Сейчас сочетание «радиоактивные изотопы» стало нам привычным, школа должна была нас научить, что изотопы – это ядра с одинаковым зарядом, то есть с одинаковым числом протонов, но с разным числом нейтронов. Массы изотопов – разные. А есть еще изомеры – ядра с одинаковой массой, у них одинаковое число и протонов, и нейтронов. Удивительно, что тем не менее ядерные системы с одинаковым число протонов и нейтронов могут отличаться друг от друга. Например, иметь разные периоды радиоактивного распада или существенно разное время жизни.
Один из первых изомеров был открыт группой И. В. Курчатова в Ленинграде. Курчатов вслед за Жолио-Кюри и Ферми изучал искусственную радиоактивность, наводимую нейтронами в разных веществах. В 1935 г. он обнаружил, что при облучении 79Br нейтронами образуется изотоп 80Br, имеющий два периода полураспада 17,7 минуты и 4,4 часа, что соответствовало бета-распадам из основного и изомерного состояния. Но почему ядра с одинаковым набором протонов и нейтронов ведут себя по-разному – это оставалось загадкой.
Для объяснения феномена изомерии в 1936 г. К. Вайцзеккер предположил, что ядра-изомеры образуются в разных энергетических состояниях: одно – в основном, а другое – в возбужденном. Если угловые моменты основного и возбужденного состояния сильно отличаются (на несколько единиц), то переход из возбужденного состояния в основное путем излучения γ-квантов оказывается сильно подавленным. Поэтому радиоактивный бета-распад происходит либо из основного состояния с одной вероятностью, либо из возбужденного состояния – с другой вероятностью. Поэтому мы видим испускание электронов с двумя различными временами полураспада.
Для подтверждения этой гипотезы не хватало одного: надо было бы напрямую обнаружить переходы из возбужденного состояния в основное. То есть увидеть γ-кванты с фиксированной энергией перехода. Основная трудность состояла в том, что вероятность таких переходов была достаточно мала.
Как бы стал решать эту задачу среднестатистический экспериментатор? Вероятность гамма-перехода мала – значит, надо взять больше гамма-детекторов, увеличить время набора статистики и т. д. Бруно же решил эту задачу парадоксально: не надо смотреть за гамма-квантами! Надо искать электроны внутренней конверсии.
Дело в том, что переход ядра из возбужденного состояния в основное может осуществляться не только за счет испускания γ-кванта. Энергия перехода может передаваться непосредственно электрону атомной оболочки. В результате этого явления испускается не γ-квант, а так называемый конверсионный электрон, кинетическая энергия которого равна разности между энергией ядерного возбужденного состояния перехода и энергией связи электрона на той оболочке, с которой он был испущен.
Понтекорво предположил, что при сравнительно малых энергиях перехода вероятнее будет испускание не γ-кванта, а электронов внутренней конверсии. Если это так, то должны наблюдаться электроны с четко фиксированной энергией. Обычный бета-распад – это испускание электрона с некоторым непрерывным спектром. Бруно же предсказал, что в энергетическом спектре электронов от изомеров должны наблюдаться узкие линии. Он сделал это в своем выступлении на Международном конгрессе, организованном Жолио в 1937 г. в Palais de la Decouverte в Париже [26]. Интересно, что независимо от Понтекорво к такой же идее пришел и И. В. Курчатов.
Для экспериментальной проверки своей гипотезы Бруно выбрал изотоп родия 104Rh. Причина, как писал Бруно [27], состояла в том, что с образцом родия он набегал более 100 километров по коридорам на виа Панисперна и хорошо знал, что при облучении медленными нейтронами у родия появляются две активности с периодами полураспада в 44 секунды и 4,2 минуты. В группе Ферми активность родия с периодом полураспада в 44 секунды использовали как индикатор активности, наведенной за счет облучения медленными нейтронами. Бруно верил, что появление двух активностей – это признак изомерии. Эксперименты, сделанные на простой аппаратуре – радон-бериллиевый источник нейтронов, тонкая родиевая мишень и тонкостенный счетчик Гейгера – Мюллера – подтвердили это предположение.