Главный источник знаний о строении атомных ядер — изучение их распада и превращений; однако важная информация получается также из обычного спектрального анализа. Как было отмечено, сверхтонкая структура спектральных линий позволяет нам получить сведения о магнитных моментах и моментах количества движения атомных ядер, а из чередования интенсивностей в полосатых спектрах мы выводим статистику, которой подчиняются ядра. Можно думать, что интерпретация этих результатов лежит в значительной степени вне сферы действия теперешней квантовой механики; в частности, идея спина оказывается неприменимой к внутриядерным электронам, как было впервые подчёркнуто Кронигом. Это выступает особенно ясно из данных относительно статистики ядер. Верно, что уже отмеченный факт подчинения ядер гелия статистике Бозе есть как раз то, что ожидалось из квантовой механики для систем, составленных из чётного числа частиц, которые подобно электронам и протонам удовлетворяют принципу исключения Паули. Но следующее ядро, для которого имеются данные относительно статистики, а именно ядро азота, подчиняется также статистике Бозе, хотя оно состоит из нечётного числа частиц — 14 протонов и 7 электронов, и таким образом должно подчиняться статистике Ферми. В самом деле, общие экспериментальные данные относительно этого пункта, по-видимому, следуют такому правилу, что ядра, содержащие чётное число протонов, подчиняются статистике Бозе, тогда как ядра, содержащие нечётное число протонов, — статистике Ферми. С одной стороны, эта удивительная «пассивность» внутриядерных электронов в определении статистики есть, в самом деле, весьма прямое указание на существенное ограничение идеи отдельных динамических единиц в применении к электронам. Строго говоря, мы не находим оправдания даже утверждению, что ядро содержит определённое число электронов; можно говорить только о том, что его отрицательный электрический заряд равен целому числу элементарных единиц, и в этом смысле испускание β-лучей из ядра может рассматриваться как создание электрона как некой механической единицы. С другой стороны, только что упомянутое правило относительно статистики ядер можно рассматривать, с этой точки зрения, как подтверждение существенной законности квантовомеханической трактовки поведения α-частиц и протонов в ядрах. Фактически такая трактовка очень плодотворна также для объяснения их участия в самопроизвольных и искусственно вызываемых ядерных расщеплениях.
Через десять лет, прошедших со времени фундаментальных открытий Резерфорда, накоплено большое количество чрезвычайно ценных данных по этому вопросу в основном благодаря большой исследовательской работе в этой новой области, проведённой под его руководством в Кавендишской лаборатории. Таким образом, с теоретической точки зрения, одним из наиболее интересных результатов новейшего развития атомной теории является использование вероятностного рассмотрения для формулировки фундаментального закона распада, который в то время был совершенно изолированной и очень смелой гипотезой; оно оказалось полностью соответствующим общим идеям квантовой механики. Уже на более примитивной стадии развития квантовой теории этот пункт затрагивался Эйнштейном в связи с его формулировкой вероятностных законов элементарных процессов излучения и был затем подчёркнут Росселандом в его плодотворной работе по обратным столкновениям. Однако именно волновомеханический формализм впервые создал основу для детального истолкования радиоактивного распада в полном соответствии с выводом Резерфорда о размерах ядер, сделанным из рассеяния α-лучей. Как было отмечено Кондоном и Гэрни и независимо Гамовым, волновомеханический формализм в сочетании с простой моделью ядра приводит к поучительному объяснению закона α-распада, а также специфического соотношения, известного как правило Гейгера—Нэттола, между средним временем жизни исходного элемента и энергией испущенной α-частицы. Особенно Гамову удалось распространить квантовомеханическую трактовку ядерных проблем на общий качественный учёт связи между α- и γ-спектрами, в которой идеи стационарных состояний и элементарных процессов перехода играют ту же роль, что и в случае обычных атомных превращений и оптических спектров. В этих исследованиях α-частицы в ядрах рассматриваются подобно внеядерным электронам в атомах, однако с той характерной разницей, что α-частицы подчиняются статистике Бозе и удерживаются в ядре благодаря взаимодействию их самих, в то время как электроны, подчиняющиеся статистике Ферми, удерживает в атоме притяжение ядра. Это обстоятельство наряду с другими причинами ответственно за малую скорость испускания энергии, в виде γ-излучения, возбуждёнными ядрами, которая сравнима даже со скоростью обмена механической энергией между такими ядрами и окружающими их электронными оболочками, так называемой внутренней конверсии. Действительно, в противоположность атому, построенному из отдельных положительно и отрицательно заряженных частиц, система, подобная ядру и состоящая только из α-частиц, никогда не будет обладать электрическим моментом, и в этом отношении едва ли можно ожидать, что добавочные протоны и отрицательные заряды реальных ядер могут существенно изменить положение. Помимо таких простых приложений принципа соответствия наше незнание сил, действующих на α-частицы и протоны в ядрах, которые, надо думать, существенно зависят от отрицательных зарядов, не допускает в настоящее время теоретические предсказания более количественного характера. Многообещающее средство исследования этих сил предоставляет нам изучение контролируемых ядерных расщеплений и смежных явлений. Поскольку это касается поведения α-частиц и протонов, можно, следовательно, с помощью квантовой механики постепенно построить детальную теорию строения ядра, из которой мы можем в свою очередь получить дальнейшую информацию о новых аспектах атомной теории, которые представляются проблемой отрицательных электрических зарядов в ядрах.
Что касается этого последнего вопроса, большой теоретический интерес недавно вызвали своеобразные особенности испускания β-лучей. С одной стороны, исходные элементы имеют определённую скорость распада, выраженную простым вероятностным законом так же, как в случае α-распада. С другой стороны, обнаружено, что энергия, освобождающаяся в отдельном β-превращении, варьирует в пределах широкого непрерывного интервала, тогда как энергия, излучаемая при α-распаде, при учёте сопровождающего электромагнитного излучения и превращения в механическую энергию, видимо, является одинаковой для всех атомов одного и того же элемента. Если испускание β-лучей из атомных ядер, вопреки ожиданию, является не спонтанным процессом, но обусловлено некоторым внешним фактором, то применение принципа сохранения энергии к β-распаду означало бы, что атомы какого-либо заданного радиоактивного элемента имеют различную энергию. Хотя соответствующие вариации масс были бы слишком малы, чтобы их можно было обнаружить существующими экспериментальными методами, такие конечные разности энергий индивидуальных атомов было бы очень трудно согласовать с другими свойствами их. Во-первых, мы не находим аналогии таким вариациям в области нерадиоактивных элементов. В самом деле, поскольку это касается исследований статистики ядер, найдено, что ядра любого типа, имеющие один и тот же заряд и в пределах экспериментальной точности одну и ту же массу, должны подчиняться определённой статистике в квантовомеханическом смысле; это значит, что такие ядра должны рассматриваться не как приближённо равные, а как существенно тождественные. Этот вывод является тем более важным для наших рассуждений, что при отсутствии какой-либо теории внутриядерных электронов рассматриваемая тождественность никоим образом не является следствием квантовой механики, подобно тождественности внеядерных электронных конфигураций всех атомов некоторого элемента в некотором данном стационарном состоянии, но представляет собой новую фундаментальную черту атомной стабильности. Во-вторых, нельзя найти никакого доказательства вариации энергии обсуждаемого типа при изучении стационарных состояний радиоактивных ядер, связанных с испусканием членами радиоактивного семейства α- и γ-лучей, предшествующих или следующих за образованием β-лучей. Наконец, определённая скорость распада, которая является общей чертой α- и β-превращений, указывает даже для β-радиоактивных ядер на существенное сходство всех исходных атомов, несмотря на вариацию энергии, освобождающейся при испускании β-лучей. При отсутствии общей последовательной теории, включающей в себя соотношение между присущей электронам и протонам стабильностью и существованием элементарных квантов электричества и действия, очень трудно прийти к определённому заключению в этом вопросе. Однако на современном этапе развития атомной теории мы можем сказать, что не существует эмпирических или теоретических аргументов для подтверждения закона сохранения энергии в случае β-распада, и попытки сделать это даже приводят к осложнениям и трудностям. Конечно, радикальный отход от этого закона заключал бы в себе странные следствия в случае, если бы такой процесс мог быть обращён. В самом деле, если бы в некотором процессе столкновения электрон мог поглотиться ядром с потерей его механической индивидуальности и, следовательно, мог быть воссоздан как β-частица, мы нашли бы, что энергия этой β-частицы вообще отличалась бы от энергии исходного электрона. Точно так же, как учёт таких аспектов строения атома существен для объяснения обычных физических и химических свойств материи и означает отказ от классического идеала причинности, ещё не вскрытые особенности стабильности атомов, ответственные за существование и свойства атомных ядер, могут заставить нас отказаться от самой идеи сохранения энергии. Я не буду дальше входить в такие рассуждения и в их возможную связь с много обсуждавшимся вопросом об источнике энергии звёзд. Я коснулся этого вопроса главным образом для того, чтобы подчеркнуть, что в атомной теории, несмотря на весь её новейший прогресс, мы должны ещё быть готовы к новым сюрпризам.
