Противоположность в постановке проблемы при исследовании строения атома и строения ядра в отношении исходных пунктов и использованных приемов проявилась особенно ярко в том, как постепенно было достигнуто понимание быстро накопившегося экспериментального материала о ядерных реакциях. Началом этого направления было основанное на квантовой механике объяснение закона радиоактивного распада, который с момента его установления Резерфордом и Содди был непогрешимым руководством при исследовании большой области радиоактивных явлений. Хотя уже Эйнштейн в своем знаменитом простом выводе закона Планка теплового излучения, полученном на основе квантовых постулатов, подчеркнул аналогию между радиоактивным распадом и атомными процессами излучения, закон распада оставался долгое время загадочным, особенно после того, как Резерфорд обратил внимание на то, что энергия отталкивания между атомным ядром и испущенной α-частицей в общем существенно больше, чем кинетическая энергия этой частицы. Вскоре после выяснения принципов квантовой механики, как известно, Гэрни и Кондоном и независимо от них Гамовым было показано, что здесь мы как раз имеем дело с особенно поучительным примером непригодности обычных механических представлений.

Действительно, согласно квантовой механике пространственно ограниченное силовое поле не представляет абсолютного препятствия даже для частиц, кинетическая энергия которых меньше максимума потенциала; и уже простого сравнения закона сил, действующих между α-частицами и ядром со сферически симметричным потенциальным барьером, достаточно, чтобы дать непосредственное объяснение известного соотношения Гейгера — Нэттола для среднего времени жизни радиоактивного элемента и кинетической энергии испускаемой частицы.

Этот большой успех был началом весьма плодотворного направления, которое привело к широкому обзору процессов естественных и искусственных превращений ядра и сопутствующих электромагнитных излучений. Здесь прежде всего следует упомянуть объяснение Гамовым более тонкой структуры спектров α-излучения, которое подобно объяснению оптических спектров явилось основой более точного изучения дискретных квантовых состояний ядер. Вначале ведь речь шла — в отличие от анализа атомных спектров на базе принципа соответствия, — собственно, только о разумном применении классических законов сохранения и квантовых постулатов. В частности, постепенно выяснилось, что схематичное представление о поле ядра как о потенциальной яме, в которой частицы движутся приблизительно независимо друг от друга, недостаточно, чтобы объяснить детали ядерных реакций и в особенности часто с этим связанные характерные резонансные явления. В действительности выяснилось, как мы увидим, что эта типичная черта ядерных реакций в отличие от атомных реакций состоит как раз в чрезвычайно сильной связи движений частиц в ядре, по сравнению со связью движений электронов во внешней области атома, и в обусловленном этим чрезвычайно лёгком обмене энергией между отдельными ядерными частицами.

Это положение вещей выяснилось прежде всего при более глубоком изучении ядерных превращений, вызванных нейтронной бомбардировкой, которое последовало за открытием искусственной радиоактивности Ф. и И. Жолио. Вследствие отсутствия отталкивания вне области, занятой собственно ядром, последние явления намного легче обозревать, чем столкновения между ядрами и положительно заряженными частицами, такими, как протоны и α-частицы, для которых наличие потенциального барьера часто оказывает решающее влияние. Из того обстоятельства, что эффективные сечения неупругого рассеяния быстрых нейтронов на тяжёлых ядрах по порядку величины совпадают с ядерными размерами, можно действительно немедленно заключить, что связь между проникающим нейтроном и частицами ядра должна быть очень сильной. Ещё более далеко идущие выводы можно сделать из факта, впервые доказанного Ферми, что такие соударения могут даже с заметной вероятностью привести к захвату нейтрона с образованием нового стабильного ядра, которое, правда, часто оказывается β-радиоактивным, причём время жизни последнего всегда совсем другого порядка величины, чем времена, встречающиеся в процессах соударения. Но подобный захват нейтрона неизбежно связан с излучением избыточной энергии, и из наблюдаемой вероятности такого хода соударения можно поэтому заключить, что время соударения чрезвычайно велико по сравнению с интервалами времени, необходимыми для простого прохождения нейтрона через область ядра. Уже определяемая зарядом и размерами ядер верхняя граница вероятности γ-излучения означает в действительности, что отношение между временем соударения и последними интервалами времени порядка миллиона.

Обычный способ описания атомных процессов рассеяния, приспособленный к соударениям между быстрыми электронами и атомами, при котором движение в фиксированном силовом поле учитывается в первом приближении, поэтому полностью непригоден при описании соударении между нейтроном и ядром. Скорее следует представить себе, что проникновение нейтрона в область ядра немедленно вызывает обмен энергией с частицами ядра, вследствие чего энергия очень быстро распределяется между всеми частицами созданной нейтроном и первичным ядром общей системы, причём так равномерно, что ни одна частица не обладает в ближайший момент достаточной энергией, чтобы покинуть ядро вследствие притяжения соседних частиц. Характер этого промежуточного состояния приводит также к тому, что окончательный результат столкновения определяется, так сказать, свободной конкуренцией между всеми возможными процессами распада и излучения составной системы; этим и объясняется непосредственно удивительное обилие превращений ядра, в которых проявляются почти все виды процессов, совместимых с сохранением энергии. Как раз в этой связи уже вскоре после первых попыток Резерфорда расщепить ядро α-лучами всесторонне обсуждалось предложение о промежуточном состоянии при превращениях ядра; однако до опытов с нейтронами не только трудно было усмотреть влияние барьерных: эффектов, но и отсутствовала всякая основа для оценки времени жизни промежуточного состояния и для детальной характеристики его свойств.

Особенно поучительным результатом дискуссии о ядерных превращениях при столкновении с нейтроном является также открытие принципиальной разницы в распределении энергетических состояний в ядрах и атомах. Действительно, образование долгоживущего промежуточного состояния при столкновении между ядрами и нейтронами любой, достаточно высокой энергии требует обширной непрерывной области энергий составного ядра, которая, казалось, находится в прямом противоречии с доказанной при анализе спектров γ-излучения дискретностью энергетических состояний. Однако следует учесть, что при подобных соударениях мы имеем дело с такой энергией возбуждения составного ядра, которая много больше энергий возбуждённых состояний, имеющих отношение к обычному γ-излучению. В то время как в последнем случае мы имеем дело с возбуждением, не превышающим нескольких миллионов электронвольт, в первом же случае энергия возбуждения равняется сумме кинетической энергии свободного нейтрона и энергии связи нейтрона в нормальном состоянии составного ядра, которая составляет для средних массовых чисел почти 10 Мэв. Фактически область непрерывных энергий для таких массовых чисел начинается при энергии возбуждения только около 12 Мэв, и она примыкает к области дискретных состояний ядра совершенно равномерно, причём расстояния между соседними уровнями, которые для самых глубоких состояний оказываются порядка 1 Мэв, очень быстро уменьшаются с ростом энергии.

Прямое указание на чрезвычайно плотное распределение ядерных состояний при высоких энергиях возбуждения дали исследования по захвату очень медленных нейтронов, которые — в противоположность опытам по рассеянию быстрых нейтронов — обнаружили чёткое различие в реакциях ядер с незначительно отличающимися зарядом и массой. Эта избирательность представляет собой, очевидно, квантовомеханическое явление резонанса, обусловленное, так сказать, случайным совпадением энергии связи нейтрона в созданном при захвате новом ядре с квантовым уровнем этого ядра. Из резкости резонанса и наличия избирательности среди элементов можно действительно заключить на основе простых статистических соображений, что для средних массовых чисел расстояния между уровнями вблизи энергии возбуждения 10 Мэв составляют только около 10 эв. Большой интерес представляет явление резонанса при рассеянии медленных нейтронов вообще и прежде всего наблюдение эффективных сечений, которые в отдельных случаях могут более чем в 1000 раз превышать размеры ядер; это убедительный пример полной непригодности классического характера траектории в пределах расстояний, малых по сравнению с длиной волны де Бройля. В таких условиях проблема столкновений действительно обнаруживает далеко идущее сходство с акустическими и оптическими резонансными явлениями, и, как показали впервые Брейт и Вигнер и впоследствии более подробно Бете и Плачек, можно представить, как ядерные эффективные сечения рассеяния и захвата меняются с энергией согласно формулам, совершенно аналогичным хорошо известным дисперсионным формулам оптики.