Эрнест Резерфорд

Лишь через некоторое  время так называемые спектральные формулы, о которых Бор узнал, после того, как выдвинул главную  идею, стали эмпирическим основанием и конкретизацией новой, усовершенствованной  модели атома.

Согласно его теории, которая  сегодня стала общепринятой, положительно заряженные частицы сосредоточены  в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) находятся на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Эта модель, подобна крошечной  модели Солнечной системы, подразумевает, что атомы состоят главным  образом из пустого пространства. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных  ядер легких элементов и искусственных  ядерных превращений. Бор показал, что в терминах предлагаемой Резерфордом  структуры могут быть объяснены  общеизвестные физические свойства атома водорода, а также атомов нескольких более тяжелых элементов. Нильс Бор объединил ядерную  теорию Резерфорда с квантовой теорией  Планка и создал прекрасную модель электронной структуры атома, носящую  его имя.

Нильс Бор писал о знакомстве с Резерфордом: «Впервые мне посчастливилось  видеть и слышать Резерфорда осенью 1911 г., когда, закончив университет в Копенгагене, я работал в Кембридже у Дж. Дж.Томсона, а Резерфорд приехал из Манчестера, чтобы выступить па ежегодном кавендишском обеде. Хотя в этот раз мне не удалось лично познакомиться с Резерфордом, на меня произвели глубокое впечатление его обаяние и энергия - качества, которые помогали ему повсюду, где бы он ни работал, достигать почти невероятных вещей. Обед проходил в чрезвычайно непринужденной атмосфере, и, воспользовавшись удобным случаем, коллеги Резерфорда напомнили некоторые из многочисленных анекдотов, уже тогда связанных с его именем. Среди многих примеров того, как глубоко был поглощен Резерфорд своими исследованиями, приводилось высказывание служителя Кавендишской лаборатории. Он утверждал, что из всех самых увлеченных молодых физиков, которые на протяжении ряда лет появлялись в знаменитой лаборатории. Резерфорд мог наиболее виртуозно проклинать свою аппаратуру.

Из речи, произнесенной  самим Резерфордом, мне особенно запомнилась та теплота, с которой  он поздравлял своего старого друга  Ч.Т.Р. Вильсона. Незадолго перед  тем Вильсон, применив остроумный метод, использующий камеру, наполненную насыщенными  парами, получил своя первые фотографии треков ?-частиц, на которых были отчетливо  видны резкие изломы, хотя обычные  треки??-частиц представляли собой замечательно прямые линии. Конечно, Резерфорд очень  хорошо понимал, что это за явление, так как всего лишь за несколько  месяцев до того именно оно привело  его к открытию, положившему начало новой эпохи, - открытию атомного ядра. Однако возможность увидеть собственными глазами столь тонкие детали поведения ?-лучей оказалась удивительной даже для него и доставила ему необыкновенную радость. В этой связи наибольшее восхищение, как подчеркивал Резерфорд  в своей речи, вызывала настойчивость, с которой Вильсон (в то время  они уже были связаны тесной дружбой  в Кавендишской лаборатории) продолжал  свои исследования по образованию тумана со все более усовершенствованными аппаратами. Впоследствии Вильсон рассказывал  мне, что в нем впервые пробудился интерес к этому красивейшему явлению, когда еще юношей он наблюдал появление и исчезновение туманов, по мере того как потоки воздуха  поднимались на гребни Шотландских  гор и затем вновь опускались в долины.

Через несколько недель после  кавендишского обеда я отправился в Манчестер, чтобы навестить  коллегу моего покойного отца. Этот коллега был близким другом Резерфорда. Здесь, в Манчестере, я  снова имел возможность видеть Резерфорда. Резерфорд уже успел побывать на открытии Сольвеевского конгресса  в Брюсселе, где впервые встретился с Планком и Эйнштейном. Во время  беседы, в которой Резерфорд с  подлинным энтузиазмом говорил  о многих новых перспективах физики, я просил разрешения присоединиться после окончания занятий в  Кембридже ранней весной 1912 г. к группе, работавшей в его лаборатории. Резерфорд любезно согласился. В Кембридже я был сильно увлечен оригинальными идеями Дж.Дж.Томсона, касающимися электронного строения атомов.

В те времена вокруг Резерфорда сгруппировалось большое число  молодых физиков из разных стран  мира, привлеченных его чрезвычайной одаренностью ученого и редкими  способностями организатора научного коллектива. Хотя Резерфорд был всегда поглощен своими собственными работами, у него все же хватало терпения выслушивать каждого из этих молодых  людей, если только он чувствовал наличие  каких-то идей, какими бы скромными  с его собственной точки зрения они ни оказались. С другой стороны, будучи чрезвычайно независимым  человеком, он не очень почитал авторитеты и терпеть не мог "напыщенной болтовни". В таких случаях он мог иногда говорить о достопочтенных коллегах совсем по-мальчишески, однако никогда  не позволял себе пускаться в споры; он любил повторять, что "никто  не может лишить человека доброго  имени, кроме него самого!".

Естественно, что в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий  открытия атомного ядра. В первые недели моего пребывания в лаборатории  я последовал совету Резерфорда и  прослушал вводный курс экспериментальных  методов исследования радиоактивности, который был организован для  студентов и вновь прибывающих  сотрудников под весьма квалифицированным  руководством Гейгера, Маковера и Марсдена. Однако довольно быстро меня полностью  захватили общие теоретические  соображения, которые следовали  из новой модели атома, особенно те возможности, которые открывались  этой моделью для отчетливого  разделения физических и химических свойств материи на те, которые  непосредственно определяются самим  атомным ядром, и те, которые существенно  зависят от распределения электронов, связанных с ядром, но находящихся  на расстояниях, весьма больших по сравнению  с ядерными размерами...

Обосновавшись в Копенгагене, я продолжал поддерживать постоянный контакт с Резерфордом; я регулярно  сообщал ему о ходе своих работ  по исследованию общих проблем атома, начатых мною еще в Манчестере. Очень характерными для ответов  Резерфорда, которые всегда были ободряющими, были непосредственность и увлечение, с которым он рассказывал о  работах своей лаборатории. Фактически это было началом той длительной переписки, которая продолжалась свыше 25 лет; эта переписка каждый раз, когда я обращался к ней, вновь  воскрешала в моей памяти энтузиазм  Резерфорда к дальнейшему развитию области, которая была открыта его  работами, и его сочувственный  интерес ко всем, кто пытался внести свой вклад и эти исследования.»

Когда разразилась первая мировая война, Резерфорд был  назначен членом гражданского комитета Управления изобретений и исследований британского Адмиралтейства и изучал проблему определения местонахождения  подводных лодок с помощью  акустики.

Нильс Бор писал: «С началом  первой мировой войны манчестерская  группа почти полностью распалась, однако мне посчастливилось остаться в тесном контакте с Резерфордом, который весной 1914 г. пригласил меня заменить Дарвина в Шустеровской школе математической физики. По прибытии в Манчестер ранней осенью этого года, пережив бурное плавание вокруг Шотландии, моя жена и я были очень тепло встречены теми немногими из наших друзей, которые остались в лаборатории после отъезда наших заграничных коллег и ухода на военную службу большинства англичан. В это время Резерфорд с женой были еще в Америке, где очутились на обратном пути после посещения родных в Новой Зеландии. Стоит ли говорить о том, что их благополучное возвращение в Манчестер через несколько недель было встречено всеми нами с облегчением и большой радостью.

Резерфорд вскоре вынужден был заняться военными вопросами, в  особенности задачей обнаружения  подводных лодок с помощью  звука, так что обучение студентов  почти полностью перешло к  Эвансу, Маковеру и ко мне. Все же Резерфорд находил время не только продолжать свои собственные исследования, которые еще до окончания войны  уже привели к столь грандиозным  результатам, но и с присущей ему  благожелательностью не переставал интересоваться работами своих сотрудников. Если говорить о проблеме строения атома, то она получила новый толчок в 1914 г., когда были опубликованы знаменитые опыты Франка и Герца по возбуждению атомов электронными соударениями.

С одной стороны, эти эксперименты, выполненные с парами ртути, представляли собой наиболее яркое доказательство скачкообразности энергетических переходов  в атомных процессах; с другой стороны, значение энергии ионизации  атомов ртути, очевидно определяемое этими  экспериментами, оказалось вдвое  меньше, чем это следовало ожидать  на основании интерпретации спектра  ртути. Поэтому возникало подозрение, что наблюдаемая ионизация не имеет прямого отношения к  электронным соударениям, а обязана  побочному фотоэффекту на электродах, вызываемому излучением атомов ртути  при переходе из первого возбужденного  состояния в основное. С благословения  Резерфорда Маковер и я решили поставить эксперименты, чтобы выяснить этот вопрос; было задумано сложное  устройство из кварцевого стекла с  многочисленными электродами и  сетками; эту конструкцию мы осуществляли с помощью опытного немецкого  стеклодува, который в свое время  изготовлял тонкие трубки с ?-препаратами  для исследований Резерфорда по образованию  гелия.

Со свойственной ему широтой  гуманистических взглядов Резерфорд  пытался получить разрешение для  этого стеклодува продолжать работать в Англии и в военное время, однако слабости этого человека, довольно обычные для представителей этой профессии, и резкие ультрапатриотические высказывания привели в конце  концов к тому, что он был интернирован английскими властями. Таким образом, когда случайно загорелась подставка  и наш чрезвычайно сложный  аппарат вышел из строя, нам уже  никто не мог помочь отремонтировать  его; к тому же вскоре Маковер ушел добровольцем в армию, и от этих экспериментов  пришлось отказаться. Едва ли следует  добавлять, что эта проблема была совершенно независимо от нас разрешена (причем были получены ожидавшиеся  нами результаты) блестящими работами Дэвиса и Готье, выполненными в 1918 г. в Нью-Йорке. Я вспомнил о наших безуспешных попытках лишь для того, чтобы обрисовать трудности, которые возникали в то время в работе Манчестерской лаборатории.

По-прежнему непоколебимый  оптимизм Резерфорда чрезвычайно ободряюще  действовал на всех, кто окружал  его, и мне вспоминается, как во время серьезных военных неудач он повторял старое изречение, приписываемое  Наполеону, о том, что с англичанами  невозможно воевать, потому что они  не понимают, когда нужно сдаваться. Для меня было приятно и поучительно  раз в месяц присутствовать на беседах в группе близких друзей Резерфорда; в нее входили философ  Александер, историк Тоут, антрополог Элиот Смит и химик Хаим Вейцман, которого высоко ценил Резерфорд... »

В последующие годы Резерфорда все более и более занимала возможность ядерного расщепления  с помощью быстрых ?-частиц, и уже  в письме от 9 декабря 1917 г. он писал:

"...Время от времени мне удается урвать полдня, чтобы провести некоторые из моих собственных экспериментов, и я думаю, что получил результаты, которые в конце концов окажутся чрезвычайно важными. Очень хотелось бы, чтобы Вы были здесь и мы могли бы обсудить все эти вопросы. Я обнаруживаю и подсчитываю легкие атомы, приводимые в движение ?-частицами, и эти результаты, как мне кажется, проливают свет на характер и распределение сил вблизи ядра. Я пытаюсь также этим же методом взломать атом. В одном из опытов результаты представляются обнадеживающими, но потребуется уйма работы, чтобы их подтвердить. Кэй помогает мне и сейчас уже является большим специалистом по подсчетам".

Годом позже, 17 ноября 1918 г., Резерфорд в очень характерной для него манере рассказывает о дальнейших результатах:

"Я хотел бы, чтобы Вы (Нильс Бор - прим. автора) были здесь и мы бы обсудили значение некоторых моих результатов по соударению ядер. Я получил, как мне кажется, ряд удивительных результатов, но потребуется тяжелый и продолжительный труд, чтобы представить надежные доказательства моих выводов. Подсчет слабых сцинтилляций - нелегкая задача для старых глаз, но все же с помощью Кэя я проделал за прошедшие четыре годы чрезвычайно большую работу в свободное время".

В знаменитой работе Резерфорда, опубликованной в 1919 г. в "Philosophical Magazine", содержащей описание его фундаментального открытия - управляемого ядерного расщепления, упоминается приезд в Манчестер в ноябре 1918 г. старого сотрудника Резерфорда - Эрнеста Марсдена, который после заключения перемирия был демобилизован из армии во Франции.

Обладая большим опытом сцинтилляционных экспериментов, полученных им ранее  в дни пребывания в Манчестере, когда вместе с Гейгером он ставил эксперименты, которые привели Резерфорда к открытию атомного ядра, Марсден  помог выяснить некоторые очевидные  аномалии в статистическом распределении  протонов больших скоростей, высвобождаемых при бомбардировке азота ?-частицами. Из Манчестера Марсден вернулся в  Новую Зеландию, чтобы приступить к своим университетским обязанностям, но поддерживал тесную связь с  Резерфордом в течение многих лет.

После войны он вернулся в манчестерскую лабораторию  и в 1919 г. сделал еще одно фундаментальное открытие. Изучая структуру атомов водорода с помощью бомбардировки их альфа-частицами, обладающими высокой скоростью, он заметил на своем детекторе сигнал, который можно было объяснить как результат того, что ядро атома водорода пришло в движение вследствие столкновения с альфа-частицей. Однако точно такой же сигнал появлялся и когда ученый заменил атомы водорода атомами азота. Резерфорд объяснил причину этого явления тем, что бомбардировка вызывает распад устойчивого атома. Т.е. в процессе, аналогичном естественно происходящему распаду, который вызывается радиацией, альфа частица выбивает единственный протон (ядро атома водорода) из устойчивого при нормальных условиях ядра атома азота и придает ему чудовищную скорость. Еще одно свидетельство в пользу такого толкования этого явления было получено в 1934 г., когда Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

Снова Кавендишская лаборатория

В июле 1919 г. Резерфорд был почти один в своей лаборатории, и, как он писал в своих письмах, единственным помощником в его фундаментальных исследованиях, если не считать кратковременного пребывания Марсдена, был его преданный ассистент Вильям Кэй, который своей добротой и готовностью помочь снискал общую любовь всех работавших за все эти годя в лаборатории. Во время визита Нильса Бора Резерфорд рассказал ему, что он должен принять важное решение в связи с предложением занять должность профессора Кавендишской лаборатории в Кембридже; эта должность оставалась свободной после ухода в отставку Дж.Дж.Томсона. Конечно. Резерфорду было нелегко решиться расстаться с Манчестером, где он долго и плодотворно работал, но он, разумеется, не мог не принять приглашения занять место в непревзойденное плеяде кавендишских профессоров...