В 1919 г., облучая азот альфа-частицами, Резерфорд получил кислород. Эта была первая ядерная реакция по искусственному превращению элементов. Одиннадцать лет спустя в подобном эксперименте Вальтер Боте вместе со своим сотрудником Г. Бекером, облучая альфа-частицами различные элементы, получили исключительно сильное вторичное излучение, которое они приняли за жесткие гамма-лучи. Особенно сильный эффект наблюдался при использовании мишени из бериллия. В то время ученые находились под впечатлением открытия Артура Комптона, который установил, что рентгеновские лучи выбивают из вещества электроны. Поэтому, когда в 1932 г. супруги Жолио-Кюри, исследуя прохождение излучения бериллия через вещества, богатые водородом, наблюдали образование интенсивных потоков протонов, они истолковали это как чрезвычайно сильный эффект Комптона, при котором рентгеновский квант, имеющий очень большую энергию, отрывает протон от атома. Однако английский исследователь. Джеймс Чедвик предложил новое объяснение наблюдаемым явлениям.

Этот ученик и сотрудник Резерфорда также исследовал образование протонов, под действием излучения бериллия и пришел к выводу, что наблюдаемый эффект трудно объяснить, воздействием гамма-квантов. Вместе с тем все трудности исчезали, если предположить, что излучение бериллия состоит из частиц с массой, равной единице (т. е. массе протона), но не имеющих электрического заряда. Так были открыты нейтроны, существование которых Резерфорд предсказывал еще в 1920 г. Результаты экспериментов, проведенных Чедвиком в Кавендишской лаборатории в Кембридже, были опубликованы им в 1932 г.

Открытие нейтрона стало поворотным пунктом в истории современной ядерной физики. Теоретикам пришлось отказаться от модели атомного ядра, состоящего из протонов и электронов, связанных электромагнитными силами. Это представление, господствовавшее почти полвека, уступило место новой концепции; новые (нейтральные) частицы требовали поиска новых сил взаимодействия. За открытие нейтрона Джеймс Чедвик был удостоен в 1935 г. Нобелевской премии по физике.

Сразу же после открытия нейтрона возник вопрос, какие силы удерживают эту частицу в ядре вместе с протоном. Предлагались модели взаимодействия, основанные на переходах нейтронов в протоны и обратно с испусканием позитронов, электронов и нейтрино. Однако выяснилось, что эта модель, в которой опять-таки все объяснялось электромагнитным взаимодействием, не соответствовала действительности. Решение проблемы оказалось иным.

Японский физик Хидэки Юкава одним из первых понял, что здесь ученые столкнулись с новым видом взаимодействия. В 1935 г. он, развивая идеи И.Е. Тамма и Д.Д. Иваненко об обменном характере ядерных сил, выдвинул гипотезу, описывающую характер взаимодействия между протонами и нейтронами в ядре. Было очевидным, что новое взаимодействие значительно сильнее электромагнитного. Его сущность определила и само его название — сильное взаимодействие.

В отличие от уже известных гравитационного и электромагнитного взаимодействий сильное взаимодействие, согласно теории Юкавы, должно возникать только на очень малых расстояниях — порядка диаметра атомного ядра. На основе квантовой теории Юкава вычислил, что квантом сильного взаимодействия должна быть частица с массой, в 200—300 раз превышающей массу электрона. Поскольку в те годы такой частицы не было известно, теория Юкавы не получила особого признания. Однако в 1937 т. Карл Дейвид Андерсон и С. Неддермейер из Калифорнийского технологического института, а также Стрийт и Стивенсон из Гарвардского университета открыли неизвестную частицу примерно в 200 раз тяжелее электрона. По своим характеристикам она весьма напоминала гипотетическую частицу Юкавы — квант сильного, взаимодействия. Так как новая частица во многом, за исключением массы, была похожа на электрон, Андерсон назвал ее просто тяжелым электроном. Поскольку масса этой частицы занимала промежуточное положение между массами электрона и протона, ее назвали затем мезотроном, а потом мезоном.

Однако окончательные доказательства того, что найдена именно «частица Юкавы», отсутствовали. Война помешала этим исследованиям, и вопрос был решен лишь в 1947 г., когда группа исследователей под руководством Сесила Франка Пауэлла доказала, что существуют мезоны нескольких видов и одним из них действительно является квант сильного взаимодействия. Так теория Юкавы о существовании нового типа взаимодействия, связывающего тяжелые частицы в атомном ядре, получила свое подтверждение, и в 1949 г. Хидэки Юкава стал лауреатом Нобелевской премии по физике.[2]

Магические числа

В 1928 г. американский физик-теоретик Г.А. Гамов, разрабатывая теорию альфа-распада, ввел представление о ядре как о своеобразной капле, частицы в которой тесно связаны между собой силами притяжения. В 1936 г. Нильс Бор и Джон Уилер, развивая идеи Тамова, создали капельную модель ядра. Аналогия довольно-таки наглядна. Между молекулами в капле воды силы притяжения действуют, как и ядерные силы, на очень коротких расстояниях. Если каплю воды опустить в другую жидкость такой же плотности, то она принимает сферическую форму. Это объясняется поверхностным натяжением, которое создается силами притяжения, действующими между молекулами на поверхности капли. Эти силы притяжения и придают капле форму сферы, которая имеет минимальную площадь.

В исключительно малом объеме атомного ядра находится значительное число протонов и нейтронов. Они связаны между собой сильным ядерным взаимодействием. Поверхностный слой нуклонов остается неуравновешенным, и поэтому можно говорить, что в ядре также существует своего рода поверхностное натяжение. В реальных условиях эта картина усложняется взаимным отталкиванием электрически заряженных протонов. Поскольку ядра имеют различное число протонов и нейтронов, сильное и электромагнитное взаимодействия накладываются и в конечном счете ядро приобретает неправильную форму. Некоторые ядра имеют довольно удлиненную форму, и даже такое слабое воздействие, как попадание в ядро извне еще одного нейтрона, может нарушить равновесие и привести к разделению ядра на части. Эта теория, довольно хорошо объясняющая деление атомов, была предложена Бором и Уилером в 1939 г.

Капельная модель ядра сыграла большую роль в экспериментальной физике и многие годы пользовалась большой популярностью среди ученых. Накапливались, однако, факты, которые не могли найти объяснения в рамках этой простой схемы. Уже в 1934 г. молодой немецкий физик. Вальтер Эльзассер установил, что ядра, в которых число нуклонов, протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82 или 126, обладают особой стабильностью. Поскольку физики не находили объяснения этому явлению, эти числа были названы «магическими». Наиболее устойчивыми оказались ядра, в которых число нуклонов было «дважды магическим». К ним относятся, например, ядра гелия-4 (2 нейтрона и 2 протона), кислорода-16 (8 протонов и 8 нейтронов) и свинца-208 (82 протона и 126 нейтронов). Эти факты наряду с другими дали основание американскому физику А. Бартлету предложить оболочечную модель ядра. Эта идея, однако, существенно опережала свое время и поэтому не нашла тогда поддержки. В 1949 г. представления физиков об атомном ядре значительно углубились, и оболочечная модель ядра, предложенная Марией Гёпперт-Майер и независимо Йоханнесом Хансом Даниелем Йенсеном, привлекла всеобщее внимание ученых.

Согласно их теории, нуклоны движутся в ядре по определенным орбитам, подобно электронам в атоме. И так же как строение электронной оболочки и ее постепенное заполнение служат основой периодической системы элементов, магические числа в сочетании с оболочечной моделью ядра привели к созданию периодической системы ядер. Магическое число показывает, какое максимальное число нуклонов может быть в следующем слое. Сначала эта теория принималась с трудом. Физики не могли допустить, что в сверхплотном ядре протоны и нейтроны движутся независимо друг от друга и сохраняют какую-то упорядоченность. Но оболочечная модель хорошо объясняла некоторые явления, в частности связанные с устойчивостью атома, и в 50-е годы полупила признание большинства ученых. За создание оболочечной модели ядра Мария Гёпперт-Майер и Йоханнес Йенсен были удостоены в 1963 г. Нобелевской премии по физике.