Напряжение - это потенциальная энергия электрического поля, приходящаяся на единицу заряда. Оно показывает, насколько легко частице той или иной массы и заряда ускориться, пройдя путь от одной заданной точки к другой. При прочих равных чем выше напряжение, тем ускорение больше. Другими словами, напряжение показывает, с насколько крутой лестницы скатывается заряд и какую скорость наберет при подлете к нижней площадке.
В установке Видероэ частицы запускались в первую дрейфовую трубку, находящуюся под напряжением в 25 000 вольт. Эта разница потенциалов и заставляла их ускоряться. Пока частицы совершали свой путь внутри трубки, Видероэ выполнял ловкий трюк - обращал разность потенциалов, то есть низкое и высокое напряжение на соседних трубках менял местами. Будучи внутри первой трубки, частицы этого не чувствовали, но едва выскочив в зазор, снова попадали под действие большой разности потенциалов (с высоким начальным и низким конечным напряжением) и ускорялись еще сильнее. В методе Видероэ одно и то же напряжение использовалось дважды, позволяя в два раза повысить эффективность заданного электрического поля, а значит, можно было обойтись сравнительно низковольтной батареей.
На выходе второй трубки Видероэ поставил фотографическую пластинку, которая запечатлевала следы от ударов ускоренных частиц. В первую очередь он пропустил через свою установку - и успешно - ионы калия и натрия. (Чтобы их получить, достаточно было «счистить» с атомов внешние электроны.) Разность потенциалов ускоряла положительно заряженные ионы, и они попадали в фотопластинку. Набрав нужное количество данных, Видероэ описал свои исследования в диссертации, которую защитил в университете Аахена. Диссертацию он опубликовал в журнале, где редактором был его научный руководитель.
Вдохновленный результатами Видероэ, Уолтон в декабре 1928 г. предложил Резерфорду построить в Кавендишской лаборатории линейный ускоритель. Резерфорд давно ждал подходящей возможности соорудить прибор, который помог бы заглянуть внутрь одного из легких элементов, например лития. (Литий занимает третье место в таблице Менделеева, и его ядро, как сейчас известно, содержит три протона и четыре нейтрона.) На следующий месяц перед исследовательской группой с докладом выступил Гамов, представив свою формулу подбарьерного перехода. Кокрофту не терпелось применить ее к случаю бомбардировки протонами ядер лития. Оценки показывали, что понадобится энергия порядка сотни тысяч электронвольт. По человеческим меркам даже 1 МэВ (один миллион электронвольт) безумно маленькая энергия: примерно одна миллиардная от миллиардной доли килокалории. Элементарным частицам уж точно не грозит избыточный вес, но такая порция энергии как минимум устроит им серьезную встряску!
Узнав про эти оценки, Резерфорд вызвал Кокрофта и Уолтона к себе в кабинет. «Постройте мне ускоритель на один миллион электронвольт, - было распоряжение. - Мы расколем атом лития в два счета»26.
Кокрофт и Уолтон тут же принялись собирать линейный ускоритель, который затем поместили в переоборудованную под него лекционную аудиторию. Вдобавок к прямой трубке экспериментаторы смастерили особый резервуар высокого напряжения, сегодня известный как генератор Кокрофта-Уолтона. Он представлял собой так называемый умножитель напряжения, состоящий из четырех последовательных высоковольтных генераторов, которые образовывали лесенку высотой около 3,5 м.
Благодаря подключенным к контуру конденсаторам (накопителям заряда) довольно умеренное входное напряжение обращалось в итоге почти 70 100 000 вольт. Подстегиваемые этой громадной разностью потенциалов, протоны в вакуумной трубке ускорялись электрическим полем и сталкивались на выходе с ядрами-мишенями, а многочисленные осколки проявляли себя как искры на флуоресцентном экране, который также окружался вакуумом.
Один из первых ускорителей - генератор Кокрофта-Уолтона, Этот экземпляр списан и теперь стоит в саду «Микрокосм» научного музея ЦЕРН.
В 1931 г. Уолтон получил в Кембридже степень доктора философии, Ускоритель в Кавендише вот-вот должен был быть готов, и в планы Резерфорда никак не входило потерять одного из главных своих «архитекторов». Поэтому Уолтону была присуждена стипендия им. Клерка Максвелла, которая давала право еще три года остаться в лаборатории, то есть продолжать сотрудничать с Кокрофтом и Резерфордом.
Кембридж, однако, был далеко не единственным местом, где пытались расщепить атом. Физики из других университетов отлично знали, чем занимается Резерфорд, и надеялись соорудить собственные атомные ножницы и разрезать ядро сами. Их интерес подогревался не только научными соображениями. Со временем пришло осознание того, что внутри атомного ядра должна быть заключена колоссальная энергия. Знаменитое соотношение Эйнштейна между энергией и массой намекало, что если при расщеплении ядра будет наблюдаться убыль массы, ей некуда деваться, кроме как перейти в энергию - и какую энергию! В 1904 г., еще до прозрения Эйнштейна, Резерфорд написал: «Если бы мы могли задавать интенсивность радиоактивного распада по собственному усмотрению, небольшое количество вещества представляло бы огромный резервуар энергии»27. (В 1933 г. он поправился и сделал - редкий случай - неверное предсказание о том, что атомная энергия, как ни подчиняй ее, никогда не будет рентабельной.)
Ключевой фигурой в покорении энергии атома суждено было стать венгерскому физику Лео Сциларду со свойственным ему оригинальным стилем мышления. В декабре 1928 г. Сцилард запатентовал свою собственную конструкцию линейного ускорителя. Подобно Изингу и Видероэ, на роль хлыста, подгоняющего заряды, Сцилард поставил осциллирующее (меняющее свое направление) электрическое поле. В своей заявке на патент, озаглавленной «Ускорение корпускул», он описал способ так выровнять заряженные ионы, чтобы они оседлали бегущую волну, которая их и разгонит: «В нашей схеме электрическое поле можно представить как сумму двух компонент: одна ускоряется слева направо, а вторая замедляется справа налево. Прибор так устроен, что скорость разгоняемых ионов в каждой точке равна локальной скорости той компоненты, что движется слева направо»28.
Отметим, что до реального воплощения этой идеи Сцилард так и не дошел. Он, кроме того, хотел запатентовать еще две конструкции помимо этой, но они также не были претворены в жизнь. О судьбе этих патентных заявок ничего не известно. Вероятно, служащие патентного бюро были осведомлены о работах Изинга и Видероэ.
Примерно в то же время, когда Кокрофт и Уолтон работали над своим детищем, американский физик Роберт Джеймисон Ван де Грааф додумался до простой, но мощной модели ускорителя, которая благодаря своим небольшим размерам и портативности быстро пришлась в физике к месту. Ван де Грааф, появившийся на свет 20 декабря 1901 г. в Таскалузе, штат Алабама, начал свою карьеру на прикладном поприще. Получив в Алабамском университете степень сначала бакалавра, а потом магистра, он устроился в местную электроэнергетическую компанию, где провел один год. Он, может, и остался бы там, но его влекла Европа. В 1924 г. он поступил в парижскую Сорбонну. О радиоактивности и тайнах ядерного распада ему рассказывала сама Мария Склодовская-Кюри. Благодаря своим способностям Ван де Грааф выиграл стипендию Родса и поехал продолжать образование в Оксфорд. Именно там он узнал об экспериментах Резерфорда по бомбардировке атомных ядер и задаче ускорения частиц до высоких энергий. В 1928 г. в Оксфорде ему присудили степень доктора философии.
Через год Ван де Граафу предложили место научного сотрудника Пальмеровской физической лаборатории, экспериментального центра Принстонского университета. Там он разработал и построил прототип совершенно нового типа электростатического генератора, способного аккумулировать гигантскую энергию и давать мощный разряд. Идея Ван де Граафа состояла в том, чтобы обеспечить непрерывный поток заряда от источника тока к металлической сфере, использовав для этого быстро движущийся изолированный ремень. Для своего первого генератора Ван де Грааф взял шелковую ленту и жестяную банку (в более поздних моделях на смену им пришли другие материалы). Острая щетка, расположенная у основания ремня и подсоединенная к источнику питания, ионизует свое ближайшее окружение, таким образом сообщая конвейерной ленте заряд. Прилипнув к ремню, заряд, в свою очередь, доезжает до верха, где его соскабливает вторая щетка, и оседает на сфере. Весь генератор погружается в газовую среду под давлением, которая изолирует его от внешнего мира и позволяет накопить на сфере ощутимый заряд.
Если внутрь сферы внести источник частиц (радиоактивное вещество или источник ионов), а возле него поместить один из концов полой трубки, то генератор Ван де Граафа превратится в простейший ускоритель. Благодаря разности потенциалов между сферой и землей частицы в трубке приобретают высокие скорости. Если предусмотреть на другом конце мишень, разогнавшиеся снаряды будут попадать прямо в нее.
