После того, как стало известно, что ядра атомов состоят из определенного числа протонов и нейтронов, ученые стали изучать возможность осуществления их перестройки при помощи ядерных реакций. Принимая во внимание, что протоны и нейтроны в атомном ядре связаны между собой гораздо прочнее, чем атомы в молекуле, исследователи стремились разработать новые экспериментальные методы.
Основу этих методов составляла бомбардировка атомов частицами с высокой энергией, например, α-частицами различного происхождения, протонами и нейтронами. Способность α-частиц вызывать расщепление ядер стала очевидной уже в 1907 г. после опытов Рамзая и Камерона, изучавших радиолиз воды и некоторых газов при действии излучения радия даже при комнатной температуре.
Первыми систематическими исследованиями в этом направлении можно считать эксперименты Э. Резерфорда (см. т. 2, глава 5, п. 5.2), связанные с бомбардировкой различных элементов (с атомными номерами от 5 до 19) потоком альфα-частиц. Ему удалось обнаружить, что каждое попадание α-частицы в цель сопровождается нарушением структуры ядра изучаемого атома.
На основании проведенных исследований в 1919 г. великий английский физик смог доказать, что α-частицы могут выбивать протоны из ядер атомов азота и встраиваться в нарушенную структуру ядра. Таким образом, Резерфорд впервые осуществил искусственную ядерную реакцию:
147N + 42Не → 178O + 11p. (6.6)
Лишь в первой четверти XX в. британскому физику удалось воплотить в жизнь заветную мечту средневековых алхимиков: преобразовав один элемент в другой, он осуществил процесс трансмутации. В течение нескольких лет Э. Резерфорд провел серию других ядерных реакций с использованием потоков α-частиц, образующихся при естественном распаде тяжелых радиоактивных элементов. Однако такие α-частицы обладали сравнительно невысокой энергией, поэтому возможности по превращению одних элементов в другие в этот момент были весьма ограниченными.
Чтобы расширить экспериментальные возможности, физики принялись за разработку устройств, способных генерировать частицы с высокими энергиями. Наиболее плодотворной оказалась идея заставить заряженные частицы двигаться с ускорением в электромагнитном поле и тем самым существенным образом повысить их кинетическую энергию. Первыми к успешному техническому решению этой проблемы пришли английский физик Дж. Д. Кокрофт и его ближайший сотрудник ирландец по происхождению Э.Т. С. Уолтон. Они создали первый в мире генератор ускоренных протонов (каскадный генератор), с помощью которого в 1932 г. осуществили бомбардировку атомов лития и получили ядра атомов гелия (α-частицы):
73Li + 11p → 42He + 42Не. (6.7)
В ускорителе Кокрофта-Уолтона частицы перемещались по прямолинейной траектории. Поэтому для того, чтобы получить поток протонов с высокой энергией, требовалась очень громоздкая аппаратура. В тридцатые годы XX в. американский физик Э.О. Лоуренс предложил и разработал установку, в которой частицы ускорялись, двигаясь по циклоиде. Этот относительно компактный ускоритель получил название циклотрона и позволял генерировать частицы с очень высокой энергией.
Ядерная реакция. Изображение получено в камере Вильсона
Цикл радиоактивных превращений: углерод — азот — кислород
Примерно в это же время английский физик Поль Дирак, решая свое знаменитое уравнение, теоретически обосновал существование античастиц, в частности, позитрона (см. т. 2, глава 5, п. 5.4). Как уже говорилось ранее, в 1932 г. позитрон был обнаружен американским физиком К.Д. Андерсоном во время исследования космических лучей. Однако обнаружить антипротон не удавалось еще в течение четверти столетия. Поскольку масса антипротона практически в 1836 раз больше массы позитрона, то и для его образования требуется гораздо больше энергии. Получить эту античастицу посчастливилось американским физикам Э. Сегре и О. Чемберлену лишь в 1955 г. при использовании сверхмощных ускорителей.
Позднее была установлена возможность существования частиц антивещества, специфических атомов с отрицательно заряженными ядрами, состоящими из антипротонов, вокруг которых вращаются положительно заряженные позитроны. Очевидно, что в условиях нашей планеты время жизни частиц антивещества чрезвычайно мало, поскольку при контакте вещества с антивеществом они аннигилируют, высвобождая огромное количество энергии.