Избранные научные труды. Том 2

Конгресс 1933 г., специально посвящённый структуре и свойствам атомного ядра, был созван в то время, когда эта проблема находилась в стадии наиболее быстрого и богатого событиями развития. Конгресс был открыт докладом Кокрофта, в котором после краткого описания обширных наблюдений ядерных распадов при бомбардировке α-частицами (эти частицы исследовались в предыдущие года Резерфордом и его сотрудниками) он подробно рассказал о новых важных результатах, достигнутых бомбардировкой ядер протонами, ускоренными высоковольтными установками до огромных скоростей.

Как хорошо известно, первые эксперименты Кокрофта и Уолтона по получению быстрых α-частиц бомбардировкой ядер лития протонами впервые дали прямое подтверждение эйнштейновской формулы для общего соотношения между энергией и массой, которое в последующие годы служило неизменным руководством в ядерных исследованиях. Более того, Кокрофт указал, насколько точно измерения зависимости сечений от скоростей протонов подтверждали предсказания волновой механики, к которым пришёл Гамов в связи с теорией спонтанного α-распада, развитой им и другими. В докладе, включающем в себя все известные в то время данные, касающиеся так называемого искусственного расщепления ядра, Кокрофт сравнивал также результаты экспериментов в Кембридже по протонной бомбардировке с результатами произведённых в Беркли экспериментов с дейтронами, ускоренными в циклотроне, только что сконструированном Лоуренсом.

Обсуждение следующей темы было начато Резерфордом. Выразив чувство большого удовлетворения, которое принесло ему новейшее развитие того, что он называл современной алхимией, Резерфорд сообщил о наиболее интересных результатах, которые он вместе с Олифантом только что получил путём бомбардировки лития протонами и дейтронами. Эти эксперименты принесли доказательство существования неизвестных до того времени изотопов водорода и гелия с атомными массами 3, свойства которых в наши годы привлекли столь большое внимание. Лоуренс, весьма детально описавший конструкцию своего циклотрона, подробно доложил о самых последних исследованиях группы в Беркли.

Огромное значение имел другой результат — открытие Чэдвиком нейтрона. Это открытие самым драматическим образом подтвердило предвидение Резерфорда о тяжёлых нейтральных составляющих атомного ядра. Чэдвик начал доклад с описания планомерного исследования аномалий в рассеянии альфа-излучения в Кембридже и закончил некоторыми соображениями о роли, которую играет нейтрон в структуре ядра, а также о его важной роли в возбуждении ядерных превращений. Ещё до того как на конгрессе были обсуждены теоретические аспекты, связанные с открытием нейтрона, участникам было сообщено о другом важном успехе, а именно, о так называемой искусственной радиоактивности, которая создаётся контролируемым распадом ядер.

Сообщение об этом открытии, сделанном только за несколько месяцев перед конгрессом, было включено в доклад Фредерика Жолио и Ирен Кюри: этот доклад содержал обзор многих аспектов их плодотворных исследований, в которых были обнаружены процессы β-распада с испусканием как положительных, так и отрицательных электронов. В дискуссии, последовавшей за этим докладом, Блеккет изложил историю открытия позитрона Андерсоном и им самим при исследовании космических лучей и интерпретацию этого открытия в рамках релятивистской теории электрона Дирака. Фактически мы оказались перед началом новой стадии развития квантовой физики, имеющей дело с процессами рождения и аннигиляции материальных частиц, аналогичных процессам испускания и поглощения излучения, в которых рождаются и исчезают фотоны.

Как хорошо известно, исходным пунктом Дирака было утверждение, что его релятивистски инвариантная формулировка квантовой механики, применённая к электронам, содержала в себе, кроме вероятностей процессов перехода между обычными физическими состояниями, также и вероятности переходов из таких состояний в состояния с отрицательной энергией. Чтобы избежать такие нежелательные следствия, он выдвинул остроумную идею о так называемом дираковском фоне (море), в котором все состояния с отрицательной энергией заполнены в полном соответствии с принципом исключения эквивалентных стационарных состояний. В этой картине электроны рождаются парами; в каждой паре один электрон с обычным зарядом появляется из фона, в то время как другой с противоположным зарядом изображается «дыркой» в фоне. Как хорошо известно, эта концепция подвела нас к представлению об античастицах (т. е. о частицах с противоположным зарядом и с магнитным моментом, направленным обратно по отношению к направлению спина); наличие античастиц оказалось фундаментальным свойством вещества.