Резерфорд, трансмутаци ба протон

Нийтлэсэн Б Нямдаваа
2019-08-14
62

Эрнест Резерфордын протоны нээхэд хүргэсэн үйл явдлууд

Эхнээсээ л Эрнест Резерфорд зөв газраа зөв цагтаа байж чадсан юм. Шинэ Зеландын Их Сургуулиас 3 зэрэг авч, тухайн үеийн электроникийн технологийн салбарт тэргүүн эгнээнд 2 жил судалгаа хийснийхээ дараа 1895 онд тэрээр “Exhibition of 1851”-ээс шинжлэх ухааны тэтгэлэг авч, Их Британи дахь Кембриджийн Их Сургуулийн Кавендишийн лабораторит постдокторын судалгааны ажил хийхээр явсан билээ. Түүнийг очоод удаагүй байхад Рентген цацраг болон цацраг идэвхийн нээлтүүд гарч, мөн ЖЖ Томсон электроныг нээжээ. Резерфорд атомаас жижиг бөөм байдагт тууштай итгэгч байсан юм. Түүний судалгаа өөрчлөгдөн, цацраг идэвхийг ойлгоход чиглэсэн бөгөөд тэрээр альфа ба бета цацраг гэдэг нэрийг анх өгсөн хүн юм.

1898 онд Резерфорд Канадын МкГиллийн Их Сургуульд физикийн тэнхимийн эрхлэгчээр очсон бөгөөд тэндээ хэд хэдэн чухал үр дүнд хүрсэн. Тэрээр радоныг нээж, цацраг идэвхи бол ердөө тодорхой элементүүдийн трансмутаци гэдгийг харуулж, альфа бөөм цахилгаан болон соронзон оронд муруйж болно гэдгийг үзүүлж, мөн минералуудын болон дэлхийн насыг тогтоох болон бусад нээлтүүдийг хийсэн.

1901 онд МкГиллийн физикийн нийгэмлэг “Атомаас жижиг биесийн оршихуй” нэртэй хурлыг зарласан бөгөөд гол зорилго нь химичдийг няцаах байсан юм. Резерфорд хуралд илтгэл тависан бөгөөд тухайн үед тохиолдлоор МкГиллд байж таарсан Оксфордын залуу химич Фредерик Соддигийн эсэргүүцэлтэй тулгарсан. Соддигийн “Атомын хуваагдашгүй тухай химийн баталгаа” гэдэг илтгэл физикчдийг ялангуяа Томсон болон Резерфордын эсрэг чиглэж байв. Резерфорд Соддиг цуг судалгаа хийхээр урьсан бөгөөд Содди хийн анализэд мэргэшсэн хүн байлаа. Уг хамтын ажиллагаа хэдий богино байсан ч маш үр дүнтэй байсан бөгөөд тэд хүнд элементүүдийн транмутацийн анхны чухал алхмуудыг тодорхойлсон юм.

Манчестэр дэх үеүд

Хэдэн жилийн турш Резерфорд судалгаа ололт нээлтийн төв болсон газар буюу Европт очихыг зорьж байлаа. 1907 онд тэрээр Манчестерийн Их Сургуульруу шилжсэн. Тэндээ тэрээр МкГиллд хийж байсан судалгаа болох альфа бөөмийн цацрагийг агаар дундуур эсвэл нарийн силикат дундуур нэвтрэн өнгөрүүлэхэд тодорхойгүй, ялгахад төвөгтэй болж байгаа тухай тэмдэглэсэн судалгаагаа үргэлжлүүлсэн юм. Альфа бөөм 2 градусын өнцгөөр сарниж байсан бөгөөд энэ нь 100 МВ/см цахилгаан орон байгааг илтгэж байсан ба түүний хэлсэн тодорхойлолт болох “атомууд нь маш эрчимтэй цахилгаан хүчний үүсгэгч” гэдгийг баталж байлаа.

Манчестерт тэрээр Ханс Гейгер гэдэг нэртэй туслах ажилтан авсан бөгөөд Гейгер удалгүй алтны ялтсан дээрээс ийм бага өнцгөөр ойх альфа бөөмийн нарийн хэмжилтийг хийсэн юм. Гейгер их сургуулийн 4-р түвшиний оюутнуудад цацраг идэвхийн техникийг зааж байсан бөгөөд 1909 онд Резерфордод Эрнст Марсден гэдэг оюутан өөрийн судалгаандаа бэлэн болсон гэж заан, танилцуулсан. Бүгд металаас бета бөөмс сарнидаг гэж мэдэж байсан боловч альфа бөөмс сарнина гэж хэн ч бодохгүй байлаа. Ингээд Резерфорд Марсденд үүнийг судлахыг даалгав. Марсден даруй альфа бөөмс үнэхээр л сарнидаг бүр металыг Гейгерийн алтны ялтсаар сольсон ч сарниж байгааг олов. Энэ бол маш гэнэтийн зүйл байв. Үүнийг Резерфордын хожмоо үүнийг яг л 40 см-ийн сумаар цаасруу буудаад, тэр сум нь эргэж ойж байгаа мэт гэж зүйрлэн хэлсэн юм.

Хэдэн жилийн дараа нэгэн өдөр Резерфорд Гейгерт хандан догдлонгуйгаар би атом ямар харагддгийг мэдлээ. Атом нь ихэнх массыг агуулах жижиг бүтэц болоод нэгэн төрлийн цэнэг атомыг мянга хуваасны нэгтэй тэнцэх жижиг цөмд агуулагдана гэж хэлсэн юм. Энэ бол түүнийг өнөөг хүртэл алдаршуулж буй ажил юм.

1913 онд Резерфорд Марсденд хандан альфа бөөм болон хөнгөн атом ялангуяа устөрөгчөөр судалгаа хийхийг хүсэв. Классик тооцоогоор устөрөгчийн цөмтэй мөргөлдөж буй альфа бөөм нь устөрөгчийг мөргөж буй альфа бөөмөөс 1.6 дахин хурдан бөгөөд 4 дахин хол зай туулахыг таамаглаж байв. Бага масстай, бага цэнэгтэй устөрөгч нь гэрэлтэй дэлгэц дээр хурц гялбаа байдлаар бүртгэгдэх бөгөөд альфа бөөмөөс хамаагүй хол зайг туулах юм. Марсден үнэхээр тийм хол зайг туулдаг, устөрөгчийн хий болон устөрөгчөөр баяжуулсан нимгэн материалд үүссэн, өөрийнх нь нэрлэснээр “H” бөөмүүдийг бүртгэж авсан. Тэрээр мөн хол зайг туулдаг H бөөмүүд заримдаа альфа бөөм агаар дундуур явахад үүсч байгааг ажигласан ч тэднийг хаанаас ирж байгааг мэдэхгүй байлаа. Энэ нь хийд байгаа усны уур, аппаратанд шингэсэн ус эсвэл альфа үүсгүүрээс ч ирж байж магадгүй байв.

1914 оны дундуур хамтын ажиллагаа дуусав. Марсден Шинэ Зеланд дахь ажилдаа орохоосоо өмнө өөрийн хийсэн ажлын тухай тайлагнан бичсэн. Энэ зуур Резерфорд Канад болон АНУ-д очин лекц уншин, Австралируу шинжлэх ухааны дэвшилтийн тухай Их Британийн холбооны жил бүр зохион байгуулдаг хуралд очихоосоо өмнө ганцхан сарыг Манчестерт өнгөрүүлсэн юм. Түүнийг Австралид очсоноос гуравхан өдрийн дараа Европт дайн дэгдэв.

Атомыг задалсан нь

Резерфорд Манчестерт 1915 оны нэг сард эргэн иржээ. Энэ бол нэгэнт өөрчлөгдсөн ертөнц болсон байсан ба залуу хөвгүүд дайнд тулалдаж байв. Их Британий усан цэргийн яамыг төлөөлөн Резерфорд анхаарлаа дайны нэгэн төвөгтэй асуудалд чиглүүлэв. Энэ нь хэрхэн шумбагч онгоцыг шумбасан үед нь илрүүлэх тухай байжээ. Түүний зохион бүтээсэн чиглэл тогтоох гидрфон нь усан онгоцонд багтахаар байх ёстой байв. 1917 оныг хүртэл Резерфорд өөрийн шинжлэх ухааны судалгаа болох хөнгөн атомаас сарних альфа бөөмийн судалгааг хийгээгүй юм. 1917 оны 12-р сард тэрээр Борт “би мөн энэ аргаар атомыг задлахыг оролдож байна. Үүнийг хувийн нууц гэж хүлээн аваарай” хэмээн захиа бичжээ.

Тэрээр хэдэн хэдэн орчин болох (устөрөгчийн хий, устөрөгч агуулсан хатуу материалууд, хийнүүд болох CO₂ба хүчилтөрөг) дах хол зам туулдаг устөрөгчийн бөөмийн ойлтыг судалсан ба уг ойлтын тоо нь агаар эсвэл азот байх үед ихсэж байгааг ажиглажээ. Тэрээр азотын цөмд альфа бөөм нэвтрэн устөрөгчийн цөм цацарч байна гэж дүгнэв. Энэ нь устөрөгийн цөм өөрөөр 1920 онд Резерфордын нэрлэснээр атомын цөмийн хэсэг болсон протоны нээлтийг тэмдэглэсэн үйл явдал байлаа.

Марсден дайны дараа Шинэ Зеландруу буцахаа хүлээж байх зуураа буюу 1919 оны 1-р сараас хэдэн сарын хугацаанд дахин туршилтанд туслах боломжтой болсон байв. Тэр жилд Резерфорд Кавендишийн лабораторийн захирлын суудлыг хүлээн авсан юм. 1917 оны үр дүнгүүдээ нийтлэхээ түр азнан дайн дуусахыг хүлээж байхдаа Резерфорд 1919 онд хөнгөн атомуудын тухай 4 өгүүлэл бичсэн. Дөрөвдөх өгүүлэлээ “Азот дахь гаж нөлөө” нэртэй бичсэн бөгөөд тэрээр “бид азотын атом задрахад азотын цөмийн хэсэг болсон устөрөгчийн атом чөлөөлөгдөж байна гэж дүгнэж байна” гэж бичжээ. Мөн тэрээр “Асар их эрчиммэй хүч харилцан үйлчлэд оролцож байгааг тооцоод альфа бөөм уг эвдрэлээс өөрийн бүрдүүлэгч хэсэг болон сугаран гарч байгаагаас үзэхэд азот задрах нь гайхаад байх явдал биш” гэж хэлж байжээ.

1920 онд Резерфорд анх атомуудыг тогтвортой альфа бөөм болон H ионуудаар үүсгэж болох санааг дэвшүүлсэн. Мөн тэрээр изотопыг тайлбарлахын тулд нэгж масстай, цэнэггүй бөөм оршин байх ёстой гэсэн санааг дэвшүүлсэн. Вилсоны клоуд камерыг ашиглан тэрээр туулах зайн төгсгөлд нь альфа бөөмүүдийн үүсгэсэн мөрийг ажигласан. Японоос ирсэн Такео Шимизу секундэд хэд дахин өргөсөх боломжтой автомат Вилсоны клоуд камерыг байгуулсан бөгөөд зөв өнцгөөр явсан замынх нь зургийг авах 2 камерыг бүтээжээ. Патрик Блакетт 1921 онд төгссөнийхөө дараа буюу Шимизуг Японруу буцах үед нь ажлыг залгамжлан авсан. Тодорхой өөрчлөлт хийснийхээ дараа 1924 онд тэрээр 400,000 мөрийг үзүүлсэн 23,000 зургийг гарган авсан. 8 нь салаалсан байсан ба Резерфордын зөв болохыг баталсан юм. Блакеттийн дараа нь “Эдгээр зурагнуудаас гарч ирсэн уг шинэ үр дүн нь альфа бөөм азотын цөмд баригдан, устөрөгчийн атомыг ялгаруулж, устөрөгчийн шинэ, үл мэдэгдэх изотоп болох ¹⁷O үүсгэлээ” хэмээн бичжээ.

Блакеттийн үр дүн батлагдахад Резерфорд атомыг хувааж чадсан хүн болсон ба ингэснээр дэлхийн хамгийн анхны алхимич болсон байв. Гэсэн ч тэрээр энэ үгэнд тийм ч тааламжтай байгаагүй ба үнэндээ тэрээр трансмутациас илүүтэй задлах гэдэг үгийг илүүд үзэж байв. Резерфорд болон Содди нар цацраг идэвхи элементийг нэгээс нөгөөд өөрчлөгдөж байгааг ойлгож, Содди хашгиран Резерфордод “энэ бол трансмутаци, Ториум задарч, трансмутацид орон аргоны хий болж байна” гэж хэлэв. Резерфорд үүний хариуд “Майкын тусын тулд үүнийг битгий трансмутаци гэж дууд, тэд биднийг алхимич гэж үзэн толгойг маань авна шүү дээ” гэж хэлсэн гэдэг.

1908 онд Резерфорд “Элементүүдийг задлах судалгаа болон цацраг идэвхит материалын хими” сэдвээрээ химийн салбарт Нобелийн шагнал хүртсэн юм. Түүний дан альфа бөөмийг бүртгэж авсан болон атомын цөмийн бүтцийг олсон ба протоныг нээсэнд нь хоёр дахь Нобелийн шагнал өгөөгүй. Гэвч маш цөөн хүмүүс л эдгээр физикийн аваргуудын оруулсан гайхалтай хувь нэмэрт эргэлзэх билээ.

Эх сурвалж: https://cerncourier.com/rutherford-transmutation-and-the-proton/

Эгэл бөөм, Цөмийн физикийн салбар ЭШДаА Л.Мөнхжаргал