1932 г. Т.

УСПЕХИ ФИЗЕЧЕСЕИХ^ЕАУК

ДИСКУССИЯ о СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА *(Дискуссия состоялась 28 апреля 1932 г. в Лондонском королевском

обществе)

Лорд Резерфорд. В моей речи сегодня я дам краткийобзор некоторых главных линий, в направлении которыхшли успехи нашего знания атомного ядра, с тех пор как яимел честь открыть прошлую дискуссию **. В промежуткемежду этими дискуссиями имело место значительное дви-жение вперед во многих направлениях и были найдены но-вые и обещающие методы атаки этой трудной проблемы·Я могу только сослаться на ценные данные, полученныеАстоном и другими в отношении изотопного состава эле-ментов и относительной изобильности изотопов многих изэлементов. Это сделало возможным определение со значи-тельной точностью химических атомных весов посредствоммасс-спектрографа. Были сделаны новые опыты по точномуопределению относительных количеств изотопов свинца ив частности свинца, добытого из чистых урановых и то-риевых минералов большого геологического возраста. Дан-ные этого рода крайне важны и интересны не только сточки зрения радиоактивности, но также и в отношениификсирования точной шкалы времени в геологии. Пови-димому, достоверно, что конечный продукт актиниевогоряда — актиниевый свинец — имеет атомную массу 207 ичто актиний происходит в результате превращения изотопаурана. Из относительной изобильности актиниевого и то-риевого свинца, происходящих из старых радиоактивныхминералов, можно вывести среднюю продолжительность

* Отчет опубликован в Ргос. Roy. Soc, перев. Д. Блохинцева.** См. „Успехи физич. наук", X, 1, стр. 149, 1930.

Успехи физических наук, т. XII, вып. 6—6. 1

526 ЛОРД РЕЗЕРФОРД

жизни этого уранового изотопа. Некоторое время томуназад я отметил в „Nature4·, что из соображений о сред-ней жизни двух урановых изотопов могут быть выве-дены важные заключения об образовании элементов насолнце.

О п т и ч е с к и е методы. Одним из наиболее интерес-ных успехов последних лет является приложение оптиче-ских методов к определению наличия изотопов и к изу-чению движения ядер. Исследование полосатых спектровмолекул легких элементов обнаружило наличие изотопов,существующих в малых количествах по сравнению с глав-ным изотопом. Было показано, что кислород состоит изтрех изотопов с массами 16, 17, 18, углерод—12, 13, берил-лий— 8, 9, бор —11, 10 и недавние наблюдения Юрея,Брикведде и Мерфи, — можно верить, — указывают на при-сутствие небольших количеств в водороде нового изотопас массой 2. В настоящее время делаются попытки концен-трирования нового изотопа фракционированной перегонкойжидкого водорода.

Наряду с отождествлением линий, принадлежащих но-вым изотопам, значительное внимание было уделено отно-сительной интенсивности линий в полосатых спектрах.Такое изучение дает не только сведения о спине ядра, нои также подготовляет метод для овладения одним из наи-более важных пунктов ядерной физики, — а именно вопросамоб одинаковости членов данной изотопной системы.

В продолжение последних немногих лет было выполненомного исследований по определению сверхтонкой структурыв оптических спектрах. Это открывает другую линию дляатаки трудной проблемы спина ядра. Я предоставлю проф.Р. X. Фаулеру обсуждение полученных данных и выводов,которые могут быть сделаны из них.

П р и л о ж е н и е в о л н о в о й м е х а н и к и . На прошлойдискуссии обсуждалось применение Гамовым, а также Гер-неем и Кондоном, тогда еще новых идей волновой механики кнекоторым проблемам атомного ядра — и в частности к объ-яснению хорошо известного правила Гейгера-Неттола, связы-вающего скорость α-частицы, вылетающей из радйЪактив-

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 527

ного вещества с его константой распада. В этой теориипредполагается, что ядро окружено высоким положительнымпотенциальным барьером и что α-частицы или другие ком-поненты ядра удерживаются в состоянии равновесия вну-три этого барьера значительными притягательными силаминеизвестного типа. По такой модели существует конечнаявероятность, что α-частица в ядре сможет пройти черезбарьер без потери энергии, — вероятность, быстро увеличи-вающаяся с увеличением энергии я-частицы. Эта общаяконцепция ядра оказалась очень ценной в ряде направленийи стала очень полезной рабочей гипотезой для эксперимен-таторов. К несчастью, до сих пор не было найдено возмож-ности дать детальную теоретическую картину структурыядра. Вообще предполагается, что ядро тяжелого элементасостоит, главным образом, из α-частиц с примесью немногихсвободных электронов и протонов, но неизвестно точноеподразделение между этими составными частями. Длятеории существует большая трудность во включении вну-три маленького ядра частиц столь различных масс, какα-частицы и электроны. В добавление к этому, ядроявляется столь концентрированной структурой и соста-вляющие его частицы так близки друг к другу, что теориядействия одной частицы на другую, приложимая при обыч-ных условиях, не может быть приложена для столь малень-ких расстояний.

Дело представляется так, как если бы электрон внутриядра вел себя совсем отлично от электрона на периферииатома. Эта трудность может быть создала нами самими,так как мне кажется более вероятным, что электрон не мо-жет существовать в свободном состоянии в устойчивом ядре,но должен быть всегда соединенным с протоном или другойвозможной массивной единицей. В этой связи замечательныуказания на существование нейтронов в некоторых ядрах.Наблюдение Бека, что в построении тяжелых элементов излегких электроны прибавляются парами, представляет боль-шой интерес и подсказывает, что для образования устой-чивого ядра существенно нейтрализовать большой магнит-ный момент электрона прибавлением другого электрона.

528 ЛОРД РЕЗЕРФОРД

Возможно также, что незаряженные единицы массы 2 и ней-троны массы 1 являются вторичными единицами в стру-ктуре ядра.

Хотя в настоящее время ни одна теория ядра не можетсчитаться законченной, все же можно пойти далеко посред-ством аналогий, основанных на очерченной ранее общеймодели ядра. Например, Гамов вывел важные заключе-ния о дефекте массы легких атомов, образованных из α-ча-стиц, т. е. из элементов типа in, исходя из аналогии,что силы внутри ядра похожи в общих чертах на силы,действующие в маленькой капле воды. В дополнение онразобрал с большою ясностью условия, которые должныбыть выполнены для образования устойчивого ядра высо-кого атомного номера. К несчастью, для того чтобы про-двинуться дальше в этом направлении, .требуется знаниемасс изотопов многих элементов с гораздо большей точ-ностью, нежели они известны сейчас.

В другом направлении также оказалось плодотворнымприложение к ядру многих из общих идей об уровняхэнергии, которые принесли столь большую пользу при об-суждении электронной структуры периферии атома. Давнопредполагалось, что квантовые законы сохраняют свое зна-чение π внутри ядра, и правильность этого допущенияв недавние годы достаточно проверена. Представление обуровнях энергии и возбуждении ядра оказалось крайнеполезным в весьма недавней работе над трудной проблемойо происхождении γ-лучей и в понимании результатов на-блюдений над искусственным расщеплением элементов.

П р о и с х о ж д е н и е ? - л у ч е й . Давно было установлено,что γ-лучи возникают в ядре и представляют в некоторомсмысле характеристические собственные колебания ядернойструктуры. Интерпретация сложных спектров γ-лучей,приЕ1адлежащих радиоактивным элементам, была, однако,затруднена нашим незнанием происхождения этой ра-диации— возникает ли она от составных частей ядра элек-трона, протона или α-частицы, или от ядра, действующегокак единое целое. В течение немногих последних лет этапроблема подверглась энергичной атаке и теперь кажется

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 529

ясным, что ядерные -|-лУчи являются результатом переходая-частицы между уровнями энергии в возбужденном ядре.Были разработаны две различных линии нападения, опираю-щиеся на: ·

1. Изученпе длинно-пробежных α-частиц радия С и то-рия С.

2. Тонкую структур в эмиссии α-частиц из некоторыхрадиоактивных веществ.

Можно предположить, что испускание β-частицы в про-цессе превращения вызывает сильное возмущение в остаю-щемся ядре, так что некоторые из составляющих ядроα-частиц поднимаются на более высокий уровень энергии(

чем нормальный. Эти α-частицы неустойчивы и после оченькороткого интервала времени падают назад на нормальныйуровень, излучая излишек своей энергии в форме -j-лучейизвестной частоты, определяемой квантовыми условиями.В этот короткий интервал времени имеется небольшой шанс,что α-частицы в высоких уровнях могут протечь сквозьпотенциальный барьер ядра. С этой точки зрения убегаю-щие с различных уровней α-частицы и представляют наблю-даем е группы α-частиц с большим пробегом. Энергияубегающих α-частиц дает значение уровня энергии, зани-маемого α-частицей в возбуждаемом ядре перед ее освобо-ждением.

Для того чтобы проверить эту гипотезу, длиннопробеж-ные α-частицы радия С были тщательно анализированы припомощи новых методов счета группой работников: ВинВильямсом (Wynn Williams), Уордом (Ward), Льюисом (Lewis)и автором, при этом было найдено, что они состоят из, покрайней мере, десяти различных групп.

Было найдено, что разница энергий между различнымигруппами тесно связана с энергиями некоторых из наиболеезаметных γ-лучей и в общем опыты дают сильное доказа-тельство того, что γ-лучи обязаны своим происхождениемпереходам в возбужденных ядрах одной или более α-ча-стиц. В то же самое время эксперименты дают прямые све-дения о величине некоторого числа возможных уровнейэнергии в этом ядре.

530 ЛОРД РЕЗЕРФОРД

В преобладающем большинстве случаев α-частицы испу-скаются в радиоактивном превращении с одинаковой ско-ростью. Розенблюм (Rosenblum), однако, показал, чтоэлемент торий С испускает не одну, а пять различныхгрупп α-частиц и с тех пор были получены доказательстватонкой структуры α-лучей также и для других радио-активных элементов. Гамов отметил, что γ-лучи должны бывозникать во всех случаях, где налицо имеется такая тонкаяструктура α-лучей. Вследствие некоторых техническихтрудностей в случае тория С было трудно дать ясное дока-зательство правильности этой точки зрения. Эллис, а такжеРозенблюм, пришли к заключению, что взгляд Гамова пра-вилен, но Мейтнер пришла к противоположному выводу.

Я могу только упомянуть вскользь некоторые экспери-менты Мр. Воудена и мои для доказательства испусканияγ-лучей актиниевой эманацией, относительно которой Льюиси Вин-Вильямс нашли, что она излучает две различныхгруппы α-лучей. Результаты, как мне кажется, подкре-пляют общую правильность теории, согласно которой тонкаяструктура в эмиссии α-лучей всегда сопровождается по-явлением γ-лучей. Я предоставлю одному из следующих ора-торов, др!. Эллису, — возможность изложения более адэк-ватного настоящему положению этой важной проблемы.

Раз происхождение лучей определенно установлено,имеется разумная перспектива успешной атаки проблемыинтерпретации спектра γ-лучей, — проблемы, разрешениекоторой только начато. Очевидно, можно ожидать, что раз-решение этой проблемы бросит много света на детальнуюструктуру ядра. Для этой цели весьма важно исследоватьспектр γ-лучей с наибольшей возможной точностью, а этотребует многих лет работы.

Прежде чем оставить эту часть предмета, мне хотелось быподчеркнуть замечательное различие в возмущении ядрапри эмиссии α-частицы и β-частицы. Странно сказать, осво-бождение α-частицы либо не возбуждает ядра вовсе, или под-нимает одну или более составляющих α-частиц на сравни-тельно низкий уровень энергии выше нормального. Однако,во многих случаях освобождение β-частицы создает сильное

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 5 3 1

возбуждение остаточного ядра, в результате которого неко-торые α-частицы поднимаются на очень высокий уровеньэнергии и вызываются γ-лучей большой энергии. Это раз-личие между действиями двух типов частиц очень порази-тельно и может быть интимно связано с процессами, кото-рые вызывают эмиссия β-частицы из радиоактивности эле-мента.

Всякий раз, когда мы имеем дело с поведением элек-трона в ядре, мы встречаем большие трудности в прило-жении наших теоретических идей. Наиболее поразительныйпример может быть тот, что радиоактивные ядра типа β-лучейизлучают элеюроны со сплошным спектром энерхии, и что,кажется, здесь нет компенсирующих процессов, которые быпозволили установить определенный баланс энергии, ожи-даемый по квантовой динамике. Без сомнения, это однаиз наиболее фундаментальных проблем сегодняшнего дня,но, вероятно, мы не будем иметь достаточно времени, чтобыдискутировать ее во всей ее теоретической сложности.

В о з б у ж д е н и е я д р а γ - л у ч а м и. До недавнего вре-мени вообще предполагалось, что абсорбция рентгеновыхлучей и γ-лучей является следствием взаимодействия ра-диации только с внеядерн ми электронами и что самое ядроне участвует в этом процессе. Теперь ясно, что если кван-товая энергия γ-лучей превосходит 2 млн. вольт, появляетсядополнительный тип абсорбции обычным ядром, сопрово-ждаемый эмиссией характеристической радиации с часто-тами, отличными от первичной. Этот эффект абсорбцииядра был выявлен работой Чао, Мейтнер и Гупфильда, Тар-ранта и других, применявших проникающую γ-радиациютория С с энергией около 2,65 -106 вольт-электронов.

В статье, находящейся сейчас в стадии публикации,Грэй и Таррант * дают результаты детального изученияядерного возбуждения различных элементов. Применялисьне только γ-лучи тория С, но также и высокочастотныекомпоненты радиации радия С. Грэй и Таррант пришлик заключению, что "это ядерное возбуждение есть общее

* Ргос. Roy. Soc, A. 186, 662 (см. статью Μ. Кронштейна в настоя-щем выпуске „Успехов", стр. G49). Ред.

532 ЛОРД РЕЗЕРФОРД

свойство элементов, во всяком случае между кислородоми свинцом. Характеристическая радиация сходного типа,кажется, излучается всеми элементами, причем интенсив-ность излучения от различных элементов варьирует при-близительно как квадрат атомного номера. Эта характери-стическая радиация ядра, которая испускается равномернопо всем направлениям, может быть разложена в две компо-ненты с квантовыми энергиями около 500 000 и 1000 000вольт-электронов. В объяснении Грэй и Таррант указы-вают, что γ-радиация не возбуждает ядра как целого, нотолько некоторые составные части, подобные α частицам,которые общи всем элементам. Может быть, наблюдаемыехарактеристические радиации представляют некоторые спо-собы вибраций самой структуры α-частицы. Представляетбольшой интерес провести эти важные исследования дальше,но успеху препятствует трудность получения интенсивныхисточников радиации высокой частоты с широким спектромквантовых энергий. Возбуждение ядра посредством радиа-ции высокой частоты без сомнения тесно связано с процес-сом, который освобождает γ-лучи из радиоактивных ядер,и может помочь пролить дальнейший свет на эту проблему,

И с к у с с т в е н н о е п р е о б р а з о в а н и е . В самые по-следние годы увеличились наши знания об искусственномпреобразовании легких элементов посредством бомбарди-ровки α-частицами. Это увеличение явилось следствиемразвития новых электрических методов счета α-частиц ипротонов, сменивших затруднительный метод сцинцилляций.Позе первый указал, что некоторые из протонов, выбрасы-ваемые из алюминия, появляются в группах определенныхскоростей. Наше знание было расширено работами ПозеМейтнер, Боте, де-Бройля и Ринге и Чадвика и Констэбля.Например, Чадвик и Констэбль разложили протоны, освобо-ждаемые из алюминия α-частицами полония на восемь раз-личных групп, соединенных в gapu. В объяснение онипредположили, что протоны или α-частицы в бомбардируе-мом ядре занимают определенные уровни энергии. Пред-полагается, следуя Гернею, что благодаря резонансуимеется гораздо больше шансов прохождения сквозь по-

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 5 3 3

тенциальный барьер ядра, если бомбардирующие α-частицыимеют почти ту же энергию, как протон или α-частицав уровне ядра. Для данной энергии а-частиц испускаютсядве группы протонов, соответствующие, как полагают, двумразличным процессам захватывания α-частицы ядром. Сход-ные результаты наблюдались во фторе и других легкихэлементах.

Было найдено, что эти резонансные уровни для избран-ного захватывания α-частицы довольно широки, соответствуяприблизительно 5% уровня энергии. Результаты в преде-лах того, что сделано, дают важные сведения о значенияхуровней энергии легких ядер и, путем, применения ещеболее быстрых частиц, чем полониевые, мы сможем ожидатьеще дальнейшего расширения наших знаний об этихуровнях.

В интерпретации этих экспериментов неявно принима-лась приложимость закона сохранения энергии и количе-ства движения. Таким путем можно было вычислить созначительной точностью атомную массу, получающуюся врезультате захвата α-частицы ядром и испускания протона.В тех случаях, когда с одним резонансным уровнем свя-заны две группы протонов различных скоростей, было най-дено появление γ-лучей, квантовая энергия которых при-близительно соответствует разности энергии протонов вдвух группах. Изучение γ-радиации, испускаемой в про-цессе искусственного превращения, привело в последниемесяцы к новым и интересным результатам. Боте и Беккерв 1930 г. нашли, что бериллий, бомбардируемый α-части-цами, не испускает протонов, но дает нлчто такое, что ка-жется γ-радиацией большей проницающей силы, нежелиγ-лучи радия С.

Поглощение этой радиации материей изучалось И. Кю-ри-Жолио и М. Жолио, а также Вебстером. В текущем годуИ. Кюри-Жолио и М. Жолио наблюдали ионизационным ме-тодом, что эта радиация вырывает протоны большой ско-рости из водородсодержащих веществ. Сперва предполага-лось, что эти быстрые протоны могут быть результатомвзаимодействия между квантом γ-лучей и протоном, но

534 ЛОРД РЕЭБРФОРД

оказалось, что это требует очень высокой квантовой энергииизлучения порядка 50 млн. вольт. Как результат дальней-ших опытов электрическим методом, Чадвик нашел, чтоаналогичный эффект отдачи наблюдается для всех легкихатомов и пришел к заключению, что эффект может бытьобъяснен при допущении, что из ядра бериллия освобо-ждается поток быстрых нейтронов. Нелегко сделать выбормежду этими двумя предположениями, но накопилось до-статочно доказательств, что этот новый тип радиации обла-дает удивительными свойствами и способен производитьразложение азота, вероятно, каким-то новым путем.

Я предоставлю д-ру Чадвику дать вам более полный от-чет о работе по искусственному превращению и о свой-ствах этого нового типа радиации. Идея о возможности су-ществования „нейтронов", т. е. тесной комбинации протонаи электрона с массой около 1 и с нулевым зарядом не нова.В бэккеровской лекции перед этим Обществом в 1920 г. ядискутировал вероятные свойства нейтрона, в то времякак д-р Глассон и И. Роберте делали опыты в Кэвендшиев-ской лаборатории с целью обнаружить образование нейтро-нов в сильном электрическом разряде через водород, но безуспеха. Вели гипотеза о нейтронах будет подтвержденаопытом, она будет, очевидно, иметь большое влияние нанаше понимание образования ядра и его состава. Много леттому назад в лекции перед Королевским институтом я обсу-ждал возможность образования тяжелых ядер из водородачерез посредничество нейтрона. Не кажется невероятным,что нейтроны благодаря их взаимодействиям могут со-бираться в массивные агрегаты, которые с течением вре-мени в процессах разложения и соединения перестраи-ваются в ядра устойчивых элементов. Я просто напомнилэту старую идею, как, может быть, достойную дальнейшихразмышлений в свете новых знаний.

Р а с с е я н и е α-частиц. В предыдущих дискуссияхвнимание было направлено на аномальное рассеяние α-частицлегкими элементами и на трудности интерпретации полу-ченных результатов. Многие из этих трудностей были устра-нены применением идей волновой механики к этой про-

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 5 3 5

блеме. Например, X. М. Тэйлор мог объяснить со значи-тельными деталями аномальное рассеяние α-частиц, наблю-даемое в водороде и гелии, простыми соображениями, осно-ванными на волновой механике. Мотт направил вниманиена ожидаемые аномалии в рассеянии α-частиц малой ско-рости атомами гелия, и его заключения были подтвержденыработой Чадвика и Блэкетта и Чампиона. По теории Моттасходные аномалии должны ожидаться при столкновениимежду двумя одинаковыми ядрами любого сорта.

З а к л ю ч е н и е . Я старался в этом обзоре привлечьваше внимание к тем линиям экспериментальной атаки про-блемы структуры атомного ядра, которые мне кажутся наи-более важными. Я не входил в спекулятивные вопросы, по-добные вопросу о возможности аннигиляции материи и еепревращения в излуч-ние, не касался и догадок о числен-ном соотношении между единицей заряда и постояннойПланка h или соотношения между массой протона и элек-трона; я не входил в трудные вопросы образования ипревращений ядра под влиянием условий, существующихв горячих звездах,—вопросы, о которых много писалось.

Делая это обозрение, я был поражен сравнительнобыстрым прогрессом, который произошел со времени нашейпоследней дискуссии в овладении этой центральной про-блемой физики. Прогресс был бы много ускорен, если бымы могли получить в лаборатории мощные, но контроли-руемые источники быстрых атомов и радиации высокойчастоты для бомбардировки материи. В экспериментахТюва, Хофстеда и Дэля в Отделении земного магнетизмав Вашингтоне и Кокрофта и Уолтона в Кэвендишевскойлаборатории было найдено возможным посредством высо-ких потенциалов создать искусственный поток протоновс индивидуальной энергией около 1 млн. вольт-элек-тронов и изучить их свойства. Некоторые другие методыполучения быстрых атомов испытываются другими иссле-дователями, я мог бы особенно сослаться на исключи-тельно остроумный метод, развитый Лауренсом и Ливингс-тоном в Калифорнском университете, где посредствоммногократных ускорений были получены протоны с энер-

536 ЛОРД РЕЗЙРФОРД

гией, отвечающей примерно 1 млн. вольт. В недавно опубли-кованной статье они приходят к заключению, что этим ме-тодом возможно получить поток быстрых атомов еще боль-шей энергии. Таким образом здесь открывается полная на-дежд перспектива на то, что в близком будущем мы смо-жем получить источники быстрых атомов и высокочастот-ной радиации и вместе с тем расширить наши знания оструктуре ядра.

Д О Б А В Л Е Н И Е

Пока этот доклад обсуждался среди членов Общества,Кокрофтом и Уолтоном в Кэвендишевской лабораториибыли сделаны новые опыты. Была собрана установка, даю-щая постоянное напряжение в 600—800 тысяч вольт. По-средством вспомогательной разрядной трубки создавалисьпротоны и затем ускорялись в вакууме высоким потенциа-лом. Этим путем можно было получить постоянный потокбыстрых протонов с энергией до 600 тысяч вольт и приме-нить их для бомбардировки некоторых элементов. Материал,подлежащий бомбардировке этими быстрыми ионами, поме-щался внутри трубки под 45° к направлению луча. Настенке трубки было закреплено тонкое слюдяное окошкотак, что существование быстрых частиц можно было иссле-довать методом сцинцилляций вне трубки.

Первый элемент, подвергнутый изучению, был литий,причем при ускоряющем потенциале около 125 тысяч вольтнаблюдалось немного ярких сцинцилляций. Их число быстроувеличивалось с увеличением напряжения до 400 тысячвольт, когда уже наблюдалось много сотен сцинцилляцийв минуту при токе протонов в немного микроампер. Этичастицы имели максимальный пробег в воздухе около 8 см.Яркость частиц указывает, что они, вероятно, являютсяα-частицами, и это было подтверждено наблюдениями сле-дов, производимых этими частицами в камере Вильсона.Кажется ясным, что некоторые из ядер лития разлагаются.Простейшее допущение заключается в том, что ядро литиямассы захватывает протон и затем результирующая масса8 ломается на две α-частицы, По этому взгляду излучаемая

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 537

энергия отвечает 16 млн. вольт-электронов, значение, нахо-дящееся в хорошем согласии с сохранением энергии, еслипринять во внимание разницу между начальной и конеч-ной массой ядра. Если этот взгляд правилен, то разложе-ние ядра лития должно бы создавать две α-частицы, выбро-шенные в противоположных направлениях, и это можноиспытать на опыте. Можно оценить, что при 200 тысячахвольт число разложений есть 1 на 10° протонов.

Опыты были сделаны и с другими элементами. Бор,фтор и алюминий все дают частицы, похожие на α-частицыс характеристичным пробегом для каждого элемента. На-блюдались также сцинцилляции от бериллия и углерода,некоторые яркие, другие — слабые, и есть указания, чтоазот дает немного ярких сцинцилляции. Кислород и медьне дают сцинцилляции для протонов с энергией до 400 ты-сяч вольт.

Очевидно, что изучение этим методом всех элементови определение природы быстрых частиц, которые могутиспускаться, требует большей работы. В некоторых слу-чаях выбрасываемые частицы кажутся α-частицами, но мыдолжны всегда иметь в виду возможность эмиссии частицразличных типов и масс.

Нетрудно сделать предположения о возможных способахразложения некоторых из отмеченных элементов, предполо-жения, согласные с законом сохранения энергии. Например,возможно, что ядро фгора с массой 19 после захватыванияпротона ломается на α-частицу и кислородное ядро. Сход-ным образом алюминий может превращаться в магний. Мыдолжны, однако, ожидать дальнейших доказательств, преждечем какое-нибудь определенное решение может быть при-нято в таких вопросах. Ясно, что успешное приложениеэтих новых методов открывает новое и широкое поле иссле-дования, в котором может изучаться эффект бомбардировкиматерии быстрыми ионами разных сортов. Д-ра Кокрофта иД-ра Уолтона можно поздравить с успехом в этих новыхэкспериментах, которые потребовали нескольких лет упор-ной подготовительной работы.

538 ДЖ.'-ЧАДВИК

Дж. Чадвик. Опыты, в которых элементы бомбардиру-ются α-частицами, оказались плодотворными в отношениисведений о структуре ядра. Успехи со времени последнейдискуссии являются частично следствием усовершенство-вания экспериментальной техники, частично — результатомприложения новой механики к этим проблемам.

Чтобы показать, как было достигнуто это расширениезнаний, я возьму как пример случай ядра алюминия. Когдапучок α-частиц падает на тонкую алюминиевую фольгу, не-которые из частиц рассеиваются при столкновении с ядромалюминия. Если падающие α-частицы медленны, рассеяниевполне описывается резерфордовской теорией рассеяния, и мыможем сделать заключение, что сила между α-частицей иядром подчиняется закону Кулона. По мере увеличенияскорости падающих частиц, рассеяние начинает отклонятьсяот нормального закона, например, величина рассеяния при135° сперва уменьшается ниже нормальной и затем быстровозрастает вместе с дальнейшим увеличением скоростиα-частиц.

Средствами классической механики трудно объяснитьэто аномальное рассеяние, но оно легко доступно истолко-ванию на основе волновой механики.

Предположим, что α-частица испытывает очень тесныйудар с ядром и подходит к точке потенциального барьера,где толщина барьера сравнима с длиной волны α-частицы.Тогда имеется некоторая вероятность, что α-частица про-никнет через барьер. Рассеянная волна, которая пред-ставляет такую частичку, будет иметь некоторое отклонениев фазе и будет нарушать классическое распределение рас-сеянных частиц. Опыты хРицлера показывают, что рассея-ние становится аномальным, когда α-частица подходит нарасстояние б-1О~13 см к ядру алюминия. На основе неко-торых вероятных допущений следует, что радиус, отвечаю-щий вершине потенциального барьера, должен лежатьмежду 3 и 6·10~18 см. Беря средние 4,5·1Ο~13 см, получаемдля высоты барьера А1 (для α-частицы) около 8-10е вольт-электронов.

Я обращаюсь теперь к наблюдениям над искусственным

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 539

разложением алюминия. Когда алюминий бомбардируетсяα-частицами, мы наблюдаем, в добавление к рассеяннымα-частицам, эмиссию протонов высокой энергии, котораяприблизительно одинакова по всем направлениям: α-частица,проникающая в ядро А127, может быть захвачена; испу-скается один протон и образуется ядро Si30. Мы принимаем,что α-частицы и протоны в ядре находятся на определен-ных уровнях энергии. Захваченная α-частица с кинетиче-ской энергией W падает, скажем, на уровень Е„ а протониспускается с уровня Ер (оба ниже основного уровня). Ки-нетическая энергия выброшенного протона, пренебрегаянебольшой энергией остаточного ядра, будет W-\-Ex — Ep.По этому взгляду, однородный пучок α-частиц, падающихна очень тонкую А1-фольгу, будет давать эмиссию протоноводинаковой энергии (в определенном направлении). Наблю-дения, однако, показывают, что в этом случае испускаютсядве группы протонов. Это можно объяснить, предполагая,что в некоторых (большинстве) случаях окончательное ядроSi30 образуется в две стадии; α-частица захватывается (мо-жет быть, в промежуточный уровень), и испускается протонс образованием возбужденного ядра Si30, которое переходитв основное состояние с эмиссией кванта излучения. Этообъяснение подтверждается тем наблюдением, что А1, бом-бардируемый α-частицами, действительно испускает γ-лучинадлежащей энергии.

Наблюдения протонов, испускаемых из толстой фольгиА1, подвергнутой действию α-лучей полония, показывает, чтопротоны состоят из восьми групп, соединенных в пары.Хотя столкновения между ядром А1 и α-частицами имеютместо для всех скоростей от нуля до начальной скоростиα-частиц, все же разложения кажутся результатом действияα-частиц только некоторой определенной скорости. Такаявозможность впервые была отмечена Гернеем, который ука-зал на возможность резонансного эффекта между падаю-щими α-частицами и атомным ядром. Если α-частица имеетэнергию, соответствующую резонансному уровню ядра, то еешансы проникновения сквозь потенциальный барьер будутзначительно больше, чем тогда, когда ее энергия больше

540 ДЖ. ЧАДВИК

или меньше этой. Первое доказательство резонансногоэффекта было найдено Позе при разложении алюминия. Бо-лее поздние, только что отмеченные наблюдения, показы-вают, что имеется четыре резонансных уровня ядра алю-̂миния между 4 и 5,3-Ю8 вольт-электронов. Проникновениея-частицы через каждый уровень и ее захватывание даетэмиссию двух групп протонов.

Существует еще большая область потенциального барьераалюминия, которая пока не исследована этим путем. Можетбыть дальнейшие эксперименты откроют некоторые соотно-шения между уровнями того же самого элемента и соответ-ствие между уровнями одного элемента и уровнями других.

Недавно было обнаружено, что разложение элементовбериллия и бора представляет особый интерес. Боте и Бек-кером было найдено, что эти элементы, бомбардируемыеα-частицами полония, испускают проницающую радиацию,повидимому γ-типа. Несколько месяцев тому назад И. Кюри-Жолио и М. Жолио сделали поразительные наблюдения, по-казывающие, что это излучение имеет свойство выбрасыватьпротоны с большими скоростями из вещества, содержащеговодород. Ими было найдено, что выбрасываемые радиациейбериллия протоны имеют скорости до 3-Ю9 см/сек. Кюрии Жолио предположили, что это выбрасывание протона про-исходит благодаря процессу, аналогичному эффекту Комп-тона, и пришли к заключению, что радиация бериллия имеетквант с энергией около 50 млн. вольт-электронов. Принятиеэтого допущения вызывает две серьезных трудности. Во-первых, известно, что рассеяние кванта электроном хорошоописывается формулой Клейна-Нишина, и нет основанийпредполагать, что сходные отношения не будут правиль-ными для рассеяния протона. Наблюдаемое рассеяние,однако, слишком велико по сравнению с тем, какое даетсяформулой Клейна-Нишины. Во-вторых, трудно понять испу-скание кванта столь высокой энергии при превращении Ве9Ц--f-He4—* С13-|-квант. Поэтому я изучил свойства этой ра-диации, пользуясь особым счетчиком *. Было найдено, что

См. печатаемую ниже статью Чадвнка .Нейтроны'. Ред.

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА ·ε>4ΐ

р а д и а ц и я выбрасывает частицы не только из водорода, ноиз г е л и я , лития, б е р и л л и я и т. п. и предположительно изв с е х элементов. Во всех с л у ч а я х частицы, повидимому,я в л я ю т с я атомами отдачи элемента. Невидимому невозможноп р и п и с ы в а т ь выбрасывание этих ч а с т и ц отдачи столкнове-нию с квантом радиации, если э н е р г и я и и м п у л ь с сохраня-ются п р и ударе.

Удовлетворительное объяснение экспериментальных ре-зультатов может быть получено, если предположить, чтор а д и а ц и я состоит не из квантов, но из ч а с т и ц с массой 1и зарядом 0, — нейтронов. В случае д в у х элементов, во-дорода и азота, пробег атомов отдачи был измерен с боль-ш о й степенью точности, и отсюда были выведены и хмаксимальные скорости. Они оказались соответственно3,3-109 см;сек и 4,7 · 108 ем/сек. Пусть М, V будет масса искорость ч а с т и ц ы , из которых состоит р а д и а ц и я . Тогдам а к с и м а л ь н а я скорость, которая может быть сообщена п р истолкновении я д р у водорода, будет :

а я д р у азота:

Р Ш ν

отсюда:itf-j_14_ UH_ 3,3· ΙΟ9

Ti^fT" " Us ~~ T,7 ·Ϊ08

иM--^ 1,15.

В пределах ошибок опыта М может быть принято за 1-и поэтому:

7=3,3-109 см';сек.

Так как радиация, обладает крайне большой проницаю-щей силой, то частицы должны иметь заряд очень малыйпо сравнению с зарядом электрона. Предполагается, чтоэтот заряд равен О, и мы можем допустить, что нейтронсостоит из протона и электрона в очень тесной комби-нации.

Успехи физических наук, т. ХП, вып. 5 —к. 2

54:2 ч. д. эллис

Имеющиеся факты сильно поддерживают гипотезу о ней-тронах. В случае бериллия, процесс превращения, которыйдает эмиссию нентрон >в, есть Be9-)-Не4—>·С1 2 -f·нейтрон.Можно показать, что наблюдения совместимы с энергетиче-скими соотношениями в этом процессе. В случае бора, про-цесс превращения, вероятно, есть В1 1-[-Не4—>-N1 4-f-n l; B

этом случае массы В1 1, Не4 и N 1 4 известны из измеренийАстона, кинетическая энергия частиц может быть найденаэкспериментально, и поэтому возможно получить болееблизкую оценку массы нейтрона. Выведенная таким образоммасса равна 1,0067. Принимая во внимание ошибку в изме-рении массы, следует думать, что масса нейтрона, вероятно,лежит между 1,005 и 1,008. Эти значения поддерживаюттот взгляд, что нейтрон есть комбинация протона и элек-трона и дает для энергии связи частиц около 1 — 2-Ю6

вольт-электронов.Нейтрон может быть изображен как маленький диполь,

или, может быть лучше, как протон, погруженный в элек-трон. Гак или иначе „радиус" нейтрона будет между 10~13 сми Ю~12 см. Поле нейтрона должно быть очень мало, заисключением очень близких расстояний, и нейтроны припрохождении через вещество не будут подвергаться воз-действию, за исключением тех случаев, когда они прямопопадают в атомное ядро. Измерения, сделанные над про-хождением нейтронов через материю, дают результаты, на-ходящиеся в общ'\ч согласии с этими взглядами Столкно-вение нейтронов с ядрами азота изучалось доктором Фезе-ром, применявшим автоматическую камеру Вильсона. Оннашел, что в добавление к нормальным следам атомовотдачи азота, имеется еще некоторое число разветвляю-щихся путей. Это — следствие разложения ядра азота.В некоторых случаях нейтрон захватывается, испускаетсяα-частица и образуется ядро В11. В других случаях меха-низм еще неизвестен с определенностью.

Ч Д. Эллис. Уже много лет было известно, что γ-лучиобраз\к>т характера тический спектр радиоактивного ядра,но только совсем недавно получены факты, дающие ука-зания на способ их возникновения. Сперва источником

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 543

γ-лучей считали ядерные электроны, но эта точка зре-ния, столь естественная из нашего опыта о внеядернойструктуре, начала подвергаться подозрениям по мере на-копления сведений о том, что поведение ядерных эле-ктронов сильно отличается от поведения электронов внеядра. Быстрый прогресс — как экспериментальный, таки теоретический — в нашем знании «-частиц дал возмож-ность удовлетворительным образом избежать этой труд-ности, и теперь вообще полагают, что γ-лучи связаны спереходами между стационарными состояниями α-частицвнутри ядра. Это заключение имеет важное значение втом отношении, что стимулирует и дает руководящуюточку зрения для дальнейшего исследования γ-лутей иуказывает возможности получения подробных и точныхсведений об α-частицах.

Лорд Рёзерфорд уже отметил, что работа последнего вре-мени выявила сложность в эмиссии α-лучей, сложностьне замеченную в более ранних экспериментах. Во-пер-вых, было обнаружено явление α-частиц с длинным про-бегом, наиболее типичный пример которого дает радий С.При разложении этого тела из миллиона атомов около 99 978испускают α-частицы, энергия которых есть 7,8-Ю6 V, в товремя как остающиеся 22 испускают частицы с большейэнергией, распределенной по крайней мере по девяти груп-пам. Быстрейшая из этих групп имеет излишек 3 000 000 Vпокрывая как раз интервал известных γ-лучей. Болееблизкое изучение показывает, что разница энергии междубыстрыми группами и главной (7,8-Ю6 V) группой согла-суется с Αν для γ-лучей. Далее, в то время как числочастиц этих групп крайне мало, совокупное число кван-тов лучей достигает одного кванта на атом. Как при-близительное согласие частот с энергиями, так и со-гласие относительных интенсивностей α-частиц с боль-шим пробегом и числа квантов, совместимы с тем взгля-дом, что ядро радия С образуется первоначально в воз-бужденном состоянии. Тогда для ядра открыты две воз-можности, которыми оно может освобождать свою энергию.Первая и наименее вероятная есть разложение сразу, в этом

644 4. д. :-»ллис

случае α-частица уносит всю энергию возбуждений; такиеос-частицы образуют одну из групп высокой энергии. Дру-гая возможность заключается в том, что ядро будет сперваиспускать часть своей энергии возбуждения в форме γ-лу-чей, и затем останется с энергией как раз достаточной,чтобы испускать нормальные α-частицы с энергией 7,8-Ю6 V.Это объяснение было рассмотрено детально лордом Рёзер-фордом и автором * и также впоследствии Гамовым и Дель-брюком ** и, хотя имеющиеся данные еще недостаточны,чтобы испытать этот взгляд во всех деталях, можно все же,по крайней мере, сказать, что отношения в энергии и интен-сивностях с ним совместимы.

Торий С также обнаруживает серию групп α-лучей, ко-торые распределены по другой схеме. Они обычно относятсяк тонкой структуре групп α-частиц, главным образом по-тому, что разности энергий в этом случае составляют толь-ко около 300 000 V. Имеется и другое отличие: в этом случаенаименее интенсивные группы являются и группами с наи-меньшей энергией. Сразу ясно, что объяснение для радия Сне может быть здесь приложено, но Гамовым была указанапростая точка зрения, которая, кажется, пригодна в этомслучае. Его взгляд заключается в том, что ядра тория Спервоначально все находятся в одном и том же состоянии.Каждое ядро имеет некоторое, способное освободиться, ко-личество энергии. Ядро может освободить эту энергиюили испуская α-частицу с этой полной энергией или ономожет испустить α-частицу в одной из серии групп болеенизкой энергии, а остальная энергия сохранится в ядрекак энергия возбуждения. Существенное различие этоговзгляда о связи α-частиц и γ-лучей в сравнении с первойсхемой заключается в том, что эмиссия γ-лучей есть про-цесс, следующий за эмиссией α-частицы. Этот отличныйвзгляд недвусмысленно подсказывается в этом случаеотносительными интенсивностями γ-лучей и α-частиц вгруппах. Следует заметить, что принимается, что эмиссия

* R u t h e r f o r d , and E l l i s , Proc. Roy. Soc, A. 132, 667 (1931).** G a m o w und D e 1 b r ii с k, Z. Physik 72 492, 1931.

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 545

γ-лучей происходит после разложения, в то время какс точки зрения энергетических отношений, было бы такжелегко принять что α-частица в нормальном состояниисперва совершает переход в состояние меньшей энергиис испусканием γ-лучей и тогда выбрасывается из ядра сэтого уровня.

Такой взгляд приводил бы, однако, к чрезвычайной труд-ности: в то время как мы имеем убедительное объяснениедля большого промежутка времени, в течение которого мо-жет существовать радиоактивный атом, обладая все жепотенциальной возможностью разложения, все другие до-казательства показывают, что какая-нибудь система, обла-дающая возможностью испускания радиации, не может су-ществовать как таковая более, чем маленькую долю секунды.Период тория С для α-разложения равен приблизительно3 час, и какой-нибудь взгляд, отличный от взгляда Га-мова, должен был бы исходить из возможности излученияс полупериодом в 3 час, что явно невозможно. Я иссле-довал приложимость гамовской теории к случаю тория С.Подробности тонкой структуры α-частиц были найденыРозенблюмом из его опытов с парижским электромагнитом,и первый шаг состоял в том, чтобы показать, что торий Сфактически испускает γ-лучи. Этого никогда не думали дотех пор, пока это не было предсказано Гамовым. Действи-тельно, γ-лучи были исследованы посредством спектраβ-лучбй, и я измерил спектры β-лучей как соединеннойэмиссии тория С-[-С", так и одного тория С". Опыты опи-саны детально в статье, находящейся в печати; результатытаковы, что некоторые группы, найденные в соединенномспектре, определенно не встречаются в спектре одного то-рия С". Следующим пунктом аргументации было бы дока-зательство того, что частоты γ-лучей приблизительно отве-чают разностям энергий α-частиц групп, найденных Розенблю-мом. Это кажется и оправдывается на самом деле в пределах,правда, довольно больших погрешностей данных. И наконец,последним пунктом аргументации является рассмотрениеотносительных интенсивностей с целью показать, что относи-тельное число α-частиц в различных подгруппах отвечает

546 Ч. Д. ЭЛЛ КС

относительному числу квантов, выведенному из спектраγ-лучей. Невозможно дать определенный отЕет на этот во-прос. Все, что можно сказать, сводится к тому, что отно-сительные интенсивности совместимы с этим взглядом.С тех пор как писалась статья, на которую я ссылался, ясделал некоторые дальнейшие опыты. Хотя я и не получилкаких-нибудь сильных доказательств, я все же подтвердилранее сделанные заключения, пользуясь другой аппарату-рой. Этот вопрос заслуживает дальнейших исследований,—в частности, в направлении исследования совпадения /ινдля γ-лучей с разницей энергий различных групп α-частиц,но это требует большей точности в обоих рядах измере-ний. В настоящее время можно, однако, без опасений ска-зать, что имеются сильные доказательства в пользу общейсвязи α-частиц и γ-лучей, и это кажется разумной гипоте-зой, которой нужно следовать.

Уместно рассмотреть точное значение этой гипотезы ипривести ее к простейшей формулировке. В этом смыслеона прежде всего означает приложимость закона сохране-ния энергии к ядру или лучше к той части ядра, котораясвязана с эмиссией α-частиц и γ-лучей. Следует заметить,что в обоих этих случаях была установлена эквивалентностьполного количества энергии, когда эта энергия можетразделяться двумя путями. Или α-частица уносит всю имею-щуюся энергию, или, если она берет только часть, то осталь-ная испускается в форме γ-лучей. Ядро представляетцелую систему и содержит большое число частиц, и по-этому сомнительна правомерность говорить об одной из нихв отдельности. Поэтому еще неизвестно имеет ли смыслутверждать, что γ-лучи испускаются α-частицами. Едвали бы это имело смысл, если бы закон сохранения энергиибыл приложим к ядру в целом, но в действительности, какмы знаем из явления непрерывного спектра β-лучей,это не имеет места. Мы видели, что имеющиеся доказатель-ства показывают, что закон сохранения энергии приложимкак к эмиссии α-частиц, так и к эмиссии γ-лучей, в то времякак он, повидимому, определенно неприложим к эмис-сии β-частиц. В таком случае представляется правомерным

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 547

сделать различие между α-частицами в ядре и электрона-ми и с тою степенью определенности, с какою существуетэто отличие, мы можем сказать, что γ-лучи связаны с до-лей α-частиц ядра. Следует не забывать, что в ядре име-ются другие частицы наравне с α-частицами и электронами.Фаулер указал, что за некоторые особенности спектра, мо-жет быть ответственно присутствие протонов и недавниеработы показывают, что мы, повидимому, должны такжесчитаться с нейтронами одного или многих сортов. Изуче-ние детальной связи γ-лучей с а-частицями и протонами и,возможно, другими телами является задачей будущего, нов настоящее время, как чисто рабочую гипотезу, уд б нопринять тот узкий взгляд, согласно которому γ-лучи такжесвязаны с состояниями α-частиц в ядре, как рентгеновылучи и оптические спектры связаны с электронной струк-турой. Исследование этих состояний α-част. ц рндиоактив-ного ядра требует совместной разработки.—по крайней ме-ре, лвух линий исследования: с одной стороны, прямогоисследонания энергий и интенсивноетей различных группα-частиц, с другой стороны —измерений спектра γ-лучей. Нетнеобходимости говорить о первой линии исследования, нооценка важн сти последней естественно ведет к тому пункту,который я хочу специально подчеркнуть. Это — настоят •ль-ная нужда в увеличении точности в области нашего зна-ния спекфа γ-лучей.

Существует несколько методов исследований спектра γ-лучей: метод инт рференции в кристаллах, абсорбционныйметод и метод наблюдения электронов отдачи в камереВильсона. Но для установления некоторых пунктов являет-ся также необходимой, как это ясно в настоящее время,забота об изучении спектра β-лучей с целью получениянаиболее точных и детальных сведений. Первый пункт, скоторым я хотел бы поторопить, есть рекогносцировка ти-па нужной работы. Мы оставили позади, как пионерскуюстадию, то время, когда исследование β-лучей некотороготела стремилось к тому, чтобы дать общее обозрение ли-ний. Мы теперь нуждаемся в точном и детальном измере-нии. Большинство спектров так богато линиями, что опу-

548 Ρ· Χ- ФАУЛЕР

бликование было бы незаслуженным образом задержано,если бы какой-нибудь из исследователей пытался за-ботливо сразу охватить всю полноту спектра. Поэтомуя надеюсь, что тщательное исследование малых групплиний или даже однородности одной линии будет рассма-триваться как достаточный предмет для исследования.

Второй пункт заключается в необходимости увеличенияточности. Определение отношения Щ, т. е. моментов β-лу-чей в двух линиях с точностью, по крайней мере, до1/3000 не представляет каких-либо фундаментальных труд-ностей, но нужно уделить значительно больше вниманиямеханической конструкции аппарата, чем это делалосьпрежде. Так как результаты измерений должны сравниватьсяс измерениями из другой области—с измерением а-лу-чей, то относительные измерения мало пригодны, — намнужны измерения абсолютные. Здесь положение далеко отудовлетворительного, и вся шкала измерений β-лучей не-надежна, хотя, возможно, что она обладает точностью дополпроцента. Крайне нужны определения независимыминаблюдателями абсолютных энергий некоторых стандартныхлиний по всему спектру.

Точность в одну пятисотую была бы достижима с на-шей настоящей техникой, но дальнейший сколько-нибудьзначительный шаг вперед, кажется, требует пересмотра всейпроблемы и, возможно, привлечения новых методов. Поправу можно думать, что дела более могущественны, чемслова, и что последовать этим предписаниям самому былобы наилучшей рекомендацией их для других. Но только впоследний год стало ясным положение в отношении γ-лу-чей и вместе с этим появилась необходимость и оправданиядля этого типа исследования. Здесь многое должно бытьсделано, и достижение заслуживающих^ веры] результатовтребует сравнения результатов нескольких независимыхэкспериментаторов.

Р. X. Фаулер. Существуют две главных линии фактов, ко-торые говорят нам более или менее недвусмысленно о том,каково должно быть значение спина ядра. Обе они весьмапривычны и могут быть вкратце подытожены. Первое и наи-

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 549

лучшее доказательство дают перемежающиеся интенсив-ности в полосатых спектрах двухатомных молекул, в ко-торых два атома идентичны — например молекулы Η—Η,NM—Nu или Οΐ6—O1(i (но не О10—О17, и т. п.). Линейныемолекулы, такие как ацетилен Η—СГ1 = Су>—Η, также даютдоказательства такого же рода, но, конечно, здесь мы неполучаем чего-либо нового, но только дальнейшее доказатель-ство существования спина протона. Если спин ядра в та-

h

ких молекулах есть п-;- , то интенсивности линии в по-лосах чередуются в отношении {η~\-ΐ):η. Этим путем мынаходим с уверенностью следующие спины (список не исчер-пывающий) :

Н>/ 2 ; НеО; N „ 1 ; О , 2 0 ; О1 6 0. •

Более того, этим путем, мы находим наиболее недву-смысленные показания о типе статистики, которой удовле-творяют ядра; в частности N u удовлетворяет статистикеБозе-Эйнштейна, что вынуждает нас (вместе с другимисведениями) к глубокому и нарушающему обычное пони-мание заключению о том, что электроны в ядре не вносятничего в спин или в статистический тип.

Второй тип данных исходит из деталей сверхтонкойструктуры атомных спектров. Здесь мы имеем дело совсеми возмущениями, которые производит ядро в оптичес-ком спектре, и не всегда легко отделить эффект спина отдругих, — как например, изотопный эффект. Тем не менее,оказалось возможным, особенно применением эффекта Зее-мана, измененного эффектом Пашена-Бака для сверхтон-кой структуры, определить с уверенностью спин для не-которых сортов атомов, в частности для Bi 9/2. Это опре-деление имеет дело только с качественными данными. Приупотреблении количественных данных из ширины сверхтон-кой структуры можно определить величину магнитного мо-мента ядра, связанного со спином ядра. Этим путем былопоказано, что ядерные магнитные моменты по порядку ве-личины являются протонными магнетонами Бора, т. е.

550 ДЖ. МАК-ЛЕННАН

составляют 1/2000 обычного магнетона Бора. Но более точ-ное определение еще встречается с большими трудностями.

Вспомогательная группа спектроскопических данных, ко-торая в будущем может оказаться очень полезной, связанас изучением деполяризации резонансного излучения спо-собом Эллетта.

Пока эти пути являются главными путями, которымиможет быть определен спин ядра; они не имеют близкогоотношения к радиоактивным ядрам, и в настоящее времямы имеем небольшие надежды на прямое определе 'ие длятаких ядер спина оптическими мето хами. Но тем не менееспин может иметь весьма существенное отношение к эшмядрам, К1к это было недавно показано Гамовым в письмев .Nature" *. Он сравнивает там правильные последователь-ности радиусов для урана — радиевого и ториевого рядоврадиоактивных элементов, вычисленные по теории из на-блюденной скорости распада, с неправильными последова-тельностями радиусов, выведенными для актиниевого ряда.Он указывает, что это может быть следствием измененийспина ядра актиниевого ряда. Если спин меняется, α-ча-стица должна унести соответствующий момент вращения, иформула для жизни ядра будет модифицирована. Наблю-даемые нерегулярности будут понятны, если в актиниевомряду (атомные веса 4п-{-3) могут встречаться изменения вспине на 3 единицы, в то время как они не встречаютсяв других рядах (веса 4п и 4я-(-2). Это кажется вполневозможным, но в настоящее время является еще, конечно,чистым умозрением.

Дж. М,т-Леннан Данные, выводимые из изучения тон-кой структуры спектральных линий, имеются теперь длямногих элементов. Это дает нам возможность оценить ме-ханический момент и соответствующий множитель g (1)—„отношение магнитного к механическому моменту для Евко-торых атомных ядер.

До сих пор наблюдаемые значения — I (квантовые числаспина) ядра объяснялись допущением, что только протоны

*• „Nature·, 129, 470, 1932.

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 5 5 1

внутри атомного ядра своим спином обусловливают резуль-тирующий момент ядра. Простое допущение, по которомукаждый протон дает 1/2 {Ιιβπ), до недавнего времени рас-сматривалось как достаточное для объяснения известныхфактов. Однако недавно были выявлены некоторые анома-лии. Например, известно, что в то время как относитель-ные расстояния в сверхтонкой структуре компонент гомо-логичных спектральных линий спектров Т1 II и РЬ(207) ΠΙсходны, действительная величина расщеплений, включен-ных в структуру спектральных линий, значительно меньше,чем расстояния в соответствующих линиях Т1 П. Величинырасщеплений позволяют сделать прямое сравнение и выхо-дит, что множитель д (I) для ядра Т1 примерно в четыре разаоолыпе, чем для ядра РЬ(207)· Этот результат имеет спе-циальное значение, так как по простой выше рассказаннойтеории результирующий момент ядер атомсв Т1 и РЬ(2О7),для которых 7 = 1 / 2 должен бы быть следствием одного ненейтрализованного вращающегося протона. Множители д(1)для этих двух ядер должны бы тогда быть одинаковыми, таккак нет никаких данных, которые бы указывали, что раз-личные вращающиеся протоны с тем же самым механичес-ким моментом могут иметь различные, в широких пределах,магнитные моменты.

Очевидно заключение, что момент, по крайней мере одно-го из ядер, — сложный и не является просто следствием вра-щающегося протона. Это заключение обесценивает простоеправило, по которому каждый протон дает долю + 1/2(^/2π)в результирующем моменте. Более того, оно потребовалобы от нас наделения, по крайней мере одного протона, темже свойством в добавление к спину либо в одном, либо вобоих из ядер Т1 и РЬ(2О7)·

Дальнейшее свидетельство в пользу этого заключенияполучается из отношения множителей д{1) для талия и ви-смута. Хотя значение „/·' для«ядра Bi есть 9/2, значение д(Г)должно бы быть то же самое, что и для Т1, если толькорезультирующий момент обоих ядер является следствиемтолько вращающихся протонов. Однако наблюдающеесяотношение равно 4 к 1. Это приблизительное равенство

552 ДЖ. МАК-ЛЕННАН

множителей д{1) для РЬ(207) и Bi указывает, что результи-рующий момент ядра Т1 более сложен по своему проис-хождению, чем это до сих пор думалось. Хотя имеющиесяданные не дают определенных указаний на природу этогодополнительного свойства, Мак-Леннан, Мак-Лэй и Крау-форд * и также Бартлет ** предполагают, как возможность,орбитальное движение протонов внутри ядра. Эта идея бы-ла развита Уайтом *** и Брайденом ****, но кажется не-позволительным приписывать орбитальное движение, какэто они делают, всем без различия протонам внутри атом-ного ядра.

Далее, я могу добавить, что с некоторых пор стало извест-ным, что математическая теория вычисления взаимодей-ствия электронов, другого типа, нежели s-электроны, сядерным спином, была неправильна. Это было показаноопытами Вульфа *****, опытами Фишера и Гаудсми-та ****** и Мак-Леннана, Мак-Лэя и Крауфорда (loc. cit)·Недавно теория была расширена Брейтом, который ввел

поправку, (-.Hi обусловленную релятивистским изменением

масссы взаимодействующего электрона. Эта поправка, ко-торая изменяет свое значение в различных состоянияхдублета, происходящего от взаимодействия одного не-s-электрона с ядром, дает лучшее согласие с опытом. Однакотеория даже и с этим улучшением неудовлетворительна.Например, теория предсказывает для

где Atu) постоянная связи в уравнении энергии:

E(i.n = Ам Ucos (IJ).

Наблюдаемое значение было 30/1. Релятивистская поправка,которая изменяется от элемента к элементу, дает отноше-

* M c L e n n a n , McLay, Proc. Roy. Soc, A, 133, 652, 1931.** В a r t let , Phys. Rev. 37, 327, 1!)31.

*** W h i t e , Phys. Rev. 38, 2078, 1931.*"** B r y d e n , Phys. Rev. 38, 1989, 1931.

***** Wulff, Z. Physik, 69, 70, 1931.****** F i s h e r and G o u d s m i t , Phys Rev. 37, 1057, Ш1.

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУР!'] АТОМНОГО ЯДРА 5 » 3

Нйе около 10/1. Это показывает, что даже с этим усовер-шенствованием в теории наблюдаемые значения отличают-ся от теоретических множителей 2 или 3. Роках * дал тра-ктовку, сходную с данной Брейтом, и приложил ее к на-блюдениям на спектре Т1. Его сравнения опять-таки пока-зывают, что теория все же еще неудовлетворительна.

Недавно испытание теории сверхтонкой структуры былосделано Бэчером и Кэмпбеллом *-. Изучением резонанснойспектральной линии индия I была найдена полная сверх-тонкая структура расщепления двух членов дублета, про-исходящего от единственного 5р-электрона. Трудности,представляемые изучением спектральных линий таллия сполучающимися в структуре спектральных линий сложнос-тями, благодаря изотопному смещению, не встречаются вслучае индия, так как этот элемент простой и имеет толь-ко один тип ядра. Бэчер и Кэмпбелл нашли для случаялиний индия, что спектральное расщепление Д2Р./а было0,390 си~1, в то время как расщепление, даваемое Д2_р>2, бы-ло 0,133 см"1; так что отношение равно 2,9/2. Ясно, что этоне находится в согласии с нерелятивистской теорией, да-ющей отношение 1,67. Оно, однако, находится в лучшемсогласии с 2,05, значением, исправленным согласно Ракахи в еще лучшем согласии в 2,7 — значением, исправлен-ным Брейтом.

Η. Φ. Мотт. Приложение квантовой механики к про-блеме аномального рассеяния α-частиц привело к объ-яснению экспериментальных результатов и к предсказаниюнекоторых новых явлений.

До той поры, пока принимается, что закон силы междуα-частицами и ядром есть закон обратных квадратов, клас-сическая и квантовая механика *** ведут в общем к оди-наковым формулам рассеяния, именно, в случае беско-нечно тяжелого ядра к формуле (2Ζε·ΐ2?ην2)2 coscc ' -- для

* K a e a b , Z. Pliys., 71, 431, 1931.** В а с h e r a. C a m p b e l l , Bull. Amer. Phys. Soc., апрель 28, 1932,

*** G o r d o n , A. f. Phys. 43, 180, 1928.

554 Η. Φ. ΜΟΤΤ

числа частиц, рассеянных на единицу телесного угла наугол Θ. Единственный случай, когда классическая и кван-товая механика делают различные предсказания, есть тот,когда ударяемая частица принадлежит к тому же сорту,как и падающие, например, рассеяние α-частиц гелием *.Число рассеянных частиц тогда зависит от статистики,которой повинуется частица, и от числа квантов спина,которыми она обладает. Рассеяние на 45°, например, больше,чем предсказывается классической теорией на множитель.

2(s + l)/(2s-)-l); (статистика Бозе-Эйнштейна)2s/(2s -f-1), (статистика Ферми-Дирака),

где S + -- есть угловой момент „спина"-частицы. Спин и

статистика могут быть определены из полосатых спектровдвухатомных молекул, в которых рассматриваемые частицыобразуют ядро **. Рассеяние дает, таким образом, методпроверки результатов, полученных из полосатых спектров.Данные из полосатого спектра Не2 показывают, что α-частицыне имеют спина и повинуются статистике Бозе-Эйнштейна.Поэтому следовало ожидать, что рассеяние на 45° в гелиибудет вдвое больше классического. Это было провереноэкспериментально Чадвиком ***, и другие результаты теориибыли подтверждены Блэкеттом и Чампионом ****. Применя-лись медленные α-частицы (скорости 1—8,5-Ю8 см\сек),чтобы избежать эффектов, зависящих от непригодностизакона обратных квадратов на близких расстояниях.

Чтобы объяснить аномальное рассеяние быстрых частицв водороде и гелии, а также аномальное рассеяние в такихэлементах, как Al, Mg, В, нужно принять, что закон обрат-ных квадратов теряет силу на расстояниях, меньших неко-торого расстояния г. Естественно принять, что для мень-ших расстояний силы становятся притягательными. По-этому для потенциальной энергии α-частиц в поле ядра

* Mott, Proc. Roy. Soc., A. 126, 159, 1930.** Ср· К г о η i g, Band Spectra and Molecular Structure, Cambridge,

стр. 94. 1930.*** Proc. Roy. Sac, A. 128, 114, 1930.

**** Proc. Roy. Soc, A. 130, 380, 1931.

ДИСКУССИЯ О СТРУКТУРЕ АТОМНОГО ЯДРА 555

Рис. 1.

принимают функцию формы, показанной на рис. 1. Теперьобсудим рассеяние, которое следует ожидать в таком поле.Если классическое расстояние наибольшего сближения дляцентрального соударения, именно, 2Ζε2/1ί2 mv2, больше, чем г,то отклонения от классического рассеяния будут, вообще,очень малы. Возможно, однако, что будут существоватьинтервалы энергии шириной в 0,5 -106 вольт-электронов илименьше (резонансные уровни),такие, что α - частица с этойэнергией может легко проник-нуть через потенциальный барьер.Для таких энергий рассеяние бу-дет аномальным и может прои-зойти искусственное разложение.Существование и положение ре-зонансных уровней зависит отформы поля внутри ядра; ихширина зависит от толщины по-тенциального барьера. Возмож-ность их существования по волновой механике была впер-вые отмечена Гёрнеем *, и они обсуждались в несколькихтеоретических статьях **.

Если классическое расстояние наибольшего сближенияменьше, чем г, то будут происходить отклонения от клас-сической формулы даже для тех углов, для которых клас-сическая частица двигается только в кулоновом поле. По-этому нет больше необходимое ги в не-сферическом полеядра для объясн. ния того факта, что аномальное рассеяниев гелии начинается приблизительно при одинаковой энер-гии как для больших, так и для малых углов.

Если поле для г0 < г притягательное, то отношениенаблюдаемого рассеяния к классическому сперва бы умень-шалось, а затем унеличивалось с увеличением энергии.Из наблюдаемого рассеяния *** можно оценить поле для

* G u r n e y , Nature 123, 568, 1929.** A t k i n s o n , 'Δ. Phys. 64 507, 1930; Beck, Z. Phys., 64, 32, 1930;

Mott , Proc, Roy. Soc. A. 133, 228 1931.*** R u t h e r f o r d а. С h a d w i с k, Phil Mag. 4, 605, 1927,

55b it. Φ. мот'т1

r0 < г. Зто было сделано Тэйлором* для водорода и гелия.В случае гелия, если сделать допущение, что г меньше,чем 4-Ю~23 см, формула рассеяния, выведенная из поля,показанного на рис. 1, есть:

J? = 2 1 + J -е ^ ' Ь "( е'' - 12а \ j , αϊ '

где В есть отношение рассеяния к предсказываемому иззакона обратных квадратов. Параметр К зависит от поля иесть функция энергии, но не угла. Поэтому это не тотслучай, когда наблюдаемое рассеяние можно объяснитьвыбором подходящего поля, так как из наблюдаемого рас-сеяния при данном угле можно вывести величину К иотсюда вычислить рассеяние для всех углов при той жеэнергии. Было получено хорошее согласие с опытом, пока-зывающее, что проблема принадлежит к числу проблем,которые могут трактоваться волновой механикой. Сходныеже результаты получены для водорода.

Из наблюдаемых значений К и его изменений с энер-гией можно оценить глубину D всего потенциального барь-ера. Однако не было найдено возможным употребить этозначение для того, чтобы делать предсказания о каких-нибудь других явлениях; например, притягательная силамежду двумя α-частицами, найденная из рассеяния, больше,чем та, которая требуется, чтобы объяснить энергию ихсвязи в ядре.

Ргос. Roy. А. 134, 103, 1931, 136, G05, 1932.