Нейтрон: Чому виявлення цієї елементарної частинки має таке велике значення для науки про фізику.

У лютому 1932 року британський фізик повідомив світу про існування елементарної частинки під назвою "нейтрон". Шлях до цього відкриття був значно довшим, ніж можна подумати, а наслідком стало створення сучасного вчення про будову атома.

У середині лютого 1932 року фізик Джеймс Чедвік з Кембридзького університету надіслав листа до наукового журналу Nature, в якому виклав результати своїх експериментів. Проте ключовим внеском у фізику став його висновок: випромінювання, з яким він працював, виявилося потоком частинок, відомих як "нейтрони". Це відкриття стало важливим, оскільки вчені вже кілька років дискутували про їхнє існування.

Для того, аби зрозуміти, наскільки важливим для фізики було це повідомлення, треба повернутися на початок 1920-х. Фізики саме звиклися із шокуючою думкою, що атоми, які багато століть вважалися найменшими неділимими частинками речовини насправді мають власну структуру і її зміни могли не тільки призводити до народження потоків невидимого людському оку випромінювання, але й до того, що один елемент перетворювався на інший.

І в усій цій головоломці частинок та променів вони усіляко намагалися розібратися. Вже було зрозуміло, що існують альфа-випромінювання, яке по суті є потоком ядер гелію, бета-випромінювання -- потік нейтронів і широкий спектр променів, які є потоком фотонів різної енергії та частоти, які, залежно від величини останньої можуть називатися ультрафіолетовим, рентгенівським чи гамма-випромінюванням.

Проте у головоломці, яка пов'язує будову атома із випромінюванням був відсутній один важливий шматочок, який міг би дати відповіді одразу на кілька питань, які на той момент були ще невирішені. А саме -- що ще є в ядрі атома крім протонів.

Це питання виявилося набагато складнішим, ніж здавалося на перший погляд. Відомо, що як заряди, так і маси атомів елементів не є випадковими величинами, а є кратними масі і заряду водню. Більш точно, вони є кратними певній одиничній масі, а саме масі водневого ядра, яке, як відомо, є протоном і має масу, що дорівнює 1,088 від одиничної.

Було очевидно, що таке може відбуватися лише в тому випадку, якщо всі атоми складаються з ідентичних частинок. Проте залишалося незрозумілим, чому вони мають різні маси та заряди, адже як у протона, так і в нейтрона ці значення дорівнюють одиниці.

Це може мати два можливі пояснення. По-перше, ядро може складатися з протонів та електронів, причому електрони, хоч і мають незначний вплив на загальну масу, частково нейтралізують заряд. По-друге, може існувати елементарна частинка, маса якої приблизно дорівнює масі протона.

Протягом 1920-х років точилися запеклі дискусії щодо того, яке з припущень є вірним. На початку переважав варіант, що базувався на протонах та електронах. Це пояснювалося тим, що частинка, яку американський фізик Вільям Гаркінс назвав "нейтроном", була абсолютно новим явищем, раніше не спостережуваним. Відповідно до наукового методу, уникати таких нововведень слід всіма можливими способами.

Проте у 1926 році у неї виникли великі проблеми. Річ у тім, що взаємодія електронів у оболонках із ядром атома розщеплює лінії на спектрограмах. Це -- так звана надтонка структура і вона різна у різних ізотопів елементів, бо заряд ядра у них однаковий, а ось центр мас через різні їх значення відрізняється.

А значить і ті електрони, які знаходяться в ядрі при своєму русі на надтонку структуру спектра мали б вливати. Але цього явища не спостерігалося і це змушувало вчених сильно сумніватися у їхній присутності в ядрі. Потім з'явилися інші несумісні із протон-електронною теорією спостереження.

У 1930 році більшість вчених визнавали, що протон-електронна теорія будови атомного ядра не може пояснити усього, що вони бачать, але перший доказ того, що можливе інше пояснення з'явився тільки після того, як двоє німецьких вчених Вальтер Боте та Герберт Бекер провели експеримент із бомбардування пластинок з берилію, бору, та літію радіацією зі зразка полонію. Це призводило до того, що ці матеріали починали випромінювати щось, що дуже легко проходило крізь різні матеріали.

Випромінювання виявилося невидимим і не відгукувалося на вплив магнітного поля. Тому більшість одразу зробила висновок, що це гамма-частинки. Проте вчені вже мали досвід спостереження цього виду випромінювання, і відзначали, що воно не проникає так глибоко в матеріали. Щоб з'ясувати природу цього явища, Фредерік Жоліо та Ірен Жоліо-Кюрі повторили експеримент майже через два роки.

Тільки вони ще й поставили за мішенню парафінову мембрану та детектор частинок. І виявилося, що невідоме випромінювання не просто проникає у матеріал, але й здатно вибивати з нього протони. Як не дивно, навіть це не виключало повністю можливість того, що це -- високоенергетичні гамма-частинки.

Багато людей вважали, що це має бути інша частинка — той самий нейтрон, існування якого досі залишалося невидимим. Серед фізиків, які підтримували цю теорію, був і Джеймс Чедвік. Він вирішив повторити експеримент, але цього разу детально проаналізував розподіл протонів та взаємодію нового випромінювання з різними матеріалами. Завдяки цьому він зміг визначити масу частинок, з яких складалося це випромінювання, і вона виявилася практично такою ж, як у протона. Таким чином, існування нейтрона було остаточно підтверджене.

Дослідження Чедвіка завершили загальну картину. У той же час, німецький фізик Вернер Гейзенберг та український вчений Дмитро Івахненко самостійно створили сучасну модель атомного ядра, в якій містяться протони та нейтрони. Це дало змогу зрозуміти, що відбувається всередині атома. У 1935 році Джеймс Чедвік був удостоєний Нобелівської премії за свої досягнення в цій галузі.

Більше того, все це гармонійно вписувалося в теорію Ейнштейна, що стосується еквівалентності маси та енергії. Ядерна фізика стала наукою, яка базується на рівняннях і точних обчисленнях, що підлягають експериментальній перевірці. Цей процес трансформував її з предмета суперечок між видатними вченими на джерело енергії, що, втім, не всім було до вподоби.

У 1934 році Ірен Жоліо-Кюрі та Фредерік Жоліо зробили важливе відкриття у сфері наведеної радіоактивності. Виявилось, що навіть звичайний матеріал може почати випромінювати альфа- та бета-частинки, якщо його піддати інтенсивному потоку радіації. Сьогодні це явище стало відомим завдяки тому, як лічильник Гейгера реагує на побутові предмети, які були вивезені з зони зараження Чорнобиля.

У 1936 році дослідження подружжя Жоліо привернули увагу італійського фізика Енріко Фермі, який згодом став відомим завдяки формулюванню парадоксу щодо відсутності явних ознак інопланетного життя. Він проводив експерименти, піддаючи різні матеріали бомбардуванню нейтронами, і виявив, що навіть вже радіоактивні зразки після цього процесу починають випромінювати значно більше енергії.

У січні 1939 року Ліза Мейтнер і Отто Ганн провели повторний експеримент, заснований на дослідженнях Фермі з ураном. Вони виявили, що коли атоми урану піддаються дії великої кількості нейтронів, вони розпадаються, вивільняючи ще більше нейтронів, що призводить до подальших розпадів і, в результаті, до постійного збільшення виділення енергії. Це явище відоме як ланцюгова ядерна реакція, яка стала основою для створення атомних реакторів та атомних бомб.

Проте це ще не остаточна історія. Відкриття протона дало фізикам зрозуміти, що можуть існувати й інші невидимі частинки, які варто було б дослідити. Перший крок у цьому напрямку був зроблений у 1934 році Енріко Фермі, який розробив теорію бета-розпаду. Ця теорія пояснює, як нейтрон трансформується на протон, вивільняючи при цьому електрон.

Проте одночасно мала народжуватися ще одна частинка. Без заряду і майже без маси, але цілком реальна, здатна долати тисячі світлових років. Зараз вона має назву "нейтрино", тобто "маленький нейтрон" і про її пошуки та властивості можна почитати ось у цій статті.

Але це ще не все. У 1935 році японський фізик Хідекі Юкава почав розмірковувати про те, як протони та нейтрони можуть залишатися разом у ядрі атома. Він висунув гіпотезу про існування частинки, яка мала б масу між масами протона та електрона. Результати цього дослідження можна знайти в цій статті.

Відкриття нейтрона стало тим поворотним пунктом, після якого ядерна фізика перестала бути химерною фізичною теорією, яка цікавить тільки купку людей, а перетворилася на символ наступної епохи, змогла за допомогою Стандартної моделі та чотирьох фундаментальних взаємодій пояснити, як же насправді влаштовано світ і що лежить в основі тих процесів, які оточують нас.