Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Два года спустя Резерфорду присудили Нобелевскую премию – как ни странно, не по физике, а по химии – «за его исследования в области распада элементов и химии радиоактивных веществ». После вручения премии он язвительно заметил, что в ходе своих исследований он наблюдал много различных трансформаций, но самой быстрой из них была его собственная трансформация из физика в химика.

К тому времени Резерфорд уже вернулся в Англию, в Манчестерский университет. По мере того как росла заинтересованность ученого в точном измерении различных характеристик альфа-частиц, его все более раздражал феномен рассеяния, который мешал, к примеру, его попыткам измерить заряд альфа-частиц. Феномен рассеяния очень беспокоил и его коллег. Английский физик Уильям Генри Брегг прислал Резерфорду изображения следов «с резкими изгибами», оставленных альфа-частицами в камерах Вильсона. «Рассеяние – самый настоящий дьявол», – жаловался Резерфорд в письме еще одному своему коллеге.

Заняться измерениями рассеяния Резерфорд поручил своему новому ассистенту, Гансу Гейгеру – тому самому, который позднее изобрел знаменитый счетчик уровня радиоактивности. Это был еще один пример «бдительности экспериментатора» – инстинкта, который заставил Кавендиша измерить величину магнитных полей в его аппарате, а Милликена – изучать испарение водяных капель. Если в эксперименте возникает некая препятствующая сила, сначала следует измерить ее, а затем попытаться скомпенсировать. Так случилось, что просьба, обращенная Резерфордом к Гейгеру, стала еще одним шагом на пути к открытию атомного ядра. Поначалу Резерфорд этого не понимал; ему казалось, что он тратит время на изучение и измерение досадного препятствия, мешавшего точной оценке заряда и массы альфа-частиц.

Измерение характеристик альфа-частиц было утомительной и однообразной работой. Резерфорду и Гейгеру было известно, что при столкновении альфа-частиц с определенными химическими веществами – например, с фосфоресцирующим сульфидом цинка – возникают мгновенные вспышки, называемые сцинтилляцией, которые можно разглядеть в микроскоп. Так впервые отдельные атомы (альфа-частицы рассматривались как атомы гелия) были зарегистрированы наглядно. Рассматривая экран, окрашенный подобными веществами, исследователи могли точно установить, в каком месте на него попадали альфа-частицы, и таким способом определяли их траектории. Но чтобы увидеть слабые, эфемерные сцинтилляции, Гейгеру приходилось сидеть в полной темноте по крайней мере минут пятнадцать, чтобы его зрение смогло адаптироваться. На это утомительное ожидание уходило много времени.

Оборудование, которое использовал Гейгер для измерения рассеивания, с современной точки зрения было очень простым. В небольшой металлический сосуд помещали крошечную бусинку радия – крайне радиоактивного элемента, почти непрерывно испускающего альфа-частицы. Сосуд был снабжен специальными отверстиями, которые позволяли пропускать тонкий луч альфа-частиц вдоль стеклянной трубки в четыре фута длиной. Из трубки был выкачан весь воздух, чтобы альфа-частицы не вступали во взаимодействие с его молекулами. С упомянутой трубкой была соединена еще одна, похожая на нее, также без воздуха, по которой альфа-частицы проходили прежде, чем попасть на экран, покрытый сульфидом цинка. Глядя на экран через микроскоп, Гейгер наблюдал вспышки и определял их положение. Практически без исключений вспышки происходили в одном и том же месте. Затем Гейгер поместил тонкие листы металлической фольги между первой и второй стеклянными трубками. Теперь вспышки начали «плясать» по всему экрану.

Гейгер дал объяснение описанному феномену в докладе, представленном на заседании Лондонского королевского общества в июне 1908 года. Бо́льшая часть альфа-частиц проходила сквозь фольгу, но время от времени некоторые частицы отражались ею. Подобно бильярдному шару, катящемуся по столу от удара другого шара, альфа-частица отлетала назад. Чем толще был слой фольги, тем большее число альфа-частиц отражалось и отлетало назад под бо́льшим углом к исходному направлению. Совершенно очевидно, что эти альфа-частицы, проходя сквозь толстую фольгу, сталкивались с несколькими атомами. Кроме того, фольга, изготовленная из более тяжелых элементов (например, золота), рассеивала альфа-частицы сильнее, нежели фольга, изготовленная из более легких элементов (например, алюминия).

Резерфорду и его сотрудникам было трудно представить себе, что реально происходит при рассеянии. Им было известно, что альфа-частицы вылетали из кусочка радия с огромной скоростью, порядка 10 000 миль в секунду. Было трудно вообразить, как атомы тонкой фольги могли «сбить с пути» частицы с такой колоссальной энергией. По правде говоря, у Резерфорда и его сотрудников не было современного представления об альфа-частицах. Им было известно только, что альфа-частицы по своей сути являются атомами гелия, но о структуре этих атомов исследователи ничего не знали. Открытие того, что некоторые атомы излучают положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы, заставило некоторых ученых задуматься о внутренней структуре атома (с включением альфа-частиц / атомов гелия). Атомы, без сомнения, содержали электроны. А так как обычные атомы электрически нейтральны, значит, они обязательно должны были содержать также и положительный заряд. Но каким образом и в какой форме?

В 1904 году Джон Джозеф Томсон высказал предположение, что атом состоит из электронов, которые удерживаются неким положительно заряженным «желе», подобно сливам в пудинге, из-за чего данная модель получила название «модели сливового пудинга». В том же году один японский исследователь предложил планетарную модель, в которой атом был представлен в виде центрального ядра в окружении спутников. Однако это были всего лишь гипотезы, не позволяющие представить, что именно происходит, когда альфа-частица / атом гелия отскакивает от другого атома.

Пытаясь понять феномен рассеяния, Гейгер начал серию опытов совместно с новозеландским физиком Эрнестом Марсденом. На протяжении всей осени 1908 года и весны 1909-го они вносили усовершенствования в аппарат, добавили в него специальные прокладки, чтобы сократить рассеяние частиц, вызванное их столкновениями со стенками трубки, использовали более мощный луч, но получить достаточно стройные данные так и не смогли. Создавалось впечатление, что альфа-частицы рассеиваются не только фольгой, но и остатками воздуха в трубках, различными деталями трубок и остальной части экспериментального аппарата. При столь большом рассеянии было трудно сказать, что именно служит препятствием.

Однажды в начале весны 1909 года Резерфорд, внимательно следивший за работой Гейгера и Марсдена и их все нараставшими трудностями, зашел в лабораторию и, по воспоминаниям Марсдена, предложил: «Давайте посмотрим, нельзя ли добиться какого-нибудь результата при непосредственном отражении альфа-частиц от металлической поверхности?» Резерфорд хотел несколько изменить характер эксперимента, чтобы проверить, не будут ли альфа-частицы, обычно рассеивающиеся при прохождении через фольгу, отскакивать непосредственно от фольги подобно тому, как теннисный мяч отскакивает от стены.

Гейгер с Марсденом подготовили очень простую экспериментальную установку. Они отодвинули экран в сторону и закрыли его свинцовой пластиной, чтобы альфа-частицы не смогли его достичь, за исключением тех альфа-частиц, которые будут отскакивать от металлической фольги (рис. 20). Им пришлось еще больше увеличить мощность источника излучения, чтобы довести до максимума число частиц, движущихся под большим углом. Почти сразу же они заметили, что некоторые частицы на самом деле отлетают назад. В течение нескольких недель ученые повторяли опыт, используя фольгу из различных металлов разной толщины, и обнаружили, что примерно одна из восьми тысяч альфа-частиц отскакивала под углом больше девяноста градусов. «Поначалу, – писал позднее Гейгер, – мы вообще не могли этого [рассеяния под углом больше 90°] понять»137.

Рис. 20. Набросок схемы эксперимента Гейгера и Марсдена по измерению широкоугольного рассеяния

На тот момент Резерфорд, к своему великому неудовольствию, осознал, что для понимания процесса рассеяния альфа-частиц в результате одного или большего числа случайных столкновений придется расширить свои познания в теории вероятностей. В результате в начале 1909 года Резерфорд записался на начальный курс по теории вероятностей. Нобелевский лауреат прилежно конспектировал лекции и решал задачи, и в конце концов ему удалось разработать теорию, названную им «множественным рассеянием», которая была применима к случаям, когда частицы рассеивались в ходе случайных столкновений с несколькими атомами. Однако теория множественного рассеяния не могла объяснить феномен широкоугольного рассеяния, с которым столкнулись Гейгер и Марсден. В лекции, прочитанной в конце жизни, Резерфорд говорил о том времени, когда Гейгер и Марсден впервые поставили свой эксперимент: