Невидимка с массой
В 1920 году Эрнест Резерфорд высказал идею о возможной нейтральной компоненте атомного ядра. Эта гипотеза позже оказалась связана с открытием нейтрона. Но доказать существование этой невидимки никто не мог. Слишком уж сложно обнаружить частицу, которая не отклоняется электрическими и магнитными полями и не выдаёт себя так же легко, как заряженные частицы.
И всё же частица выдала себя косвенно - через странное излучение, которое в 1930 году зафиксировали немецкие физики Вальтер Боте и Герберт Беккер. Они облучали бериллий альфа-частицами и получили мощный проникающий луч. Его назвали "бериллиевым излучением" и решили, что это просто какой-то новый вид гамма-лучей. Никто особенно не удивился - мало ли какие бывают гамма-кванты.
Парафиновая пластинка
Настоящая загадка возникла, когда за дело взялись Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Повторив опыты немцев с более мощным источником, они поместили между бериллием и детектором обычную парафиновую пластинку. И случилось необъяснимое: ионизационный ток в камере заметно вырос. Из парафина что-то выбивало протоны, и детектор давал необычно сильный сигнал.
Жолио-Кюри были прекрасными экспериментаторами, но тут они ошиблись. Они интерпретировали это как сверхэнергичные гамма-кванты (порядка десятков мегаэлектронвольт), которые выбивают протоны из водорода. Однако некоторые результаты уже тогда плохо укладывались в такую интерпретацию - для разных веществ требовались "разные" гамма-кванты с нереалистичной энергией. Супруги, однако, были заняты другими исследованиями, которые вскоре принесут им Нобелевскую премию по химии за искусственную радиоактивность.
Несколько недель, которые изменили физику
Статью Жолио-Кюри прочитал Джеймс Чедвик - ученик Резерфорда, много лет целенаправленно искавший нейтрон. И он понял: гамма-кванты не могут выбивать протоны с такой энергией. Оценки энергии и импульса показывали несогласованность с гипотезой гамма-квантов. Следовательно, гипотеза о гамма-квантах становилась несостоятельной.
Чедвик собрал простейшую установку - латунная трубка, источник альфа-частиц (полоний-210), бериллиевая мишень, кусок парафина и ионизационная камера. Всё. Ничего лишнего. Он направил бериллиевое излучение на парафин и измерил пробеги выбитых протонов в воздухе - около 26 сантиметров.
Тайна измерений Чедвика
Дальше началась чистая физика. Чедвик применил законы сохранения энергии и импульса - те самые, которые работают при ударе бильярдных шаров. По пробегу он определил энергию протонов, а затем рассчитал, какая частица могла передать протону такую энергию. Ответ оказался удивительным: расчёты показали, что масса новой частицы очень близка к массе протона. Позднее измерения уточнили её значение до примерно 1,0087 атомной единицы массы. Это и был нейтрон. Так завершились многолетние поиски нейтральной частицы, существование которой предполагали ещё в начале 1920-х годов.
В феврале 1932 года Чедвик опубликовал в Nature короткую заметку "Возможное существование нейтрона", а позже представил развёрнутые результаты. В 1935 году он получил Нобелевскую премию по физике.
Невидимка меняет физику
Открытие нейтрона закрыло давний спор о строении ядра. Вскоре после этого, независимо друг от друга, Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Эта модель лежит в основе современной ядерной физики.
А ещё нейтроны оказались ключевым агентом для инициирования цепных реакций деления, лежащих в основе современной ядерной энергетики. Без них не было бы методов нейтронной радиографии и томографии, позволяющих исследовать структуру материалов и металлических изделий.
Вместо заключения
Иногда самое важное открытие прячется не в сложном оборудовании, а в простом вопросе к полученным данным. Если вам когда-нибудь покажется, что ваши расчёты противоречат теории - возможно, вы стоите на пороге чего-то необычного. Это не гарантирует Нобелевской премии, но именно так нередко начинается путь к новым открытиям. И повод для тихой благодарности тем, кто не побоялся задать себе вопрос: "А что, если всё не так, как кажется?"...