История науки знает много примеров того, как среди ученых периодически распространяется увлечение сначала одной теорией, а затем ее противоположностью. Обычно это заканчивается созданием некой «гибридной» теории, которая объединяет в себе положительные качества предыдущих точек зрения и знаменует новый, более высокий уровень знаний.
Так было и с представлениями об атомном ядре. На смену капельной модели Гамова, Бора и Уилера пришла оболочечная модель, которая ставила поведение протонов и нейтронов в атомном ядре в очень жесткие рамки. Но уже в 1952 г. датские физики Оге Бор, сын Нильса Бора, и Бенжамин Моттельеон разработали так называемую коллективную модель ядра. Немного раньше их, в 1950 г., подобные идеи (сфероидальная модель ядра) высказал американский физик Джеймс Рейнуотер. Согласно коллективной модели, ядро действительно состоит из оболочек, которые постепенно заполняются при переходе к каждому следующему элементу периодической системы. На поверхности ядра эта упорядоченность, однако, нарушается — плотность частиц уменьшается и создаются условия для неустойчивости. Именно в этой области, около поверхности, ядра деформируются, в результате возникают своего рода волны, с которыми связаны ядерное гамма-излучение и радиоактивность.
Данные о структуре ядра были получены путем бомбардировки мишеней субатомными частицами, ускоренными до очень высоких энергий. Картина рассеяния дает представление о распределении протонов и нейтронов внутри ядра. Наряду с этим применялся также метод мезоатомов. В 1953 г. Рейнуотер решил воспользоваться тем обстоятельством, что мю-мезон (который в сущности является тяжелым электроном), попадая в атом, достигает ядра и даже проникает в него. При этом возникает рентгеновское излучение, позволяющее получить информацию о различных структурах ядра. Таким образом было, например, установлено, что ядра имеют «стратосферу» — область вблизи поверхности, в которой плотность частиц в 20 раз меньше, чем в центре.
В 1958 г. Оге Бор и Бенжамин Моттельеон совместно с Дэвидом Пайнсом построили сверхтекучую модель ядра. Это значительно обогатило их теорию, приблизив ее к реальности. За большие заслуги в развитии ядерной физики О. Бор, Б. Моттельеон и Дж. Рейнуотер были награждены в 1975 г. Нобелевской премией по физике.
IV. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
Основной метод, которым пользуются физики для исследования структуры материи—это бомбардировка вещества заряженными частицами высоких энергий. Таким способом удается преодолеть силы отталкивания и получить информацию о внутреннем строении атома. Первым крупным открытием, сделанным таким образом, является наблюдение Резерфордом рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, которое привело к открытию атомного ядра. В 30-е годы были построены ускорители частиц, с помощью которых было сделано много новых открытий. Однако далеко не сразу новая техника достигла желаемого совершенства. Между тем. физики обнаружили мощный естественный источник заряженных частиц, позволивший получить ценные сведения о строении атома. Речь идет о космических лучах.
В начале текущего столетия ученые уже немало знали об альфа, бета- и гамма-лучах — трех разновидностях естественной радиации. Было установлено, что радиоактивные элементы довольно широко распространены в земной коре и создают естественный радиоактивный фон. Ученые считали совершенно логичным, что по мере подъема над земной поверхностью поток радиации должен уменьшаться. Это нашло подтверждение в исследованиях немецкого физика Т. Вульфа, который, поднявшись в 1910 г. на Эйфелеву башню, измерил там радиоактивный фон с помощью электроскопа новой модели.
Всего через год, в 1911 г., молодой австрийский физик Виктор Франц Гесс решил исследовать это явление на больших высотах, используя воздушный шар. В семи полетах на высоте до 5 км Гесс установил, что действительно сначала радиоактивность уменьшается, но с высоты примерно 600 м она начинает расти. В 1912 г. он опубликовал результаты своих весьма точных измерений, из которых следовало, что в земную атмосферу проникает мощная радиация. Открытие австрийского ученого вызвало бурные дискуссии в научной среде. Некоторые видные физики считали, что повышенная радиация на больших высотах объясняется какими-то атмосферными процессами или же облаками пыли, поднимающимися с поверхности Земли.
Внеземное происхождение лучей было окончательно доказано известным американским физиком-экспериментатором Робертом Эндрусом Милликеном. Он использовал воздушные шары с самозаписывающими электроскопами, которые достигали высоты до 15 км и летали там в течение длительного времени. Позднее Милликен провел новый эксперимент. Поскольку источник радиации искали в космосе, Милликен установил детекторы в озерах, расположенных на разной высоте над уровнем моря, и, исследуя поглощение лучей слоем воды, окончательно доказал их внеземное происхождение. Он дал этой радиации название «космические лучи» и попытался связать их происхождение с процессами образования химических элементов (теория, которая впоследствии была отвергнута).
Проникающая сила космических лучей значительно больше естественной радиации минералов или потоков заряженных частиц, полученных на первых небольших ускорителях. Физики решили воспользоваться этим естественным «ускорителем» частиц, и на протяжении почти двух десятилетий исследования с помощью космических лучей служили важнейшим источником информации о строении атома.
В 1928 г. Поль Адриен Морис Дирак построил релятивистскую теорию движения электрона. Из теории Дирака следовала возможность существования положительно заряженного электрона. В то время уже широко велись исследования космических лучей, и в 1932 г. американский физик Карл Дейвид Андерсон открыл частицу с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Это наблюдение было сделано с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Новая частица была названа положительным электроном, или позитроном. При дальнейших исследованиях этой частицы обнаружилось, что при столкновении ее с электроном происходит их аннигиляция (исчезновение частиц) и возникает гамма-излучение. Был открыт и обратный процесс— рождение электронно-позитронной пары из гамма-излучения. Так была доказана справедливость идеи Эйнштейна о связи массы и энергии.
Открытие позитрона явилось блестящим подтверждением чисто теоретического предсказания. Оно продемонстрировало также большое значение космических лучей как источника частиц высокой энергии, позволяющих изучать строение вещества. Эти результаты были высоко оценены Нобелевским комитетом по физике, который в 1936 г. принял решение о присуждении премии Виктору Францу Гессу за открытие космических лучей и Карлу Дейвиду Андерсону за открытие позитронов в этих лучах.
Позитрон был открыт в результате тщательного изучения тысяч фотографий следов (треков) частиц, которые были получены с помощью камеры Вильсона. Действие камеры основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траекторий заряженных частиц. Этот замечательный прибор, сыгравший огромную роль в экспериментной ядерной физике, был создан в 1912 г. английским ученым Чарлзом Томсоном Рисом Вильсоном, именем которого он и был назван.
Еще в конце прошлого века, после открытия естественной радиации, наметились основные методы ее исследования. Антуан Анри Беккерель использовал для этой цели фотопластинки, супруги Жолио-Кюри — электроскоп. В 1903 г. Уильям Крукс, будучи уже в весьма солидном возрасте (он родился в 1832 г.), создал прибор для регистрации отдельных альфа-частиц. Спинтарископ Крукса (с ним любил работать Резерфорд) представлял собой пластинку из сернистого цинка, на которой под ударами альфа-частиц возникали вспышки (сцинтилляции); от греческого «спинтар» (вспышка) и происходит название прибора. Главный прибор для исследования заряженных частиц был построен позже и действовал по совершенно иному принципу.
Основные интересы члена Лондонского королевского общества Чарлза Вильсона были сосредоточены на исследовании процессов конденсации водяных паров и образования облаков в атмосфере. Он разработал теорию, согласно которой каждый заряженный ион становится центром конденсации водяных паров воздуха. Поскольку наблюдать образование облаков «в натуре» — задача вряд ли выполнимая, Вильсон сконструировал камеру, в которой с помощью поршневого насоса можно было резко изменять объем и давление, создавая таким образом условия для конденсации пара.
Интерес к ионам неизбежно привел Вильсона к исследованию радиоактивности, ибо естественная радиация — один из важнейших факторов новообразования в атмосфере. Оставалось сделать всего лишь один шаг, чтобы найти связь между этими явлениями. Вильсон установил, что радиоактивное излучение, проходя через камеру, вызывает образование ионов, которые становятся видимыми благодаря конденсирующимся вокруг них капелькам воды. Таким образом, невидимая частица оставляет в камере реально наблюдаемый след из водяных капелек, который можно сфотографировать.
