потому, что они быстрее, экологичнее и эффективнее, чем альтернатива, например химикаты или ручная обработка. Это немалый рынок: по статистике, только в Соединенных Штатах ежегодно с помощью пучков частиц создается или модифицируется продукция на сумму около 500 млрд долл. Многие из используемых машин представляют собой электростатические ускорители, потомки того, который Кокрофт и Уолтон использовали для расщепления атома в начале 1930-х годов.

Одно из масштабных применений ускорителей – полупроводниковая промышленность. Мощные компьютерные чипы в наших смартфонах и ноутбуках основаны на электронных компонентах, изготовленных из полупроводников, формирующих 1 и 0, на которых основана вся компьютерная логика. Чтобы превратить такой полупроводник, как кремний, в полезное устройство, его необходимо слегка загрязнить, добавив легирующие примеси: крошечные количества других элементов, таких как бор, фосфор или галлий. Именно эти легирующие добавки дают точный контроль над электрическими свойствами полупроводника, но их очень сложно добавить химическим путем. Единственный точный способ сделать это – контролировать отдельные ионы и вводить их с помощью ускорителя частиц. Это процесс, называемый ионной имплантацией. Без ускорителей частиц у нас не было бы современной полупроводниковой электроники, которая сейчас встроена в цифровые фотоаппараты, стиральные машины, телевизоры, автомобили, поезда и даже рисоварки.

С помощью пучков частиц можно модифицировать не только полупроводники – их используют даже ювелиры. У алмазной компании DeBeers есть ускорители, производящие ионные пучки, которые используются для бомбардировки необработанных драгоценных камней. Так можно изменить цвет бриллианта или, например, превратить бирюзу из темно-розовой в прозрачно-голубую.

Между тем всего в 15 метрах под знаменитой стеклянной пирамидой в парижском Лувре находится ускоритель частиц, полностью посвященный искусству. Установка называется AGLAE – ускоритель элементного анализа Лувра, – инсталляция длиной 37 метров, которая используется для бомбардировки артефактов из музея, чтобы выяснить, из каких элементов они сделаны. Под руководством директора лаборатории доктора Клэр Пачеко команда с помощью ускорителя занимается анализом ионных пучков.

Один из регулярно используемых методов – спектроскопия резерфордовского обратного рассеяния. Исследователи подсчитывают ионы, отскакивающие от мишени, в поисках того же результата, который ученые из Кавендиша получили в эксперименте с золотой фольгой, чтобы показать, что у атома есть ядро. Теперь, в контролируемых условиях ускорителя, можно использовать всю мощь этой идеи. Исследуемое произведение искусства помещается на линию пучка частиц, и детектор улавливает ионы, которые рассеиваются в обратном направлении. Для каждого положения детектора различные атомные ядра отражают разное количество ионов, и ускоритель изменяет энергию ионного пучка, чтобы получить характеристическую кривую зависимости энергии от количества ионов. Потом остается только сравнить кривые с кривыми известных материалов, чтобы определить, какие атомы находятся в образце и их относительное количество. Этот метод использовался, например, для подтверждения того, что ножны, принадлежавшие Наполеону, действительно изготовлены из чистого золота. С помощью этого и других методов команда доктора Пачеко может идентифицировать даже малейшие следы элементов периодической таблицы Менделеева, от лития до урана, чтобы раскрыть секреты и происхождение произведений искусства и исторических артефактов без нанесения им какого-либо ущерба. Если вы когда-нибудь задавались вопросом, как историки искусства однозначно определяют подлинность того или иного произведения, то вот один из способов.

Те же методы используются для установления точного состава стекла бутылок старинного вина и сравнения их с известными подлинными бутылками. Винное мошенничество – большая проблема в винодельческой промышленности. Так, однажды коллекционер потратил 500 тысяч долл. на четыре бутылки вина, которые, как утверждалось, принадлежали бывшему президенту США Томасу Джефферсону. Путем ионного анализа выяснилось, что бутылки поддельные, и довольно быстро против виноторговца был возбужден судебный процесс.

Схожая идея также начинает применяться в криминалистике. Большинство методов по сбору следов наркотиков, таких как кокаин, или следов выстрелов уничтожают сами образцы. Но ученые, в том числе доктор Мелани Бейли из Университета Суррея, Великобритания, в настоящее время используют анализ ионных пучков для изучения улик, найденных на месте преступления[142]. Не уничтожая улики, доктор Бейли может проверить элементный состав образца и обнаружить крошечные количества наркотиков или следы, которые были упущены другими. Она даже может сравнить свои результаты с материалами, найденными на одежде или теле подозреваемых: например, крошечные образцы почвы, взятые с обуви, могут указать на подозреваемого.

Для физиков 1932 года все эти технологии были далеким будущим. Кокрофт и Уолтон работали с ускорителем в течение нескольких лет, но вскоре инициатива перешла к новым исследователям. Джон Кокрофт взял на себя управление другими подразделениями лаборатории, а позже работал над использованием ядерной энергии в энергоснабжении. Эрнест Уолтон получил академическую должность в своей родной Ирландии – в Тринити-колледже в Дублине. Этот напряженный период в их карьере, который принес им Нобелевскую премию в 1951 году, больше не повторялся.

Их успех, пришедшийся на тот же год, когда был открыт позитрон, осуществил мечту Резерфорда – открытие того, что находится внутри ядра. Все части головоломки теперь сошлись воедино: ядро атома содержит как протоны, так и нейтроны, обычно в примерно равных количествах. Изотопы различаются по массе, потому что у них разное количество нейтронов, в то время как количество протонов остается неизменным. Некоторые конфигурации более стабильны, чем другие, при этом нестабильные радиоактивны. Теперь задача Резерфорда состояла в том, чтобы понять силы, которые каким-то образом удерживают ядро вместе. Как присутствие нейтронов мешает положительным протонам разрушить ядро? Возникла идея новой, ядерной силы, удерживающей их вместе.

В то время как изобретение Кокрофта и Уолтона все еще использовалось как в научных, так и в промышленных целях, стало ясно, что ускорители частиц, использующие огромные напряжения, скоро достигнут своего предела. Требовалась новая технология. Резерфорд и его коллеги и не подозревали, что именно эта технология, уже разработанная в Соединенных Штатах, почти опередила их в достижении всемирно известного результата.

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