Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности - Манжит Кумар

Еще до того, как Резерфорд полностью разобрался в том, что означают результаты Гейгера и имеют ли они вообще смысл, ему была присуждена Нобелевская премия по химии “за проведенные исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ”. Забавная сторона этого события состоит в том, что человек, полагавший, что “наука может быть либо физикой, либо коллекционированием марок”, претерпел неожиданное превращение из физиков в химики40. После возвращения из Стокгольма Резерфорд-лауреат научился вычислять вероятности рассеяния α-частиц на разные углы. Расчеты показали, что очень мал (практически равен нулю) шанс, что α-частица, проходя через золотую фольгу, многократно рассеется: это в результате могло бы привести к большому углу отклонения.

Именно тогда, когда Резерфорд был погружен в эти вычисления, Гейгер предложил привлечь к работе подающего надежды студента Эрнеста Марсдена. “Почему бы нет? Пусть выяснит, могут ли α-частицы рассеиваться на большие углы”, — сказал Резерфорд41. И очень удивился, когда Марсден обнаружил, что это возможно. Поиск продолжался. Углы рассеяния все увеличивались, но, согласно расчетам, рассеяния на такие большие углы вообще не могло быть: зарегистрированных Марсденом вспышек света, указывающих на то, что α-частицы попадают на покрытый сульфидом цинка экран, не должно было быть видно.

Пытаясь понять “природу гигантских электрических или магнитных сил, способных повернуть или рассеять пучок α-частиц”, Резерфорд попросил Марсдена проверить, могут ли α-частицы рассеиваться назад42. Он не ожидал, что Марсден вообще что-нибудь увидит, и был крайне удивлен, когда Марсден обнаружил: некоторые α-частицы отскакивают от золотой фольги. “Это невообразимо! — отозвался Резерфорд. — Это столь же невероятно, как если бы вы попали пятнадцатидюймовым снарядом в бумажную салфетку, а он отскочил бы и попал в вас”43.

Гейгер и Марсден сравнили результаты экспериментов, в которых использовались разные металлы. Оказалось, что золото рассеивает обратно в два раза больше α-частиц, чем серебро, и в двадцать раз больше, чем алюминий. От платиновой фольги отскакивает лишь одна из восьми тысяч α-частиц. В статье, опубликованной в июне 1909 года, Гейгер и Марсден безо всяких комментариев подробно описали эксперимент и его результаты. Сбитому с толку Резерфорду потребовалось еще восемнадцать месяцев на решение этой загадки.

Весь XIX век вокруг существования атомов велись непрерывные научные и философские дебаты. Но к 1909 году неоспоримые доказательства их реальности уже появились. Критикам атомарной теории пришлось уступить давлению неопровержимых фактов. Доказательства основывались прежде всего на экспериментально подтвержденной модели броуновского движения Эйнштейна и открытом Резерфордом распаде радиоактивных элементов. После десятилетий споров, участие в которых принимали многие видные физики и химики, наиболее приемлемой была признана модель атома, предложенная в 1903 году Джозефом Джоном Томсоном, — “пудинг с изюмом”.

Томсон считал, что атом — это не обладающий массой положительно заряженный шар, в котором, как изюмины в пудинге, распределены отрицательно заряженные электроны. Электроны были открыты Томсоном шестью годами ранее. Положительный заряд компенсирует силы отталкивания, действующие между электронами, которые в противном случае разорвали бы атом на части44. В атоме каждого элемента, предполагал Томпсон, электроны распределены по собственному, характерному для данного элемента набору концентрических окружностей. Различное число и способ расположения электронов, например в золоте и свинце, отличают их. Поскольку в атоме Томсона массой обладают только электроны, то даже в самых легких из них должно было быть несметное количество электронов.

Ровно за сто лет до этого, в 1803 году, английский химик Джон Дальтон впервые высказал идею о том, что атом каждого элемента однозначно характеризуется его весом. Прямого метода измерения атомных весов у него не было, поэтому он определял только их относительные значения, анализируя пропорции, в которых элементы объединяются, образуя соединения. Для сравнения Дальтону нужен был эталон. Поскольку водород — самый легкий из известных элементов, он положил его атомный вес равным единице. После этого атомные веса остальных элементов можно было сравнивать с атомным весом водорода.

Томсон, изучив результаты экспериментов по рассеянию рентгеновских лучей и β-частиц атомами, пришел к выводу, что его модель неверна: он переоценил число электронов. Согласно новым расчетам Томсона, атом не может иметь больше электронов, чем ему предписывает атомный вес. Точное число электронов в атоме было неизвестно, но предложенный Томсоном способ определения их максимально возможного числа ученые сразу расценили как шаг в правильном направлении. У атома водорода, атомный вес которого равен единице, может быть только один электрон. Однако атом гелия с атомным весом четыре может иметь два, три, даже четыре электрона. У других элементов допустимое число электронов определялось точно так же.

Катастрофическое уменьшение числа электронов означало, что вес атома должен определяться главным образом весом сферы, по которой размазан положительный заряд. Неожиданно сфера, которую Томсон придумал как трюк, способный обеспечить стабильность и нейтральность атома, стала реальностью. Но даже эта новая усовершенствованная модель не могла объяснить рассеяние α-частиц и не позволяла определить точное число электронов в каждом из атомов.

Резерфорд был уверен, что α-частицы рассеиваются из-за наличия внутри атома чрезвычайно сильного электрического поля. Но в атоме Томсона, где положительный заряд равномерно размазан по всему атому, нет настолько интенсивного электрического поля. Альфа-частица, ударившись о такой атом, просто не может отлететь обратно. В декабре 1910 года Резерфорду удалось “сконструировать атом неизмеримо лучше атома Дж. Дж. [Томсона]”45. “Теперь я знаю, — заявил он Гейгеру, — на что похож атом”46. На томсоновский он совсем не был похож.

Атом Резерфорда состоит из крошечного, расположенного в центре положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Ядро примерно в сто тысяч раз меньше самого атома. Его можно сравнить с “мухой в соборе”47. Резерфорд понимал, что электроны атома не могут нести ответственность за отклонение α-частиц, поэтому ему не надо было точно знать, как они располагаются вокруг ядра. Он однажды пошутил, что атом уже не был, как его учили, тем “чудным несгибаемым парнем красного или серого цвета, какой вам приглянется”48.

При любом “столкновении” большинство α-частиц, не отклоняясь от своего пути, пролетит через атом Резерфорда: они не почувствуют влияния крошечного ядра в центре, от которого окажутся слишком далеко. Другие лишь слегка изменят направление, испытав слабое воздействие электрического поля ядра. Чем ближе к ядру оказывается проходящая через атом α-частица, тем сильнее воздействует на нее электрическое поле и тем сильнее она отклоняется от начальной траектории. Но если α-частица испытывает столкновение с ядром, действующая между ними сила отталкивания отбросит эту частицу строго назад, как мяч, ударяющийся о стенку. Гейгер и Марсден показали, что такие отскоки случаются чрезвычайно редко. Резерфорд говорил, что это “похоже на стрельбу по мошке, летающей вечером в Альберт-холле”49.

Модель Резерфорда позволяла получить простую формулу, точно предсказывающую, какую долю α-частиц можно обнаружить при любом угле рассеяния. Резерфорд не хотел делать свою модель атома достоянием гласности, пока не будет тщательно исследовано распределение по углам рассеянных α-частиц. Гейгер взялся за решение этой задачи и обнаружил, что распределение α-частиц полностью согласуется с теоретическими выкладками Резерфорда.

Седьмого марта 1911 года Резерфорд представил свою модель атома в докладе, сделанном на заседании Манчестерского литературного и философского общества. А четыре дня спустя он получил письмо от профессора университета в Лидсе Уильяма Генри Брэгга. Тот писал, что “пятью или шестью годами ранее” японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома с “большим, положительно заряженным центром”50. Он не знал, что прошлым летом Нагаока во время поездки по ведущим лабораториям Европы был и у Резерфорда. Не прошло и двух недель после получения письма Брэгга, как пришло и письмо из Токио. Нагаока, поблагодарив за “сердечный прием в Манчестере”, указывал, что в 1904 году он предложил “модель атома типа Сатурна”51. Согласно этой модели атом состоит из большого тяжелого центра, вокруг которого по круговым орбитам вращаются электроны52.