| Indeks
|
|
|
| Źródło
|
|
|
|
Leon Lederman,
Dick Teresi
BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?
Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Wyścig |
|
|
| Wyścig
|
|
|
| yścig, by wybudować urządzenia zdolne do osiągania bardzo wysokich energii, zaczął się już w czasach Rutherforda. W latach dwudziestych przedsiębiorstwa dostarczające prąd elektryczny wspomagały naukowców w tych wysiłkach, ponieważ przekazywanie energii elektrycznej przebiega najwydajniej przy wysokich napięciach. Inny rodzaj motywacji stanowiła potrzeba wytwarzania wysokoenergetycznych promieni Roentgena w celu leczenia nowotworów. Do niszczenia guzów używano już radu, ale był to bardzo kosztowny sposób i sądzono, że promieniowanie o wysokiej energii będzie korzystniejsze. Dlatego przedsiębiorstwa dostarczające prąd oraz medyczne instytuty badawcze wspierały rozwój generatorów wysokiego napięcia. Rutherford, w charakterystyczny dla siebie sposób, objął przewodnictwo, rzucając wyzwanie angielskiej firmie Metropolitan-Vickers Electrical Company, by „dała nam [urządzenie wytwarzające] napięcie rzędu dziesięciu milionów woltów, które zmieściłoby się w pomieszczeniu o rozsądnych rozmiarach, [...] i rurę próżniową zdolną do wytrzymania takiego napięcia”.
|
| Niemieccy fizycy próbowali okiełznać ogromny potencjał wyładowań atmosferycznych występujących podczas alpejskich burz. Między dwoma szczytami górskimi rozpięli izolowany kabel i przechwytywali ładunki dochodzące do 15 milionów woltów, które wytwarzały ogromne łuki elektryczne, przeskakujące między odległymi o 6 metrów kulami metalowymi. Było to spektakularne zjawisko, ale niezbyt pożyteczne. Porzucono tę technikę po tym, jak jeden z naukowców zginął podczas regulowania aparatury.
|
| Porażka niemieckich uczonych dowodzi, że sama moc nie wystarczy. Elektrody szczeliny muszą znaleźć się w rurze albo w komorze próżniowej, wykonanych z bardzo dobrego izolatora. (Wysokie napięcie uwielbia wytwarzać łuki elektryczne, jeśli kształt izolatora nie został bardzo starannie zaplanowany). Poza tym rura taka powinna być dostatecznie mocna, by wytrzymać usunięcie z niej powietrza. Uzyskanie próżni wysokiej jakości jest sprawą zasadniczą; jeśli w rurze pozostałoby zbyt wiele cząsteczek gazu, zaburzałyby przebieg wiązki. No i osiągnięte napięcie musi być odpowiednio stabilne, by umożliwiało przyspieszanie wielu cząstek. Praca nad tymi i innymi problemami technicznymi trwała od 1926 do 1933 roku, kiedy to wreszcie zdołano je rozwiązać.
|
| W całej Europie trwało zacięte współzawodnictwo; do wyścigu dołączyli także Amerykanie. Generator udarowy zbudowany przez Allgemeine Elektrizität Gesellschaft w Berlinie osiągał 2,4 miliona woltów, ale nie wytwarzał żadnych cząstek. Pomysł ten wykorzystano w Schenectady (w Stanach Zjednoczonych), gdzie General Motors poprawił poziom mocy do 6 milionów woltów. W Carnegie Institution w Waszyngtonie fizyk Merle Tuve doprowadził w roku 1928 do wytworzenia w cewce indukcyjnej prądu o napięciu kilku milionów woltów, ale nie dysponował odpowiednią rurą. Charles Lauritsen z Caltech zbudował rurę próżniową zdolną do wytrzymania napięcia 750 tysięcy woltów. Tuve zaadaptował rurę Lauritsena i otrzymał wiązkę zawierającą 1013 (10 bilionów) protonów na sekundę przy napięciu 500 tysięcy woltów. Teoretycznie ta ilość energii i liczba cząstek wystarczały, aby dotrzeć do jądra. Tuve rzeczywiście doprowadził do zderzeń między jądrami, ale dopiero w 1933 roku. Do tego czasu dokonali tego już dwaj inni uczeni biorący udział w wyścigu.
|
| Innym pretendentem do palmy pierwszeństwa był Robert Van de Graaff pracujący na Uniwersytecie Yale i w MIT. Zbudował on urządzenie przekazujące ładunki elektryczne wzdłuż bardzo długiego jedwabnego pasa do metalowych kul. W ten sposób potencjał na metalowej kuli wzrastał stopniowo, aż dochodził do kilku milionów woltów i w postaci gigantycznego łuku przeskakiwał w powietrzu do ściany pomieszczenia. To był słynny dziś i znany wszystkim uczniom generator Van de Graaffa. Zwiększanie promienia kuli sprawiało, że odwlekał się moment formowania się łuku, natomiast umieszczanie jej w atmosferze z czystego azotu pozwalało zwiększać napięcie. Ostatecznie generatory Van de Graaffa stały się najchętniej stosowanymi urządzeniami w kategorii do 10 milionów woltów, ale całe lata zajęło doskonalenie i dopracowywanie tego wynalazku.
|
| Wyścig trwał od końca lat dwudziestych do początku lat trzydziestych. O włos zwyciężyła w nim para uczniów Rutherforda: John Cockcroft i Ernest Walton z Laboratorium im. Cavendisha. Dokonali tego (nie mogę powstrzymać się od jęku) dzięki nieocenionej pomocy, której udzielił im teoretyk. Poniósłszy liczne porażki, Cockcroft i Walton nie ustawali w próbach osiągnięcia napięcia miliona woltów. Uważano, że potrzeba co najmniej takiego napęcia, żeby zbadać jądro. Teoretyk rosyjski George Gamow, który odwiedził Nielsa Bohra w Kopenhadze, postanowił skorzystać z okazji i przed powrotem do domu wpadł do Cambridge. Tam wdał się w dysputę z Cockcroftem i Waltonem i powiedział im, że nie potrzebują tak wielkiego napięcia. Według niego, nowa teoria kwantowa przewidywała możliwość przeniknięcia do jądra, nawet jeśli energia cząstek nie była dostatecznie duża, by pokonać siłę odpychania elektrycznego, którą wywiera jądro. Gamow wyjaśnił, że zgodnie z teorią kwantową protony mają własności falowe i dzięki zjawisku tunelowania mogą pokonać barierę wytwarzaną przez ładunek elektryczny jądra, o czym już mówiliśmy w rozdziale 5. Cockcroft i Walton w końcu przyjęli to do wiadomości i od nowa zaprojektowali swe urządzenie tak, aby osiągało napięcie 500 tysięcy woltów. Za pomocą transformatora i obwodu zwielokrotniającego napięcie przyspieszyli protony uzyskane w lampie wyładowczej, podobnej do tej, którą stosował J. J. Thomson do wytwarzania promieni katodowych.
|
| W maszynie Cockcrofta i Waltona wiązki protonów w liczbie około biliona na sekundę rozpędzały się, przemierzając lampę próżniową, i uderzały w tarczę z ołowiu, litu lub berylu. W roku 1930 udało się wreszcie wywołać reakcje jądrowe za pomocą przyspieszonych cząstek. Jądra litu rozbito protonami o energii zaledwie 40 tysięcy eV, znacznie niższej, niż się spodziewano. Było to ważne wydarzenie historyczne. Pojawił się nowy rodzaj noża, choć jeszcze w dość prymitywnej postaci.
|
|
| |
|
