После стремительного рывка науки в 1893—1919 годах экспериментальная ядерная физика на время затормозила свой бег. Причина была простой. Дальнейший путь изучения строения атома привел к ядру — крошечному монолитному образованию, скрытому под электронными оболочками.
Физики знали, что именно в ничтожном по объему ядре заключена основная масса атома. Знали, что ядро заряжено положительно. И пожалуй, все. Гораздо больше было того, чего никто из них не знал. Не знали, что представлял собой положительный заряд в ядре. Если это были просто протоны, то почему же атомный вес всех элементов, начиная со второго по порядку гелия, вдвое, а то и больше, превосходил атомный номер, равный числу протонов в ядре? Что утяжеляло ядро?
Но как заглянуть внутрь атомной сердцевинки? Физикам не удавалось пока даже разбить ядро на части, чтобы затем по следам, оставленным осколками на фотопластинках, попытаться определить, из чего состояло целое ядро. Пока слишком слабосильными были источники альфа-частиц, которые применяли ученые для обстрела атомов. Разрушить твердыню ядра эти снаряды были не в состоянии. Для решительного и удачного штурма требовалось другое оружие. Но какое? Этого никто не знал.
В 1930 году два немецких физика, В. Боте и Г. Беккер, облучили альфа-частицами полония некоторые легкие элементы: бериллий, бор, фтор… Неожиданно для себя исследователи обнаружили, что под действием бомбардировки из этих элементов вылетают какие-то лучи, обладающие невиданной проникающей способностью. Лучи запросто проходили через самые толстые стены лаборатории и не замечали свинцовых преград. Что они собой представляли, исследователи понять не могли. Физики решили, что скорее всего это новые электромагнитные волны с малой длиной, так называемые гамма-лучи. Так они и записали в лабораторном журнале: «Наблюдали гамма-кванты большой энергии».
В науке обязательно каждое открытие многократно проверяется разными учеными. Излучение, открытое Боте и Беккером, заинтересовало дочь Марии и Пьера Кюри — Ирен Кюри и ее мужа Фредерика Жолио.
В 1932 году в Ленинград на имя Дмитрия Скобельцына, будущего академика, пришло письмо из Парижа. Скобельцын только недавно вернулся из Франции, где во время стажировки подружился с Жолио. Французский физик писал: «Мадам Жолио и я занимаемся опытами по определению природы открытого Боте и Беккером явления проникающего излучения гамма-частиц, вызванных бомбардировкой легких ядер альфа-частицами. Мы пришли к новым интересным результатам…».
Да! Французские физики тоже приняли новое излучение за гамма-лучи большой интенсивности. Они так и доложили о результатах своих наблюдений на заседании Академии наук.
Это сообщение чрезвычайно заинтересовало Джемса Чедвика — ученика и сотрудника Резерфорда, который работал в Кембридже. Он тут же поставил серию опытов, перепроверил результаты Жолио-Кюри, повторил их и…
Прошел всего месяц после сообщения французских физиков, как в английском журнале «Природа» появилась короткая заметка, не доставившая никакого удовольствия парижанам. Чедвик писал: «Излучение состоит из частиц, которые имеют массу, равную массе протона, но не имеют заряда».
Д. Чедвик — ученик Резерфорда, открывший нейтрон
Так Джемс Чедвик открыл нейтрон — частицу, давно предсказанную Резерфордом и столь необходимую физикам. Ее не задерживали ни электрические поля атомных ядер, ни электронные оболочки атомов. Нейтральные частицы могли куда эффективнее обстреливать ядра атомов. Кроме того, благодаря нейтронам сошлись теперь все расчеты атомных весов химических элементов. Потому что именно эти нейтральные электрические частицы утяжеляли ядра. Вообще с появлением нейтронов жизнь в атомной физике должна была стать значительно веселее. Вот только узнать бы, что собой эта новая нейтральная частица представляет. Является ли она фундаментальной, основной частицей, такой же, как положительно заряженный протон и отрицательный электрон, или нейтрон — это протон и электрон, «слипшиеся» вместе? А может быть, наоборот: электрон и нейтрон — фундаментальные частицы, а протон — тот же нейтрон, но получивший почему-то положительный заряд?..
Споров по этому поводу было немало. Увеличивать количество фундаментальных частиц не хотелось. Но в конце концов все-таки пришлось. Скрепя сердце физики вынуждены были согласиться, что существуют не две, а три фундаментальные частицы в микромире: электрон, протон и нейтрон. Да еще не следовало забывать и четвертую — фотон…
В том же 1932 году почти одновременно и независимо друг от друга советский физик Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг в Германии предложили и разработали модель атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов.
Теперь все как будто встало на свои места и модель атома оказалась не только предельно логичной и простой, она стала изящной. Судите сами. Ядро, в котором содержится Z протонов и N нейтронов. Общее название частиц, составляющих атомное ядро, — нуклоны, что значит — ядерные. Их общее число равно атомному весу элемента Z + N = A. Таким образом А — массовое число атома.
Вокруг ядра — электроны. Число электронов в точности равно заряду ядра (Z) и определяет порядковый номер атома и элемента в периодической системе Менделеева.
Очень изящно все получилось. Физики могли торжествовать победу, наслаждаясь сознанием, что теперь они точно знают, как выглядит атом. Так бы оно и было, не имей Мать-Природа ехиднейшего характера и зоркого глаза. Она внимательно следит за тем, чтобы физики не успокаивались и не начинали слишком много воображать.
В 1932 году Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института занимался исследованием космических лучей. Он наблюдал траектории частиц в камере Вильсона. Магнитное поле закручивало следы пролетающих гостей в точном соответствии с их зарядом и энергией. Все шло хорошо. И вдруг среди следов отрицательных частиц — электронов, послушно заворачивающих в одну сторону, Андерсон обнаружил точно такие же следы, но заворачивающие в противоположном направлении… То есть следы «электронов» с положительным зарядом?..
Ядро атома, сложенное из нейтронов и протонов
Можно себе представить восторг первооткрывателя. Он не просто обнаружил новые частицы, но открыл положительные электроны, или позитроны, теоретически предсказанные английским физиком-теоретиком Полем Дираком всего четыре года назад! Можно ли мечтать о большей удаче? Она знаменовала настоящий триумф теоретической физики, подтвердив правильность и обоснованность выдвинутых теорий.
Как и предсказывала теория Дирака, позитроны обладали способностью рождаться вдруг и также вдруг умирать… Причем рождались они, как правило, только в паре с электроном. Например, влетал в камеру Вильсона невидимый, но довольно энергичный гамма-квант, и пожалуйста — рождалась в туманной атмосфере камеры коротенькая вилочка следов. Под действием магнитного поля один след заворачивал направо, другой налево. Значит, один принадлежал отрицательному электрону, другой — положительному позитрону. Существовал и обратный процесс: встречались электрон с позитроном и тут же превращались во вспышку света — аннигилировали.
Эти превращения заставили физиков глубоко задуматься. «А что же такое элементарная частица? Называть ее неизменным «кирпичиком Вселенной» стало как-то не очень удобно. Какой же это кирпичик, если он то появлялся в паре с антикирпичиком, то исчезал, превращался в другие виды «строительных материалов»?
Скоро возник и еще один каверзный вопрос. «Хорошо, — говорили физики-скептики, — мы готовы верить, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, что это прочные сооружения, разломать которые можно только энергичной бомбардировкой микроснарядами. Но почему нуклоны вообще держатся в ядре? Ведь одинаковые заряды должны отталкиваться… А на малых расстояниях, на которых находятся протоны в ядрах, силы электрического отталкивания должны быть весьма значительными». Таким образом, по всем существующим законам получалось, что частицы должны были не сливаться в прочные ядра, а разлетаться в разные стороны. Как же при этом объяснить устойчивость атомов, молекул, всего вещества и вообще долговечность всего материального мира?
Снова мы пришли к вопросу об устойчивости, только на этот раз с другой стороны. А в чем, собственно говоря, трудность решения этой задачи?
Давайте начнем издалека, с задачи об устойчивости Солнечной системы. Занимался ею еще Ньютон. Уравнения классической механики давали ему полное решение для двух взаимно притягивающих друг друга тел. А уже для трех тел полное решение задачи об условиях их устойчивости невероятно трудно. Подобные задачи и сегодня решают с помощью великолепных методов приближенных решений. И как показывают нам успехи космонавтики, решают вполне успешно даже для значительно большего количества тел, чем три…
Так же как классическая механика разрешила с помощью приближенных методов проблему устойчивости Солнечной системы, волновая или квантовая механика должна была разрешить проблему устойчивости атомов и молекул.
Полное решение для атома водорода (два тела: протон и электрон) нашли довольно быстро и без особого труда. Я уже об этом рассказывал. Трудности возникли, когда количество частиц, участвующих в совместном движении, увеличилось.
В 1927 году В. Гейтлер и Е. Кондон применили выводы квантовой механики для расчета химической связи молекулы водорода, состоящей из двух протонов и двух электронов, и получили приближенное решение задачи. Они показали, что частицы образуют устойчивую систему, вычислили энергию молекулы и расстояния между протонами. Результаты расчетов удовлетворительно, с небольшими расхождениями, совпадали с данными эксперимента. Это было серьезным достижением. Теперь можно было вновь подумать о природе химической связи и химических сил.
В конце концов ученые пришли к такому выводу: если электроны, принадлежащие двум разным атомам, становятся при их соединении общими, их плотность в пространстве между ядрами увеличивается, а полная энергия системы при этом уменьшается, тогда можно считать, что атомы вступили в химическую связь.
Силы же, которые приводят их к химической связи и удерживают друг возле друга, имеют электрическое происхождение.
Пять лет спустя ту же самую задачу, после трех лет изнурительной вычислительной работы, решили Джемс и Кулидж. Их молекула водорода находилась уже почти в полном соответствии с опытными данными.
Значит, можно, пользуясь приближенными методами решения уравнения Шредингера, рассчитывать атомные и молекулярные структуры?
Можно! Эта работа очень трудоемка. Но сейчас ее производят электронные вычислительные машины. Один из наиболее удачных методов расчета предложили английский физик Хартри и советский физик Фок.
Была создана еще одна новая отрасль науки — квантовая химия, раздел теоретической химии, посвященный изучению химической связи молекул, их строения и определения их химических и физических свойств с помощью представлений и методов квантовой механики.
А в 1928 году физик Г. А. Гамов впервые применил квантовую механику и в ядерной физике, объяснив с ее помощью механизм альфа-распада. Справедливость законов квантовой механики с каждым годом и с каждой новой работой становилась все очевиднее.