Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Исследования сверхпроводимости, конечно, продолжались; в некоторых сплавах, в основном с ниобием, удавалось чуточку, на десятую, на сотую градуса поднять критическую температуру. Так дошли почти до 23 К, т. е. до минус 250 градусов по шкале Цельсия. Дело в том, что поиск сверхпроводников с более высокой температурой перехода имеет огромное техническое и экономическое значение: гелий очень дорог, и использование его для охлаждения, скажем, линий электропередач нерентабельно, но, если бы удалось найти сверхпроводники с температурой перехода порядка температуры сжижения воздуха (83 К, т. е. -190 °C), это позволило бы решить множество проблем электротехники.

И вдруг, сенсация мирового масштаба: в 1986 г. Алекс Мюллер (р. 1927) и Иоганн Георг Бедхорц (р. 1950) сообщают об открытии ими веществ, совсем не металлов, а керамик, содержащих медь и некоторые редкоземельные элементы, но переходящих в сверхпроводящее состояние при гораздо более высоких температурах (в настоящее время — уже почти при комнатных!). Нобелевскую премию они, и это тоже сенсационно, получают почти сейчас же. Но к этим веществам теория БКШ, по-видимому, не применима и природа высокотемпературной сверхпроводимости совершенно не ясна. К тому же керамики очень нетехнологичны — из них нельзя вытягивать провода, и у них очень низок критический ток разрушения сверхпроводимости.

А еще одна сенсация прозвучала в начале 2002 г.: очень простое соединение, диборид магния (МдВ₂ — фактически это просто тальк, которым присыпают припухлости у детей), переходит в сверхпроводящее состояние при 39 К, и притом это вовсе не керамика, а температура перехода у него много выше, чем предсказывает БКШ. Что это: интуиция исследователей, случайность, необходимость новой теории? Поиск продолжается и никаких признаков его окончания не видно.

Раздел II Ядро? Элементарно! Глава 1 Атомное ядро

1. Протон

Как мы помним, в 1911 г. Резерфорд открыл существование атомного ядра. После этого, естественно, он продолжил облучение атомов различных веществ альфа-частицами с целью выявить особенности их структуры: к тому времени нельзя было исключить, что все ядра разных веществ — это принципиально разные частицы. Правда, при радиоактивном распаде одни элементы превращались в другие: уран в радий и т. д. Но, может быть, таковы только радиоактивные элементы? Вот если удастся превратить один стабильный элемент в другой, тогда можно будет говорить о том, что ядра не являются элементарными частицами, и даже думать об их составе.

В 1914 г. Резерфорд уже выдвигает идею об искусственном превращении одних ядер в другие: он предполагает, например, что ядро атома может поглотить один из своих электронов и тем самым понизить свой заряд на единицу, перейти на клетку влево в таблице элементов. (Такое явление действительно открыли, правда, гораздо позже — оно называется электронным захватом и сродни бета-распаду) И только в 1919 г. мечта Резерфорда сбывается: азот, облученный альфа-частицами, превращается в кислород! (Деталей этого превращения он не выясняет, да они сейчас и не важны — главное, что превращения элементов возможны, ядра не являются элементарными частицами!)

Как об элементарной частице можно говорить только о ядре водорода — от него нечего отщеплять, поэтому такое ядро Резерфорд назвал протоном (по-гречески — «первый»).

Итак, к электрону и фотону добавилась третья элементарная частица, протон: масса его в 1836 раз больше массы электрона, а радиус в 10 000 раз меньше радиуса атома.

Теперь на повестку дня становится вопрос о структуре ядер других атомов, и в первую очередь естественно уточнить, что же происходит с ними при радиоактивных распадах. Такие исследования провел Фредерик Содди (1877–1956, Нобелевская премия по химии 1921), который до того разработал, вместе с Резерфордом, теорию радиоактивности. Начинал работать он вместе с Уильямом Рамзаем (1852–1916, Нобелевская премия по химии 1904 г. за открытие благородных газов): именно они сумели по тысячным долям микрограммов, накапливая альфа-частицы в каких-то очень хитро устроенных сосудах, выяснить, что они являются ядрами атома гелия. А совместно с Казимежом Фаянсом (1887–1975) Содди установил, что при испускании альфа-частицы образующееся ядро сдвигается влево на два номера в таблице Менделеева, а при испускании бета-частицы, т. е. электрона, подвигается на одно место вправо (закон Содди-Фаянса).

Теперь казалось естественным, что, поскольку из ядер вылетают альфа-частицы и электроны, то ядра состоят из этих тесно связанных частиц и протонов. Так, следующее по сложности после водорода — ядро атома гелия, т. е. сама альфа-частица: ее масса в четыре раза больше массы протона, а заряд вдвое больше, поэтому можно предположить, что она сама составлена из четырех протонов и двух электронов. Ну а дальше?