НЕЙТРОН. В 1930 г. немецкие ученые В. Боте и Г. Беккер были поставлены в тупик таким явлением. Бомбардируя пластинку из металлического берил­лия альфа-частицами, они обнаружили исходящее из мишени очень слабое, но удивительно проникаю­щее излучение, которое не могли сколько-нибудь заметно ослабить даже свинцовые экраны толщиной в десятки сантиметров, задерживающие самое мощ­ное гамма-излучение.
Талантливые французские физики Фредерик Жо-лио и Ирен Кюри подметили еще более любопытный факт. Если на пути этого странного излучения ставили пластину парафина — вещества, богатого водородом, — то из парафина начинали вылетать с огромной скоростью, а следовательно, и с большой энергией, протоны — ядра атомов водорода.
Альфа-частицы целиком застревали еще в берил-лиевой пластинке и попадать в парафин никак не могли. Выбивать же из парафина протоны с энер­гией, равной примерно 50 Мэв, было бы не под силу и гамма-квантам. В таком случае, что за сверх­мощная «артиллерия» вдруг объявилась в бериллии и какими «снарядами» она вела огонь по парафину?
Ученик Резерфорда, английский физик Дж. Чед-вик, долго занимавшийся таинственным излучением, в конце концов пришел к единственно возможному и правильному выводу: «Никакие это не лучи, а просто вылетающие из парафина протоны приводят­ся в движение частицами, равными по массе прото­ну, но не имеюшими никакого электрического заря­да — ни положительного, ни отрицательного». Эти частицы позднее получили название нейтроны.
Благодаря отсутствию электрического заряда лю­бое вещество становится для нейтрона как бы «про­зрачным». Он спокойно преодолевает все защитные линии атома: и внешнюю электронную оболочку, с большой силой отталкивающую любую отрица­тельно заряженную частицу, и суммарный положи­тельный заряд ядра атома, отбрасывающий в стороны даже движущуюся с огромной скоростью тяжелую альфа-частицу.
Открытие нейтрона решило загадку непонятного и «нелогичного» утяжеления массы ядер атомов при увеличении их положительного заряда только на единицу и позволило советскому ученому Д. Д. Ива­ненко и немецкому ученому В. Гейзенбергу предло­жить в 1932 г. новую модель строения ядра атома, в которой все оказалось «простым и ясным».
По этой модели ядра всех атомов состоят из про­тонов и нейтронов. Число протонов равно атомному номеру элемента в периодической системе Д. И. Мен­делеева, а массы сложенных вместе протонов и нейт­ронов — его атомной массе, или массовому числу (см. Нуклон). Например, ядро атома гелия, известное как альфа-частица, состоит из двух протонов, при­дающих ей два положительных электрических за­ряда, и двух нейтронов. Общее число протонов и нейтронов равно четырем, что в точности равняется его атомному весу, долгое время вызывавшему не­доумение ученых. Аналогично ядро атома лития содержит три протона (атомный номер 3) и три нейт­рона, что в сумме дает атомный вес элемента, равный шести.
Открытие нейтрона довольно просто объясняет и другую загадку — существование изотопов. В ка­честве примера можно взять наипростейший химиче­ский элемент в природе — водород, ядро которого состоит из одиночного протона. Его иногда называ­ют протием. Затем следует тяжелый изотоп водоро да, имеющий в ядре один протон и один нейтрон, с атомной массой, равной двум. Этот изотоп водорода получил название дейтерий. Наконец, существует очень редкий, почти не встречающийся в природе, сверхтяжелый и уже радиоактивный изотоп водоро­да, в ядре которого на один протон приходится два нейтрона. Его назвали тритием.
Новая модель строения ядра атома, в нашем опи­сании, пожалуй, даже слишком упрощенная, почти полностью объясняла многочисленные факты, накоп­ленные физикой, а главное, открывала новые пути для вторжения в святая святых атома — его ядро и, как это повелось в науке, коварно подвела к новым, еще более глубоким тайнам, противоречиям и на­стоящим чудесам! Перечислить эти особенности и чудеса означало бы просто от начала до конца из­ложить всю современную ядерную физику. Поэтому здесь мы ограничимся лишь рассказом о том, что более или менее прямо и непосредственно связано с нейтроном.
Например, почему ядро атома, в которое наряду с нейтронами входят и положительно заряженные протоны, не разваливается иод действием поистине титанических сил отталкивания одноименных заря­дов протонов (учитывая малость расстояний между ними)? Лишь значительно позже было установлено, что в пределах ядра действуют особые, ни на что иное не похожие, так называемые внутриядерные силы, притягивающие эти частицы друг к другу незави симо от того, заряжены они или нейтральны, и что эти силы, действуя на чрезвычайно малых расстоя ниях, значительно превосходят силы отталкива­ния всех взятых вместе протонов. Не будь этих сил, ядерные частицы давно бы разлетелись в стороны, а скорее, никогда бы не собирались вместе (см. Ядерные   силы).
Но в природе нет и не может существовать ника­ких тел, даже размера ядерных частиц, которые не находились бы в непрерывном движении, зависящем от температуры, т е. энергии частиц вещества, сло­женного из этих частиц. Если откуда-то извне в эту систему частиц поступает дополнительное коли­чество энергии, то частицы начинают двигаться зна­чительно быстрее. И, естественно, может наступить момент, когда это движение станет столь бурным, что какая-то одна, а то и несколько частиц получат возможность, преодолев внутриядерные силы, вы­скочить за пределы сферы их действия. И тогда уже под действием сил отталкивания одноименных заря­дов эта частица или несколько частиц вылетают из ядра атома.
Если же избыточной энергии поступит значитель­но больше, все частицы ядра атома, растолкавшись еще энергичнее, окажутся в состоянии преодолеть таинственный рубеж действия внутриядерных сил. Тогда ядро разделится само по себе. Сколько в та­ком случае нужно этой избыточной энергии, или энергии возбуждения, как ее называют физики? Тем меньше, чем тяжелее ядро атома. Но зато чем тяжелее ядро атома, тем больше энергии выделяется при его «развале»:

	Массовое число ядра атома	140	200	235
,	Энергия требуемая для его возбуждения, Мэв	62	40
	Энергия выделяющаяся при делении, Мэв	48	135	200

Самые тяжелые ядра оказываются и самыми неустойчивыми. И стоит чуть-чуть «подтолкнуть» их, т. е. сообщить им небольшое количество избы­точной энергии (в нашем примере 5 Мэв), как на­сыщенное, словно губка, своей собственной энер­гией ядро дальше уже разделится само!
Сделать это можно двумя путями. Самый труд­ный — это попытаться силой «загнать» в ядро какую-либо тяжелую заряженную частицу, способ­ную преодолеть отчаянное сопротивление суммарно­го положительного электрического заряда ядра ато­ма. Но для этого исходной энергии 5 Мэв протону или альфа-частице заведомо мало. Большую часть ее частицы растратят на преодоление «броневой за­щиты» — положительного заряда ядра атома, на­пример урана-235, и, обессиленные, даже не смо­гут к нему прикоснуться, не то чтобы его разде­лить.
Кроме того, тяжелых частиц даже с такой энер­гией естественные радиоактивные вещества не ис­пускают. Следовательно, разгонять их до значи­тельно более высоких энергий и скоростей нужно искусственным путем на специальных установках — ускорителях    частиц.
Совсем другими, поистине удивительными воз­можностями обладает нейтрон. Так как электриче­ского заряда нейтрон не несет, то никакой энергии на преодоление суммарного отталкивающего дейст­вия положительного заряда ядра атома ему не нуж­но. Пользуясь своей нейтральностью, он свободно проникает к ядру атома, доходит до зоны притяже­ния внутриядерных сил и втягивается в ядро. Втя­нув нейтрон, ядро начинает внутреннюю перестрой­ку. При этом оно оказывается обладателем излиш­ка энергии, равного не 5, а 7 Мэв, от которого оно, естественно, придя в возбужденное состояние, тут же должно избавиться. Следовательно, одно лишь прос­тое присоединение нейтрона к ядру тяжелого атома урана-235 вносит в него дополнительную энергию, равную 7 Мэв.
Откуда берется все-таки этот излишек энергии? Естественно, никаких чудес здесь не происходит. В процессе внутренней перестройки старого ядра атома в новое сумма масс всех его нуклонов оказы­вается несколько меньше суммы масс нуклонов, взятых в отдельности. За счет этой разницы в мас­сах и появляется эквивалентное ей количество энер­гии (см. Дефект массы), сперва возбуждающее ядро, а затем и приводящее его к делению. Получается, что для этого нейтрон вообще не должен обладать никакой начальной энергией. Надо лишь помочь ему попасть в ядро нужного атома, а уж там он, мобилизовав скрытые резервы энергии ядра, смо­жет высвободить (правда, потеряв чуть-чуть в массе) энергию, способную взорвать ядро.
Но нейтроны, не обладающие сколько-нибудь су­щественной начальной энергией, могут делить ядра не всех элементов, а только тех, у которых энергия возбуждения, необходимая для их деления, меньше 7 Мэв, т. е. именно та, которая выделяется при пере­стройке ядра, вызванной добавлением к нему лиш­него нейтрона. Таких атомов немного: это уран-233, уран-235, плутоний-239.
Здесь позволительно спросить: откуда у нейтро­на столь необычные, резко отличные от других ядерных частиц свойства и способности, хотя и те обладают своими, достаточно удивительными свой­ствами?
Истоки всего необычного кроются в двойствен­ности — дуализме свойств света, ведущего себя и как частицы и как электромагнитные волны. Еще больше взволновало ученых последующее открытие таких же свойств и у электрона Эти открытия пре­красно объяснялись теорией, выдвинутой в 1900 г немецким физиком Максом Планком, согласно кото­рой излучение телом тепла или света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными, строго определенными порциями — квантами, а световая волна, обладая вполне конкретной протяженностью, в некоторых случаях проявляет свойства, характер­ные для частиц. В 1923 г. французский физик Луи де Бройль установил, что специфические волновые свойства присущи любой движущейся частице. Согласно разработанной им теории, длина волны любой частицы прямо пропорциональна некоторой очень малой величине, называемой постоянной План­ка, и обратно пропорциональна произведению массы частицы на ее скорость.
Это соотношение выглядит довольно просто: X = himv. Из этого соотношения следует, что чем больше масса или скорость частицы или одновремен­но и то и другое, тем короче длина присущей ей вол­ны, и наоборот.
Законы физики не терпят исключений. И объект макромира, например снаряд или земной шар, на­ряду со свойствами «частиц» должен обладать также и волновыми свойствами. Но благодаря их большой массе соответствующая им длина волны настолько мала, что этими волновыми свойствами можно со­вершенно пренебречь. Нейтронам с высокой ско­ростью соответствует настолько малая длина волны, что они ведут себя фактически как частицы. Неко­торые особенности их «странного» поведения можно объяснить только явно волновыми свойствами. Но так как масса нейтрона все же ничтожно мала по сравнению с любым, даже микроскопически малым телом, длина ^го волны становится вполне ощути­мой величиной в микромире.
Чтобы в поведении нейтрона проявились в доста­точной степени волновые свойства, его скорость должна быть как можно меньше. Ее можно настоль­ко замедлить, что нейтрон полностью потеряет свой­ства частицы и будет вести себя как настоящая вол­на.
Из-за этих особенностей возникают явные ослож­нения в установлении истинных размеров нейтро­на, ибо они, как это ни покажется странным, зави­сят от скорости движения этой частицы. Напри­мер, диаметр обычного атома равен примерно (2—4) • 10~8 см. Диаметр ядра еще меньше — около 2«Ю-13 см. Для того чтобы длина волны нейтрона приблизительно соответствовала диаметру атома, т. е. 10"8 см, его энергия (т. е. скорость движения) должна составлять всего лишь около 0,1 эв. Нейтрон с такой малой энергией более правильно представ­лять как волну длиной 10"8 см, а не как частицу таких же размеров.
Но дальше начинаются уже парадоксы. Нейт­рон с длиной волны 10"8 см оказывается в десятки тысяч раз больше ядра, которое в свою очередь содержит в себе нейтроны, и не один, а порою мно­го!
Находиться внутри ядра нейтрон может только о том случае, если он движется с большой скоростью J», следовательно, имеет малую длину волны. А боль­шая скорость, как мы знаем, означает большую энергию. Входящие в состав ядра нейтроны поэтому имеют энергию около 50 Мэв, которой соответствует очень малая длина волны — порядка 10"13 см. Это обстоятельство позволило объяснить тайну бета-рас­пада радиоактивных веществ, долго мучившую уче­ных и путавшую все их карты.
Влетев в чужое ему ядро атома и создав там несу­светный переполох, нейтрон не выдерживает воз­никших сложнейших взаимодействий, эквивалент­ных чудовищно высоким температурам, и распада ется на протон и электрон.
Это открытие и позволило ученым считать протон и нейтрон одной ядерной частицей. Отсюда и их название — нуклоны. Существовать же они мо­гут только в каком-либо одном состоянии: протон­ном или нейтронном.
При бета-распаде один из нейтронов переходит в протон. Вот тогда-то и появляется электрон. Его заряд должен компенсировать положительный за­ряд вновь народившегося протона. Однако в силу законов, управляющих радиоактивным распадом не­устойчивых ядер, у электрона не находится своего места на орбите, и он вынужден покинуть ядро. Это и будет бета-частица. Общий положительный за­ряд остающегося по-прежнему неустойчивым ядра становится на единицу больше.
В свою очередь при некоторых условиях протон может превращаться в нейтрон. Но тогда куда-то должен исчезнуть его положительный заряд. Этот заряд уносится частицей, являющейся точной ко­пией электрона, но имеющей противоположный, по­ложительный, заряд. Такая частица была открыта в 1932 г. американским физиком К. Андерсоном и на­звана позитроном. Оба эти превращения сопровож­даются испусканием еще одной, нейтральной час­тицы — нейтрино.
Испускаемые бериллиевым источником нейтроны летят с огромной скоростью. Следовательно, их эф­фективный размер или, как говорят, сечение очень мало.
Сталкиваясь с встречающимися на пути ядра­ми атомов легких элементов, нейтроны отскакивают от них и меняют направление полета примерно так же, как отскакивают друг от друга бильярдные ша­ры. Каждое такое столкновение стоит нейтрону потери части энергии, поэтому скорость его движе­ния замедляется, а размер, или сечение, увеличи­вается.
Этим и воспользовались ученые, чтобы путем мно­гократных столкновений нейтрона с веществами, содержащими атомы, близкие по массе к нейтрону (водород, гелий, углерод), замедлить его движение. Не имея возможности непосредственно наблюдать сам нейтрон, легко можно обнаружить и измерить скорость и энергию всех «задетых» и отскакивающих от него атомов, а тем самым скорость и энергию са­мого нейтрона.
Нейтрон как частица оказался чуть-чуть тяжелее протона. Вне ядра атома он радиоактивен и, про­быв на свободе около 11,7 мин, начинает распадать­ся: превращаясь в протон, испускает электрон и нейтрино. Величина энергии, выделяющейся при распаде нейтрона, равна примерно 1 Мэв. Этим и объясняется, почему нейтрон чуть-чуть тяжелее протона.
Наблюдая за поведением нейтронов, ученые вско­ре обнаружили еще одну их удивительную особен­ность: легко проникая сквозь толстую стальную броню, они не в состоянии преодолеть даже тонень­кой пластинки кадмия, которую легко пронизывало не только гамма-излучение, но даже поток бета-частиц (электронов).
Вскоре была разгадана и эта «странность».
Ядра атомов некоторых элементов (кадмий, бор, графит и пр.) вместо того, чтобы отталкивать нейт­рон, «захватывают», втягивают его в себя. Чем мед­леннее движется нейтрон, тем успешнее осуществля­ется такой захват.