Чтение онлайн

Для нашей цели достаточно коротко напомнить, что квантовая механика не только дала возможность довести описание свойств отдельных атомов до некоторого завершения, но и дала совершенно новую, плодотворную точку зрения для понимания различных химических связей в молекулах, а также объяснение других типичных свойств твердых тел, в особенности металлов, перед которыми до тех пор исследователи были беспомощны. Речь же, вообще говоря, идёт не только о совершенствовании теоретических методов атомной физики, но о столь глубоком преобразовании наших основных понятий для описания природы, что потребовался даже решительный пересмотр самого понятия наблюдения. Прежде всего обусловленное квантом действия неизбежное взаимодействие между данными атомными объектами и измерительными приборами, необходимыми для определения явления, означает, что результаты, полученные в разных условиях опыта, несовместимы при обычном способе описания, покоящемся на представлении о самостоятельном поведении объектов, и находятся в новом, дополнительном отношении друг к другу. Принципиально статистический характер квантовой механики, выражающийся в соотношениях неопределённости Гейзенберга, на самом деле не является временным ограничением анализа атомных явлений, но разумным образом соответствует точке зрения дополнительности, более широкой, чем идея причинности, и необходимой для учёта всего множества опытов, обусловленного существованием кванта действия.

Если мы после этих вводных замечаний обратимся к теме данной статьи, к вопросу о значении кванта действия для проблем строения и стабильности атомных ядер, то вначале покажется странным, что постановка вопроса в существенных пунктах в точности противоположна той, с которой мы встретились при рассмотрении атомных проблем, обсуждавшихся выше 1. В то время как там мы могли исходить из довольно обширного знания составных частей атома и сил, действующих между ними, совершенно ясно, что большая плотность и весьма сильная связь в ядрах требуют таких сил между частицами ядра, которые действуют только на расстояниях порядка ядерных размеров и точная количественная теория которых с самого начала была совершенно неизвестна. Кроме того, вскоре выяснилось, что вследствие существования кванта действия невозможно даже рассматривать все материальные частицы, которые испускаются в естественных или искусственных процессах распада ядра как его самостоятельные составные части.

1 Подробное описание истории развития теории строения атома, где указывается и на подчёркнутое здесь различие атомных и ядерных проблем, имеется в Фарадеевской лекции автора (Jorn. Chem. Soc., 1932, 134, 381). Изложенная ниже точка зрения на объяснение типичных черт ядерных реакций разработана впервые в статье, опубликованной вначале в «Nature» (1936, 137, 344) и в «Naturwissenschaften» (1936, 24, 241). Дальнейшее развитие этих концепций дано в статье Н. Бора и Ф. Калькара (Kgl. Danske Videnskabernes Selskab., 1937, 14, № 10), где можно найти и подробную библиографию. Упомянутые в конце данной статьи ядерные фотоэффекты обсуждались недавно в кратком сообщении в «Nature» (1938, 141, 326). (Статьи 37, 45, 48, 55. — Ред.)

Уже первые попытки, вызванные фундаментальным открытием Астона — что не только электрические заряды ядер кратны элементарному заряду, но и масса каждого ядра в хорошем приближении является целой кратной массы легчайшего ядра, протона, — рассматривать ядра как системы протонов и электронов натолкнулись на принципиальные противоречия. Помимо трудностей в объяснении на основе этой концепции прочности связи ядер обнаружились противоречия между свойствами симметрии и спиновыми свойствами такой системы и спектроскопически наблюдаемыми свойствами ядер и их зависимости от атомного номера и массового числа. Более точное исследование выявило также, что в рамках квантовой механики совершенно независимо от любого предположения о силах, действующих в ядрах, невозможно приписать таким лёгким частицам, как электроны, независимое существование в пределах ядра. Поэтому испускание положительных или отрицательных электронов в радиоактивных превращениях ядер должно сравниваться с рождением этих частиц как механических единиц подобно излучению светового кванта атомом. Чтобы обеспечить сохранение энергии и импульса в -радиоактивных процессах, как известно, необходимо предположить, что в таких процессах кроме электрона рождается ещё и лёгкая, до сих пор не наблюдавшаяся нейтральная частица. Хотя развитие этой концепции, в частности Паули, Ферми и Гейзенбергом, ещё не получило удовлетворительного завершения, оно тем не менее открыло новые перспективные способы подхода к основным проблемам атомной теории и приводит к признанию необходимости считать атомные ядра механическими системами, состоящими только из тяжёлых частиц.

Как известно, открытие нейтрона Чэдвиком создало основу для выполнения этой программы. В самом деле, модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов, не только даёт непосредственное объяснение значений заряда и массы ядра, но и ни в коем случае не противоречит наблюдаемым общим свойствам симметрии при условии, что нейтрон имеет тот же спин, что и протон, и также подчиняется принципу исключения. Кроме того, подобная модель указывает на простое объяснение своеобразной, давно подчёркнутой Харкинсом зависимости стабильности ядер от чётности и нечётности значений атомного номера и массового числа. Интересно вспомнить, что в этой связи предположение о тяжёлой нейтральной частице как составной части ядра обсуждалось за несколько лет до открытия нейтрона, причём ещё до того, как на основе квантовой теории были раскрыты противоречия между свойствами реальных ядер и свойствами любых ядерных моделей, содержащих электроны.

Решающий успех в разработке протон-нейтронной модели ядра был достигнут Гейзенбергом, показавшим, как квантовомеханический формализм путём простого обобщения позволяет ввести новые силы между протоном и нейтроном, которые обладают свойствами насыщения подобно химическим силам и существование которых кажется необходимым для объяснения характерного изменения дефекта масс ядер с массовым числом. В последующие годы неоднократно пытались проверить следствия подобных предположений о ядерных силах, но за исключением богатых перспектив рассмотрения легчайших ядер этот путь очень труден уже потому, что сильная связанность движений отдельной частицы ядра исключает применение всех тех приближённых методов, которые так облегчили исследование связей электронов в атоме. Даже полностью отвлекаясь от вопроса о законе ядерных сил, нельзя также забывать следующего. То обстоятельство, что ядра могут быть разложены адиабатически на нейтроны и протоны, не даёт уверенности, что более точное описание их свойств — подобно описанию обычных атомных систем — может быть проведено с помощью только таких представлений, которые использовались до сих пор для характеристики изолированных частиц.

Противоположность в постановке проблемы при исследовании строения атома и строения ядра в отношении исходных пунктов и использованных приемов проявилась особенно ярко в том, как постепенно было достигнуто понимание быстро накопившегося экспериментального материала о ядерных реакциях. Началом этого направления было основанное на квантовой механике объяснение закона радиоактивного распада, который с момента его установления Резерфордом и Содди был непогрешимым руководством при исследовании большой области радиоактивных явлений. Хотя уже Эйнштейн в своем знаменитом простом выводе закона Планка теплового излучения, полученном на основе квантовых постулатов, подчеркнул аналогию между радиоактивным распадом и атомными процессами излучения, закон распада оставался долгое время загадочным, особенно после того, как Резерфорд обратил внимание на то, что энергия отталкивания между атомным ядром и испущенной -частицей в общем существенно больше, чем кинетическая энергия этой частицы. Вскоре после выяснения принципов квантовой механики, как известно, Гэрни и Кондоном и независимо от них Гамовым было показано, что здесь мы как раз имеем дело с особенно поучительным примером непригодности обычных механических представлений.

Действительно, согласно квантовой механике пространственно ограниченное силовое поле не представляет абсолютного препятствия даже для частиц, кинетическая энергия которых меньше максимума потенциала; и уже простого сравнения закона сил, действующих между -частицами и ядром со сферически симметричным потенциальным барьером, достаточно, чтобы дать непосредственное объяснение известного соотношения Гейгера — Нэттола для среднего времени жизни радиоактивного элемента и кинетической энергии испускаемой частицы.

Этот большой успех был началом весьма плодотворного направления, которое привело к широкому обзору процессов естественных и искусственных превращений ядра и сопутствующих электромагнитных излучений. Здесь прежде всего следует упомянуть объяснение Гамовым более тонкой структуры спектров -излучения, которое подобно объяснению оптических спектров явилось основой более точного изучения дискретных квантовых состояний ядер. Вначале ведь речь шла — в отличие от анализа атомных спектров на базе принципа соответствия, — собственно, только о разумном применении классических законов сохранения и квантовых постулатов. В частности, постепенно выяснилось, что схематичное представление о поле ядра как о потенциальной яме, в которой частицы движутся приблизительно независимо друг от друга, недостаточно, чтобы объяснить детали ядерных реакций и в особенности часто с этим связанные характерные резонансные явления. В действительности выяснилось, как мы увидим, что эта типичная черта ядерных реакций в отличие от атомных реакций состоит как раз в чрезвычайно сильной связи движений частиц в ядре, по сравнению со связью движений электронов во внешней области атома, и в обусловленном этим чрезвычайно лёгком обмене энергией между отдельными ядерными частицами.

Это положение вещей выяснилось прежде всего при более глубоком изучении ядерных превращений, вызванных нейтронной бомбардировкой, которое последовало за открытием искусственной радиоактивности Ф. и И. Жолио. Вследствие отсутствия отталкивания вне области, занятой собственно ядром, последние явления намного легче обозревать, чем столкновения между ядрами и положительно заряженными частицами, такими, как протоны и -частицы, для которых наличие потенциального барьера часто оказывает решающее влияние. Из того обстоятельства, что эффективные сечения неупругого рассеяния быстрых нейтронов на тяжёлых ядрах по порядку величины совпадают с ядерными размерами, можно действительно немедленно заключить, что связь между проникающим нейтроном и частицами ядра должна быть очень сильной. Ещё более далеко идущие выводы можно сделать из факта, впервые доказанного Ферми, что такие соударения могут даже с заметной вероятностью привести к захвату нейтрона с образованием нового стабильного ядра, которое, правда, часто оказывается -радиоактивным, причём время жизни последнего всегда совсем другого порядка величины, чем времена, встречающиеся в процессах соударения. Но подобный захват нейтрона неизбежно связан с излучением избыточной энергии, и из наблюдаемой вероятности такого хода соударения можно поэтому заключить, что время соударения чрезвычайно велико по сравнению с интервалами времени, необходимыми для простого прохождения нейтрона через область ядра. Уже определяемая зарядом и размерами ядер верхняя граница вероятности -излучения означает в действительности, что отношение между временем соударения и последними интервалами времени порядка миллиона.

Обычный способ описания атомных процессов рассеяния, приспособленный к соударениям между быстрыми электронами и атомами, при котором движение в фиксированном силовом поле учитывается в первом приближении, поэтому полностью непригоден при описании соударении между нейтроном и ядром. Скорее следует представить себе, что проникновение нейтрона в область ядра немедленно вызывает обмен энергией с частицами ядра, вследствие чего энергия очень быстро распределяется между всеми частицами созданной нейтроном и первичным ядром общей системы, причём так равномерно, что ни одна частица не обладает в ближайший момент достаточной энергией, чтобы покинуть ядро вследствие притяжения соседних частиц. Характер этого промежуточного состояния приводит также к тому, что окончательный результат столкновения определяется, так сказать, свободной конкуренцией между всеми возможными процессами распада и излучения составной системы; этим и объясняется непосредственно удивительное обилие превращений ядра, в которых проявляются почти все виды процессов, совместимых с сохранением энергии. Как раз в этой связи уже вскоре после первых попыток Резерфорда расщепить ядро -лучами всесторонне обсуждалось предложение о промежуточном состоянии при превращениях ядра; однако до опытов с нейтронами не только трудно было усмотреть влияние барьерных: эффектов, но и отсутствовала всякая основа для оценки времени жизни промежуточного состояния и для детальной характеристики его свойств.