Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Это стало началом обращения Бора к проблемам зарождающейся ядерной физики, которая принесла много неожиданностей в 1930-е годы, а кроме того, вновь тесно связала его со старым другом Резерфордом и экспериментальными результатами Кавендишской лаборатории.

Возможно, самой заметной головоломкой 1920-х годов была энергия р-лучей (электронов), происходящих из радиоактивных источников. Два города, Берлин и Кембридж, и два человека, Лиза Мейтнер (1878-1968) и Чарльз Драммонд Эллис (1895-1980), были действующими лицами плодотворного научного спора, который привел к нынешнему пониманию ядра. Спор велся вокруг p-спектра радиоактивных материалов, то есть вокруг распределения энергии электронов, испускаемых радиоактивными веществами.

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор, фото австрийского физика Паула Эренфеста, 1925 год.

Циклотрон в Институте теоретической физики в Копенгагене, построенный по распоряжению Бора.

Эллис и Мейтнер располагали сходными данными, но их интерпретации были различными. Зная постулаты зарождающейся квантовой физики, Мейтнер считала, что электроны, покидающие ядро, могут принимать только определенные постоянные значения энергии. Таким образом, β-спектр должен быть дискретным. Очевидно, что такой спектр заметить нелегко. Ядро испускает электроны и γ-излучение, которые, в свою очередь, сталкиваются с электронами атомной оболочки. Снаружи сложно различить, какие электроны происходят напрямую из ядра, а какие являются результатом вторичных процессов.

В Кембридже Эллис и Джеймс Чедвик (1891-1974) были убеждены, что спектр ядерных электронов непрерывен, то есть ядро испускает электроны со всеми значениями энергии от минимума до максимума, без учета квантовых скачков. Мейтнер полагала, что результаты Чедвика и Эллиса не имеют смысла, поскольку противоречат квантовой механике. Исследователи из Кавендишской лаборатории, в свою очередь, доверяли экспериментальной ценности своих результатов. Кроме того, Резерфорд не был сторонником квантовой физики, поэтому его не беспокоило, что экспериментальные результаты противоречат ее постулатам.

Здесь следует уточнить: когда мы говорим, что ядро испускает электроны, нужно учитывать, что в лаборатории нет отдельных ядер, есть макроскопические количества элементов, атомы которых испускают электроны. Как бы мало радиоактивной материи ни было в распоряжении, число атомов достигнет порядка нескольких биллионов. В лаборатории можно наблюдать лишь комбинированный результат действия всех этих атомов. Неудивительно, что при похожих экспериментальных результатах интерпретации различны. Мейтнер и Эллис наблюдали одно и то же — спектр 0-радиоактивности непрерывен, — но видели разные вещи.

Дискуссия Берлина с Кембриджем длилась почти десять лет, пока в период с 1927 по 1929 год стороны не пришли к соглашению, подтвердившему позицию английской команды: электроны 0-радиоактивности изначально имеют энергию, которая варьируется от минимального до максимального значения; спектр энергии этих электронов непрерывен. Казалось, под угрозой — некоторые основные идеи квантовой физики.

И не только они. Если атомы испускают электроны с переменной энергией, как возможно, что энергия до и после излучения всегда одна и та же? Бор выдвинул гипотезу, которую уже выдвигал некоторое время назад: отсутствие сохранения энергии в β-радиоактивности. На этот раз он не стал ничего публиковать, так как в переписке с коллегами смог оценить неприятие, которое вызывала подобная идея.

Другое решение, столь же отчаянное, в 1930 году предложил Паули. В знаменитом письме 4 декабря, направленном участникам конгресса о радиоактивности, Паули допустил, что с p-излучением ядро испускает нейтральную неизвестную до тех пор частицу, энергия которой соответствует энергии, недостающей электрону. Так, при каждом радиоактивном излучении ядро всегда испускает одно и то же количество энергии, и она распределяется переменным образом между электроном и нейтральной частицей. Эту частицу позже назвали «нейтрино», и хотя с фактом ее существования очень быстро согласились, саму ее обнаружили экспериментально только в 1956 году.

Весной 1932 года в Копенгаген хлынул непрерывный поток исследователей из Кавендишской лаборатории. В феврале того года Чедвик объявил о существовании нейтральных частиц, нейтронов, не имеющих электрического заряда, с массой, подобной массе протонов, присутствующих во всех атомных ядрах. Существование частиц не стало неожиданностью. Еще в 1920 году ввиду необходимости лучше понять состав атомных ядер Резерфорд выдвинул предположение о тесно связанных соединениях из протона и электрона, которые он назвал «нейтронами». Это предположение основывалось на существовании другой чрезвычайно стабильной структуры — α-частиц, которые должны были объяснить ядерную стабильность. Однако после некоторых безрезультатных попыток Резерфорд оставил поиск нейтронов.

Различные команды ученых годами исследовали свойства радиоактивности полония-бериллия. При облучении атомов бериллия α-частицами, происходящими из радиоактивного полония, получались изотоп углерода и нейтральное излучение с высокой проникающей способностью по формуле:

4α2 + 9Ве4 →13С6 + γ,

где у представляет собой нейтральное излучение, которое изначально истолковали как электромагнитное. Джеймс Чедвик изучал взаимодействие этого нейтрального излучения с различными элементами. Сначала он заметил, что нейтральное излучение полония-бериллия приводит в движение атомы водорода, но то же самое происходило и с атомами азота, которые в 14 раз тяжелее первых. Это было невозможно при электромагнитном излучении. Чедвик говорил: «Эти результаты, а также другие, которые я получил в ходе работы, сложно объяснить, если предположить, что излучение бериллия является квантовым. Сложности исчезнут, если предположить, что излучение вызвано частицами массы 1 и заряда 0, или нейтронами». Данную статью («Существование нейтрона», опубликована в 1932 году в журнале Nature) принято считать моментом рождения новой частицы, нейтрона. Происхождение этих нейтронов задано реакцией:

4α2 + 9Ве4 → 12С6 + 1n0.

где n обозначает нейтроны.

Это предположение исказило изначальное толкование открытия Чедвика. Одно дело экспериментально подтвердить, что существует нейтральное излучение (состоящее из частицы массы, схожей с массой протона), и совершенно другое — истолковать эти частицы как элементарные, основополагающие. Последний шаг был сделан не сразу: на то, чтобы весь мир признал основополагающий характер нейтронов, понадобилось почти два года. Между тем многие предпочитали думать, что нейтрон, как и а-частицы, — это соединение протона с электроном.

Среди первых, кто принял это радикальное толкование, были Паули, Гейзенберг и Бор. Последний организовал в Копенгагене в апреле 1932 года семинар по изучению недавнего открытия и следствий из него для структуры атомного ядра. Чтобы представить себе тот энтузиазм, с которым Бор воспринял новость о существовании нейтронов, обратимся к фрагменту письма, отправленного им Резерфорду после апрельского семинара: 

«Прогресс в исследовании ядерной структуры настолько скоростной, что задаешься вопросом, какие новости ждут нас завтра. [...] Пожалуй, я никогда еще так не хотел быть ближе к вам и к Кавендишской лаборатории». 

Если считать нейтрон элементарной частицей, а не соединением протона с электроном, то образ атомного ядра меняется радикально. Атом обрел иную структуру (см. рисунок 3): ядро, образованное протонами и нейтронами (частицами схожей массы, хотя первая обладает электрическим зарядом, а вторая нет), и несколько электронов вокруг ядра, число которых равно числу ядерных протонов.

РИС.З

У этой модели атома было много преимуществ относительно предыдущей, но был один очевидный недостаток. Если ядро состояло только из протонов и нейтронов, откуда испускались электроны β-радиоактивности? Чтобы ответить на этот вопрос, требовалось ввести новую частицу, которая была открыта в 1932 году, — позитрон.

С 1910 по 1912 год немецкие ученые Альберт Гокель (1860— 1927), Вернер Кольхёрстер (1887-1946) и австриец Виктор Франц Гесс (1883-1964) изучали тип излучения (неизвестного до той поры), происходящего из атмосферы. Поднявшись на аэростатах, исследователи заметили, что количество обнаруженного в атмосфере электрического заряда с высотой увеличивается. Это указывало на то, что излучение происходит из верхних слоев атмосферы или (почему бы и нет?) из космоса. Поэтому его назвали Hohenstrahlen, или Ultrastrahlen, дословно «излучения высот», или «излучения извне».