Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

Чоун Маркус

На исходе девятнадцатого века крохотный кирпичик атома наконец-то явился на свет. Для того чтобы вырвать его из атома, кембриджский физик Джозеф Джон Томсон использовал ток высокого напряжения. «Электрон» — носитель электричества, поиски которого велись столь долго, — оказался фантастически мал. По измерениям Томсона, его «вес» составлял всего лишь одну двухтысячную от массы водорода, легчайшего из атомов. Этого было слишком мало, чтобы электрон оказался одним из тех субатомных кирпичиков, о которых рассуждал Праут. Также оставалось совершенно непонятным, какой может быть связь между этой крохотной частичкой и периодической системой химических свойств атомов, открытой Менделеевым. Однако электрон позволил ученым сделать первый штрих на картине внутреннего устройства атома.

Электрон несет «отрицательный» электрический заряд. Никто толком не знает, что же такое электрический заряд, известно только, что у него есть два конкретных имени —

«плюс» и «минус», то есть заряды бывают положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются. Поскольку в повседневной жизни мы не обнаруживаем никакой электрической силы, которая тянула бы нас туда-сюда, мы знаем, что материя в целом должна быть электрически нейтральной: отрицательные заряды полностью уравновешиваются равным количеством положительных зарядов. Но таким образом, и в атоме отрицательный заряд электрона должен уравновешиваться положительным зарядом «чего-то еще». Хотя Томсон не имел ни малейшего представления, чем может быть это «что-то еще», он сумел состряпать весьма убедительную модель атома, изобразив его как расплывчатую сферу с положительным зарядом, в которой крошечные электроны сидят, словно изюминки в рождественском пудинге (в слове «состряпать» ничего обидного нет: эту модель порой так и называют — «пудинговой»).

В начале XX века томсоновская пудинговая модель была уже признанной картиной атома. Но в 1909 году один из гигантов экспериментальной физики перевернул все с ног на голову. Физик Эрнест Резерфорд, родом из Новой Зеландии, был одним из пионеров изучения «радиоактивности». На этот феномен в 1896 году наткнулся французский химик Антуан Анри Беккерель (1852–1908), обнаруживший, что фотопластинки затуманиваются таинственными «лучами», исходящими из образцов, которые содержали уран или торий. Далее эстафетную палочку перехватила Мария Кюри: в 1898 году, в Париже, она установила — совершенно корректно, надо сказать, — что загадочная «радиоактивность» представляет собой свойство атомов. Лучи, исходящие из радиоактивного вещества, были настолько интенсивны, что их можно было обнаружить, даже если в наличии имелось ничтожное количество атомов. Кюри с впечатляющим успехом использовала это свойство атомов, чтобы открыть два, до тех пор неизвестных науке элемента: полоний, который замелькал в заголовках мировой прессы в 2006 году, когда в Лондоне им был отравлен российский диссидент Александр Литвиненко, и радий.

В том же году, когда Мария Кюри открыла, что радиоактивность — это свойство атомов, работавший в Монреале Резерфорд обнаружил, что за радиоактивностью кроется испускание атомами двух совершенно разных типов лучей, которые он окрестил альфа- и бета-лучами. Ученый довольно быстро доказал, что бета-лучи представляли собой электроны, но с альфа-лучами пришлось повозиться. Лишь в 1903 году, когда Резерфорд работал в Манчестере вместе с молодым немецким студентом-физиком Гансом Гейгером, им удалось получить из образца радия достаточно большое количество альфа-лучей, чтобы понять, что это такое. Оказалось, эти загадочные лучи — вот уж чего никто не мог ожидать! — состояли из атомов гелия, второго наилегчайшего элемента после водорода [19] . Все указывало на то, что в ходе процесса, который был назван «радиоактивностью», один тип атома — радий — исторгал из себя другой тип атома — гелий. И это было еще одним свидетельством в пользу того, что атом состоит из более мелких частиц.

19

По сути, альфа-лучи, испускаемые радием, — не что иное, как ядраатомов гелия, но тут мы немного забегаем вперед. Просто к тому моменту, когда Резерфорд обнаружил их, они уже соединились с электронами, и получились именно атомыгелия. (Прим. автора).

В конечном итоге Резерфорд решил загадку радиоактивности. Радиоактивный атом, как установили в 1901–1903 годах Резерфорд и работавший под его руководством химик Фредерик Содди (1877–1956), — это не что иное, как тяжелый атом, страдающий нестабильностью. Он просто бурлит от избытка энергии. В конце концов он сбрасывает этот избыток в виде альфа- или бета-частицы и, проделывая это, «расщепляется», или «распадается», становясь атомом элемента с меньшим атомным весом [20] . Но Резерфорду вовсе не обязательно было знать, что такое радиоактивность, для того чтобы найти способ «заглянуть» внутрь атома. В 1903 году он измерил скорость альфа-частиц, излучаемых радием, и обнаружил, что она невероятно велика — 25 000 километров в секунду, вполне достаточно, чтобы обогнуть пол-Земли менее чем за секунду. Образец радия походил на крохотный пулемет, выпускающий очереди

субатомных пуль со сверхвысокой скоростью. Резерфорд понял, что это был превосходный инструмент для исследования внутренностей атома.

20

На самом деле есть еще третий тип лучей, которые может испускать радиоактивное вещество. Это «гамма-излучение» — высокоэнергетическое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны. (Прим. автора).

Его идея заключалась в том, чтобы обстрелять из радиевого «пулемета» тонкую фольгу. Проходя сквозь фольгу, некоторые альфа-частицы будут неизбежно отклоняться от своего пути, и по тому, как именно они будут отклоняться, Резерфорд надеялся сделать заключение о внутренней структуре атомов материала, из которого состояла фольга. Это все равно что обстрелять теннисными мячами какой-нибудь загадочный предмет меблировки и, определив направления, в которых отскакивают мячи, определить, что там такое было — стул, стол или же кухонный буфет. В поисках ответа на вопрос о внутренностях атома Резерфорд совершенно гениально задумал взять атом и… обернуть его против самого себя! Он решил использовать один тип атома — атом гелия, изрыгаемый радием, — чтобы создать представление об устройстве совершенно другого типа атома.

Альфа-частица в четыре раза тяжелее атома водорода и, таким образом, примерно в 8000 раз весомее электрона. Поэтому Резерфорд ожидал, что альфа-пули, выпущенные из его радиевого автомата, прошьют тонкую фольгу насквозь. У них было столько же шансов отразиться от электронов внутри атома, сколько у пули — отскочить от тучи комаров.

Резерфорд поручил проведение эксперимента Гансу Гейгеру и студенту из Новой Зеландии Эрнесту Марсдену. Их радиевый пулемет палил альфа-пулями по тонкой золотой фольге. Затем Гейгер и Марсден, которые через пять лет будут палить друг в друга настоящими пулями, находясь по разные стороны Западного фронта, должны были измерять отклонения альфа-частиц. Как и следовало ожидать, никаких существенных отклонений не наблюдалось. Затем в один прекрасный день Резерфорд просунул голову в дверь лаборатории и предложил нечто совершенно нелепое. Он попросил Гейгера и Марсдена посмотреть, не отскакивают ли альфа-частицы от золотой фольги назад.

Увидеть альфа-частицу, которая отрикошетила бы от фольги назад, — это все равно что, пустив пулю в тучу комаров, увидеть, как она отскакивает и возвращается в том направлении, откуда пришла. Однако гении тем и отличаются — а Резерфорд был величайшим физиком-экспериментатором двадцатого века, — что они всегда готовы к неожиданностям и никогда не позволят предвзятости, диктуемой теорией, ограничить их поле зрения и помешать увидеть то, что являет их глазам природа. И Резерфорд был вознагражден. Спустя три дня после того, как он высказал свою просьбу, Гейгер и Марсден ворвались в его кабинет с невероятной новостью. На каждые восемь тысяч альфа-частиц, выстреливаемых в золотую фольгу, одна возвращается обратно. Как вспоминал позднее Резерфорд: «Это было, пожалуй, самым невероятным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни».

Резерфорду понадобились два года, чтобы обосновать ошеломительный результат, полученный Гейгером и Марсденом. Если альфа-частица натыкается на что-то внутри атома и это «что-то» не просто останавливает ее, но отбрасывает частицу так, что она возвращается тем же путем, которым пришла, значит, таинственное нечто должно быть куда массивнее альфа-частицы. Плюс ко всему оно должно занимать поразительно малую часть объема атома: уж больно крохотная получается мишень, если в нее попадает лишь одна на восемь тысяч частиц.

К 1911 году Резерфорд провел уже достаточно много экспериментов, чтобы прийти к выводу о внутренней структуре атома. Не было никаких крошечных электронов-«изюминок», сидящих в рыхлом тесте положительного заряда, как то представлял себе Томсон; вместо этого электроны порхали вокруг маленького, положительно заряженного узелка в центре атома. Мощная сила отталкивания, заставляющая альфа-частицу совершить разворот на 180°, могла возникнуть только в том случае, если природа втиснула большой положительный заряд в чрезвычайно малый объем. По оценке Резерфорда, плотный узелок положительного заряда должен был быть ужасно тяжелым — на него приходилось не менее 99,9 % массы всего атома. Резерфордовская модель атома была невообразимо далека от «рождественского пудинга» Томсона. Атом походил на миниатюрную Солнечную систему, где электроны, подобно планетам, кружились вокруг своего Солнца — атомного «ядра» [21] .

21

Термин «ядро» не использовался до 1912 года. (Прим. автора).