На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Теперь я знаю, как выглядит атом!

Эрнест Резерфорд, 1911 г.

Однажды в фермерской глубинке той страны, что маори называют Аотеароа, Страна Длинного Белого Облака, юный поселенец копал картошку. С завидным упорством парень лопатой вгрызался в землю, добывая урожай, который помог бы его семье пережить трудные времена. Вряд ли он там надеялся найти золотые самородки - в отличие от других частей Новой Зеландии, его район не славился приисками, - однако ему было уготовано золотое будущее.

Эрнест Резерфорд, которому было суждено первому заглянуть в недра атома, родился в семье первых переселенцев в Новую Зеландию. Его дедушка Джордж Резерфорд, колесный мастер из шотландского Данди, приехал в колонию Нельсон на окраине Южного острова, чтобы помочь построить лесопилку. Когда она была готова, Резерфорд-старший перевез семью в поселок Брайтуотер (ныне Спринг-Грув) к югу от Нельсона, в долине реки Вайроа. Там сын Джорджа Джеймс, выращивавший лен и тем зарабатывавший себе на жизнь, взял в жены английскую эмигрантку Марту, которая и родила Эрнеста 30 августа 1871 г.

В нельсонской школе и позже в Кентерберийском колледже в Крайстчерче, самом крупном и самом английском городе на Южном острове, Резерфорд показал себя прилежным и способным учеником. Один из однокашников будущего ученого запомнил его как «непосредственного, искреннего, простого и очень приятного молодого человека, который хоть и не был вундеркиндом, но если уж видел цель, то сразу схватывал главное»¹¹.

Эрнест Резерфорд (1871-1937), отец ядерной физики.

Ловкие руки Резерфорда творили чудеса с любым механическим прибором. Юношеские увлечения экспериментатора хорошо подготовили его к тонким манипуляциям с атомами и атомными ядрами. Со сноровкой, достойной хирурга, он разбирал часы, создавал действующие модели водяных мельниц и даже смастерил любительскую камеру, чтобы делать снимки. В Кентербери, узнав об электромагнитных явлениях, открытых в Европе, он загорелся целью соорудить собственную установку. Следуя Герцу, он собрал радиопередатчик и приемник, предвосхитившие изобретение беспроводного телеграфа Маркони[12]. Резерфорд продемонстрировал, что радиоволны могут распространяться на большие расстояния, проходить сквозь стены и намагничивать железо. Его оригинальные опыты дали ему возможность претендовать на место в английском Кембридже.

Так совпало, что в год, когда Резерфорд появился на свет, в Кембридже была организована новая физическая лаборатория, первым директором которой стал Максвелл. Кавендишская лаборатория, названная. так в честь блестящего физика Генри Кавендиша[13](он, кстати, кроме прочего, первым выделил водород как химический элемент), превратилась в мировой центр атомной физики. Она расположилась на улочке Фри-Скул-Лейн, недалеко от центра прославленного университетского городка. Сам Максвелл руководил постройкой и подбирал оборудование для первой в мире физической исследовательской лаборатории. После смерти Максвелла в 1879 г. кресло директора занял другой известный физик, лорд Рэлей. А в 1884 г. бразды правления взял в свои руки неподражаемый Дж. Дж. (Джозеф Джон) Томсон.

Этот энергичный и разносторонний человек с длинными темными волосами, пышными усами и очками в тонкой металлической оправе стал одним из движителей революции в научном образовании, открывавшей перед студентами огромные возможности для исследований. Раньше экспериментальная работа для изучающих физику шла разве что в качестве десерта в конце долгого банкета, где подавались математические дисциплины. Впрочем, даже этим угощением преподаватели делились довольно неохотно. После того как студент сдавал все экзамены по механике, тепловым явлениям, оптике и другим теоретическим предметам, ему иногда ненадолго давали прикоснуться к каким-нибудь приборам. В Кавендише с его оборудованием самой высокой пробы эти короткие дегустации превратились в полноценный обед. Томсон с восторгом приветствовал новую систему, позволявшую студенту другого университета приехать в Кембридж и проводить исследования под руководством местного ученого. По их итогам приглашенный писал диссертацию и получал более высокую степень. Сегодня мы воспринимаем обладателей степени доктора философии[14]как нечто само собой разумеющееся, ведь именно они пополняют академическую среду. Но в конце XIX в. такая система была новаторской, и переворот в физике не заставил себя долго ждать.

Нововведения заработали в полную силу в 1895 г., а среди первых приглашенных студентов оказался Резерфорд. Он получил «стипендию 1851 г.», присуждаемую молодым талантливым выходцам из стран Британского доминиона (ныне страны Содружества). Сменив провинциальную Новую Зеландию на университетский Кембридж, Резерфорд поработал на пользу не только собственной карьере, но и всей атомной физике.

Существует легенда о том, как Резерфорд принял этот подарок судьбы. Говорят, его мать получила телеграмму с добрыми вестями и пошла на поле, где он копал картошку. Когда она прочитала сыну, какой чести он удостоился, тот сначала не поверил своим ушам, но, едва осознав свое счастье, отбросил лопату и воскликнул: «Сегодня я копал картошку в последний раз!».¹²

Захватив свой самодельный радиоприемник, Резерфорд отплыл в Лондон. Там он не замедлил поскользнуться на банановой кожуре и повредил себе колено, но, к счастью, весь последующий путь через лабиринты погруженного в туман города прошел без запинки. По мере того как он продвигался на север, туманы уступили место свежему воздуху, а город сменили английские ландшафты и священные очертания всевозможных колледжей на реке Кэм. Здесь Резерфорд разместился в колледже Св. Троицы. Великие врата колледжа, основанного в 1546 г. королем Генрихом VIII, и легенды о славных деяниях Ньютона до сих пор довлеют над благоговейно ступающими студентами, когда те входят сюда. (Кембриджский университет разбит на множество колледжей, где студенты учатся и живут, а колледж Св. Троицы самый крупный из них.) Выйдя из колледжа Св. Троицы и насладившись короткой прогулкой, почти тут же попадаешь в Кавендишскую лабораторию.

Резерфорд был не единственным из того потока студентов, который хлынул со всего мира в научно-исследовательские лаборатории Кембриджа. Томсон лелеял царивший здесь дух единства непохожих и каждый день после обеда приглашал к себе молодых сотрудников на чай. Позже он вспоминал: «Мы беседовали обо всем на свете, но не о физике. Я не поощрял разговоры о физике, поскольку мы встречались, чтобы отдохнуть… и поскольку научиться говорить на своем птичьем языке очень легко, но отвыкнуть от этого непросто. А если от этого не отвыкнуть, то способность поддерживать разговор на общие темы атрофируется за ненадобностью»¹³.

Несмотря на попытки Томсона подбодрить молодых исследователей, нагрузки в Кембридже, видимо, давали о себе знать. «Когда я возвращаюсь из лаборатории, я не нахожу себе места и обычно пребываю в довольно нервном состоянии», - записал однажды Резерфорд. Чтобы немного расслабиться, он начал курить трубку, сохранив эту привычку до конца жизни. «Иногда я затягивался, - продолжает Резерфорд, - и мне удавалось немного сосредоточиться… Любому человеку науки стоит курить трубку, иначе где набраться терпения? У ученых оно должно быть, как у десятерых иовов вместе взятых»¹⁴.

Масла в огонь подливали и местные студенты, относившиеся к приезжему люду как к чужакам. Однокурсники Резерфорда из золотой молодежи, дразнившие его деревенщиной из Антиподии, мало способствовали поднятию духа. Об одном таком задире Резерфорд сказал: «Есть один лаборант, на груди которого я не против, как истинный маори, исполнить танец войны»¹⁵.

Томсон был педантичным экспериментатором и одно время увлеченно исследовал свойства электричества. Собрав оригинальную установку, он изучал совместное влияние электрического и магнитного полей на так называемые катодные лучи - отрицательно заряженные пучки электричества, идущие от отрицательно к положительно заряженному электроду (контакту, подсоединенному к соответствующему полюсу батареи). Отрицательно заряженный электрод порождает катодные лучи, а положительно заряженный их притягивает.

В электрическом и магнитном полях заряды ведут себя по-разному. Сила, с которой электрическое поле действует на отрицательный заряд, направлена противоположно направлению поля. Что касается магнитного поля, в нем сила действует под прямым углом к полю. Кроме того, в отличие от электрической силы, магнитная зависит от скорости заряда. Томсон придумал, как скомпенсировать электрическое и магнитное поля так, чтобы определить эту скорость. А благодаря ей он мог определить отношение заряда лучей к их массе. Положив заряд частиц в лучах равным заряду ионизованного водорода, Томсон обнаружил, что их масса в несколько тысяч раз меньше, чем у водорода. Проще говоря, катодные лучи состоят из элементарных частиц, которые гораздо легче атомов. Меняя условия и раз за разом повторяя эксперимент, Томсон все время получал один и тот же результат. Эти отрицательно заряженные частицы он назвал корпускулами, но им потом дали другое имя: с тех пор так и повелось - электроны. Они первыми приоткрыли маленькое окошко в богатый мир атома.

Сногсшибательное открытие Томсона научная общественность поначалу встретила скептически. «Первое время мало кто верил, что есть такие объекты - меньше атома, - вспоминал он. - Уже много лет спустя мне даже один выдающийся физик, присутствоваший на моей лекции на заседании Королевского общества, сказал, будто он был в полной уверенности, что я “морочу всем голову”. Меня его слова не удивили. Я сам противился этому объяснению, и только когда эксперименты мне не оставили иного выбора, я публично заявил о существовании тел, меньших чем атомы»¹⁶.

Между тем на другом берегу Ла-Манша открытие радиоактивного распада подвергло сомнению господствовавшие представления о неделимости атома. В 1896 г. парижский физик Анри Беккерель посыпал урановыми солями обернутую черной бумагой фотопластинку и был немало удивлен, когда увидел, что со временем пластинка темнеет, а значит, от солей идут какие-то загадочные лучи. В отличие от рентгеновских, они у Беккереля появлялись сами по себе без всяких электрических приборов. Ученый обнаружил, что излучение шло от любых урансодержащих соединений. Причем чем больше в соединении было урана, тем больше оно излучало. Логично было предположить, что это излучают сами атомы урана.

Работавшая в Париже Мария Склодовская-Кюри - физик польского происхождения - повторила опыты Беккереля, а также вместе со своим мужем Пьером нашла загадочное излучение у двух открытых ими элементов: радия и полония. Последние излучали даже интенсивней, чем уран, а количество их со временем уменьшалось. Марии принадлежит термин «радиоактивность», которым она обозначила явление самопроизвольного распада атомов, высвобождающих при этом особое излучение. За свое эпохальное открытие недолговечности атомов в радиоактивных процессах Беккерель и супруги Кюри удостоились в 1903 г. Нобелевской премии. Вневременные элементы Дальтона, безраздельно властвовавшие в науке в течение века, пришли в движение.

Резерфорд следил за этими событиями с большим интересом. Пока его учитель Томсон был занят открытием электрона, Резерфорд обратил свое пристальное внимание на то, что радиоактивными материалами можно ионизовать газы. Почему-то лучи, шедшие от урана и остальных радиоактивных соединений, выводили газ из состояния электрической инертности и превращали его в электрически активный проводник. Радиоактивное излучение вело себя как две палочки, которые натирают друг об друга, чтобы получить искру.

Но самое главное, радиоактивность высекла искру интереса в Резерфорде и заставила его заняться методичным исследованием ее свойств, которому было суждено перевернуть наши представления о физике. А новичку, начинавшему со сборки радиоприемников и других электромагнитных приборов, предстояло, набравшись опыта, превратиться в экспериментатора высочайшего класса, способного с помощью радиоактивного излучения совершить путешествие в мир атома. Зная, что магнитное поле отклоняет разноименные заряды в разные стороны, Резерфорд понял, что в радиоактивных лучах есть положительная и отрицательная компоненты. Им он дал имена, соответственно, альфа и бета-излучение. (Бета-частицы оказались просто-напросто электронами, а в скором времени резерфордовскую классификацию продолжил Виллар, открывший третью, электрически нейтральную компоненту - гамма-лучи.) В магнитном поле альфа-частицы закручиваются в одну сторону, а бета - в другую, как лошади, бегущие по цирковой арене в разные стороны. Резерфорд смотрел, насколько сильно каждый тип излучения задерживается препятствием, и доказал, что бета-лучи проникают глубже, чем альфа. Следовательно, альфа-частицы по размерам больше бета-частиц.

В 1898 г. в разгар своих исследований радиоактивности Резерфорд решил взять передышку, чтобы уладить дела сердечные. Он ненадолго уехал в Новую Зеландию, где женился на своей школьной возлюбленной Мэри Ньютон. Однако в Англию они не вернулись. У женатого мужчины должен быть хороший доход, заключил Резерфорд и согласился на место профессора в университете Макгилла в Монреале, Канада, с жалованием в 500 фунтов стерлингов в год - приличные деньги по тем временам, около 50 000 долларов в сегодняшнем эквиваленте. Счастливая пара отплыла в холодный край, где ученый вскоре продолжил свои исследования.

В Макгилле Резерфорд пуще прежнего стремился сорвать с альфа-частиц маску и рассмотреть их истинное лицо. Повторив опыты Томсона по определению отношения заряда к массе с альфа-лучами вместо электронов, он вдруг увидел, что заряд у альфа-частиц такой же, как у ионов гелия. Закрадывалось подозрение, что самый тяжелый продукт радиоактивного распада - это на самом деле путешествующий инкогнито гелий.

Как раз тогда, когда Резерфорду не помешала бы помощь в разгадке атомных тайн, в городе появился еще один следопыт. В 1900 г. Фредерик Содди (1877-1956), химик из английского Суссекса, получил в университете Макгилла место. Узнав про эксперименты Резерфорда, он захотел внести свою лепту, и они вместе принялись изучать явление радиоактивности. Они выдвинули гипотезу, что радиоактивные атомы, такие как уран, радий и торий, распадаются на более простые атомы других химических элементов, высвобождая при этом альфа-частицы. Увлекавшийся историей Средневековья Содди догадался, что радиоактивные превращения являются в некотором смысле воплощением заветной мечты алхимиков, пытавшихся получить из неблагородных металлов золото.

В 1903 г., вскоре после того, как Резерфорд опубликовал их совместную теорию радиоактивных превращений, Содди решил объединить свои усилия с Уильямом Рамзаем из Университетского колледжа в Лондоне, признанным экспертом по гелию и инертным газам вообще (неону и остальным). Рамзай с Содди поставили серию тщательных экспериментов, в которых альфа-частицы от радиоактивного радия накапливались в специальной стеклянной трубке. Затем у полученного достаточно плотного газа ученые исследовали спектральные линии, оказавшиеся в точности такими же, как и у гелия. Спектральные линии - это узкие полоски в окрестности определенных частот (в видимой части спектра это определенные цвета). Каждый элемент, излучая или поглощая свет, дает свой набор линий. В спектре излучения гелия всегда видны некоторые фиолетовые, желтые, зеленые, сине-зеленые и красные линии, а также две характерные голубоватые полоски. Эти «отпечатки пальцев» послужили в опытах Рамзая и Содди неопровержимым доказательством того, что альфа-частицы и ионизованный гелий - одно лицо.

Содди принадлежит и термин «изотоп», которым он описывал разновидности одного и того же химического элемента, обладавшие разными атомными весами. Например, дейтерий, или «тяжелый» водород, химически никак не отличается от обычного, но зато атомный вес у него приблизительно в два раза больше. Радиоактивный изотоп водорода тритий вообще где-то в три раза тяжелее обычного водорода. В распаде он дает гелий-3, легкий изотоп привычного нам гелия. Содди вывел, как он сам его назвал, закон радиоактивного смещения: в результате альфа-распада элемент в таблице Менделеева перемещается на две клетки назад, словно ему в настольной игре выпал неудачный ход. Бета-распад, наоборот, дает право на один ход вперед, и получается один из изотопов элемента, сидящего в следующей клетке. Живой пример - распад трития, который, переходя в гелий-3, прыгает на клетку дальше.

Представим, что вы случайно набрели на непонятный автомат с шариками и содержимого его не видите. Иногда из него выскакивают синие шарики, и автомат при этом мигает один раз, а иногда - красные, чье появление сопровождает двумя вспышками. Как отсюда понять, что происходит внутри? Наверное, можно предположить, что в автомате однородная смесь красных и синих шариков, разбросанных тут и там, как изюм в пудинге.

К 1904 г. физикам была известно, что в радиоактивных процессах атомы переходят друг в друга, испуская частицы с различными зарядами и массами, но ни у кого не было представления об общей картине. Томсон рискнул выдвинуть идею, что положительные и отрицательные заряды равномерно перемешаны, причем вторые, раз они легче, обладают большей свободой перемещения. Когда экспериментаторы отведают этого пудинга, надеялся он, они убедятся, насколько он хорош. Но, увы, первый пудинг вышел комом. И судьба так распорядилась, что этот вердикт вынес новозеландский любимец Томсона.

Следующий период в жизни Резерфорда был, пожалуй, самым плодотворным. В 1907 г. Манчестерский университет - по этим североанглийским местам когда-то пролегал научный путь Дальтона - предложил ученому возглавить кафедру физики. То, что приобрел Манчестер, стало утратой для Макгилла. К тому времени Резерфорд «оседлал удачу», как он сам не без хвастовства заметил своему биографу (и ученику) Артуру Иву¹⁷, и был в науке уже заметной величиной. Как заправский рулевой, он твердой рукой вел свое судно: брал на работу лучших молодых исследователей, ставил им интересные задачи и увольнял тех, кто не оправдывал ожиданий. Громогласный, бывало, вспыльчивый и порой клянущий приборы на чем свет стоит, профессор с неизменной трубкой и усами и правда наводил страх на подчиненных. Но вспышки гнева быстро проходили, из-за иссякших туч показывалось яркое солнце, и тогда не было на свете никого дружелюбнее, добродушнее и благосклоннее Резерфорда.

В то время с ним сблизился манчестерский биохимик и будущий первый президент Израиля Хаим Вейцман. По его описанию, Резерфорд был «живым, энергичным и шумным. Ему было дело до всего, не только до науки. Он охотно и с напором обсуждал все на свете, даже если не имел о чем-то ни малейшего представления. Спускаясь в столовую к обеду, я уже слышал в коридоре раскаты его дружелюбного голоса… Он был добродушным, но дураков терпеть не мог»¹⁸.

Вейцман вспоминал, сравнивая Резерфорда с Эйнштейном, которого он тоже хорошо знал: «Как ученые эти два человека были противоположностью друг друга: у Эйнштейна сплошные вычисления, у Резерфорда сплошной эксперимент. Но и в жизни они были мало похожи. Эйнштейн казался недосягаем, а Резерфорд выглядел здоровенным и шумным новозеландцем, которым, впрочем, и являлся. На поприще эксперимента Резерфорд, конечно же, был гением, одним из лучших. Он обладал особым чутьем, и к чему бы он ни прикасался, все обращалось в золото»¹⁹.

В Манчестере Резерфорд строил честолюбивые планы: расколоть атом альфа-частицами и посмотреть, что внутри. Он догадался, что сравнительно крупные альфа-частицы - идеальный прибор для исследования глубинной структуры атома. Прежде всего он хотел испытать на прочность пудинговую модель Томсона и понять, правда ли, что атом - это пирог из внушительных положительно заряженных кусков и маленьких отрицательных зарядов. Настроенный на победу, Резерфорд сумел увести из-под носа конкурентов два ценных приза: столь желанный запас радия (они сражались за него с Рамзаем) и светлую голову немецкого физика Ханса Гейгера, который раньше работал под началом бывшего главы кафедры. Резерфорд поставил перед Гейгером задачу разработать надежный способ регистрации альфа-частиц.

Предложенный Гейгером метод - подсчет искр, проскакивающих между электродами металлической трубки, когда альфа-частицы, ионизуя запаянный внутри газ, превращают его в проводник, - лег в основу знаменитого счетчика, названного в честь автора изобретения счетчиком Гейгера. Этот счетчик работает благодаря тому факту, что электрические токи циркулируют по замкнутым контурам. Каждый раз, когда образец испускает альфа-частицу, цепь, идущая через электроды и проводящий газ, замыкается, и слышится отчетливый щелчок. Несмотря на полезную находку Гейгера, Резерфорд обычно применял другой способ регистрации. Он брал экран, покрытый сульфидом цинка, материалом, в котором бомбардирующие альфа-частицы вызывают крошечные вспышки света, сцинтилляции.

В 1908 г. Резерфорд прервал исследования, чтобы съездить за Нобелевской премией по химии, присужденной ему за изучение альфа-частиц. Но лаборатория пустовала недолго. Вооружившись надежными методами детектирования, он перешел к новым экспериментам, в которых также принимали участие Гейгер и талантливый, хоть и не закончивший еще университет Эрнест Марсден.

Судьба 20-летнего (1909 г.) Марсдена поразительно напоминала судьбу самого Резерфорда. Марсден тоже вышел из простой среды. Его отец работал на провинциальной текстильной фабрике в английском Ланкашире, делал хлопчатобумажные ткани. Резерфорд из родной Новой Зеландии переехал в Англию - у Марсдена впоследствии сложилось все с точностью до наоборот. Они оба начали ставить занятные эксперименты, когда еще учились в университете. Что касается Марсдена, не успел он закончить обучение, как его уже пригласили испытать свои таланты.

Резерфорд потом вспоминал о том вопросе на разминку, который вылился в плодотворное сотрудничество Гейгера и Марсдена. «Как-то Гейгер подошел ко мне и сказал: “Может быть, юному Марсдену пора заняться небольшим исследованием? ” Я об этом уже подумывал, так что ответил: “Пусть тогда посмотрит, рассеиваются ли какие-нибудь альфа-частицы на большие углы”»²⁰.

Резерфорд, славившийся своим умением задавать нужные вопросы в нужное время, как чувствовал, что если вдруг появятся альфа-частицы, отлетающие от металла назад, то это даст подсказку о строении материи. Ему, конечно, было интересно увидеть, что произойдет, но он не питал больших надежд относительно положительного исхода эксперимента. Но совсем исключать такой вариант тоже было нельзя. Мало ли, вдруг внутри спрятано нечто, от чего частицы будут отскакивать. Грех было не попытать счастья.

В некоторых особо чувствительных измерениях ученым, занимающимся физикой частиц, приходится уподобляться ночным животным, рыскающим в поисках добычи. Уловить ее малейшее движение получится, если только хорошо видишь в темноте. В этом занятии преимущество на стороне молодых исследователей. И даже не из-за лучшего зрения, а скорее благодаря терпению. Неудивительно, что Резерфорд и Гейгер поручили следить за рассеянием альфа-частиц двадцатилетнему Марсдену. Тому предписывалось зашторить окна как можно плотнее, затем сесть и ждать, пока зрачки расширятся настолько, чтобы улавливать со всех сторон малейшие проблески света. Только потом позволялось приступить к наблюдениям.

Марсден клал пластинки разной толщины и из разных металлов (свинца, платины и других) рядом со стеклянной ампулой с соединениями радия и ждал, когда альфа-частицы, вылетающие из ампулы, ударятся о пластинку и пройдут сквозь нее или же отскочат. Сцинтиллятором служил экран с сульфидом цинка. По нему было видно, сколько частиц отразилось и под какими углами. Закончив с очередным металлом, Марсден показывал данные со всеми-превсеми искорками, которые заметили его зоркие глаза, Гейгеру. Вместе они установили, что больше всего отражений давали тонкие листы золота. Но и они в основном пропускали альфа-частицы, словно фольга была родом из потустороннего мира. А когда изредка происходили отражения, частицы, как правило, отскакивали под очень большими углами (90 и более градусов). Следовательно, они, по-видимому, рассеивались на каких-то твердых сгущениях в недрах золота.

Сияя от радости, Гейгер прибежал к Резерфорду и, к совершеннейшему удовольствию последнего, сообщил: «Мы все-таки нашли отскакивающие альфа-частицы!»

«Это было самое невероятное событие в моей жизни, - вспоминал Резерфорд. - Это почти так же невероятно, как если бы вы кинули 15-дюймовую гранату в экран из папиросной бумаги, а она отскочила бы обратно в вас»²¹.

Если атом, как думал Томсон, и правда похож на пудинг с изюмом, то аморфная смесь зарядов внутри атомов золота не должна сильно отклонять летящие в фольгу альфа-частицы, а тогда они рассеивались бы чаще под маленькими углами. Но у Гейгера с Марсденом получилось нечто другое. Будто внутри атома сидит хороший бейсболист: когда снаряд оказывается в зоне страйка, бьющий со всего размаху его отбивает, а если снаряд выходит за эту зону, он свободно летит дальше.

В 1911 г. Резерфорд решил взамен модели Томсона предложить собственную. «Я, кажется, придумал атом гораздо лучше, чем у Джейджея», - делился он с коллегой²². В статье он изложил революционную идею о том, что в каждом атоме в центре есть крошечное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная доля массы атома. Когда альфа-частицы сталкивались с атомами золота, именно эта бита отбивала их назад, да и то только самых метких, умудрившихся попасть точно в яблочко.

Получается, атом состоит главным образом из пустоты. Ядро занимает жалкую долю его объема, все остальное - бездонное ничто. Если увеличить атом до размеров Земли, то ядро в поперечнике будет примерно с футбольный стадион. Резерфорд красочно сравнил обстрел ядра-мишени с попыткой установить местоположение комара в Альберт-холле, огромном концертном зале в Лондоне.

Несмотря на маленькие размеры, ядро играет важную роль, определяя свойства атома. Резерфорд высказал догадку, что от величины положительного заряда ядра зависит место атома в периодической системе, или, другими словами, атомный номер. У водорода заряд ядра по модулю равен заряду электрона, а для остальных элементов это количество заряда нужно умножить на атомный номер. Например, у золота, 79-го по счету элемента, положительный заряд ядра по модулю равен семидесяти девяти зарядам электрона. Положительный центральный заряд уравновешивается соответствующим количеством отрицательно заряженных электронов. В итоге атом, если его не ионизовать, электрически нейтрален. Как утверждал Резерфорд, эти электроны равномерно распределены по сфере с центром в ядре.

Хотя модель Резерфорда и вывела физику на новый уровень, некоторые вопросы остались открытыми. Она прекрасно объясняла опыты Гейгера-Марсдена по рассеянию, но многие экспериментальные свойства атома, известные в то время, оставались загадкой. Взять хотя бы спектральные линии - в рамках модели было непонятно, почему у водорода, гелия и других элементов они образуют характерный рисунок. Если электроны в атоме равномерно перемешаны, почему атомные спектры такие неоднородные? И где в общей картине найти место квантовой идее Планка и эйнштейновскому фотоэффекту, в которых электрон получает и отдает энергию конечными порциями?

По счастливому стечению обстоятельств весной 1912 г. в лабораторию Резерфорда прибыл гость из Дании, чьи знания пришлись как раз кстати. Нильс Бор - крепко сбитый молодой человек с крупными чертами лица - недавно защитил в Копенгагене диссертацию и, проведя полгода у Томсона в Кембридже, уехал в Манчестер. Он заранее написал Резерфорду письмо, где говорил, что был бы не против позаниматься радиоактивностью. От Томсона он знал про идею Резерфорда о ядре, и ему хотелось поподробнее изучить ее следствия. Однажды, когда Бор рассчитывал процесс столкновения альфа-частиц с атомами, ему в голову пришла гипотеза: а что, если энергия колеблющегося около ядра электрона принимает строго определенные значения, кратные постоянной Планка? Так одним махом Бор окунул атомы в калейдоскоп квантовой теории.

Вернувшись в Копенгаген летом того же года, Бор продолжил размышлять о структуре атома. Его интересовал вопрос, почему атомы самопроизвольно не схлопываются. Что-то должно удерживать отрицательные электроны, чтобы те не врезались в положительно заряженное ядро, как метеорит в Землю. В ньютоновской физике есть особая сохраняющаяся величина, момент импульса (момент количества движения). Проще говоря, при вращении тела и количество оборотов, и направление оси стремятся остаться неизменными. А именно произведение массы, скорости и радиуса орбиты часто представляет собой постоянную величину. Не зря фигурист начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Бор потребовал, чтобы момент импульса электрона принимал значения, кратные постоянной Планка, деленной на два «пи» (& #960; = 3, 1415). Тогда частица сможет занимать орбиты только с определенной энергией. То есть электроны могут располагаться только на определенных расстояниях от атомного ядра, или, по-другому, занимать дискретные уровни - квантовые состояния.

Догадка Бора тут же позволила сильно продвинуться в вопросе, почему наборы спектральных линий у атомов именно такие, а не другие. В боровской модели атома электроны, если они находятся в каком-то конкретном квантовом состоянии, энергию не получают и не отдают - словно они, как планета, летают по абсолютно устойчивой, идеальной орбите. По задумке Бора, электроны - это, грубо говоря, нечто вроде маленьких Меркуриев и Венер, обращающихся вокруг солнца-ядра. Но вместо силы тяготения их к центру тянет электростатическая сила, действующая со стороны положительно заряженного ядра. На этом, однако, аналогия с Солнечной системой заканчивается, и теория Бора далее приобретает совершенно другой оборот. В отличие от планет, электроны иногда перепрыгивают из одного квантового состояния в другое, к ядру или, наоборот, от ядра. Прыжки непредсказуемы и происходят мгновенно, а электрон получает или теряет энергию в зависимости от того, на какой - более высокий или более низкий - уровень он прыгнул. Как и в фотоэффекте, частоту получающегося излучения можно вычислить, поделив переданную энергию на постоянную Планка. Сами порции энергии позже были названы фотонами, или световыми частицами. Итак, характерные цветовые линии в спектрах излучения водорода и других элементов объясняются тем, что электрон, сбрасывая световой балласт, совершает своего рода погружения. Чем глубже он погружается, тем выше частота. Модель Бора ждал триумф. Ее предсказания на удивление точно совпали с известными формулами, дающими расстояние между спектральными линиями водорода.

Зимой 1913 г. Бор сообщил о результатах Резерфорду и, к своему разочарованию, получил от него довольно неоднозначный ответ. Мыслящий практически Резерфорд нашел в модели, как ему казалось, большой недостаток. Бору он написал: «Я обнаружил серьезное затруднение в связи с Вашей гипотезой, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчет; оно состоит в следующем: как может знать электрон, с какой частотой он должен колебаться, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться»²³.

Этой меткой ремаркой Резерфорд выявил одну из главных нестыковок в атомной модели Бора. Как понять, когда именно электрон откажется от спокойствия своего текущего состояния и отправится искать приключений? Как узнать, какое состояние он выберет? Боровская модель здесь была бессильна. Именно это Резерфорду и не нравилось.

Ответ на замечания Резерфорда был получен только в 1925 г., но и он привел многих в замешательство. К тому времени Бор обзавелся в Копенгагене своим институтом теоретической физики (ныне Институт им. Нильса Бора), и под его началом работала целая плеяда молодых ученых. Среди них выделялся немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901-1976), получивший образование в Мюнхене и Гёттингене. Как раз он предложил альтернативное описание того, как ведут себя электроны в атоме. Его модель тоже не объясняла, почему электроны прыгают, но давала возможность точно вычислить, с какой вероятностью они это сделают.

«Матричная механика» Гейзенберга ввела в физику новые абстрактные понятия, которые сильно смущали ученых старой закалки и были восприняты в штыки некоторыми видными физиками, понимавшими, что из этих понятий следует. Один из ярких примеров - Эйнштейн, бывший непримиримым противником матричной механики. Она накинула на атом - да и на всю природу в этих и меньших масштабах - покров неизвестности, провозгласив: не все физические свойства можно измерить за раз.

Со свойственным молодости духом мятежа Гейзенберг начал свое изложение с того, что отринул большинство представлений, безраздельно властвовавших в среде старших. Он отказался воспринимать электрон как летающую по орбите частицу и заменил его чистой абстракцией: математическим состоянием. Чтобы вычислить положение, импульс (массу, умноженную на скорость) и другие наблюдаемые физические свойства, Гейзенберг умножал это состояние на различные величины. Его научный руководитель, геттингенский физик Макс Борн, предложил записывать эти величины в виде таблиц, или матриц. Отсюда термин «матричная механика» (синоним квантовой механики). Вооружившись мощным математическим аппаратом, Гейзенберг уже не видел преград на пути в глубины атома. Потом он вспоминал: «У меня было ощущение, будто через поверхность атомных явлений мне открывается нечто удивительно красивое, и у меня чуть ли не кружилась голова от одной мысли, что мне предстоит окунуться в этот богатый мир математических структур, которые природа так щедро передо мной разложила»²⁴.

В классической физике Ньютона положение и импульс можно измерить одновременно. В квантовой механике, как изящно показал Гейзенберг, дело обстоит совсем не так. Если подействовать на состояние матрицами координаты и импульса, порядок этих операций имеет большое значение. Когда сначала применяешь координатную матрицу, а потом матрицу импульса, ответ, скорее всего, будет другой, нежели в случае, когда делаешь наоборот: сначала импульс, а координаты потом. Операции, где порядок выполнения имеет значение, называются некоммутативными. С коммутативными вариантами мы все хорошо знакомы: в арифметике это умножение и сложение («от перемены мест слагаемых…»). Из-за некоммутативности становится невозможным одновременно узнать обе физические величины с идеальной точностью. Этот факт Гейзенберг сформулировал в форме принципа неопределенностей.

Например, если зафиксировать положение электрона, принцип неопределенностей Гейзенберга в квантовой механике гарантирует, что импульс по максимуму размоется. Но импульс пропорционален скорости, а значит, электрон не может нам сообщить в одно и то же время и где он находится, и с какой скоростью летит. У электрона не то что семь, а неизвестно сколько пятниц на неделе. Если бы планеты вели себя как электроны, древние астрологи забросили бы свое занятие, не успев за него взяться.

Хотя, по Гейзенбергу, квантовой механике по самой ее природе присущи неопределенности, она дает рецепт, как вычислить вероятность. То есть она не гарантирует, что вы выиграете пари, но говорит, каковы ваши шансы. Скажем, квантовая механика дает вероятность того, что электрон из заданного положение перепрыгнет в какое-то другое. Если эта вероятность - ноль, вы знаете наверняка, что такой переход запрещен. Если нет, он разрешен, и в атомном спектре можно будет увидеть линии с соответствующей частотой.

В 1926 г. физик Эрвин Шрёдингер предложил более легкую для понимания версию квантовой механики, так называемую волновую механику. Развивая теорию, построенную французом Луи де Бройлем, Шрёдингер стал интерпретировать электроны как «волны материи». Что-то вроде световых волн, но представленных не электромагнитным излучением, а материальными частицами. Как эти волновые функции реагируют на физические силы, описывает уравнение, носящее имя Шрёдингера. Скажем, в атоме волновые функции электронов под действием электростатического притяжения со стороны ядра образуют «облака» разных форм, энергий и с разной средней удаленностью от центра. Эти облака не имеют материального наполнения. Они лишь показывают, с какой вероятностью электрон окажется в той или иной точке пространства.

Эти волновые структуры можно уподобить колебаниям гитарной струны. На закрепленной с обоих концов струне после щипка возникает стоячая волна. Лежа на пляже, мы видим бегущие волны, которые накатывают на берег. В отличие от них стоячей волне суждено двигаться только вверх-вниз. Но даже при таком ограничении у нее может быть несколько вершин (максимумов): одна, две или больше - главное, что это число должно быть целым, а не дробным. Волновая механика устанавливает соответствие между главным квантовым числом электрона и числом максимумов, что естественным образом объясняет, почему существуют именно эти состояния, а не другие.

К немалому огорчению Гейзенберга, многие его коллеги предпочли картину Шрёдингера. Возможно, потому что волновые процессы были им как-то ближе - проглядывает аналогия и со звуком, и со светом… Матрицы выглядели слишком отвлеченно. Впрочем, проницательный венский физик Вольфганг Паули доказал, что модели Гейзенберга и Шрёдингера полностью эквивалентны. Это как цифровая и аналоговая индикация - ни одна из них не уступает другой, а какую выбрать - дело вкуса.

Паули и сам оставил квантовой механике наследство: представление о том, что два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Принцип запрета Паули привел двух голландских ученых, Самюэла Гаудсмита и Георга Уленбека, к идее о том, что электрон может выстраиваться в двух направлениях, то есть имеет спин. Как подсказывает название (англ. spin - «быстрое вращение»), спин характеризует внутренний момент импульса электрона. Но, прежде всего, интересны свойства спина по отношению к магнитному полю. Если поместить электрон в вертикальное магнитное поле (скажем, внутрь магнитной катушки), электрон, словно мини-магнит, будет смотреть либо по направлению поля («спин вверх»), либо против («спин вниз»).

Электрон - слуга двух господ: обычно он пребывает в смешанном состоянии, где позиции «спин вверх» и «спин вниз» представлены в равных долях. Постойте, как одна и та же частица может обладать двумя взаимоисключающими свойствами? В повседневной жизни стрелка компаса не может одновременно показывать и на север, и на юг, но в квантовом мире свои правила игры. Пока мы не измерили спин, у него, согласно принципу неопределенностей, нет четко заданного значения. Но вот экспериментатор включает внешнее магнитное поле, и тогда электрон поворачивается спином либо вверх, либо вниз - происходит, как говорят, коллапс волновой функции.

Допустим, два электрона идут в связке. Тогда, если у одного спин торчит вверх, другой тут же обращается вниз. Такой переворот имеет место, даже если электроны далеко друг от друга. В этом противоречащем интуиции явлении Эйнштейн усмотрел проделки «призрака дальнодействия». Из-за подобных странных взаимосвязей Эйнштейн был убежден, что когда-нибудь на смену квантовой механике придет более глубокая и более ясная теория.

Что касается Бора, он не открещивался от парадоксов, наоборот, чувствовал себя среди несовместимых понятий как рыба в воде. Например, именно он сформулировал принцип дополнительности, гласящий, что электрон - это одновременно и волна, и частица. Время от времени Бор также был не прочь изречь очередной афоризм. Однажды он сказал: «Глубокая истина - это такая истина, чьей противоположностью тоже является глубокая истина». Полностью в его духе было поместить в самый центр своего герба даосский символ единства противоположностей - инь-ян.

Несмотря на свою непримиримую философскую позицию, Эйнштейн соглашался с Бором в том, что квантовая механика превосходно объясняет экспериментальные данные. Одним из знаков признания ее заслуг было выдвижение Эйнштейном Гейзенберга и Шрёдингера на Нобелевскую премию по физике. Гейзенбергу ее присудили в 1932 г., а Шрёдингер в 1933 г. разделил эту честь с британским специалистом по квантовой механике Полем Дираком. (Эйнштейн и Бор - лауреаты соответственно 1921 и 1922 гг.)

Резерфорд, однако, по-прежнему относился к квантовой теории с настороженностью и основное свое внимание уделял экспериментальным исследованиям атомного ядра. В 1919 г. Томсон сложил с себя звание кавендишского профессора и оставил пост директора Кавендишской лаборатории, а за ним в эту почетную должность вступил Резерфорд. Свой последний год в Манчестере и первые годы после переезда в Кембридж он занимался тем, что бомбардировал различные ядра быстрыми альфа-частицами. Марсден в свое время заметил, что из того места, где альфа-частицы попадают в водородный газ, начинают лететь еще более быстрые частицы с более высокой проникающей способностью. Это оказались ядра атомов водорода. Резерфорд повторил опыты Марсдена, но заменил в них водород на азот. Каково же было его удивление, когда из азота тоже стали вылетать водородные ядра. Правда, сцинтилляции от ядер водорода, попадающих во флуоресцентный экран, не отличались яркостью, и их можно было увидеть только через микроскоп. Но они неоспоримо свидетельствовали о том, что атомы азота могут испускать из своих недр частицы. Открытие радиоактивности продемонстрировало, что атомы могут самопроизвольно превращаться друг в друга (претерпевать трансмутацию), а из экспериментов Резерфорда по бомбардировке вытекала возможность менять облик атомов искусственным образом.

Положительно заряженные частицы, входящие в состав всех ядер, Резерфорд стал называть протонами. Другие ученые хотели обозначить их термином «положительные электроны», но Резерфорд решительно воспротивился. Он отвечал, что протоны гораздо тяжелее электронов и вообще у них мало общего. Когда предсказание Дирака сбылось и все-таки был открыт настоящий положительно заряженный электрон, ему дали имя «позитрон». Позитроны стали первым известным представителем так называемой антиматерии, которая во всем похожа на обычную материю, но имеет заряд противоположного знака. Протоны, в свою очередь, являются неотъемлемой частью хорошо знакомой нам материи.

На помощь Резерфорду и его сотрудникам пришел новый детектор частиц - камера Вильсона. Она позволяла наблюдать следы от частиц (например, протонов), летящих от ядра-мишени. В то время как сцинтилляции и счетчики Гейгера давали только поток испускаемых частиц, камера Вильсона могла показать, как эти частицы движутся в пространстве, следовательно, помочь лучше понять их свойства.

Ее изобрел шотландский физик Чарлз Вильсон. Во время восхождения на гору Бен-Невис он заметил, что во влажном воздухе водяные капельки охотнее конденсируются в присутствии ионов, то есть заряженных частиц. Заряды притягивают молекулы, и те осаждаются из воздуха, оставляя в области, насыщенной электричеством, конденсационный след. Вильсон понял, что так можно регистрировать невидимые глазом частицы. Он взял камеру, заполнил ее холодным влажным воздухом и стал наблюдать цепочки сконденсировавшегося пара от пролетающих мимо заряженных частиц. Такой же след оставляют в небе реактивные самолеты. Эти треки, запечатленные на фото, дают кладезь ценной информации о ходе эксперимента.

Хотя первый опытный образец своей камеры Вильсон собрал еще в 1911 г., в ядерной физике их начали применять только с 1924 г. Именно тогда Патрик Блэкетт, аспирант из группы Резерфорда, задействовал этот прибор, чтобы зарегистрировать протоны от радиоактивного распада азота. Его данные находились в отличном согласии со сцинтилляционными экспериментами Резерфорда, предоставляя тем самым неопровержимое доказательство искусственного ядерного распада.

Ядро населяют не только протоны. В 1920 г. своим легендарным шестым чувством Резерфорд угадал, что помимо протонов ядро служит убежищем и для каких-то нейтральных частиц. Двадцать лет спустя ученик Резерфорда Джеймс Чэдвик нашел нейтрон - по массе такой же, как протон, но без заряда, а Гейзенберг вскоре после этого написал историческую статью «О структуре атомного ядра», где изложил принятую сейчас модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов.

Эта картина способна объяснить различные виды радиоактивности. Альфа-распад происходит, когда ядро испускает одновременно два протона плюс два нейтрона - исключительно устойчивую комбинацию. Затем бета-распад имеет место, когда нейтрон порождает протон и электрон. Из этих самых электронов и состоит бета-излучение. Но на этом, как показал Паули, история не кончается: в распаде нейтрона куда-то исчезает некоторая доля импульса и энергии. Паули решил приписать их почти неуловимой частице, которая потом была обнаружена и названа нейтрино. Наконец, гамма-компонента возникает, когда ядро переходит из квантового состояния с высокой энергией в низкоэнергетичное состояние. Альфа и бета-распад меняют количество протонов и нейтронов в ядре, и образуется новый химический элемент, а гамма-лучи оставляют состав ядра неизменным.

Блестящие открытия и методы Резерфорда преподали нам урок: для того чтобы заглянуть в мир природы на маленьких расстояниях, надо обратиться к элементарным частицам. Их источником на заре ядерной физики служили фонтанирующие альфа-частицами радиоактивные вещества. Они как нельзя лучше подходили для экспериментов по рассеянию, из которых Гейгер и Марсден увидели, что в атоме есть миниатюрное ядро. Но уже Резерфорд понимал: без более энергичных инструментов нечего и думать, чтобы серьезней и глубже проникнуть в природу ядра. Для ядерной крепости понадобится особо крепкий таран, а точнее, тараны - частицы, разогнанные в искусственных условиях до феноменально высоких скоростей. Резерфорд не без оснований решил, что Кавендишская лаборатория сумеет построить ускоритель частиц, хотя для его воплощения, признавал ученый, потребуются определенные теоретические усилия. К счастью, одному ловкому молодому человеку удалось улизнуть из сталинской крепости и провезти с собой на Фри-Скул-Лейн багаж квантовых знаний.