Загадки микромира

И Резерфорд писал своему другу, датскому физику Нильсу Бору, в конце 1916 года: «Я обнаруживаю и подсчитываю легкие атомы, приводимые в движение альфа-частицами, и эти результаты проливают яркий свет на характер и распределение сил вблизи ядра. Я пытаюсь таким же методом взломать атом».

И дальше, самое главное: «Я получил некоторые, как мне кажется, довольно удивительные результаты, но потребуется тяжелый и продолжительный труд, чтобы представить надежные доказательства моих выводов».

Что же это за «некоторые» результаты? Ни много ни мало, а первая в мире ядерная реакция! Первое искусственное расщепление альфа-частицей ядра азота, сопровождающееся вылетом более легкого ядра атома водорода.

Исследователь попеременно заполнял камеру то азотом, то воздухом, то чистым кислородом. И в первом, и во втором, и в третьем случаях экран выдавал присутствие ядер водорода. Но список исследованных элементов очень скоро оборвался — более тяжелые ядра были недоступны альфа-частицам малой энергии.

Резерфорду, однако, полученных результатов было вполне достаточно. Он уже не сомневается в том, что нашел ту самую положительно заряженную «деталь», которую включают в себя все атомные ядра.

Этот вывод подтверждался и теми учеными, которые тоже искали самую легкую частицу с положительным зарядом в разрядной трубке. Там в обратную сторону — от анода к катоду — двигался поток ионов газа, то есть двигались атомы с содранными электронами. И самой легкой частицей среди них оказалось ядро атома водорода, потерявшего свой единственный электрон.

Так «родилась» на свет вторая элементарная частица — протон — ядро атома водорода.

Протон в две тысячи раз тяжелее электрона. Он полностью соответствовал представлению ученых о возможном носителе положительного заряда в атоме, прекрасно ассоциируясь с огромной массой атомного ядра.

Открытию не сопутствовала ни борьба с канонами науки, ни преодоление психологического барьера. Можно сказать, что весь шум и всю кровь научных баталий взял на себя электрон.

И вот перед физиками лежали два основных «кирпича» материи. И физики вроде бы были этим весьма довольны. Любое вещество строилось у них из атомов, атомы же, в свою очередь, — из электронов и ядер.

Но и тут отыскалась логическая прореха. Ядро атома, несомненно, устойчиво, но вот как представить себе устойчивое ядро, состоящее из одних протонов? Ведь нельзя же, в самом деле, взять да и отменить электрическое отталкивание между частицами с зарядом одинакового знака!

В те годы еще ничего не знали о ядерных силах притяжения между частицами. Поэтому выход нашли в искусственной, чисто умозрительной конструкции, решив, что ядро содержит протоны плюс электроны, уравновешивающие электростатические силы.

До чего простая и вместе с тем приятная для глаза картина! О такой картине строения мира можно только мечтать: никакой сутолоки десятков «простейших, неделимых» атомов. Вместо них — всего две элементарные частицы: легкий электрон и тяжелый протон.

Третий, но не лишний

Небольшой кусочек радиоактивного вещества лежал около пластинки из бериллия. Альфа-частицы проскальзывали сквозь бериллий, выбивая протоны. Счетчик Гейгера, сменив легко устающий и легко ошибающийся глаз экспериментатора, щелкал, отсчитывая число вылетающих из пленки частиц.

В одной из физических лабораторий Германии в самом начале 30-х годов был обычный, трудовой день. Профессор Вальтер Боте и его друг Бекер приводили в порядок свои записи.

Когда подсчет протонов был окончен, счетчик Гейгера отодвинули настолько, чтобы протоны, вылетающие из бериллия, не долетали до него. И для определения числа фоновых отсчетов снова включили высокое напряжение.

Но счетчик Гейгера продолжал работать. Его отодвинули еще дальше. Счетчик работал. Удивление сменилось растерянностью. Что мог регистрировать счетчик на таком большом расстоянии?

Может быть, это были гамма-кванты — электромагнитное излучение, более проникающее, чем протоны? Против гамма-квантов есть прекрасный заслон — свинцовая пластинка. Но и свинцовая пластинка не помогла: щелчки продолжали следовать в том же ритме. Вторая и третья пластинки также оказались бессильны.

К счетчику Гейгера шла волна какого-то необычного излучения, для которого толстый слой свинца был не страшнее листика папиросной бумаги. Но Боте и Бекер не смогли сделать решительный шаг и воскликнуть: «Так это же новые, неизвестные нам частицы, господа, выбитые из ядер бериллия!» Профессор Боте и Бекер молча записали в лабораторный журнал: «Обнаружены обыкновенные гамма-кванты с большой энергией».

Во Франции «бериллиевым» излучением заинтересовались супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Но французские физики просто повторили вывод своих немецких коллег. «Необычайно проникающие гамма-лучи» — такой вывод сделали супруги Жолио-Кюри. Сделали, несмотря на то, что этот вывод нарушал основной закон механики — закон сохранения импульса.

«Личность» дважды потерпевшей фиаско частицы помог установить ученик Резерфорда, член Лондонского королевского общества, будущий лауреат Нобелевской премии Дж. Чедвик.