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

«…Два или три дня спустя Гейгер зашел ко мне в сильном волнении и сказал: „Мы добились того, что некоторые альфа-частицы вернулись…“ Это было самое невероятное событие в моей жизни. Оно было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отлетел бы от нее и поразил бы вас»138.

Недоверчивость Резерфорда – пример оценки эксперимента задним числом. В физическом смысле слова описанная ситуация действительно была невероятна: тяжелая альфа-частица, выпущенная со скоростью примерно десять тысяч миль в секунду, отскакивает от жалкого кусочка фольги! Но даже грандиозное научное воображение Резерфорда далеко не сразу усвоило всю немыслимость происшедшего.

Поначалу он полагал, что широкоугольное рассеяние можно объяснить как частный случай феномена множественного рассеяния, то есть тем, что альфа-частицы сталкиваются с чрезвычайно большим числом атомов, которые и заставляют их отскакивать. Однако в течение следующего года, в ходе оценки результатов эксперимента и дальнейшей работы над теорией вероятностей, а также в силу ряда иных соображений, Резерфорд начал менять свой подход. К числу «иных соображений» принадлежало его все более укреплявшееся убеждение, что альфа-частица представляет собой не шарик и не пудинг, но может рассматриваться как точка. Это был грандиозный шаг вперед, так как, помимо всего прочего, чрезвычайно упростился математический аппарат теории рассеяния. Идея также помогла Резерфорду осознать, насколько ценным исследовательским инструментом является феномен рассеяния альфа-частиц. Если обладать достаточной информацией о рассеянии и о том, как на него воздействуют различные параметры (такие, к примеру, как заряд и распределение массы), то можно было обратить процесс и по характеру рассеяния альфа-частиц выяснить особенности самого источника рассеяния. Иначе говоря, рассеяние было не просто досадным явлением, с которым приходилось мириться, но интересным феноменом, на основании которого можно было многое сказать о других вещах.

Более того, Резерфорд начинал понимать, что характер рассеяния альфа-частиц способен многое сообщить о структуре самого атома. По словам Гейгера, незадолго до Рождества 1910 года на Резерфорда снизошло весьма значимое озарение:

«Однажды Резерфорд зашел ко мне в очень хорошем расположении духа и заявил, что ему известно, как выглядит атом и как объяснить большие отклонения альфа-частиц. В тот же самый день я приступил к эксперименту по проверке предполагаемого Резерфордом соотношения между числом рассеиваемых частиц и углом их рассеяния»139.

Физик Чарльз Галтон Дарвин, внук знаменитого натуралиста, впоследствии вспоминал многозначительное заявление Резерфорда: «Очень приятно видеть зримое проявление того, что ты уже нарисовал в своем воображении»140.

Упрощения, внесенные в теорию рассеяния, помогли Резерфорду понять, что поведение альфа-частиц нельзя объяснить концепцией множественного рассеяния: альфа-частицы отскакивали не в результате множественных столкновений, а из-за одного конкретного столкновения. Это могло произойти только в том случае, если почти вся масса атома сконцентрирована в одном заряженном узле в центре атома.

Что же такого увидел Резерфорд в своем воображении? Он увидел, что атом состоит из массивного заряженного ядра, окруженного в основном пустым пространством – еще более пустым, чем Солнечная система. Если бы атом можно было бы увеличить до размеров футбольного стадиона, его ядро имело бы размеры мухи в самом центре арены, а электроны представляли бы собой еще более мелкие крупинки, разбросанные по этой громадной площади. При этом практически вся масса такого стадиона будет содержаться в крошечном ядре. Однако Резерфорду все еще было непонятно, положительно или отрицательно заряжено само ядро.

В марте 1911 года он писал одному из своих коллег:

«Гейгер работает над вопросом большого рассеяния, и полученные им результаты представляются весьма многообещающими для теории. Законы большого рассеяния принципиальным образом отличаются от законов малого рассеяния… Я начинаю склоняться к мысли, что центральное ядро имеет отрицательный заряд»141.

Скорее всего, ученый тогда полагал, что положительно заряженные альфа-частицы движутся вокруг отрицательно заряженного ядра, подобно тому как кометы движутся вокруг Солнца.

Однако Резерфорд не сразу решился обнародовать свои выводы: они противоречили модели «сливового пудинга», предложенной его наставником Джоном Джозефом Томсоном, ведущим авторитетом в атомной физике той эпохи. Но тут Резерфорду помогла удача. Джеймс Джеральд Кроутер, один из учеников Томсона, опубликовал данные эксперимента с бета-частицами, который, по его мнению, доказывал, что «положительный электрический заряд внутри атома… практически равномерно распределен по всему атому»142. Это в определенном смысле развязало руки Резерфорду, так как мишенью в полемике становился не его уважаемый наставник, а молодой исследователь. Резерфорд мог изложить собственные взгляды и излить язвительную критику на Кроутера, сохранив теплые отношения с Томсоном.

В неофициальном докладе, представленном в марте 1911 года в Манчестере, Резерфорд упомянул о результатах и выводах Кроутера, но заметил, что открытое Гейгером и Марсденом широкоугольное рассеяние «невозможно объяснить» теорией множественного рассеяния. «Создается впечатление, – продолжал он, – что названные значительные отклонения альфа-частиц являются результатом единичного столкновения атомов». Это, в свою очередь, указывает на то, что атом «состоит из центрального электрического заряда, сконцентрированного в точке». Далее Резерфорд продолжил критическое рассмотрение выводов Кроутера и фактически перечеркнул их значимость, заявив, что его собственная модель очень хорошо объясняет большинство результатов, полученных Кроутером в его эксперименте143.

В мае того же года Резерфорд представил в один научный журнал статью – по словам Хейлброна, «красивую и знаменитую». Называлась она «Рассеяние α - и β - частиц материей и структурой атома»144. После описания работы Гейгера и Марсдена, эксперимента Кроутера и теорий индивидуального и множественного рассеяния Резерфорд переходит к разделу «Общие соображения». В официальном представлении результатов своих исследований он писал:

«Принимая во внимание всю имеющуюся информацию, проще всего предположить, что атом содержит центральный заряд, распределенный по довольно небольшому объему».

Став одной из наиболее революционных научных публикаций за всю историю европейской цивилизации, статья Резерфорда, по словам физика Эдварда Невилла да Коста Андраде, повлекла за собой «величайший переворот в нашем представлении о материи со времени Демокрита… жившего за четыре столетия до Христа». Считалось, что атомы являются базовыми строительными кирпичиками материи – само слово «атом» происходит от греческого «неделимый», – в статье же Резерфорда приводилось описание составных частей и структуры атома.

Модель Резерфорда не только открыла новые перспективы для решения многих проблем атомной физики. Альфа-частицы, к примеру, на самом деле были частями ядра, которые каким-то образом выбрасывались или откалывались от него. Они имели положительный заряд, подобно остальной части ядра; однако когда их скорость снижалась, они обретали способность притягивать электроны, после чего становились электрически нейтральными, как обычные атомы гелия.

В то время ни Резерфорд, ни кто-либо другой не рассматривал данное открытие как невероятное или эпохальное. Исследователь редко упоминал свое открытие в переписке и весьма сжато изложил содержание своей статьи в труде «Радиоактивные вещества и их излучение», вышедшем почти два года спустя. Научный мир отреагировал на его идеи довольно сдержанно. В ведущих научных журналах тех лет практически не было ссылок на статью Резерфорда, отсутствовали упоминания о ней как в докладах на наиболее значимых научных конференциях, так и в лекциях крупнейших ученых, включая Томсона.

Нам, людям XXI века, до боли остро осознающим драматические последствия открытия атомного ядра, это кажется очень странным. Однако модель Резерфорда в момент своего появления никак не соотносилась с огромным объемом информации, имевшимся об атоме в тогдашней химии и физике. Более того, его модель, согласно существовавшим в то время представлениям, не могла работать, так как была механически нестабильна. Модель обрела стабильность лишь в 1912 году, когда в Манчестер прибыл датский физик Нильс Бор и применил к модели Резерфорда идею кванта, состоявшую в том, что излучение и поглощение энергии электронами на атомных орбитах может происходить только конечными, хотя и очень небольшими, порциями. Кроме того, Бор продемонстрировал, как Резерфордова модель, обновленная в свете квантовой теории, объясняет многие другие явления, например частоту излучения света атомами водорода. Немного позднее Генри Мозли, еще один ученик Резерфорда, показал, что с помощью модели атома Резерфорда – Бора можно объяснить излучение рентгеновских лучей переходами с одного энергетического уровня на другой внутренних электронов более тяжелых элементов и рассчитать его частоту. Только после этого модель атома, почти вся масса которого сосредоточена в небольшом по относительным размерам ядре, стала очевидной для тех, чья интуиция не была столь развита, как у Резерфорда.