Ирина Радунская - Безумные идеи
Драмы разыгрывались главным образом в сокровенных глубинах атомного ядра и в связи с рождением (не всегда законным) новых частиц.
Прологом к ним послужили работы Резерфорда, который в 1919 году сумел разрушить атомное ядро, открытое им в 1911 году.
Впервые это произошло во время обычных опытов по изучению строения атома азота. Как всегда, исследуемые атомы подвергались бомбардировке альфачастицами (ядрами атомов гелия). По отклонению путей альфа-частиц, соударяющихся с исследуемыми атомами, можно было судить о строении этих атомов, в частности, о размерах их ядер. Но неожиданно Резерфорд обнаружил, что часть атомов азота, вместо того чтобы, подобно бильярдным шарам, отлетать после удара альфа-частиц, превращалась в атомы кислорода, а альфа-частицы при этом исчезали совсем и вместо них появлялись быстрые протоны. Это было поразительное открытие, заложившее основы новой алхимии. Сбылась мечта средневековья о трансмутации – превращении одних элементов в другие.
Следующее великое открытие в этой области в начале тридцатых годов сделали супруги Жолио-Кюри. Они, следуя за Резерфордом, получили искусственные радиоактивные элементы, которые распадались по тем же законам, что и естественные, но в отличие от естественных были легкими и располагались не в конце таблицы Менделеева, а вблизи ее начала.
Стало ясно, что ядра элементов не являются кирпичами мироздания. Казалось естественным возвратиться к гипотезе английского врача Проута, который на основе кратности атомных весов еще за сто лет до того предположил, что все элементы образуются из самого легкого из них – водорода.
Но так как с тех пор было обнаружено, что вес ядра растет быстрее, чем его заряд, то пришлось предположить, что в ядре имеются электроны, компенсирующие часть заряда, образованного протонами. Эти же электроны, по-видимому, играют в ядре «роль цемента», скрепляющего одноименно заряженные протоны, говорили физики. Без этого было невозможно объяснить устойчивость ядер.
Присутствие в ядре электронов подтверждалось и давно открытым фактом радиоактивного бета-распада. Многие радиоактивные ядра самопроизвольно распадаются с выделением электронов. Это само по себе позволяло предположить, что электроны присутствуют хотя бы в этих ядрах. Правда, возросшая точность эксперимента внесла в опыты с бета-распадом трагическую неясность. Во многих случаях такого распада измерения указывали на видимое нарушение закона сохранения энергии. Чем точнее удавалось измерить энергию исходного ядра, дочернего ядра и вылетевшего электрона, тем явственнее выступала нехватка. В процессе распада энергия, несомненно, исчезала совершенно непонятным путем.
В литературе появились работы, обсуждавшие возможность нарушения закона сохранения энергии в элементарных процессах. Но подавляющее большинство ученых скептически относилось к этим предположениям. Закон сохранения не может нарушаться ни при каких условиях, утверждали они, – это основной закон природы. Но факт оставался фактом, изменение баланса энергии при бета-распаде не позволяло свести концы с концами.
Выход указал молодой физик-теоретик Паули. Он предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает еще одна частица, ускользающая от экспериментаторов. Она-то и уносит с собой ту часть энергии, которой не хватает для соблюдения баланса, для выполнения закона сохранения.
Паули подробно описал свойства этой гипотетической частицы: она нейтральна, поэтому ее нельзя зафиксировать так, как фиксируют заряженные частицы; она движется очень быстро, возможно со скоростью света, поэтому ее масса покоя мала, возможно равна нулю. Словом, это частица, которую очень трудно, а может быть, и невозможно обнаружить. В соответствии с ее свойствами она не должна была принимать участия ни в каких процессах, кроме бета распада.
Физики с трудом примирились с «появлением» новой частицы. Уж очень необычными должны были быть ее свойства. Трудно было поверить, что природа создала ее специально для участия в бета-распаде. Но сознание, что закон сохранения энергии незыблем, было сильнее этих сомнений, и ученые вскоре признали частицу Паули и ввели ее в семью элементарных частиц. Итальянский физик Ферми стал ее крестным отцом, дав ей имя нейтрино и создав на основе нейтрино последовательную теорию бета распада.
Благодаря протонно-электронной модели ядра все в микромире постепенно приобрело удивительную ясность. Имеются три кирпича мироздания: отрицательный электрон, положительный протон (масса которого примерно в две тысячи раз превосходит массу электрона) и нейтральный фотон (имеющий ничтожную массу, связанную с его движением). Эта частица не может остановиться, ибо ее масса покоя равняется нулю. Есть еще уродец нейтрино, но с этим можно было не считаться. Нейтрино не участвовали в мироздании. Рождаясь при сравнительно редких случаях бета-распада, они бесследно исчезали.
Из протонов, связанных электронами, образуются ядра атомов. Электроны, летающие вокруг ядер по устойчивым боровским орбитам, превращают атомы в законченные нейтральные конструкции со всем многообразием их физических и химических свойств. Фотоны рождаются и гибнут в процессах перескока электронов с орбиты на орбиту.
Блестящая гармония протонно-электронной модели, покоящаяся на кратности атомных весов, не нарушалась даже тем, что атомные веса некоторых элементов сильно отличаются от целых чисел. Это была лишь кажущаяся трудность. Ведь такие отклонения наблюдаются только для элементов, имеющих по несколько изотопов, открытых молодым английским физиком Астоном. Он установил, что атомы изотопов химически тождественны и имеют целочисленные атомные веса. Измеренные прежними способами, атомные веса природных элементов оказывались некратными весу протона только потому, что природные элементы содержат случайное (хотя и одинаковое во всех случаях) сочетание изотопов.
Особенно разителен пример с хлором. Как известно, его атомный вес равен 35,5. Такое нецелое число получается потому, что природный хлор на одну четверть состоит из изотопа хлора с атомным весом 35 и на три четверти из изотопа хлор-37.
Однако Астону, погибшему в первой мировой войне вскоре после своего открытия, не довелось узнать, что его метод измерения атомных весов едва не погубил протонно-электронную модель ядра. Повышающаяся точность эксперимента чуть не опрокинула все это стройное здание. Оказалось, что атомные веса изотопов все же отличаются от простых целых чисел сильнее, чем это можно объяснить за счет ошибок измерения.
Но положение было спасено введением «дефекта массы». Ведь для того, чтобы ядра были устойчивыми, частицам должно быть выгоднее существовать внутри ядра, чем вне его. А это значит, что при их объединении в ядро должна выделяться энергия (та же, которую надо затратить для разрушения ядра). Но в соответствии с теорией относительности потеря энергии эквивалентна потере массы и поэтому масса ядра должна быть меньше, чем сумма масс входящих в него частиц.
Таким образом, протонно-электронная модель не только не погибла, но с учетом дефекта массы еще прочнее оперлась на опыт, который при этом подтверждал не только справедливость модели ядра, но и факт выполнения закона сохранения энергии при ядерных превращениях.
Нейтрон против электрона
Опыт – верховный судья. Это признают все здравомыслящие ученые. Но бывает, что этот судья говорит на языке, еще непонятном людям, и они должны научиться переводить указания опыта на человеческий язык при помощи формул и понятий, полученных на основе предыдущего опыта. Бывает также, что переводчики ошибаются и оправдательный приговор выдают за обвинительный.
Еще чаще случается, что обрадованный переводчик недослушает приговор и спешит осчастливить подсудимого, и тот готовится бежать на пир, а его ведут в темницу. Получается почти как у Пушкина: «Глухой глухого звал к суду судьи глухого...» Так случилось и в этот раз.
Действительность многогранна, и опыт, только что истолкованный в духе протонно-электронной модели, обнаружил новые черты элементарных частиц. Выяснилось, что протоны и электроны представляют собой миниатюрные магнитики, причем легкие электроны обладают примерно в две тысячи раз большим магнетизмом, чем тяжелые протоны.
Здесь не было ничего удивительного. Просто новый, хотя еще и не объясненный факт. Но опыт пока зал также, что магнитные свойства всех ядер по величине близки к магнетизму протона! Как же слабенькие магнитики-протоны уничтожали в ядре «огромный» магнит электрона? Ведь уже в тяжелом водороде – дейтерии в соответствии с моделью должны быть два протона и один электрон. Но магнетизм его не только не равен магнетизму электрона, но в три раза меньше, чем магнетизм протона. А это примерно в 5 тысяч раз меньше, чем можно ожидать от протонно-электронной модели.
