Даниил Данин - Резерфорд

• Название: Резерфорд
• Автор: Даниил Данин
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1966

Книга Д.Данина посвящена величайшему физику-экспериментатору двадцатого столетия Эрнесту Резерфорду (1871–1937).

---

Так, летом 1902 года Резерфорд имел еще совсем превратное представление об альфа-лучах: да, это поток тяжелых частиц, но заряженных не положительно, а отрицательно!

К счастью, такая ошибка была легко исправимой. Может быть, поэтому о ней обычно не вспоминают ни биографы Резерфорда, ни историки атомной физики. А между тем это очень выразительная черта в летописи познания микромира: элементарнейшие вещи вовсе не давались сами в руки исследователей.

Резерфорд исправил свою ошибку осенью, после каникул. А почему не сразу? Разве так уж сложно было поставить очевидный опыт: поместить источник альфа-лучей меж полюсов магнита и посмотреть, в какую сторону магнитное поле отклоняет эти гадательно заряженные частицы? Если в ту же, что и электроны, значит и заряд у них тот же: отрицательный. Если в противоположную — положительный…

Ну, разумеется, он это сделал. Но результат-то был неутешительный: альфа-лучи вообще не претерпевали отклонения, словно заряд их был равен нулю! Резерфорд был уже не первым, кого постигала такая неудача. Недаром в научной литературе того времени повелось называть альфа-радиацию неотклоняемыми лучами. Однако Резерфорд стал, кажется, первым, кого эта явная неудача не обескуражила. Он, представлявший себе атом в виде некой электрической системы, настолько не сомневался теперь в заряженности альфа-частиц, что их неотклоняемость в магнитном поле только подхлестнула его воображение. Из этого-то нелепого факта он и сделал вывод о массивности альфа-частиц. Маленький предположительный расчет — и он уверенно объявил в своей июльской работе, что слабое поле его лабораторного магнита просто не могло с ними справиться. Вот и все! А заряженность их несомненна.

Нужен был сильный магнит. И осенью, в дни майкл-терма 1902 года, он однажды зашел в электротехническую лабораторию Мак-Гилла. Старый друг Оуэнс понял его с полуслова. Едва ли не в тот же день начался демонтаж самой большой университетской динамо-машины Эдисона мощностью в 30 киловатт. «Благодаря доброте профессора Оуэнса… я получил возможность создать достаточно сильное поле, чтобы полностью отклонить альфа-лучи».

Это не из частного письма и не из застольной речи. Это из текста статьи Резерфорда, в само название которой впервые проникли, наконец, альфа-лучи (правда, все еще под псевдонимом): «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей радия». С обычной своей обязательностью Резерфорд спешил отдать должное тем, кто помог ему в исканиях. Он не забыл указать даже, что только благодаря посредничеству Пьера Кюри у него в руках оказался довольно сносный радиевый препарат. И не забыл сделать ссылку иа Стрэтта и Крукса, которые еще в 1900 году высказали предположение, что альфа-лучи, быть может, состоят из положительно заряженных частиц. Ои сделал эту ссылку, хотя то были всего лишь словесные догадки, решительно ничем не обогатившие его собственное исследование. Но когда он с изумлением обнаружил, что альфа-частицы отклоняются в сторону, противоположную электронам, он тотчас вспомнил о пророчестве своих коллег.

Но, конечно, смысл той памятной работы Резерфорда заключался отнюдь не в определении знака заряда альфа-частиц. Свою июльскую ошибку он исправил попутно. За него это сделали сами альфа-частицы, отклонившись «не в ту сторону». Главным же было другое: степень искривления их траекторий в магнитном поле. И еще: степень отклоняющего действия поля электрического. По двум этим величинам можно было составить количественное представление об альфа-частицах.

Так пятью годами раньше, весной 1897 года, Дж. Дж. Томсон с помощью подобных измерений набросал портрет своих корпускул-электронов. Он узнал, что они способны двигаться с колоссальными скоростями, близкими к световой. Но всего существенней, что он смог оценить отношение их заряда «е» к массе «m». Знаменитое отношение: e/m!

Сколько тонких экспериментаторских ухищрений вызвало к жизни стремление физиков все точнее и точнее определять эту величину. При лабораторной технике тех времен раздельное определение ничтожного заряда и ничтожной массы микротелец оказывалось почти недоступным. А величина e/m входила в формулы для многих макрособытий, и потому попытки все более точного ее измерения не были тщетными.

Нетрудно понять, ожиданием какого результата томился Резерфорд.

Не отвлеченные философические рассуждения привели к открытию электрона: громадная величина e/m для этих заряженных корпускул — вот что в свое время ошеломило Дж. Дж. Вот что заставило его объявить о существовании в природе телец с массой в тысячу раз меньшей, чем у легчайшего из атомов — водородного. А Резерфорд уже знал, как трудно отклонить магнитным полем альфа-частицы. Он не сомневался, что величина e/m для них сравнительно невелика. Причин могло быть две: малость заряда «е» или значительность массы «m». Либо то и другое вместе. Но весь опыт физики убеждал, что заряда меньше электронного не бывает. Следовало ожидать, что у альфа-частиц масса велика — сравнима с массой целых атомов!

Но если это правда, думал он, то теория атомного распада сразу получит внушительное подтверждение. Станет ясно, почему испускание альфа-лучей приводит к таким глубоким последствиям, как превращение одного элемента в другой, Атом теряет ощутимую часть своей массы — изменяется его атомный вес! (Различие в атомных весах еще казалось тогда самым фундаментальным различием атомов — на этом построена была периодическая система Менделеева.)

Когда рассказывают об экспериментаторском гении Резерфорда, в ряду обязательных примеров всегда вспоминают и ту его осеннюю работу 1902 года. Но ее красота впечатляет только физиков-экспериментаторов. Они прощают ему, что он преодолел лишь половину технических трудностей дела, ибо знают им цену. Он сумел надежно измерить отклонение альфачастиц лишь в магнитном поле, а в электрическом — не сумел. Эффект был замаскирован побочными явлениями.

Все же к ноябрю он имел все основания дать первую правдоподобную оценку e/m, а заодно и скорости этих частиц. Но, готовя статью для «Philosophical magazine», он вынужден был предупредить читателей-коллег:

Эти результаты — только грубые приближения и просто показывают порядок величин. А величины были такие: скорость — примерно 25 тысяч километров в секунду, около 0,1 скорости света и e/m — примерно 6000. В тех же единицах по тогдашним заниженным данным e/m для водородного иона достигало 10 тысяч, а для электрона превышало 10 миллионов.

В день, когда Резерфорд сумел сделать свой подсчет, из его профессорской комнаты громко доносилось: «Вперед, со-оолдаты Христа…» И живо представляется, как повторялся один и тот же кадр: приоткрывалась дверь, и в ее проеме поочередно возникали фигуры его «мальчиков» — то Бэрнс, то МакКланг, то Грайер, то Аллен, то Кук, то Оуэнс наконец; у каждого улыбка на лице и молчаливый вопрос в глазах: «сколько?» И каждому в ответ короткое: «Шесть тысяч, мальчики!»

Все понимали, что это значит для шефа. Для шефа и для атомной физики. Шесть тысяч почти в два раза меньше десяти. И следовательно, альфа-частицы почти в два раза тяжелее атомов водорода! Это при условии, что заряд у них минимальный, такой же, как у водородного иона: е= + 1. А если заряд их больше — скажем, 2е? Тогда и масса вдвое больше… И они уже равны по массе учетверенным атомам водорода… Скромнейшая арифметика кружила голову. В конце отчетной статьи Резерфорд позволил себе напророчествовать:

Способность радиоактивных веществ испускать, повидимому самопроизвольно, большие массы с громадными скоростями подтверждает ту точку зрения, что атомы этих субстанций устроены, по крайней мере частично, как быстро вращающиеся или колеблющиеся системы заряженных телец, весьма тяжелых по сравнению с электроном.

Так 10 ноября 1902 года Эрнст Резерфорд дал первый набросок своей будущей модели атома. Набросок грубый, как наскальный рисунок дикаря, но и столь же выразительный. Замечательны были незаметные слова — «по крайней мере частично». В них заключался на. чек на возможность неоднородного строения атома. При большом желании в них можно увидеть предвосхищение идеи атомного ядра, пространственно отделенного от электронов…

Вот когда действительно начался его альфа-роман.

Однако всю зиму 1902/03 года он не углублялся в новые исследования альфа-частиц: недоставало времени. У него в работе была первая его книга — обширная монография, задуманная как энциклопедия радиоактивности. Он приступил к делу еще летом и 1 августа написал матери, что надеется справиться с этой нелегкой задачей в течение года. Уведомление, что он пишет большую книгу, показалось ему хвастливым, и он, как всегда в таких случаях, постарался тут же отшутиться. Ему вспомнились строки из Экклезиаста: «Ты видишь, я пренебрег предписанием царя Соломона: „…составлять много книг — конца не будет, и много читать утомительно для тела“». За зиму из-под его пера вышел целый том — около 400 страниц энергичного текста. Мудрено ли. что той зимой он заставил себя все остальное отодвинуть на второй план. Даже альфа-частицы.