Теперь расчеты сошлись

1932 год

Почему была пауза?

И вот наступил 1932 год — дата следующего важного открытия в биографии атома. Прошло 13 лет Я/Ш с последнего крупного открытия, сделанного Резерфордом в 1919 г. Пауза в открытиях, как видите, большая. Если период с 1895 по 1919 г. был густо насыщен очень важными открытиями в ядерной физике, то после 1919 г., казалось, развитие экспериментальной науки об атоме затормозилось. И это было не случайно.

Вспомним, что для исследования атома физики использовали явление радиоактивности. Вернее, альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Альфа-частицы были теми снарядами, которыми ученые бомбардировали атом, пытаясь проникнуть в его тайны.

Но подходящие ли это снаряды для зондирования глубин атома? Нет, не очень. И главным образом потому, что альфа-частицы заряжены положительно. Ядро атома, как мы уже знаем, тоже заряжено положительно. Вот это-то и не позволяло продвинуться ученым дальше в исследованиях.

Лишь очень немногие альфа-частицы достигали ядра и производили изменения в его строении. Подавляющее же большинство альфа-частиц отталкивалось электрическими зарядами ядра. Из многих миллионов альфа-частиц, которые испускаются радиоактивными веществами, только считанные единицы достигали цели. Другими словами, обстрел ими ядер атомов был очень неэффективен.

Нужен был какой-то другой снаряд, который мог бы свободно проникать в глубь атома. Но таким снарядом ученые не располагали. И они были вынуждены пользоваться для исследований по-прежнему альфа-частицами. Однако в эти годы значительно продвинулось вперед теоретическое обоснование ранее обнаруженных явлений. Но скачка, в смысле открытия новых закономерностей в строении вещества, не было. Поэтому наступил период относительного затишья, затишья перед бурей. 1932 год принес такое открытие, которое в конечном итоге и привело к практическому использованию атомной энергии.

Расчеты не сходятся

Итак, ученые установили, что порядковый номер элементов в таблице Менделеева определяется числом протонов в ядре атома. Например, у углерода шесть протонов в ядре, он и стоит на шестом месте. А атомный вес, т. е. вес атома по отношению к атому водорода, равен двенадцати. Это было непонятно. Еще пример. Гелий стоит на втором месте. Значит, в ядре атома гелия два протона. Но атомный вес гелия в четыре раза больше, чем атомный вес водорода, содержащего один протон. Почему же атомный вес гелия в четыре раза больше, чем атомный вес водорода? Никаких объяснений этому не было. И такая кажущаяся ненормальность наблюдалась по отношению к атомам всех элементов, кроме водорода.

Первые предположения

Оставалось предположить, что в ядре атома имеются еще какие-то неизвестные частицы, которые и утяжеляют ядро. Впервые такое предположение сделал все тот же Резерфорд еще в 1920 г. Доклад об этом ученый сделал на одном из заседаний Королевского общества. Он сообщил, что в ядре атома должны существовать нейтральные частицы с массой, равной массе протона.

Правда, Резерфорд сделал сообщение на основе работ своего талантливого ученика Генри Мозли, исследованиями которого он руководил. В то время Мозли уже не было в живых. Во время первой мировой войны он был призван в армию и погиб в одном из сражений.

Странное поведение бериллия

Двое немецких физиков, Боте и Беккер, однажды облучали альфа-частицами ряд элементов. Когда они взяли для этой цели бериллий, то обнаружили, что из бериллия исходят какие-то лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Проницаемость лучей Рентгена, альфа- и гамма-лучей по сравнению с ними была просто ничтожной. Если известные до сих пор ученым лучи целиком задерживались относительно небольшим слоем свинца, то лучи, исходящие из бериллия, свободно проходили через самые толстые стены лаборатории. Так появилась новая загадка — бериллиевое излучение.

Ученые предположили, что бериллиевые лучи, или, как их еще назвали, излучение Боте—Беккера, есть новый вид электромагнитных волн.

Великое открытие

В 1931 г. излучением Боте—Беккера заинтересовались двое молодых французских ученых. Оба они незадолго до этого начали работать в Институте радия в Париже под руководством Марии Кюри. Это были Ирен Кюри, дочь Марии и Пьера Кюри, и ее муж Фредерик Жолио. Когда они поженились, то решили, чтобы не прерывать знаменитую родословную, принять двойную фамилию — Жолио- Кюри.

Фредерик и Ирен Жолио-Кюри попробовали пропускать лучи Боте—Беккера через вещества, содержащие водород (например, парафин). Они обнаружили, что под действием этих лучей ядра атомов водорода, т. е. протоны, начинают двигаться так быстро, что величина их скорости не может быть объяснена воздействием электромагнитных волн. Об этом явлении они и сообщили на заседании Парижской академии наук 18 января 1932 г.

Сообщением супругов Жолио-Кюри очень заинтересовался английский ученый Джеймс Чедвик, работавший в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Он чувствовал, что стоит на пороге нового великого открытия. Немедленно были поставлены опыты, проведены измерения, проверены и повторены опыты Жолио-Кюри. И вот через пять недель, 27 февраля 1932 г. Чедвик делает сообщение о результатах своих экспериментов.

Он утверждает, что излучение Боте—Беккера — совсем не электромагнитные волны. Это новые виды элементарных

частиц. И главный вывод — эти частицы не имеют электрического заряда. Они нейтральны.

Теперь стало понятным, почему они свободно проходят сквозь толстые слои веществ. Ведь электрические заряды ядра и электронные оболочки атомов на них не действуют. Следовательно, они свободно проходят сквозь атом.

Так была открыта еще одна элементарная частица — нейтрон — с массой, примерно равной массе протона. Теперь ученые получили в свои руки снаряд, которым они могли с гораздо большей эффективностью обстреливать атом.

Джеймс Чедвик, доказавший 27 февраля 1932 г. существование нейтрона, стал днем рождения новой отрасли физики — нейтронной физики. Развитие ее привело в конечном итоге к практическому использованию атомной энергии.

Теперь расчеты сошлись

В этом же знаменательном году советский физик Дмитрий Иваненко и независимо от него немецкий физик Вернер Гайзенберг разработали теорию атомного ядра. Основным выводом их теории было то, что нейтроны входят в состав ядра атома.

Теперь все оказалось на своем месте. Стал понятен атомный вес элемента. Он определяется суммой нейтронов и протонов в ядре атома. Гелий стоит на втором месте в таблице Менделеева. Значит, в его ядре два протона. Но атом гелия вчетверо тяжелее атома водорода и его атомный вес равен четырем. Значит, в его ядре, кроме двух протонов, имеются

еще два нейтрона, масса которых примерно такая же, как и масса протонов. Теперь расчеты сошлись.

Стало также понятным странное поведение излучения бериллия. Альфа-частицы при попадании в его ядра выбивали из них нейтроны. Эти нейтроны и были замечены учеными.

С 1932 г. все дальнейшие достижения в области изучения атома неразрывно связаны с изучением и использованием свойств нейтронов. Поэтому в биографию атома 1932 год вошел как одна из самых важных дат.