Книга Создание атомной бомбы - Ричард Роудс

бывало ничего, кроме пересказов работ, уже опубликованных раньше. О нейтроне всерьез думали только Резерфорд и Чедвик.

18 января 1932 года Жолио-Кюри представили в Академию наук отчет о своем открытии испускания парафином высокоскоростных протонов под воздействием бериллиевого излучения. Однако название написанной ими статьи и ее вывод были сформулированы иначе. Статья называлась «Испускание высокоскоростных протонов из водородсодержащих материалов, облученных гамма-лучами высокой проникающей способности». Что было так же маловероятно, как ситуация, в которой пушечное ядро отражается от шарика для пинг-понга. Гамма-лучи могут выбивать электроны – это явление называется комптоновским эффектом по имени открывшего его американского физика-экспериментатора Артура Холли Комптона, – но протон в 1836 раз тяжелее электрона, и сдвинуть его с места совсем не просто.

В начале февраля Чедвик нашел в почте, которую ему приносили по утрам в Кавендишскую лабораторию, французский физический журнал Comptes Rendus[700], обнаружил в нем статью Жолио-Кюри и прочитал ее, все более поражаясь прочитанному:

Через несколько минут ко мне пришел Фезер рассказать об этом сообщении, удивившем его так же, как и меня. А чуть позже в это утро я разговаривал с Резерфордом. Это было уже так заведено, что около 11 часов я должен был приходить к нему и рассказывать об интересных новостях и обсуждать ведущиеся в лаборатории работы. Рассказав ему о наблюдении Кюри – Жолио и их истолковании своего наблюдения, я заметил на его лице растущее удивление; наконец он воскликнул: «Я не верю этому!» Подобная вспыльчивость была не свойственна ему, и за все время моего продолжительного союза с ним я не припомню другого подобного случая. Я говорю об этом, чтобы подчеркнуть, насколько электризующим было воздействие сообщения Кюри – Жолио. Конечно, Резерфорд был согласен, что наблюдениям надо верить; совсем другое дело – объяснение[701][702].

Теперь никакие другие обязанности не мешали Чедвику исполнить его предназначение. Он лихорадочно взялся за работу начиная с воскресенья 7 февраля 1932 года: «Так получилось, что [в момент прочтения сообщения об открытии Жолио-Кюри] я был готов начать эксперимент… Я беспристрастно приступил к работе, хотя мысли мои были, естественно, сосредоточены на нейтроне. Мне было ясно, что наблюдения Кюри – Жолио нельзя приписать эффекту Комптона, с которым мне не раз приходилось сталкиваться. Я был уверен, что здесь нечто новое и незнакомое»[703][704].

Его простая установка состояла из источника излучения и ионизационной камеры; камера была соединена с ламповым усилителем, а тот – с осциллографом. Источник излучения, откачанная металлическая трубка, прикрепленная к грубому сосновому бруску, содержал сантиметровый серебряный диск, покрытый полонием и установленный вблизи находившегося перед ним двухсантиметрового диска из чистого бериллия, серебристо-серого металла в три раза легче алюминия[705]. Альфа-частицы, вылетающие из полония, попадали в ядра бериллия и выбивали из них проницающее бериллиевое излучение, которое, как тут же обнаружил Чедвик, по сути дела, беспрепятственно проходило сквозь целых два сантиметра свинца.

В стенке ионизационной камеры, обращенной к этому источнику излучения, был сделан проем размером около полутора сантиметров, закрытый алюминиевой фольгой. Внутри этой неглубокой камеры, наполненной воздухом при нормальном давлении, находилась небольшая заряженная пластина, собиравшая электроны, ионизированные входящим в камеру излучением, и передававшая их импульсы на усилитель и осциллограф. «Для этой задачи, – объясняет Норман Фезер, – такая конфигурация подходила идеально. Хорошо сконструированный усилитель позволял сделать так, чтобы величина отклонения сигнала осциллографа была прямо пропорциональна уровню ионизации, возникающему в камере… Таким образом, энергию атомов отдачи, вызывающих ионизацию, можно было рассчитать непосредственно по величине отклонения, зарегистрированной в данных осциллографа»[706].

Чедвик пометил перед закрытым алюминиевой фольгой окошком ионизационной камеры лист парафина толщиной два миллиметра; сразу после этого, как он писал в итоговом отчете об этом эксперименте, «число электронов, регистрируемое осциллографом, заметно возросло». Это означало, что частицы, выбиваемые из парафина, попадают в камеру. Затем он начал вставлять между парафином и окошком камеры листы алюминиевой фольги; по соотношению поглощающей способности алюминия и воздуха он рассчитал, что длина свободного пробега этих частиц в воздухе немного превышает 40 сантиметров; такое значение означало, что «частицы эти, очевидно, были протонами»[707].

Такое повторение работы Жолио-Кюри было подготовительным этапом. После него Чедвик перешел в область, еще неизведанную. Он убрал лист парафина. Он хотел узнать, что происходит с другими элементами под прямым воздействием бериллиевого излучения. Твердые образцы таких элементов он устанавливал перед окошком камеры: «Таким образом были исследованы литий, бериллий, бор, углерод и азот в форме парациана[708]»[709]. Элементы в газообразной форме просто закачивались в камеру вместо атмосферного воздуха: «Этим способом были изучены водород, гелий, азот, кислород и аргон»[710]. В каждом из этих случаев количество импульсов на осциллографе возрастало – мощное бериллиевое излучение выбивало протоны из всех элементов, которые испытывал Чедвик. Причем из всех элементов оно выбивало приблизительно одно и то же количество протонов. Но важнее всего для его выводов было то обстоятельство, что энергии выбитых протонов были значительно выше, чем они могли бы быть, если бы бериллиевое излучение состояло из гамма-лучей. «В целом, – писал Чедвик, – экспериментальные результаты показывают, что, если бы появление атомов отдачи объяснялось столкновением с [фотонами гамма-излучения], следовало бы предположить, что энергия [фотона] все более и более возрастает по мере увеличения массы атома, подвергающегося столкновению». После чего у него идет очень спокойное заявление, ссылающееся на тот основополагающий физический принцип, что на выходе из события не может получиться больше энергии или импульса, чем было на его входе, – не оставляющее камня на камне от предположения Жолио-Кюри: «Очевидно, мы должны либо отказаться от применения к этим столкновениям законов сохранения энергии и импульса, либо принять другую гипотезу относительно природы этого излучения». Чтение этой фразы чрезвычайно сильно – и справедливо – огорчило супругов Жолио-Кюри.

Гипотеза, которую Чедвик предложил принять, не была удивительной: «Если предположить, что это излучение не есть [гамма-]излучение, а состоит из частиц, масса которых очень близка к массе протона, то все затруднения, связанные со столкновениями, исчезают, как в отношении их частоты, так и в отношении передачи энергии разным массам. Для объяснения высокой проникающей способности излучения следует также допустить, что такая частица не имеет собственного заряда… Можно предположить, что она [представляет] собой “нейтрон”, о котором Резерфорд говорил в своей бейкеровской лекции 1920 года»[711].

Затем Чедвик произвел численные расчеты, чтобы доказать, что его гипотеза действительно объясняет экспериментальные факты.

«Это было напряженное время»[712], – говорил он впоследствии. Вся работа от начала до конца заняла