В феврале 1932 года британский физик сообщил миру о существовании элементарной частицы под названием «нейтрон». Путь к этому открытию был гораздо длиннее, чем можно подумать, а следствием стало создание современного учения о строении атома.
Физика в начале ХХ века
Во второй половине февраля 1932 года физик Джеймс Чедвик из Кембриджа прислал в журнал Nature письмо с результатами своих исследований. Важнейшим стало его заключение: излучение, с которым он работал, было потоком частиц — нейтронов, о существовании которых ученые спорили уже несколько лет.
Чтобы понять, насколько важным для физики было это сообщение, нужно вернуться к началу 1920-х. Ученые как раз привыкли к шокирующему мнению, что атомы, многие столетия считавшиеся наименьшими неделимыми частицами вещества, на самом деле имеют собственную структуру, и ее изменения могли не только приводить к рождению потоков невидимого человеческому глазу излучения, но и к тому, что один элемент превращался в другой.
В этой головоломке из частиц и лучей они всячески пытались разобраться. Уже было известно, что альфа-излучение — это поток ядер гелия, бета-излучение — поток электронов, а также существует широкий спектр фотонного излучения. В зависимости от энергии и частоты его называют ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением.
Однако в головоломке, которая связывает строение атома с излучением, отсутствовал один важный кусочек, и он мог бы дать ответы сразу на несколько вопросов, которые на тот момент были еще не решены. А именно что еще есть в ядре атома, кроме протонов.
Из чего состоит атом
Вопрос был не таким простым. Ведь было известно, что и заряды, и массы атомов элементов — не случайные числа, а кратные массе и заряду водорода. Точнее, они кратные некой единичной массе, а именно: ядро водорода, оно же протон, почему-то имеет массу в 1,088 от единичной.
Было понятно, что это возможно только в том случае, если все атомы состоят из одинаковых частиц, но тогда было непонятно, почему же у них отличаются числа массы и заряда, если у протона и то, и другое — единица.
Этому могло быть два объяснения. Либо ядро состоит из протонов и электронов, и последние, почти не влияя на массу, частично уменьшают заряд, либо должна существовать элементарная частица примерно такой же массы, как и протон.
Вокруг того, какое из предположений правильное, и шли споры все 1920-е годы. Причем сначала побеждал именно вариант с протонами и электронами. Просто потому, что частица, которую американский физик Уильям Харкинс назвал «нейтроном», была новой сущностью, которая до того нигде не наблюдалась, а научный метод гласит, что таких предположений нужно избегать всеми силами.
Однако в 1926 году появились новые проблемы. Дело в том, что взаимодействие электронов в оболочках с ядром атома расщепляет линии на спектрограммах. Это — так называемая сверхтонкая структура, и она различна у разных изотопов элементов, потому что заряд ядра у них одинаковый, а вот центр масс из-за разных их значений отличается.
Итак, если бы электроны действительно находились в ядре, их движение должно было бы влиять на сверхтонкую структуру спектра. Однако такого эффекта не наблюдалось, что заставляло ученых серьезно сомневаться в их присутствии там. Впоследствии появились и другие наблюдения, несовместимые с протон-электронной моделью ядра.
В 1930 году большинство ученых уже признали: протон-электронная теория строения атомного ядра не объясняет всех наблюдений. Первый намек на другое объяснение появился, когда два немецких ученых — Вальтер Боте и Герберт Бекер — провели эксперимент: они бомбардировали пластинки бериллия, бора и лития излучением образца полония. В результате эти материалы начинали излучать нечто, что чрезвычайно легко проходило сквозь различные препятствия.
Излучение было невидимым и не реагировало на магнитное поле. Поэтому все сразу подумали, что это — гамма-частицы. Однако этот тип излучения ученые видели и раньше, и он так глубоко в материалы не проникал. Чтобы разобраться в том, что же это такое, почти через два года эксперимент повторили Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри.
Только они еще и поставили за мишенью парафиновую мембрану и детектор частиц. И оказалось, что неизвестное излучение не просто проникает в материал, но и способно выбивать из него протоны. Как ни странно, даже это не исключало полностью возможность того, что это — высокоэнергетические гамма-частицы.
Однако многие считали, что это должна быть другая частица — тот самый нейтрон, свидетельства существования которого до сих пор никто не видел. Среди физиков, которые верили в это, был Джеймс Чедвик. Он повторил эксперимент, но на этот раз подробно исследовал разлет протонов и взаимодействие нового излучения с различными веществами. Это позволило оценить массу частиц, которые его составляли: она оказалась почти такой же, как у протона. Существование нейтрона наконец было доказано.
Новая физика
Результаты исследований Чедвика стали последним элементом мозаики. В том же году немец Вернер Гейзенберг и украинец Дмитрий Ивахненко, независимо друг от друга, разработали современную модель ядра атома — из протонов и нейтронов. Стало наконец понятно, что и откуда вылетает. В 1935 году Джеймс Чедвик за свою работу получил Нобелевскую премию.
Более того, все это хорошо сочеталось с теорией Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Ядерная физика превратилась в науку уравнений и точных подсчетов, которые затем можно проверить экспериментально. И это превратило ее из предмета споров высокопоставленных ученых в источник энергии, чему, правда, радовались не все.
В 1934 году Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио открыли явление наведенной радиоактивности. Оказалось, что для того, чтобы любой материал начал излучать альфа- и бета-частицы, достаточно подвергнуть его плотному потоку радиации. Сегодня этот эффект хорошо иллюстрирует реакция счетчика Гейгера на обычные бытовые предметы, вынесенные из Чернобыльской зоны заражения.
Опытами супругов Жолио в 1936 году заинтересовался итальянский физик Энрико Ферми, тот, что спустя многие десятилетия сформулировал парадокс об отсутствии видимых следов инопланетной жизни. Он экспериментировал с бомбардировкой различных материалов нейтронами и обнаружил, что те из них, которые до этого были радиоактивными, после такой процедуры начинают излучать значительно интенсивнее.
В январе 1939 года Лиза Мейтнер и Отто Ганн повторили эксперимент Ферми с ураном и выяснили: когда его атомы поглощают достаточное количество нейтронов, ядра расщепляются, высвобождая новые нейтроны. Процесс повторяется снова и снова, сопровождаясь все большим выделением энергии. Это явление называется цепной ядерной реакцией. Ее практическими воплощениями стали атомный реактор и атомная бомба.
Однако и это еще не все. Открытие протона показало физикам, что могут существовать и другие частицы, которые до сих пор оставались незаметными и которые стоило бы подождать. Первый шаг в этом направлении в 1934 году сделал тот же Энрико Ферми. Он создал теорию бета-распада, которая объясняла, как нейтрон превращается в протон и испускает при этом электрон.
Одновременно должна была рождаться еще одна частица. Без заряда и почти без массы, но вполне реальная, способная преодолевать тысячи световых лет. Сейчас она называется «нейтрино», то есть «маленький нейтрон» и о ее поисках и свойствах можно почитать в этой статье.
Но это еще не все. В 1935 году японский физик Хидеки Юкава задумался, как протоны и нейтроны могут держаться вместе в ядре, и предположил, что должна быть промежуточная между протоном и электроном массы. К чему это привело, можно прочитать здесь.
Открытие нейтрона стало тем поворотным пунктом, после которого ядерная физика перестала быть причудливой физической теорией, интересующей лишь горстку людей, а превратилась в символ следующей эпохи, смогла с помощью Стандартной модели и четырех фундаментальных взаимодействий объяснить, как на самом деле устроен мир и что лежит в основе процессов, окружающих нас.
