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).

---

Дж. Дж. и Резерфорд сделали поспешный, хотя на первый взгляд и единственно логичный вывод: значит, переносчики зарядов сравнимы по величине с частичками пыли и табачного дыма, которые тоже застревают в канальцах этого фильтра. Таунсенду с самого начала такое предположение показалось невероятным. Он выдвинул другое объяснение: носители зарядов так малы, что свободно движутся через пустоты в вате, но в отличие от нейтральных молекул они прилипают к стенкам узкого лабиринта… Возник спор. И длился он не один день.

А его исход был крайне существен. Если бы Томсон и Резерфорд продолжали настаивать на своем убеждении, как перешли бы они к представлению, что носители зарядов — обломки молекул?

Но настал час, когда во время очередной дискуссии Резерфорд вдруг поднял голову от приборов, выпрямился во весь свой немалый рост и внимательно посмотрел на ирландца.

— Сили! Кажется, ты прав… — сказал он.

— Да, разумеется, он прав… — обрадованно согласился Дж. Дж., точно только и ждал такого оборота дела.

(Может быть, они признали правоту Таунсенда в обратной последовательности: сначала — старший, потом — младший. Существенно, что со своим заблуждением они расстались легко и безоговорочно.)

Их совместная работа «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию рентгеновых лучей» была опубликована в ноябре 1896 года лондонским «Philosophical Magazine». Но британские физики уже знали эту работу: двумя месяцами раньше она была зачитана перед секцией А Британской ассоциации на Ливерпульском конгрессе — в самом его начале. И когда в конце конгресса Эрнст демонстрировал свой магнитный детектор, было уже известно, что «это тот именно Резерфорд, который вместе с Томсоном…». Их работа стала первой ласточкой, сумевшей сделать весну. Точно вскрылась река: из Кавендишевской лаборатории устремился в научные журналы Англии поток статей. За три года с небольшим 104 исследования в новой области!

В те последние годы века с изучения электропроводности газов начали свой блестящий путь в науке одареннейшие из рисёрч-стьюдентов поколения Резерфорда, навсегда оставшиеся его близкими друзьями.

Для Поля Ланжевена тогда началась подготовка к его известной докторской диссертации «Исследования в области ионизации газов».

Джон Сили Эдвард Таунсенд весь погрузился тогда в разработку проблем газового разряда. Потом более полувека занимался он этой темой. С нею были связаны все его успехи и мировая известность.

Чарльз Томсон Рис Вильсон в ту именно пору приступил к лабораторному изучению туманов. Он обнаружил явление конденсации паров на электрически заряженных частицах. Его детищем стала знаменитая туманная камера Вильсона.

В пионерской работе 96-го года Томсон и Резерфорд называли носителей зарядов громоздким термином — conducting particles (проводящие частицы). Старое, уже бытовавшее в физике слово «ион» заменило этот термин позднее, когда появилась следующая — совершенно самостоятельная — работа Резерфорда. Целая главка называлась в ней «Скорость ионов».

Этим-то исследованием и занимался Эрнст, когда писал Мэри, что им владеют большие замыслы и каждый вечер он должен обдумывать программу действий на следующий день. Ему не терпелось добыть новые результаты, пока Дж. Дж. после Ливерпуля путешествовал по Америке. Его подхлестывал оптимизм. Его подстегивало честолюбие. Ему очень хотелось, чтобы профессор был приятно удивлен… И в ноябре вернувшийся из-за океана Дж. Дж. в самом деле увидел в успехах Резерфорда существенное продвижение вперед. Резерфорду удалось установить прямую зависимость между степенью поглощения рентгеновых лучей и величиною тока, возникающего при этом в газе.

Работа была окончена на исходе декабря, и в начале нового, 1897 года Томсон препроводил ее в редакцию «Philosophical magazine» со своим кратким, но очень многозначительным послесловием. Он утверждал, что найденная м-ром Резерфордом закономерность заставляет видеть глубокое сходство между светом и лучами Рентгена. Эти лучи тоже поток электромагнитных волн или импульсов. Томсон говорил о них на классическом фарадеевском языке «силовых трубок» совершенно так же, как в наши дни физики говорят об электромагнитном излучении на планко-эйнштейновском языке квантов-фотонов. Заметим: шел 1897 год, до появления квантовой теории должно было пройти еще три года. Но из той работы Резерфорда Томсон сделал вывод, в котором звучит сегодня предвосхищение идеи Планка о неделимых «порциях энергии».

В этом легко убедиться. Он писал так:

Разложение одной молекулы, или образование одного положительного и одного отрицательного ионов, всегда сопровождается выходом из игры в точности одной силовой трубки из всего их множества, формирующего поток рентгеновых лучей.

Сегодня физик сказал бы: происходит ионизация молекулы за счет энергии рентгеновского кванта или фотона.

«Интенсивность лучей Рентгена пропорциональна числу силовых трубок Фарадея… — так может быть выражен результат, полученный м-ром Резерфордом», — написал в заключительной фразе Дж. Дж.

Словом, когда близятся революционные бури, их провозвестники появляются задолго до решающего дня, но удостаиваются внимания «после бала». Эта статья и это послесловие увидели свет в апреле 1897 года — в дни, ставшие для физики историческими по другой причине.

Всю ту зиму — свою вторую кембриджскую зиму — Резерфорд работал самостоятельно. Он и Томсон разрабатывали разные темы. Но предмет исследований у обоих оставался одним и тем же: носители зарядов в газах — ионы!

Слово это действительно было уже старым — старше не только Резерфорда, но и Дж. Дж. Оно было рождено еще в 30-х годах XIX века живой предметностью фарадеевского воображения: «странниками» (ионами) Фарадей окрестил переносчиков электричества в гальванических элементах. Был этот термин поначалу только художественным образом, как большинство научных терминов. Ионы странствовали в проводящих жидкостях и перетаскивали заряды к электродам. Мысль кавендишевцев, что для газов природа не позаботилась придумать что-нибудь новенькое, была не бедной, а глубоко содержательной: за нею стояла все та же убежденность в единстве природы, какую исповедовал Фарадей.

Резерфорд с его стремлением наглядно представлять себе происходящее мысленно общался с этими невидимыми ионами-странниками, как с крошечными, но вполне реальными существами. Он молча беседовал с ними, обсуждая варианты их поведения, как маорийцы беседовали с ветрами и рыбами в океане. А. С. Ив вспоминал, как Резерфорд однажды сказал ему: «Ионы — это веселые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию».

Той зимой он изучал способность ионов воссоединяться в нейтральные молекулы или рекомбинироваться, как повелось с тех пор говорить в физике. А Томсон занимался не столько поведением ионов, сколько ими самими: их малостью — массой, их веселостью — зарядом. Короче: он исследовал величину отношения заряда ионов к их массе. И эти-то поиски привели его в апреле 1897 года к историческому открытию. То был его звездный час.

Если бы в событиях, происходивших тогда на первом этаже Кавендиша, молодой Резерфорд принимал прямое участие, здесь следовало бы все описать подробно. Но хотя он и сыграл существенную роль в открытии электрона, была она все же только косвенной. А потому нам достаточно лишь в двух словах обрисовать идею экспериментов Дж. Дж. Томсона.

…Заряженные частицы, летящие в пустоте, можно отклонять от прямолинейного пути двумя способами: действием электрического поля и действием поля магнитного. Чем больше заряд и меньше масса частицы, тем заметнее отклонение в обоих случаях. Другими словами, оно всякий раз зависит от отношения массы частицы к ее заряду. Из серий экспериментов с разными ионами, несущими одинаковые заряды, можно узнать, насколько одни обломки молекул массивнее других.

Обломки молекул… Следовало ожидать, что они будут соизмеримы с атомами. Самый легкий из них — атом водорода. Таков же и самый легкий из положительных ионов. Но в опытах с частицами, заряженными отрицательно, обнаружилось нечто неожиданное. Настолько неожиданное, что смущенный Томсон стал на разные лады проверять отношение массы этих частиц к их заряду. Когда-то в молодости изучавший катодные лучи, он теперь снова к ним обратился. Рассматривая их как поток отрицательно заряженных телец, он захотел узнать, а каково там отношение массы к заряду. Он вспомнил и об отрицательно заряженных тельцах, испускаемых горячими металлами. Словом, он повел исследование разными методами в разных направлениях и был сполна вознагражден необычайностью открывшегося.

Всякий раз он убеждался, что частицы, несущие отрицательный заряд, по меньшей мере в 1000 раз легче легчайшего атома. Впоследствии, уже в XX веке, было установлено, что масса электрона примерно в 1837 раз меньше массы водородного ядра — протона. Дж. Дж. Томсон прекрасно сознавал, что его измерения недостаточно точны. Он мог поручиться только за порядок полученных величин — 10, 100, 1000… Но для начала этого было довольно. Этого было довольно, чтобы изумиться. Изумиться и понять, что в природе есть материальные сущности столь малые, что атомы по сравнению с ними гиганты.