Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

Роберт Ендрюз Міллікен експериментально доведе, що всі електрони мають однаковий заряд — 1,6 10-19 Кулона. Це — елементарний заряд, найменша вільно існуюча кількість електрики. Для відповідності давнішому протиставленню позитивного й негативного зарядів, прийнятих в електростатиці, йому приписують негативне значення. 1923 р. Міллікен також отримає Нобелівську премію — за «роботу над елементарними електричними зарядами та фотоелектричним ефектом».

Електрон — найменша частинка електрики, себто найменша кількість матерії, яка несе електричний заряд. Порівняно з масою найлегшого з атомів — водню — його маса дуже низька. Його легко виокремити. Щоби вирвати електрон з його атомної орбіти, достатньо електричної напруги. Саме так створювали катодні промені, саме так працюють рурки у кінескопах — їх використовували до появи пласких екранів.

Одразу виникає запитання: якщо матерія здатна випромінювати електрони, заряджені умовно негативно і якщо загалом матерія нейтральна, то, певно, треба подумати і про протилежний заряд — позитивний, який також мусить міститись у матерії. Як вони розподіляються? Можливі два варіанти. Або ж матерія подібна до нуги, де позитивні заряди заповнюють весь об’єм, а електрони стирчать подекуди, мов родзинки. Або ж позитивні заряди скупчуються у певних точках. Доведення правильності другої гіпотези стало внеском лорда Ернеста Резерфорда та його учнів Ганса Ґайґера й Ернеста Марсдена: позитивний заряд несуть частинки, названі «протонами», які збираються в малесенькому ядрі в осередді атома.

Цим відкриттям ми зобов’язані неодноразово застосованому методові: коли, використовуючи частинку-мішень, ми досліджуємо рух пробної частинки. У випадку команди Резерфорда було використано найенергетичніші на той момент частинки — α-частинки природної радіоактивності. Мішенню була тонка золота пластина — адже золото можна розкочувати у надтонкі пластини з мінімальною кількістю атомних шарів. Було відомо, що α-частинки заряджені позитивно, як і гіпотетичні розшукувані ядра. Дослід полягав у відстеженні напрямку виходу α-частинок після того, як вони перетнуть золоту пластинку.

Якби йшлося про «матерію-нугу», то вона навряд сприяла би розсіюванню α-частинок — навпаки, вони пройшли би більш або менш прямою лінією аж до центральної плями на контрольних екранах. А ядро, в якому зібрано всі позитивні заряди, повинно відштовхувати α-частинки з то більшою силою, що вони ближче. Результат підтвердив останнє припущення: α-частинки, які проходили далеко від ядра, не відхилялися, інші ж сильно відхилялися, а деякі навіть відскакували. Пояснення з’явилося миттєво: їхня траєкторія збігалася з розташуванням ядра. Цей дослід дозволив уперше визначити приблизні розміри ядра: кілька 10-15м.

Резерфорд 1908 р. одержав Нобелівську премію — ще до свого фундаментального досліду в 1911 р. Отримав він премію не з фізики, а з хімії — за «дослідження дезінтеграції елементів та хімії радіоактивних речовин».

Відтоді почали говорити про «планетарну модель атома», що складається з ядра з усіма позитивними зарядами та хмари протилежно заряджених електронів довкола.

У період 1920—1930-х років учені зосередилися на дуже точному вимірюванні різноманітних щойно відкритих форм радіоактивності. Радіоактивність — це вияв ядерних явищ, вона народжується на рівні атомних ядер. А саме існування ядра ставило складну проблему. Електростатична стабільність ядра вже не була очевидною, адже позитивно заряджені протони всередині нього мали би шалено відштовхуватися одне від одного під дією електричної сили. Аби зрозуміти стабільність цілого, треба було ввести в гру нову взаємодію — «сильну» або «ядерну». Ця сила притягання здатна компенсувати відштовхування зарядів. Так передвістили новий тип частинок — нейтрони; вони нічим не відрізняються від протонів, але мають нульовий заряд. Замість того, щоби відштовхуватися, нейтрон притягується і сприяє стабільності ядра.

Нейтрон відкрив 1932 р. Джеймс Чедвік. Він вивчив розсіяння різних продуктів нейтрального випромінювання берилової пластини, обстріляної α-променями. На той час це випромінювання було енергетично найпотужнішим. Результат трактувався як розповсюдження нейтральних частинок, масою близьких до протона — їх назвали «нейтронами». У 1935 р. Чедвік одержав Нобелівську премію за «відкриття нейтрона».

Продовження цих досліджень принесло Нобелівську премію 1938 р. Енріко Фермі за «доказ існування нових радіоактивних елементів, утворених шляхом випромінювання нейтронів, і відкриття ядерних реакцій, спричинених повільними нейтронами». Ім’я Фермі не раз спливає у тріумфальному поступі фізики частинок. Згідно зі свідченнями, це — останній фізик, який так вплинув і на теорію, і на експеримент. Після нього теоретики та експериментатори переділилися на два цілком окремі клани.

Отже, тоді будова матерії здавалася досить простою: з одного боку, ядро з нуклонів — таку загальну назву дали протонам і нейтронам — розміром приблизно в кілька 10-15м, зліплених докупи завдяки ядерній силі; з іншого — електрони, що обертаються навколо ядра завдяки електромагнітному притягненню.

Три частинки та дві сили (на рівні частинок дія гравітації заслабка) для відтворення всіє матерії — як земної, так і небесної: фізики запропонували найстисліший із можливих рецептів. Утім невдовзі все мало значно ускладнитись.

Промені з далеких світів

Відкриття, що про них ішлося досі, робились у лабораторіях завдяки винахідливості кількох особистостей, яких у ті часи називали «вченими». Вони обмежувалися вимірюванням ядерних явищ, користуючись випромінюванням природних джерел — почергово то електронів, то α-частинок, то нейтронів.

Проте фізики швидко збагнули, що в діло можна пустити й інше випромінювання — космічне. Порівняно з радіоактивним це випромінювання мало одну чималу перевагу — адже давало енергії значно більше і забезпечувало набагато ефективніше бомбардування матерії. Космічні промені відкрили новий розділ у дослідництві.

Спершу 1912 р. їх виявив Віктор Гесс: він сміливо заліз до повітряної кулі, аби довести, що просто з неба на нас падають нові промені. Гесс помітив: навіть якщо електроскоп перебував під скляним ковпаком, з плином часу він усе одно розряджався. Це пояснювали наявністю у просторі заряджених частинок, які нібито перетинають усе навкруги. Проте було й інше пояснення. Випромінювання могло походити з глобальної радіоактивності Землі — або з космосу. Пролити світло на проблему мав дослід.

Гесс підняв кулю на висоту 5 тис. м. Він спостерігав, як поступово розряджається електроскоп. Що вище — то швидше. Це доводило, що потік частинок тут жвавіший, ніж на поверхні Землі. З неба лилися промені. Це відкрило перед дослідниками частинок Усесвіт.

Нині відомо, що космічні промені над атмосферою складаються переважно з протонів — частинок, що їх можна знайти всередині атомів. Не дивно, адже вся звична для нас матерія пояснюється набором тих самих елементарних складників.

Одначе протони, що їх називають також «первісними космічними променями», не можуть дійти неушкодженими до земної поверхні. Вони дуже швидко взаємодіють, щойно потрапляючи до зовнішніх шарів атмосфери, і утворюють пасма вторинних частинок — тих, що їх пізніше вивчатимуть у прискорювачах. Цих нових частинок було значно більше, ніж три складники, з яких буцімто складалася матерія.

Аби дослідити інтенсивність випромінювання на різних висотах, фізики перетнули світ. Вони дряпалися на гори, запускали кулі, щоби «промацати»