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.
Вмешался опыт и в выводы квантовой статистики. Эта статистика предопределяла свойства ядер на основе простого подсчета числа содержащихся в них протонов и электронов. Ядра с четным числом частиц должны всегда отличаться от ядер с нечетным числом частиц.
Но опыт в ряде случаев отвергал эти предсказания.
Трудно было понять и то, как электрон, дебройлевская волна которого значительно больше размеров ядра, помещался внутри него. Не вязались между собой и некоторые другие опытные факты. Итак, опыт, накопившийся к 1932 году, объявил протонно-электронную модель ядер, утвердившуюся даже в учебниках, незаконной.
Казалось, микромир заманил ученых в глухой тупик.
Правильный путь обнаружился совершенно неожиданно. Как говорят, не было бы счастья, да несчастье помогло. В 1932 году Чедвик, один из учеников Резерфорда, открыл новую частицу. Это разрушило до основания стройное здание микромира, покоившееся на трех микрокитах – протоне, электроне и фотоне. Четвертому киту не оказалось места. И он не только разрушил фундамент, казавшийся незыблемым, но и посеял сомнение в том, является ли открытие новой частицы последним.
Разрушение может стать началом созидания. Скоро выяснилось, что вновь открытая частица – нейтрон, названная так вследствие того, что она была электрически нейтральной, по массе очень близок к протону и обладает магнетизмом.
Этого было достаточно, чтобы предложить новую модель ядер. Иваненко в СССР и Гейзенберг в Германии предположили, что ядра состоят только из протонов и нейтронов. Ядро водорода содержит 1 протон (имеет заряд, равный единице, и атомный вес, равный единице). Следующее по сложности ядро тяжелый водород – дейтерий. Оно содержит 1 протон и 1 нейтрон (заряд – 1, вес – 2). Следующий – сверхтяжелый водород – тритий. Его состав – 1 протон и 2 нейтрона, затем гелий – 2 протона и 2 нейтрона (заряд – 2 и вес – 4). Существует и «легкий гелий» – гелий-3. Его атомный вес равен 3, заряд 2, в его ядре 2 протона и всего 1 нейтрон. Дальше все шло как по нотам, в полном согласии с таблицей Менделеева.
Новая модель легко отвечала на вопросы, оказавшиеся роковыми для старой. Магнитные свойства всех ядер в соответствии с опытом оказывались близкими к магнитным свойствам протонов и нейтронов. Отпали и возражения квантовой статистики. Например, азот, который по старой модели «был» нечетным (14 протонов и 7 электронов), в новой модели «стал» четным (7 протонов и 7 нейтронов), как и должно быть в соответствии с опытом. Стало ненужным придумывать специальные гипотезы, чтобы «втиснуть» дебройлевские волны электрона в ничтожный объем ядра.
Но не все было благополучно в протонно-нейтронной модели. Изгнание электрона из ядра лишило его «электронного цемента», ранее связывавшего положительные заряды протонов. Что же теперь удерживает их в ядре вместе с нейтральными нейтронами, несмотря на взаимное отталкивание одноименных зарядов?
Были и другие подводные камни, например бета распад. С бета-распадом все давно было ясно. Нейтрино придало теории бета-распада характер полной достоверности. Но теперь бета-распад мог оказаться роковым для протонно-нейтронной модели ядра. Многолетний опыт показывал, что при распаде многих ядер из них вылетают электроны. Спрашивается, как может вылететь из ядра то, чего там нет?
Гейзенберг, спасая бета-распад и протонно-электронную модель ядра, отвел последнее возражение новой гипотезой. Он предположил, что нейтрон в радиоактивных ядрах может превращаться в протон, электрон и нейтрино. Протон при этом остается в ядре, электрон и нейтрино вылетают, как и положено во время бета-распада.
Замечательным в этой гипотезе был новый подход к нейтрону. Эта вновь открытая элементарная частица объявлялась сложной, способной порождать другие элементарные частицы. Но при этом она сохраняла и свойства настоящей элементарной частицы. Ведь электрон, магнитные свойства которого в тысячу раз больше, чем у нейтрона, не может постоянно быть его' составной частью. Он не может просто входить в нейтрон как индивидуальная частица. Он должен рождаться из него при подходящих условиях.
Но новая гипотеза Гейзенберга не превратила протонно-нейтронную модель из гипотезы в теорию. Ведь оставался открытым вопрос о ядерном цементе. А кроме того, гипотеза, придумываемая для объяснения единичного факта – для спасения другой гипотезы, – всегда встречается с недоверием. Тем более что для ее обоснования нужно было еще объяснить, почему нейтрон остается устойчивым в ядрах, не испытывающих бета-распада, и почему никто не видел распада свободных нейтронов.
Так физики похоронили спорную гипотезу бетараспада и отложили в число сомнительных обе модели ядра. Ведь каждая из них приводила к непреодолимым трудностям. Пока теоретики рассуждали о таинственных свойствах ядра, экспериментаторы продолжали охоту за тайнами природы.
Рождение античастиц
Счастливый случай и наблюдательность позволили Андерсону обнаружить на фотопластинке, экспонированной во время опытов с космическими частицами, след, который могла оставить только частица, во всем тождественная электрону, но имеющая положительный заряд. Это действительно был положительный электрон – первая античастица, попавшаяся на глаза ученым. Его существование еще с 1928 года было предсказано Дираком, преобразовавшим волновое уравнение Шредингера в соответствии с требованиями теории относительности.
Позитрон в нашем мире не может жить долго. Он быстро соединяется со встречным электроном, превращаясь в квант электромагнитного поля.
Открытие позитрона не только подтвердило теорию Дирака и глубокую общность между электромагнитным полем и элементарными частицами, но и послужило косвенной поддержкой гипотезы Гейзенберга. Если электрон и позитрон могли превращаться в фотоны, то менее странной казалась возможность превращения нейтрона в протон и электрон.
Вскоре было обнаружено, что некоторые искусственные радиоактивные элементы распадаются с испусканием позитронов. Это была, несомненно, новая форма бета-распада. Это была и новя поддержка гипотезы Гейзенберга. Достаточно предположить, что при этом протон внутри ядра превращается в нейтрон и позитрон, и теория позитронного бета-распада готова. Так вновь опыт давал намек на сложную природу элементарных частиц.
Протон и нейтрон могли оказаться разновидностями одной и той же частицы или просто превращаться друг в друга, причем в этих превращениях участвовала несомненная пара – электрон и позитрон.
До того как принять одну из этих догадок за истину или создать другую теорию, нужно было обязательно понять, почему эти превращения происходят только внутри радиоактивных ядер, а в других ядрах и в свободном состоянии ни протон, ни нейтрон не распадаются.
Но прежде чем приняться за эту сложную работу, пришлось признать права гражданства еще одной частицы-невидимки, еще одного нейтрино. Это нейтрино необходимо для обеспечения закона сохранения при позитронном бета-распаде, так же как первое нейтрино стало неизбежным участником обычного бета-распада.
Оказалось, оба нейтрино почти тождественны между собой. Они должны были отличаться только одной характеристикой, знаком особой величины, играющей роль только в микромире. Эта величина называется спином. В обычном мире больших вещей на спин больше всего похоже упрямство вращающегося волчка, который противится всякой попытке наклонить его ось. У большинства микрочастиц есть что-то похожее на это стремление сохранить направление какого-то подобия оси. Приняв эту аналогию, можно говорить, что микрочастицы, имеющие спин, как бы вращаются. Тогда, если первое из нейтрино вращается по часовой стрелке, то второе – в противоположном направлении (если смотреть вдоль линии полета частицы). Новая частица получила наименование антинейтрино.
К курьезам на тропах науки относится тот факт, что со временем нейтрино и антинейтрино пришлось поменяться именами. Первому нейтрино, рождающемуся вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона, ученые присвоили частицу -«анти», а второе, рождающееся вместе с нейтроном и позитроном при распаде протона, назвали просто нейтрино.
Это переименование объясняется не капризами физиков, а требованиями симметрии, регулирующими все процессы в микромире. В каждом из этих распадов рождается по одной античастице. В первом из нейтрона рождается антинейтрино (наряду с двумя обычными частицами), а во втором из протона рождаются позитрон (античастица электрона) и две обычные частицы нейтрон и нейтрино.
Так в результате совместных усилий теоретиков и экспериментаторов число «кирпичей мироздания», сильно уменьшившееся после отречения от этой роли атомов, снова возросло. В начале тридцатых годов к семье элементарных частиц принадлежали: фотон, пара – нейтрино и антинейтрино, пара – электрон и позитрон и две «тяжелые» ядерные частицы – протон и нейтрон.
Находки и разочарования
Картина строения материи снова приобрела заманчивую ясность, но вопрос о причинах устойчивости атомных ядер оставался нерешенным. Никакое из двух известных силовых полей: ни гравитационное (поле тяготения), ни электромагнитное не могли удержать одноименно заряженные протоны и нейтральные нейтроны внутри ядра, размер которого составляет примерно стотысячную долю от миллиардной части сантиметра.
В 1932 году советский физик Тамм высказал предположение, что, может быть, электроны являются источниками еще неизвестного неэлектромагнитного поля, придающего ядру атома столь прочное строение. Может быть, электроны – это кванты поля, с которым связаны ядерные силы? Но когда Тамм произвел расчет, оказалось, что поле, квантами которого могли бы быть электроны, в тысячу миллиардов раз меньше, чем действительные ядерные силы. Поскольку в то время другие частицы, кроме электронов, подходящие для роли квантов поля ядерных сил, не были известны, Тамму пришлось поставить на этом точку.
Как видно, нужно было поставить вопрос: а какова должна быть частица, дающая такое поле? И, получив на бумаге такую частицу, дать «технические условия» экспериментаторам на ее поиски. Так это и случилось. Работа Тамма была продолжена. И решающий шаг, приведший к открытию цемента, скрепляющего протонно-нейтронное ядро, сделал в 1935 году японский физик-теоретик Юкава. Он написал уравнение для ядерных частиц, чтобы с его помощью узнать, какова должна быть природа сил, скрепляющих ядро. Это уравнение в своей абстрактной математической форме объединяло колоссальную мощь теории относительности и квантовой механики. Одно из его решений давало хорошо известные фотоны – частицы электромагнитного поля с массой покоя, равной нулю. Но силы электромагнитного поля могли только расталкивать одноименно заряженные протоны. На нейтроны они просто не действуют. Это решение не годилось для получения ответа на загадки ядра.
Тогда Юкава задал уравнению другой, совершенно безумный вопрос. Не существует ли в природе еще одного поля, действующего и на протоны и на нейтроны; поля, силы которого способны преодолеть отталкивание одноименных зарядов протонов внутри ядра, но практически исчезают за его пределами?
Уравнение ответило: да, такое поле может существовать, если его частицы – неслыханное дело! – будут иметь массу покоя приблизительно равную 200 массам электрона.
У Юкавы оказались крепкие нервы. Получив такой ошеломляющий ответ, он не растерялся. Наоборот, он объявил, что из факта устойчивости ядер следует существование особого поля – поля ядерных сил, скрепляющих ядерные частицы. А если такое поле существует, то по аналогии с электромагнитным полем, которое имеет свою частицу – фотон, должны существовать и частицы, связанные и этим полем так же, как фотоны связаны с электромагнитным полем. А если эти частицы существуют и расчет дает странную оценку для величины их массы, то с этим надо примириться. Такова природа. Экспериментаторы должны искать такую частицу, сказал Юкава, и они найдут ее.
После предсказания и открытия позитрона это уже не казалось противоестественным. Работы начались. Они велись во многих странах.
Вскоре, в 1936 году, счастливец Андерсон и его сотрудник Неддермайер обнаружили, что космические частицы иногда выбивают из ядер встречных атомов частицы, масса которых равна примерно 207 массам электрона.
Это открытие потрясло мир не меньше, чем открытие планеты Нептун, существование которой было предвычислено астрономом Леверье, исходившим из расхождения видимого движения планеты Уран с существовавшими в то время расчетами. Позитрон был обнаружен случайно. Андерсон в то время не задавался целью обнаружить «дырку» Дирака. На сей раз частицу Юкавы искали и нашли. Ее назвали мезончастица со средней массой.
Теперь картина ядра рисовалась в виде облаков мезонов, внутри которых блуждают протоны и нейтроны. Поле мезонных сил надежно удерживает, ядерные частицы в тесных границах ядра. При этом ядерные частицы непрерывно обмениваются между собой мезонами.
Снова в физике наступил период ясности. Но не надолго. Подробное исследование свойств мезонов показало... что они не имеют ничего общего с частицами Юкавы.
Оказалось, что мезоны обладают таким же спином, как ядерные частицы протон и нейтрон. Отдавая или приобретая такой мезон, ядерная частица одновременно должна была бы отдавать или приобретать спин, а этого на самом деле не происходит. Значит, эти мезоны не могли играть роль частиц ядерных сил. Лишь величина их массы, близкая к предсказанной, могла служить оправданием ошибки.
Казалось, дело принимает трагический оборот. Но физики не унывали. Они верили уравнениям. Никто не считал появление неожиданных мезонов бедой. Наоборот, их засчитали в число элементарных частиц и продолжали поиски частиц Юкавы. Авторитет уравнений и изящество протонно-нейтронной модели ядра не могли быть уничтожены ошибкой экспериментаторов.