Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Атомное ядро

Как мы помним, в 1911 г. Резерфорд открыл существование атомного ядра. После этого, естественно, он продолжил облучение атомов различных веществ альфа-частицами с целью выявить особенности их структуры: к тому времени нельзя было исключить, что все ядра разных веществ — это принципиально разные частицы. Правда, при радиоактивном распаде одни элементы превращались в другие: уран в радий и т. д. Но, может быть, таковы только радиоактивные элементы? Вот если удастся превратить один стабильный элемент в другой, тогда можно будет говорить о том, что ядра не являются элементарными частицами, и даже думать об их составе.

В 1914 г. Резерфорд уже выдвигает идею об искусственном превращении одних ядер в другие: он предполагает, например, что ядро атома может поглотить один из своих электронов и тем самым понизить свой заряд на единицу, перейти на клетку влево в таблице элементов. (Такое явление действительно открыли, правда, гораздо позже — оно называется электронным захватом и сродни бета-распаду) И только в 1919 г. мечта Резерфорда сбывается: азот, облученный альфа-частицами, превращается в кислород! (Деталей этого превращения он не выясняет, да они сейчас и не важны — главное, что превращения элементов возможны, ядра не являются элементарными частицами!)

Как об элементарной частице можно говорить только о ядре водорода — от него нечего отщеплять, поэтому такое ядро Резерфорд назвал протоном (по-гречески — «первый»).

Итак, к электрону и фотону добавилась третья элементарная частица, протон: масса его в 1836 раз больше массы электрона, а радиус в 10 000 раз меньше радиуса атома.

Теперь на повестку дня становится вопрос о структуре ядер других атомов, и в первую очередь естественно уточнить, что же происходит с ними при радиоактивных распадах. Такие исследования провел Фредерик Содди (1877–1956, Нобелевская премия по химии 1921), который до того разработал, вместе с Резерфордом, теорию радиоактивности. Начинал работать он вместе с Уильямом Рамзаем (1852–1916, Нобелевская премия по химии 1904 г. за открытие благородных газов): именно они сумели по тысячным долям микрограммов, накапливая альфа-частицы в каких-то очень хитро устроенных сосудах, выяснить, что они являются ядрами атома гелия. А совместно с Казимежом Фаянсом (1887–1975) Содди установил, что при испускании альфа-частицы образующееся ядро сдвигается влево на два номера в таблице Менделеева, а при испускании бета-частицы, т. е. электрона, подвигается на одно место вправо (закон Содди-Фаянса).

Теперь казалось естественным, что, поскольку из ядер вылетают альфа-частицы и электроны, то ядра состоят из этих тесно связанных частиц и протонов. Так, следующее по сложности после водорода — ядро атома гелия, т. е. сама альфа-частица: ее масса в четыре раза больше массы протона, а заряд вдвое больше, поэтому можно предположить, что она сама составлена из четырех протонов и двух электронов. Ну а дальше?

Явный сигнал о неблагополучии дал тот же Содди в 1913 г.: он доказал существование изотопов (греческие «изоз» — равный и «топос» — место), т. е. атомов, помещающихся в одну клетку периодической системы, но имеющих разную массу. Получается, что масса ядра может быть различной при одних и тех же химических свойствах атомов.

Но самое большое затруднение, полностью опрокинувшее эту модель ядра, связано со спином. Как мы говорили, спин электрона равен ½, вскоре оказалось, что у протона спин такой же, тоже равен ½. Следовательно, нейтральная система «протон + электрон» должна иметь спин, равный нулю или единице. (Резерфорд даже думал, что такая система может быть устойчивой, и иногда называл ее нейтроном.) Спины ядер прямо пропорциональны их магнитному моменту, от величины которого зависит, будут расщеплены спектральные линии атомов или нет. Поэтому спины ядер не так уж и сложно измерить.

И когда эти измерения начались, разразилась так называемая «азотная катастрофа». Ядро азота, массовое число которого равно 14, а порядковый номер, т. е. заряд, согласно закону Мозли, равен 7, должно было бы содержать 14 протонов и 7 электронов, но складывая 21 раз величины спинов ½ (частично вверх, частично вниз направленных) никак нельзя получить нуль. А эксперимент упорно показывал, что спин ядра азота равен именно нулю!

Протонно-электронная модель ядра зашла в тупик.

Выход из этого тупика и открытие нейтрона — заслуга Джеймса Чедвика (1891–1974, Нобелевская премия 1935 г.). Человек очень застенчивый, он попал в физику случайно: поступал в университет, собираясь изучать математику, однако, по недоразумению, с ним провели собеседование по физике. Слишком скромный, чтобы указать на ошибку, он внимательно выслушал вопросы, которые ему задавали, и решил сменить специализацию. Став физиком, Чедвик успешно работал с Резерфордом по проблемам радиоактивности.

В начале 1930-х гг. в нескольких лабораториях, занимавшихся радиоактивностью, стали наблюдаться странные явления: физикам было вполне ясно, что если какое-то излучение проходит через вещество, то его интенсивность и глубина проникновения в среду (проникающая сила) должны уменьшаться — потери энергии неизбежны. Но в 1930 г. Вальтер Боте (1891–1957, Нобелевская премия 1954 г.) и Ханс Беккер обнаружили, что когда при бомбардировании альфа-частицами некоторых легких элементов возникает излучение большей проникающей силы. Они предположили, что это гамма-лучи, у которых длина волны меньше, чем у рентгеновского излучения, а поэтому и больше проникающая способность. Но радиоактивное излучение должно быть изотропным, т. е. одинаковым по всем направлениям, а тут было не так.

Примечательно такое его «приключение»: защитив диссертацию, Чедвик поехал в Германию поучиться у Г. Гейгера технике эксперимента. Но когда в 1914 г. началась Первая мировая война, он был интернирован как английский поданный и более 4 лет провел в лагере для гражданских лиц. Хотя условия в лагере были (для тех лет!) суровыми, Чедвик и его сотоварищи создали научное общество, которое поддержали и некоторые немецкие ученые, включая Вальтера Нернста. Надо сказать, что до возникновения тоталитарных режимов XX в. и вовлечения ученых в военные работы все они ощущали себя как бы членами одного научного братства.

В 1932 г. супруги Фредерик Жолио и Ирен Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри), исследуя проникающую способность этого излучения, начали помещать различные поглотители перед регистратором излучения. Но когда они для этого взяли парафин (вещество, богатое водородом), то обнаружили, что излучение, выходящее из парафина, не только не уменьшается, хотя часть его должна была бы поглотиться, а увеличивается. Самый простой и, казалось, естественный вывод состоял в том, что это гамма-излучение, которое выбивает из парафина ядра водорода так же, как излучение с меньшей длиной волны выбивает из атомов электроны.