Валерий Чолаков
Нобеловите награди (15) (Учени и открития (1901–1982))

Модели на ядрото

В първото десетилетие на нашия век физиците вече знаеха доста за елементарния носител на електрическия заряд — електрона. От химични експерименти и физически изследвания на каналните лъчи беше известно, че най-малкият носител на положителния заряд е водородният йон. Това бе установено от Вин през 1898 г. и окончателно доказано в 1914 г., когато Ръдърфорд нарече тази частица протон.

От тези две частици, обединени от електромагнитното взаимодействие, физиците изграждаха модели на атомите. Беше вече известно, че атомното ядро е два пъти по-тежко от общото тегло на протоните, необходими да осигурят положителния заряд. Учените предположиха съществуването на вътрешноядрени електрони, които да неутрализират част от протоните. Тази схема между другото бе използвана за обясняване на бета-разпадането, при което от ядрото се отделят електрони.

Този първи модел на атомното ядро беше доста изкуствен, но в арсенала на физиката от онова време просто не можеше да се намери друго. Скоро се появиха факти, които не можеха да бъдат обяснени. Един от тях бе т.нар. „азотна катастрофа“. Наблюдаваните характеристики на азотните ядра и по-специално техният спин не можеха да се обяснят от гледна точка на стария модел. В теорията настъпи криза. Тя бе преодоляна едва в началото на 30-те години, когато се доказа, че в ядрата има и други частици.

В 1919 г., облъчвайки азот с алфа-частици, Ръдърфорд успя да получи кислород. Това бе първото изкуствено превръщане на елементи. 11 години по-късно в подобен експеримент Валтер Боте и неговият сътрудник Бекер при обстрелване на различни елементи с алфа-частици получиха извънредно силно вторично излъчване, което те възприеха като твърди гама-лъчи. Особено силен бе ефектът при мишена от берилий и оттам се появи изразът „берилиево излъчване“. Учените по това време бяха под впечатление на откритието на Артър Комптън, който установи, че рентгеновите лъчи избиват от веществото електрони. Затова когато в 1932 г. съпрузите Жолио-Кюри изследваха преминаването на берилиево излъчване през вещества, богати на водород, те интерпретираха наблюдаваното отделяне на протони като особено силен комптънов ефект, при който квант с много голяма енергия откъсва от атома протон. Друго обяснение на тези факти обаче бе дадено от английския изследовател Джеймс Чадуик.

Този ученик и сътрудник на Ръдърфорд също изучаваше образуването на протони под действието на берилиевите лъчи. Проследявайки образуващите се йонизирани частици, Чадуик стигна до извода, че е много трудно да се обясни този ефект с въздействието на гама-кванти. Трудностите обаче изчезваха при допускане, че излъчването на берилиевата мишена се състои от частици с маса единица, но лишени от заряд. Така бяха открити неутроните, предсказани от Ръдърфорд още в 1920 г. Резултатите от експериментите, направени в Кавендишката лаборатория в Кембридж, бяха публикувани от Чадуик през 1932 г.

Откриването на неутрона бе повратен момент в историята на съвременната физика. Теоретиците трябваше да се откажат от електромагнитната концепция за веществото, която бе доминирала почти половин век, и да приемат, че в атома има нови частици и нови сили. Този голям успех донесе на Джеймс Чадуик Нобеловата награда по физика за 1935 г.

Веднага след откриването на неутрона възникна въпросът, как се задържа тази частица в ядрото. Бяха създадени схеми на взаимодействие, които предполагаха преход на неутроните в протони и обратно с изпускане на позитрони, електрони и неутрино. Оказа се обаче, че тази схема, която отново искаше да обясни всичко с електромагнитното взаимодействие, не съответствува на истината. Отговорът бе даден от друго място.

Японският физик Хидеки Юкава бе сред първите учени, които осъзнаха, че са се сблъскали с нов тип взаимодействие. В 1935 г. той излезе със своя теория, която обясняваше как се свързват помежду си протоните и неутроните и защо ядрото не се разкъсва поради отблъскването на множеството положително заредени протони. Очевидно бе, че новото взаимодействие е много по-силно от електромагнитното. Това всъщност определи и неговото название.

За разлика от гравитационното и електромагнитното взаимодействие, известни преди това, силното взаимодействие според теорията трябваше да се проявява само на много малки разстояния — от порядъка на атомното ядро. Прилагайки квантовите идеи, Юкава изчисли, че квантът на силното взаимодействие трябва да бъде частица с маса 200–300 пъти по-голяма от масата на електрона. По времето, когато той излезе със своята теория, такава частица не беше известна и неговите идеи останаха до известна степен в сянка. През 1937 г. обаче Андерсън и Недермайер от Калифорнийския технологически институт и Стрийт и Стивънсън от Харвард откриха неизвестна частица, около 200 пъти по-тежка от електрона. Нейните характеристики доста наподобяваха свойствата на „юконите“, както наричаха тогава хипотетичните кванти на силното взаимодействие. Тъй като новата частица по всичко приличаше на електрона, освен по масата, Андерсън я наричаше просто тежък електрон. Поради междинното положение, което заемаше между електрона и протона, частицата бе наречена впоследствие мезотрон и накрая мезон.

Въпреки това откритие липсваха окончателни доказателства, че е намерена частицата на Юкава. Войната попречи на тези изследвания и въпросът бе решен едва през 1947 г., когато Сесил Франк Пауел със своята група показа, че мезоните са няколко вида и един от тях наистина е юконът — квант на силното взаимодействие. Така теорията на Юкава за съществуването на нова сила, която обединява тежките частици в ядра, се потвърди и в 1949 г. той стана Нобелов лауреат по физика.