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 что же: перед Резерфордом маячило как бы второе открытие основной физической идеи квантовой механики? Если угодно — да. Но для физики имело бы значенье не это переоткрытие уже известного, а более скромное достижение: первое качественное указание на возможность волнового решения проблемы потенциального барьера. Дальше началась бы громоздкая математика, однако бесценна была бы тогда именно эта физическая подсказка. А она его не осенила!

И это редкий случай, когда можно понять, почему не осенила… (Или только кажется, что это можно понять?!)

Не оттого ли так случилось, что Резерфорд впервые оказался не на уровне века? Слишком долго отмалчивался от спорной новизны. Слишком задержался в позиции над схваткой. Слишком часто пошучивал не совсем безобидно:

Тенденции современной физики? Я не могу написать об этом статью. Тут и разговоров-то всего на две минуты. Все, что я мог бы сказать, сводится к одному — физики-теоретики ходят хвост трубой, а мы, экспериментаторы, время от времени заставляем их сызнова поджимать хвосты!

Так ответил он на предложение выступить перед очередным конгрессом Би-Эй с посланием о «тенденциях современной физики». А может быть, в действительности все объяснялось без психологических хитростей и затей. Может быть, просто начал уже ощутимо сказываться в его деятельности всеобщий человечий закон убывания с течением жизни духовного плодородия? Может быть.

Так или иначе, но теория альфа-распада была добыта не на Фри Скул лэйн.

10

В октябре 1928 года эту теорию привез с собою в Кавендишевскую лабораторию молодой теоретик Георгий Гамов.

…Она привлекательно называлась: теория туннельного эффекта. Тотчас возникал наглядный образ альфа-частицы, как бы роющей в горе потенциального барьера туннель, чтобы по нему вырваться из ядра наружу. Конечно, антинаглядным было, как она его роет и что это за туннель, но зацепка для воображения наличествовала бесспорно.

И зримо ясным было: чем выше энергия альфа-частицы, тем ближе к вершине горы расположен ее туннель. И тем он короче. А следовательно, тем вероятней альфа-распад. И стало быть, тем меньше среднее время жизни радиоактивного элемента. Но как раз такая — обратно пропорциональная — зависимость между энергией испускаемых альфа-частиц и периодом полураспада альфа-излучателей была замечена в резерфордовской обители уже давно, еще в манчестерские времена, и получила название закона Гейгера — Нэттолла.

Туннельный эффект был тем самым волновым просачиванием микрокентавров через потенциальный барьер, которое могла предсказать только квантовая механика. С помощью волнового уравнения Шредингера и Соотношения неопределенностей Гейзенберга теоретически получались результаты, прежде бытовавшие в теории радиоактивности как эмпирические закономерности.

— Работа Гамова произвела колоссальное впечатление в Кембридже. Все были взбаламучены. — Это слова К. Д. Синельникова, к той поре уже год как работавшего в Кавендишевской лаборатории.

А что уж говорить о реакции Резерфорда!

Вдруг, проснувшись однажды утром, он обнаружил, что может без новых усилий «узнать об атомном ядре немножко больше». Но, сверх того, и это было особенно важно, он смог окончательно и бесповоротно увериться в могуществе квантово-механических подходов и построений. Теория туннельного эффекта сумела не только разрешить многие старые трудности, но еще и предсказала необычные возможности лабораторного вторжения в атомное ядро. Ничем другим нельзя было бы подкупить Резерфорда вернее.

«У волновой механики удивительное свойство — она работает…» — стал говорить он. Запас карман не ломит: насмешливый эпитет «удивительное» гарантировал ему приятное право в случае чего поворчать вместе со всеми скептиками по поводу философской неблагонадежности вероятностного понимания микромира. Однако существенно было, что работоспособность новой механики признавалась им теперь не молча, а вслух и с деловыми последствиями. Вполне деловыми.

А суть новых возможностей эксперимента хорошо и точно отражалась в появившемся тогда термине — «обратный туннельный эффект». Буквально — обратный: речь шла уже не об испускании альфа-частицы, а об ее проникновении снаружи в атомное ядро.

Ясно было, что и на этом пути перед нею вырастает гора потенциального барьера. Не какого-нибудь нового, а уже знакомого нам энергетического барьера, но только обращенного к ней теперь своим внешним склоном. В самом деле: несущая двойной положительный заряд, она не может ворваться в ядро, не преодолев сначала мощных сил отталкиванья положительного заряда этого ядра. Они-то и создают внешний склон барьера, да и вообще повинны в его существовании, ибо как раз против них и должны работать силы внутриядерного притяжения. И будь альфа-частицы классическими корпускулами, им для успеха вторжения… Стоит ли повторять все сначала? Довольно конца. Они микрокентавры, частицы-волны, и для успеха вторжения в ядро им не надо обладать энергией, обязательно превышающей высоту барьера. Они и снаружи способны просачиваться через него так же, как изнутри.

Короче: альфа-частицы способны на обратный туннельный эффект точно так же, как и на прямой. Последствия очевидны: скажем, для вторжения в ядро урана, окруженное барьером в 10 миллионов электрон-вольт, альфа-частице вовсе не нужно двигаться с такой энергией. Достаточно и меньшей. Правда, чем меньше она, эта энергия движения, тем меньше вероятность успеха. Однако хоть и с меньшей вероятностью, но вторжение медленных частиц все-таки происходить будет…

Стоило только в этих рассуждениях, разумеется оснащенных математическими парусами, заменить альфа-частицы протонами, как открывались, благодаря обратному туннельному эффекту, соблазнительнейшие перспективы. Не смогут ли протоны послужить еще более эффективной атомной артиллерией, чем альфа-частицы? Несущие одинарный, а не двойной заряд, они ведь должны отталкиваться ядрами с меньшей силой, чем альфа-частицы. Потенциальный барьер любого ядра будет для них как бы ниже. И, снабженные даже относительно малой энергией, не сумеют ли они со сравнительно большой вероятностью проникать в ядра, вызывая их трансмутации?

Предварительные расчеты Гамова обнадеживали: для успешной бомбардировки легких ядер достаточно было взять протоны с энергией порядка 105 электрон-вольт. Не о миллионах, а всего лишь о сотнях тысяч электрон-вольт пошел разговор! По тем временам это имело громадное, если не решающее значение.

Легко говорится «взять протоны нужной энергии». Это особенно легко говорится во второй половине XX века, когда атомно-ядерные лаборатории с их гигантскими ускорителями стали циклопическими сооружениями землян, а протоны-миллиардеры сделались такой же лабораторной обыденностью, как рентгеновы лучи. Но на рубеже 20—30-х годов нашего столетия протоны в тысячу раз менее энергичные — протоны-миллионеры — чудились Резерфорду почти неосуществимой мечтой. За год до открытия туннельного эффекта, осенью 27-го года, вручая на заседании Королевского общества почетную медаль д-ру Кулиджу, создателю известной лучевой трубки, сэр Эрнст именно в такой мечтательной интонации говорил об «изобильном снабжении» экспериментаторов потоками заряженных частиц более энергичных, чем частицы в естественных альфа- и бета-лучах. В принципе все было легко достижимо; на деле — недоступно. В идее — заманчиво просто; технически — крайне сложно. И дорого, очень дорого! Блэккет рассказывал, что в течение нескольких лет Резерфорд неизменно отклонял предложения Чадвика заняться ускорением протонов для бомбардировки ядер. И причины тому были всякий раз одни и те же: слишком сложно и слишком дорого…

Но осенью 28-го года, когда с таким же предложением к нему явился Джон Дуглас Коккрофт, Резерфорд уверенно сказал «да!». И даже сопроводил свое согласие вдохновляющим: «Вперед, солда-аты Христа!..»

Дело в том, что Коккрофт оказался тем кавендишевцем, с которым Гамов детально обсуждал экспериментальные следствия своей теории. Почему эта доля выпала Коккрофту? Возможно, тут действовал случай. Если так, то это был очень разумный выбор с его стороны.

Энтузиазм молодости (ему шел только еще тридцать второй год) сочетался в Коккрофте с трезвой многоопытностью (ему шел уже тридцать второй год!). Но всего существенней было другое, в его лице сочетались воедино инженер-электрик, физик-экспериментатор и математик-профессионал. Он не оканчивал ни электротехнического института, ни математического факультета. Однако два года, проведенные в юности на манчестерском предприятии известной компании «МетрополитенВиккерс», сделали его электриком высокого класса. А необходимость выйти на первое место при конкурсной сдаче знаменитого математического трайпоса заставила его приобрести незаурядную осведомленность во всех разделах математики. Она была и прежде его коньком — он учился у Горация Лэмба, — но стать победителем трайпоса ему и вправду было необходимо: только под этим условием Резерфорд в 22-м году обещал Коккрофту место в Кавендише. Отчего так случилось, Коккрофт в своих мемориальных лекциях не рассказал. Однако так случилось, хотя на сэра Эрнста до крайности было непохоже столь почтительное отношение к экзаменам. И такая злодейская требовательность к юноше на него тоже была не слишком похожа.