Цепная реакция идей

Ближайший сотрудник Фредерика Жолио-Кюри Ганс Хальбан говорил, что камера Вильсона всегда оставалась излюбленным инструментом Фредерика: «У него всегда под рукой было несколько камер в отличном состоянии. Жолио проводил долгие часы у смотрового окна камеры. Для него это было основное время раздумий. Временами один из нас, его сотрудников, получал привилегию провести вторую половину дня вдвоем с Жолио в темной комнате, наблюдая за полетом частиц. В эти часы он давал волю воображению, и такие встречи для большинства из нас были основным источником вдохновения».

На первой стадии опытов Ирен и Фредерик Жолио-Кюри применили ионизационную камеру для того, чтобы изучить особенности излучения Боте — Беккера и его действие на различные вещества. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. Помещая на пути потока частиц экраны из водородсодержащих веществ, например парафина, они могли ожидать, что поток уменьшится. Но оказалось, что он даже увеличивался. Ученые, разумеется, пришли к выводу, что перед ними какое-то новое явление. После этого они воспользовались камерой Вильсона и быстро обнаружили, что излучение Боте — Беккера способно выбивать ядра из атомов водорода, гелия и азота. При этом выбитые ядра приобретали значительную энергию. Одновременно исследователи отметили, что в пространство излучаются электроны высоких энергий.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри опубликовали результаты своих опытов и попытались их объяснить. Одним из первоначальных объяснений было предположение, что излучение Боте — Беккера состоит из жесткого гамма-излучения. Но как только они измерили треки выбиваемых ядер водорода (протонов), то убедились, что энергия излучения Боте — Беккера гораздо больше энергии гамма-излучения.

В конце февраля 1932 года ученик Резерфорда Джеймс Чадвик в Кевендишской лаборатории после ознакомления с результатами опытов Жолио-Кюри измерил с помощью электронного оборудования — пропорционального усилителя — отдельные импульсы, возникающие при прохождении ядер и электронов через счетчик, и разделил их. Оборудование, которым пользовался Чадвик, было более совершенным, такого не было еще в Институте радия. Оно использовалось и в дальнейших опытах Чадвика, которые привели к результатам, показавшим, что первоначальное предположение Боте и Беккера, а также Ирен и Фредерика Жолио-Кюри об электромагнитной природе сверхпроникающего излучения неверно.

Если бы это было гамма-излучение, тогда, по расчетам Чадвика, количество выбитых протонов было бы в десятки тысяч раз меньше, чем то, которое наблюдалось при эксперименте. Чадвик показал, что излучение Боте — Беккера состоит из электрически незаряженных частиц с массой, равной примерно массе ядра водорода (протона). Это были, несомненно, нейтроны.

Фредерик Жолио-Кюри писал, что открытие нейтрона представляет собой результат трех серий опытов, проведенных в трех разных странах: Германии, Франции и Англии. Он привел следующие хронологические данные.

1. 1930 год. Опыт Боте и Беккера (Германия). Обнаружено исключительное сильно проникающее излучение, возникающее при облучении некоторых легких элементов (например, бериллия, бора) альфа-частицами.

2. 18 января 1932 года. Опыт Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, обнаруживший, что излучение Боте — Беккера обладает свойством выбивать ядра из атомов.

3. 27 февраля 1932 года. Опыт Чадвика, подтвердивший результат Жолио-Кюри и показавший, что наблюдаемый эффект объясняется тем, что в состав излучения Боте — Беккера входят новые частицы, а именно нейтроны.

Известный немецкий физик Вернер Гейзенберг в своей книге «Физика атомного ядра», изданной в переводе у нас в 1947 году, приводит реакцию взаимодействия альфа-частиц с легким элементом бериллием, сопровождая ее следующими словами: «...этот важный процесс превращения привел Жолио-Кюри и Чадвика к открытию в 1932 году нейтронов».

После работ Чадвика, за которые ему была присуждена Нобелевская премия по физике, уже не могло быть никаких сомнений относительно существования нейтронов. Замечательная элементарная частица, родившаяся в воображении Резерфорда в 1920 году, спустя 12 лет вторично родилась в опытах супругов Жолио-Кюри и Джеймса Чадвика.

После открытия нейтрона на смену резерфордовской протонно-электронной модели атома пришла новая модель, в которой ядра состоят из протонов и нейтронов. Возникновение отрицательных или положительных электронов во время распада природных или искусственных радиоактивных элементов объясняется превращением протона ядра в нейтрон, или наоборот (Э. Ферми). Такое превращение сопровождается рождением положительного или отрицательного электрона. Отсюда следует, что протон и нейтрон — это как бы два состояния одной и той же тяжелой частицы — нуклона, которая может быть положительно заряженной или нейтральной.

Открытие нейтрона указало на существование в природе нового типа сил — ядерных сил. Оно определенно указало на силы не электромагнитного происхождения, которые удерживают нейтроны и протоны тесно связанными в атомном ядре. Эти новые силы не имели аналога в макроскопической физике. Они получили название сильных взаимодействий. Эксперименты по рассеянию частиц позволили познать сложный характер сил, действующих между нейтроном и протоном. Это силы притяжения, и действуют они на очень малых расстояниях порядка 1 ферми (10–13 сантиметров). Если расстояние еще меньше, то ядерные частицы начинают отталкиваться.

Изучение ядерных сил позволило оценить примерные размеры ядерных систем, применив при этом квантово-механические принципы. Ядра приблизительно в 10...100 тысяч раз меньше, чем атомы, а энергии ядер лежат в области миллионов электрон-вольт.

Сейчас ученые знают о роли нейтрона в атомной технике. Но полезно вспомнить, что вскоре после открытия этой частицы в 1932 году Резерфорд высказал гениальное предположение о возможном значении нейтрона в овладении атомной энергией: «Недавнее открытие нейтрона и доказательство его исключительной эффективности в осуществлении ядерной реакции... при низких скоростях создает новые возможности при условии, если будет найден способ производства в большом количестве медленных нейтронов при малой затрате энергии для этого».

Одними из тех, кто нашел этот способ, были Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.

Три открытия 1932 года считаются особенно важными для дальнейшего развития атомной и ядерной физики: открытие Чадвиком и Жолио-Кюри нейтрона, опубликование Ферми теории радиоактивного бета-распада и открытие Андерсоном и Неддермайером позитрона. Конечно, роль этих замечательных открытий в развитии науки была определена гораздо позднее.

Наиболее выдающимся открытием после того, как Чадвик неопровержимо доказал существование нейтрона, была искусственная радиоактивность. В этом можно видеть некоторую закономерность. Ведь Жолио-Кюри сделали важный шаг в открытии нейтрона и, естественно, даже после опубликования Чадвиком его результатов они продолжали опыты по исследованию нейтронов.

Менее года прошло с момента открытия искусственной радиоактивности. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили вдвоем Нобелевскую премию по химии «за синтез новых радиоактивных элементов», как тогда сформулировали открытие искусственной радиоактивности.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри облучали альфа-частицами различные элементы, например фтор, натрий и алюминий. Таким образом они получали нейтроны. До этого Боте и Беккер, а также Чадвик бомбардировали альфа-частицами другие элементы — бериллий, бор и литий. Жолио-Кюри решили в своих опытах продолжить список элементов и исследовать «различные нейтроны».

Серия опытов была закончена Ирен и Фредериком Жолио-Кюри к осени 1933 года. Эти опыты показали, что при облучении альфа-частицами легких элементов некоторые из них испускали наряду с нейтронами и позитроны.

Исследователи предположили, что натолкнулись на какое-то совершенно новое явление, не замеченное другими физиками, занимавшимися подобными же исследованиями, но нигде не упоминавшими о позитронном излучении. Впрочем, в начале они и сами не были уверены, что имеют дело с ранее неизвестным позитронным излучением. Тем не менее они подготовили доклад под названием «Проникающее излучение атомов под воздействием альфа-лучей» и вскоре представился исключительно благоприятный случай прочесть этот доклад перед участниками представительного собрания ученых многих стран.