Аналогичный вопрос о связи ядра с электронами в атоме получил простой ответ. Положительный заряд ядра притягивает к себе отрицательные электроны по основным законам электричества так же, как Солнце силами тяготения притягивает к себе Землю и другие планеты. Но в атомном ядре ведь одна из составных частей нейтральна. Чем же она связывается с положительно заряженным протоном и другими нейтронами? Опыты показали, что силы, связывающие между собой два нейтрона, примерно такие же по величине, как и силы, связывающие между собой нейтрон с протоном и даже 2 протона между собой. Это не силы тяготения, не электрические или магнитные взаимодействия, а силы особого характера, которые вытекают из квантовой, или волновой, механики.
Один из советских ученых, И.Е. 'Гамм высказал гипотезу, что связь между нейтроном и протоном обеспечивается электрическими зарядами – электронами и позитронами. Испускание и поглощение их действительно должно дать некоторые силы связи между протоном и нейтроном. Но, как показали вычислении, эти силы во много раз слабее, чем те, которые па самом деле существуют в ядре и обеспечивают его прочность.
Тогда японский физик Юкава попробовал поставить задачу таким образом: раз взаимодействие при посредстве электронов и позитронов недостаточно, чтобы объяснить ядерные силы, то каковы же частицы, которые обеспечили бы достаточные силы? И он вычислил, что если бы в ядре встречались отрицательные и положительные частицы с массой в 200 раз большей, чем позитрон р электрон, то эти частицы обеспечили бы правильную ре-личину сил взаимодействия.
Спустя немного времени эти частицы были обнаружены в космических лучах, которые, приходя из мировою пространства, пронизывают атмосферу и наблюдаются и на земной поверхности, и па высотах Эльбруса, и даже под землей на достаточно большой глубине. Оказывается, что космические лучи, входя в атмосферу, создают заряженные отрицательно и положительно частицы, с массой примерно в 200 раз большей, чем масса электрона. Эти частицы в то же время в 10 раз легче, чем протон и нейтрон (которые примерно в 2000 раз тяжелее, чем электрон). Таким образом, это – какие-то частицы «среднего» веса. Они поэтому были названы мезотронами, или, для краткости, мезонами. Их существование в составе космических лучей в земной атмосфере сейчас не вызывает сомнения.
Тот же И.Е. Тамм в последнее время изучал законы движения мезонов. Оказывается, они обладают своеобразными свойствами, во многих отношениях не похожими на свойства электронов и позитронов. На основании теории мезонов он вместе с Л.Д. Ландау создал чрезвычайно интересную теорию образования нейтронов и протонов.
Тамми Ландау представляют себе, что нейтрон есть протон, соединенный с отрицательным мезоном. Положительно заряженный протон с отрицательным электроном образуют атом водорода, хорошо нам известный. Но если вместо отрицательного электрона имеется отрицательный мезон, частица в 200 раз более тяжелая, с особыми свойствами, то такая комбинация занимает гораздо меньше места и по всем своим свойствам близко совпадает с тем, что мы знаем о нейтроне.
Согласно этой гипотезе, считается, что нейтрон – это протон, соединенный с отрицательным мезоном, и, наоборот, протон – это нейтрон, соединенный с положительным мезоном.
Таким образом, «элементарные» частицы – протоны и нейтроны – на наших глазах начинают снова расслаиваться и обнаруживать свою сложную структуру.
Но, пожалуй, еще более интересно, что такая теория вновь возвращает нас к электрической теории материн, нарушенной появлением нейтронов. Теперь снова можно утверждать, что все элементы атома и его ядра, которые нам до сих пор известны, имеют, в сущности, электрическое происхождение.
Однако не надо думать, что в ядре мы имеем дело просто с повторением свойств того же атома.
Переходя от опыта, накопленного в астрономии и механике, к масштабам атома, к 100-миллионным долям сантиметра, мы попадаем в новый мир, где проявляются неизвестные ранее новые физические свойства атомной физики. Эти свойства объясняются квантовой механикой.
Совершенно естественно ожидать, и, по-видимому, опыт уже нам это показывает, что когда мы переходим к следующему этапу, к атомному ядру, а атомное ядро еще в 100 тысяч раз меньше, чем атом, то здесь мы обнаруживаем еще новые, специфические законы ядерных процессов, не проявляющиеся заметным образом ни в атоме, ни в больших телах.
Та квантовая механика, которая прекрасно описывает нам все свойства атомных систем, оказывается недостаточной и должна быть дополнена и исправлена в соответствии с явлениями, которые обнаруживаются в атомном ядре.
Каждый такой количественный этап сопровождается Проявлением качественно новых свойств. Силы, связывающие протон и нейтрон с мезоном, – это не силы электростатического притяжения но законам Кулона, которые связывают ядро водорода с его электроном, это силы более сложного характера, описываемые теорией Тамма.
Так представляется нам сейчас строение атомного ядра. Супруги Пьер и Мария Кюри в 1899 й·. открыли радий и изучили его свойства. Но путь наблюдения, неизбежный па первой стадии, поскольку мы не имели другого, – путь чрезвычайно малоэффективный для развития науки.
Быстрое развитие обеспечивается возможностью активного воздействия на изучаемый объект. Мы стали узнавать атомное ядро тогда, когда мы научились активно егo видоизменять. Это удалое й. примерно 20 лет назад знаменитому английскому физику Резерфорду.
Давно было известно, что при встрече двух атомных ядер можно было ожидать воздействия ядер друг на друга. Но как осуществить такую встречу? Ведь ядра заряжены положительно. При приближении друг к другу они отталкиваются, размеры их настолько малы, что силы отталкивания достигают громадной величины. Нужна атомная энергия, чтобы, преодолев эти силы, заставить одно ядро встретиться с другим. Чтобы накопить такую энергию, нужно было заставить ядра пройти разность потенциалов порядка 1 млн. В. И вот, когда в 1930 г. получили пустотные трубки, в которых удалось создавать разности потенциалов больше 0.5 млн. В, они сейчас же были применены для воздействия на атомные ядра.
Надо сказать, что такие трубки были получены вовсе не физикой атомного ядра, а электротехникой в связи с задачей передачи энергии на большие расстояния.
Давней мечтой электротехники высоких напряжений является переход с переменного тока на постоянный. Для этого нужно уметь превращать высоковольтные переменные токи в постоянные и наоборот.
Вот для этой-то цели, еще и сейчас недостигнутой, и были созданы трубки, в которых ядра водорода проходили свыше 0.5 млн. В и получали большую кинетическую энергию. Это техническое достижение сейчас же было использовано, и в Кембридже была поставлена попытка направить эти быстрые частицы в ядра различных атомов.
Естественно, опасаясь, что взаимное отталкивание не позволит ядрам встретиться, взяли ядра с наименьшим зарядом. Самый малый заряд у протона. Поэтому в пустотной трубке поток ядер водорода пробегал разность потенциалов до 700 тыс. В. В дальнейшем разрешите энергию, которую получает заряд электрона или протона, пройдя 1 В, называть электронвольтом. Протоны, получившие энергию порядка 0.7 млн. эВ, были направлены на препарат, содержащий литий.
Литий занимает третье место в периодической системе. Атомный вес его 7; он имеет 3 протона и 4 нейтрона. Когда еще один протон, попадая в ядро лития, присоединится к нему, мы получим систему из 4 протонов и 4 нейтронов, т.е. четвертый элемент – бериллии с атомным весом 8. Такое ядро бериллия распадается па две половины, каждая ил которых имеет атомный пег 4, а заряд 2, т.е. представляет собою ядро гелия.
Действительно, это и было наблюдено. При бомбардировке лития протонами вылетали ядра гелия; причем можно обнаружить, что одновременно вылетают в противоположные стороны 2 б-частицы с энергией по 8.5 млн. эВ.
Мы можем сделать из этого опыта сразу два вывода. Во-первых, из водорода и лития мы получили гелий. Во-вторых, затратив один протон с энергией в 0.5 млн. эВ (а потом оказалось достаточным и 70 000 эВ), мы получили 2 частицы, каждая из которых имеет по 8.5 млн. эВ, т.е. 17 млн. эВ.
В этом процессе мы осуществили, следовательно, реакцию, сопровождающуюся выделением энергии из атомного ядра. Затратив только 0.5 млн. эВ, мы получили 17 миллионов – в 35 раз больше.
Но откуда берется эта энергия? Конечно, закон сохранения энергии не нарушается. Как всегда, мы имеем дело с превращением одного вида энергии в другой. Опыт показывает, что таинственных, еще неведомых источников искать не приходится.
Мы уже видели, что масса измеряет запас энергии в теле. Если мы выделили энергию в 17 млн. эВ, то нужно ожидать, что уменьшился запас энергии в атомах, а значит, уменьшился их вес (масса).
До столкновения мы имели ядро лития, точный атомный вес которого 7.01819, и водород, атомный вес которого 1.00813; следовательно, до встречи имелась сумма атомных весов 8.02632, а после столкновения вылетело 2 частицы гелия, атомный вес которого 4.00389. Значит, два ядра гелия имеют атомный вес 8.0078. Если сравнить эти числа, то окажется, что вместо суммы атомных весов 8.026 осталось 8.008; масса уменьшилась па 0.018 единицы.
Из этой массы должна получиться энергия в 17.25 млн. эВ, а на самом деле измерено 17.13 млн. Лучшего совпадения мы и ожидать не вправе.
Можно ли сказать, что мы решили задачу алхимии – превращаем один элемент в другой – и задачу получения энергии из внутриатомных запасов?
Это р верно, и неверно. Неверно в практическом смысле слова. Ведь, когда мы говорим о возможности превращать элементы, то мы ожидаем, что получены такие количества вещества, с которыми можно что-то сделать. То же самое относится и к энергии.
Из отдельного ядра мы действительно получили в 35 раз больше энергии, чем затратили. Но можем ли мы сделать это явление основой технического использования внутриядерных запасов энергии?