правда к 24 годам стал то ли профессором то ли доцентом по физики в частности по вопросам фотоэффекта.
Ему полагалась крупная денюжная премия за свои успехи в науках, но вместо того что бы отправится в путешествие по Европе (как было модно тогда) он остался в Америке. Успехом стало и то, через пару лет, видя его старания, Лоуренса пригласили работать в университет Беркли. Там много кто занимался исследованиями в области структуры атомных ядер. Но там уже наступил «кризис жанра». Требовались ионы высоких энергий которые производились на высоковольтных ускорителях. Энергии ионов требовались всё более высокие, а высоковольтные ускорители уже не удовлетворяли (ибо эти электронно-механические хреновины становились всё больше и сложнее…и кажется уже достигли в этом предела).
Опустим кучу текста….В 1929 году как то вечером Лоуренс проглядывал иностранную прессу. Языками он владел на уровне «без словаря проблематично», поэтому больше рассматривал картинки и зарисовки.
Увидел схему немецкого высоковольтного ускорителя заряженных частиц. Всё тот же высоковольтный генератор, только ускорение было двухступенчатым что ли. Первая группа электродов ускоряла частицу, которая летя по прямой пролетала мимо второй группы электродов которая ускоряла её ещё больше, затем третья ….
Она предлагала ускорить частицы в несколько этапов. Вот только такой ускоритель всё равно очень громоздкий. Лоуренс решил по приколу соорудить чтот похожее, но судя по расчётам он был бы много метров в длину. Пару вечеров размышлений и он решил закрутить прямой по форме ускоритель в спираль. А чо, хай частица каждый виток ускоряется всё больше…как тока её заставить летать по кругу? Короч. пригласил старого другана Нильса Эдлефсена, немного покумекали, и из проволоки, кусков латуни, старого насоса, пары жестяных листов, и ещё не весть какого хлама построили первый в мире циклотрон…ускоритель в форме кольца.
То на что раньше требовались миллионы вольт и невероятная по размерам и сложности установка, теперь не вызывало больших проблем. Циклотроны и прочие ускорители заряженных частиц с тех пор все в форме кольца...а физиков как прорвало, открытие за открытием.
В 1939-м Лоуренс получает Нобелевку по физике кстать. Ну ещё в таблице Менделеева в честь него назван элемент №103 (Лоуренсий).


Дефект массы или причём тут Эйнштейн
Что т давно не вспоминали СССР. Скажете какая нафиг в СССР 30-х наука? И будете правы, в то время она по большей части развивалась вопреки а не благодаря. Но даже в таких не очень благоприятных условиях случались события мирового масштаба.
В СССР первый рабочий ускоритель частиц (по заветам старины Лоуренса) заработал в Украинском физико-техническом институте в 1932 году. Первое ядерное превращение которое было осуществлено на нём, это расщепление ядра лития.
Конечно это рядовой опыт, очень простой опыт для тех у кого есть ускоритель заряженных частиц. Ядро лития бомбардируется пучком ускоренных протонов:

Реакция которую до этого проделывали в нескольких других лабораториях. Но все быстренько заметили один нюанс, атомная масса 2-х альфа частиц меньше чем масса протона и атома лития. Если по человечески, то на входе был 1 грамм вещества, а после ядерной реакции только 0,997 грамм. Куда делась масса?
Да, тут вспомнили уравнение старины Эйнштейна и поняли что альфа-частицы получили небывалую энергию за счёт превращения массы в энергию. Масса и энергия, как ни парадоксально но это 2 сути одного понятия.

Вот бы эту энергию да в мирное русло… хотя некоторых теоретиков уже мучали сомнения по поводу «мирного русла».
До первого взрыва атомной бомбы оставалось каких то 13 лет. До эпохи ядерных бомб и ядерных реакторов оставалось всего пару открытий...
То бі канцінью....

Продолженіе: Ядерная физика для чайников, ч.3. Смертельное замедление