Развитие экспериментальной техники привело к открытиям, коренным образом изменившим ряд представлений, господствовавших в классической физике. Благодаря замечательным опытам американского физика Комптона стало ясно, что свет, который мы привыкли считать волновым явлением, в действительности состоит из отдельных частиц— фотонов. Сравнительно скоро выяснилось, что и мельчайшие частицы вещества, например электроны, обладают чертами, которые раньше приписывались только волнам.

Эти открытия привели к возникновению новой физической теории вещества — волновой механики, сумевшей объяснить почти все свойства электронной оболочки атома. Приложение волновой механики к самым разнообразным областям физики оказалось чрезвычайно плодотворным.

Советские ученые акад. Мандельштам и проф. Леонтович впервые указали на возможность понять явления радиоактивности на основе общих принципов волновой механики. Развитие этих представлений дало чрезвычайно существенные результаты, значительно продвинувшие нас к разгадке вопроса о структуре атомного ядра.

Нейтроны и позитроны

Физика атомного ядра возникла в результате открытия явлений радиоактивного распада. Исследование этих явлений, а также знаменитые опыты Резерфорда, впервые осуществившего искусственное преобразование элементов, показало, что ядро атома является сложной системой.

Результатом этих исследований явился отказ от первоначальных представлений о неразрушимости химических элементов. Измерение масс атомных ядер показало, что большинство элементов, встречающихся в природе, состоит из смеси нескольких изотопов, т. е. таких сортов атомов, ядра которых имеют одинаковый заряд, но разную массу.

В 1932 г. французские физики Жолио,и И. Кюри установили, что при бомбардировке бериллия альфачастицами этот элемент испускает какое-то излучение. Сначала казалось, что излучение бериллия состоит из фотонов большой энергии. Однако очень скоро обнаружилось, что этим фотонам пришлось бы приписывать совершенно необыкновенные свойства. Загадка была разрешена ЧадЕиком, доказавшим, что в действительности излучение бериллия состоит из частиц, не имеющих электрического заряда. Масса этих частиц, названных нейтронами, оказалась, практически равной массе протона—ядра атома водорода.

Открытие нейтрона, и особенно использование его для искусственного преобразования элементов, привело к коренному изменению наших представлений о свойствах и структуре атомных ядер.

Дело в том, что нейтроны не обладают электрическим зарядом и поэтому в противоположность например, протонам или альфа-частицам, имеющим положительный заряд, не отталкиваются положительно заряженными ядрами. Поэтому в качестве снарядов для «обстрела» ядер нейтроны оказались чрезвычайно выгодным оружием. Благодаря нейтронам оказалось возможным не только вызывать превращения почти всех существующих элементов, но и создавать искусственно радиоактивные элементы. Таким путем удалось создать около двухсот новых элементов, представляющих собой радиоактивные изотопы уже известных атомов.

Вплоть до 1932 г. все исследования по искусственному преобразованию элементов осуществлялись путем использования частиц, выбрасываемых из ядер радиоактивных элементов. Эти частицы использовались как снаряды, ими обстреливались ядра изучаемых атомов.

В 1932 г. английские физики Кокрофт и Уолтон впервые разрушили ядро атома лития, воспользовавшись протонами, разогнанными в электрическом поле; до больших скоростей. Очень скоро после этого был разработан ряд разнообразных способов получения мощных пучков частиц большой скорости. Для того чтобы оценить преимущества этих способов воздействия на ядро, достаточно указать, например, что по своему действию циклотрон (так называется один из наиболее остроумных и технически совершенных аппаратов для получения мощных пучков быстрых частиц) эквивалентен многим десяткам килограммов радия. С помощью циклотронов можно получить частицы с энергиями порядка 10 млн. электрон-вольт. Для сравнения укажем, что энергия электронов, используемых в радиотехнике, не превышает обычно 2000—3000 электрон-вольт, а обычно, еще в десять раз меньше. Энергия электронов, применяемых для получения рентгеновских лучей, достигает только 100—200000 электрон-вольт.

Высоковольтная установка Вант-Граафа

Таким образом, энергии тех частиц, которые получаются с помощью циклотрона, равны или даже несколько больше энергии альфа - и бета-частиц, испускаемых при радио - активном распаде. Однако оказывается, что в природе существуют такие процессы, при которых возникают частицы, имеющие совершенно фантастические энергии порядка 1012 электрон-вольт. С такими именно энергиями мы сталкиваемся в области космического излучения. Изучение состава и свойств космической радиации, существование которой было установлено в 1910 г., уже привело к ряду замечательных открытий.

Так в 1932 г. американский физик Андерсен, исследовавший космические лучи с помощью камеры Вильсона, вдруг обнаружил на полученных им фотографиях “несколько следов, которые могли быть приписаны только частицам с очень малой массой и положительным зарядом. Эти частицы были названы позитронами. Оказалось, что они имеют положительный заряд равный заряду электрона, и такую же массу. Очень скоро обнаружилось, что позитроны присутствуют не только в космических лучах, но испускаются при радиоактивном распаде и поглощении жестких гамма-лучей.

Ливни. Барптроны

Дальнейшее изучение космических лучей привело к новым замечательным открытиям. Благодаря чрезвычайно остроумной комбинации счетчиков Гейгера с камерой Вильсона, английскому, физику Блеккету удалось наблюдать своеобразное явление, получившее название «ливней». В настоящее время известно, что по крайней мере некоторая часть ливней возникает в результате многократно повторенного процесса превращения фотонов в позитрон и электрон и обратно. Явления ливней теснейшим образом связаны со свойствами быстрых частиц — электронов, позитронов и фотонов.

Изучение свойств космической радиации позволило установить, что она состоит из двух различных по свойствам частей (или, как их называют, компонентов): мягкой и проникающей. Частицы, входящие в состав мягкой части, обладают энергиями порядка сотен миллионов вольт и представляют потоки быстрых электронов, позитронов и фотонов. Проникающий компонент получил свое наименование из-за того, что частицы, входящие в его состав, легко пронизывают громадные толщи вещества. Известно, что жесткий компонент ослабляется только наполовину толщей в 1 м свинца; существуют же частицы, которые могут, повидимому, пройти и десятки метров свинца. Несмотря на очень скудный экспериментальный материал, в настоящее время существование таких частиц может уже считаться доказанным. Эти частицы, получившие название «баритронов», имеют массу, близкую к ста электронным массам, и такой же (по величине) заряд. Обнаружены и положительные и отрицательные баритроны.

В общем развитии учения об атомном ядре и космических лучах советские ученые имеют немалые заслуги.

Наибольшее внимание по первой теме было уделено вопросу о потерях энергии быстрыми электронами. Проходя через слой какого-либо вещества, быстрый электрон теряет свою энергию, ионизируя атомы этого вещества, т. е. вырывая из них электроны. Кроме того, электрон теряет энергию на так называемое «тормозное» излучение. Тормозным оно называется потому, что обусловлено изменением скорости электрона. Таким тормозным излучением является, в частности, и обычный сплошной спектр, получаемый в рентгеновской трубке. Существующая теория дает возможность подсчитать, какая доля энергии электрона тратится на ионизацию и тормозное излучение. Однако, несмотря на большую важность этого вопроса, до сих пор не было произведено достаточно надежной проверки правильности теории.

В последнее время этот вопрос стал особенно актуален в связи с открытием проф. Скобельцына. Исследуя рассеяние быстрых электронов с помощью камеры Вильсона, проф. Скобельцын обнаружил существование аномальных потерь энергии. Оказалось, что имеются такие процессы, при которых быстрый электрон, двигаясь в веществе, на-пример в газе камеры, внезапно теряет большую часть своей энергии. Иногда, как видно па фотографиях, при этом появляется еще одна частица. По видимому это явление обусловлено каким-то взаимодействием быстрого электрона с ядром атома.