Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заря­женных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и АZ электронов. При этом полный положитель­ный заряд совпадает с атомным номером Z.

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоре­чила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резер­форда. «Естественный радиус» электрона r0 = e2/mc2 (который получа­ется, если приравнять электростатическую энергию e2/r0 заряда, распре­деленного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2) составляет r0 = 2,8210–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие уче­ные рассматривали возможность существования устойчивой комбина­ции из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнару­жению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактив­ность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали ши­роко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облу­чение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гей­гера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и маг­нитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, ав­торы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заклю­чили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рас­сеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгенов­ские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Рис.1

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтраль­ное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близ­кой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, кото­рую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического берил­лия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 42He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с яд­рами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.