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

Нейтрон

На протяжении двух десятков лет после открытия атомного ядра физики в основном считали, что ядра всех элементов состоят из ядер водорода (позднее получивших название протонов) и электронов. Гелий имеет атомный вес 4 и атомный номер 2, следовательно, его ядро (альфа-частица) должно было содержать четыре протона и два электрона; это как раз и дает величину заряда ядра, равную 4 — 2 = 2 единицам заряда электрона. Аналогично можно было предположить, что ядро, например, кислорода (атомный вес которого равен 16, а атомный номер 8) должно содержать 16 протонов и 8 электронов, хотя в те времена многие полагали, что эти составляющие ядра, по всей видимости, объединены в четыре альфа-частицы. И так далее вплоть до самых тяжелых ядер типа урана, который — при атомном весе 238 и атомном номере 92 — должен содержать 238 протонов и 238 — 92 = 146 электронов.

Чтобы установить, из чего же на самом деле состоят ядра, нужно было «разбить» их и посмотреть, что скрывается внутри. Расщепление ядер впервые было осуществлено Резерфордом в 1917 г., когда он еще работал в Манчестерском университете. Как говорят, Резерфорд явился однажды на заседание Комитета по военным исследованиям с опозданием, объяснив это так: «Я был занят исследованиями, которые, как мне кажется, могут привести к искусственному расщеплению атома. Если это действительно так, то подобное исследование неизмеримо важнее, чем война!» [12].

Еще раньше Резерфорд заметил, что металлический источник, покрытый альфа-излучающим радием С, всегда испускает частицы, которые создают сцинтилляции на экране из сернистого цинка, находящемся на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц в воздухе. Исследуя это явление в магнитном поле, Резерфорд пришел к выводу, что частицы, вызывающие сцинтилляции, являются ядрами водорода; теперь мы называем их протонами. Однако он не знал, были ли эти протоны только ядрами отдачи атомов водорода, которые могли присутствовать в металлическом источнике и выбивались оттуда альфа-частицами, или же они вылетали из элементов тяжелее водорода. Пытаясь исследовать это явление, Резерфорд поместил источник с радием С в вакуумированную металлическую камеру, в стенке которой было проделано отверстие, закрытое очень тонкой серебряной пластинкой. Пластинка позволяла альфа-частицам вылетать из камеры и попадать на экран из сернистого цинка и в то же время препятствовала поступлению в камеру воздуха. Резерфорд обнаружил, что число сцинтилляций на экране меняется, когда между серебряной пластинкой и экраном из сернистого цинка помещают тонкие листочки фольги из различных металлов или когда камеру заполняют различными газами. В основном интенсивность сцинтилляций уменьшалась пропорционально тормозной способности фольги или газов. Но стоило заполнить камеру сухим воздухом, как число сцинтилляций резко возросло! Многократно повторяя этот опыт с различными газами, входящими в состав воздуха, — кислородом, азотомит. д., — Резерфорд убедился, что наблюдаемый эффект вызван столкновениями альфа-частиц, излучаемых радием С, с ядрами содержащегося в воздухе азота.

Процесс, открытый Резерфордом,— это расщепление ядра азота: проникая в ядро, альфа-частица выбивает оттуда протон. Однако подобного явления прежде не замечали, и причина этого весьма проста: электрическое отталкивание между положительно заряженной альфа-частицей и тяжелым ядром типа ядра атома золота (с положительным зарядом, равным 79 единицам заряда электрона) слишком велико, и альфа-частицы не могли приблизиться к ядру на достаточное расстояние, чтобы выбить из него протоны. (Как мы уже отмечали, даже при лобовом соударении альфа-частица с типичной скоростью может приблизиться к центру ядра с атомным номером 79 на расстояние не менее 3 ´ 79 ´ 10^-15 = 340·10^-15 м, а, как теперь известно, радиус ядра золота равен лишь 8·10^-15 м.) В то же время ядро азота имеет заряд, равный всего 7 единицам заряда электрона, поэтому альфа-частица, испускаемая радием С и обладающая необычной высокой энергией, могла подойти к ядру на достаточно близкое расстояние в выбить один из его протонов. Свое сообщение об этом результате, сделанное в 1919 г., Резерфорд заключил следующими словами:

Исходя из полученных до сих пор результатов, трудно избежать заключения, что атомы с большой длиной пробега, появившиеся при столкновении альфа-частиц с атомами азота, суть не атомы азота, а, по-видимому, атомы водорода или атомы с массой, равной 2. Если это действительно так, то нам следует сделать вывод, что под действием мощных сил, возникающих при столкновении с быстрой a-частицей, атом азота расщепляется и что освободившийся при этом атом водорода является составной частью ядра азота. ...В целом эти результаты наводят на мысль, что, если мы будем располагать для экспериментов a-частицами — или другими подобными частицами — такой же энергии, то, быть может, нам удастся разрушить ядерную структуру многих более легких атомов [13].