Везучий Резерфорд: Мужчины спорят о моделях

А бывает и иначе. Великий французский математик и механик Жозеф Луи Лагранж называл Исаака Ньютона не только самым гениальным, но также самым счастливым из ученых, поскольку Ньютон раскрыл систему мира, а такое можно свершить лишь единожды. В этом Лагранж ошибся — ньютоновская космология ушла в прошлое. Основное везение Ньютона заключалось в другом. Ему выпало появиться на свет именно тогда, когда юная европейская наука была беременна двумя великими революциями: математической (разработка дифференциального и интегрального исчисления) и физико-астрономической (открытие принципов классической механики и объяснение на их основе кеплеровских законов движения планет). С этими задачами мог справиться только гений — и он появился в свое время и на своем месте. В начале 60-х годов XVII века благосклонность судьбы забросила феноменально одаренного молодого человека из английской провинции в Кембриджский университет, где он в полной мере реализовал свой фантастический интеллектуальный потенциал. В этом Ньютон оказался по-настоящему счастлив.

Не менее удачливым был и новозеландец Эрнест Резерфорд. Его заслуженно называют отцом ядерной физики и величайшим физиком-экспериментатором ХХ столетия. Резерфорд первым понял, как устроен атом, первым идентифицировал протон как самостоятельную элементарную частицу (и дал ему имя) и первым же осуществил искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород. Исследования его учеников и сотрудников привели к изобретению ионизационного счетчика заряженных частиц (Иоганнес Гейгер), выявлению взаимосвязи между местом элемента в таблице Менделеева и спектром его рентгеновского излучения (Генри Гвин Мозли), созданию линейного ускорителя протонов и использованию его для расщепления атомного ядра и искусственного получения радиоактивных изотопов (Джон Кокрофт и Томас Уолтон), открытию нейтрона (Джеймс Чедвик), выделению гелия-3 и трития (Маркус Олифант и Пауль Хартек), получению сверхсильных магнитных полей (Петр Капица) — и это далеко не полный список. И хотя в старости Резерфорд не избежал тревог и разочарований, в молодые и зрелые годы он с полным правом мог считаться баловнем фортуны.

Однако была в жизни ученого и еще одна, совсем особая удача, о которой нечасто вспоминают историки науки. Его крупнейший вклад в физику — ядерная модель атома, окончательно сложившаяся где-то в начале 1911 года. Чтоб ее сформулировать, помимо гениального прозрения была нужна исключительная смелость — ведь с точки зрения классической электродинамики Максвелла такой атом просто не мог существовать! Сей гордиев узел удалось разрубить лишь Нильсу Бору, который два года спустя с помощью квантовых представлений возвратил резерфордовскому атому право на жизнь.

Резерфорд обосновал свою модель с помощью формулы, которую сам же вывел и которая носит его имя. Но сегодня мы знаем, что предпосылки, которыми Резерфорд воспользовался для этого вывода, не соответствовали физической реальности. И все же в эту формулу, как ни странно, прекрасно укладывались результаты экспериментов! Однако отсюда не следует, что здание величайшего открытия Резерфорда покоилось на песке — по чистой случайности его фундамент оказался прочнейшим гранитом. В общем, отцу ядерной физики повезло совершенно особенным образом.

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в городке Спринг Гроув на Южном острове Новой Зеландии. В 1890 году он поступил в Кентербери-колледж, а в 1894-м получил стипендию для продолжения образования в Кембридже, где оказался первым аспирантом-исследователем, не закончившим этого прославленного английского университета. Он работал над диссертацией в знаменитой Кавендишской лаборатории, которую тогда возглавлял Джозеф Джон Томсон. В 1919 году Резерфорд сменил Томсона на этом посту и оставался директором лаборатории до последнего дня своей жизни — 19 октября 1937 года.

В Кембридже аспирант из Новой Зеландии сначала занимался электромагнитными явлениями и, в частности, в феврале 1896 года собрал самый чувствительный в мире детектор электромагнитных волн с радиусом действия в несколько сотен метров, немного опередив и Попова, и Маркони. Он мог бы стать одним из изобретателей радио, но судьба распорядилась иначе. Томсон поручил Резерфорду исследование электропроводимости ионизированных рентгеновскими лучами газов. В ходе работы Резерфорд задумался над особенностями ионизации газов под действием тогда еще совершенно таинственного самопроизвольного излучения урана, которое французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил в феврале 1896 года. Выбор оказался судьбоносным — молодой физик на всю жизнь увлекся радиоактивностью и связанными с ней явлениями. Следует отметить, что самого термина в то время еще не существовало — Мария Склодовская-Кюри придумала его после того, как в 1898 году совместно с Пьером Кюри открыла излучение тория.

Это было замечательное время — рождалась новая наука о микромире. Когда Резерфорд работал у Томсона, тот положил начало эпохе поиска и идентификации субатомных объектов, совершенно неизвестных науке. В 1897 году он установил, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, масса которых в 2000 раз меньше массы атома водорода. Так состоялось открытие элементарной частицы номер 1 — электрона (это название немного позже предложил великий голландский физик Хендрик Антон Лоренц). А следующий шаг сделал уже сам Резерфорд. В 1899 году 25-летний исследователь обнаружил, что уран испускает два вида эманации, и назвал их альфа- и бета-лучами. К тому времени он покинул Кембридж и работал в Канаде, в Монреальском университете имени Мак-Гилла. Там он оставался до мая 1907 года, после чего возвратился в Англию новоизбранным профессором физики Манчестерского университета.

Природа бета-лучей выяснилась в 1899 году, когда Фриц Гейзель, Беккерель и мадам Кюри пришли к заключению, что это просто быстрые электроны. Проблему альфа-частиц в основном разрешил сам Резерфорд в счастливом для себя 1908 году, принесшем ему Нобелевскую премию по химии. Он доказал, что там, где присутствует источник альфа-излучения, появляются атомы гелия (сейчас даже школьник знает, что альфа-частицы — это ядра гелия-4, но тогда понятия атомного ядра просто не существовало). А в интервале между этими событиями француз Поль Виллар открыл у урана еще один вид излучения, которое тот же Резерфорд обозначил третьей буквой греческого алфавита (со временем выяснилось, что гамма-лучи представляют собой электромагнитные кванты высоких энергий).

Для описания всех работ Резерфорда, связанных с изучением радиоактивности, нам просто не хватит места. Однако через два года после возвращения в Англию он радикально обновил свою исследовательскую программу. Еще в Канаде он начал догадываться, что альфа-частицы можно использовать для зондирования структуры атомов, однако занялся этим на практике уже в Манчестере.

Но вернемся к Резерфорду и его альфа-частицам. В Манчестерском университете работал немецкий физик-экспериментатор Иоганнес Гейгер, который стал основным помощником Резерфорда. В 1909 году он сказал шефу, что старшекурсник Эрнест Марсден ищет тему дипломного исследования. Резерфорд вспомнил о своем канадском замысле и предложил Марсдену заняться отражением альфа-частиц от металлических поверхностей.

Марсден спроектировал экспериментальную установку и сам же ее изготовил. Это была герметичная свинцовая камера, внутри которой лежал кусочек радия. Испускаемые радием альфа-частицы проходили через узкое отверстие в свинцовой пластине, вырезавшее из них хорошо коллимированный пучок, который падал на мишень из тончайшей золотой фольги. Перед началом очередной серии наблюдений из камеры выкачивали воздух. В ней имелся покрытый сернистым цинком передвижной экран, испускавший под ударами альфа-частиц очень слабые вспышки света. Изменяя положения экрана, можно было регистрировать частицы, отразившиеся от мишени под любым углом. Вспышки наблюдали через окошко в стенке камеры с помощью 50-кратного микроскопа.

Казалось, что результаты полностью соответствуют ожиданиям: частицы-снаряды легко пронизывали фольгу, незначительно изменяя направления (позже Гейгер вычислил, что наиболее вероятный угол рассеяния при толщине фольги 0,4 микрона составляет 0,87 градуса). На этом эксперимент мог бы закончиться, но Резерфорд предложил посмотреть, не уходят ли альфа-частицы на большие углы. Позже он вспоминал, что не слишком верил в эту возможность. Как бы то ни было, вскоре произошло то, что Резерфорд назвал самым невероятным событием своей жизни. Оказалось, что некоторые альфа-частицы не только рассеиваются перпендикулярно первоначальному направлению пучка (для золотой фольги толщиной 0,4 микрона примерно одна из двадцати тысяч), но даже отбрасываются назад. Модель Томсона такого практически не допускала. По словам Резерфорда, это было все равно как если бы пятнадцатидюймовый снаряд отразился от бумажной салфетки.

Результаты Гейгера и Марсдена были опубликованы в научных журналах, но сенсации не произвели. А вот Резерфорд погрузился в раздумья. В течение всего 1910 года он пытался подобрать для них объяснение, но задача оказалась трудной. Однако в декабре Резерфорд написал американскому исследователю радиоактивности Бертраму Болтвуду, что рассчитывает вскоре предложить новую модель атома, много лучшую, нежели томсоновская. Уже через четыре месяца он отправил в журнал Philosophical Magazine статью с подробным анализом результатов своих сотрудников и других ученых, полученных при исследовании рассеяния альфа-частиц и электронов на различных металлах. В конце этой работы он констатирует: «При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему». Это и была первоначальная формулировка резерфордовской модели атома. О том, что электроны обращаются вокруг ядра наподобие планет, здесь нет и речи, этот вопрос Резерфорд оставил открытым — и не случайно. Согласно электродинамике Максвелла, любой вращающийся заряд обязан излучать электромагнитные волны, а этого атом в невозбужденном состоянии все же не делает. Такое излучение должно вызывать потерю энергии и, следовательно, дезинтеграцию атома, чего тоже не происходит. В эти дебри Резерфорд лезть не захотел, ведь его гипотеза и так уже опрокинула общепринятые представления о структуре атома.

Объединив уравнения ньютоновской механики с законом Кулона, Резерфорд вычислил, с какой вероятностью движущаяся в поле точечного покоящегося заряда заряженная частица отклоняется на определенный угол от первоначального направления. Это и была знаменитая формула Резерфорда, впервые опубликованная в этой же статье. Точный ее вид приводить не обязательно, достаточно сказать, что искомая вероятность обратно пропорциональна четвертой степени синуса половины угла рассеяния. Данные Гейгера и Марсдена прекрасно укладывались в эту математическую зависимость. Ни одна из конкурирующих моделей атома не смогла предложить столь же сильного доказательства своей справедливости.

А вот и настал черед самого главного, момента истины. Дело в том, что рассеяние микрочастиц на других частицах или атомных ядрах — чисто квантовый процесс. Для его описания необходимо уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще не было. В частности, сечение такого рассеяния зависит от спинов сталкивающихся частиц, а в классической физике такого понятия не существует. Так почему же формула Резерфорда так хорошо согласовалась с экспериментом?

Оказывается, решение уравнения Шредингера приводит к той же формуле, что и уравнение Ньютона, если рассеяние происходит за счет силы, величина которой обратно пропорциональна квадрату расстояния! При любом другом потенциале классическая и квантовая механика дают различные результаты. Поэтому-то справедливость формулы Резерфорда для рассеяния альфа-частиц на металлической фольге оказалась лишь очень счастливой случайностью.

А что если бы природа распорядилась иначе и результаты измерений Гейгера и Марсдена не уложились в резерфордовскую формулу, хоть с точки зрения тогдашних физических представлений она и была безупречной? В этом случае Резерфорд мог бы и не предложить своей модели, которая и так откровенно выбивалась из электродинамики Максвелла. А тогда не было бы и трех гениальных статей Бора 1913 года с квантовой теорией одноэлектронного атома. Конечно, в конце концов эти проблемы были бы разрешены, но кем, когда и как, можно только гадать. Короче говоря, резерфордовская фортуна сильно поторопила появление на свет квантовой механики. Везет же иногда гениям!