Второй субатомной частицей, по очередности открытия следующей после электрона, был протон. Начиная с 1870-х гг. немецкий физик Е. Гольдштейн проводил собственные эксперименты с катодными лучами в газоразрядных трубках. Сначала полученные им результаты практически ничем не отличались от результатов У. Крукса. Позднее немецкий ученый модифицировал газоразрядную трубку, используя в ней перфорированный катод. В 1886 г. Гольдштейну удалось наблюдать слабое свечение в прикатодном пространстве трубки. Он установил, что в то время, как катодные лучи распространяются только в одном направлении, через отверстия в катоде проходят другие лучи, движущееся в противоположную сторону. При изучении этого явления с помощью электромагнитного поля немецкий ученый установил, что обнаруженные им лучи, испускаемые перфорированным катодом, заряжены положительно{457}. Гольдштейн назвал их каналовыми лучами. Эти лучи отличались от электронов не только зарядом. Частицы каналовых лучей имели различную массу в зависимости от того, следы каких газов содержались в разрядной трубке. Масса самой легкой частицы каналовых лучей, образующейся в том случае, когда в газоразрядной трубке содержались следы H2, совпадала по величине с массой атома водорода{458}.
Схема установки, в которой были впервые зарегистрированы «каналовы» лучи: 1 — анод; 2 — перфорированный катод; 3 вторичные электроды отклоняющей системы
Занимаясь этой проблемой, Э. Резерфорд пришел к заключению, что элементарная частица с положительным зарядом принципиально отличается от электрона — элементарной частицы с отрицательным зарядом. В 1914 г. после своего знаменитого опыта по рассеянию α-частиц золотой фольгой (см. т. 2, глава 5, п. 5.3.2) Резерфорд предложил принять в качестве основного носителя положительного заряда частицу каналовых лучей с наименьшей массой, равной массе атома водорода. Позднее в результате экспериментальных исследований ядерных реакций Резерфорд неоднократно получал положительно заряженные частицы, совпадающие по массе с атомом водорода. Эти факты окончательно убедили его в правильности такой точки зрения. Наконец в 1920 г. Э. Резерфорд предложил назвать эту основную положительно заряженную частицу протоном.
В том же 1920 г. в процессе объяснения различий между атомной массой и атомным номером британский физик высказал предположение о существовании нейтрона. Например, масса одной α-частицы соответствовала массе четырех протонов. Однако как показывали результаты опытов, заряд одной α-частицы был равен суммарному заряду
двух протонов. На протяжении десяти лет мысль Резерфорда о существовании нейтрона оставалась лишь гипотезой, поскольку не удавалось получить ее экспериментального подтверждения. Многие ученые в то время полагали, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой комбинации протонов и электронов.
Лишь в 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик, по инициативе Резерфорда проводивший опыты по изучению результатов бомбардировки атомов бериллия α-частицами, экспериментально обнаружил существование частицы, имеющей такую же массу, как и протон, но в отличие от него не несущей никакого электрического заряда. Поскольку эта частица была электрически нейтральна, ее назвали нейтроном.
Джеймс Чедвик (1891–1974)
Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976)
После обнаружения нейтрона немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг высказал предположение, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой не протонно-электронные, а протонно-нейтронные комбинации. В результате такого подхода строение α-частицы можно было представить в виде комбинации двух протонов и двух нейтронов: при этом ее суммарный заряд равен заряду двух протонов, а суммарная масса — массе четырех протонов. Такая модель полностью соответствовала экспериментальным данным.