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 как же выглядит атом в целом?

Он думал об этом на континенте — в сентябрьском Мюнхене, где в обществе старых друзей, Бертрама Болтвуда и Отто Хана, спокойно отдыхал, готовясь к предстоящему Всемирному радиологическому конгрессу в Брюсселе. Они ходили в знаменитую Мюнхенскую пинакотеку и говорили о радиевом стандарте. Ездили на поклон к великому органику Байеру и спорили о номенклатуре радиоэлементов. Просиживали вечера в баварских пивных и обсуждали план Словаря радиоактивности. Но все равно он думал о своем. Мысленно осматривал и ощупывал атом.

Он втайне был занят этим и в бельгийской столице — в дни самого конгресса, когда редких часов отдыха и молчания не хватало даже на сон. («Я провел в Брюсселе четыре дня, разговаривая по 18 часов из 24, так что не удивился, потеряв голос», — писал он 16 октября матери.) И с еще большим трудом, чем раньше, удерживался он в потоке непрерывного говорения от соблазна выдать коллегам и сделать предметом шумной дискуссии свои конструкторские идеи. Он знал теперь о возможном устройстве сквозного атома довольно много, но знание это было малоутешительным.

Как мнимо-развлекающийся Гамлет при встрече с актерами, он все время думал о своем. Однако не столько предвкушал мышеловку для короля, сколько чувствовал себя пойманным в мышеловку. В самом деле, невозможно отделаться от ощущения, что он снова, и на этот раз вовсе не по личному поводу, такому, как переезд из Кембриджа в Монреаль, впал в несвойственный ему гамлетизм. Только этот припадок в отличие от первого не задокументирован его собственными признаниями. (Но, пожалуй, довольно и того, что рассказал Дарвин: это ли не похоже на Гамлета — делая решительный шаг и уже произнося слова об ужасающих силах, вдруг осадить себя и замолкнуть! «Если тут перестараться или недоусердствовать, непосвященные будут смеяться, но знаток опечалится…»[8])

Образ сквозного атома с заряженным массивным телом в центре стал мышеловкой для его конструкторской мысли потому, что немедленно потребовал ответа на вопрос: а как заряжено центральное тело — положительно или отрицательно? Простейший этот вопрос провоцировал массу неприятностей.

Для статистической картины рассеяния альфа-частиц на любые углы — малые и большие — знак заряда сердцевины атома совершенно безразличен. Если этот заряд «+», то альфа-частица, пролетая сквозь атом, отталкивается центральным телом. И отклоняется от прямого своего пути, скажем, вправо. Если знак заряда «—», то она притягивается сердцевиной атома. И отклоняется в своем полете влево. Атомов в мишени тьма. Частиц в альфа-луче множество. Отклонения во все стороны осуществляются с равной вероятностью. И если бы в опыте внезапно изменился знак заряда атомных сердцевин — был «+», а стал «—», или наоборот, — в картине рассеяния не изменилось бы ничего.

Но, может быть, отраженные частицы — рассеянные на столь большие углы, что они возвращаются от мишени назад, — давали информацию о знаке заряда центрального тела в атоме? Тоже нет. И по той же причине.

Хотя возвращение вспять — результат взаимодействия альфа-частицы с единичным атомом, она переживает это редкое событие под влиянием все тех же сил электрического отталкивания или притяжения. Такой частице просто очень повезло: ей удалось пролететь совсем близко от сердцевины одного из атомов мишени. Ведь силы взаимодействия быстро растут с уменьшением расстояния между зарядами. Когда расстояние мало, силы громадны. И если заряд сердцевины «+», она способна отбросить назад положительную частицу, осмелившуюся подлететь к ней слишком близко. А если заряд центрального тела «—»? Тогда действуют силы притяжения и начинает казаться непонятным, по какой причине альфа-частица должна повернуть обратно. Да по той же причине, по какой наша Земля, приближаясь к Солнцу, не может оторваться от него и улететь в мировое пространство. Именно силы притяжения — только не электрического, а гравитационного — заставляют планету, летящую мимо Солнца, огибать его и снова появляться по сю сторону сцены. Так и при отрицательно заряженной сердцевине атома альфачастицу заставят обогнуть ее и вернуться обратно силы притяжения. Ив говорит, что для этого случая Резерфорд рисовал себе образ кометы, по гиперболе облетающей Солнце.

Вот так и получалось, что картина рассеяния совершенно не зависела от знака заряда центрального тела. Она зависела лишь от величины этого заряда. И от массивности этого тела. И от его малости.

Малость была особенно важна. Делалась тотчас понятной редкость актов отражения. Уже не вызывало удивления, почему из восьми тысяч альфа-частиц, упавших на мишень, всего одна получала шанс пролететь настолько близко от сердцевины какого-нибудь из атомов, чтобы испытать врю мощь ее отталкивания или притяжения.

А заодно легко объяснялось, почему с утолщением мишени росло число отраженных частиц. Сделать мишень толще значило поставить на пути каждого альфа-снаряда больше атомов. Естественно, увеличивалась вероятность «попадания в цель». Но вместе с тем становилось ясно, что у толщины мишени должен быть предел, за которым число отражений уже не сможет увеличиваться. Ведь каждая отраженная частица проделывала путь обратно и на этом обратном пути снова встречала толпу атомов. Поэтому с толщиной убывала вероятность вырваться после отражения наружу. Так одна вероятность росла, а другая уменьшалась. Должно было наступать равновесие. Гейгер и Марсден действительно наблюдали его на опыте.

В общем идея маленького, но могучего центрального тела в атоме работала хорошо! Однако какой же заряд оно несло: «+» или «—»? Не зная этого, можно ли было сконструировать атомную модель?! Из двух вариантов верным мог быть один. Следовало сделать выбор.

И тут-то захлопнулась мышеловка.

Стоило допустить, что сердцевина заряжена отрицательно, как снова выползали наружу неправдоподобные черты томсоновской модели. Если в центре заряд «—», значит там сосредоточены атомные электроны. Но там же, по исходной идее, сконцентрирована основная масса атома. Стало быть, снова появлялось на свет многотысячное скопление электронов. И снова появлялась призрачная — почти невесомая — сфера с положительным зарядом, ибо надо же было как-то обеспечить нейтральность атома в целом. А при распаде радиоактивных атомов откуда брались тяжелые положительно заряженные альфачастицы?.. Смущающие и безответные вопросы обступали толпой.

Но стоило допустить, что сердцевина заряжена положительно, как возможная атомная модель вообще становилась эфемерной. На первый взгляд все получалось красиво и убедительно. Нейтральность достигалась естественно и просто: в центре тяжелый заряд «+», вокруг легкие электроны с зарядом «—». Понятно, почему электроны так легко отрываются от атомов и становятся свободными: они живут вдали от сердцевины и связь их с нею не очень прочна — ее несложно нарушить. Даже трением можно наэлектризовать многие тела. (Старые добрые школьные опыты!) И за атомный вес в такой модели несут ответственность не электроны, а центральный тяжелый положительный заряд. И становится понятно, откуда берутся при радиоактивном распаде альфа-частицы: их выбрасывает в результате каких-то внутренних процессов массивная атомная сердцевина. И наконец, легко удовлетворяются такой моделью требования теоремы Ирншоу. Конечно, электроны не покоятся вдали от центрального заряда; они вращаются вокруг него. Так, значит, в довершение всех достоинств этого атома, он еще и устойчив? Когда бы так, лучшего действительно нельзя было бы пожелать. Но в том-то и заключалась беда, что такой атом существовать не мог.

Он не мог существовать по законам электродинамики Максвелла. Эти законы утверждали: если заряд движется с ускорением, он излучает электромагнитные волны. А вращение — это движение с ускорением. Значит, электроны в таком атоме обречены были бы непрерывно излучать энергию. Иными словами, непрерывно терять то единственное, что могло бы позволить им неограниченно долго противиться притяжению положительно заряженной сердцевины. Им предстояло бы неотвратимо к ней приближаться, и свет, испущенный ими при этом, был бы сигналом бедствия. Атом неизбежно перестал бы существовать. И на всю его эфемерную жизнь понадобились бы не века, а мгновенья.

Так захлопнулась мышеловка. Безнадежно выглядели оба варианта: и с зарядом «—» и с зарядом «+». Было отчего впасть в гамлетизм.

Нетерпеливый, алчущий скорых решений, Резерфорд продолжал обдумывать оба варианта с вынужденным долготерпением дюжины Иовов. Другого выхода не оставалось: атом существовал и, следовательно, как-то был устроен!

В те последние месяцы 1910 года, когда всеми своими догадками и сомнениями жил он в близком будущем атомной физики, все вокруг точно сговорилось назидательно напоминать ему об его прошлых исканиях. И наверное, это было хорошо.