Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20, 29, 34, 36/2004

Протона (p) и электрона (е) – этих материальных носителей минимальных количеств положительного и отрицательного электричества – довольно долгое время оказывалось достаточно для общего «эскиза» картины строения вещества. Модели ядер, построенные из определенных комбинаций р и e, использовались на протяжении почти двух десятилетий. Однако новые теоретические и экспериментальные открытия ставили под сомнения эти представления.
После разработки ядерной модели атома простейший атом водорода рассматривался как образованный из протона и электрона, отстоящих друг от друга на расстоянии ~10^–9 м. Однако не существовало запрета на реализацию и такой «комбинации» частиц: протон и электрон «сближены» настолько, что их заряды как бы «гасятся», причем возникает некоторая нейтральная «система» размером 10^–13–10^–14м, «система», которой предстояло в начале 1930-х гг. реально воплотиться в понятие о нейтроне.
Между тем еще в 1902 г. английский физик В.Сезерленд развивал идею о некоторой комбинации зарядов «+» и «–», нейтрализующих друг друга. Она носила, однако, весьма умозрительный характер. Позднее такого рода комбинации обсуждал немецкий химик В.Нернст.
Гипотетическая комбинация, состоящая из тесно сближенных протона и электрона, даже рассматривалась некоторыми учеными как атом нулевого элемента с Z = 0, предшествовавшего водороду в таблице Менделеева. Заметим, кстати, что это представление оказалось довольно живучим и много лет спустя.

Э.Резерфорд (1871–1937)

Когда речь заходит о непосредственном предсказании нейтрона, историки науки ссылаются на сообщение, сделанное Э.Резерфордом в Бейкерианской лекции 3 июня 1920 г.
В лекции он выдвинул ряд фундаментальных предположений. Одно из них звучало так: «Очень вероятно, что один электрон может связывать одно ядро водорода. Это приводит к мысли о возможности существования атома, масса которого 1 и ядерный заряд 0. Такое атомное образование отнюдь не представляется невозможным… Такой атом имел бы новые свойства. Его внешнее поле было бы практически нулевым, за исключением небольшой близости от ядра, поэтому он мог бы свободно проходить через вещество. Его присутствие было бы трудно обнаружить спектроскопом и, вероятно, невозможно сохранить в закрытом сосуде… Он должен был бы входить в структуру атомов и мог либо соединяться с ядром или разрушаться его сильным полем, результатом чего возможен был бы вылет заряженного атома водорода, или электрона, или их обоих».
В этих словах «предсказание» нейтрона все же не главное, оно лишь достаточно четко оформлено. Гораздо важнее прогнозируемые Резерфордом свойства гипотетического нейтрального образования. Не менее значимым было и предсказание Резерфордом существования атома, в котором «один электрон может связать два протона», т.е. атома, с массой примерно равной 2 и зарядом ядра +1. «Его следует рассматривать как изотоп водорода». И это было не что иное, как предвидение дейтерия – тяжелого изотопа водорода.
Первым, кто стал применять термин «нейтрон» (начиная с 1921 г.), хотя как таковой он еще не был введен, стал американский физик У.Харкинс. Исследователь подразумевал под нейтроном пару протон–ядерный электрон. В 1928 г. он рассматривал вопрос: могут ли нейтроны использоваться для построения атомных ядер? Правда, вплоть до 1931 г. Харкинс выражал сомнение относительно возможности существования подобного нейтрального ядерного образования, поскольку, по его мнению, нейтрон может и не существовать. Однако уже в мае 1931 г. Харкинс пришел к заключению о реальности «нейтральных ядерных частиц (нейтронов)».
У Харкинса гипотеза о нейтроне закономерно вытекала из проведенного им анализа состава атомных ядер, чему он посвятил на рубеже 1910–1920-х гг. около 20 работ. Что касается Резерфорда, то его предсказание «нейтрального дублета» в ядре содержало определенный элемент фантазии, не опиравшейся на какие-либо строгие реалии. Однако именно он, нарисовав «виртуальный» облик нейтрона, вдохновил своих сотрудников на поиски реальной «нейтральной частицы». Активное участие в исследованиях приняли его ассистенты Д.Глэссон и Дж.Робертс. Метод исследования состоял в пропускании сильнейших электрических разрядов через водород. Предполагалось, что при экстремальных условиях электроны будут настолько близко соприкасаться с протонами, что расстояние между ними окажется порядка 10^–13–10^–14 м. Подключился к поискам и Дж.Чедвик.
Однако все попытки обнаружения «нулевого элемента» к успеху не приводили. Между тем у Чедвика появилась идея принципиально иного характера, а именно: он поставил вопрос о «возможности образования или существования нейтрона при бомбардировке протонами атомов, особенно с большим атомным номером, где электроны наиболее плотно соединены друг с другом». Однако практическая реализация подобной идеи оказалась слишком трудоемкой.
В действительности же все эти эпизоды «предыстории» нейтрона фактически не повлияли на его непосредственное открытие. Более того, когда он был обнаружен, некоторое время многие ученые не могли в точности утверждать, что же он собой представляет – гипотетический элемент с Z = 0 или же самостоятельную материальную частицу.
Небезынтересно, однако, заметить: еще в 1912 г. Чедвик обратил внимание, что при облучении легких элементов -частицами возникает довольно сильное проникающее излучение, и принял его за -излучение. В 1921 г. его соотечественник Ф.Слэтер пытался «выяснить, действительно ли испускается какое-либо проникающее излучение, когда -частицы затормаживаются веществом». И вроде обнаружил таковое при бомбардировке олова и свинца. Наблюдение Слэтера прошло незамеченным, и только в 1930 г. на его работы обратили внимание берлинские физики В.Боте и Х.Беккер. Им действительно удалось доказать существование проникающего излучения для нескольких легких элементов, в особенности для бериллия (на порядок выше, чем для бора). «Новое излучение имеет проникающую способность той же самой величины, что и самые жесткие
-лучи», – заявили исследователи. Этому сверхжесткому -излучению поспешили присвоить название «бериллиевое».

Дж.Чедвик (1891–1974)

Боте и Беккер по существу стали первыми, кто реально мог открыть нейтрон. Вторыми были Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. В январе 1932 г. они сообщили, что «бериллиевое» излучение выбивает протоны из водородсодержащих веществ, например из парафина: «…Опыты позволяют установить, что электромагнитное излучение высокой частоты способно освобождать в водородсодержащих веществах протоны и придавать им высокие скорости». Далее этого предположения исследователи не пошли.
Чедвик назвал свою статью, все же соблюдая некоторую осторожность, «Возможность существования нейтрона» (она была опубликована в «Nature» 27 февраля 1932 г.). Обсуждая эксперименты, проделанные ранее другими исследователями, и свои собственные, он утверждал: «…Все трудности исчезают, если предположить, что излучение состоит из частиц с массой 1 и зарядом 0, т.е. из нейтронов. Можно предположить, что в результате захвата -частицы ядром ⁹Be образуется ядро ¹²С и испускается нейтрон».
«Коронация» нейтрона произошла 28 апреля 1932 г. в Лондонском королевском обществе. Резерфорд сказал: «Если гипотеза о нейтронах будет подтверждена далее, то они будут иметь большое влияние на наше понимание образования ядра и его состава».
Некоторая осторожность в словах Резерфорда объяснима. Ведь еще не было окончательной ясности в том, что нейтрон – элементарная частица материи. Еще находились ученые, которые считали (да и Резерфорда из их числа едва ли можно совсем исключить), что нейтрон представляет систему, состоящую из тесно связанных протона и электрона. Только своевременное вмешательство квантовой механики поставило крест на этой «вариации».
В ноябре 1935 г. Чедвик получил Нобелевскую премию по физике с предельно краткой формулировкой: «за открытие нейтрона» – своего рода слегка запоздавшая весть о чем-то давнем, давно ожидавшемся. Но и делить его премию с кем-либо другим у Нобелевского комитета не было оснований. Ибо Чедвик совершил поступок. Скромно назвав свое сообщение «Возможность существования нейтрона», он фактически доказал неизбежность его существования, тогда как соперники останавливались на полпути. Нейтроны стали теми «строительными фрагментами», которые заменили электроны в ядрах. В 1932 г. В.Гейзенберг и одновременно и независимо русские физики Д.Д.Иваненко и Е.Н.Гапон предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра.
Нейтроны наряду с протонами суть составные части атомных ядер (кроме ядра атома водорода). Свободные нейтроны не являются стабильными структурами. Они (с периодом полураспада
11,3 мин) распадаются на протоны и электроны.
Словом, с открытием нейтрона ядерная физика обрела ту «реальность», которой ей не хватало для дальнейшего стремительного развития.

ЛИТЕРАТУРА

Нейтрон. Предыстория. Открытие. Последствия. М.: Наука, 1975;
Вяльцев А.Н. Открытие элементарных частиц. Нуклоны и антинуклоны. М.: Наука, 1984;
Лисневский Ю.И. Атомные веса и возникновение ядерной физики. М.: Наука, 1984.

Д.Н.ТРИФОНОВ