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.
