Эрнест Резерфорд

С первых же дней Резерфорд  собрал вокруг себя в Кавендишской лаборатории многочисленную и блестящую  группу исследователей. Наиболее заметной фигурой среди них был Астон, который много лет работал  с Дж.Дж.Томсоном и уже во время  войны начал развивать масс-спектроскопические методы; эти методы впоследствии позволили  обнаружить существование изотопов почти у всех элементов. Этот результат, который еще раз давал убедительное подтверждение правильности атомной  модели Резерфорда, не совсем был неожиданным. Еще в Манчестере было выяснено, что очевидные отступления от правильной последовательности атомных  весов элементов, расположенных  соответственно их химическим свойствам, указывают на то, что даже у устойчивых элементов не следует ожидать  однозначной связи зарядов ядер с их массой. В письмах, написанных в январе и феврале 1920 г., Резерфорд выражал свое удовлетворение работами Астона, в особенности открытием изотопов хлора, которые так наглядно демонстрируют статистический характер отклонений химических атомных весов от целочисленных значений. Он не без юмора комментировал также оживленные дискуссии в Кавендишской лаборатории, посвященные относительным достоинствам различных моделей атома, которые появлялись в связи с открытием Астона.

Большое значение для продолжения  собственных изыскательских работ  Резерфорда, касающихся строения и  расщепления атомных ядер, а также  руководства обширной лабораторией, имело то, что с самого начала его деятельности к нему присоединился  Джеймс Чедвик, работавший в старой манчестерской группе и вернувшийся  после длительного интернирования в Германии; начало войны застало  его в Берлине, где он работал  вместе с Гейгером. Среди сотрудников  Резерфорда в первые годы его работы в Кембридже были также Блэкетт  и Эллис, оба демобилизованные из службы обороны; к занятиям физикой  Эллиса привлек Чедвик, с которым  он подружился, находясь в лагере для  интернированных у немцев. Дальнейшим пополнением кавендишской группы было прибытие несколькими годами позже  Капицы, который привез с собой  разнообразные остроумные проекты, в частности проект создания магнитного поля неслыханной тогда величины. В своей работе он с самого начала получал помощь Джона Кокрофта, обладавшего  незаурядным сочетанием понимания  научных и инженерных вопросов и  ставшего впоследствии выдающимся сотрудником  Резерфорда.

Сначала руководство теоретической  деятельностью Кавендишской лаборатории  возглавляли Чарлз Дарвин Чарлз  Галтон Дарвин - физик, внук великого естествоиспытателя (математические способности которого оказались весьма полезными в манчестерские годы) и Ральф Фаулер. Их содружество в то время позволило сделать ценный вклад в статистическую термодинамику и ее приложения к астрофизическим проблемам. После отъезда Дарвина в Эдинбург главным теоретическим консультантом и наставником вплоть до второй мировой войны был Фаулер, который впоследствии стал зятем Резерфорда. Фаулер не только с энтузиазмом и энергией принимал участие в работе Кавендишской лаборатории, но вскоре нашел многочисленных одаренных учеников, на которых благотворно сказывалось его влияние. Лучшими из них были Ленард-Джонс и Хартри; оба они вложили свою долю, каждый в своем направлении, в развитие атомной и молекулярной физики. Особенно следует отметить Дирака, который с юношеских лет выделялся необыкновенной силой логики.

Резерфорд с самого начала проявлял внимание и оказывал эффективную  поддержку созданию в Копенгагене  института, призванного установить тесную связь между физиками-теоретиками  и физиками-экспериментаторами. Особенно важное значение имело то, что уже  осенью 1920 г., когда сооружение института приближалось к концу, Резерфорд нашел время, чтобы приехать в Копенгаген. В знак признания его заслуг университет присвоил ему почетную степень, и по этому поводу он произнес пронизанную юмором вдохновенную речь, которая надолго осталась в памяти всех присутствовавших...

Широкое использование абстрактных  математических методов помогало осваивать  быстро нарастающие данные относительно атомных явлений, но вместе с тем  все более и более выдвигало  на первый план проблему наблюдения. В  этом отношении положение коренным образом изменилось благодаря разработке специальных устройств, таких, как  камера Вильсона и счетные механизмы, первоначально разработанные Резерфордом  и Гейгером для измерения числа  зарядов???частиц. Однако исследование мира атомов обнаружило присущие этому  миру ограничения в способе его  описания, воплощенном в разговорном  языке, развившемся для ориентации в окружающем нас мире и годном для описания событий повседневной жизни.

Словами, выражающими общую  позицию Резерфорда, можно сказать, что цель эксперимента состоит в  том, чтобы задавать вопросы природе; и, конечно, Резерфорд преуспел в  этой задаче благодаря своей интуиции, которая всегда помогала ему ставить  такие вопросы, которые обеспечивали получение самых нужных ответов. Каждый физик, конечно, знает о серии  блестящих исследований, которые  проводились Резерфордом до конца  дней с целью расширения наших  сведений о свойствах и строении атомных ядер.

Многие писали об удивительном чутье Резерфорда как в постановке экспериментов, так и в правильном толковании полученных результатов. Казалось, он всегда знал заранее верный ответ. Он обладал не только способностью образно представить себе поведение  атомных частиц, но прекрасно знал еще порядки величин физических характеристик. Резерфорд отлично  считал в уме и всегда знал порядок  значений соответствующих величин. Но в целом он не любил абстрактной  физики.

Хорошо известен эпизод, относящийся к 1910 г., когда профессор Вилли Винн объяснял Резерфорду, что Ньютон был неправ в вопросе об относительной скорости, которая не является векторной суммой двух скоростей U+V, а, согласно Эйнштейну, ее нужно разделить на 1+UV/c².

Винн добавил: "Но англосаксы не в состоянии понять относительность".

"Нет, - засмеялся Резерфорд, - у них слишком много здравого  смысла".

Глубокая интуиция Резерфорда позволила ему очень рано отдать себе полный отчет о новых необычных  проблемах, связанных с существованием и устойчивостью ядер, образованных несколькими составляющими. И действительно, еще в Манчестере он указывал, что  любой подход к этим проблемам  связан с предположением о наличии  между ядерными составляющими короткодействующих сил совершенно иного типа, нежели электрические силы, действующие  между заряженными частицами. Поставив своей целью пролить некоторый  свет на специфические ядерные силы, Резерфорд и Чедвик уже в первые годы своей работы в Кембридже  провели обширные исследования аномального  рассеяния ?-частиц при близких ядерных  соударениях.

Хотя в этих исследованиях  было получено много важных и новых  данных, становилось все более  и более ясным, что для подлинного решения проблемы ядра недостаточно источников естественных ?-частиц и  что желательно иметь в своем  распоряжении интенсивные пучки  частиц высокой энергии, полученные искусственным ускорением ионов. Несмотря на уговоры Чедвика приступить к  конструированию подходящего ускорителя, Резерфорд несколько лет противился тому, чтобы в его лаборатории  начали такое большое и дорогостоящее  предприятие. Легко понять позицию  Резерфорда: стоит лишь вспомнить  тот удивительный прогресс, который  был им достигнут в прежние  времена с помощью очень скромного  экспериментального оборудования. Вообще попытка соревноваться с естественными  радиоактивными источниками в то время должна была представляться довольно безнадежной. Однако по мере развития квантовой теории и в связи  с ее первыми успешными приложениями к ядерным проблемам перспективы  существенно изменились.

Сам Резерфорд уже в 1920 г. в своей второй Бейкерианской лекции ясно указал на трудности объяснения испускания???лучей из ядер на основании простых механических соображений, которые оказались очень полезными для объяснения рассеяния ?-частиц ядрами. Трудность состояла в том, что скорость испущенных частиц была недостаточной, чтобы позволить этим частицам при изменении направления движения на обратное снова вернуться в ядро, преодолев электрическое отталкивание. Однако вскоре выяснилась в качестве простого следствия волновой механики возможность прохождения частицы под потенциальными барьерами, и в 1928 г. Гамов, работавший в Гёттингене, а также Кондон и Герни в Принстоне на этой основе сумели не только дать общее объяснение ?-распада, но даже подробно выяснить связь между временем жизни ядра и кинетической энергией испускаемых ?-частиц в полном соответствии с эмпирическими закономерностями, обнаруженными в ранние манчестерские дни Гейгером и Нэттолом.

Так как результаты казались обнадеживающими, Резерфорд принял предложение Кокрофта построить  для таких экспериментов высоковольтный ускоритель. Работа по конструированию  аппаратуры была начата Кокрофтом в  конце 1928 г. и продолжалась весь следующий год в сотрудничестве с Уолтоном. Первые эксперименты с ускоренными протонами они выполнили в марте 1930 г.; в этих опытах они пытались обнаружить???лучи, испущенные в результате взаимодействия протонов с ядрами мишени, однако безрезультатно. Затем аппаратура была перестроена в связи с переездом в другую лабораторию, и, как известно, в марте 1932 г. в результате соударений протонов с ядрами лития были получены ?-частицы высоких скоростей.

Эти эксперименты положили начало новой стадии чрезвычайно  важных исследований, результатом которых  было не только быстрое нарастание от года к году наших сведений о  ядерных реакциях, но и совершенствование  ускорительной техники.

В 1930 г. Р. был назначен председателем правительственного консультативного совета Управления научных и промышленных исследований.

В 1923 году в Ливерпуле  на конгрессе Британской ассоциации по развитию науки Резерфорд своим  громовым голосом провозгласил: "Мы живем в героический век физики!" Он продолжал повторять это вплоть до самой своей смерти четырнадцать лет спустя.

То, что он утверждал, было совершенно верно. Такой поры никогда  еще не было. Тысяча девятьсот тридцать второй год стал самым знаменательным в истории науки. Живя в Кембридже, нельзя было не поддаться царившему  там всеобщему возбуждению. Джеймс Чедвик, осунувшийся после двух недель работы, когда он спал не более трех часов в сутки, рассказывал в  клубе Капицы (быть членом этого  клуба каждый молодой ученый считал для себя честью), как он открыл нейтрон. Самый замечательный из молодых  ученых, П.М.С. Блэкетт, без обычной  своей уверенности, так как все  казалось слишком удачным, показывал  пластинки, которые демонстрировали  существование положительного электрона. Джон Кокрофт, всегда невозмутимый, как  герцог Веллингтон, носился по площади  Кингс-Пэрейд, твердя каждому знакомому: "Мы расщепили атом! Мы расщепили  атом!"

Наука заговорила голосом  Резерфорда, а это был язык, в  котором звучали и высокопарная похвальба - ведь делались такие важные открытия, - и творческая уверенность, и благородство, и логика, и щедрость, и полнота надежд. Он отличался  от языка английских писателей в  такой же мере, в какой сам Резерфорд  отличался от Т. С. Элиота. В двадцатые  и тридцатые годы нашего столетия Кембридж был столицей экспериментальной  физики всего мира. Этого не было даже и тогда, когда в конце  прошлого века профессорами здесь были Кларк Максвелл и Дж. Дж. Томсон.

- Вы всегда на гребне  волны, - сказал кто-то Резерфорду.

- Что ж, в конце концов  я создал волну, не так ли? - ответил он.

Нильс Бор писал: «Весной 1932 г., на одной из ежегодных конференций в Копенгагенском институте, одним из главных обсуждавшихся вопросов был, разумеется, вопрос о значении открытия нейтрона. Кроме того, особо был поднят вопрос о совершенно загадочном обстоятельстве: на великолепных снимках Ди, полученных в камере Вильсона, никакого взаимодействия между нейтронами и связанными в атомах электронами  не наблюдалось. В связи с этим обстоятельством указывалось, что из-за того, что сечение рассеяния в квантовой физике зависит от приведенной массы сталкивающихся частиц, сам факт не был бы даже совместим с предположением о короткодействующем взаимодействии между нейтроном и протоном. Несколькими днями позже я получил письмо от Резерфорда, отчасти касающееся именно этого вопроса. Я не могу не привести это письмо целиком.

21 апреля 1932 г.

Дорогой Бор!

Мне было очень  приятно услышать о всех вас от Фаулера, когда он вернулся в Кембридж, и узнать о замечательной встрече  старых друзей. Я с интересом узнал  о вашей теории нейтрона. Я познакомился с ней в очень удачном изложении научною обозревателя "Manchester Guardian" Кроузера, человека вполне квалифицированного в этих вопросах. Я очень рад, что вы благожелательно относитесь к нейтрону. Я считаю, что данные в его пользу, полученные к настоящему времени Чедвиком и другими, в существенном исчерпывающе полны. Остается еще спорным вопрос о том, в какой степени производимая ионизация (или ионизация, которая могла бы производиться) может объяснить поглощение, если пренебречь столкновениями ядер.

Но это еще  не все, у меня есть для вас интересные новости, краткое сообщение о  которых должно появиться в "Nature" на следующей неделе. Вы знаете, что  у нас есть лаборатория высоких  напряжений, где устойчивое постоянное напряжение может быть доведено до 600000 вольт и выше. Там недавно исследован эффект бомбардировки легких элементов протонами. Протоны падали на поверхность материала, расположенного под 45° к оси трубки, а вызываемые эффекты наблюдались сбоку сцинтилляционным методом, - экран из сернистого цинка был покрыт достаточно толстым слоем слюды, чтобы задержать протоны. В случае лития наблюдались яркие сцинтилляции, начиная примерно с 125000 вольт, которые быстро нарастали с увеличением напряжения вплоть до многих сотен в минуту при значении протонного тока в несколько миллиампер. По-видимому,???частицы имели определенную длину пробега, практически не зависимую от напряжения и равную в воздухе около 8 см. Самое простое предположение, которое можно было сделать, состояло в том, что литий-7, захватывая протон, разламывается и при этом испускает пару обычных??-частиц. Принимая эту точку зрения, можно показать, что полное значение высвобождаемой энергии составляет около 16 миллионов электроновольт, и это дает правильный порядок для происходящих изменений в массах, если допустить справедливость закона сохранения энергии.