У лютому 1932 року британський фізик повідомив світу про існування елементарної частинки під назвою «нейтрон». Шлях до цього відкриття був значно довшим, ніж можна подумати, а наслідком стало створення сучасного вчення про будову атома.
Фізика на початку ХХ століття
У другій половині лютого 1932 року фізик Джеймс Чедвік із Кембриджу надіслав до журналу Nature листа з результатами своїх досліджень. Найважливішим став його висновок: випромінювання, з яким він працював, було потоком частинок — нейтронів, про існування яких науковці сперечалися вже кілька років.
Щоб зрозуміти, наскільки важливим для фізики було це повідомлення, треба повернутися на початок 1920-х. Науковці саме звиклися з разючою думкою, що атоми, які багато століть вважалися найменшими неподільними частинками речовини, насправді мають власну структуру, і її зміни могли не тільки призводити до народження потоків невидимого людському оку випромінювання, а й до того, що один елемент перетворювався на інший.
У цій головоломці з частинок і променів вони всіляко намагалися розібратися. Уже було відомо, що альфа-випромінювання — це потік ядер гелію, бета-випромінювання — потік електронів, а також існує широкий спектр фотонного випромінювання. Залежно від енергії та частоти його називають ультрафіолетовим, рентгенівським або гамма-випромінюванням.
Проте у головоломці, яка пов’язує будову атома з випромінюванням, був відсутній один важливий шматочок, який міг би дати відповіді одразу на кілька запитань, які на той момент були ще невирішені. А саме — що ще є в ядрі атома, крім протонів.
З чого складається атом
Запитання не було таким простим. Адже було відомо, що і заряди, і маси атомів елементів — не випадкові числа, а кратні масі й заряду водню. Точніше, вони кратні якійсь одиничній масі, а саме: ядро водню, воно ж протон, чомусь має масу в 1,088 від одиничної.
Було зрозуміло, що це можливо лише у разі, якщо всі атоми складаються з однакових частинок, але тоді було незрозуміло, чому ж у них відрізняються числа маси та заряду, якщо у протона і те, й інше — одиниця.
Цьому могло бути два пояснення. Або ядро складається з протонів та електронів, і останні, майже не впливаючи на масу, частково зменшують заряд, або має існувати елементарна частинка приблизно такої ж маси, як і протон.
Навколо того, яке з припущень правильне, і точилися суперечки всі 1920-ті роки. Причому спочатку перемагав саме варіант із протонами та електронами. Просто тому, що частинка, якій американський фізик Вільям Гаркінс дав назву «нейтрон», була новою сутністю, яка до того ніде не спостерігалася, а науковий метод каже, що таких припущень треба уникати всіма силами.
Проте 1926 році з’явилися нові проблеми. Річ у тім, що взаємодія електронів у оболонках з ядром атома розщеплює лінії на спектрограмах. Це — так звана надтонка структура і вона різна у різних ізотопів елементів, бо заряд ядра у них однаковий, а ось центр мас через різні їхні значення відрізняється.
Отже, якби електрони справді перебували в ядрі, їхній рух мав би впливати на надтонку структуру спектра. Однак такого ефекту не спостерігали, що змушувало вчених серйозно сумніватися в їхній присутності там. Згодом з’явилися й інші спостереження, несумісні з протон-електронною моделлю ядра.
У 1930 році більшість науковців уже визнали: протон-електронна теорія будови атомного ядра не пояснює всіх спостережень. Перший натяк на інше пояснення з’явився, коли двоє німецьких учених — Вальтер Боте та Герберт Бекер — провели експеримент: вони бомбардували пластинки берилію, бору й літію випромінюванням зразка полонію. У результаті ці матеріали починали випромінювати щось, що надзвичайно легко проходило крізь різні перешкоди.
Випромінювання було невидимим і не реагувало на магнітне поле. Тому всі одразу подумали, що це — гамма-частинки. Проте цей тип випромінювання вчені бачили й раніше, і він так глибоко у матеріали не проникав. Аби розібратися в тому, що ж це таке, майже за два роки експеримент повторили Фредерік Жоліо та Ірен Жоліо-Кюрі.
Тільки вони ще й поставили за мішенню парафінову мембрану та детектор частинок. І виявилося, що невідоме випромінювання не просто проникає у матеріал, а й здатне вибивати з нього протони. Як не дивно, навіть це не виключало повністю можливість того, що це — високоенергетичні гамма-частинки.
Однак багато хто вважав, що це має бути інша частинка — той самий нейтрон, свідчення існування якого досі ніхто не бачив. Серед фізиків, які вірили в це, був Джеймс Чедвік. Він повторив експеримент, але цього разу детально дослідив розліт протонів і взаємодію нового випромінювання з різними речовинами. Це дозволило оцінити масу частинок, що його утворювали: вона виявилася майже такою самою, як у протона. Існування нейтрона нарешті було доведене.
Нова фізика
Результати досліджень Чедвіка стали останнім елементом мозаїки. Того ж року німець Вернер Гейзенберг та українець Дмитро Івахненко незалежно один від одного розробили сучасну модель ядра атома — з протонів і нейтронів. Стало нарешті зрозуміло, що і звідки вилітає. У 1935 році Джеймс Чедвік за свою роботу отримав Нобелівську премію.
Щобільше, усе це добре поєднувалося з теорією Ейнштейна про еквівалентність маси та енергії. Ядерна фізика перетворилася на науку рівнянь і точних підрахунків, які потім можна перевірити експериментально. І це перетворило її з предмета суперечок високолобих вчених на джерело енергії, чому, щоправда, раді були не всі.
У 1934 році Ірен Жоліо-Кюрі та Фредерік Жоліо відкрили явище наведеної радіоактивності. Виявилося, що для того, аби будь-який матеріал почав випромінювати альфа- та бета- частинки, достатньо піддати його щільному потоку радіації. Сьогодні цей ефект добре ілюструє реакція лічильника Гейгера на звичайні побутові предмети, винесені з Чорнобильської зони зараження.
Дослідами подружжя Жоліо у 1936-му зацікавився італійський фізик Енріко Фермі, той самий, що через багато десятиліть сформулював парадокс про відсутність видимих слідів іншопланетного життя. Він експериментував із бомбардуванням різних матеріалів нейтронами й виявив, що ті з них, що і до того були радіоактивними, після такої процедури починають випромінювати значно інтенсивніше.
У січні 1939 року Ліза Мейтнер та Отто Ганн повторили експеримент Фермі з ураном і з’ясували: коли його атоми поглинають достатню кількість нейтронів, ядра розщеплюються, вивільняючи нові нейтрони. Процес повторюється знову і знову, супроводжуючись дедалі більшим виділенням енергії. Це явище називається ланцюговою ядерною реакцією. Її практичними втіленнями стали атомний реактор і атомна бомба.
Проте й це ще не все. Відкриття протона показало фізикам, що можуть існувати й інші частинки, які досі лишалися непомітними і які варто було б почекати. Перший крок у цьому напрямі 1934 року зробив той самий Енріко Фермі. Він створив теорію бета-розпаду, яка пояснювала, як нейтрон перетворюється на протон і випускає при цьому електрон.
Одночасно мала народжуватися ще одна частинка. Без заряду і майже без маси, але цілком реальна, здатна долати тисячі світлових років. Зараз вона має назву «нейтрино», тобто «маленький нейтрон», і про її пошуки та властивості можна почитати у цій статті.
Але й це ще не все. У 1935 році японський фізик Хідекі Юкава замислився, як протони та нейтрони можуть триматися разом у ядрі, й припустив, що має бути частинка проміжної між протоном та електроном маси. До чого це призвело, можна прочитати тут.
Відкриття нейтрона стало тим поворотним пунктом, після якого ядерна фізика перестала бути химерною фізичною теорією, яка цікавить тільки купку людей, а перетворилася на символ наступної епохи, змогла за допомогою Стандартної моделі та чотирьох фундаментальних взаємодій пояснити, як же насправді влаштований світ і що лежить в основі тих процесів, які оточують нас.
