Как обычный стол повлиял на результаты нейтронного эксперимента?

18 октября 1934 года в Институте физики Римского университета Эдоардо Амальди и Бруно Понтекорво проводили эксперимент, в ходе которого они облучали небольшой серебряный цилиндр нейтронами с целью изучения наведенной радиоактивности. В процессе эксперимента они столкнулись с необычным и очень странным явлением: уровень радиоактивности зависел не только от расстояния до источника нейтронов и прочих его характеристик, но и ещё от кое-чего.

Когда Бруно Понтекорво впервые озвучил сомнительные результаты и описал наблюдения, то беседа с коллективом кончилась насмешками, а руководитель лаборатории вообще попросил его отказаться от научной деятельности. И на то была весомая причина. Ведь физик в докладе на полном серьезе сказал, что результат эксперимента коррелирует с материалом стола.

Оказалось, что на деревянном столе уровень наведенной радиоактивности был значительно выше, чем на мраморном. Однако странное явление продолжало проявляться, даже когда опыты повторялись без участия Понтекорво. Стало очевидным, что в лаборатории нащупали какое-то интересное физическое явление.

Первые попытки разобраться в зависимости радиоактивности от типа стола оказались неудачными. Но знаменитый физик Энрико Ферми, который на тот момент работал в этом же институте, предложил интересное решение. Он установил парафиновый экран между источником нейтронов и серебряным цилиндром. В результате счетчик Гейгера начал фиксировать резкое увеличение уровня наведенной радиоактивности на цилиндре. Коллектив предположил, что на сей раз сломался счётчик Гейгера. Но дело было совсем в другом.

Оставшись в лаборатории на обеденный перерыв, Ферми начал думать о наблюдениях. Стол и парафин. Что может их объединять? Например то, что они оба из полимерных материалов. Причём, состав в чём-то схожий. Присутствует большое количество водорода.

Ядра водорода имеют массу, схожую с нейтронами, и при столкновении с ними нейтроны замедляются, подобно тому, как мяч теряет скорость при столкновении с другим мячом такого же размера. Это предположение стало первым шагом к разгадке.

Ферми также осознал, что замедленные нейтроны имеют больше шансов быть захваченными ядрами облучаемых элементов, что делает их нестабильными и радиоактивными. На высоких скоростях вероятность захвата значительно уменьшается, так как нейтрон просто не успевает взаимодействовать с ядром и пролетает мимо. Таким образом, чем медленнее нейтрон, тем больше времени он проводит в радиусе захвата ядра, что увеличивает вероятность его поглощения.

Эта теория блестяще объясняла наблюдаемую аномалию. В деревянном столе содержится больше атомов водорода, чем в мраморном, что позволяет нейтронам замедляться и достигать цели с большей вероятностью захвата. Получается простая схема. Источник нейтронов испускает частицы в сторону серебряного цилиндра, какая-то их часть попадает напрямую на образец, а некоторое количество достигает стола. Там они взаимодействуют со столом и, если стол содержит большое количество водорода и деревянный, то отражаются обратно. Скорость их движения при этом ниже, чем в случае отражения от мраморного стола. Вот и разгадка феномена.

Для проверки гипотезы Ферми провел эксперимент с веществом, имеющим еще более высокую концентрацию водорода, погрузив источник нейтронов и мишень в фонтан с золотыми рыбками в саду института.

Результаты подтвердили предположения. Вода, как и парафин, значительно увеличивала уровень искусственной радиоактивности серебра. Логика работала, а тайна оказалась раскрытой. В итоге простой деревянный стол чуть не стоил научной карьеры Эдоардо Амальди и Бруно Понтекорво.