Первые же сведения о зарядах и массах «точечных» ядер атомов наводили на мысль, что эти точки, в свою очередь, слеплены из других частиц. Но из чего могло состоять ядро?

Идея У. Праута о типовом строении атомов всех элементов из атомов самого легкого элемента — водорода, в переводе на ядерный язык звучала так: все ядра состоят из ядер атомов водорода.

И в самом деле, из ядер водорода (их назвали протонами) легко можно было получить массу любого изотопа, а их единичные положительные электрические заряды определяли заряд ядра.

Беспокоило только одно обстоятельство, которое никак не удавалось обойти. Если сложить положительные заряды всех протонов, участвующих в построении ядра с определенной массой, то сумма получалась больше, чем был заряд, который на самом деле имело ядро.

Деваться было некуда. Физики пошли на компромисс и признали, что ядра не могли состоять из одних протонов. Что-то должно было нейтрализовать какое-то число зарядов протонов.

Тут бы и разгуляться воображению, тут бы… Но суровая реальность подрезала крылья фантазии. Ассортимент подходящего строительного материала для ядер был очень беден. Приходилось брать не то, что надо, а то, что есть. А кроме протона, на учете у ученых была только одна-единственная частица — электрон с единичным отрицательным электрическим зарядом. Масса у электронов небольшая, поэтому практически, не меняя веса ядра, они могли нейтрализовать какое-то число положительных зарядов протонов.

Однако вскоре обнаружилась «несовместимость» протонов с электронами в ядрах, доставившая физикам массу забот и хлопот в объяснении многих ядерных свойств.

Только через двадцать лет ученик Э. Резерфорда Дж. Чедвик обнаружил настоящего компаньона протона по ядру — нейтрон. Новая элементарная частица имела почти такую же массу, как и протон, но была нейтральной, без электрического заряда. Это было как раз то, что нужно.

Теперь старинный лейтмотив о единстве строения материи уверенно и мощно зазвучал в переложении на ядерный, нейтронно-протонный лад.

В новом переложении была та долгожданная гармония, которая до конца прояснила самую суть явления радиоактивности, как превращения ядерных протонов или нейтронов.

Например, радиоактивный бета-распад есть не что иное, как превращение одного из нейтронов ядра в протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон его покидает. От этого в исходном сообществе нуклонов (такое общее название имеют протоны и нейтроны) появляется лишний протон; заряд ядра увеличивается на единицу, и атом с таким ядром представляет собой атом элемента, у которого порядковый номер на единицу больше.

Осталось уяснить последнее. Почему общая масса протонов и нейтронов, находящихся в ядре, всегда меньше суммы масс такого же числа свободных нуклонов?

Можно было бы сказать коротко: потому что нейтроны и протоны в ядре связаны. Но легко догадаться, что подобный ответ повлек бы за собой следующую реплику: «А что значит связаны?»

К сожалению, в макромире невозможно найти точной аналогии тому, что происходит в ядре с нуклонами. Не годятся и поверхностные сравнения с клеем или цементом. Возможно, поможет такой образ. Связывает нуклоны тот налог, который в момент образования ядра взимается с него самым строгим фининспектором — природой.

Отдав часть своей энергии, свободные прежде нейтроны и протоны поступают в полное распоряжение мощных сил притяжения, действующих на расстоянии, сравнимом с размером ядра. А по формуле А. Эйнштейна: теряющий энергию теряет и в массе. Так возникает недостача в массе атомного ядра.

Энергия, выплачиваемая ядром за право быть самим собой и равная той, которую следует затратить при желании расчленить его на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Чем она больше, тем труднее разрушить ядерную систему нуклонов.

Так уж случилось, что природа с каждого нуклона самых легких и самых тяжелых ядер взимает налог меньший, чем с нуклона средних ядер.

Избыток энергии, обладателями которого легкие и тяжелые ядра становились с момента рождения где-то в глубинах гигантских звезд, стал для человека драгоценным подарком природы.

В устойчивых ядрах этот подарок хранился так же надежно, как деньги в недоступных и несгораемых сейфах банка.

Заманчивый излишек энергии содержался и в куске урана, и в колбе с тяжелой водой, в молекулах которой находится тяжелый изотоп водорода — дейтерий. А воспользоваться им было невозможно: настоящий «неразменный рубль» из сказки. Только самопроизвольное радиоактивное превращение тяжелых ядер распахивало двери сейфа, и под носом у физиков альфа-частицы, электроны и гамма-кванты разносили часть хранившейся там энергии на все четыре стороны.

Перед людьми встала задача огромной важности — научиться вскрывать хранилища ядерной энергии.

Ученые долго не знали, как это сделать; у них не было подходящих для этой цели инструментов.

В химических реакциях вещества отдают энергию лишь в момент перестроения электронных оболочек атомов и молекул.

Знакомство с явлением радиоактивности еще раз убеждало, что некоторую долю внутренней энергии атомы тяжелых нестабильных элементов излучают только во время перестройки своих ядер. Как же вызвать ядерную реакцию?

У химиков никогда не было подобных затруднений. С помощью обычной спиртовки они легко сообщали молекулам реагирующих веществ те доли электрон-вольта, что требовались для начала химической реакции. На реорганизацию же крепко связанного коллектива нуклонов требовалось гораздо больше усилий. Ведь энергия связи ядер достигала десятков и сотен миллионов электрон-вольт.

И когда окончательно прояснилось, что плетью обуха не перешибешь и что с энергией меньше миллиона электрон-вольт в руках ядро не переделать, физики попытались обстрелять легкие атомные ядра такими снарядами, как альфа-частицы радиоактивного излучения. И вдруг удача. Альфа-частицы с энергией в несколько миллионов электрон-вольт так разворошили ядра азота, что они стали распадаться на ядра кислорода и протоны. Это была ядерная реакция, осуществленная по желанию человека.

«Резерфорд был первым человеческим существом, — писал один из создателей квантовой механики, Луи де Бройль, — которому посчастливилось осуществить вековую мечту алхимиков — искусственно превратить один химический элемент в другой». Но если алхимики искали способ получения из дешевых веществ лишь золота, то в результате успеха «ядерной алхимии» человечество получало гораздо более ценное сокровище — новый источник энергии.

Наблюдая за первой ядерной реакцией, расщеплением ядер азота, Э. Резерфорд заметил, что протоны, которые он регистрировал, уносили из распадавшегося ядра энергию большую, чем приносили в него альфа-частицы. Так исследователь впервые сумел чуть-чуть приоткрыть ядерный сейф с запасом энергии.

Позже было обнаружено, что с выделением энергии расщеплялись и некоторые другие ядра. Химические реакции, в которых выделяется энергия, называются экзотермическими. Это же наименование получили и ядерные реакции. Но какая разница была в количестве выделяемой энергии! Перестройка одной молекулы в химической реакции давала энергетический выигрыш максимум в несколько электрон-вольт. Щедрость ядерной реакции поразила современников. Первое же распавшееся ядро (ядро азота) наделяло вылетающий протон энергией в миллион раз большей.

Узнав об экспериментах по расщеплению ядер, Ф. Содди писал в 1919 году: «Эти открытия показали, что суровая борьба за существование, за истощенные источники природной энергии, которую вело человечество до сих пор, вовсе не является единственным и неизбежным уделом человека. Ничто не мешает нам думать, что наступит день, когда мы сможем использовать для наших нужд первичные источники энергии, которые природа ревностно хранит для будущего».

Среди гула восхищенных голосов людей, у которых новые достижения науки всколыхнули надежды на решение извечной проблемы топлива, остался неуслышанным одинокий голос поэта.