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).

---

Тогда, в 1903 году, Филипп Ленард, не вызывавший у него симпатий, уже придумал теорию «пустого атома». Ленарду хотелось объяснить прохождение катодных лучей через слои металла, и он вполне резонно представил себе, что большая часть атомного пространства свободна от вещества. Остановись он на этом, его идея выдержала бы критику, хоть и не была бы еще конструктивной. Но он совершенно произвольно наполнил свой пустой атом роем вымышленных крупиц материи — динамид, каждая из которых каким-то образом составлена из заряда «+» и заряда «-». Этих динамид никто не мог обнаружить на опыте. И с ними нечего было делать для истолкования рассеяния альфа-частиц даже на малые углы. А уж для прямого отражения альфа-снарядов эти динамиды вовсе не годились из-за малости своей и нейтральности. И не нужно припомнившуюся бесполезную конструкцию немца следовало снова забыть — теперь уже навсегда. Предстояло не придумывать атом, а наконец-то понять его!

И это было тоже шагом вперед — право обоснованно отвергнуть чужие спекуляции.

Он думал об этом в Кембридже, где побывал незадолго до рождества. На торжественном обеде в честь 25-летия директорства Дж. Дж. среди юбилейных речей старых кавендишевцев звучал и его благодарный голос. В такие минуты о несогласиях не говорят. И конечно, он не мог сказать учителю, что в последние месяцы часто ведет молчаливую полемику с ним.

Здесь, в этих стенах, одиннадцать лет назад родился на глазах Резерфорда томсоновский атом — первая атомная модель, сконструированная из недавно открытых электронов-корпускул. Тогда, в 98-м году, эта модель была еще совсем примитивна. В согласии с нею атом напоминал шарообразный кекс с изюмом: изюминками были электроны, а тестом — само атомное пространство. Ему приписано было похвальное свойство — нейтрализовать отрицательный заряд электронов, иначе атом не получился бы электрически нейтральным. По Томсону, электроны были вкраплены в «сферу с однородной положительной электризацией». Но существовала в физике теорема Ирншоу, заранее осуждавшая, как совершенно неустойчивую, любую систему из неподвижных зарядов: силы их электрического взаимодействия неизбежно развалили бы такую систему. И с 1904 года в улучшенной томсоновской модели электроны стали двигаться внутри положительной сферы.

Однако и это не делало атом Томсона правдоподобным. Его призрачная сфера оставалась загадочной. Вещественными были электроны. Но, лучше чем кто бы то ни было, Томсон знал, как ничтожна их масса. И положительную сферу нужно было набить примерно двумя тысячами этих частиц, чтобы оправдать массу даже легчайшего из атомов — водородного, чей атомный вес принимался за единицу. А между тем сам Дж. Дж., теоретически рассматривая некоторые явления в газах, показал в 1906 году, что число электронов в атомах «не очень отличается от атомного веса». За два года 2000 превратились в 1. Пришлось решить, что львиная доля массы атома связана с непонятной положительной сферой. В этом не было бы ничего дурного, если бы при этом не получалось, что вещество равномерно размазано по всему объему атома. Он становился похож на облако. И объяснить отражение атомного снаряда — альфа-частицы — от такого атома оказывалось невозможным.

Впрочем, как уверял Рэлей-младший, Томсон и сам без энтузиазма относился к своей модели. И даже в тот праздничный день критика Резерфорда его не огорчила бы. Его огорчило бы другое — то, что, кроме критики, у Резерфорда не было тогда в запасе собственных конструктивных соображений. Еще не было.

Он искал их. И все сводилось к вопросу — как же распределено заряженное вещество в несомненно сквозном атоме?

Он думал об этом в тихие дни рождества (на этот раз — тихие по сравнению с прошлогодними, «нобелевскими»), когда в доме на Уилмслоу-роуд собрались все его рисёрч-стьюденты и шла нескончаемая болтовня обо всякой всячине и он под испытующим взглядом Мэри старался говорить не громче и не дольше остальных. Его подспудные мысли — все о том же! — летели сквозь праздную беседу, как альфа-частицы сквозь атом: только чуть отклоняясь в стороны, совсем незаметно рассеиваясь.

Размышления о моделях Ленарда и Томсона были только эпизодами на его пути. И не очень существенными. В конце концов его мысли приходилось работать так, как если бы никаких атомных моделей до той поры вообще никто не придумывал. Так она и работала.

Прочной опорой для нее служило его собственное неопровержимое умозаключение, что атомы — средоточия сильных электрических полей. В принципе этого было достаточно, чтобы отражение альфа-частиц от атомов не выглядело сверхъестественным событием. Не нужно было даже предполагать, что эти внутриатомные поля сильнее, чем думалось прежде, когда речь шла о рассеянии на малые углы. Сразу напрашивался логичный вывод: отражение — суммарный эффект многих актов рассеяния. Это результат накопления малого отклоняющего действия бесчисленных атомов!.. Разве удивительно, если бегун, ворвавшийся в гущу народа, не желающего уступать ему дорогу, будет — после несчетных столкновений — выброшен из толпы в ту же сторону, откуда прибежал? Случай незаурядный, но возможный. Так ведь и в потоке альфа-частиц лишь одна из восьми тысяч претерпевает такое бедствие. Вот и объяснение чуда, похожее на правду…

Образ бегуна, затолканного толпой и постепенно растерявшего всю свою энергию, действительно годился для той доли альфа-частиц, что поглощались веществом мишени. Утратив первоначальную скорость и захватив блуждающие в металле электроны, эти неудачницы становились обычными атомами гелия. (Оттого-то в радиоактивных минералах искони накапливалась гелиевая примесь.) Хаотическое перемещение могло пригнать такие бывшие альфа-частицы и к той стороне мишени, с какой некогда они ворвались в нее. Но с отраженными альфа-частицами дело обстояло иначе: они возвращались обратно, не став «бывшими» — не растратив своей колоссальной энергии.

И все-таки велик был соблазн — объяснить отражение, как результат многократного рассеяния альфа-частицы на малые углы. Среди кривых Гейгера-Марсдена одна показывала прямо, что с возрастанием толщины мишени количество отраженных частиц росло. Значит, им важно было углубляться в мишень — важно было встретить на своем пути побольше атомов. Тогда большая их доля возвращалась назад. (От мишени из двух листков золотой фольги за секунду отражались в среднем две частицы, а при толщине в шесть листков — пять частиц…) Действительно, складывалось впечатление, что эффект накапливается: пронизывая атом за атомом, удачливая частица отклоняется от своего прямого пути все ощутимей, так что атомные поля постепенно даже заворачивают ее обратно и она, описав в полете крутую кривую, появляется с той же стороны мишени, с какой влетела в нее. И чем больше атомов на пути альфа-потока, тем больше таких удачливых частиц.

И однако… Тут брала слово математика.

Теоретически капля воды на пылающей плите может замерзнуть: достаточно такой удачи, чтобы все быстрые молекулы покинули каплю одновременно; оставшиеся — объединятся в льдинку. Вот только вероятность подобной удачи столь мало отлична от нуля, что за все миллиарды лет истории нашей Галактики не появится и шанса на ее претворение в жизнь. Очень вероятно, что альфа-частица, летя сквозь тысячи атомов, в одном будет отклоняться в одну сторону, в другом — в другую, и в итоге рассеется на малый угол. Но вероятность того, что тысячи атомов, один за другим, будут поворачивать ее в угодную нам сторону, и только в эту сторону, такая вероятность почти равна нулю. И юный Марсден вместе со всеми своими потомками никогда не дождался бы этого желанного, но несбыточного события.

А оно сбывалось! Он его наблюдал — порою десятки раз в минуту. И от счета сцинцилляции уставали даже его молодые глаза. Спорить с логикой теории вероятностей было так же бессмысленно, как с лабораторными фактами. Следовало признать, что многократным — постепенным — рассеянием невозможно объяснить акты отражений альфа-частиц.

Что же оставалось?

Сегодня, издалека, все представляется совершенно элементарным. Выбора не было: понятию «многократно» противостоит понятие «однократно»; если что-то не может происходить постепенно, значит оно совершается сразу; над чем тут голову ломать?! Оставалось предположить, что альфа-частицы отражаются назад в единичных актах столкновений с атомами. Оставалось сказать, что в каждом таком событии лишь два героя: одна альфа-частица и один атом. Всякий раз это дуэт. И всякий раз это дуэль. Атом побеждает. Альфа-частица возвращается вспять. Вот и поднят шлагбаум, чтобы двигаться дальше!

Между тем вскоре после рождественских каникул, в начале 1910 года, Гейгером была написана, а Резерфордом прочитана, одобрена и направлена в Королевское общество статья, где о различии между двумя видами рассеяния — малыми отклоненьями и отраженьями назад — говорилось так: