Чедвик поручил проверить эти необычные результаты одному из своих студентов, австралийцу Г. Ч. Вебстеру. Чуть позже такое же исследование начала и группа французов, в распоряжении которых были более мощные средства, – тридцатитрехлетняя в то время Ирен Кюри, хмурая, талантливая дочь Марии Кюри, и ее муж Фредерик Жолио, бывший на два года ее младше, общительный красавец, который изначально получил инженерное образование; по словам Эмилио Сегре, очарованием он напоминал французского певца Мориса Шевалье.
Основанный Марией Кюри Радиевый институт, построенный перед самой войной в восточном конце улицы Пьера Кюри в Латинском квартале на средства французского правительства и Фонда Пастера, находился в самом выгодном положении с точки зрения любых исследований с использованием полония. Газообразный радон со временем распадается на три слаборадиоактивных изотопа – свинец-210, висмут-201 и полоний-210, которые затем можно разделить химическими методами. Врачи всего мира использовали запаянные стеклянные ампулы с радоном – «зерна» – для лечения рака. После распада радона, происходившего за несколько дней, такие зерна становились непригодными к использованию. Многие врачи отсылали их в Париж из почтения к первооткрывательнице радия. Таким образом там и накапливались крупнейшие в мире запасы полония.
В течение двух лет после свадьбы, состоявшейся в 1927 году, супруги Жолио-Кюри работали независимо друг от друга; в 1929-м они решили перейти к совместной работе. Они начали с разработки новых химических методов выделения полония, и к 1931 году очистили некоторое количество элемента, интенсивность излучения которого была почти в десять раз больше, чем у любого другого из существовавших источников. Получив в свое распоряжение новый мощный источник, они занялись загадкой бериллия.
Тем временем, к концу весны 1931 года, студент Чедвика Г. Ч. Вебстер перешел от обобщений к открытиям: он установил, говорит Чедвик, «что излучение бериллия в направлении падения α-частиц более проникающее, чем излучение в обратном направлении»[693][694]. Гамма-излучение, которое представляет собою высокоэнергетическую форму света, должно испускаться во все стороны от точечного источника – например ядра, – одинаково, так же как видимый свет равномерно распространяется во все стороны от нити лампочки[695]. С другой стороны, частицы, выбиваемые налетающими альфа-частицами, обычно вылетают вперед. «Разумеется, – добавляет Чедвик, – именно это обстоятельство очень меня взволновало, потому что я подумал: “Вот он, нейтрон”»[696].
У Чедвика было теперь две дочери, и в семейной жизни у него завелись регулярные привычки. Одной из самых священных таких традиций был ежегодный семейный отдых в июне. Возможность обнаружения нейтрона, который он столь долго искал, не была причиной, достаточной для изменения планов. Возможно, он и изменил бы их, но ему казалось, что для следующего этапа исследований ему нужна камера Вильсона, а единственная такая камера, которую он мог использовать в Кавендишской лаборатории, была неисправна. Он нашел камеру в другом месте; ее владелец согласился предоставить ее Вебстеру после окончания той работы, которой занимался он сам. По-прежнему предполагая, что нейтрон – это пара, состоящая из электрона и протона и имеющая остаточный электрический заряд, достаточный для ионизации газов, хотя бы слабой, Чедвик хотел, чтобы Вебстер направил излучение бериллия в камеру Вильсона и попытался сфотографировать его ионизирующие траектории. Усадив своего студента за работу, он уехал в отпуск.
«Разумеется, – говорил впоследствии Чедвик о своей тогдашней охоте за нейтроном, – они ничего не должны были увидеть» в камере Вильсона – и действительно ничего не увидели. «Они написали мне об этом, что они ничего не нашли, и я был очень огорчен»[697]. Когда Вебстер перешел в Бристольский университет, Чедвик решил, что продолжит исследования бериллия сам.
Сначала ему пришлось перевести свою лабораторию в другую часть здания, что задержало его работу; затем ему нужно было приготовить сильный полониевый источник. С полонием ему повезло. Норман Фезер провел 1929/30 учебный год на физическом факультете Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе и подружился там с одним английским врачом, который распоряжался запасами радия в балтиморской больнице Келли. У врача накопилось несколько сотен отработанных радоновых зерен; «в общей сложности, – вспоминает Фезер, – они содержали столько же полония, сколько было в Париже у Кюри и Жолио»[698]. Больница пожертвовала их Кавендишской лаборатории, и Фезер привез их в Англию. Той же осенью Чедвик провел опасную химическую очистку.
Ирен Жолио-Кюри доложила во Французской академии наук о своих первых результатах 28 декабря 1931 года. Бериллиевое излучение, как она выяснила, оказалось еще более проникающим, чем сообщали Боте и Беккер. Она привела к единому образцу свои измерения и определила, что энергия излучения превышает энергию налетающих альфа-частиц в три раза.
Затем супруги Жолио-Кюри решили выяснить, способно ли бериллиевое излучение выбивать из материи протоны, как это делают альфа-частицы. «Они установили в своей ионизационной камере тонкое окошко, – объясняет Фезер, – и устанавливали рядом с окошком, на пути распространения излучения, разные материалы. Никаких протонов они не обнаружили, за исключением опытов с такими материалами, как парафин или целлофан, которые уже содержат водород в химических соединениях. Когда к окошку приближали тонкие слои этих материалов, ток в ионизационной камере становился больше обычного. Проведя несколько экспериментальных проверок, простых и изящных, они получили убедительные свидетельства того, что эта дополнительная ионизация была вызвана протонами, выбитыми из водородсодержащих веществ»[699]. Жолио-Кюри поняли, что наблюдаемый эффект – результат упругих соударений – подобных соударениям бильярдных шаров или стеклянных шариков – бериллиевого излучения с ядрами атомов водорода.
Однако они все еще придерживались своих старых убеждений, что проникающее излучение, испускаемое бериллием, – гамма-излучение. О том, что оно может быть нейтральными частицами, они не думали. Они не читали бейкеровской лекции Резерфорда, потому что, по их опыту, в таких лекциях никогда не бывало ничего, кроме пересказов работ, уже опубликованных раньше. О нейтроне всерьез думали только Резерфорд и Чедвик.
18 января 1932 года Жолио-Кюри представили в Академию наук отчет о своем открытии испускания парафином высокоскоростных протонов под воздействием бериллиевого излучения. Однако название написанной ими статьи и ее вывод были сформулированы иначе. Статья называлась «Испускание высокоскоростных протонов из водородсодержащих материалов, облученных гамма-лучами высокой проникающей способности». Что было так же маловероятно, как ситуация, в которой пушечное ядро отражается от шарика для пинг-понга. Гамма-лучи могут выбивать электроны – это явление называется комптоновским эффектом по имени открывшего его американского физика-экспериментатора Артура Холли Комптона, – но протон в 1836 раз тяжелее электрона, и сдвинуть его с места совсем не просто.
В начале февраля Чедвик нашел в почте, которую ему приносили по утрам в Кавендишскую лабораторию, французский физический журнал Comptes Rendus[700], обнаружил в нем статью Жолио-Кюри и прочитал ее, все более поражаясь прочитанному:
Через несколько минут ко мне пришел Фезер рассказать об этом сообщении, удивившем его так же, как и меня. А чуть позже в это утро я разговаривал с Резерфордом. Это было уже так заведено, что около 11 часов я должен был приходить к нему и рассказывать об интересных новостях и обсуждать ведущиеся в лаборатории работы. Рассказав ему о наблюдении Кюри – Жолио и их истолковании своего наблюдения, я заметил на его лице растущее удивление; наконец он воскликнул: «Я не верю этому!» Подобная вспыльчивость была не свойственна ему, и за все время моего продолжительного союза с ним я не припомню другого подобного случая. Я говорю об этом, чтобы подчеркнуть, насколько электризующим было воздействие сообщения Кюри – Жолио. Конечно, Резерфорд был согласен, что наблюдениям надо верить; совсем другое дело – объяснение[701][702].
Теперь никакие другие обязанности не мешали Чедвику исполнить его предназначение. Он лихорадочно взялся за работу начиная с воскресенья 7 февраля 1932 года: «Так получилось, что [в момент прочтения сообщения об открытии Жолио-Кюри] я был готов начать эксперимент… Я беспристрастно приступил к работе, хотя мысли мои были, естественно, сосредоточены на нейтроне. Мне было ясно, что наблюдения Кюри – Жолио нельзя приписать эффекту Комптона, с которым мне не раз приходилось сталкиваться. Я был уверен, что здесь нечто новое и незнакомое»[703][704].
Его простая установка состояла из источника излучения и ионизационной камеры; камера была соединена с ламповым усилителем, а тот – с осциллографом. Источник излучения, откачанная металлическая трубка, прикрепленная к грубому сосновому бруску, содержал сантиметровый серебряный диск, покрытый полонием и установленный вблизи находившегося перед ним двухсантиметрового диска из чистого бериллия, серебристо-серого металла в три раза легче алюминия[705]. Альфа-частицы, вылетающие из полония, попадали в ядра бериллия и выбивали из них проницающее бериллиевое излучение, которое, как тут же обнаружил Чедвик, по сути дела, беспрепятственно проходило сквозь целых два сантиметра свинца.