Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Обнаружение субатомных частиц возможно благодаря их электрическому заряду. При пересечении жидкой или нестабильной газообразной эмульсии эти частицы образуют в месте прохождения след из мельчайших пузырьков, похожий на след самолета в атмосфере.

Изучая космические лучи, Андерсон заметил, что не все электроны происходят из атмосферного излучения, некоторые из них, кажется, движутся по направлению к нему... если только это не положительные электроны! Чтобы прояснить, идет речь об отрицательных электронах с восходящей траекторией или о новом типе частицы, похожей на электрон, но с положительным зарядом и нисходящей траекторией, Андерсон поставил свинцовую пластинку посередине их траектории. Так он заметил, что кривизна траектории частицы больше в нижней части. То есть она теряет энергию при прохождении сквозь свинец сверху вниз. И Андерсон смог утверждать, что его наблюдения соответствуют вероятным положительным электронам. Справа показана фотография, сделанная Андерсоном.

Как и в случае с нейтроном, едва Андерсон убедился в реальности новой сущности (положительных электронов), самой сложной задачей стало истолковать, что это за частицы и откуда они исходят. Поль Дирак (1902-1984), молодой физик- теоретик, который обосновался в Кембридже, но оставался на связи с Бором, во время визита в Копенгаген в 1928 году высказал предположение о существовании положительных электронов. Он развил квантовую теорию для релятивистского движения электронов, которая, несмотря на математическую сложность (Дирак изобрел новую систему обозначений, используемую до сих пор), успешно предсказывала их поведение. Единственная проблема теории заключалась в том, что она предоставляла решения для поведения электронов как для положительных энергий, так и для отрицательных.

Что означал электрон с отрицательной энергией? Тогда Дирак не нашел правильного толкования этого результата. Но когда появились положительные электроны — позитроны, — их практически мгновенно отождествили с электронами отрицательной энергии: речь не об электронах с отрицательной энергией, а об электронах с положительным зарядом — позитронах.

РИС . 4

На рисунке показано "рождение" пары электрон-позитрон на основе фотона. У этих частиц различные вогнутости из-за их противоположного электрического заряда. Фотон невидим, потому что на имеет заряда.

В то же время в Кембридже Патрику Блэкетту (1897-1974) и Джузеппе Оккиалини (1907-1993) удалось изготовить позитроны в лаборатории, то есть получить позитроны не как результат случайных и непредсказуемых явлений, вроде космических лучей, а как результат взаимодействия излучения с материей. Один из прогнозов Дирака заключался в том, что при определенных обстоятельствах энергия у-излучения может трансформироваться в частицы, рождая пары электрон-позитрон, как показано на рисунке 4. Одновременно обе частицы могут взаимно аннигилировать и превращаться в γ-излучение.

С самого начала явление не казалось совсем уж невообразимым. Несколько лет назад было принято знаменитое уравнение Эйнштейна, Е = mc², связавшее материю и энергию. Но на сей раз это отношение было впервые сфотографировано в лаборатории. И удалось это сделать Блэкетту и Оккиалини.

Таким образом, позитрон добавлял неожиданную характеристику понятию элементарной частицы: они могут создаваться и аннигилировать, превращаясь в энергию. То, что не допускалось для атома Дальтона в начале XIX века, теперь совершали даже его компоненты.

Летом 1932 года семья Боров переехала в особняк, который фонд •«Карлсберг» предоставлял тому, кого исполнительный комитет сочтет самым влиятельным датчанином в культуре или науке на национальном и международном уровне. Проживать в этой резиденции было честью, но это также подразумевало многочисленные официальные обязанности, поскольку в особняке проводились встречи со знатными лицами и выдающимися деятелями политики, экономики и культуры. С этими задачами Боры — особенно Маргрет — всегда справлялись как радушные хозяева.

Первыми почетными гостями, которых Боры приняли в своей новой резиденции в сентябре 1932 года, стали Резерфорд с супругой, которым недавно были пожалованы титулы лорда и леди Резерфорд Нельсон. Это, безусловно, стало особенно волнительным моментом для обоих друзей. С тех пор как состоялась их первая встреча, миновало 20 лет. Тогда информация о структуре атома была минимальной, было известно лишь, что существуют электроны. Резерфорд и Бор изменили это представление за несколько лет работы в Манчестере, и сейчас они видели, как их детища, Институт теоретической физики в Копенгагене и Кавендишская лаборатория в Кембридже, стали центрами мировой физики, ядерной физики.

Действительно, 1932 год считается чудесным годом для Кавендишской лаборатории: там не только был открыт нейтрон и «рожден» позитрон, но также успешно создан и запущен первый ускоритель частиц, с помощью которого физики Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967) и Эрнест Уолтон (1903-1995) добились первого искусственного радиоактивного распада в истории.

Доказательство существования нейтрона и позитрона, наряду с предположением о существовании нейтрино, радикально изменило понимание атомного ядра, и уже можно было дать первое связное объяснение первому ядерному явлению — радиоактивности. Ведь если ядро состоит лишь из протонов и нейтронов и точно известно, что β-излучение состоит только из электронов, которых нет в оболочке атома, откуда берутся эти электроны? В 1930 году Паули ввел почти призрачную частицу (не имеющую заряда, массы и практически необнаружимую) — нейтрино,— которая испускалась при β-излучении.

Первую теорию, все еще справедливую в ее основных принципах, в декабре 1933 года сформулировал Энрико Ферми (1901-1954). Эта теория была настолько прогрессивной, что при первых попытках опубликовать статью издатели научных журналов отказывались печатать ее, посчитав исключительно умозрительной. И это после 20 лет постоянных прорывов в физике!

Ученые зависят не от идей одного человека, а от комбинированной мудрости тысяч людей, которые все вместе думают над одной и той же проблемой. Каждый из них вносит свой маленький вклад в структуру знания, которая постепенно выстраивается.

Эрнест Резерфорд

Теория Ферми гласит, что в ядре нейтрон может трансформироваться в протон + электрон + нейтрино, при этом последние два испускаются вне ядра. То же самое может происходить с трансформацией протона в нейтрон + позитрон + нейтрино, благодаря чему образуется искусственная радиоактивность, которую некоторое время назад открыли супруги Ирен Кюри (1897-1956), дочь Марии Кюри, и Фредерик Жолио-Кюри.

При этих трансформациях масса, заряд и другие величины, например спин, сохранялись. Как видно, Ферми укрепил в этой теории идею о том, что элементарные частицы не так уж и элементарны, они способны трансформироваться одна в другую.

Идею подхватил Гейзенберг, а через некоторое время японец Хидэки Юкава (1907-1981) объяснил, как протонам и нейтронам удается оставаться такими сплоченными в столь маленьком пространстве, как атомное ядро. С учетом действия единственных известных на тот момент сил — гравитационной и электромагнитной — эта сплоченность была невозможной из-за электростатического отталкивания, которое должны были испытывать протоны (все с положительным зарядом).

РИС . 5

Ядерные протоны и нейтроны сплочены благодаря их постоянной смене сущностей, результату взаимообмена мезона.