Ушаков С.И.
(Институт физической химии Российской академии наук)
Д.Д. ИВАНЕНКО И НЕЙТРОН-ПРОТОННЫЙ СОСТАВ АТОМНЫХ ЯДЕР
(К 75-ЛЕТИЮ ОТКРЫТИЯ НЕЙТРОНА)
Основные области научных интересов физика-теоретика Дмитрия Дмитриевича Иваненко (29.07.1904-30.12.1994) — квантовая теория гравитации и структура пространства- времени [1, 2]. Кроме этих глобальных проблем он занимался и другими задачами. В качестве примера укажем на разработку теории ядерного взаимодействия между нейтроном и протоном путем обмена парами электрон-нейтрино (в 1934 году совместно с И.Е.Таммом) [3. 4]. Впоследствии Х. Юкава, сохраняя идею обменных ядерных сил, заменил электрон и нейтрино на тяжелую частицу мезон [5].
Укажем также на предсказание в 1944 году совместно с И.Я. Померанчуком синхротрон-ного электромагнитного излучения [1], испускаемого электронами, движущимся в магнитном поле со скоростью, очень близкой к скорости света. В 1950-1953 гг. механизм синхро-тронного излучения был применен российскими и зарубежными астрофизиками для объяснения нетеплового излучения, рентгеновского излучения, радиоизлучения объектов Вселенной, испытавших космический взрыв: остатки сверхновых звезд и взорвавшихся ядер галактик, квазары, пульсары.
Рассмотрим более подробно предпосылки и гипотезу Д. Д. Иваненко о нейтрон-протонном составе атомных ядер. Гипотеза дала начало ядерной эпохи в физике. Она легла в основу современной теории строения атомных ядер.
В 1896 году А. Беккерель открыл явление радиоактивности. К 1903 году работами М. Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорда, Ф. Содди было установлено, что радиоактивность заключается в самопроизвольном распаде атомов радиоактивного вещества [6]. «Физика столкнулась здесь впервые с процессом, который не поддается причинному объяснению. Мы не знаем, почему данный радиоактивный атом распадается именно в этот, а не в другой момент времени» [7]. То есть, нет объяснения тому, почему один атом, например, атом урана, распадается в данный момент времени, а другой, соседний с ним, может оставаться не распавшимся в течение миллиардов лет.
В 1911 году Э. Резерфорд, проанализировал результаты опытов Г. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию а-частиц тонкими фольгами, пришел к идее атомного ядра размером 10_13-10_12 см. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Вокруг ядра на расстоянии около 10"3 см вращаются по орбитам электроны [8]. Ядро состоит из протонов (ядра атома водорода) — носителей минимального положительного заряда.
Так как атом в целом нейтрален, то по Э. Резерфорду число протонов в ядре равно числу орбитальных электронов. Но это противоречило установленному Резерфордом же правилу, что заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса [8]. Поэтому А. Ван-ден-Брук в 1913 году выдвинул гипотезу об ядерных электронах [9, 10]: «Ядра всех атомов состоят из протонов, обеспечивающих необходимый вес, и электронов в числе, необходимом для компенсации избытка положительного заряда протонов над атомным весом элемента» [11].
В том же 1913 году Н. Бор дополнил модель атома Резерфорда квантовыми постулатами [12]. Согласно классической электродинамике Д. Максвелла электрон, движущийся по криволинейной траектории, теряет энергию на излучение. Значит электроны, движущиеся по орбитам в атоме Резерфорда, должны упасть на ядро. Но так как атомы в действительности стабильны, то Н. Бор пришел к выводу, что атом может существовать, не излучая, в определенных стационарных (квантовых) состояниях. Переход атома из одного состояния в другое осуществляется посредством поглощения или испускания определенных порций энергии — квантов (фотонов). Это составило такую новость для физиков, что для многих из них кванто-
вые представления остались за пределами восприятия. Создатель электронной теории Г.А. Лоренц говорил: «Сегодня я утверждаю, что движущийся по криволинейной траектории электрон излучает энергию, а завтра в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергию. Где же истина? ...Жалею, что не умер пять лет назад, когда все представлялось ясным» [14]. Революционер в физике А. Эйнштейн говорил: «Если это правильно, то физика как наука кончилась» [15]. Г.Т.Ситкарев указывает в [15], что и в наше время некоторые постулаты квантовой механики и теории относительности не признаются многими учеными.
К 1927 году работами Н. Бора, Луи де Бройля, В. Гайзенберга, Э. Шредингера, П. Дирака была создана квантовая механика, описывающая поведение атомов и элементарных частиц и оперирующая такими понятиями, как волновая функция, соотношение неопределенностей, спин, квантовые числа, принцип запрета Паули, статистика и другие. При этом протон-электронная модель атомного ядра пришла в противоречие с некоторыми положениями квантовой механики.
В 193G году В. Боте и Г. Беккер наблюдали сильнопроникающие излучение при облучении бериллия а-частицами [1б]. Авторы посчитали, что имеют дело с фотонами высокой энергии, причем фотоны испускаются ядрами облученных атомов бериллия. В 1932 году И. Кюри и Ф. Жолио поставили на пути «бериллиевого» излучения водородосодержащее вещество парафин и обнаружили, что парафин испускает протоны высокой энергии [17]. Д. Чадвик, считая, что фотоны не способны выбить протоны из парафина, повторил опыт с «бериллиевым» излучением, и пришел к выводу, что «излучение состоит из частиц с массой протона и зарядом ноль, то есть из нейтронов» [18].
Однако Д. Чадвик не сделал следующего шага и не предположил, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Вероятнее всего он находился в плену общепринятого представления о протон-электронном составе ядер, причем ядерные электроны и есть те ß — частицы, которые испускаются в процессе радиоактивного распада атома. А сам нейтрон представляет систему тесно взаимодействующих протона и электрона. Напротив, В. А. Амбарцу-мян и Д. Д. Иваненко еще в 193G году, за два года до открытия нейтрона, пришли к выводу, что электронов в ядре нет, и ß — частицы, испускаемые при радиоактивном распаде атома, не существуют в ядре в готовом виде, а излучаются ядром подобно излучению фотонов атомами [19]. Поэтому именно Д. Д. Иваненко спустя два месяца после появления статьи Д. Чадви-ка [1B] первым заявил о протонно-нейтронном составе ядра и о том, что «нейтрон надо рассматривать не как систему электрона и протона, но как элементарную частицу» [2G]. Это была первая заявка российской теоретической науки на серьезное участие в мировой ядерной физике. «Гипотеза Иваненко, привлекающая своей простотой и подтвержденная последующими исследованиями ядерных превращений, быстро распространилась и вскоре стала господствующей» [21].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кривомазов А.Н. - Биографические данные Д. Д. Иваненко. В кн: Нейтрон. Предыстория, открытие, последствия. Ред. Кедров Б.М.; М., Наука, 1975, с. 17G.
2. Иваненко Д.Д. Как создавалась модель атомного ядра. Там же, с. 9-22.
3. Iwanenko D. Interaction of neutrons and protons. Nature, 1934, 133, p. 9B1.
4. Tamm I. Exchange forces between neutrons and protons, and Fermi's theory. Там же.
5. Yukawa H. On the interaction of elementary particles. Proc. Phys. - Math. Soc.Japan, 1935.17, p. 4B
6. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. М., Наука, 1979, с. 179
7. ЛауэМ. История физики. М., 195б, с. 13G
B. RutherfordE. The scattering of а - and ß - particles by matter and the structure of the atom. Phil. Mag., 1911, ser. б, 21, p. бб9-бВВ.
3GG
9. Van den Brock A. Die Radioelemente, das periodische System und die Konstitution der Atome. Phys. Z., 1913, Bd 14, s. 32-41.
10. Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Учение о периодичности и учение о радиоактивности. М., Атомиздат, 1974, с. 85.
11. Вяльцев А.Н. Открытие нейтрона как узел в сети линий научного развития. См. [1], с. 69-108.
12. Bohr N. On the constitution of atoms and molecules. Phil. Mag., 1913, 26, p. 1-25, 476-502.
13. Иоффе А.Ф. Встречи с физиками. М., ФМ, 1962, с. 58.
14. Кедров Ф. Цепная реакция идей. М., Знание, 1975, с. 27.
15. Ситкарев Г.Т. Строение атомов и образование молекул. Актуальные проблемы современной науки, 2006 №4 с. 130-136
16. Bothe W., Becker H. Eine Kern - y - Strahlung bei leichten Elementen. Naturwissenschaften, 1930, 18, p. 705.
17. Curie I., Joliot F. Emission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l'influence des rayons y trés pénétrants. Compt. Rend. Acad. Sci. Paris, 1932, 194, p. 273.
18. Chadwick J. Possible existence of neutron. Nature, 1932, 129, February 27, p. 312.
19. Ambarzumian V., Iwanenko D. Les electrons inobser vables et les rayons ß. Compt. Rend. Acad. Sci. Paris, 1930, 190, p. 582; [11], с. 146.
20. Iwanenko D. The neutronhypothesis. Nature, 1932, 129, May 28, p. 798; Structure of atomic nuclei. C.r. Acad. Sci. Paris, 1932, 195, p. 439.
21. ЛьоцциМ. История физики. М., 1970, с. 436.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.