Бег за бесконечностью - Александр Потупа

Замечательное открытие А. Беккереля заинтересовало многих физиков, в том числе супругов П. и М. Кюри и Э. Резерфорда. Супруги Кюри, пожалуй, самая выдающаяся в истории науки «семейная лаборатория», привнесли в дело присущее им сочетание талантов и широкий размах. Именно они ввели термин «радиоактивность», обозначив им способность некоторого вещества излучать, подобно урану. Им же принадлежит заслуга в открытии некоторых радиоактивных элементов.

Главное среди этих открытий, несомненно, радий, излучение которого оказалось примерно в миллион раз сильнее, чем у урана. Для оценки роли, сыгранной этим редчайшим элементом в становлении современной физики, не хватит обилия всех похвальных слов, всех превосходных степеней, содержащихся в русском языке. Благодаря огромной интенсивности радиации радий не только дал возможность разгадать ее природу, но и стал на целых три десятилетия уникальным инструментом для проникновения в микромир.

Работы в этих направлениях неразрывно связаны с именем Э. Резерфорда, которого справедливо называют отцом современной ядерной физики. Научное дарование и характер Э. Резерфорда как нельзя лучше соответствовали тому бурному сокрушению основ, которое происходило в физике на рубеже столетий. Он обладал феноменальной интуицией и, как правило, оказывался в самых интересных и «горячих» точках научных разработок, совершенно фантастической изобретательностью

в трудных, для подавляющего большинства современников непреодолимых, экспериментальных ситуациях. И, наконец, ему было присуще поразительное чутье на таланты — из резерфордовской школы вышло с добрый десяток лауреатов Нобелевской премии.

Вклад Э. Резерфорда в изучение радиоактивности велик и многообразен. Достаточно отметить, что свою Нобелевскую премию он получил именно за фундаментальные работы в этой области. Одно из исследований Э. Резерфорда, завершенное примерно в 1908 году, сыграло поистине определяющую роль в дальнейшем штурме микромира: речь идет об установлении природы альфа-излучения.

Это была сложная проблема, лишь постепенно поддававшаяся решению. Уже к 1903 году Э. Резерфорд доказал, что альфа-излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц. После многочисленных измерений традиционно важного отношения заряда к массе стало ясно, что альфа-частицы принадлежат к атомному миру; но доступная точность этих экспериментов, к сожалению, была слишком мала для того, чтобы сделать окончательные количественные заключения.

Казалось бы, прямой путь к разгадке природы альфа-частиц на неопределенное время заказан; надо ожидать, пока технические усовершенствования позволят должным образом улучшить точность опытов. Но не был бы Резерфорд Резерфордом, если бы не предпринял очень характерный для него блестящий обходной маневр — раз альфа-частицы не желают выдавать своих секретов поодиночке, их надо собрать в большой коллектив и устроить в образовавшемся газе электрический разряд. При этом должно возникнуть определенного вида свечение со своим, присущим только данным атомам спектром. Дальше остается только воспользоваться каталогом уже известных спектров и отождествить по нему добытые результаты.

Конечно же, все это просто выглядит лишь на бумаге; на деле все обстояло куда сложней. Так, для проведения данного эксперимента в резерфордовской лаборатории был создан уникальный прибор, потребовавший исключительно виртуозной работы стеклодувов. Но, несмотря на все трудности, опыт прошел вполне успешно, и Э. Резерфорд увидел в некоторой мере предугаданную им картину: альфа-частицы оказались не чем иным, как полностью ионизированными атомами гелия.

Сразу же после этого открытия основные функции альфа-частиц в резерфордовской лаборатории резко меняются — из загадочного объекта они превращаются в надежный инструмент исследований.

Я бы хотел немного обсудить этот интересный и весьма типичный прием научной работы.

В общем-то, любое известное явление несет в физике своеобразную двойную нагрузку. Оно, если можно так выразиться, «учится и работает» одновременно, точнее — оно само подвергается изучению и используется неким образом для изучения других явлений. Любопытно, что правильное понимание механизма этого явления нередко наступает уже после многократного и плодотворного применения. Обратимся к примерам.

Катодные лучи помогли открыть рентгеновское излучение и установить многие его свойства еще до знаменитой томсоновской работы. В свою очередь, рентгеновские лучи стали активно применяться не только в физических, но и в прикладных медицинских целях лет за 10–15 до установления их природы. Только в 1912 году немецкий физик М. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи рассеиваются на элементах кристаллической решетки подобно тому, как обычные волны рассеиваются на щелях или малых препятствиях. Этот замечательный эксперимент вошел в историю науки, пожалуй, как самый яркий пример на тему: «убить двух зайцев сразу» — ведь была не только обнаружена волновая природа рентгеновского излучения, но и открыт путь к прямому изучению атомно-молекулярной структуры кристаллов.

Показательна в этом плане судьба первой элементарной частицы электрона. Сразу же после «появления на свет» он зарекомендовал себя как активнейший труженик науки, хотя даже основные его характеристики были известны весьма приближенно — значение заряда и массы электрона подвергалось в первые годы многим существенным уточнениям. Однако самая важная область современной прикладной физики — электроника, без которой сейчас немыслимы ни наука, ни техника, ни прямая трансляция хоккейных матчей из Канады, — на пару лет старше самого электрона. Ее возраст отсчитывается, как правило, от уже упоминавшейся работы Ж. Перрена, эксперименты которого велись в 1895 году с использованием самой настоящей электронно-лучевой трубки.

Честно говоря, мы и теперь не готовы к полному ответу на вопрос: что такое электрон? Старейшина микромирa — сплошной клубок проблем. Но это не мешает постигать с его помощью тончайшие детали строения материи и тем более не мешает, скажем, Министерству электронной промышленности планировать выпуск точных и сверхточных приборов.

Один из впечатляющих примеров на эту тему как раз и связан с альфа-частицами. После экспериментов 1908 года Э Резерфорд решил применить их в качестве снарядов для прямого зондирования структуры вещества пока еще не догадываясь, что в его руках находятся натуральные атомные ядра. Но, даже выступая инкогнито альфа-частицы блестяще справились со своей задачей и, к немалому удивлению Э Резерфорда, значительно «перевыполнили план». Бомбардируя тонкие образцы золотой фольги этими замечательными снарядами, Э. Резерфорд и его ученики заметили любопытное явление. Подавляющее большинство альфа-частиц без труда пронизывали образец, но в отдельных случаях они отскакивали почти в противоположном направлении, или, выражаясь физическим слогом рассеивались на углы, превышающие 90 градусов. Характеризуя степень недоумения, возникшего в лаборатории сразу же вслед за первыми наблюдениями подобного «чуда» Э Резерфорд сравнивал резкое отклонение альфа-частицы с отскоком могучего артиллерийского снаряда от листка папиросной бумаги.

Между тем этот великий эксперимент, принципиальная схема которого легла в основу всей экспериментальной ядерной физики XX века, впервые позволил увидеть строение атомов. А непосредственная интерпретация сводилась к следующему. Вещество образца в основном прозрачно для альфа-частиц, но в него как бы вкраплены отдельные центры, несущие довольно большой положительный электрический заряд и имеющие чрезвычайно малый (по сравнению с атомным!) размер, причем именно в них сосредоточена вся масса вещества. Изредка налетая на такие центры, положительно заряженные альфа-частицы испытывали сильное отталкивание согласно закону Кулона для одноименных зарядов и рассеивались на очень большие углы. Отсюда и был сделан вывод о существовании атомных ядер. Поскольку атомы в целом электронейтральны, большой целочисленный (в единицах заряда электрона) положительный заряд каждого ядра должен компенсироваться соответствующим числом отрицательно заряженных электронов в атоме.

Так появилась знаменитая резерфордовская модель атома, работа над которой была завершена к 1911 году. В настоящее время картинка — несколько электронных орбит вокруг центрального ядра, наглядное изображение этой модели — стала своеобразным символом ядерных исследований.

Впрочем, рассказ об этом открытии нуждается, по крайней мере, в одном очень полезном уточнении. Планетарный (по аналогии с изображением солнечной системы) образ атома отнюдь не обязан своим появлением результатам резерфордовских экспериментов. Он зародился гораздо раньше. Еще в 1903 году японский физик X. Нагаока в докладе на заседании Токийского физико-математического общества выдвинул модель, где электронные оболочки располагались вокруг центрального тела наподобие колец планеты Сатурн. Через пару лет к разработке планетарной схемы строения атомов приступил Дж. Стони. Существовали и конкурирующие модели. Самая важная среди них была сформулирована учителем Э. Резерфорда Дж. Дж. Томсоном вскоре после открытия электрона. Дж. Дж. Томсон полагал, что электроны атома плавают в некотором облаке положительно заряженного вещества; и до поры до времени его идеи не противоречили результатам измерений.