"Ядерные электроны"

Драма идей в познании природы

В своей блестящей работе "18 брюмера Луи Бонапарта" Карл Маркс пишет: "История повторяется первый раз в виде трагедии, второй раз в виде фарса. Новое всегда рядится в старые одежды". История физики конца 1920-х годов дает тому яркие примеры. Старое представление о неуничтожимых и несотворимых частицах заставляло творцов новой физики облекать свои идеи в весьма причудливую форму. Одну такую конструкцию - море Дирака - мы только что обсудили. Другой пример - теория строения атомного ядра, выдвигавшаяся в то время.

Можно было объяснить альфа-радиоактивность вылетом из радиоактивного ядра альфа-частицы, то есть вылетом комплекса из двух нейтронов и двух протонов, которые раньше существовали в ядре. В случае бета-радиоактивности такое представление приводило к тяжелому противоречию. В духе этого представления следовало считать, что вылетающие из ядра бета-частицы (электроны) до распада должны были находиться в ядре. Существование электронов в ядре требовалось и теорией структуры ядра. Еще в 1814 году Проут высказал догадку о существовании протона - частицы, определяющей массу атома. Эта гипотеза объясняла, почему массы ядер кратны целым числам.

Комментарий: Заметим, что гипотеза Проута получила подтверждение, когда были открыты изотопы. Так, например, атомная масса хлора 35,5 сильно отличалась от целого числа - однако, оказалось, что хлор состоит из двух изотопов, одного с атомным числом 37 и другого 35. Для отдельных изотопов отличие атомной массы от целого числа мало, гораздо меньше, чем у средней атомной массы.

Итак, согласно Проуту ядро состоит из протонов. Их суммарная масса и есть масса ядра, то есть с точностью до дефекта массы, обусловленного энергией связи составляющих ядра, равна сумме масс протонов. После открытия протона эта гипотеза получила и экспериментальное подтверждение. Но для всех ядер (кроме ядра водорода - самого протона) сумма зарядов протонов, составляющих ядро, оказывалась больше, чем заряд ядра, равный числу электронов атома. Заряд части протонов должен был быть как-то скомпенсирован. Предполагалось, что бета-частицы, то есть электроны, должны находиться в ядре и компенсировать своими отрицательными зарядами положительные заряды избыточных протонов. Но тут же - после создания квантовой механики - возникала проблема: легкие электроны должны были быть локализованы в малом объеме ядра. Принцип неопределенности приводил при такой локализации электронов к столь большой неопределенности их импульса, что становилось совсем непонятно, как при таких больших импульсах электроны вообще остаются в ядре. Проблема ядерных электронов становилась катастрофической. Возникала и другая неразрешимая проблема, менее яркая для неспециалиста, но столь же острая. Можно определить спин ядра. Он будет складываться из спинов и вращательных моментов отдельных составляющих ядра. Вращательный момент в единицах h всегда целое число, а сумма спинов составляющих со спином 1/2 (в единицах h) будет целым или полуцелым числом в зависимости от того, четным или нечетным является число составляющих.

Таким образом, спин ядра является целым или полуцелым числом в единицах h в зависимости от четности числа составляющих. У ядра азота атомная масса 14. Это ядро должно состоять из 14 протонов. Заряд ядра атома 7. Заряд 7 из 14 протонов должен быть скомпенсирован 7 электронами, которые также должны входить в состав ядра. Поэтому в ядро азота должны входить 7 электронов и 14 протонов. Итого 21 частица. Число составляющих нечетное, поэтому спин ядра азота должен был быть полуцелым. А опыты указывали, что этот спин целочисленный. Возникла "азотная катастрофа".

Еще в 1920 году, обсуждая в своей лекции в Королевском обществе гипотезу о наличии электрона в составе ядра, Резерфорд высказывал мысль о возможности существования "атома" с массой равной единице и зарядом ядра равным нулю. В духе гипотезы "ядерных электронов" такое образование представлялось вполне возможным. Раз электроны в ядре атома компенсируют заряд части протонов ядра, почему не быть полной компенсации?

В том же 1920 году гипотезу о существовании такого "Н-атома" высказали Харкинс в США и Мэссон в Австрии. Вскоре появился и термин "нейтрон" для обозначения электрически нейтральной системы связанных в ядре протона и электрона. Ясно, что существование такой системы не спасло бы от азотной катастрофы, так как ее полный спин был бы целочисленный. Но неправильная идея об "Н-атоме" (о нейтроне с целочисленным спином) стимулировала его поиск и привела к открытию настоящего нейтрона. Этот нейтрон в чем-то похож на "Н-атом", но во многом от него отличается; он - элементарная частица со спином 1/2.

Ученик Резерфорда Чедвик предложил искать "нейтроны", образующиеся при бомбардировке альфа-частицами ядер алюминия. В 1929 году Резерфорд вместе с Чедвиком предпринял попытку экспериментального обнаружения нейтрона.

Открытие нейтрона датируют 1932 годом, хотя наблюдался нейтрон и раньше. В 1930 году Боте и Беккер в Германии обнаружили необычайно жесткое проникающее излучение (жестким называли излучение, почти без ослабления проходившее через слой свинца в несколько миллиметров толщиной; так характеризовали в начале века энергию ("жесткость") рентгеновского излучения и еще более энергичных фотонов - гамма-излучения), образующееся при бомбардировке бериллия альфа-частицами. Они приписали эффект гамма-излучению высокой энергии. В 1931-32 годах Ирен и Фредерик Жолио-Кюри исследовали это проникающее излучение и установили, что его взаимодействие с водородсодержащим веществом приводит к появлению протонов высокой энергии. Если бы это было гамма-излучение, то протоны такой высокой энергии не могли бы образоваться. Жолио-Кюри предполагал, что открыт новый вид взаимодействия магнитного поля с веществом. Но Чедвик интерпретировал результаты их опытов иначе: "Эти экспериментальные результаты очень трудно объяснить на основании гипотезы, что излучение бериллия представляет собой квантовое излучение (речь идет об электромагнитных квантах), но они непосредственно вытекают из предположения, что излучение состоит из частиц, которые имеют массу, приблизительно равную массе протона, но не имеют заряда". Оценка массы нейтрона подтверждалась измерениями пробега выбиваемых нейтронами протонов.

"Если бы мы с женой читали лекцию Резерфорда 1920 года, то вероятно, сами бы идентифицировали нейтрон", - отмечал впоследствии Фредерик Жолио. Помимо непосредственно наблюдения нового явления необходима была психологическая готовность его воспринять.

Необходимо было и общее физическое чутье к перспективам, которые новое явление открывало. О том, что А.Ф.Иоффе обладал таким чутьем, свидетельствует резолюция семинара, состоявшегося в Физико-техническом институте по получении телеграммы от Чедвика об открытии нейтрона. Эта резолюция нашла отражение в телеграмме, посланной Чедвику, что коллектив Физико-технического института, возглавляемый А.Ф.Иоффе, включается в исследования физики нейтронов. Иоффе, не занимавшийся лично частицами и ядром, проявил огромную интуицию и почувствовал общечеловеческое значение открытия нейтрона.

Нейтроны не нуждаются в преодолении кулоновского энергетического барьера для осуществления ядерных реакций. Поэтому, именно открытие нейтронов заложило основу атомной энергетики со всеми ее великими и ужасными следствиями. Это открытие радикально изменило творческую биографию и личную судьбу многих физиков.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год