В стенке ионизационной камеры, обращенной к этому источнику излучения, был сделан проем размером около полутора сантиметров, закрытый алюминиевой фольгой. Внутри этой неглубокой камеры, наполненной воздухом при нормальном давлении, находилась небольшая заряженная пластина, собиравшая электроны, ионизированные входящим в камеру излучением, и передававшая их импульсы на усилитель и осциллограф. «Для этой задачи, – объясняет Норман Фезер, – такая конфигурация подходила идеально. Хорошо сконструированный усилитель позволял сделать так, чтобы величина отклонения сигнала осциллографа была прямо пропорциональна уровню ионизации, возникающему в камере… Таким образом, энергию атомов отдачи, вызывающих ионизацию, можно было рассчитать непосредственно по величине отклонения, зарегистрированной в данных осциллографа»[706].
Чедвик пометил перед закрытым алюминиевой фольгой окошком ионизационной камеры лист парафина толщиной два миллиметра; сразу после этого, как он писал в итоговом отчете об этом эксперименте, «число электронов, регистрируемое осциллографом, заметно возросло». Это означало, что частицы, выбиваемые из парафина, попадают в камеру. Затем он начал вставлять между парафином и окошком камеры листы алюминиевой фольги; по соотношению поглощающей способности алюминия и воздуха он рассчитал, что длина свободного пробега этих частиц в воздухе немного превышает 40 сантиметров; такое значение означало, что «частицы эти, очевидно, были протонами»[707].
Такое повторение работы Жолио-Кюри было подготовительным этапом. После него Чедвик перешел в область, еще неизведанную. Он убрал лист парафина. Он хотел узнать, что происходит с другими элементами под прямым воздействием бериллиевого излучения. Твердые образцы таких элементов он устанавливал перед окошком камеры: «Таким образом были исследованы литий, бериллий, бор, углерод и азот в форме парациана[708]»[709]. Элементы в газообразной форме просто закачивались в камеру вместо атмосферного воздуха: «Этим способом были изучены водород, гелий, азот, кислород и аргон»[710]. В каждом из этих случаев количество импульсов на осциллографе возрастало – мощное бериллиевое излучение выбивало протоны из всех элементов, которые испытывал Чедвик. Причем из всех элементов оно выбивало приблизительно одно и то же количество протонов. Но важнее всего для его выводов было то обстоятельство, что энергии выбитых протонов были значительно выше, чем они могли бы быть, если бы бериллиевое излучение состояло из гамма-лучей. «В целом, – писал Чедвик, – экспериментальные результаты показывают, что, если бы появление атомов отдачи объяснялось столкновением с [фотонами гамма-излучения], следовало бы предположить, что энергия [фотона] все более и более возрастает по мере увеличения массы атома, подвергающегося столкновению». После чего у него идет очень спокойное заявление, ссылающееся на тот основополагающий физический принцип, что на выходе из события не может получиться больше энергии или импульса, чем было на его входе, – не оставляющее камня на камне от предположения Жолио-Кюри: «Очевидно, мы должны либо отказаться от применения к этим столкновениям законов сохранения энергии и импульса, либо принять другую гипотезу относительно природы этого излучения». Чтение этой фразы чрезвычайно сильно – и справедливо – огорчило супругов Жолио-Кюри.
Гипотеза, которую Чедвик предложил принять, не была удивительной: «Если предположить, что это излучение не есть [гамма-]излучение, а состоит из частиц, масса которых очень близка к массе протона, то все затруднения, связанные со столкновениями, исчезают, как в отношении их частоты, так и в отношении передачи энергии разным массам. Для объяснения высокой проникающей способности излучения следует также допустить, что такая частица не имеет собственного заряда… Можно предположить, что она [представляет] собой “нейтрон”, о котором Резерфорд говорил в своей бейкеровской лекции 1920 года»[711].
Затем Чедвик произвел численные расчеты, чтобы доказать, что его гипотеза действительно объясняет экспериментальные факты.
«Это было напряженное время»[712], – говорил он впоследствии. Вся работа от начала до конца заняла десять дней, причем он выполнял и свои обычные обязанности в Кавендишской лаборатории. Он спал в среднем около трех часов в сутки, продолжал трудиться в выходные 13–14 февраля и, видимо, закончил работу в среду семнадцатого числа; в тот же день он отослал в журнал Nature первый краткий отчет о своей работе, чтобы закрепить за собой приоритет открытия. Этот отчет, опубликованный в разделе писем в редакцию, назывался «Возможное существование нейтрона». «Но у меня не было никаких сомнений – иначе я не написал бы этого письма»[713].
«К большой чести [Чедвика], – воздает ему должное Сегре, – там, где нейтрона не было [в предыдущих экспериментах], он его не находил, а когда нейтрон наконец появился, он заметил его немедленно, ясно и убедительно. Эти качества отличают великого физика-экспериментатора»[714].
В 1921 году на работу в Кавендишской лаборатории приехал в Кембридж молодой русский физик Петр Капица. Он был человеком обстоятельным, целеустремленным, обаятельным и талантливым по части технических изобретений и вскоре стал любимчиком Резерфорда. Он был единственным из «мальчиков», включая даже и Чедвика, кому удавалось убедить экономного директора выделять крупные суммы на оборудование. В 1936 году Резерфорд сердито обрушивался на Чедвика за то, что тот поддерживал идею строительства в Кавендише циклотрона; однако еще в 1932 году Капица получил для своих дорогостоящих экспериментов с магнитными полями собственную лабораторию в элегантном новом кирпичном здании во дворе Кавендишской лаборатории. Обустроившись в Кембридже, Капица заметил казавшееся ему чрезмерным и непродуктивным почтение британских студентов-физиков к их наставникам. Поэтому он основал клуб своего имени, предназначенный для открытых дискуссий без учета иерархического положения. Членство в этом клубе предоставлялось не всем и было предметом сильной зависти. Члены клуба встречались в помещении колледжа, и в начале заседания Капица часто намеренно высказывал явно ошибочные утверждения, чтобы даже самые молодые из присутствующих могли выступить и поправить его, освободившись от гнета традиций.
В эту среду[715] Капица кормил и поил изможденного Чедвика, пока тот не пришел, по словам Марка Олифанта, в «чрезвычайно размягченное состояние», а затем привел его на заседание «Клуба Капицы». «Напряженное возбуждение всех сотрудников Кавендишской лаборатории, вплоть до самого Резерфорда, – вспоминает Олифант, – уже было заметно, потому что до нас дошли слухи о результатах Чедвика». Олифант говорит, что выступление Чедвика было ясным и убедительным, причем он не забыл упомянуть о вкладах Боте, Беккера, Вебстера и супругов Жолио-Кюри, «преподав нам всем важный урок»[716]. Ч. П. Сноу, тоже присутствовавший там, вспоминает, что это выступление было «одним из самых кратких в истории сообщений о важном открытии». Когда длинный, похожий на птицу Чедвик закончил свою речь, он оглядел собравшихся и внезапно заявил: «А теперь я хочу хлороформу и две недели сна»[717].
Он действительно заслужил отдых. Он открыл новую элементарную частицу, третий основополагающий компонент материи. Именно эта лишенная заряда масса дополняет вес элементов, не добавляя электрического заряда. Два протона и два нейтрона образуют ядро гелия, 7 протонов и 7 нейтронов – ядро азота, 47 протонов и 60 нейтронов – ядро серебра, 56 протонов и 81 нейтрон – ядро бария, 92 протона и 146 нейтронов (или 143) – ядро урана.
Поскольку нейтрон так же массивен, как протон, но не несет никакого электрического заряда, на него почти не влияют электронные оболочки, окружающие ядро; не останавливает его движения и электрический барьер самого ядра. «Пучок тепловых нейтронов, – пишет американский физик-теоретик Филипп Моррисон, – движущихся приблизительно со скоростью звука, что соответствует кинетической энергии всего лишь порядка одной сороковой электрон-вольта, вызывает во многих материалах ядерные реакции гораздо легче, чем пучок протонов с энергией в несколько миллионов вольт, летящих в тысячи раз быстрее»[718]. По счастью, оказалось, что циклотрон Эрнеста Лоуренса, в котором протоны впервые удалось разогнать по спирали до энергий порядка миллиона вольт в том же месяце, в котором Чедвик совершил свое судьбоносное открытие, можно приспособить для производства нейтронов. Самым важным последствием открытия Чедвика было то, что его нейтрон дал практическую возможность подробного исследования ядра. Ханс Бете сказал однажды, что считает все, что было до 1932 года, «доисторической эпохой ядерной физики, а начиная с 1932 года и далее – историей ядерной физики»[719]. Разделом между этими эпохами, по его словам, было открытие нейтрона.
Известие об этом открытии достигло Копенгагена в разгар подготовки любительской театральной постановки, пародии на «Фауста» Гёте, посвященной десятилетию со дня открытия Института теоретической физики Бора. Драматурги из числа молодых докторов отдали заключительное слово новой частице. Дородный Вольфганг Паули, имевший гладкое, круглое лицо и выступающие глаза с тяжелыми веками, похожий на актера Петера Лорре, был Мефистофелем, Бор играл Господа. В нарушение всех канонов на роль Вагнера был назначен отсутствовавший Чедвик, названный в сценических ремарках