Ричард Роудс
Создание атомной бомбы
Большинству физиков вполне хватило бы по видимости законченной симметрии системы из двух частиц, отрицательной и положительной, электрона и протона. Вне атома – например, среди лишенной электронов, ионизованной материи, образующей пучок в разрядной трубке, – двух элементарных составляющих атома вполне хватало бы. Но Резерфорда интересовало, как устроены элементы. «Он постоянно задавался вопросом, – продолжает Чедвик, – о том, как построены атомы, как вообще можно… а в то время было принято считать, что атомное ядро состоит из протонов и электронов… как вообще можно собрать большое ядро с большим положительным зарядом. И пришел к выводу, что для этого нужна нейтральная частица»[668].
У всех элементов периодической системы, за исключением только водорода, от самых легких до самых тяжелых, атомный номер – то есть заряд ядра и число протонов в нем – отличается от атомного веса. Атомный номер гелия равен 2, а его атомный вес – 4; атомный номер азота равен 7, а его атомный вес – 14, причем дальше это расхождение все более увеличивается. Для серебра эти значения равны 27 и 107; для бария – 56 и 137; для радия – 88 и 226; для урана – 92 и 235 или 238. Существовавшая в то время теория предполагала, что это различие вызвано присутствием в ядре дополнительных протонов, прочно связанных с электронами, которые нейтрализуют их заряд. Но ядро имеет определенный максимальный размер, точно измеренный в экспериментах, и оказывается, что по мере увеличения атомного номера и атомного веса в ядрах элементов остается все меньше и меньше места для всех этих дополнительных электронов. Эта проблема еще более усугубилась в связи с развитием в 1920-х годах квантовой теории, из которой следовало, что удержание таких легких частиц, как электроны, в такой плотной конфигурации требует огромных энергий, которые должны были бы проявляться при возмущениях ядра – но никогда не проявлялись. Единственным признаком существования электронов в ядре было испускание из него бета-частиц, то есть высокоэнергетических электронов. Этого, однако, было недостаточно с учетом остальных затруднений с размещением электронов внутри ядра.
«Таким образом, – говорит Чедвик в заключение, – именно эти разговоры убедили меня в том, что нейтрон должен существовать. Вопрос был только в том, как, черт побери, можно было это доказать… Вскоре после этого я начал проводить свои собственные опыты, когда у меня появлялась такая возможность. [В Кавендишской лаборатории] было много работы, и свободного времени у меня оставалось мало. Иногда у Резерфорда вновь возникал интерес к этой задаче, но это случалось только иногда»[669].
Характер Чедвика вполне соответствовал задаче обнаружения частицы, которая может проходить сквозь материю, почти не оставляя следов: он был человеком стеснительным, тихим, ответственным и надежным – то есть сам в некотором смысле походил на нейтрон. Резерфорд даже бранил его за то, что он слишком много возился с работавшей в лаборатории молодежью, хотя сам Чедвик считал заботу о молодых сотрудниках и их обучение своей главной обязанностью. «Именно Чедвик, – вспоминает Марк Олифант, – заботился о том, чтобы у студентов было все необходимое им оборудование, хотя имевшиеся в его распоряжении запасы и средства были очень ограниченны»[670]. Хотя при первом знакомстве он казался «хмурым и неулыбчивым», со временем «проявлялась его подлинная натура, добрая, отзывчивая и щедрая»[671]. Как говорит Отто Фриш, он был склонен «скрывать свою доброту за фасадом угрюмости»[672].
Этот фасад был защитным. Джеймс Чедвик был человеком высоким и жилистым, с темными волосами, высоким лбом, тонкими губами и орлиным носом. «Он обладал, – говорят соавторы его биографии, оба бывшие его сотрудниками, – низким голосом и сдержанным чувством юмора, проявлявшимся в характерных усмешках»[673]. Он родился в 1891 году в деревне Бодлингтон, расположенной в графстве Чешир к югу от Манчестера. Еще в его раннем детстве отец перебрался из деревни в Манчестер и открыл там прачечную; Чедвика, по-видимому, вырастила бабушка. В шестнадцать лет – то есть в очень раннем возрасте, даже по меркам английской системы образования, – он участвовал в двух конкурсах на получение стипендии в Манчестерском университете, победил в обоих и поступил в университет с одной из этих стипендий.
Он собирался изучать математику. Вступительные собеседования проводились публично в большом переполненном зале. Чедвик встал не в ту очередь. Уже начав отвечать на вопросы преподавателя, он понял, что его спрашивают по курсу физики. Поскольку ему не хватило смелости объяснить свою ошибку, он решил, что преподаватель физики ему понравился, и он будет изучать физику. На первом курсе он об этом пожалел; его биографы говорят, что «на лекциях по физике было многолюдно и шумно»[674]. На втором курсе он попал на лекцию Резерфорда, который рассказывал о своих ранних экспериментах в Новой Зеландии, и обратился в новую веру. На третьем курсе Резерфорд задал ему исследовательскую задачу. Стеснительность Чедвика снова повредила ему и чуть было не оборвала его карьеру: он нашел в рекомендованной Резерфордом процедуре ошибку, но постеснялся сообщить о ней. Резерфорд решил, что Чедвик ее пропустил. В конце концов это недоразумение разрешилось, и в 1911 году Чедвик окончил Манчестерский университет с отличными оценками.
Он остался в магистратуре и, работая с А. С. Расселом, следил за особенно плодотворными в эти годы исследованиями Гейгера, Марсдена, де Хевеши, Мозли, Дарвина и Бора. В 1913 году, получив магистерскую степень, он добился престижной исследовательской стипендии, по условиям которой он должен был перейти в другую лабораторию, чтобы расширить свое образование. Гейгер вернулся к тому времени в Берлин; Чедвик последовал за ним. В Берлине все шло прекрасно – Гейгер старался познакомить его со всеми, и так он встретился, в частности, с Эйнштейном, Ганом и Мейтнер, – но тут началась война.
Гейгер был офицером запаса, и его быстро призвали в армию. Перед отъездом он на всякий случай оставил Чедвику чек на двести марок. Некоторые из немецких друзей молодого англичанина советовали ему побыстрее уехать из Германии, но другие убедили его, что лучше подождать, чтобы не застрять в пути из-за воинских эшелонов. 2 августа Чедвик попытался купить в берлинском агентстве Кука билет в Англию через Голландию. У Кука ему посоветовали поехать через Швейцарию. Друзьям Чедвика этот маршрут показался опасным. Чедвик снова последовал их совету и стал ждать дальше.
А потом оказалось слишком поздно. Его арестовали вместе с одним немецким другом по обвинению в подрывных разговорах – в период патриотической истерии начала войны для этого вполне хватило бы любого разговора по-английски, – и он просидел десять дней в берлинской тюрьме, прежде чем лаборатории Гейгера удалось наконец добиться его освобождения. Выйдя на волю, он вернулся в лабораторию и оставался там, пока хаос снова не уступил место порядку и кайзеровское правительство не нашло время постановить, что все англичане, находящиеся в Германии, должны быть интернированы до конца войны.
Лагерь для интернированных находился на ипподроме в Рулебене – это название в переводе с немецкого означает «спокойная жизнь»[675] – возле Шпандау. Чедвик делил с пятью другими заключенными стойло, предназначенное для двух лошадей, и, должно быть, вспоминал Гулливера. Зимой ему приходилось все утро топать ногами, чтобы они оттаяли. Вместе со своими товарищами по лагерю он организовал научное общество и даже умудрялся ставить опыты. Холодная, голодная, тихая жизнь Чедвика в Рулебене продолжалась четыре нескончаемых года. Именно в это время, говорил он впоследствии, пытаясь найти во всем положительные стороны, он по-настоящему начал взрослеть[676]. После заключения перемирия он вернулся в Манчестер с безнадежно испорченным желудком и 11 фунтами в кармане. Но по крайней мере, он остался в живых – в отличие от несчастного Гарри Мозли. Резерфорд взял его к себе.
Некоторые из экспериментов, которые Чедвик проводил в 1920-х годах в Кавендишской лаборатории, пытаясь найти нейтрон, «были такими отчаянными, такими надуманными, как будто они относились к эпохе алхимии»[677]. Они с Резерфордом считали, что нейтрон, каким Резерфорд представлял его себе в своей бейкеровской лекции, – это прочное соединение протона и электрона. Поэтому они измышляли различные способы пыток водорода – обстреливали его электрическими разрядами, выясняли, как действует на него прохождение космических лучей, – надеясь, что в их руках атом водорода, остававшийся стабильным с первых дней существования Вселенной, как-нибудь да согласится стать нейтральным.
Нейтральная частица никак не поддавалась на их уговоры; ядро оказывало упорное сопротивление. В лаборатории, как вспоминает Чедвик, «наступило относительное затишье. Делалось много интересной и важной работы, но эта работа касалась скорее закрепления уже достигнутого, нежели открытия нового; несмотря на многочисленные попытки, найти пути в новые области никак не удавалось»[678]. Начинало казаться, добавляет он, что «как сказал однажды Резерфорд и как считали многие физики, задачу о новой структуре ядра действительно придется оставить следующему поколению»[679]. Резерфорд «был слегка разочарован, потому что найти что-либо действительно важное было ужасно трудно»[680]. Квантовая теория бурно расцветала, а ядерные исследования оказались в застое. В 1923 году Резерфорду еще хватало оптимизма воскликнуть на ежегодном собрании Британской ассоциации: «Мы живем в героическую эпоху физики!»[681] В 1927 году он уже выражал в своей статье по структуре атома несколько меньшую уверенность. «Нам пока что удается только догадываться о структуре даже самых легких и, предположительно, наименее сложных атомов»[682], – пишет он. Тем не менее он предложил гипотетическую структуру, в которой ядерные электроны обращаются вокруг ядерных протонов, – модель атома внутри атома.
Была у них и другая работа. Потом, задним числом, стало ясно, что она была необходимой подготовкой к дальнейшим исследованиям. Сцинтилляционный метод измерения излучения достиг пределов эффективной применимости: он становился ненадежным, когда частота появления вспышек была больше 150 или меньше 3 раз в минуту, а теперь ядерные исследования дошли до обеих этих областей[683]. Разногласия, возникшие между Кавендишской лабораторией и венским Радиевым институтом, убедили в необходимости перемен даже самого Резерфорда. В Вене повторили проведенные в Кавендише эксперименты по распаду легких элементов и опубликовали совершенно другие результаты. Хуже того, венские физики утверждали, что причиной расхождений было несовершенство оборудования Кавендишской лаборатории. Чедвик скрупулезно повторил эксперименты с использованием специально изготовленного микроскопа, в котором сульфид цинка был нанесен прямо на объектив, что обеспечивало гораздо лучшее освещение поля зрения. Результаты совпали с предыдущими подсчетами Кавендишской лаборатории. Тогда Чедвик поехал в Вену. «Там он обнаружил, – пишут его биографы, – что подсчетом сцинтилляций занимались три девушки: считалось, что у женщин не только зрение лучше, чем у мужчин, но и меньше мыслей, которые могли бы отвлекать их от подсчета!»[684] Чедвик понаблюдал за работой девушек и понял, что, поскольку они понимали, какие результаты предполагается получить в эксперименте, они и выдавали ожидавшиеся результаты, бессознательно добавляя к счету несуществующие вспышки. Чтобы испытать лаборанток, он поручил им провести незнакомый им эксперимент, не объяснив его цели; на этот раз их подсчет совпал с его собственным. Венцы извинились.
Ханс Гейгер также вернулся к одной из своих старых работ: он снова занялся электрическим счетчиком, который они с Резерфордом разработали в 1908 году, и усовершенствовал его. В результате получился счетчик Гейгера, по сути дела представляющий собою электрически заряженную проволоку в наполненной газом трубке с тонким окошком, через которое внутрь трубки могут попадать заряженные частицы. Оказавшись внутри трубки, заряженные частицы ионизируют атомы газа; электроны, оторванные при этом от атомов газа, притягиваются к положительно заряженной проволоке; это вызывает изменение силы тока, текущего по проволоке[685]; это изменение дает электрический импульс, который можно пропустить через усилитель и преобразовать в звуковой сигнал – обычно щелчок – или отобразить в виде скачка светового луча, движущегося по похожему на телевизионный экрану осциллографа. Однако счетчики ранних моделей обладали одним существенным недостатком: они обладали высокой, гораздо большей, чем сульфид цинка, чувствительностью к гамма-излучению, а соединения радия, которые использовались в Кавендишской лаборатории в качестве источников альфа-частиц, испускали множество гамма-лучей. Прекрасную альтернативную возможность давал полоний, радиоактивный элемент, который Мария Кюри открыла в 1898 году и назвала в честь своей родины, Польши. Полоний является хорошим источником альфа-частиц, а поскольку его фоновое гамма-излучение в 100 000 раз слабее, чем у радия, вероятность перегрузки электрических счетчиков при его использовании была гораздо ниже. К несчастью, достать полоний было трудно. Тонна урановой руды содержит всего лишь около 0,1 грамма этого элемента, что недостаточно для промышленной очистки. Полоний можно было получить только в качестве побочного продукта радиоактивного распада радия, а радия тоже было мало.
В эти годы было время оправиться от мрака военных лет и зажить нормальной жизнью. В 1925 году Чедвик женился на Эйлин Стюарт-Браун, происходившей из семьи старых ливерпульских коммерсантов. До этого он жил в кембриджском колледже Гонвилль и Кай; теперь он собрался обзавестись постоянным жильем. Год спустя, когда строительство дома было в самом разгаре, Резерфорд попросил его и еще одного коллегу по лаборатории принять участие в редактировании нового издания старого учебника Резерфорда по радиоактивности, и он занимался этим по ночам, сидя в пальто за письменным столом возле камина в продуваемой сквозняками временной съемной квартире. Когда камин горел недостаточно жарко, он даже натягивал перчатки.
В конце этого десятилетия на семью Резерфорд обрушилось личное несчастье. Их двадцатидевятилетняя дочь Эйлин, у которой уже было трое детей, – ее мужем был теоретик Р. Г. Фаулер, отвечавший в Кавендишской лаборатории за теоретическую физику, – родила в четвертый раз. Неделю спустя, 23 декабря, она умерла от тромбоза. «Потеря единственного ребенка, – пишет А. С. Ив, – бывшего предметом любви и восхищения, на некоторое время подкосила Резерфорда; он стал казаться старше и больше горбиться. Он мужественно и целеустремленно продолжал жить и работать, и одним из лучших его утешений были четверо внуков. Когда он говорил о них, его лицо всегда сияло»[686].
Резерфорд был включен в новогодний список награждений 1931 года – в этом году ему исполнилось шестьдесят – и стал бароном. Щит его герба венчала птица киви; с правой стороны его поддерживала фигура, изображавшая Гермеса Трисмегиста, египетского бога мудрости, писавшего, если верить легенде, книги по алхимии, а с левой[687] – воин маори с дубинкой в руке; сам щит пересекали две перекрещенные кривые, соответствующие росту и падению активности, определяющим характерное время полураспада любых радиоактивных элементов и изотопов[688].
В 1928 году немецкий физик Вальтер Боте, которого Эмилио Сегре называет «настоящим физиком из физиков»[689], и его студент Герберт Беккер начали изучать гамма-излучение, возникающее при бомбардировке легких элементов альфа-частицами. Они исследовали легкие элементы от лития до кислорода, а также магний, алюминий и серебро. Поскольку их интересовало гамма-излучение, возбуждаемое в мишени, они старались свести уровень фонового гамма-излучения к минимуму и использовали полониевые радиоактивные источники. «Не знаю, где [Боте] достал свои источники, – недоумевает Чедвик, – но ему это удалось»[690]. Лиза Мейтнер любезно присылала Чедвику полоний из Институтов кайзера Вильгельма, но его было слишком мало, и Чедвик не мог выполнить ту работу, которой занимался Боте.
Немцы обнаружили гамма-возбуждение в реакциях с бором, магнием и алюминием, что более или менее соответствовало их ожиданиям, так как альфа-частицы разрушали эти элементы[691]. Но помимо этого они неожиданно нашли его еще и в литии и бериллии, причем никакого распада в этих реакциях они не видели. «Более того, – пишет Норман Фезер, один из сотрудников Чедвика по Кавендишской лаборатории, – в случае бериллия интенсивность… излучения была почти в десять раз выше, чем в любом из других исследовавшихся элементов»[692]. Уже это было странно; не менее странным было и то обстоятельство, что при бомбардировке альфа-частицами бериллий испускал это интенсивное излучение, не испуская протонов. В августе 1930 года Боте и Беккер вкратце сообщили о своих результатах, а затем, в декабре, опубликовали и более подробный отчет. Излучение, которое они возбудили в бериллии, обладало большей энергией, чем налетающие альфа-частицы. Согласно принципу сохранения энергии должен был существовать источник такого превышения. Несмотря на отсутствие протонов, они предположили, что таким источником все же является ядерный распад.
Чедвик поручил проверить эти необычные результаты одному из своих студентов, австралийцу Г. Ч. Вебстеру. Чуть позже такое же исследование начала и группа французов, в распоряжении которых были более мощные средства, – тридцатитрехлетняя в то время Ирен Кюри, хмурая, талантливая дочь Марии Кюри, и ее муж Фредерик Жолио, бывший на два года ее младше, общительный красавец, который изначально получил инженерное образование; по словам Эмилио Сегре, очарованием он напоминал французского певца Мориса Шевалье.
Основанный Марией Кюри Радиевый институт, построенный перед самой войной в восточном конце улицы Пьера Кюри в Латинском квартале на средства французского правительства и Фонда Пастера, находился в самом выгодном положении с точки зрения любых исследований с использованием полония. Газообразный радон со временем распадается на три слаборадиоактивных изотопа – свинец-210, висмут-201 и полоний-210, которые затем можно разделить химическими методами. Врачи всего мира использовали запаянные стеклянные ампулы с радоном – «зерна» – для лечения рака. После распада радона, происходившего за несколько дней, такие зерна становились непригодными к использованию. Многие врачи отсылали их в Париж из почтения к первооткрывательнице радия. Таким образом там и накапливались крупнейшие в мире запасы полония.
В течение двух лет после свадьбы, состоявшейся в 1927 году, супруги Жолио-Кюри работали независимо друг от друга; в 1929-м они решили перейти к совместной работе. Они начали с разработки новых химических методов выделения полония, и к 1931 году очистили некоторое количество элемента, интенсивность излучения которого была почти в десять раз больше, чем у любого другого из существовавших источников. Получив в свое распоряжение новый мощный источник, они занялись загадкой бериллия.
Тем временем, к концу весны 1931 года, студент Чедвика Г. Ч. Вебстер перешел от обобщений к открытиям: он установил, говорит Чедвик, «что излучение бериллия в направлении падения α-частиц более проникающее, чем излучение в обратном направлении»[693][694]. Гамма-излучение, которое представляет собою высокоэнергетическую форму света, должно испускаться во все стороны от точечного источника – например ядра, – одинаково, так же как видимый свет равномерно распространяется во все стороны от нити лампочки[695]. С другой стороны, частицы, выбиваемые налетающими альфа-частицами, обычно вылетают вперед. «Разумеется, – добавляет Чедвик, – именно это обстоятельство очень меня взволновало, потому что я подумал: “Вот он, нейтрон”»[696].
У Чедвика было теперь две дочери, и в семейной жизни у него завелись регулярные привычки. Одной из самых священных таких традиций был ежегодный семейный отдых в июне. Возможность обнаружения нейтрона, который он столь долго искал, не была причиной, достаточной для изменения планов. Возможно, он и изменил бы их, но ему казалось, что для следующего этапа исследований ему нужна камера Вильсона, а единственная такая камера, которую он мог использовать в Кавендишской лаборатории, была неисправна. Он нашел камеру в другом месте; ее владелец согласился предоставить ее Вебстеру после окончания той работы, которой занимался он сам. По-прежнему предполагая, что нейтрон – это пара, состоящая из электрона и протона и имеющая остаточный электрический заряд, достаточный для ионизации газов, хотя бы слабой, Чедвик хотел, чтобы Вебстер направил излучение бериллия в камеру Вильсона и попытался сфотографировать его ионизирующие траектории. Усадив своего студента за работу, он уехал в отпуск.
«Разумеется, – говорил впоследствии Чедвик о своей тогдашней охоте за нейтроном, – они ничего не должны были увидеть» в камере Вильсона – и действительно ничего не увидели. «Они написали мне об этом, что они ничего не нашли, и я был очень огорчен»[697]. Когда Вебстер перешел в Бристольский университет, Чедвик решил, что продолжит исследования бериллия сам.
Сначала ему пришлось перевести свою лабораторию в другую часть здания, что задержало его работу; затем ему нужно было приготовить сильный полониевый источник. С полонием ему повезло. Норман Фезер провел 1929/30 учебный год на физическом факультете Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе и подружился там с одним английским врачом, который распоряжался запасами радия в балтиморской больнице Келли. У врача накопилось несколько сотен отработанных радоновых зерен; «в общей сложности, – вспоминает Фезер, – они содержали столько же полония, сколько было в Париже у Кюри и Жолио»[698]. Больница пожертвовала их Кавендишской лаборатории, и Фезер привез их в Англию. Той же осенью Чедвик провел опасную химическую очистку.
Ирен Жолио-Кюри доложила во Французской академии наук о своих первых результатах 28 декабря 1931 года. Бериллиевое излучение, как она выяснила, оказалось еще более проникающим, чем сообщали Боте и Беккер. Она привела к единому образцу свои измерения и определила, что энергия излучения превышает энергию налетающих альфа-частиц в три раза.
Затем супруги Жолио-Кюри решили выяснить, способно ли бериллиевое излучение выбивать из материи протоны, как это делают альфа-частицы. «Они установили в своей ионизационной камере тонкое окошко, – объясняет Фезер, – и устанавливали рядом с окошком, на пути распространения излучения, разные материалы. Никаких протонов они не обнаружили, за исключением опытов с такими материалами, как парафин или целлофан, которые уже содержат водород в химических соединениях. Когда к окошку приближали тонкие слои этих материалов, ток в ионизационной камере становился больше обычного. Проведя несколько экспериментальных проверок, простых и изящных, они получили убедительные свидетельства того, что эта дополнительная ионизация была вызвана протонами, выбитыми из водородсодержащих веществ»[699]. Жолио-Кюри поняли, что наблюдаемый эффект – результат упругих соударений – подобных соударениям бильярдных шаров или стеклянных шариков – бериллиевого излучения с ядрами атомов водорода.
Однако они все еще придерживались своих старых убеждений, что проникающее излучение, испускаемое бериллием, – гамма-излучение. О том, что оно может быть нейтральными частицами, они не думали. Они не читали бейкеровской лекции Резерфорда, потому что, по их опыту, в таких лекциях никогда не бывало ничего, кроме пересказов работ, уже опубликованных раньше. О нейтроне всерьез думали только Резерфорд и Чедвик.
18 января 1932 года Жолио-Кюри представили в Академию наук отчет о своем открытии испускания парафином высокоскоростных протонов под воздействием бериллиевого излучения. Однако название написанной ими статьи и ее вывод были сформулированы иначе. Статья называлась «Испускание высокоскоростных протонов из водородсодержащих материалов, облученных гамма-лучами высокой проникающей способности». Что было так же маловероятно, как ситуация, в которой пушечное ядро отражается от шарика для пинг-понга. Гамма-лучи могут выбивать электроны – это явление называется комптоновским эффектом по имени открывшего его американского физика-экспериментатора Артура Холли Комптона, – но протон в 1836 раз тяжелее электрона, и сдвинуть его с места совсем не просто.
В начале февраля Чедвик нашел в почте, которую ему приносили по утрам в Кавендишскую лабораторию, французский физический журнал Comptes Rendus[700], обнаружил в нем статью Жолио-Кюри и прочитал ее, все более поражаясь прочитанному:
Через несколько минут ко мне пришел Фезер рассказать об этом сообщении, удивившем его так же, как и меня. А чуть позже в это утро я разговаривал с Резерфордом. Это было уже так заведено, что около 11 часов я должен был приходить к нему и рассказывать об интересных новостях и обсуждать ведущиеся в лаборатории работы. Рассказав ему о наблюдении Кюри – Жолио и их истолковании своего наблюдения, я заметил на его лице растущее удивление; наконец он воскликнул: «Я не верю этому!» Подобная вспыльчивость была не свойственна ему, и за все время моего продолжительного союза с ним я не припомню другого подобного случая. Я говорю об этом, чтобы подчеркнуть, насколько электризующим было воздействие сообщения Кюри – Жолио. Конечно, Резерфорд был согласен, что наблюдениям надо верить; совсем другое дело – объяснение[701][702].
Теперь никакие другие обязанности не мешали Чедвику исполнить его предназначение. Он лихорадочно взялся за работу начиная с воскресенья 7 февраля 1932 года: «Так получилось, что [в момент прочтения сообщения об открытии Жолио-Кюри] я был готов начать эксперимент… Я беспристрастно приступил к работе, хотя мысли мои были, естественно, сосредоточены на нейтроне. Мне было ясно, что наблюдения Кюри – Жолио нельзя приписать эффекту Комптона, с которым мне не раз приходилось сталкиваться. Я был уверен, что здесь нечто новое и незнакомое»[703][704].
Его простая установка состояла из источника излучения и ионизационной камеры; камера была соединена с ламповым усилителем, а тот – с осциллографом. Источник излучения, откачанная металлическая трубка, прикрепленная к грубому сосновому бруску, содержал сантиметровый серебряный диск, покрытый полонием и установленный вблизи находившегося перед ним двухсантиметрового диска из чистого бериллия, серебристо-серого металла в три раза легче алюминия[705]. Альфа-частицы, вылетающие из полония, попадали в ядра бериллия и выбивали из них проницающее бериллиевое излучение, которое, как тут же обнаружил Чедвик, по сути дела, беспрепятственно проходило сквозь целых два сантиметра свинца.
В стенке ионизационной камеры, обращенной к этому источнику излучения, был сделан проем размером около полутора сантиметров, закрытый алюминиевой фольгой. Внутри этой неглубокой камеры, наполненной воздухом при нормальном давлении, находилась небольшая заряженная пластина, собиравшая электроны, ионизированные входящим в камеру излучением, и передававшая их импульсы на усилитель и осциллограф. «Для этой задачи, – объясняет Норман Фезер, – такая конфигурация подходила идеально. Хорошо сконструированный усилитель позволял сделать так, чтобы величина отклонения сигнала осциллографа была прямо пропорциональна уровню ионизации, возникающему в камере… Таким образом, энергию атомов отдачи, вызывающих ионизацию, можно было рассчитать непосредственно по величине отклонения, зарегистрированной в данных осциллографа»[706].
Чедвик пометил перед закрытым алюминиевой фольгой окошком ионизационной камеры лист парафина толщиной два миллиметра; сразу после этого, как он писал в итоговом отчете об этом эксперименте, «число электронов, регистрируемое осциллографом, заметно возросло». Это означало, что частицы, выбиваемые из парафина, попадают в камеру. Затем он начал вставлять между парафином и окошком камеры листы алюминиевой фольги; по соотношению поглощающей способности алюминия и воздуха он рассчитал, что длина свободного пробега этих частиц в воздухе немного превышает 40 сантиметров; такое значение означало, что «частицы эти, очевидно, были протонами»[707].
Такое повторение работы Жолио-Кюри было подготовительным этапом. После него Чедвик перешел в область, еще неизведанную. Он убрал лист парафина. Он хотел узнать, что происходит с другими элементами под прямым воздействием бериллиевого излучения. Твердые образцы таких элементов он устанавливал перед окошком камеры: «Таким образом были исследованы литий, бериллий, бор, углерод и азот в форме парациана[708]»[709]. Элементы в газообразной форме просто закачивались в камеру вместо атмосферного воздуха: «Этим способом были изучены водород, гелий, азот, кислород и аргон»[710]. В каждом из этих случаев количество импульсов на осциллографе возрастало – мощное бериллиевое излучение выбивало протоны из всех элементов, которые испытывал Чедвик. Причем из всех элементов оно выбивало приблизительно одно и то же количество протонов. Но важнее всего для его выводов было то обстоятельство, что энергии выбитых протонов были значительно выше, чем они могли бы быть, если бы бериллиевое излучение состояло из гамма-лучей. «В целом, – писал Чедвик, – экспериментальные результаты показывают, что, если бы появление атомов отдачи объяснялось столкновением с [фотонами гамма-излучения], следовало бы предположить, что энергия [фотона] все более и более возрастает по мере увеличения массы атома, подвергающегося столкновению». После чего у него идет очень спокойное заявление, ссылающееся на тот основополагающий физический принцип, что на выходе из события не может получиться больше энергии или импульса, чем было на его входе, – не оставляющее камня на камне от предположения Жолио-Кюри: «Очевидно, мы должны либо отказаться от применения к этим столкновениям законов сохранения энергии и импульса, либо принять другую гипотезу относительно природы этого излучения». Чтение этой фразы чрезвычайно сильно – и справедливо – огорчило супругов Жолио-Кюри.
Гипотеза, которую Чедвик предложил принять, не была удивительной: «Если предположить, что это излучение не есть [гамма-]излучение, а состоит из частиц, масса которых очень близка к массе протона, то все затруднения, связанные со столкновениями, исчезают, как в отношении их частоты, так и в отношении передачи энергии разным массам. Для объяснения высокой проникающей способности излучения следует также допустить, что такая частица не имеет собственного заряда… Можно предположить, что она [представляет] собой “нейтрон”, о котором Резерфорд говорил в своей бейкеровской лекции 1920 года»[711].
