Превращение элементов - Борис Казаков

Последняя фраза в то время могла показаться многим слишком смелой, но спустя годы её смогли оценить как пророческую. «Ум человеческий, — утверждал Владимир Ильич, — открыл много диковинного в природе и откроет ещё больше, увеличивая тем свою власть над ней…»

«Модное» течение втянуло в своё русло далеко не подавляющее большинство учёных, хотя среди них были и крупные имена. Не менее крупные имена, как уже отмечалось, были и среди тех, кто резко восставал против идеалистического толкования успехов физики. П.Ланжевен, например, писал в 1904 г.: «В настоящее время происходит научная революция. Она выводит атомические идеи из той тени, в которой их оставляют, и сопоставляя с новыми фактами, переводит из области гипотез в область принципов».

Философы-идеалисты всё более теряли опору в естествознании. Полным их конфузом стало то, что учёные, из-за которых, собственно говоря, и «разгорелся сыр-бор», совершенно отказались от своих прежних взглядов. А.Пуанкаре, например, заявил: «…атомы более уже не являются удобными фикциями… Атом химика сейчас реальность». Такое же признание в 1908 г. сделал и В.Оствальд: «…атомическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории».

Атомистика восторжествовала, но уже в новом качестве. А для нашего повествования важно подчеркнуть, что новая атомистика признала «старую» идею превращения элементов, вдохнула в неё жизнь. Сама идея пережила трансмутацию — из недосягаемой мечты она превратилась в реальность. «Таким образом, давно всеми отвергнутая, скомпрометированная идея алхимиков о возможности трансмутации (превращения) вещества была возрождена». Это слова советского учёного академика П.Л. Капицы из предисловия к одной книге о Резерфорде.

Твёрдые факты природы

Резерфорд работал лихорадочно и быстро. Работал с напором. «Кризис в науке» его интересовал мало. Много позже он сказал, что вправе был бы сказать и тогда (а кто знает, может быть, и тогда говорил): «Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твёрдые факты природы». Резерфорд нередко бравировал: «я не теоретик», хотя прекрасно знал, что эксперимент и теория взаимно дополняют и подтверждают друг друга и, пожалуй, никто больше его не демонстрировал это с такой наглядностью.

Альфа-частицы заявили о себе не только косвенно, через показания электрометра или какого-нибудь другого прибора, а ощутимо, зримо. Резерфорд, встретившись с супругами Кюри у них дома ещё в июне 1903 г., был восхищён зрелищем, которое показал ему Пьер Кюри. В трубке, часть которой покрыта сернистым цинком, находился раствор радия, и трубка в темноте светилась удивительным светом. Это было эффектно, впрочем, не так уж и ново. За год до этого прославленный Уильям Крукс сконструировал несложный приборчик, названный им спинтарископом. В нём ничтожнейшее количество соли радия было помещено перед экраном из сернистого цинка. Альфа-частицы, вырываясь из радия, ударяли в экран, и на нём происходили вспышки света, тут же исчезающие. Многие учёные смотрели на спинтарископ как на очень любопытную, забавную даже, научную игрушку, в лучшем случае демонстрационный прибор для какой-нибудь лекции по новой отрасли науки — радиоактивности. Резерфорд отнёсся к этому иначе. Он сделал спинтарископ важнейшим инструментом глубоких исследований. Ведь этот прибор позволял считать альфа-частицы. Каждая вспышка регистрировала одну альфа-частицу, показывала, в какое место она ударялась.

В Мак-Гилле Резерфорд, изучая полёт альфа-частиц, засвечивал с их помощью фотопластинки. Резкого пятна на фотопластинке у него долгое время не получалось — до тех пор, пока он не добился достаточно высокого вакуума. Но с высоким вакуумом пришла и аномалия. Если на щель, через которую пропускали поток альфа-частиц, накладывался кусочек слюды, то на пластинке опять появлялось размытое пятно (или линия, в зависимости от щели). Отклонение было невелико, но его трудно было объяснить, поскольку время полёта частиц очень короткое, кинетическая энергия их колоссальна, расстояние до фотопластинки-мишенн — ничтожно. Резерфорд решил, что разгадка рассеяния альфа-частиц может пролить свет на внутреннюю структуру атома. Именно для такой работы и подходил спинтарископ, точнее установка, основанная на его принципе. Вместе со своим учеником Гансом Гейгером Резерфорд стал подсчитывать, какое число альфа-частиц сильно отклоняется от общего потока. Щель, через которую пропускали альфа-частицы, прикрывалась листочком из золотой фольги. Установили, что отклонение незначительно, всего полградуса, но число отклонений в разные стороны составляет две трети всех альфа-частиц. Поток рассеивается — почему? Резерфорд поручил студенту последнего курса Эрнсту Марсдену проверить, не происходит ли отражение альфа-частиц от поверхности золотой фольги. С большим старанием отнёсся студент к порученному делу и скоро сделал небольшую установку, в которой источник альфа-частиц был отделён от регистрирующего экрана массивным свинцовым блоком, а золотая фольга располагалась несколько в стороне.

Первоначально, как и ожидалось, экран из сернокислого цинка «молчал» — альфа-частицы не могли преодолеть массу свинцового блока. Но затем вдруг на экране стали появляться единичные вспышки. Чтобы попасть на экран, альфа-частица должна была отклониться на угол в 150°, т. е. почти что вернуться к излучателю. «Это казалось столь же невероятным, — говорил много позже Резерфорд, — как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, и этот снаряд отскочил бы и поразил вас».

Вспышки на экране были редки, может быть, одна из восьми тысяч альфа-частиц так отскакивала от золотой фольги, но сам факт сомнений не вызывал.

Резерфорд с Марсденом (к ним присоединился и Гейгер) погрузились в изучение странного явления. В мрачном погребе, вверху которого проходил горячий трубопровод, а внизу — две водопроводные трубы (о чём всегда предупреждал Резерфорд туда спускавшихся), были установлены самые чувствительные приборы. Предположение, что альфа-частицы отражаются от поверхности, опровергалось простым экспериментом: золотые листочки укладывались пачками, и чем толще получался пакет, тем заметнее было рассеяние альфа-частиц. Вывод был недвусмысленный: это не поверхностный эффект, т. е. не простое отражение от поверхности, а действие какой-то силы, находящейся внутри металла, возможно, внутри атома.

Но как же может это быть, если по общепринятой тогда модели Дж. Дж. Томсона в атоме равномерно распределены положительные и отрицательные заряды («пудинг с изюмом»)? Пробовали менять материал экрана — фольга из золота, олова, платины, серебра, меди, железа, алюминия и других металлов. Выявилась интересная особенность: отражалось альфа-частиц тем больше, чем выше был атомный вес металла.

Резерфорд мучительно обдумывал эти данные. Что за сила отбрасывает альфа-частицы, почему не все они отбрасываются, а только лишь одна из огромного общего числа, при чём здесь атомный вес?

Нескоро он пришёл к определённому заключению и решился, наконец, сказать историческую фразу: «Теперь я знаю, как выглядит атом». Тогда-то и была предложена им планетарная модель атома, по которой в центре его находится ядро, сосредоточивающее в себе почти всю его массу; ядро имеет положительный заряд, а электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам на огромнейших расстояниях, так что основной объём атома оказывается пустотой. Альфа-частица, направленная на какой-нибудь атом, может миновать ядро и почти, или совсем, не отклониться от своей траектории. Так происходит с большинством альфа-частиц, но некоторые из них по закону вероятности могут приблизиться к ядру на самые малые расстояния и, поскольку заряд их одинаков, будут отброшены с огромнейшей силой, причём сила эта будет тем больше, чем массивнее ядро, чем больше его заряд и, стало быть, атомный вес элемента. Много проверочных очень тонких экспериментов поставил Резерфорд, много произвёл он и математических расчётов, прежде чем решился изложить новые представления о структуре атома, и в мае 1911 г. об этом оповестил других через «Философский журнал».

Читатели, знакомые с историей науки, могут возразить: планетарная модель атома была предложена до Резерфорда. Действительно, в работе В.И.Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», которая, как известно, появилась в 1909 г., можно прочесть такие слова: «…атом удаётся объяснить как подобие бесконечно малой солнечной системы, внутри которой вокруг положительного электрона двигаются с определённой (и необъятно громадной, как мы видели) быстротой отрицательные электроны». В чём тут дело? А дело в том, что мысль о планетарном строении атома действительно высказывалась (и не раз печатно) несколькими исследователями до Резерфорда. Жан Перрен, например, свою гипотезу изложил в статье «Нуклеарно-планетарная структура атома» ещё в 1901 г. Японский учёный Нагаока предложил атомную модель с ядром, вокруг которого вращаются электроны «подобно кольцам Сатурна». В 1903 г. его статью публиковали «Труды Токийского физико-математического общества», а в 1904 г. перепечатали в европейском издании.