Эрнест Резерфорд

А некоторое время спустя о наблюдениях Беккереля им сообщил  сам Крукс. Это заставило их немедленно взяться за работу, чтобы выяснить, не восстанавливается ли утраченная радиоактивность у тория. Да, очищенный  торий вел себя так же, как и  очищенный уран, - то терял радиоактивность, то снова ее приобретал. Постепенно вырисовывалась картина: торий, излучая, рождает торий-X , а последний эманацию. Если в целом интенсивность излучения  остается постоянной, то это потому что торий-X со временем распадается, однако запас его постоянно пополняется. Это было смелым, для того времени  почти невероятным предположением. Но исследователи уже имели возможность  измерять и взвешивать полученные вещества, хотя и было их крайне мало. Ими давно  было установлено, за какое время  наполовину снижается интенсивность  излучения этих веществ, а это  можно было сопоставить с их общей  массой. Они решили проверить себя химическим путем. По закономерности спада  интенсивности радиации они рассчитали, сколько должно образоваться тория-X из неактивного очищенного тория  через определенные промежутки времени, и опыт блестяще подтвердил их расчеты. Ошеломленный Содди воскликнул: «Резерфорд! Это превращение элементов!» Шеф  и сам был в восторге, но опыт есть опыт: «Ради святого Майка, Содди, не называйте это трансмутацией! Они снимут нам головы, как алхимикам. Вы же знаете их».

Резерфорд знал, что говорил: на заседании Макгиллского физического  общества, где он изложил теорию самопроизвольного превращения  элементов, монреальские ученые настойчиво рекомендовали докладчику воздержаться от публикации статей на такую тему. Они опасались полного их провала  и дискредитации Мак-Гиллского  университета. Один за другим выступали  коллеги, советуя Резерфорду быть осмотрительным, осторожным в выводах, тщательным в  проверке и перепроверке данных. Резерфорд  не выдержал и закатил такую ответную речь, о которой благожелательно  к нему настроенный профессор  Н. Шоу выразился очень сдержанно: «Его ответная жаркая речь была не совсем удачной...»

Разразившуюся бурю успокоил профессор Джон Кокс. Он мягко и  спокойно внес необходимые разъяснения  и дал понять аудитории, что за честь Мак-Гиллского университета едва ли есть основания беспокоиться; наоборот, работы Резерфорда еще принесут Мак-Гиллу мировую славу, настанет день, когда экспериментальные исследования этого ученого будут рассматриваться, как величайшие со времен Фарадея.

Работы Резерфорда и Содди  по «теории дезинтеграции материи» были опубликованы в Европе в солидном научном журнале и стали предметом  жаркого обсуждения.

Содди навсегда уехал в  Англию с намерением работать в лаборатории  знаменитого Рамзая. Резерфорд же собирался поехать в Европу в  отпуск. К тому времени европейская  пресса была полна сообщениями о  канадских работах по радиоактивности  и о трансмутации. Даже юмористические журналы взяли эту тему на вооружение. Секретарь Лондонского Королевского общества Д. Лармор, узнав, что Резерфорд намерен побывать в Европе, написал ему: «Вы будете львом сезона для газет, которые стали радиоактивными». Так оно и случилось в широких слоях общества, в журналистике, но пока еще не в ученом мире. У последнего необходимо было еще завоевать признание. В Саутспорте на конгрессе Британской ассоциации содействия развитию науки Резерфорд открыл дискуссию об эманациях радия и тория. Он пытался убедить аудиторию в том, что «теория дезинтеграции материи» объясняет необычайный феномен. В дискуссии принял участие видный ученый того времени сэр Оливер Лодж и зачитал послание отсутствующего знаменитого физика лорда Кельвина. Лорд Кельвин предупреждал членов ассоциации, чтобы они не слишком полагались на новые теории мистера Резерфорда. Давалось понять, что выводы его ошибочны, что трансмутация - плод воображения, а радиоактивные излучения - радиевые пары или, возможно, молекулярная пыль бромида радия. Зал разразился аплодисментами, и Резерфорд почувствовал, что трудно будет ему противостоять мнению такого авторитета, как лорд Кельвин, знаниям и опыту которого безоговорочно верили два поколения физиков. Президент Химического общества Англии Генри Армстронг после зачтения письма Кельвина сказал с нескрываемой иронией: «Я был поражен подвигами воображения мистера Резерфорда». Он выражал удивление по поводу того, что, оказывается, существуют атомы, одержимые «неизлечимой манией самоубийства», и «считал своим долгом» сообщить аудитории, что «у химиков, конечно, нет никаких доказательств распада атомов на земле».

Резерфорд, как известно, не отличался сдержанностью, но монреальский погром пошел ему на пользу, он взял на вооружение выдержку и спокойствие  Джона Кокса - можно представить  себе, чего это ему стоило. Не выдержал Содди. Он с таким неистовством и  язвительностью накинулся на Армстронга, на всех, кто не хотел слушать  аргументов, что председательствующий лишил его слова. Здесь он проявил  себя настоящим «каустиком Содди», как было потом скаламбурено о  нем в юмористическом журнале.

Резерфорд на этот раз держался с исключительным хладнокровием  и твердостью. Он подробно разбирал факты и давал им оценку, предлагал  найти другое объяснение. Ничего серьезного его оппоненты не могли ему  противопоставить.

Однако Резерфорд и  Содди провели целую серию  экспериментов с радиоактивным  распадом и трансформировали уран в  свинец. Также Резерфорд измерил  скорость распада и сформулировал  важную концепцию "полураспада". Это вскоре привело к технике  радиоактивного исчисления, которое  стало одним из важнейших научных  инструментов и нашло широкое  применение в геологии, археологии, астрономии и во многих других областях. Эта ошеломляющая серия открытий принесла Резерфорду в 1908 году Нобелевскую  премию (позже Нобелевскую премию получил и Содди), но его величайшее достижение было еще впереди.

Об этом периоде сам  Резерфорд рассказывал (на публичном  докладе в 1936 г.): «До 1903 или 1904 г. количество радия было очень ограничено, и большей частью имевшегося в мире радия располагали супруги Кюри, которые выделили его из урановой смолки путем долгого и трудного процесса. Одно из первых сделанных ими наблюдений заключалось в том, что температура радия весом около 100 мг выше температуры окружающего воздуха. Они подсчитали, что 1 г радия должен выделять тепло со скоростью около 100 кал/час. Этот эксперимент всех взбудоражил, ибо даже мысль о существовании какого-либо вещества, температура которого выше температуры окружающего воздуха, была нестерпима для старомодных физиков, и тогда всеобщее распространение получило представление о том, что радий обладает своеобразным свойством действовать в качестве термодинамической машины, использующей тепло воздуха. Я был твердо убежден в том, что тепловой эффект неизбежно есть следствие излучения ? - и ?-частиц и что он уменьшается со временем точно так же, как и активность. Впоследствии мы смогли разобраться в причинах тепловых эффектов радиоактивных тел и показать, что в этом процессе нет ничего загадочного. Мы смогли показать, что теплота при этих радиоактивных превращениях может выделяться в огромных количествах. Эти количества, подсчитанные на единицу массы, оказались в миллионы раз больше тех, которые были получены с помощью химических реакций, и мы смогли показать, что это характерно для всех радиоактивных превращений.

Различными экспериментами и с помощью разных сотрудников  мне удалось показать, отклоняя ?-частицы  в магнитном поле, что эти частицы  есть атомы гелия, несущие два  положительных заряда; мы смогли также  измерить их скорость…»

В 1903 г. 32-летний ученый был  избран членом Лондонского Королевского общества - британской Академии наук.

Манчестерский период

В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в  Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета.

Сразу же после приезда  Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный  метод измерения интенсивности  излучения - широко известный счетчик  Гейгера. Резерфорд произвел серию  опытов, подтвердивших, что альфа-частицы  представляют собой дважды ионизованные атомы гелия.

Второй взлет научной  деятельности Резерфорда относится  к манчестерскому периоду с 1907 по 1919 г., когда он быстро собрал вокруг себя великолепную плеяду молодых сотрудников,- таких, как Гейгер, Марсден, Нэттол, Мозли, Чедвик, Робинсон, Андраде, Дарвин, Бор.

В 1908 г. Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук К.Б. Хассельберг указал на связь между работой, проведенной Pезерфордом, и работами Томсона, Анри Беккереля, Пьера и Мари Кюри. «Открытия привели к потрясающему выводу: химический элемент... способен превращаться в другие элементы», - сказал Хассельберг. В своей Нобелевской лекции Резерфорд отметил: «Есть все основания полагать, что альфа-частицы, которые так свободно выбрасываются из большинства радиоактивных веществ, идентичны по массе и составу и должны состоять из ядер атомов гелия. Мы, следовательно, не можем не прийти к заключению, что атомы основных радиоактивных элементов, таких, как уран и торий, должны строиться, по крайней мере частично, из атомов гелия».

После получения Нобелевской  премии Резерфорд занялся изучением  явления, которое наблюдалось при  бомбардировке пластинки тонкой золотой фольги альфа-частицами, излучаемыми  таким радиоактивным элементом, как уран. Оказалось, что с помощью  угла отражения альфа-частиц можно  изучать структуру устойчивых элементов, из которых состоит пластинка. Согласно принятым тогда представлениям, модель атома была подобна пудингу с  изюмом: положительные и отрицательные  заряды были равномерно распределены внутри атома и, следовательно, не могли  в значительной мере изменять направление  движения альфа-частиц. Pезерфорд, однако, заметил, что определенные альфа-частицы  отклонялись от ожидаемого направления  в значительно большей степени, чем это допускалось теорией. Работая с Эрнестом Марсденом, студентом  Манчестерского университета, ученый подтвердил, что довольно большое  число альфа частиц отклоняется  дальше, чем ожидалось, причем некоторые  под углом более чем 90 градусов.

Неожиданное экспериментальное  открытие того, что иногда ?-частицы  рассеиваются на большие углы, привело  Резерфорда к созданию ядерной теории атома. В характерной для него манере Резерфорд говорил, что он был столь же поражен рассеянием ??-частиц от тонкой золотой пластинки  на угол, больший 90°, как если бы он увидел, что выпущенный из 15-дюймовой пушки  снаряд отклонился листочком бумаги на угол, больший 90°. Это замечание  и бесчисленные другие примеры показывают, что Резерфорд обладал чрезвычайно  конкретным и очень образным мышлением, основанным на механистических представлениях. Он наглядно представлял себе ?-частицы  и атомы как материальные объекты, взаимодействующие, подобно взаимодействию твердых тел, согласно элементарным законам обычной динамики. Резерфорд  понял, что силы, способные отклонить ?-частицу на большой угол, могут  возникать лишь в том случае, если положительный электрический заряд  атома сконцентрирован в очень  малом объеме. Таким путем он пришел к очень простой и красивой теории рассеяния???частиц ядром, которая  легла в основу ядерной теории атома. Это, пожалуй, величайшее из великих  открытий Резерфорда. Объяснить поведение  частиц помог Резерфорду образ, на первый взгляд не имеющий ничего общего с  частицами. Их поведение показалось ему похожим на поведение кометы, попадающей в поле тяготения Солнца. Комета не может преодолеть громадную  силу притяжения, траектория ее полета искажается, и она может, сделав виток, удалиться от Солнца в самом неожиданном  направлении. Может быть, и альфа-частица  как-то притягивается атомом золота? Но гравитационное взаимодействие между  такими массами ничтожно. Значит, здесь  должны действовать какие-то другие силы. Электрические? Альфа-частица  заряжена положительно. Так что же, атом должен нести отрицательный  заряд? Но ведь он нейтрален. И тогда  Резерфорда осенило: комета взаимодействует  не со всей Солнечной системой, а  только с ее ядром -- Солнцем. Причину  странных отклонений частиц нужно искать во внутреннем устройстве атома. Атом нейтрален, это верно: но кто сказал, что он однороден. Оба его заряда распределены по его объему неравномерно. Так Резерфорд догадался, что  у атома есть ядро и что он похож  на Солнечную систему. Электроны  вращаются вокруг ядра, как планеты  вокруг Солнца.

Но Резерфорд не считал атом уменьшенной копией Солнечной  системы. Знаменитые строки «Быть может, эти электроны -- миры, где пять материков...»  принадлежат не физику, а поэту. Физику важно было представить себе структуру  атома и связь между его  элементами. Образ Солнечной системы  послужил для этой цели прекрасной аналогией. Ученый конструирует образ, который отчасти изображает оригинал и вместе с тем символизирует  его смысловое содержание. А так  как с течением времени сведения об оригинале уточняются, претерпевает уточнения и образ. Модель атома, бывшая в 1911 году откровением для всего мира, осталась просто символом ядерной физики.

Что же случилось с планетарной  моделью атома? Еще до Резерфорда о ней говорили русские ученые Н. А. Морозов и П. Н. Лебедев, французский  физик Ж.-Б. Перрен, японский физик  Нагаука. Но модель эта не принималась  научным сообществом: с точки  зрения электромагнитной теории она  была нелепой. Это понимал и Резерфорд.

Всякий электрон, вращаясь по орбите вокруг ядра, должен был испускать  излучение, а значит, за доли секунды  растерять всю свою энергию и  упасть на ядро. Но атомы были устойчивы  и их нейтральность ничем не нарушалась. На ядро электроны не падали. В странных результатах своих опытов Резерфорд  усмотрел проявление вероятностных  процессов. И вот, как пишет в  одной из своих работ по методологии  науки философ Н. А. Овчинников, на целых два года маститый Резерфорд, к тому времени уже Нобелевский  лауреат, превратился в студента. Он пришел к математику Г. Лембу, попросил разрешения прослушать курс теории вероятностей и добросовестно проделал все  практические занятия по курсу. Овладев  теорией вероятностей, Резерфорд  оценил ее как необходимую для  физика XX века методологическую дисциплину. Закончив курс, Резерфорд решился  опубликовать статью о планетарной  модели атома. Никто из теоретиков -- ни Лоренц, ни Эйнштейн -- не обратили внимания на его статью. Никто из них не обмолвился о планетарной модели и на физическом конгрессе 1911 года. Почему?

Очень просто! Все понимали: только теория решает, что наблюдается  в эксперименте, теория же считала  планетарную модель нелепой. А коли так, то и говорить о ней нечего! Единственный, кто задумался об этой модели серьезно, был Нильс Бор, тогда  еще молодой и ничем не знаменитый. Покоренный личностью Резерфорда, он поверил в его модель и разработал программу ее «спасения». Строение электронного роя в резерфордовском  атоме управляется квантом действия Планка, решил он, выдвигая тем самым  не подтвержденную еще математически  идею объединения казавшихся всем разнородными физики атома и квантовой механики. Бор, как он сам говорил, был тогда  вдохновлен только «надеждой и верой  в расширение нашего понимания вещей».