4. Протонно-нейтронная модель ядра
28 мая 1932 г. советский физик Д.Д.Иваненко опубликовал в «Nature» заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Он указал, что такая гипотеза решает проблему азотной катастрофы. В самом деле, по этой гипотезе ядро азота состоит из 14 частиц – 7 протонов и 7 нейтронов. В июне 1932 г. с большой статьей выступил В.Гейзенберг.
Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Она, как казалось, противоречила испусканию электронов ядрами в β-распаде. Гейзенберг вспоминал в 1968 г., что за предположение об отсутствии электронов в ядре его «довольно сильно критиковали самые крупные физики». Он говорил, что это показывает «как на самом деле трудно отказаться от вещей, которые кажутся настолько очевидными, что принимаются априорно». Идея о строении ядер с трудом принималась физиками. Мысль о том, что электронов внутри ядра нет, была высказана Дираком еще в 1930 г., но была законсервирована. Открытие нейтрона многими рассматривалось как несущественое – просто открыто сложное образование протона и электрона. Так думал еще Резерфорд. Простую картину мира, в которой фундаментальными «кирпичиками мироздания» были протон и электрон, никто не хотел усложнять введением новых частиц.
В сентябре 1933 г. в Ленинграде состоялась конференция по атомному ядру, в которой принимали участие иностранные ученые. Ф.Жолио сделал два доклада: «Нейтроны» и «Возникновение позитронов при материализации фотонов и превращение ядер». П.Дирак сделал доклад о теории позитрона; Ф.Перрен – о моделях ядра. С докладом о модели ядра выступил и Д.Д.Иваненко. Он энергично защищал протонно-нейтронную модель ядра, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Д.Д.Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению обе частицы «должны, по-видимому, обладать одинаковой степенью элементарности», т.е. и нейтрон и протон обе элементарные частицы, могут переходить друг в друга, испуская электрон или позитрон. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы – нуклона. Т.о. идея Иваненко стала общепринятой.
5. Космические лучи. Открытие позитрона
В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица – позитрон. Еще в 1899 г. М.Склодовская-Кюри пытаясь объяснить происхождение радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все мировое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель, описывая опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О результате этого эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в ноябрьском номере «Phyzikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.
Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милликена и советского физика Л.В.Мысовского, было подтверждено предположение Гесса и изучены свойства космического излучения. В 1929 г. советский физик Д.В.Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы – электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.
В 1932 г. американский физик К.Андерсон ввел усоверсенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле в десять раз сильнее поля Скобельцына. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал в начале. Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и его путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона с положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитроном.
Открытие позитрона заставила вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давала точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам». Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону заставила по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц.