Федор Кедров - Цепная реакция идей
В те годы во всех лабораториях мира физики были увлечены опытами по бомбардировке частицами самых различных мишеней. Боте и Беккер бомбардировали легкие элементы — бор, бериллий и другие. Они обнаружили, что при подобной бомбардировке возникает новое, странное излучение такой проникающей силы, что его почти не ослабляет свинцовая пластинка толщиной 10 сантиметров. После опубликования данных об этом опыте, огромное значение которого выяснилось позже, проникающее излучение получило временное название излучения Боте — Беккера.
Еще в 1920 году Эрнест Резерфорд на заседании Британской ассоциации содействия развитию наук в своем докладе об успехах в исследовании ядра высказал предположение, которое в то время было настолько неожиданным, что не привлекло к себе внимания ученых. Резерфорд сказал, что, по его мнению, в ядре может существовать незаряженная частица, равная по массе заряженной частице — протону (ядру водорода), открытой им самим. Он предложил назвать эту нейтральную частицу нейтроном.
Трудно сказать, знали ли об этих предсказаниях Резерфорда немецкие экспериментаторы Боте и Беккер. В исторических документах науки точно зафиксировано, что Резерфорд после того, как он высказал предположение о существовании нейтрона, предпринял попытку получить эти незаряженные частицы. Он проводил свои опыты в Кевендишской лаборатории, директором которой стал к этому времени. Экспериментатор попытался получить нейтроны, пропуская сильный электрический разряд через водород. Попытки не увенчались успехом. Тогда был применен другой метод: исследователь бомбардировал алюминий альфа-частицами мощного излучателя (т.е. он проделывал то, что впоследствии осуществили Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, придя при этом к замечательному открытию искусственной радиоактивности). Для Резерфорда, пытавшегося получить таким путем нейтроны, опыты по бомбардировке алюминия не дали желаемых результатов. В проведении этих опытов участвовал и ученик Резерфорда Джеймс Чадвик.
Восстановим исторический ход открытия нейтрона.
После неудач Резерфорд заявил, что нейтроны, в существовании которых он был твердо убежден, невозможно получить с помощью тех обычных средств лабораторного эксперимента, которыми владеют даже лучшие научно-исследовательские институты. Для этого необходимы значительно более высокие энергии, а энергия альфа-частиц мала.
С тех пор прошло много времени, и вот в 1930 году немецкие физики Боте (лауреат Нобелевской премии 1954 года) и Беккер обнаружили мощное излучение особенно при бомбардировке бериллия альфа-частицами. Исследователи предположили, что в их опытах возникает излучение с очень сильной проникающей способностью, подобного которому еще не наблюдалось ранее. Обнаруженное Боте и Беккером излучение, которое таило в себе грандиозное открытие, как часто бывает, сначала не привлекло к себе особого внимания. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри решили повторить эти опыты лишь через два года.
Они применили для опытов ионизационную камеру, соединенную с очень чувствительным электрометром, и другой замечательный прибор — камеру Вильсона. Действие ионизационной камеры основано на том принципе, что под влиянием излучения радиоактивных веществ происходит ионизация газа в камере и возникает ионизационный ток. Таким образом, чем выше интенсивность излучения, тем большую величину тока покажет электрометр, соединенный с ионизационной камерой.
Камера Вильсона позволяет видеть и фотографировать следы пролетевших через нее частиц — треки. Она представляет собой вертикальный цилиндр, закрывающийся сверху прозрачным стеклом или плексигласом. Снизу находится поршень. Цилиндр заполняют пересыщенным паром. Если быстро опустить поршень, то в результате падения давления в цилиндре пар охлаждается и образуется туман. Каждая заряженная частица ионизирующего излучения, попадая в камеру Вильсона, служит центром конденсации, и при падении давления в цилиндре ее движение можно наблюдать в виде четкого трека, следа, состоящего из мелких капелек воды.
Ближайший сотрудник Фредерика Жолио-Кюри Ганс Хальбан говорил, что камера Вильсона всегда оставалась излюбленным инструментом Фредерика: «У него всегда под рукой было несколько камер в отличном состоянии. Жолио проводил долгие часы у смотрового окна камеры. Для него это было основное время раздумий. Временами один из нас, его сотрудников, получал привилегию провести вторую половину дня вдвоем с Жолио в темной комнате, наблюдая за полетом частиц. В эти часы он давал волю воображению, и такие встречи для большинства из нас были основным источником вдохновения».
На первой стадии опытов Ирен и Фредерик Жолио-Кюри применили ионизационную камеру для того, чтобы изучить особенности излучения Боте — Беккера и его действие на различные вещества. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. Помещая на пути потока частиц экраны из водородсодержащих веществ, например парафина, они могли ожидать, что поток уменьшится. Но оказалось, что он даже увеличивался. Ученые, разумеется, пришли к выводу, что перед ними какое-то новое явление. После этого они воспользовались камерой Вильсона и быстро обнаружили, что излучение Боте — Беккера способно выбивать ядра из атомов водорода, гелия и азота. При этом выбитые ядра приобретали значительную энергию. Одновременно исследователи отметили, что в пространство излучаются электроны высоких энергий.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри опубликовали результаты своих опытов и попытались их объяснить. Одним из первоначальных объяснений было предположение, что излучение Боте — Беккера состоит из жесткого гамма-излучения. Но как только они измерили треки выбиваемых ядер водорода (протонов), то убедились, что энергия излучения Боте — Беккера гораздо больше энергии гамма-излучения.
В конце февраля 1932 года ученик Резерфорда Джеймс Чадвик в Кевендишской лаборатории после ознакомления с результатами опытов Жолио-Кюри измерил с помощью электронного оборудования — пропорционального усилителя — отдельные импульсы, возникающие при прохождении ядер и электронов через счетчик, и разделил их. Оборудование, которым пользовался Чадвик, было более совершенным, такого не было еще в Институте радия. Оно использовалось и в дальнейших опытах Чадвика, которые привели к результатам, показавшим, что первоначальное предположение Боте и Беккера, а также Ирен и Фредерика Жолио-Кюри об электромагнитной природе сверхпроникающего излучения неверно.
Если бы это было гамма-излучение, тогда, по расчетам Чадвика, количество выбитых протонов было бы в десятки тысяч раз меньше, чем то, которое наблюдалось при эксперименте. Чадвик показал, что излучение Боте — Беккера состоит из электрически незаряженных частиц с массой, равной примерно массе ядра водорода (протона). Это были, несомненно, нейтроны.
Фредерик Жолио-Кюри писал, что открытие нейтрона представляет собой результат трех серий опытов, проведенных в трех разных странах: Германии, Франции и Англии. Он привел следующие хронологические данные.
1. 1930 год. Опыт Боте и Беккера (Германия). Обнаружено исключительное сильно проникающее излучение, возникающее при облучении некоторых легких элементов (например, бериллия, бора) альфа-частицами.
2. 18 января 1932 года. Опыт Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, обнаруживший, что излучение Боте — Беккера обладает свойством выбивать ядра из атомов.
3. 27 февраля 1932 года. Опыт Чадвика, подтвердивший результат Жолио-Кюри и показавший, что наблюдаемый эффект объясняется тем, что в состав излучения Боте — Беккера входят новые частицы, а именно нейтроны.
Известный немецкий физик Вернер Гейзенберг в своей книге «Физика атомного ядра», изданной в переводе у нас в 1947 году, приводит реакцию взаимодействия альфа-частиц с легким элементом бериллием, сопровождая ее следующими словами: «...этот важный процесс превращения привел Жолио-Кюри и Чадвика к открытию в 1932 году нейтронов».
После работ Чадвика, за которые ему была присуждена Нобелевская премия по физике, уже не могло быть никаких сомнений относительно существования нейтронов. Замечательная элементарная частица, родившаяся в воображении Резерфорда в 1920 году, спустя 12 лет вторично родилась в опытах супругов Жолио-Кюри и Джеймса Чадвика.
После открытия нейтрона на смену резерфордовской протонно-электронной модели атома пришла новая модель, в которой ядра состоят из протонов и нейтронов. Возникновение отрицательных или положительных электронов во время распада природных или искусственных радиоактивных элементов объясняется превращением протона ядра в нейтрон, или наоборот (Э. Ферми). Такое превращение сопровождается рождением положительного или отрицательного электрона. Отсюда следует, что протон и нейтрон — это как бы два состояния одной и той же тяжелой частицы — нуклона, которая может быть положительно заряженной или нейтральной.
