История советской физики: Модель ядра Д.Д. Иваненко

Исполнилось 79 лет (простое число – «круглая» дата) протон-нейтронной модели ядра Д.Д. Иваненко. По своей фундаментальности она превосходит все другие достижения советских физиков и сопоставима с моделью атома Резерфорда. 

Д.Д. Иваненко 21 апреля 1932 г. подписал свою короткую знаменитую заметку о ядре [1], отправленную в “Nature”, опубликованную 28 мая. Сразу за этим он пишет более обширную статью [2], посланную в отечественный журнал “Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion”, полученную 16 мая и опубликованную несколько позже. Именно на нее ссылались Блэкетт и Оккиалини в своей знаменитой работе об открытии позитронов, поскольку существенно основывались на идеи рождения частиц, хотя отмечали, что на тот факт, что электрон и протон именно рождаются при аннигиляции нейтрона, указал им Дирак. После появления статьи Гейзенберга, полученной в редакции 7 июня, где он ссылается на заметку Д.Д. от 28 мая, Иваненко пишет еще одну работу [3], опубликованную 17 августа, в которой он окончательно отказывается от существования электронов внутри ядра. А 12 августа он отсылает статью с Е.Н. Гапоном [4] по оболочечной модели, которую дублирует в “Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion”. Таким образом, с апреля по август 1932 г. Д.Д. Иваненко пишет 4 статьи по ядру, причем, две из них предшествовали работе Гейзенберга.

Модель ядра сложилась у Д.Д. Иваненко не вдруг. Он ее многократно обсуждал с Вайскопфом, Амбарцумяном, Гапоном, Бронштейном. Ее даже одно время называли моделью Иваненко – Гапона, а могла бы стать и моделью Иваненко - Амбарцумяна. Повторю приведенные в моей книге о Д.Д. Иваненко [5] выдержки из его воспоминаний.

 «Он (Вайскопф), помню, яростно возражал мне несколько дней в Харькове. И это очень мне помогло. Возражения Вайскопфа меня как раз убедили, потому что я их отвергал, вижу, что это неверно. Потом, на следующий день, он – новые возражения, я опять их отвергаю. Вижу, что возражений нет, и я побеждаю».

«… соображений открытие нейтрона и привело к гипотезе, что атомные ядра составлены только из нейтронов и протонов. Мои коллеги при обсуждении этой гипотезы в марте – апреле 1932 г. не поддер­жали ее и сочли либо преждевременной (даже наиболее близкие по умо­настроению люди), либо ошибочной (Вайскопф); но как раз неубеди­тельность подобных замечаний все больше убеждала меня в правильности гипотезы».

«На этом пути, еще до открытия нейтрона, до установления модели ядра, мы с Амбарцумяном выдвинули целый ряд довольно фундаментальных идей. Напечатали, но эта работа сразу не привлекла внимания, а в дальнейшем оказалось, что она была существенной. Вроде кусок модели ядра подготовлен. Мы писали, что электроны внутри ядра не могут существовать, они не испускаются, а порождаются новые, их там не было внутри. Резерфорд просто говорил, что электрон и протон образуют тесную систему, которую назвал нейтроном. Неверно: нейтрон оказался потом элементарной частицей. Это самая сильная часть моей модели ядра, на которой Гейзенберг споткнулся, кстати сказать. Я хорошо помню, сколько об этом думал, что что-то похожее может быть у нас, и с Амбарцумяном обсуждал. В 31-м году он участвовал в конференции по магнетизму, которую я провел в Харькове. У него была особая манера всегда в президиум садиться, или если не в президиум, то обязательно в первый ряд – на всех фотографиях видно. Потом я вернулся в Ленинград. В Ленинграде я бывал дома у его отца, познакомился с ним – очень культурный армянский коллега. После одной из поездок в Харьков, где я журнал выпускал, когда у меня все больше и больше вырисовывалась идея модели ядра (а именно, что оно состоит из протонов и только что открытых нейтронов), я говорю: "Виктор Амазаспович, так как же...". – "Да, похоже, – он отвечает, – но давайте подождем, новые эксперименты и так далее". Модель ядра, собственно, моя, но одну из ее трудных частей мы подготовили вместе с Амбарцумяном. Задним числом выясняется, что одну из самых трудных. Так что он мог бы присоединиться. Но он все-таки колебался в самой нейтронной гипотезе, гипотезу он не признал. А Гейзенберг признал именно более простую часть, казалось бы, школьного типа, на базе которой можно разрабатывать теорию ядра, потому что не все же ядра испускают электроны. А более трудную мы подготовили с Амбарцумяном, но он не признал более легкую, более рискованную, которая понятна сразу, о том, что ядро состоит только из протонов и нейтронов – коротко и ясно».

На самом деле главной трудностью было не включение нейтрона в состав ядра, а исключение из него электронов. В своей первой знаменитой заметке [1] Д.Д. Иваненко еще допускает наличие внутриядерных электронов в составе альфа-частиц, но не нейтронов, то уже в следующей публикации в августе 1932 г. [2] он определенно говорит о рождении бета-электронов. В этом пункте он опирался на упомянутую работу с Амбарцумяном о рождении бета-электоронов, которая составляет основу всей современной квантовой теории поля. Важную роль в окончательном признании протон-нейтронной модели ядра сыграло открытие П. Блэкеттом и Дж. Оккиалини рождения и аннигиляции электронов и позитронов в космическом излучении, наглядно продемонстрированных своеобразными ливнями на фотографиях в камере Вильсона (конец 1932 г. – начало 1933 г.). При этом они ссылались именно на Иваненко и его трактовку бета-распада как процесс рождения электронов и учитывали теорию дырок и предсказание Дирака о рождении и аннигиляции пар частиц.

Модель ядра обсуждалась также с М.П. Бронштейном, через которого о ней знал Л.Д. Ландау: «мы обсуждали с ним еще до публикации мою протон-нейтронную модель ядер, которую, по словам Аббата, Ландау, возражая против нее, называл "филологией", болтовней». Публично Бронштейн озвучил ее при обсуждении докладов Ф. Перрена и Д.Д. Иваненко  на 1-й Советской ядерной конференции (Ленинград, 1933 г.).  А именно, спор о том, является ли протон или нейтрон элементарными или сложными частицами, имеет де филологический характер, поскольку, грубо говоря,  в релятивистской квантовой механике все является суперпозицией всего. Это было в духе Ландау – с большим апломбом и мимо. Волновая функция электрона не дает вклад в волновую функцию нейтрона, иначе нейтрон имел бы ненулевой лептонный заряд.

Еще один из упоминавшихся советских ученых Е.Н. Гапон – крупный физико-химик, был гимназическим товарищем Д.Д. В 1930 г. Е.Н. Гапон становится профессором Тимирязевской сельскохозяйственной академии, организовав и возглавив в ней кафедру физической химии. В 1932 г. он бывает в Ленинграде, где Д.Д. Иваненко обсуждает с ним, знающим изотопы, свою модель ядра и они вместе публикуют пионерскую работу по оболочечной модели ядра [4]. Как вспоминал Иваненко: «Е.Н. Гапон пытался еще в старой модели (как Бек и некоторые другие) распределять ядерные протоны и электроны по оболочкам в духе периодической системы (конечно, безуспешно). Неудивительно, что в протон-нейтронной модели он был рад увидеть новые возможности в этом направлении и специально приехал в Ленинград (летом 1932 г.) для обсуждения интересовавших его вопросов». Экспериментально было найдено, что по распространенности, числу изотопов, альфа- и бета-распаду, существует определенная периодичность в свойствах ядер: что ядра имеют большую стабильность при определенном числе нейтронов и протонов, когда число протонов равно числу нейтронов – магические числа 2, 8, 20, 50, 82, 126. В своей работе 1932 г. Д.Д. Иваненко и Е.Н. Гапон выдвинули идею распределения протонов и нейтронов по уровням и оболочкам в некоторой аналогии с построением менделеевской периодической системы. В рамках этой модели удавалось объяснить первые магические числа 2, 8, 20, а в работе В. Эльзассера и другие магические числа, но для них приходилось делать сложные предположения. Крупным успехом оболочечной модели было объяснение изомерии атомных ядер, открытой И.В. Курчатовым и Л.И. Русиновым в 1935 г. Однако в конце 1936 г. возобладала капельная модель ядра Н. Бора, Дж. Уилера, у нас – Я.И. Френкеля. Вновь интерес к оболочечной модели возродился после работ М. Гепперт-Майер, Г. Йенсена и О. Хакселя в 1949 г., которые учли спин-орбитальное взаимодействие и получили в 1963 г. Нобелевскую премию.

Ссылки:

Iwanenko D., The neutron hypothesis, Nature, v.129, N 3265, p.798, 1932

Iwanenko D., Neutronen und kernelektronen, Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion, Bd.1, s.820-822, 1932.

Iwanenko D., Sur la constitution des noyaux atomiques, Compt. Rend. Acad Sci. Paris, v.195, p.439-441, 1932

Gapon E., Iwanenko D., Zur Bestimmung der isotopenzahl, Die Naturwissenschaften, Bd.20, s.792-793, 1932.

Г.А. Сарданашвили, Дмитрий Иваненко - суперзвезда советской физики. Ненаписанные мемуары (УРСС, 2010)