Открытие субатомных частиц - нейтрон, фотоны, нейтрино, позитроны и другие античастицы, страница 5

Трудно указать точно, с какого момента нейтрон был признан равноправной элементарной частицей. Одной из причин такого признания явилось более точное измерение массы нейтрона. Изучая расщепление гамма-лучами ядер ²Н (дейтрона) на протон и нейтрон, Чедвик и Морис Гольдхабер (р. 1911) обнаружили в 1934 г., что масса нейтрона чуть больше суммы масс протона и электрона,— этого нельзя было ожидать, если предполагать, что нейтрон состоит из протона и электрона. (Как теперь установлено, масса нейтрона на 0,138 % превышает массу протона и на 0,083 % сумму масс протона и электрона.) Возможно, решающую роль сыграл эксперимент, проведенный в 1936 г. в США Мэрлом А. Тьювом (1901 —1982) совместно с Н. Гейденбергом и Л. Р. Хофштадом; ученые исследовали рассеяние протонов на протонах [18]. Как предполагал Гейзенберг, протоны и нейтроны могут воздействовать друг на друга, обмениваясь электронами; однако протоны не содержат электронов, следовательно, между ними не могут действовать никакие силы, за исключением гораздо более слабых сил электрического отталкивания. Но вместо этого Тьюв, Гейденберг и Хофштад обнаружили, что протоны сильно рассеиваются на водородной мишени (т. е. протонами), следовательно, сила, действующая между двумя протонами, столь же велика, как между протоном и нейтроном. В совместной статье Грегори Брейта и Юджина Финберга высказывалась мысль о том, что ядерные силы не зависят от заряда (т. е. зарядово-независимы): они действуют так, словно нейтрон и протон «близнецы-братья» [19]. (Подобное утверждение было сделано в том же выпуске журнала Physical Review Б. Кассеном и Э. У. Кондоном.) Теперь уже не оставалось никаких оснований думать, что нейтрон «менее элементарен», чем протон.

Если нейтроны не состоят из протонов и электронов и если в ядре нет электронов, то как же объяснить тот факт, что при бета-распаде ядра испускают электроны? Ответ на тот вопрос был дан в 1933 г., т. е. через год после открытия нейтрона, в новой теории бета-распада, разработанной в Риме итальянским физиком Энрико Ферми (1901—1954) [20]. (Больно вспоминать, что эта статья Ферми была возвращена ему журналом Nature, куда он ее отослал.) Согласно теории Ферми, процесс испускания электрона при бета-распаде подобен излучению света возбужденным атомом — ни бета-частицы, ни света в атоме нет вплоть до момента излучения; однако испускание бета-частицы вызвано не электромагнитными силами, а совершенно новым типом сил, которые получили название слабого взаимодействия. Склонный к метафорам, Г. Гамов как-то сравнил бета-распад с пусканием мыльных пузырей в; ядре электрона нет до того момента, как он испускается ядром, точно так же как в трубочке нет мыльного пузыря, пока он не вылетит из нее.

Открытие Чедвиком нейтрона, разработка Ферми теории бета-распада и создание ускорителей Кокрофтом и Уолтеном, а также Э. О. Лоуренсом ознаменовали собой начало новой эры в ядерной физике. Большинство последующих работ по исследованию ядра выходит за рамки нашей книги. Но, быть может, читателю будет интересно узнать, как после 1933 г. удалось объяснить процессы радиоактивного альфа- и бета-распада, которые Резерфорд и Содди исследовали экспериментально много раньше, еще в Мак-Гиллском университете.

Предположим, нам нужно составить карту всех изотопов всех химических элементов, используя в качестве координат (вместо долготы и широты) число протонов и число нейтронов в ядре, и предположим также, что мы решили нанести на эту «карту» значения ядерной энергии, приходящейся на одну частицу.