Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

В итоге, хотя и косвенно, радиоактивность также оказалась очень полезным инструментом для анализа структуры атомов. После ее открытия ученые переключились на изучение всех типов радиации, подвергая ее воздействию различные материалы, различную толщину одного и того же материала, под разными углами падения. При этом была получена важная информация об энергии излучения, его интенсивности и его электрическом разряде. Как раз такие эксперименты ставили в Манчестере Резерфорд и его коллеги, в частности немец Ханс Гейгер (1882-1945) и молодой британец Эрнест Марсден (1889-1970). С 1909 года Гейгер и Марсден изучали взаимодействие а-радиоактивности (которая больше всего интересовала Резерфорда) с металлическими поверхностями и поняли, что падающий пучок а-частиц не пересекает металлы линейно, а подвергается различным отклонениям — дисперсии. Это было естественно, поскольку в металле атомы образуют довольно геометрическую структуру, поэтому можно было ожидать, что а-частицы будут отклоняться от своих траекторий, проходя рядом с атомами. Но не было нормальным то, что при повторении аналогичного опыта с очень тонкими поверхностями а-частицы испытывали большие отклонения.

Резерфорд присоединился к Гейгеру и Марсдену, они пересмотрели эксперимент и получили сложный для понимания результат: при пропускании потока а-частиц через очень тонкую пластинку из золота большая их часть пересекала металл без изменений, но несколько частиц после столкновения с металлом «рикошетили» и отлетали в противоположном направлении (см. рисунок 1). Позже Резерфорд утверждал, что это было столь же удивительно, как если бы пули рикошетили от папиросной бумаги. Раз атом являлся, как считал Томсон, однородной массой положительного заряда с более или менее равномерным распределением электронов, этот результат не имел смысла: можно понять легкую, но не столь явную дисперсию.

РИС.1

Таким образом, в 1911 году Резерфорд предложил полностью изменить представление об атоме. Возможно, положительная часть неоднородна и не занимает весь атом, она могла быть сконцентрирована в центре атома, образуя очень маленькое ядро, вокруг которого двигались электроны. Это похоже на планетарную систему, где центр занимает ядро, обладающее большой массой и всем положительным зарядом атома. Это объясняло, почему большинство а-частиц (заряженных положительно) почти не диспергировались, но некоторые испытывали такую большую силу, что она заставляла их рикошетить: это были те частицы, которые случайно сталкивались с ядром одного из атомов.

Однако предложение Резерфорда осталось практически незамеченным. Это не было великой революцией, великим открытием, о нем не писали в газетах, его не обсуждали в кафе, оно даже не привлекло внимания ученых, которые восприняли его как частный случай поведения α-частиц. Кроме того, Резерфорд не интересовался теоретической физикой, он был экспериментатором и не мог развить теоретические следствия из данной модели.

С другой стороны, у Резерфорда эта идея возникла не только на основе его с Гейгером и Марсденом экспериментов: это предложение должно рассматриваться в контексте стремления понять, что же такое α-частицы. Уже было сказано, что они обладают массой, схожей с массой атома гелия, и заряд их в два раза превосходит заряд электрона, но при этом он положительный. Информация о радиоактивности оставалась такой скудной, что никто еще не знал, существуют α-частицы в атомах или образуются при испускании из них. Резерфорд был ярым сторонником первого варианта, поскольку уже некоторое время считал, что α-частицы входят в состав структуры атома. До представления об атоме с ядерной структурой оставалась пара шагов.

Если Кембридж на тот момент обладал семивековой историей, Манчестерскому университету было всего-то несколько десятилетий от роду. Город был эпицентром промышленной революции и в начале XX века в нем была сосредоточена большая часть британского производства, где каждый раз все более влиятельная и образованная буржуазия способствовала развитию науки и искусства. Так был учрежден местный университет, который в 1903 году получил имя королевы Виктории.

Нильс Бор приехал в Манчестер в марте 1912 года с надеждами, возродившимися после неудачного опыта с Томсоном. Поскольку это был мировой центр экспериментальной радиоактивности, Бор согласился пройти элементарную практику работы в лаборатории, после чего Резерфорд поручил ему изучение поглощения α-лучей в алюминии. Но Бор скучал в лаборатории: его большой страстью была теоретическая физика, великие понятия, математические и философские составляющие научных новшеств, а не изнуряющий и рутинный ручной труд экспериментатора. В этом Резерфорд и Бор были антиподами. Первый ненавидел громоздкие умозаключения и чрезвычайно сложные математические теории. У второго не хватало терпения на многочасовую работу с веществами и на бесконечные повторения экспериментов. Возможно, именно поэтому с годами их связала крепкая дружба и профессиональное сотрудничество на уровне организаций, когда после Первой мировой войны они возглавили самые значимые центры физики в Кембридже (Резерфорд) и Копенгагене (Бор).

Единственное, что было известно о структуре атомов к 1910 году,— то, что они содержат электроны, часть из которых может отделяться, после чего атом оказывается заряженным положительно; или, наоборот, атом может принять некий внешний электрон и обрести отрицательный заряд. За век до описываемых событий заряженные положительно или отрицательно атомы называли «ионами». Новое явление радиоактивности говорило о другом типе излучения, намного более сильном, чем потеря или поглощение электронов, и оно предполагало изменение химических (а не только электрических) свойств атомов. Во второй половине XIX века Дмитрий Менделеев создал таблицу, в которой организовал известные на тот момент химические элементы. Эта периодическая таблица, где по горизонтали они располагаются по возрастанию измеренной массы атомов, а по вертикали — по своим химическим свойствам, стала одним из самых простых и полезных инструментов развития химии; она даже служила для предсказания существования неизвестных до тех пор химических элементов. Один из компонентов таблицы, не все следствия которого еще были известны, — положение элемента согласно его «атомному номеру». Так, например, водород — первый элемент; углерод — шестой; хлор — 17- й, а золото занимает место 79. Этот атомный номер (обычно обозначаемый Z) оказался определяющим при понимании преобразований из-за радиоактивности: испускание α-частицы предполагает потерю двух порядковых номеров в периодической таблице (уменьшение Z на две единицы), в то время как испускание β-частиц увеличивает атомный номер Z на единицу. Значение всего этого еще предстояло определить.

Например,на диаграмме показаны радиоактивный ряд урана и его преобразование в другие элементы вплоть до свинца.

Вначале показалось, что Манчестер — также не идеальное место для Бора. Почти все специалисты занимались там экспериментальной физикой, и едва нашлась пара человек, которых интересовала теория. Однако эти двое ученых оказались хорошими собеседниками, более того, они повлияли на выбор Бором направления исследований.

Первым был Дьёрдь де Хевеши (1885-1966), происходивший из венгерских аристократов и хорошо знавший радиоактивные ряды. Второй — Чарльз Галтон Дарвин (1887-1962), которого Бор характеризовал в письмах своему брату как «внука настоящего Чарльза Дарвина», создателя теории естественного отбора. Молодой Дарвин был из Кембриджа и, получив диплом, решил искать новые идеи в Манчестере.

Побеседовав с Хевеши, Бор предположил, что происхождение радиоактивности, как α, так и β, кроется в атомном ядре, о котором заявил Резерфорд. Бор совещался с Резерфордом пять раз, но тот, не принимая умозрительных рассуждений, не пожелал, чтобы Бор опубликовал свою идею. Как возможно, что p-радиоактивность, испускание электронов, исходит от ядра, если он сам предположил, что ядро — это положительно заряженная часть атома? В этом не было особого смысла. Бор принял критику Резерфорда и отказался от идеи публикации.

Дарвин, в свою очередь, стремился объяснить математически потерю энергии α-частиц при их прохождении через разные материалы. Если Резерфорд прав, большинство α-частиц (которые не сталкиваются с ядром) подвергались бы некоторому отклонению во время столкновения с электронами атомов, расположенных далеко от ядра. Так как электроны примерно в 8000 раз меньше α-частиц, эти столкновения производили бы лишь незначительные отклонения и легкие потери энергии. Однако, помимо прочих неизвестных, загадкой оставалось и расположение электронов в атоме. Вопрос был важным, поскольку, представив себе столкновения между α-частицами и электронами, мы убедимся: вовсе не одно и то же, если последние распределены произвольно, если они все сосредоточены на внешней поверхности атома или если они организованы по орбитам.