Марианна Шаскольская - Фредерик Жолио-Кюри

Чадвик смог так легко и быстро объяснить результаты французских физиков потому, что он раньше уже искал нейтрон. Сами Жолио-Кюри писали об этом через два десятка лет:

«Название «нейтрон» уже было произнесено гениальным Резерфордом в 1923 году. Он высказал тогда предположение: не входят ли нейтральные частицы в состав ядра вместе с протоном? Такую предполагаемую частицу он назвал нейтроном. Однако большинство физиков, в том числе и мы, не обратили внимания на эту гипотезу. Но она все еще блуждала под сводами здания лаборатории Кавендиша, где работал Чадвик, и вполне естественно и справедливо, что последняя точка в открытии нейтрона была поставлена именно здесь. Идеи, высказанные когда-то нашими учителями — как живущими, так и ушедшими от нас, — много раз вспоминаются и забываются в их лабораториях, сознательно или подсознательно проникая в мысли тех, кто постоянно там присутствует. Постепенно эти идеи созревают: тогда совершается открытие».

Прошел еще месяц, и 11 апреля в Академии наук, а 15 апреля во Французском физическом обществе Жолио-Кюри рассказали о дальнейших результатах, окончательно доказавших, что «излучение Боте-Беккера» это не электромагнитные волны, а поток нейтронов.

Нейтроны — это и были как раз те снаряды, которые так настоятельно требовались ядерной физике. У нейтрона нет электрического заряда, поэтому он может проникать в атомное ядро, не испытывая тех сил отталкивания, которые ослабляют положительно заряженную альфа-частицу. А так как нейтрон — частица достаточно тяжелая, он энергично действует на атомное ядро, разбивая его.

Отныне ядерная физика получила в свое распоряжение мощные снаряды, которыми можно разбивать и легкие и тяжелые ядра атомов. Открытие нейтрона было сигналом к новому наступлению.

В том же году была выдвинута новая теория строения атомного ядра: ядро состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе силами ядерного притяжения. Число протонов — это число электрических зарядов ядра. Сумма масс протонов и нейтронов — это масса атомного ядра. В ядре водорода — 1 протон. В ядре гелия, то есть альфа-частице, — 2 протона и 2 нейтрона. В тяжелых ядрах больше нейтронов, чем протонов, например, у радия 88 протонов и 138 нейтронов, а у обычного урана 92 протона и 146 нейтронов. Именно поэтому при распаде тяжелых ядер так легко образуются альфа-частицы.

Теория строения атомного ядра позволила объяснить одну давнюю загадку.

Если атомное ядро состоит из целого числа протонов и нейтронов, то атомный вес любого элемента должен быть всегда целым числом. За единицу атомного веса ученые принимают вес протона. Значит, например, атомный вес водорода должен быть равен единице (1 протон), гелия — четырем (2 протона, 2 нейтрона), хлора — тридцати пяти (17 протонов и 18 нейтронов), урана — двумстам тридцати восьми (92 протона, 146 нейтронов).

Но посмотрите на таблицу Менделеева. У большинства элементов атомный вес не целое число, а целое число с дробью: у хлора 35,5, у урана 238,07. Химики давно знали, что атомные веса элементов не случайно отличаются от целых чисел, но объяснить это не могли.

Уже в первые годы после открытий Пьера и Марии Кюри было найдено много новых радиоактивных элементов. Оказалось при этом, что среди них часто встречаются элементы, у которых атомные номера одинаковы, а массы (то есть атомные веса) различны. Например, атомному номеру 90 отвечает не только элемент торий, но и радиоторий, который получается при распаде тория, ионий (он возникает при распаде урана), радиоактиний. Как объяснить существование всех этих элементов и как разместить их в таблице Менделеева?

Ответ дал в 1910 году все тот же Содди. Он предположил, что у радиоактивных элементов существуют разновидности атомов, которые во всем сходны, но отличаются друг от друга только массой (атомным весом) и радиоактивными свойствами. Содди назвал такие элементы изотопами, что означает по-гречески «занимающий то же место». Откуда такое название? Дело в том, объяснил Содди, что все это не разные элементы, а разновидности одного и того же элемента: радиоторий, ионий и радиоактиний — это изотопы (разновидности) одного и того же элемента тория. Атомный номер у них одинаков, значит все они должны стоять в таблице Менделеева на одном и том же 90-м месте. А массы разные и радиоактивные свойства разные. Например, ионий распадается наполовину за восемьдесят три тысячи лет, а радиоактиний — за восемнадцать дней.

Изотопы бывают и у нерадиоактивных элементов. Например, есть два хлора: хлор с атомным весом 35 и хлор с атомным весом 37. Они стоят на одном и том же 17-м месте в таблице Менделеева. В природе же всегда встречается смесь обоих хлоров; первого хлора в ней поменьше, второго побольше, поэтому атомный вес обычного хлора всегда равен 35,5.

Но чем же отличаются по своему строению ядра атомов изотопов? Протонно-нейтронная теория ядра позволила найти ответ на этот вопрос, так долго не имевший решения. Изотопы различаются числом нейтронов в ядре, а число протонов у них одинаково. Например, у обоих хлоров в ядре 17 протонов, поэтому заряд, а значит и атомный номер хлора, всегда равен 17. Но у одного хлора в ядре 18 нейтронов, а у другого 20. Поэтому и массы изотопов хлора различны: 35 (17 + 18) и 37 (17 + 20).

В том же 1932 году нашли один изотоп, которому суждено было потом сыграть особую роль в науке. Оказалось, что у водорода тоже есть изотоп. Его назвали дейтерием, или «тяжелым» водородом, потому что он вдвое тяжелее обычного водорода: в его ядре, кроме протона, есть нейтрон, поэтому заряд у него, как у обычного водорода, равен единице, а масса — не единице, а двум. Тяжелый водород может, как и обычный, соединяться с кислородом, образуя «тяжелую воду». Тяжелая вода отличается по свойствам от обычной воды: кипит она не при 100 °C, а при 101,4 °C, замерзает не при 0 °C, а при +3,8 °C. Тогда, в 1932 году, в журналах много писали о тяжелой воде. Всех поразило, что, оказывается, ничтожная примесь тяжелой воды (примерно 1/6800) всегда присутствует в таком, казалось бы, до конца известном веществе, как обычная природная вода. Но никто не мог, конечно, тогда предвидеть, какая романтическая история будет связана впоследствии с именем профессора Жолио-Кюри и с тяжелой водой. Кто мог в ту пору знать, что влечет за собой всего только один лишний нейтрон в ядре атома водорода!

Трудно описать ту лавину новых исследований, которую вызвало открытие нейтрона. Начался яростный штурм атомного ядра. Новые сообщения появлялись из разных стран с такой же быстротой, с какой сменяли друг друга доклады Жолио-Кюри и Чадвика. Новые идеи подхватывались на лету, перебрасывались из одной страны в другую, оспаривались, отвергались или доказывались. «Бег на стартовой дорожке исследований», о котором писал когда-то Резерфорд, продолжался в ускоренном темпе.