Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы - [79]

Но затем Лоуренс обратился к ядерной физике. Ему было ясно, что для дальнейших исследований нужны ускорители: радий, излучением которого пользовался Резерфорд, был дорогим и редким элементом, альфа-частицы вылетали из источника по всем направлениям, число наблюдаемых столкновений было чрезвычайно мало, а наблюдения трудоемкими. В линейных ускорителях из-за высокого напряжения должна была часто пробиваться изоляция…

И тут помог случай. В 1929 г. Лоуренсу попалась на глаза статья Рольфа Видерое, в которой рассматривалась схема ускорителя частиц, предложенная ранее Густавом А. Изингом (1883–1960). Изинг в 1925 г. предложил использовать синхронное (от греческого — совпадение во времени) включение относительно небольшого разгоняющего напряжения при появлении частиц в нужном месте, а Видерое построил первый вариант такого линейного ускорителя. Кроме того, он рассмотрел некоторые возможности циклического ускорителя с заворотом электронов на круговые орбиты магнитным полем (поскольку сила Лорентца всегда перпендикулярна к скорости заряда, она может быть только центростремительной).

Статья эта была на немецком, которого Лоуренс практически не знал, но в ней были вполне ясные картинки! Он понял по ним, что траекторию частиц можно изогнуть в окружность и ускорять их отдельными «толчками», а для этого вовсе не нужно громадное напряжение. И при этом очень существенно то, что частицы всегда описывают полную окружность за одно и то же время — независимо от скорости.

В 1930 г. он приступил к расчетам и постройке первого циклотрона (от греческого «циклос» — круговой). Именно с его созданием обычно связывают имя Лоуренса.

Циклотрон представляет собой круглый полый диск — как бы плоскую консервную банку, разделенную по диаметру на две половины в форме латинской буквы В (они называются дуантами, от латинского «дуо» — два). Диск помещен между плоскими полюсами большого магнита, в зазоре между дуантами создается переменное напряжение. Когда заряженная частица, например протон, попадает в зазор, она притягивается к дуанту с отрицательным напряжением и набирает скорость при проходе через зазор. Внутри дуанта частица описывает в магнитном поле полуокружность с постоянной по величине скоростью и выходит из него в точке, диаметрально противоположной входу. К этому времени знак напряжения изменяется, и протон устремляется к другому дуанту, ставшему теперь отрицательным, притягивается им и добавочно ускоряется напряжением, приложенным к зазору. Поэтому во втором дуанте он движется по дуге окружности большего радиуса, чем прежде.

Так протон как бы «подталкивается» при каждом проходе через зазор и движется со все возрастающей скоростью по дугам окружностей все большего радиуса (с ростом скорости растет его масса движения) пока не достигнет наружной стенки диска. Тогда протон вылетает из циклотрона на выбранную мишень. Дуанты изготовляются из немагнитного материала, в камере должен быть глубокий вакуум, чем больше размер дуантов и чем крупнее и мощнее магниты, тем выше будет энергия разгоняемых частиц.

Создание циклотрона открыло перед физиками обширное новое поле исследований. Бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. Циклотрон использовался и для измерения энергий связи многих ядер, и (путем сравнения величин разности масс до и после ядерной реакции) для проверки соотношения Эйнштейна между массой и энергией.

На основе циклотрона Лоуренс построил еще и масс-спектрометр, прибор для разделения изотопов: так как массы изотопов несколько отличаются, изотопы движутся по близким, хотя и не совпадающим траекториям, поэтому могут быть разделены. Хотя этот способ их разделения не слишком эффективен, именно им был получен уран-235 для первых атомных бомб. После войны Лоуренс продолжал строительство ускорителей, способных разгонять частицы до энергий в миллиарды электронвольт. На одном из таких ускорителей, получившем название бэватрона — от БэВ, старого названия миллиарда эВ, ныне ГэВ — группа Эмилио Сегре открыла антипротон, а вскоре и антинейтрон.

6. Коллайдеры

Циклотрон был значительно усовершенствован введением методов автофазировки Владимира Иосифовича Векслера (1907–1966) и Эдвина М. Мак-Миллана (р. 1907, Нобелевская премия по химии за открытие трансурановых элементов 1951 г.) и др.

Дальнейшее развитие ускорительной техники привело к созданию коллайдеров (от английского «коллайд» — сталкиваться) — это ускорители, в которых два пучка частиц направляются друг на друга. При этом, во-первых, энергии частиц обоих встречных пучков складываются, а во-вторых, не мешают посторонние частицы, всегда имеющиеся в составе мишени.

Первый такой аппарат для исследования взаимодействий электронов с электронами был запущен в Новосибирске в 1967 г. Самый большой линейный ускоритель электронов находится в Пало-Альто (США) и называется SLAC (сокращенно от «Стенфордский линейный ускоритель»), а его модификация — SLC. В нем ускоряют электроны и позитроны до энергий в 50 ГэВ, а затем сталкивают их друг с другом по схеме коллайдера, в SLC после его отладки были достигнуты еще большие энергии.