Джон Кокрофт

Биография

Английский физик Джон Дуглас Кокрофт родился в Тодмордене, Йоркшир. Он был старшим из пяти сыновей Джона Артура Кокрофта и Мод (Филден) Кокрофт. Его отец был владельцем небольшой хлопкопрядильной фабрики, и трое из его братьев пошли по стопам отца, поскольку их семья занималась этим бизнесом уже пять поколений. Однако Джон, блестящий ученик и спортсмен, получил в 1914 г. стипендию для обучения в Манчестерском университете.

В Манчестере К. начал изучать математику и посещать лекции физика Эрнеста Резерфорда. Резерфорд, получивший признание за свои работы по радиоактивности и строению атома, сумел доказать, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия. Более того, он показал, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Это было время, когда перед математиками и физиками встало множество серьезных проблем. Радиоактивность была открыта Анри Беккерелем менее 20 лет назад, в 1896 г.; теория относительности Альберта Эйнштейна, опубликованная в 1905 г., только начала осмысливаться учеными. Но разразилась первая мировая война, и в 1915 г., после года занятий в университете, К. вступил в добровольческое формирование Ассоциации молодых христиан. На военную службу его призвали в этом же году. До своего выхода в запас в 1918 г. он воевал на Западном фронте и продвинулся по службе от сигнальщика до офицера Королевской полевой артиллерии.

Вернувшись в Манчестер, К. стал заниматься электротехникой, и за эти работы получил степень магистра в 1922 г. Став в дальнейшем стипендиатом по математике колледжа св. Джона в Кембридже, он получил там степень бакалавра с отличием в 1924 г. и поступил в кембриджскую Кавендишскую лабораторию младшим ассистентом-исследователем. Четыре года спустя он получил докторскую степень. В Кембридже К. читал лекции по физике и занимался математическими и техническими разработками. Совместно с русским физиком Петром Капицей он разработал трансформаторные обмотки для получения интенсивных магнитных полей. Он также исследовал поверхностные пленки, полученные с помощью атомных пучков.

Резерфорд был директором Кавендишской лаборатории с 1919 г., придя сюда известным ученым, доказавшим, что атомное ядро можно разрушить, бомбардируя его субатомными частицами. Расщепление ядра, которое Резерфорд выполнил, используя естественное излучение альфа-частиц (ядер гелия) и превратив при этом атомы азота в атомы кислорода, открыло новое поле экспериментальных исследований. Следующая первоочередная цель состояла в том, чтобы научиться осуществлять трансмутацию атомов в гораздо больших масштабах, чем это можно было сделать с помощью методов Резерфорда. Некоторые исследователи считали, что этого можно было бы добиться, ускоряя атомные частицы в больших количествах. Поскольку положительно заряженные частицы испытывают сильное отталкивание со стороны атомных ядер, которые также заряжены положительно, требуется получить чрезвычайно большие ускорения.

Многие ученые и в Европе, и в Соединенных Штатах наперегонки стремились добиться большего ускорения частиц, используя два различных подхода. В так называемом прямом методе энергия получалась с помощью единичного высоковольтного электрического импульса. В другом методе частицы ускорялись, проходя циклически через низковольтное поле несколько раз. Из двух методов циклический казался большинству исследователей более обнадеживающим: хотя для него требовалось более сложное оборудование, но зато здесь использовалось вполне доступное напряжение, тогда как в прямом методе необходимое высокое напряжение было трудно получить на оборудовании того времени.

Вдохновленный теориями физика русского происхождения Георгия Гамова, К. решился развивать прямой метод. Гамов с помощью квантовой механики подсчитал, что, поскольку субатомные частицы обладают волновыми свойствами, они время от времени смогут проникать сквозь ядерный барьер, даже когда их энергии не хватает для его преодоления. Уравнения Гамова объясняли, как альфа-частицы могут покидать ядра радиоактивных элементов; однако К. понял, что те же принципы позволяют другим частицам проникать в ядро с помощью энергии, существенно меньшей, чем считалось ранее.

С Эрнестом Уолтоном, своим коллегой по Кавендишской лаборатории, К. разработал основанную на прямом методе установку, способную подавать напряжение всего лишь в 600 киловольт к трубке, содержащей водород. (Для преодоления ядерного барьера потребовалось бы несколько млн. вольт.) С помощью этой установки К. и Уолтон в апреле 1932 г. бомбардировали литий ядрами водорода, или протонами. «Почти сразу же, – вспоминал потом К., – при энергии в 125 киловольт доктор Уолтон увидел ядерную сцинтилляцию, характерную для альфа-частиц». Они превратили литий и водород в гелий, став тем самым первыми учеными, которым удалось искусственно расщепить атом. Их достижение послужило также экспериментальным подтверждением теории Гамова и показало, что количество энергии, освобождающейся при превращениях атомов, точно соответствует основному уравнению теории относительности Эйнштейна: E = mc2.

В 30-х гг. К. продолжал свои эксперименты, используя разные бомбардирующие частицы и атомные ядра, такие, как бор и фтор. После открытия искусственных радиоактивных элементов Фредериком Жолио и Ирен Жолио-Кюри К. и Уолтон показали, что они могут также получать такие элементы, облучая бор и углерод ядрами водорода. В 1934 г. К., способный администратор, был назначен директором лаборатории Монда Королевского общества в Кембридже. Год спустя он вместе с Резерфордом занялся переоборудованием Кавендишской лаборатории, в частности установив там циклотрон – ускоритель, изобретенный Эрнестом О. Лоуренсом. Циклические ускорители были вскоре усовершенствованы и стали ныне общепринятыми, хотя генератор Кокрофта – Уолтона продолжает использоваться как источник протонов в ряде мощных установок.

В 1939 г. началась вторая мировая война, и К. снова принял участие в военных разработках Великобритании. На него была возложена основная ответственность за разработку и развертывание радаров, решающего фактора, обеспечившего успех Британии в воздушной войне с Германией. В 1940 г. его послали в США в качестве вице-президента Тизардовской комиссии, которая вела переговоры об обмене технической военной информацией с американскими учеными перед вступлением Соединенных Штатов в войну. После возвращения из США К. возглавил отдел научных исследований британских ВВС. В 1944 г. он отправился в Канаду, чтобы возглавить отдел атомной энергии, подчиненный Национальному исследовательскому совету Канады; эта группа приняла участие в Манхэттенском проекте по разработке и производству первой атомной бомбы.

К. вернулся в Англию в 1946 г., чтобы возглавить новое ведомство по исследованиям в области атомной энергии, результатом деятельности которого было создание первой в мире атомной станции в Колдер-Холл, на севере Англии. Ведя активную деятельность во многих областях, он был членом Британского управления по атомной энергии и ЦЕРНа (Европейского центра ядерных исследований в Женеве, Швейцария). Он основал то, что теперь известно как Резерфордская лаборатория высоких энергий, первоклассное оборудование которой открыто для пользования всему научному сообществу британских университетов.

К. и Уолтон разделили в 1951 г. Нобелевскую премию по физике «за работы по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц». В своей речи Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук сказал: «Работа К. и Уолтона подтвердила справедливость закона Эйнштейна, касающегося эквивалентности массы и энергии. При трансмутации лития освобождается энергия, поскольку общая кинетическая энергия полученных ядер гелия превосходит энергию исходных ядер. Согласно закону Эйнштейна, – продолжал Валлер, – это увеличение энергии вызвано соответствующей потерей массы атомных ядер».

В 1959 г. К. возглавил Черчилль-колледж в Кембридже. К моменту своей смерти в 1967 г. К. был президентом Пагуошской конференции и являлся одним из лидеров Либеральной партии.

К. женился в 1925 г. на Юнис Элизабет Крэбтри, у них было четыре дочери и сын.

Кроме Нобелевской премии, К. получил Королевскую медаль Королевского общества (1954 г.), международную золотую медаль Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и механиков (1958 г.) и премию «За мирный атом», учрежденную фондом Форда (1961 г.). Он был членом Королевского общества, а также почетным членом Американской академии наук и искусств и Шведской королевской академии наук. В 1948 г. К. было пожаловано дворянство. Он был обладателем почетных степеней Оксфордского университета, Лондонского университета, университета Торонто и университета Глазго.