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

Действительно, 1932 год считается чудесным годом для Кавендишской лаборатории: там не только был открыт нейтрон и «рожден» позитрон, но также успешно создан и запущен первый ускоритель частиц, с помощью которого физики Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967) и Эрнест Уолтон (1903-1995) добились первого искусственного радиоактивного распада в истории.

Доказательство существования нейтрона и позитрона, наряду с предположением о существовании нейтрино, радикально изменило понимание атомного ядра, и уже можно было дать первое связное объяснение первому ядерному явлению — радиоактивности. Ведь если ядро состоит лишь из протонов и нейтронов и точно известно, что β-излучение состоит только из электронов, которых нет в оболочке атома, откуда берутся эти электроны? В 1930 году Паули ввел почти призрачную частицу (не имеющую заряда, массы и практически необнаружимую) — нейтрино,— которая испускалась при β-излучении.

Первую теорию, все еще справедливую в ее основных принципах, в декабре 1933 года сформулировал Энрико Ферми (1901-1954). Эта теория была настолько прогрессивной, что при первых попытках опубликовать статью издатели научных журналов отказывались печатать ее, посчитав исключительно умозрительной. И это после 20 лет постоянных прорывов в физике!

Ученые зависят не от идей одного человека, а от комбинированной мудрости тысяч людей, которые все вместе думают над одной и той же проблемой. Каждый из них вносит свой маленький вклад в структуру знания, которая постепенно выстраивается.

Эрнест Резерфорд

Теория Ферми гласит, что в ядре нейтрон может трансформироваться в протон + электрон + нейтрино, при этом последние два испускаются вне ядра. То же самое может происходить с трансформацией протона в нейтрон + позитрон + нейтрино, благодаря чему образуется искусственная радиоактивность, которую некоторое время назад открыли супруги Ирен Кюри (1897-1956), дочь Марии Кюри, и Фредерик Жолио-Кюри.

При этих трансформациях масса, заряд и другие величины, например спин, сохранялись. Как видно, Ферми укрепил в этой теории идею о том, что элементарные частицы не так уж и элементарны, они способны трансформироваться одна в другую.

Идею подхватил Гейзенберг, а через некоторое время японец Хидэки Юкава (1907-1981) объяснил, как протонам и нейтронам удается оставаться такими сплоченными в столь маленьком пространстве, как атомное ядро. С учетом действия единственных известных на тот момент сил — гравитационной и электромагнитной — эта сплоченность была невозможной из-за электростатического отталкивания, которое должны были испытывать протоны (все с положительным зарядом).

РИС . 5

Ядерные протоны и нейтроны сплочены благодаря их постоянной смене сущностей, результату взаимообмена мезона.

Гейзенберг ввел термин «нуклон» в отношении как протонов, так и нейтронов. Его идея состояла в том, что протоны постоянно превращаются в нейтроны, а те — в протоны, и именно эта постоянная смена сущности поддерживает нуклоны сплоченными (см. рисунок 5). Юкава в 1934 году допустил, что эта трансформация протонов в нейтроны, и наоборот, осуществляется с созданием, взаимообменом и аннигиляцией промежуточной частицы — мезона.

В 1937 году в космических лучах была обнаружена новая частица, характеристики которой походили на предсказанные Юкавой, включая непродолжительность их жизни. Так что умозрительная частица Юкавы была сразу же отождествлена с мезоном, замеченным в космических лучах. После Второй мировой войны это отождествление было признано неверным (мезон космических лучей и мезон Юкавы оказались двумя различными частицами), но это способствовало созданию первого устойчивого образа атомного ядра и пониманию, что его внутренние силы отличаются от известных до тех пор. Это стало первым шагом на пути к тому, что мы сегодня знаем как «слабое взаимодействие» (сила Ферми в радиоактивности) и «сильное взаимодействие» (сила Юкавы).

С момента открытия в годы Первой мировой войны Института теоретической физики основным оборудованием в нем были бумага и карандаш, доска и мел, а также постоянно пополнявшийся книжный и журнальный фонд. В 1930-х Бор реорганизовал свое учреждение и превратил его также в экспериментальный центр ядерной физики первого порядка.

Успех первого ускорителя частиц Кокрофта и Уолтона в Кембридже подстегнул сооружение других ускорителей и развитие новых технологий во многих центрах физики во всем мире. Бор решил, что Копенгаген не может отстать в этой набирающей обороты гонке. Благодаря авторитету и административным способностям Бор получил финансирование, достаточное для строительства не одного, а трех ускорителей: двух линейных и одного циклического, или циклотрона.

Смысл ускорителей был не только в изучении ядерной физики на более глубоком уровне, но и в производстве радиоактивных изотопов для медицинских целей. И именно так сложился симбиоз биологии с физикой в Институте Бора.

Дьёрдь де Хевеши, с которым Бор уже сотрудничал в Манчестере, отвечал за развитие биологической части ядерного проекта. Идея заключалась в создании радиоактивных изотопов низкой интенсивности для использования в качестве маркеров в тканях и органах.

Гонка строительства все более мощных ускорителей частиц в 1930-е годы имела конкретную цель: контролировать в лаборатории явления высокой энергии, которые на тот момент были возможны только в непредсказуемых процессах космических лучей. Чтобы ускорить частицы при высокой энергии, нужно чтобы они были электрически заряженными. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или сами атомы в обычном состоянии, могут быть ускорены, только если что-то предварительно ускоренное столкнется с ними. Есть два вида ускорения частиц с электрическим зарядом: линейное и циклическое. В первом случае частицы ускоряются электрическим полем: создается разница потенциалов между концами трубки, образуется электрическая энергия, ускоряющая заряженную частицу. Существенный недостаток этой техники: сложно создать большие разницы потенциалов без произведения электрического разряда, который бы их аннулировал. В циклических ускорителях используются одновременно электрическое и магнитное поля. Первое служит для небольшого ускорения частицы, а второе — для искривления ее траектории, чтобы частица вновь прошла через электрическое поле и вновь была ускорена. Так достигают того, чтобы одно и то же электрическое поле давало много импульсов заряженным частицам, чем увеличивало бы их скорость.

Циклотрон Калифорнийского университета, 1939 год.

Радиоактивность всегда рассматривали как форму проникающей энергии, с помощью которой можно сжигать и разрушать недоступные ткани. Так, вскоре радиоактивность более или менее успешно была направлена на борьбу с раком. Хевеши рассуждал иначе и занялся производством радиоактивных материалов, химические и биологические свойства которых были хорошо известны. Энергия излучения этих веществ должна быть очень низкой, но достаточной для обнаружения с помощью очень чувствительных приборов. Получив эти изотопы, их вводили в тело живого существа и прослеживали маршрут благодаря радиоактивности. С помощью этого метода можно было обнаружить, например, препятствия, вероятные признаки аномалии, порока развития или опухоли.

Из всех частиц, которые были обнаружены в 1930-е годы, нейтрон стал «звездой» физики. Ввиду его нейтрального заряда было относительно легко использовать нейтроны для исследования внутреннего строения ядра, поскольку они им не притягивались и не отталкивались. Многие физические лаборатории в Европе и некоторые в США и Японии занимались ядерным исследованием с помощью нейтронов. Вскоре было замечено, что иногда при бомбардировке атомов нейтронами последние поглощаются ядром, в связи с чем оно превращалось в другой изотоп этого же самого элемента. Но новые ядра были нестабильны, поэтому быстро распадались, испуская радиоактивность. Так перешли к изготовлению новых радиоактивных элементов. Особенно завораживающими были трансурановые элементы — те, что шли за ураном в периодической таблице.

Проект, который навсегда изменил ядерную физику, реализовали Лиза Мейтнер, Отто Ган (1879-1968) и молодой химик Фриц Штрассман (1902-1980). Было ясно, что если физическая часть заключается в бомбардировке атомов нейтронами, то для анализа полученных атомов нужны химики. Но в 1938 году Мейтнер, имевшая еврейские корни, была вынуждена покинуть Берлин, и проект остался в руках Гана и Штрассмана. У Мейтнер возрастало ощущение, что какая-то из их гипотез неверна, поскольку поведение трансурановых элементов не совпадало с ожидаемым.