Эрнест Резерфорд

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Эрнест Резерфорд

Человек, заглянувший в глубь атома

Вспыхнул экран, и все увидели пожилого человека с благородной внешностью. Он сидел за столом перед микрофоном и ровным голосом читал лекцию. Иногда он заглядывал в листок, который брал со стола. На нем был темный костюм и белая рубашка с твердым накрахмаленным старомодным воротничком. Этот воротничок с отогнутыми треугольными концами, а также микрофон старой конструкции указывали на то, что действие, зафиксированное кинокамерой, происходит в довольно далекие от нас времена.

Перед микрофоном выступал Эрнест Резерфорд — один из самых знаменитых физиков первой половины XX века. Когда-то Резерфорд первый анатомировал атом, обнаружив в нем ядро. Он исследовал сложные явления, протекающие в этой поразительно малой частице вещества, а затем в своей лаборатории расщепил ядра атомов. Можно долго перечислять, что еще сделал в науке Резерфорд. И увидеть его самого — пусть на киноэкране — да еще читающим лекцию об атомном ядре, которое он открыл, было выдающимся событием.

Особый интерес кинофильм о Резерфорде представлял для молодых ученых. Ведь для них Резерфорд — уже история, хотя с этим именем физики нескольких поколений связывают наиболее важные черты, характеризующие подлинного ученого: смелость воображения, тончайшее искусство экспериментатора, умение воспитывать молодежь и руководить большой научной школой.

Фильм о Резерфорде демонстрировался 20 августа 1971 года в аудитории Московского университета во время коллоквиума, посвященного 100-летию со дня рождения этого замечательного английского ученого.

Демонстрация фильма продолжалась всего несколько минут. Но какая торжественная тишина воцарилась в это время в большом переполненном людьми зале! Все взоры были прикованы к экрану. Каждый глубоко переживал эти счастливые минуты. Фильм явился кульминацией коллоквиума о Резерфорде.

На сцене за столом президиума сидели ученики Резерфорда. Председательствовал академик П.Л. Капица. Остальные были иностранцы: Фезер, Льюис, Шенберг, Девоне. Все они, как и П.Л. Капица, работали в Кевендишской лаборатории Кембриджского университета, возглавлявшейся Резерфордом. То, что они видели на экране, уносило их в далекую молодость...

Резерфорд давно умер, оставив много учеников, которые разъехались по всему свету и своими трудами внесли важный вклад в физику. Их становится все меньше и меньше. Но они уходят, оставляя своих учеников, продолжающих великие традиции научного творчества, завещанные Резерфордом.

Процесс развития науки сложен и многогранен. Стремительно растет число ученых, расширяется круг проблем, неуклонно увеличивается количество теоретических и экспериментальных работ. Все новые и новые, подчас удивительные приборы и инструменты приходят на помощь исследователям. Может быть, этот процесс бурного расцвета научного творчества правомерно было бы сравнить с цепной реакцией. Об этом говорили участники коллоквиума, анализируя состояние ядерной физики после Резерфорда.

Резерфорд был лично знаком со всеми физиками, представленными в этой книге, хорошо знал круг проблем, которыми они занимались. Капица работал с Резерфордом около 14 лет. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри встречались с великим ученым много раз — и в Париже, и на конгрессе Сольвея в Брюсселе[1]. И.Е. Тамм был представлен Резерфорду в период своей работы вместе с Дираком в Кембридже. В Кевендишской лаборатории побывал и Я.И. Френкель, где он был принят Резерфордом.

И может быть, эти личные контакты с великим ученым современности сыграли не последнюю роль в формировании как научных, так и гражданских устремлений каждого из тех, о ком здесь будет рассказано. Значение этого трудно переоценить, поскольку речь идет об авторах открытий, приведших в созданию новой эпохи в науке и технике.

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии, в простой шотландской семье. Нам известно, что его дед Джордж Резерфорд жил в Шотландии и был колесным мастером. С детских лет Джордж занимался ремонтом кэбов и крестьянских телег. На Британских островах, как и во всей Европе, эта профессия высоко ценилась. Но, видимо, заработки были все-таки недостаточны, и Джордж решился на рискованный шаг — вместе с семьей отправиться в поисках счастья на далекие, таинственные острова Новой Зеландии.

Семья эмигранта Джорджа Резерфорда, подписавшего контракт с новозеландской компанией, состояла из жены и маленького сына Джеймса. Они совершили путешествие к берегам Новой Зеландии на парусном судне «Фиби Данбар».

Океанское плавание семьи Резерфордов длилось ни много ни мало шесть с половиной месяцев. Этот путь от Англии до островов был полон невзгод и лишений. Эмигранты, тесно разместившиеся в каютах и на палубе, терпели голод и холод, были лишены элементарных удобств, их одежда износилась. Штормы то и дело угрожали прекратить это затянувшееся путешествие. В общем, жизнь на корабле могла бы служить превосходным материалом для детских книжек о дальних океанских плаваниях в эпоху парусного флота.

Но вот для пассажиров «Фиби Данбар» наступил лучезарный день. Вахтенный с марса объявил, что видит землю.

Семья колесного мастера из Шотландии ступила на новозеландские берега.

Сын Джорджа Резерфорда Джеймс, когда вырос, стал механиком и одновременно фермером-льноводом. Он женился на одной из первых учительниц Новой Зеландии, шотландской эмигрантке Марте Томсон. После свадьбы Джеймс и Марта немедленно занялись постройкой бунгало. В этом домике, расположенном в живописной местности Брайтуотер, 30 августа 1871 года родился Эрнест Резерфорд. Он был четвертым ребенком, а после него у Резерфордов родились еще восемь детей. Только одного из двенадцати судьба наделила столь щедро.

Уже в раннем детстве Эрнест с особым интересом, свойственным далеко не всем детям, наблюдал за полевыми работами и обработкой льна, которыми занимался его отец. Эрнест мог бы стать хорошим фермером и механиком. Но оказалось, что его ум и способности пригодны для других занятий.

Начальную школу он окончил с рекордным количеством баллов: 580 из 600 возможных. Это позволило Эрнесту получить премию 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. Это была немалая сумма.

Следующий этап обучения — колледж в Нельсоне, куда Эрнест был принят в пятый класс. Учителя обратили внимание на его исключительные способности к математике. В школьном дневнике появилась запись: «Очень быстро соображающий и многообещающий математик, легко завоевавший первенство». Но математиком Резерфорд не стал.

Впрочем, он легко усваивал и гуманитарные науки: английскую литературу, латинский и французский языки. Резерфорд, однако, не стал и гуманитарием.

Отмечают, что во всех классах колледжа Резерфорд получал награды и премии почти по всем предметам, в равной мере относящимся к точным, естественным и гуманитарным наукам.

Добавим, что Резерфорд в этот период проявлял большой интерес к устройству различных машин и механизмов. Подобно юному Ньютону, он любил разбирать часы; правда, ему не всегда удавалось их вновь собрать и привести в действие. Отец часто брал его с собой на строительство водяных мельниц, которым он как механик руководил, и одаренный юноша с увлечением строил модели этих сооружений.

После окончания Нельсоновского колледжа Резерфорд поступил в Кентерберийский университет. Это высшее учебное заведение — первое в Новой Зеландии — незадолго до того было основано в городе Крайстчерче. В те годы в университете занималось всего 150 студентов. Их обучали семь профессоров. Здесь Эрнест уже более серьезно заинтересовался физикой и химией.

В Кентерберийском университете Резерфорд участвовал в научных и общественно-политических студенческих дискуссиях — не только по вопросам физики, химии, механики, но также литературы, искусства, древнегреческой мифологии и даже алхимии. В 1891 году в университете образовалось студенческое научное общество. На его собраниях обычно выступали студенты с сообщениями на самые различные темы, после чего происходили дискуссии.

На первом же заседании Резерфорд — тогда студент второго курса — выступил с докладом «Эволюция элементов». Название доклада показалось участникам странным, как, впрочем, и его суть. Резерфорд высказал предположение, что все химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц. К этому предположению Резерфорд пришел совершенно самостоятельно. В то время атом считался неделимым — в физике господствовала теория Дальтона о неделимости атомов. Гипотеза Проута, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода, к тому времени считалась опровергнутой и потому не включалась в курс обучения. Радиоактивность же — явление, которое могло вызвать сомнение в правильности теории Дальтона о неделимости атомов, — была открыта лишь через пять лет.

Утверждения Резерфорда показались большинству участников собрания лишенными здравого смысла. Некоторые студенты даже выразили свою полную уверенность в абсурдности такого утверждения, правда, никто из этих самоуверенных молодых людей не стал впоследствии известным ученым в области естествознания.

Если студенческий доклад Резерфорда не вызвал ни понимания, ни одобрения в университете, то здесь должным образом оценили результаты некоторых его практических работ, в частности, исследования свойств электромагнитных волн. В те времена величайшей сенсацией в науке послужило открытие немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн, предсказанных электродинамикой Максвелла. Резерфорд увлекся «волнами Герца» и в маленьком холодном сарае, где разместилась студенческая физическая лаборатория, провел серию опытов. В «лаборатории» был цементный пол, это помещение обычно называли пещерой или берлогой.

Своими опытами в «берлоге» Резерфорд показал, в частности, что электромагнитные волны при возбуждении их переменным током высокой частоты вызывают быстрое размагничивание стальной проволоки. Он разработал методы обнаружения электромагнитных волн с помощью пучка намагниченных до насыщения иголок.

Резерфорд собственноручно изготовил приборы для измерения размагничивания стальных иголок, происходящего менее чем в одну стотысячную долю секунды.

Венцом творения был построенный Резерфордом приемник электромагнитных волн, который позднее он взял с собой в Кембридж. Это был далекий предок радиоприемника. По пути в Англию Резерфорд сделал краткую остановку в Австралии. Он встретился с известным ученым Вильямом Бреггом-отцом и продемонстрировал ему свой приемник. Брегг высоко оценил прибор.

После того как экспериментальная работа, выполненная Резерфордом в «пещере», была напечатана в студенческом журнале, автор ее стал знаменитостью не только в среде студентов и преподавателей университета, но и вообще в Крайстчерче. Как и все жители маленьких городов, крайстчерчтцы охотно соглашались иметь своих знаменитостей и даже искали их.

Резерфорд с отличием окончил университет, и тут перед ним возникла серьезная проблема: что делать дальше?

Он становится преподавателем средней школы (хайскул) в Крайстчерче.

Знакомя класс с новыми открытиями по магнетизму и электричеству, Резерфорд так увлекался, что подчас забывал о недостаточной подготовке своих учеников и учениц. В классе возникал страшный шум и беспорядок. Молодой учитель чаще всего не замечал этого. Если же он все-таки обращал внимание на происходящее вокруг, он выставлял из класса самого шумного ученика и требовал, чтобы тот принес журнал, куда он впишет ему единицу за поведение. Но ученики быстро научились злоупотреблять добротой и забывчивостью Резерфорда. Они поняли, что как только учитель вновь обратится к теме урока, можно будет свободно вернуться в класс без журнала и избежать наказания.

Трудно сказать, как сложилась бы дальнейшая жизнь Резерфорда, если бы не одно событие, происшедшее через несколько месяцев после начала его учительской карьеры. Как-то он копал картошку в огороде. Это занятие было прервано приходом матери, сообщившей радостную весть: ему присуждена «стипендия 1851 года».

Услышав о стипендии, Резерфорд бросил лопату и, рассмеявшись, воскликнул: «Это последняя картошка, которую я выкапываю».

Стипендия присуждалась самым талантливым выпускникам провинциальных английских университетов. Она была учреждена в 1851 году из части доходов Всемирной выставки в Лондоне, размещенной в построенном для нее Хрустальном дворце (впоследствии уничтоженном пожаром). Стипендия представляла значительную по тем временам сумму и позволяла стипендиату проходить стажировку в течение 2...3 лет в одном или нескольких лучших университетах метрополии.

Резерфорд избрал для своей стажировки Кембриджский университет. Теперь ему предстояло проделать такой же далекий путь, который когда-то проделал его дед Джордж. Но, к счастью, парусники отжили свой век, и Резерфорд теперь мог воспользоваться для своего путешествия большим океанским пароходом.

Он в первый раз покидал острова, где оставались родители и невеста — студентка Кентерберийского университета Мери Ньютон.

Провинциальный юноша с университетским дипломом приехал по железной дороге из Лондона в Кембридж и отыскал здание Кевендишской лаборатории на улице Фрискул лэйн (где она находится и ныне). Резерфорд не был уверен, что директор этой знаменитой лаборатории прославленный ученый Джозеф Томсон согласится взять его к себе. Однако опасения рассеяла первая же встреча с Томсоном, который поразил молодого человека своей сердечностью, учтивостью и ученостью. Томсон очень внимательно выслушал Резерфорда и сказал, что ему нужны молодые сотрудники, особенно теперь, когда он приступает к серии новых экспериментов. Он планировал «мощное наступление» на малоисследованные проблемы. К ним Томсон относил, например, электрические разряды в газах, люминесценцию, рентгеновские лучи, только что открытые Конрадом Вильгельмом Рентгеном в провинциальном Вюрцбургском университете.

Почти одновременно с Резерфордом Томсон принял в Кевендишскую лабораторию Джона Мак-Леннана, Таунсенда и Поля Ланжевена — будущего учителя Фредерика Жолио-Кюри.

Забегая вперед, скажем, что Резерфорд долго работал в одной комнате с Ланжевеном и они стали друзьями на всю жизнь.

Резерфорд рассказал Томсону о своих опытах с электромагнитными волнами, проведенных в Кентерберийском университете, и о построенном им приемнике, который он показывал Брэггу. Томсон предложил продолжить эти опыты. Резерфорд тотчас же приступил к экспериментам по распространению электромагнитных волн, используя свой приемник и другую изготовленную им самим, как это было принято в Кевендишской лаборатории, аппаратуру. В 1896 году Резерфорду удалось установить радиосвязь на расстоянии около 3 километров. Это было невиданно. Томсон остался вполне доволен своим практикантом.

Впоследствии Томсон говорил, что профессор Резерфорд никогда не получал похвалы, которую он мог бы получить за свои работы по радиотелеграфии, выполненные в 1895 году в Кембридже. «Его успехи были так велики, что я с тех пор почувствовал себя виновным в том, что убедил его посвятить себя новой области физики, возникшей после открытия рентгеновских лучей».

Эти исследования, однако, были как бы переходным этапом. За ними последовало исследование явления радиоактивности вскоре после того, как оно было открыто Пьером и Мари Кюри в Париже.

Резерфорд по собственной воле оставил исследования электромагнитных волн — практическая сторона радиосвязи, в частности дальнейшее усовершенствование приемников и передатчиков, представлялась ему менее интересной. Уже в те годы он был твердо убежден, что посвятит себя чисто научным проблемам.

К тому времени Томсон особенно интенсивно продолжал свои многолетние исследования свойств катодных лучей, используя в своих опытах откачанные катодные трубки. Его сразу заинтересовали сообщения Рентгена об открытии загадочных х-лучей. По мнению Томсона, они имели непосредственное отношение к его работам. Поэтому он и предложил Резерфорду приступить к изучению этих лучей. Резерфорд начал с изучения ионизации воздуха рентгеновскими лучами.

Томсон на основе своих исследований в 1897 году открыл электрон. В его статье, напечатанной в октябрьском номере физического журнала «Философикл мэгэзин» за 1897 год, впервые в науке утверждается, что электричество — это движение электронов — частиц, несущих отрицательный заряд.

Так на глазах молодого Резерфорда свершилась первая революция в представлениях о веществе и электричестве.

Электроны, как думал Томсон, вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10–8 сантиметров, в которой равномерно распределены положительные заряды. Вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически нейтральна. Это и есть атом. Томсон создал первую электронную модель атома, проложив путь к дальнейшим попыткам изучить его строение.

Долгие годы в Кевендишской лаборатории, по выражению посещавшего ее известного русского физика А.Ф. Иоффе, царила атмосфера «электронной модели Томсона». В то время, разумеется, Резерфорд даже не мечтал, что сможет создать более совершенную модель, основанную на новых представлениях. Они начали развиваться после открытия профессором Политехнической школы в Париже Анри Беккерелем загадочного излучения урана — открытия, впоследствии, как известно, признанного великим. Однако в Кевендишской лаборатории сообщение об этом событии сразу же произвело сенсацию. Резерфорд решил тотчас заняться изучением беккерелиевых лучей. Тогда еще Мари и Пьер Кюри не произнесли слова «радиоактивность».

Профессор Анри Беккерель, приступая к своим опытам, в результате которых он открыл радиоактивное излучение урана, ставил перед собой скромную задачу: выяснить, не связаны ли рентгеновские лучи с люминесценцией Стекла рентгеновских трубок.

Резерфорд начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между рентгеновскими и беккерелиевыми лучами. Эта мысль пришла в голову Резерфорду по очень простой причине: и те и другие «лучи» производили ионизацию воздуха.

Целый год работы показал, что сходства между рентгеновскими и беккерелиевыми лучами не существует. Резерфорд опроверг предположение Беккереля о том, что «урановое излучение» обнаруживает свойства света: на самом деле оно не подчинялось законам световой оптики.

Но наиболее важным результатом Резерфорда было открытие альфа-частиц в составе излучения, испускаемого ураном. Резерфорд поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил излучение на три различных его вида. Иными словами, он открыл тогда состав радиоактивности: альфа- и бета-частицы и гамма-излучение — то, что сегодня знает каждый школьник.

Получив альфа-частицы, Резерфорд тотчас же сделал гениальное заключение, что именно они представляют собой мощный инструмент для проникновения в глубь атома. Как подтвердилось позднее, это было абсолютно правильно. В последующих работах Резерфорд широко использовал альфа-частицы в качестве снарядов, проникающих в сердце атома — атомное ядро.

Открытие альфа-частиц триумфально завершает трехлетний период работы Резерфорда в Кевендишской лаборатории под руководством Джозефа Томсона.

Выполненные в это время молодым ученым экспериментальные исследования радиоактивности урана и тория принесли ему довольно широкую известность в научных кругах Европы и Америки. В 1898 году он получил приглашение занять должность профессора Мак-Гиллского университета в Монреале — тогда лучшем высшем учебном заведении Канады.

В рекомендации, отправленной Дж. Томсоном по почте в Монреаль, было сказано: «У меня никогда не было молодого ученого с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как г-н Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, он создаст выдающуюся школу физики в Монреале... Я считал бы счастливым то учреждение, которое закрепило бы за собой Резерфорда в качестве профессора физики».

Резерфорду исполнилось всего 26 лет. И хотя успехи его были очень значительны, все же вызывают уважение проницательность и ясновидение Джозефа Томсона, который в самом начале деятельности Резерфорда сумел предугадать его будущую роль в науке.

Летом 1898 года ректор Мак-Гиллского университета Петерсон специально переплыл океан и явился в Кембридж, чтобы познакомиться с кандидатом в профессора и договориться о деталях.

Итак, Резерфорд отправился из Англии в Канаду. Он не знал, что в то время, как его пароход пересекал Атлантику, в Париже, где он никогда еще не был, Мари Кюри вместе с Пьером Кюри завершили исключительно важные работы по выделению из руд новых открытых ими элементов: полония и радия. Эти элементы обладали радиоактивностью, несравненно более сильной, чем уран и торий[2].

В Канаде Резерфорд работал около 10 лет, и этот период оказался очень плодотворным. Молодой ученый выполнил много оригинальных исследований по радиоактивности и создал ее теоретические основы. Как бы в подтверждение слов Томсона Резерфорд действительно в эти годы заложил фундамент своей будущей школы физиков. Здесь он проявил себя талантливым научным руководителем.

В Монреальском университете Резерфорд занял должность «макдональдовского профессора» — руководителя кафедры имени Макдональда (названной так в честь ее учредителя — шотландского промышленника). Особенность работы на кафедре состояла в том, что профессор мог основное время тратить на исследования и отводить лишь немного часов на чтение лекций студентам.

Приехав в Канаду, Резерфорд сразу же приступил к исследованиям радиоактивности, начатым в Англии. Интуитивно он был убежден в их исключительной важности.

Опыты заинтересовали преподавателя электротехники профессора Б.Р. Оуэнса, который был старше Резерфорда на два года. У Резерфорда появился первый ученик и сотрудник. Вместе они приступили к изучению ториевого излучения. Эти работы вошли в фундамент теории радиоактивного распада, созданной Резерфордом и опубликованной им впервые через пять лет.

Резерфорд открыл эманацию тория и доказал, что этот радиоактивный газ, выделяющийся из тория, представляет собой химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее он определил атомный вес эманации и показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы периодической системы Менделеева. Статья Резерфорда об эманации тория была напечатана в Англии в феврале 1900 года. В том же году он уехал в отпуск в Новую Зеландию.

Осенью Резерфорд возвращается в Монреаль вместе с молодой женой. Он находит в своей лаборатории нового профессора химии Фредерика Содди, приехавшего из Оксфорда. К тому времени его первый сотрудник Оуэнс уезжает в Кембридж. Резерфорд вместе с Содди изучает химические свойства элементов, получаемых при радиоактивном распаде тория и урана.

Резерфорд и Содди первые объясняют радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие. Это открытие знаменует начало новой главы в физике. Другой канадский ученик Резерфорда впоследствии известный радиохимик, Нобелевский лауреат профессор Отто Ган назовет свои мемуары «От радиоактивного тория до расщепляющегося урана». Этим он подчеркнет, что канадские опыты Резерфорда послужили началом большого этапа науки, включающего в себя ядерную физику и завершившегося расщеплением урана.

Итак, работы с торием позволили Резерфорду и Содди первыми объяснить механизм радиоактивного распада.

Радиоактивный процесс нерегулируемый, ничто не может влиять на его ход. Содди писал в начале века: «...все могучие средства современной лаборатории — крайние пределы тепла, холода, давлений, энергичные химические реактивы, действие могучих взрывчатых веществ и самые сильные электрические разряды — не оказывают влияния на радиоактивность радия или на скорость его распада даже в самой ничтожной степени. Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его индифферентности к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды».

После эманации тория Резерфорд открыл эманацию радия. Ученому было ясно, что радий, испуская альфа-частицы, превращается в новое активное вещество, подобное эманации тория. Открытие эманации радия — радона, который Резерфорд с помощью компрессора «ожижил», доказав этим, что радон — газ, окончательно подтверждало его теорию радиоактивного распада.

Эта теория произвела революцию в физике. Не так-то просто было заставить ученых в нее поверить. Даже великий физик лорд Кельвин до своей смерти так и не мог согласиться с тем, что радиоактивный процесс есть распад атомов, из которых состоят элементы, Кельвин был непоколебимым приверженцем взглядов древнегреческих философов-атомистов о неделимости атомов.

В начале 1903 года Резерфорд опытным путем пытается определить химический состав альфа-частиц. Идея заключалась в том, чтобы сравнить массу альфа-частицы с массами атомов известных элементов. Опыт представлял для своего времени исключительный образец экспериментального искусства и изобретательности и прямо вел Резерфорда к цели. Он позволил Резерфорду первому идентифицировать альфа-частицы с атомами гелия. Однако опыт пришлось дополнить некоторыми расчетами. Спустя несколько лет после того, как Резерфорд покинул Канаду, обосновавшись в Манчестерском университете, он произвел другой опыт, в котором химический состав определялся спектроскопически. Исследователь получил характерные линии гелия. Идентификация была абсолютно точной.

В 1903 году в возрасте 32 лет Резерфорд был избран членом Лондонского Королевского общества (английская Академия наук).

В связи с избранием в Королевское общество Резерфорд выехал в Европу. Кроме Англии, он побывал также в Париже, где встретился с Мари и Пьером Кюри на обеде, устроенном его другом Полем Ланжевеном. Резерфорд вспоминал: «После очень оживленной беседы мы сидели в саду, было около 11 часов вечера, когда профессор Кюри вынес трубку, часть которой была покрыта сернистым цинком. В трубке находился концентрированный раствор радия. В темноте ночи свечение было поразительно ярким, и это был замечательный финал незабываемого дня».

Может быть, маленькая светящаяся трубка в обожженных радием руках Пьера Кюри натолкнула Резерфорда на мысль тотчас же заняться изучением альфа-частиц по их свечению (сцинтилляциям) при ударе о люминесцирующий экран из сернистого цинка. Во всяком случае Резерфорд, вернувшись в Канаду, применил в своих исследованиях метод сцинтилляции. Позднее в Англии с помощью этого метода было открыто атомное ядро. Достаточно напомнить об одном этом открытии, чтобы судить о выдающемся значении сцинтилляционного метода в физике.

Резерфорд своими работами создал Мак-Гпллскому университету известность во всем мире; провинциальное учебное заведение превратилось в крупнейший в то время мировой центр изучения радиоактивности. Однако самому Резерфорду казалось, что здесь его работы продвигаются недостаточно быстро отчасти из-за того, что круг его сотрудников сравнительно узок. Ему хотелось привлечь к своим исследованиям одаренных молодых ученых, окончивших лучшие европейские университеты: Кембриджский, Геттингенский, Сорбонну и другие. В те времена Канада казалась европейцам очень далекой страной. Трудно было уговорить молодого ученого отправиться туда для многолетней работы. Резерфорда не удовлетворяло такое положение. Еще в 1901 году он писал в Кембридж Дж. Томсону:

«После пяти лет, проведенных в Кевендише, я чувствую себя несколько в стороне от науки; мне очень не хватает общения с людьми, интересующимися физикой».

В 1907 году Резерфорд с женой и шестилетней дочерью Эйлин-Мери переезжает из Канады в Англию. К этому времени он уже был не только членом Лондонского Королевского общества, но и лауреатом медали Румфорда, присуждаемой за выдающиеся научные заслуги.

В Англии Резерфорд должен был занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета. Его предшественник профессор Артур Шустер в связи с уходом в отставку по возрасту предложил совету университета пригласить на освобождающееся место профессора Резерфорда. Кафедра единогласно проголосовала за эту кандидатуру и направила в Монреаль официальное приглашение.

В Манчестерском университете Резерфорд немедленно принялся за работу и менее чем за три недели, что в то время можно было считать рекордом, оборудовал установку для изучения эманации.

Среди сотрудников лаборатории, принявших участие в эксперименте Резерфорда, были молодые физики: Ганс Гейгер, приехавший из Германии, новозеландец Робинсон и студент-англичанин Томас Ройдс.

Гейгер почти не занимался со студентами. Его основной обязанностью была исследовательская работа. Резерфорд предоставил Гейгеру полную возможность разрабатывать собственную идею ионизационного метода счета альфа-частиц. Счетчики Гейгера для измерения интенсивности радиоактивного излучения навсегда вписали имя этого выдающегося ученика Резерфорда в историю ядерной физики.

В Манчестерской лаборатории Резерфорд приступил к широким опытам по исследованию альфа-частиц методом подсчета их с помощью сцинтилляционного счетчика. Опыты начались в 1908 году после того, как Венская академия наук прислала 400 миллиграммов радия (через 20 лет Кембриджский университет заплатил за этот радий 3000 фунтов стерлингов). В этих утомительных и долгих опытах Резерфорду помогал Гейгер.

В том же 1908 году Резерфорду присудили Нобелевскую премию в области химии за работы по теории радиоактивности. Почему в области химии — ведь Резерфорд был физиком? Это объясняется тем, что тогда ученые еще точно не знали, к какой из этих наук причислить радиоактивность. В сенсационном открытии радиоактивности участвовали и физики и химики. Анри Беккерель, обнаруживший радиоактивность урана, был физиком. Мари Кюри была химиком, а ее муж Пьер Кюри — физиком. Они вдвоем открыли радиоактивные элементы полоний и радий, выделили их из минералов и изучали физические и химические свойства. В современной науке явление радиоактивности — объект изучения и физики и химии.

Но Резерфорд изучал радиоактивность как физик и впоследствии он создал на основе своих исследований чисто физическую науку — ядерную физику.

Для вручения премии Резерфорд был приглашен в Стокгольм. Он выехал туда вместе с женой пароходом из Лондона.

В этот период 37-летний ученый внешне скорее был похож на спортсмена или агронома, чем на физика-исследователя, проводившего годы работы в лаборатории с радиоактивными веществами. Он был весел и жизнерадостен, живо воспринимал юмор, громким заразительным смехом отзывался на остроты собеседников.

На пути в Стокгольм пароход сделал краткую остановку в Копенгагене. Знакомясь с городом, ученый не знал, что вскоре ему предстоит познакомиться с одним из его выдающихся представителей — Нильсом Бором, которому суждено было стать самым знаменитым учеником Резерфорда. В это время двадцатитрехлетний физик, только что окончивший Копенгагенский университет, был награжден золотой медалью Датского Королевского общества за свою первую научную работу.

Нобелевская премия была вручена Резерфорду 10 декабря. В тот же вечер в зале Стокгольмской городской ратуши состоялся банкет, на который было приглашено 800 гостей; здесь присутствовала и королевская семья. Отвечая на приветствия, Резерфорд шутливо сказал: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось мое собственное превращение в один момент из физика в химика».

Возвращаясь из Швеции в Англию, Резерфорд посетил голландский город Лейден, где работали два всемирно известных физика — Лоренц и Каммерлинг-Оннес. Он осмотрел главные достопримечательности Лейдена: дом, где родился Рембрандт, и криогенную лабораторию Каммерлинг-Оннеса, «ожижившего» самый неподатливый газ — гелий.

Наряду с возможностью получения сверхсильных магнитных полей, необходимых для отклонения частиц, Резерфорд интересовался уже в этот период сверхнизкими температурами, высоко оценивая их роль в изучении структуры вещества. Резерфорд и здесь оказался прав. Спустя несколько лет в Кембридже появился П.Л. Капица, который занялся этими проблемами и достиг блестящих результатов. Благодаря усилиям Резерфорда была создана специальная лаборатория имени Монда при Королевском обществе, директором которой стал П.Л. Капица.

По возвращении в Манчестер Резерфорд при участии двух своих сотрудников Гейгера и Ройдса произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы есть не что иное, как дважды ионизированные (т.е. потерявшие по два электрона) атомы гелия.

Подобный эксперимент был успешно проведен Резерфордом еще в Канаде. Однако тогда опыт не был достаточно наглядным — никто своими глазами не увидел гелия, «рожденного» радием. А в те времена физики не были психологически подготовлены к принятию такого рода экспериментов.

И вот, несмотря на определенность результата, полученного в Монреале, Резерфорд решил провести такой опыт, в котором он мог бы наглядно продемонстрировать гелий, образующийся при альфа-распаде.

Этот исторический опыт Резерфорда, благодаря которому уже ни у кого не могло остаться сомнения в правильности его теории радиоактивного распада, достоин описания, хотя он и был осуществлен более 60 лет назад.

Рис. 1. Опыт Резерфорда, подтвердивший правильность теории радиоактивного распада

В запаянную стеклянную трубку 2 Резерфорд поместил некоторое количество радона — эманации радия. Толщина стенок этой трубки 0,01 миллиметра. Они достаточно тонки, чтобы испускаемые радоном альфа-частицы могли проходить через них во внешнюю трубку 3. Перед опытом трубка 3 тщательно откачивалась, и в ней спектрографическим путем нельзя было обнаружить линий гелия. Через несколько дней в трубке 3 обнаружилось накопление газа. Повышая давление в приборе, накопившийся газ можно было сконцентрировать в трубке 1. Через трубку пропускался электрический разряд и тогда оказывалось, что в ней спектральный анализ показывает характерные лилии гелия. В трубке был гелий. Но, может быть, он попал в трубку 2 по недосмотру вместе с радоном, а оттуда проник в трубки 3 и 1? Контрольный опыт дал на этот вопрос отрицательный ответ. Точно в такой же прибор (в трубку 2) Резерфорд помещал не радон, а чистый гелий. Однако через несколько дней в трубке 1 линии гелия не обнаруживались. Гелий не мог пройти через стеклянные стенки трубки 2 в трубку 3. Альфа-частицы же легко проходили через стекло и накапливались в трубке 3, а затем концентрировались в трубке 1, где и подвергались спектральному анализу, давая линии гелия.

Итак, гелий сначала был открыт в спектре солнечных лучей, затем в минералах и еще позже Резерфордом в радиоактивном распаде тория, урана и радия. После этих опытов внимание многих ученых было привлечено к гелию.

Теперь Резерфорд вместе с Гейгером и Марсденом приступил к задуманной им новой серии экспериментов. Результаты произвели переворот в физике. Это была наиболее драматическая глава в науке нашего времени. Резерфорд открыл атомное ядро и тем самым основал новую исключительно важную науку — ядерную физику.

Что это были за эксперименты? Резерфорд и Гейгер на первых порах продолжили наблюдение сцинтилляций, вызываемых альфа-частицами при ударе о люминесцентный экран из сернистого цинка. Прежде всего опыты привели Резерфорда к заключению, что каждая вспышка (сцинтилляция) вызывается одной альфа-частицей. Таким образом оправдалось предположение, выдвинутое им в книге «Радиоактивные вещества и их излучение», изданной еще во время пребывания его в Канаде. Резерфорд писал тогда, что наблюдение сцинтилляций на экране из сернистого цинка представляет собой очень удобный способ счета частиц, если каждая частица вызывает вспышку. Следовательно, если каждая вспышка вызвана одной альфа-частицей, то перед физиками открывается возможность наблюдать за поведением отдельных атомов.

Резерфорд и Гейгер визуально подсчитали, что в продолжение секунды из излучателя в одну тысячную грамма радия вылетает 130 тысяч альфа-частиц. Точность подсчета была безукоризненна. Оба ученых, к которым присоединился позднее Марсден, по многу часов проводили в затемненной лаборатории за утомительным счетом сцинтилляций. Гейгер рассказывал, что ему одному пришлось подсчитать в общей сложности миллион альфа-частиц.

Исследователи работали в очень скромных условиях, которые трудно представить себе молодому ученому в наше время. Гейгер писал: «В памяти возникает также мрачный погреб, в котором Резерфорд устанавливал свои чувствительные приборы для изучения альфа-частиц. Тот, кто спускался туда по двум ступеням, прежде всего слышал в темноте голос профессора, предупреждавшего, что помещение пересекает на высоте головы горячий трубопровод и, кроме того, необходимо осторожно, чтобы не упасть, перешагнуть две водопроводные трубы. После этого, наконец, в слабом свете вошедший различал самого Резерфорда, сидящего у приборов. Тотчас же великий ученый мог начать рассказывать в собственном неподражаемом стиле о развитии своих опытов и о трудностях, которые приходится преодолевать»)...

Вероятно, в этом же погребе начал свою работу ученик Резерфорда Марсден, когда ему было поручено считать альфа-частицы, проходящие через тонкие металлические пластинки. Эти пластинки помещались в прибор между излучателем альфа-частиц и люминесцентным экраном.

Поручая Марсдену эту работу, Резерфорд не рассчитывал обнаружить что-либо любопытное. При условии, что модель атома Томсона правильна (а тогда не было никаких оснований сомневаться в этом), опыт должен был показать, что альфа-частицы свободно проходят через металлические преграды. Однако что-то все-таки заставило Резерфорда пойти на этот новый эксперимент.

Марсдена поразило, что альфа-частицы в этом простом опыте ведут себя иначе, чем должны вести, если принять модель атома такой, какой ее представляет себе Томсон. Согласно модели Томсона положительный заряд распределен по всему объему атома и уравновешивается отрицательным зарядом электронов, каждый из которых имеет массу гораздо меньшую, чем масса альфа-частиц. Поэтому даже в редких случаях, когда альфа-частица столкнется с гораздо более легким по сравнению с ней электроном, она может лишь незначительно отклониться от своего прямолинейного пути. Но в опытах Марсдена альфа-частицы отнюдь не беспрепятственно проходили через металлическую пластинку. Нет, некоторые из них отклонялись после удара о пластинку на угол около 150°, т.е. почти обратно возвращались к излучателю. Таких возвращавшихся частиц было, правда, очень мало. Когда экспериментатор преграждал путь альфа-частицам более толстой пластинкой, то в его поле зрения появлялось больше альфа-частиц, отклонявшихся на большие углы. Это указывало, что замеченное Марсденом рассеяние альфа-частиц не представляет собой какого-нибудь поверхностного эффекта, т.е. оно не связано с поверхностью пластинки. Но Марсден не мог высказать каких-либо соображений о причине увиденного им странного поведения альфа-частиц. Он рассказал подробно о своих наблюдениях Резерфорду.

Позднее Резерфорд признался, что сообщение Марсдена произвело на него потрясающее впечатление: «Это было почти неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги и снаряд отскочил бы обратно и поразил вас».

Резерфорд сразу представил себе, что эффект, наблюдавшийся Марсденом, мог быть только в одном случае: если альфа-частица, проникнув в атом, натыкалась на какую-нибудь массивную преграду, имеющуюся в нем, и отбрасывалась, получив при столкновении мощный удар.

Через три недели после беседы с Марсденом о результатах его наблюдений Резерфорд уже высказал мысль о том, что рассеяние альфа-частиц на большие углы можно объяснить существованием в атомах массивной части. Он назвал ее ядром (nucleus), использовав по аналогии термин, принятый в биологии и обозначающий центральную часть живой клетки.

Отныне модель атома Томсона должна была уйти в историю. Резерфорд предложил более достоверную и принципиально новую ядерную модель в виде системы, в центре которой расположена маленькая массивная часть — ядро, а вокруг нее по орбитам вращаются легкие электроны.

Теперь, когда ядерная физика достигла поразительных успехов, легко понять значение этого величайшего открытия.

Но тем не менее модель Томсона еще не отслужила свою службу. В последние десятилетия она была применена для объяснения структуры мезоатомов, составляющих одну из самых удивительных форм вещества (в мезоатомах роль электронов выполняют другие частицы — мезоны). Для обычных атомов модель Резерфорда, соответственно усовершенствованная, продолжает оставаться правильной и сейчас.

Сотрудник Резерфорда — известный английский физик-теоретик Чарлз Дарвин (внук автора эволюционной теории) писал: «Я считаю одним из величайших событий своей жизни то, что произошло в моем присутствии спустя полчаса после „рождения“ ядра. Это было во время воскресного ужина в манчестерской квартире Резерфорда. Я помню, как он говорил нам, что наблюдаемое большое рассеяние альфа-частиц показывает на существование в атоме необычайно могучих сил».

Открытие атомного ядра явилось важнейшим, принципиально новым моментом, меняющим прежние представления о строении атома. На этой основе родилась наука, значение которой теперь всем известно.

Остановимся на некоторых подробностях. Вот как Резерфорд представлял себе атом. Атом в нормальном, неионизованном состоянии нейтрален, так как в целом он содержит столько же положительного электричества (заряд ядра), сколько и отрицательного (заряд электронов). Атом имеет z электронов, каждый с зарядом e. Следовательно, ядро атома должно иметь заряд +ze. Атомы элементов должны отличаться друг от друга количеством электронов, или, что то же самое, целым числом z единичных зарядов ядра. Число z, характеризующее химический элемент, было названо атомным номером. Позднее было подмечено, что это число оказалось порядковым номером элемента в периодической системе.

В ядре сосредоточена вся масса атома. Это центральная область системы с трудно представляемым радиусом 10–12...10–13 сантиметра. Электроны же очень легкие частицы, масса которых в 1836 раз меньше массы протона — ядра атома водорода с наименьшим атомным номером z = 1. Заряд протона равен заряду электрона, но имеет противоположный знак.

За водородом в периодической системе расположен благородный газ гелий. Заряд ядра гелия в 2 раза больше заряда протона z = 2. Заряд и масса ядра возрастают вместе с атомным номером элемента. Например, элемент уран с атомным номером 92 имеет ядро с электрическим зарядом в 92 раза большим, чем заряд ядра водорода — протона. Атомный вес урана близок к 238.

Модель Резерфорда довольно хорошо объясняла структуру сложной системы атома. Но в ней имелись серьезные противоречия, которые Резерфорд хотя и хорошо понимал, объяснить не мог. Тогда ведь еще не было квантовой механики. Без нее многие противоречия не могли быть разрешены. Кроме того, не был открыт нейтрон, оказавшийся важным связующим звеном для объяснения структуры атома и происходящих в нем процессов.

По представлениям Резерфорда, вокруг массивного ядра по орбитам вращались электроны и вся система представляла некоторое подобие Солнечной системы. Поэтому модель называли планетарной. Но как могли электроны вечно вращаться вокруг ядра? До квантовой механики физики могли пользоваться для объяснения подобных явлений учением Максвелла, его электродинамикой. Согласно теории Максвелла электрон не мог бесконечно обращаться вокруг ядра, так как, излучая при своем движении энергию в виде периодически меняющегося электромагнитного поля, он неминуемо должен был бы упасть на ядро.

В 1911 году в физике произошло важное событие. Профессор Кембриджского университета шотландец Чарлз Вильсон создал удивительный прибор для наблюдения следов-треков отдельных альфа-частиц. Прибор получил название камеры Вильсона. Он сразу завоевал известность среди физиков, изучающих атомы и ядра; им широко пользуются и сегодня. Камера Вильсона, правда, в модернизированном виде и даже под другими названиями, играет большую роль в экспериментальном изучении процессов микро- и субмикромира.

Резерфорд высоко оценил возможности камеры Вильсона для экспериментаторов. Он сказал, что это «самый оригинальный и удивительный инструмент в истории науки».

На ежегодном традиционном обеде в Кавендишской лаборатории Резерфорд выразил свое восхищение прибором, изобретенным Вильсоном. По словам Нильса Бора, присутствовавшего при этом, небольшая речь Резерфорда была проникнута почти детской радостью от того, что в камере Вильсона можно было буквально видеть рассеяние альфа-частиц.

Многие прославленные физики-экспериментаторы восхищались этим прибором.

Фредерик Жолио-Кюри усовершенствовал камеру Вильсона, благодаря чему удалось увеличить длину трека в 76 раз, — это значительно улучшило возможность наблюдения. Ему принадлежат слова: «Ну разве это не величайший эксперимент в мире? Бесконечно малая частица, выброшенная в цилиндр камеры, сама отмечает свой путь мельчайшими частичками тумана!».

Вильсон говорил Бору, что идея создания камеры возникла у него, когда он в утренние часы наблюдал туманы, окутывавшие высокие горы Шотландии. Между прочим это были те самые горы, которые еще один выдающийся физик — Игорь Евгеньевич Тамм как альпинист считал идеальными для скалолазания.