Глава 6
Циклотрон: искусственная радиоактивность
В 1932 году, когда ускоритель частиц впервые успешно расщепил атом, список элементарных частиц быстро вырос. Он включал в себя электрон и его анти-версию – позитрон, а также протоны и нейтроны. Все они считались неделимыми, хотя позже мы увидим, что протоны и нейтроны тоже имеют структуру. Были введены фотоны, частицы света, и всего четыре года спустя были обнаружены положительные и отрицательные мюоны, тяжелые родственники электронов и позитронов. Никто не знал значения этих частиц, которые не были частью атомов, важны ли они и сколько еще частиц, подобных им, пока не открыто. Но физики понимали, что для того, чтобы узнать больше, им придется последовать примеру Кокрофта и Уолтона и разрушить атом.
Были намеки, которые подтолкнули их в этом направлении, один из которых мы уже видели: тот факт, что какая-то неизвестная сила, казалось, удерживает протоны и нейтроны вместе внутри атома и не дает ядру разлететься на части. Другой намек пришел из химии – или, если точнее, из того, чего недоставало в химии. Уран считался самым тяжелым из известных веществ в периодической таблице того времени, но в таблице не хватало четырех элементов с номерами 43, 61, 85 и 87. Расположив элементы по атомному весу и аналогичным химическим свойствам, русский химик Дмитрий Менделеев в XIX веке предсказал, что эти элементы должны существовать наряду с другими, которые впоследствии были обнаружены. Например, в таблице под алюминием был пробел, и Менделеев предсказал элемент, который он назвал «экаалюминием», а также его химические свойства, плотность и температуру плавления. Галлий (31-й элемент) был открыт в 1875 году и почти точно соответствовал предсказаниям химика. Теперь мы можем назвать недостающие элементы теми именами, которые у них есть сейчас – технеций (43), прометий (61), астат (85) и франций (87), – но в начале 1930-х годов они еще не были открыты и поэтому оставались безымянными.
Вы могли бы подумать, что ученые станут искать эти недостающие элементы, но на самом деле они не тратили свою энергию в этом направлении, и на то были веские причины. Открытие радиоактивности научило их тому, что не все элементы периодической таблицы стабильны, как ранее считали химики, поэтому вполне возможно, что недостающие элементы просто исчезают со временем и, следовательно, их не удастся обнаружить. Теперь, с открытием радиоактивности, атом оказался непредсказуемым, запутанным и настолько динамичным, что химики то и дело заходили в тупик.
Более масштабная цель заключалась в понимании природы атомов и структуры ядра, а также сил, которые удерживают все это вместе. А для этого надо изучить и понять особенности как можно большего числа элементов и попытаться создать всеобъемлющую теорию, которая может предсказать свойства элементов и их изотопов, известных и неизвестных, радиоактивных или нет.
Если бы только можно было создать пучки частиц, достаточно мощные, чтобы расщепить атомы каждого элемента, – кто знает, чего могла бы достичь наука… Именно это побудило Кокрофта и Уолтона обуздать огромные напряжения и построить первый в мире ускоритель частиц, но они были не единственными, кто работал над этой проблемой. Через несколько лет их обойдет молодой американец по имени Эрнест Орландо Лоуренс. Изобретенная им машина не только в итоге будет превалировать в области ядерной физики, но и привлечет ученых из разных дисциплин к преодолению границ и открытию неизведанных областей. А еще работа Лоуренса навсегда изменит медицину.
Лоуренс никогда не собирался становиться физиком. Он был полон решимости изучать медицину, когда поступил в Университет Южной Дакоты и выбрал химию в качестве дополнительной специальности. Любовь к физике пробудил в нем наставник, который обратил внимание на Эрнеста Лоуренса из-за его хобби.
Выросшие в Южной Дакоте, Лоуренс и его сосед Мерл Тьюв большую часть своего свободного времени собирали радиооборудование, общались с помощью азбуки Морзе на чердаке семьи Тьюва, изучали и устанавливали реле, передатчики и прочие мелочи. Когда Лоуренс уехал в университет, он оставил свое радиооборудование дома, но вскоре пожалел, что у университета нет собственного радиоприемника. Лоуренс разыскал декана факультета электротехники Льюиса Эйкли и представил ему четкие и внятные аргументы в пользу покупки некоторого радиооборудования вместе со списками запчастей и указанием их цен.
Вечером Эйкли отправился домой и с энтузиазмом рассказал жене об Эрнесте Лоуренсе, его научном любопытстве и явных способностях. Но почему Лоуренс не поступил ни на физический, ни на электротехнический факультет? Почему он изучал медицину и химию? Убежденный, что Лоуренс – гений в физике, Эйкли выделил ему 100 долларов на покупку радиоаппаратуры, предоставил место для ее установки и оставил его за главного. Эйкли, физик по образованию, осторожничал и не подталкивал Лоуренса к смене курса, поскольку считал, что хорошие студенты сами поймут ценность физики. Он робко спросил Лоуренса, считает ли тот физику полезной ввиду его интереса в области беспроводной связи, но Лоуренс так не думал. Он немного изучал ее в средней школе, но сомневался, что у него есть способности чего-то добиться в этом предмете.
Вопреки всему Эйкли даже пригласил Лоуренса на ужин и начал потчевать его рассказами о великих физиках и их приключениях: начиная с Генриха Герца, увидевшего связь между светом и электричеством, и заканчивая Марией Кюри и ее открытием радиоактивных элементов. Самыми захватывающими были рассказы об Эрнесте Резерфорде, доказавшем, что атом вовсе не неделимый. Эйкли рассказал о приключениях, которые ожидали исследователей в этой области. Они изучали внутренний мир материи и раскрывали тайны Вселенной в мельчайших масштабах, от которых зависит все остальное, включая любимую химию Лоуренса, биологию и медицину. Хорошо тренированный ум, настаивал Эйкли, поможет достичь успехов в любой области, и физика отлично подойдет для такой тренировки. Он выдвинул Лоуренсу последнее предложение: если он проведет один летний месяц, изучая с ним физику, и все равно не проявит к ней интереса, Эйкли никогда больше не поднимет этот вопрос. Лоуренс согласился. К началу нового учебного года сделка окупилась.
«Класс, это Эрнест Лоуренс, – объявил однажды Льюис Эйкли на лекции по физике. – Хорошенько на него посмотрите, потому что придет тот день, когда вы все будете гордиться тем, что учились с ним вместе». Студенты уставились на высокого молодого человека с очаровательной улыбкой, аккуратными каштановыми волосами и голубыми глазами. Однажды, когда Лоуренс заснул на лекции, Эйкли сказал остальным ученикам: «Не обращайте внимания. Пускай спит! Даже во сне он лучше знает физику, чем все вы, бодрствующие». Эйкли не мог знать, что ждет его любимчика впереди, но его слова оказались пророческими.
К 1928 году, в возрасте всего 27 лет, Эрнест Лоуренс был принят на работу доцентом физики в Калифорнийский университет. Наконец-то возглавив собственную исследовательскую программу и имея за спиной свободу и поддержку, он нуждался только в одном – хорошей теме для исследования.
На этой ступени истории у нас есть преимущество перед Лоуренсом, поскольку мы уже знаем, как обстояли дела в 1928 году и что должно было произойти всего через несколько лет. Мы знаем, что теория Гамова подстегнула Кокрофта и Уолтона разработать первый ускоритель в Кембридже. Мы знаем, что для расщепления ядра лития достаточно энергии всего в несколько сотен кэВ. Но Лоуренс, как и Кокрофт с Уолтоном, ничего из этого не знал. Он знал, что физики открыли электроны и рентгеновские излучение и что у атома есть ядро, и был осведомлен о противоречащих интуиции реалиях квантовой механики и корпускулярно-волновом дуализме. Он знал, что космические лучи непрерывно бомбардируют нас и что облачная камера Вильсона помогла их увидеть, хотя в то время Лоуренс не особенно интересовался детекторами.
Пока многие ученые занимались космическими лучами, Лоуренса, казалось, волновала только возможность контролировать высокоэнергетические частицы в лаборатории. Он не был удовлетворен предпринимаемыми попытками. Его старый школьный друг Мерл Тьюв пытался приручить напряжение в 1 МВ, но Лоуренс хотел знать, куда пойдут исследования после достижения 1 МВ. У него была целая карьера впереди, он не хотел вступать на путь, который закончится всего через несколько лет. Лоуренсу казалось, что в идее использования высоких напряжений для ускорения частиц кроется фундаментальный недостаток. Даже если бы они могли создать полезное напряжение в миллион вольт, они все равно не смогли бы получить частицы с энергией выше 5 МэВ, испускаемые из природных источников (таких как радий), поскольку высокое напряжение преобразуется непосредственно в энергию частиц. Миллион вольт может дать миллион эВ (1 МэВ), но никак не 5 Мэ В. Если тайны атома и должны когда-то раскрыться в лаборатории, то кто-то должен придумать практический метод достижения высоких энергий, десятков или сотен МэВ, без соответствующих высоких напряжений.
В 1929 году Лоуренс поздно вечером читал журналы в библиотеке Калифорнийского университета. По наитию он взял журнал по электротехнике, написанный на немецком языке, и пролистал его, пока не наткнулся на несколько диаграмм и уравнений в статье норвежца по имени Рольф Видероэ. Лоуренс не говорил по-немецки, но идея была достаточно ясна и так.
Сам Лоуренс позже писал, что эта идея настолько проста, что даже дети могли понять ее интуитивно. Когда вы сидите на качелях, есть два способа повыше раскачаться. Вы можете взмыть в воздух одним мощным толчком, либо сделать серию небольших толчков в нужное время, наращивая амплитуду колебаний с помощью принципа резонанса. В уже существующих идеях для ускорителей использовался первый подход, но Лоуренс понял, что предпочтительнее второй способ. Вместо того чтобы единоразово использовать очень высокое напряжение для ускорения частиц, диаграммы Видероэ предполагали подачу осциллирующего напряжения на ряд металлических трубок, выстроенных друг за другом, но с промежутками между ними. Напряжение на трубках будет колебаться от положительного к отрицательному и обратно несколько миллионов раз в секунду при достаточно скромном напряжении. Частицы проходят через середину металлических трубок, как через водопроводную трубу, и только в промежутках между трубками частица сталкивается с напряжением. Если правильно все рассчитать, частицы будут получать небольшой толчок в каждом промежутке, точно так же, как при каждом небольшом толчке на качелях. Для нескольких трубок, питаемых от одного и того же осциллирующего источника, потребуется лишь небольшое напряжение, но общая энергия, получаемая с помощью этих трубок, может быть очень высокой.
Идея Видероэ была хорошей – за исключением одного фундаментального недостатка: чтобы достичь высоких энергий, линия трубок должна быть невероятно длинной. Но что, если вместо длинного ряда трубок запустить частицы по кругу и повторно использовать один и тот же ускоряющий промежуток? Лоуренс мог бы использовать концепцию резонансного ускорения для создания, как он это называл, протонной карусели.
Спеша проверить, сработает ли его идея, Лоуренс схватил бумажную салфетку и начал записывать уравнения. Он знал, что сможет изогнуть направление движения частиц, используя магнитное поле и давно известный факт, что сила магнита может толкать частицы под прямым углом к направлению их движения. С каждым оборотом частицы набирали бы немного энергии, вращаясь по спирали во все более крупных кругах, поскольку они двигаются быстрее. Работая над уравнениями, Лоуренс понял, что бóльшая скорость частиц на каждом бóльшем круге будет точно компенсировать более длинный путь, по которому они должны пройти, поэтому время, необходимое для возвращения к промежутку между трубками, будет оставаться одинаковым на каждом повороте. А значит, он может использовать напряжение, которое колебалось бы с постоянной частотой, что было бы легко спроектировать. Это было слишком хорошо, чтобы быть правдой.
Он помчался в факультетский клуб и попросил первого попавшегося математика, Дональда Шейна, быстро проверить его расчеты. Шейн подтвердил, что математика верна, затем посмотрел на Лоуренса и спросил: «Но что вы собираетесь с этим делать?». «Бомбардировать и расщеплять атомы!» – ответил Лоуренс.
Это была такая простая и элегантная идея, что Лоуренс удивился, почему она никому не приходила в голову. Несмотря на нетерпение, он не сразу начал осуществлять свой замысел, так как уже спланировал путешествие по стране. Он поехал в Вашингтон на собрание Физического общества, затем в Бостон, чтобы повидаться со своим братом Джоном, и в компанию General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк, где обещал провести два месяца. По пути он выступал с докладами и обедал со многими ведущими физиками, включая Роберта Милликена. Куда бы он ни пошел, он рассказывал о своей идее любому, кто только слушал.
Многие находили причины, по которой его идея не сработает. Говорили, например, что в таком устройстве невозможно сфокусировать частицы, поэтому они не смогут атаковать что-то такое маленькое, как атомное ядро. Также говорили, что частицы не станут следовать спиралевидной траектории или будут отлетать вертикально, врезаться в камеру и теряться. Возникали вопросы и касательно того, как Лоуренс будет извлекать частицы из машины, хотя на этот счет у него уже были некоторые идеи. Даже его старый друг Мерл Тьюв выразил сомнения, в то время как Лоуренс, в свою очередь, скептически отнесся к попыткам Тьюва ускорить частицы при помощи катушки Теслы. Но к тому времени, когда Лоуренс вернулся в Калифорнию, он был готов испытать свою идею.
Первый аспирант Лоуренса в Калифорнийском университете, Нильс Эдлефсен, был на шесть лет старше Лоуренса и только что закончил свою диссертацию. Шел 1930 год, и Эдлефсен еще не решил, какой работой займется после получения ученой степени, так что у него оказалось немного свободного времени. Эдлефсен хотел сосредоточиться на теоретической работе и подготовке к экзаменам, но у Лоуренса были другие соображения. Он настаивал на том, что его радикально новая идея ускорителя частиц гораздо интереснее изучения теории и он не видит никаких причин, по которым она не сработает. Эдлефсен тоже не видел в ней ничего плохого и, проучившись еще две недели, в конце концов сдался и согласился попробовать. «Хорошо! – сказал Лоуренс. – Приступим к работе. Вы сразу же придумаете то, что нам нужно».
Весной 1930 года Эдлефсен приступил к работе со стеклянной колбой размером с флакон духов, которую он выравнивал и покрывал серебром. Он осторожно соскреб узкую полоску серебра посередине, оставив две отдельные серебряные области для электродов. Конструкция колбы позволяла откачать из нее воздух и имела отверстия для введения ионообразующей нити, протонообразующего водорода и электрического датчика для определения результатов. Затем все отверстия были запечатаны воском. Лоуренс тем временем провел несколько переговоров, чтобы получить разрешение на использование самого большого магнита на кафедре. Идея состояла в том, что колба будет обмотана проволокой, доведена до состояния вакуума и помещена между полюсами магнита, что заставит частицы вращаться по спирали, по мере того как они будут набирать энергию. Наконец они были готовы подвергнуть свою установку испытанию.
Они ее включили. Стекло треснуло. Стеклянная камера явно не подходила. Ничуть не смутившись, Лоуренс и Эдлефсен пришли к новой идее. Они взяли маленькую круглую медную коробочку, которую Эдлефсен разрезал пополам, чтобы сформировать электроды. Затем их прикрепили к листовому стеклу с помощью воска так, что две половины коробки были разделены небольшим расстоянием, а их отверстия располагались параллельно друг другу. Если вы представите, что берете большое печенье, завернутое в медную фольгу, затем разламываете его посередине и вынимаете печенье, то два оставшихся медных фрагмента дадут вам представление о том, как выглядели половинки этой коробки. К ним был подключен радиочастотный генератор для получения переменного напряжения. Установка выглядела немного беспорядочно. После всех разговоров Лоуренса о его идее другие сотрудники лаборатории не сдерживались и поддразнивали Эдлефсена и Лоуренса по поводу их якобы мощной машины для ускорения частиц.
Удалось ли Эдлефсену успешно ускорить протоны в устройстве, неясно. Он действительно запустил несколько протонов циркулировать по кругу, но, прежде чем смог получить какие-либо определенные результаты, он должен был приступить к работе, которую нашел в другом месте. Но для Лоуренса проект был достаточно многообещающим, так что он немедленно нанял нового студента для работы над резонансным ускорителем.
Этот студент, Милтон Стэнли Ливингстон, был серьезным на вид сыном священника, который в университете переключился с химии на физику. Единственный сын в семье, он вырос на ферме в Калифорнии среди инструментов и машин, которые научили его практическим навыкам проектирования и построения сложных систем. Теперь эти навыки подверглись испытанию, поскольку он работал над устройством, которое должно было стать известным как «циклотрон».
Ливингстон собрал крошечное устройство, которое могло уместиться на ладони и было похоже на вариант Эдлефсена, хотя и более аккуратный. Всего 11 см в диаметре, оно было сделано из латуни и запечатано воском, а на само изготовление ушло около 25 долларов. Ливингстон быстро добился прогресса, и во время рождественских каникул 1930 года он и Лоуренс использовали эту 11-сантиметровую модель и колебательное напряжение в 1800 В, ускорив протоны до 80 000 эВ, – концепция сработала. Циклотрон мог ускорять частицы до энергий, во много раз превышающих использованное напряжение, точно так, как и задумывал Лоуренс в тот день в библиотеке.
Лоуренс и Ливингстон корректировали устройство, улучшая его методом проб и ошибок. Они изменили форму электродов и размер зазора между ними, а также слегка отрегулировали магнит с целью фокусировки, значительно увеличив ток пучка. Несколько недель спустя они построили циклотрон диаметром всего 30 см, для которого был изготовлен магнит еще большего размера. Настроив его, Ливингстон обнаружил, что они смогли разогнать протоны до скорости чуть менее миллиона эВ, приложив всего 3000 В. Лоуренс буквально прыгал по лаборатории: наконец-то его изобретение может разбивать атомы!
Лоуренс снова отправился в путешествие, и, пока он рассказывал о достоинствах своего нового изобретения, которое почти – но не совсем – достигло волшебной отметки в миллион вольт, Ливингстон продолжал работать. 3 августа 1931 года Лоуренс получил телеграмму, в которой сообщалось, что рекорд наконец достигнут: «Доктор Ливингстон попросил меня сообщить вам, что ему удалось получить протоны с напряжением в 1 миллион 100 тысяч вольт. Он также сказал мне добавить “Ого!”».
Лоуренс был у своей девушки Молли Блюмер, когда пришли новости. Он зачитал телеграмму ее семье. Пока все поздравляли его, он вывел Молли на улицу и сделал ей предложение. Она согласилась – при условии, что сначала закончит учебу в Гарварде. Затем Лоуренс поспешил обратно в лабораторию и провел последующие дни с Ливингстоном, демонстрируя изобретение всем желающим коллегам и друзьям. Относительно крошечная и недорогая машина смогла превзойти результаты, которые Кокрофт и Уолтон достигли с помощью генератора размером с комнату.
Если бы в тот момент они действительно сошлись на том, что достигли желаемого – разрушать атомы, – тогда история ядерной физики выглядела бы несколько иначе. Но команда Лоуренса из десятка физиков и инженеров была полна решимости достичь более высоких энергий. Воодушевленные заразительным энтузиазмом Лоуренса, они построили циклотроны большего размера, сначала 69 см циклотрон, для которого Федеральная телеграфная компания пожертвовала большой магнит, а затем его 94 см версию. Вскоре энергия протонов достигла 2 млн эВ.
Почему они не использовали циклотроны в научных целях? Почему они так увлеклись созданием все больших и больших устройств? Преуспев в создании циклотрона, они фактически изобрели совершенно новую область физики, в которой работаю и я, – физику ускорителей. Они поняли, что управление пучками заряженных частиц и манипулирование ими само по себе является увлекательной областью исследований и что прогресс в этой области обеспечит будущий прогресс в физике, как и предсказывал Лоуренс. Успешно ускоряя пучки с помощью циклотрона, команда Лоуренса уже опровергла заявления многочисленных недоброжелателей, которые говорили, что это невозможно. Теперь им предстояло поработать над тем, чтобы точно понять, как работают ускорители и как их улучшить, что требовало детального знания физики и поведения заряженных частиц. Они вышли так далеко за пределы технологии, что приобрели совершенно новые знания в физике и технике: знания о том, как пучки субатомных частиц создаются и взаимодействуют с электрическими и магнитными полями, как создавать электромагниты с точными свойствами и как фокусировать, транспортировать и измерять пучки субатомных частиц, невидимых глазу.
Энтузиазм Лоуренса и Ливингстона привел к тому, что команда пропустила ряд важных открытий. В 1932 году, как раз когда циклотрон побеждал в гонке высоких энергий, они были – с научной точки зрения – оставлены далеко позади теми, кто проводил более простые эксперименты. Чедвик открыл нейтрон и измерил его массу, которая оказалась очень похожей на массу протона. В Колумбийском университете Гарольд Юри открыл новый изотоп водорода с одним зарядом, но вдвое большей массой, называемый дейтерием. В том же году Андерсон с помощью облачной камеры открыл позитрон. А в апреле пришли важные вести: Кокрофту и Уолтону впервые удалось успешно расщепить атом. Команда Лоуренса быстро настроила циклотрон с литиевой мишенью, чтобы воспроизвести те же результаты. Всего за пару недель они легко увеличили энергию протонов до 1,5 МэВ, что почти в два раза превышает энергию, которой добились в Кавендише. В соответствии с теорией квантового туннелирования Гамова они обнаружили, что более высокие энергии еще больше увеличивают скорость реакции. Пускай они не были первыми, но, по крайней мере, они были правы, полагая, что высокие энергии позволят более эффективно разбивать атомы. Теперь, имея на руках самую высокую энергию, они были на взводе и мчались наперегонки. Циклотронщики, как их стали называть, решили провести эксперимент, который никому другому не удался бы. Они заставили химический факультет университета произвести немного дейтерия, или «тяжелого водорода». Они поместили его в свой ионный источник, чтобы отделить электрон и произвести дейтроны (ядра дейтерия) в качестве снарядов в циклотроне. С одним протоном и одним нейтроном, как предположила команда, более тяжелые дейтроны будут проникать в ядро мощнее, чем протоны. К 1933 году они добились совершенно ошеломительных результатов: все элементы, бомбардированные дейтронами, казалось, запускали реакции, скорости которых намного превышали те, которых можно было бы достичь с помощью протонов. В результате этих реакций всегда образуются нейтроны и протоны с удивительным количеством энергии. Единственным выводом, по словам Лоуренса, было то, что дейтрон распадался. Если это правда, то, как он подсчитал, нейтрон должен быть намного легче, чем измерил Чедвик.
Прежде чем Лоуренс успел это выяснить, ему пришло приглашение на Сольвеевский конгресс 1933 года в Брюсселе – встречу величайших представителей ядерной физики. Сначала Лоуренс не собирался ехать из-за своей большой преподавательской нагрузки, но приглашение было такой большой честью для его лаборатории и университета, что Лоуренсу позволили пропустить занятия и даже отправили его на корабле первым классом. В процессе подготовки Лоуренс собрал воедино все результаты экспериментов с дейтронами, какие только смог.
В Брюсселе Лоуренс оказался среди самых известных физиков, от Альберта Эйнштейна до Марии и Ирен Кюри и, конечно же, лорда Резерфорда. Когда подошла его очередь выступать, Лоуренс рассказал о больших перспективах циклотрона и представил свои результаты экспериментов с дейтроном. Однако он не произвел того впечатления, на которое рассчитывал: многие были настроены скептически или, в лучшем случае, думали, что он, должно быть, совершил ошибку. Резерфорд, самопровозглашенный дедушка ядерной физики, согласился с ними. Несмотря на это, ему понравился юноша-первопроходец. Он толкнул локтем Чедвика, который, должно быть, не был слишком впечатлен молодым американцем, и сказал: «Он прямо как я, когда я был в его возрасте!»
Вскоре команда Кавендиша, использовавшая ускоритель Кокрофта и Уолтона, показала, что дейтроны образуют слой тяжелого водорода на поверхности мишени. Реакции, которые наблюдала команда Лоуренса, заключались в столкновении дейтронов с другими дейтронами, а не в распаде других элементов. Это объясняет, почему результаты выглядели одинаково для каждой мишени, и в правильной реакции масса нейтрона ровно такая, какой ее описывал Чедвик. Раскритикованный Лоуренс написал всем заинтересованным лицам письма с извинениями за ошибку. Обращаясь к своей команде, он настаивал на том, что «наука может развиваться и через ошибки», но теперь он усвоил урок. В будущем им придется быть гораздо более осторожными.
Одна из причин, по которой Лоуренс и Ливингстон продолжали отставать, – отсутствие у них устройства для обнаружения и подсчета частиц. Вот уж чего определенно было в достатке в Кавендишской лаборатории! Команда Лоуренса пыталась разработать счетчик Гейгера, но отказалась после двух попыток, поскольку счетчики постоянно реагировали на высокий фоновый уровень радиации. У них не было и облачных камер, поэтому их измерения были довольно посредственными, хотя циклотрон мог производить гораздо более высокие энергии, чем другие машины.
После Сольвеевского конгресса и фиаско с дейтроном Лоуренс и Ливингстон вернулись к работе, как и все их конкуренты в лабораториях по всему миру. В 1934 году Лоуренс вбежал в лабораторию, размахивая экземпляром французского журнала. Отдышавшись, он сообщил своей команде новость: Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в Париже индуцировали радиоактивность, бомбардируя естественными альфа-частицами мишени из легких элементов. Им даже не потребовался ускоритель.
Понимая, что перед ними все элементы искусственно созданной версии того же эксперимента, они, как писал Ливингстон «… сменили мишень на углеродную, отрегулировали схемы счетчика, а затем на протяжении 5 минут бомбардировали мишень. <…> Счетчик был включен, “щелк-щелк-щелк-щелк”. Мы наблюдали наведенную радиоактивность спустя менее получаса с тех пор, как узнали о результатах Жолио-Кюри».
Команда Лоуренса была настолько сосредоточена на разработке циклотронов, что они упустили возможность первыми обнаружить искусственную радиоактивность. Но они были такие не одни, так как Кавендиш и любая другая лаборатория с ускорителем тоже остались в стороне. Команда Лоуренса подключила свой счетчик Гейгера к тому же переключателю, что и ускоритель, и как только он выключался, выключался и счетчик. Если бы они оставили его включенным, то с первых же экспериментов поняли бы, что циклотрон производит радиоактивные элементы. По крайней мере, теперь они могли понять причину, почему у них не получалось создать надежный счетчик Гейгера: вся лаборатория была радиоактивна.
Благодаря экспериментам Жолио-Кюри Лоуренс понял, что можно получить десятки новых радиоактивных элементов. Используя циклотрон, они могут бомбардировать различные элементы протонами или дейтронами, изменять число нейтронов и протонов и производить радиоактивные изотопы. Теперь они могут выйти за рамки естественных радиоактивных элементов. Они могут воссоздать реакции в звездах, которые в первую очередь привели к образованию этих элементов. Возможно, они могли бы даже создать такие элементы и радиоактивные изотопы, которые больше не встречаются на Земле или распались до очень малых количеств.
Менее целеустремленная команда с менее вдохновляющим лидером была бы обескуражена тем, что их циклотрон уступил первое место Кокрофту и Уолтону в гонке за расщепление атома и – всего за несколько недель – в открытии искусственной радиоактивности. Всего год спустя Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были удостоены Нобелевской премии по химии. Но если Лоуренс и завидовал успеху других, он этого не показывал. «Открытий хватит на всех», – говорил он своим ученикам. Кроме того, он не стал бы меняться местами с Кокрофтом и Уолтоном или с Жолио-Кюри, потому что теперь у него есть машина, которая обгонит их всех.
В течение одного или двух дней после открытия Жолио-Кюри в 1934 году Лоуренс открыл радионатрий, бомбардируя дейтронами мишень из хлорида натрия (поваренной соли). Циклотрон мог производить миллионы атомов радионатрия в секунду, которые затем распадались с периодом полураспада в 15,5 часа, испуская электроны и гамма-лучи. Он снова обнаружил, что чем выше энергия пучка циклотрона, тем выше выход радионатрия. Вслед за ним был открыт радиофосфор. Мы можем только представить, какое волнение Лоуренс, должно быть, испытывал, зная, что перед ним открывался целый мир радиоэлементов. Могут быть обнаружены десятки, если не сотни, новых радиоактивных веществ. В разгар этого волнения ему пришло в голову, что, возможно, эти новые радиоактивные элементы могут оказаться полезными для общества.
Лоуренс написал своему младшему брату Джону, врачу-гематологу. Летом 1935 года Джон Лоуренс приехал в Радиационную лабораторию на каникулы из Йеля, воодушевленный тем, что могут сделать новые радиоизотопы в области медицины.
Уже было известно, что рентгеновские лучи способны убивать человеческие клетки – потенциальное будущее лечение рака. Но никто еще не пробовал использовать радиоизотопы. Поскольку новые изотопы обладали теми же химическими свойствами, что и их нерадиоактивные аналоги, Джон понял, что системы организма могут отнестись к радиоактивным элементам так же, как и к обычным. Соль, изготовленная из радиоактивного натрия, будет усвиваться так же, как, например, обычная соль. Затем он мог бы использовать радиоактивные свойства для взаимодействия с телом или, возможно, даже для визуализации внутренних процессов организма, не делая при этом ни одного разреза на коже.
Джон начал с радиоактивного фосфора-32, производимого циклотроном, исследуя метаболизм животных. Фосфор – второй по распространенности элемент в организме после кальция, он составляет 1 % массы тела и, помимо всего прочего, участвует в формировании костей и зубов. Джон подготовил группу мышей с лейкемией и ввел им радиоактивный фосфор, а затем отправился к местной реке ловить рыбу. Две недели спустя он вернулся и обнаружил, что группа мышей, которым он сделал инъекцию, была жива и, по-видимому, здорова, в то время как все мыши «контрольной» группы, которым не делали инъекцию, были мертвы. В течение нескольких месяцев Джон Лоуренс испытывал радиоактивный фосфор на пациентах-людях и пришел к впечатляющим результатам: фосфор способствовал ремиссии их болезни.
Чуть позже Джон и Эрнест решили проверить, что случится с крысой, если подвергнуть ее внешнему облучению. Они поместили крысу в циклотрон в лучевой камере, между верхним и нижним полюсами магнита рядом с бериллиевой мишенью, и включили луч, обеспечив очень низкую дозу радиации. Примерно через минуту Джон попросил выключить циклотрон, чтобы проверить, как дела у крысы. Она была мертва. Это привело в ужас всю команду, которая испугалась, что биологические последствия радиации намного хуже, чем они думали. Они взялись за дополнительное экранирование циклотрона. Позже Джон понял, что крыса умерла не от радиации, а от недостатка кислорода: она была помещена в вакуумный сосуд, а весь воздух выкачали. Несмотря на это, внезапно возник большой интерес к воздействию радиации на людей, как положительному, так и отрицательному. Эксперименты были настолько многообещающими, что на следующий год Джон отправился в Калифорнийский университет, основал собственную лабораторию и собрал команду. Два брата проработали вместе много лет.
Если бы вы в те дни прошли через Радиационную лабораторию, то отметили бы, насколько она многолюдна. В одном помещении были и клетки с мышами, и «мокрые» лаборатории для химического разделения, и электрические приборы для физиков, не говоря уже о циклотроне и его экранировании. Вас окружали бы не только физики, но и эксперты из прочих областей, включая инженеров, химиков и биомедиков. Лоуренс не всегда мог позволить себе платить им – многие присоединялись к работе исключительно из энтузиазма. Возможность использовать свое открытие в медицине очень помогла ему с финансами, что было особенно важно во времена Великой депрессии. Радионатрий удалось получить с помощью 69-сантиметрового циклотрона, производящего дейтроны с энергией 6 МэВ при относительно скромном токе, но в 1937 году циклотрон был модернизирован и превращен в 94-сантиметрову машину с удвоенным током и энергией пучка в 8 Мэ В. Благодаря этому у исследователей было достаточно радионатрия и радиофосфора для работы, а у физиков – достаточно энергичный луч, чтобы лучше узнать ядерную физику.
Обычно циклотрон обстреливал цель, которая затем передавалась кому-нибудь с химического факультета, проводившему химическое разделение. Обычно это требовало растворения мишени и последующей перегонки для разделения химических веществ с помощью разницы в температурах их кипения. Иногда для разделения растворенных элементов требовались другие методы – например, добавление дополнительных химических веществ, чтобы элемент преобразовался в твердое вещество, или отделение элементов с помощью хроматографии. Как только все было сделано, физик снова брался за дело, используя электроскоп или другой инструмент для измерения активности и периодов полураспада продукта. Используя этот метод, химик Гленн Сиборг в 1937 г. обнаружил новый радиоактивный изотоп железа, железо-59, который сразу же нашел применение в изучении заболеваний крови.
Джон и Эрнест увидели наибольший потенциал в непосредственном применении радиации для лечения рака. Их эксперименты с использованием нейтронов показались перспективными. Они также изучали высокоэнергетические рентгеновские лучи, полученные с помощью линейного ускорителя, построенного коллегой Лоуренса Дэвидом Слоаном. В 1937 году Джон и Эрнест получили известие о том, что у их матери рак матки и ей осталось всего несколько месяцев. Клиника, в которой она находилась, – клиника Мейо – не хотела лечить ее облучением, но братья попросили одного из врачей, работавших с Джоном, попробовать применить рентгеновские лучи. Позже Джон Лоуренс сказал в одном интервью: «Короче говоря, огромная опухоль просто начала испаряться». На момент обнаружения болезни их матери было около 67 лет, она прожила до 83. Мы вернемся к лучевой терапии гораздо подробнее в главе 10.
В 1938 году Сиборг открыл кобальт-60 – интенсивный источник гамма-излучения с периодом полураспада 5,3 года, который позже нашел широкое применение, на пике своего использования обеспечивая 4 миллиона терапевтических облучений в год только в Соединенных Штатах. Он по-прежнему широко используется в медицине и промышленности в качестве хорошо регулируемого источника излучения. В том же году в беседе с врачом Сиборг узнал об исследованиях метаболизма в щитовидной железе с использованием йода-128, период полураспада которого составлял 25 минут и был настолько коротким, что препятствовал исследованиям. Доктор сказал, что он бы предпочел такой изотоп, у которого период полураспада составляет хотя бы неделю. Сиборг и его коллеги быстро нашли йод131, период полураспада которого, как и желал врач, составлял около восьми дней. Циклотрон дал такую богатую почву для открытий, что казалось, будто ученые могут изобретать новые изотопы по первому требованию. Йод-131 в настоящее время используется миллионы раз в год для диагностики и лечения заболеваний щитовидной железы, диагностики заболеваний почек и печени, а также для функционального тестирования органов. Мать Сиборга лечили йодом-131, в результате чего ее жизнь была продлена на годы.
По мере роста все новых применений радиоактивных элементов в медицине физики продолжали расширять границы, ища новые изотопы и собирая воедино все то, что они узнали о структуре ядра и о том, как его использовать. Теперь они могли не только создавать радиоактивные изотопы известных элементов, но и находить те вещества, которые никогда раньше не встречались в природе, чтобы заполнить пробелы в периодической таблице. Первым совершенно новым элементом, обнаруженным в 1937 году, был технеций (атомный номер 43). Он был синтезирован Эмилио Сегре в Италии, после того как он посетил Радиационную лабораторию и убедил Лоуренса отправить ему по почте тонкую молибденовую фольгу – часть циклотрона, – чтобы посмотреть, сможет ли он определить, какой тип радиоактивных элементов там присутствует. После серии химических разделений и очисток Сегре и его коллега Карло Перрье нашли доказательства наличия двух изотопов технеция: технеция-95m (с периодом полураспада 61 день) и технеция-97m (период полураспада – 91 день).
Все изотопы технеция радиоактивны, и так как преобладающий в природе изотоп технеций-99 имеет период полураспада 211 тысяч лет, его очень трудно найти, поскольку практически весь он распался за время существования Земли. Но с циклотроном стало возможно это исправить. В 1938 году Сегре переехал в Соединенные Штаты, где сотрудничал с Гленном Сиборгом, используя циклотрон, чтобы подтвердить существование другого изотопа нового элемента, технеция-99m. Период полураспада этого изотопа – около шести часов, а сам изотоп представляет собой стадию распада ядра технеция, во время которой испускаются гамма-лучи.
Технеций-99m оказался невероятно важным изотопом для медицинской диагностики, и впервые его использовали для медицинского сканирования печени в 1963 году. К концу 1990-х годов он использовался в более чем 10 миллионах диагностических процедур в год только в Соединенных Штатах, визуализируя функции щитовидной железы, головного мозга, печени, селезенки и костного мозга, а также других частей организма. Спрос возрос, и этот изотоп до сих пор широко используется медиками по всему миру в качестве радиоактивного индикатора. Сиборг и Сегре явно не подозревали о его потенциальном применении в медицине, когда занимались его изучением.
Остальные три недостающих элемента периодической таблицы Менделеева были найдены в течение следующих нескольких лет. Все четыре оказались радиоактивными, что объясняло, почему они оставались незамеченными: их очень мало в природе. Период полураспада самого долгоживущего изотопа – франция-233 – составляет всего 22 минуты (открыт в 1939 году Маргаритой Перей в Париже), период полураспада астата-210 – 8,1 часа (открыт в 1940 году Корсоном, Маккензи и Сегре в Калифорнии), а период полураспада прометия-145 – 17,7 года (открыт в 1945 году Маринским, Гленденином и Кориеллом в Теннесси). Когда периодическая таблица была заполнена, циклотрон позволил физикам из Беркли выйти за ее пределы. На протяжении многих лет Сиборг и другие физики, движимые вопросом о том, сколько нейтронов и протонов может удерживаться вместе в ядре и при каких обстоятельствах они стабильны или нестабильны, создавали все более тяжелые элементы. Сиборг был удостоен Нобелевской премии по химии в 1951 году за открытие трансурановых элементов – плутония, америция, кюрия, берклия и калифорния. Сиборг и его коллеги из Беркли позже синтезировали эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий и, конечно же, сиборгий, названный в честь Гленна Сиборга.
Благодаря циклотрону и другим ускорителям периодическая таблица значительно расширилась с тех пор, когда уран (атомный номер 92) считался самым тяжелым известным элементом. Сегодня самый тяжелый элемент, полученный в лаборатории, – это унуноктий (118), также известный как оганесон, названный в честь его первооткрывателя Юрия Оганесяна. Он был синтезирован в 2016 году в Дубне, Россия, и до сих пор было изготовлено только четыре его атома, поэтому его химические и физические свойства все еще изучаются. Чтобы понимать, как образовывались тяжелые элементы в ранней Вселенной, крайне важны исследования образования сверхтяжелых элементов, которые до сих пор продолжаются во многих лабораториях по всему миру.
Периодическая таблица показывает элементы, расположенные по атомному номеру или числу протонов, но из-за расширения числа радиоизотопов с помощью циклотрона появилась вторая версия, «таблица нуклидов», также известная как диаграмма Сегре: количество нейтронов нанесено на горизонтальную ось, а число протонов – на вертикальную. Стабильные элементы периодической таблицы лежат на диагональной линии, но вокруг них нарисована широкая полоса экзотических и нестабильных ядерных конфигураций, известных как нуклиды, расположенных и окрашенных в зависимости от типа излучения, которое они испускают при распаде.
Циклотроны становились все более и более мощными, и в 1939 году в Беркли была профинансирована и открыта новая лаборатория. В лаборатории Крокера был установлен аппарат длиной около 130 сантиметров, а команда Лоуренса насчитывала 60 человек для сборки и эксплуатации циклотронов, которые иногда потребляли так много энергии, что отключали электроэнергию в ближайшем городе. Среди всей этой лихорадочной работы Лоуренс нашел время посетить Стокгольм, чтобы получить Нобелевскую премию по физике 1939 года.
Открытия не прекращались, в частности, был открыт углерод-14 – изотоп, который стал ключевым в радиоуглеродном датировании. Несмотря на рост напряженности во всем мире в 1939 и 1940 годах, Лоуренс спроектировал и построил еще более крупную машину, предназначенную для того, чтобы впервые преодолеть энергетический барьер в 100 Мэ В. Для достижения такой высокой энергии требовался гораздо больший магнит, чтобы ограничивать луч. Чтобы удвоить энергию, надо было увеличить вес магнита в восемь раз, для чего потребовалось бы столько же железа, сколько для военного корабля. Огромная машина длиной почти 4,5 метра, вершина достижений в области создания циклотронов, была построена в новом здании выше по склону от первоначальной Радиационной лаборатории. Когда началась Вторая мировая война, она все еще строилась.
Многие физики, включая Лоуренса, были задействованы в войне: искали способы высвобождать энергию из ядер в качестве оружия, и огромный новый циклотрон был реквизирован для военных целей. Тем временем Джон Лоуренс разработал методы визуализации, которые предполагали использование радиоактивных газов для изучения внутреннего функционирования человеческого организма. Работая вместе с Корнелиусом Тобиасом, одним из учеников Эрнеста Лоуренса, он использовал радиоактивные изотопы газов азота, аргона, криптона и ксенона (полученные с помощью полутораметрового циклотрона), чтобы выяснить природу «кессонки», или декомпрессионной болезни. Это было в те дни, когда летчики еще не использовали противоперегрузочные костюмы. Сегодня радиоактивный газ криптон по-прежнему используется в больницах для визуализации дыхания пациентов.
Вероятнее всего, сегодня вы найдете циклотрон не в большой лаборатории, а в подвале больницы. В настоящее время создано и широко используется в медицине более 50 типов радиоизотопов, и почти во всех крупных больницах есть отделение нуклеологии – ядерной медицины. Эти радиоизотопы могут лечить болезни и помогают поставить диагноз, когда наши гормоны, кровоток или другие функции органов не работают должным образом. Если вам когда-нибудь понадобится снимок вашей щитовидной железы, кости, сердца или печени, скорее всего, вы воспользуетесь техникой, разработанной братьями Лоуренс и их командой. Во всем мире ежегодно проводится от 15 до 20 миллионов таких сканирований – примерно одно на сто человек в развитых странах.
Без сотрудничества Джона и Эрнеста Лоуренсов, без стремления разбивать атомы все более и более мощными ускорителями и без междисциплинарного сотрудничества ничего этого не было бы. Сиборг позже говорил, что, когда он работал над поиском радиоизотопов, у него не было ни малейшего представления о полезном клиническом применении его открытий. Лоуренс, конечно, не думал, что создаст машину, которая изменит медицину. Джон и Эрнест, когда были молоды, и не предполагали, что будут работать вместе. Тем не менее Лоуренса и его лабораторию стали считать пионерами междисциплинарного сотрудничества и основоположниками эры Большой науки.
Вдохновение, которое подтолкнуло Лоуренса к созданию циклического ускорителя, проложило путь к более высоким энергиям, чем когда-либо видела наука. На протяжении десятилетий циклотрон двигал ядерную физику вперед. Даже Чедвик построил один такой циклотрон в Ливерпульском университете, заручившись помощью Лоуренса и сказав ему, что это один из самых красивых когда-либо изобретенных инструментов. Тем не менее, несмотря на все открытия и достижения в медицине, энергия циклотронных лучей все еще была намного меньше энергии частиц, исходящих от космических лучей, и в конце концов даже эти прекрасные машины начали достигать своего предела.
Огромное количество железа, необходимое для изготовления магнитов, затрудняло создание более крупных машин. Даже при достаточном количестве железа законы физики в конечном итоге сорвут планы создания все больших и больших циклотронов. Специальная теория относительности Эйнштейна утверждала, что по мере приближения частиц к скорости света они будут продолжать набирать энергию, но больше не будут набирать скорость. Это означает, что с увеличением энергии частицы в циклотроне будут рассинхронизироваться с ускоряющимися толчками и достигнут своего верхнего предела, возможно, в несколько сотен Мэ В. Пришло время что-то менять.
