Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Кумар Манжит

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 -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 -частиц и не позволяла определить точное число электронов в каждом из атомов.

Резерфорд был уверен, что -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 -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 -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 -частица, тем сильнее воздействует на нее электрическое поле и тем сильнее она отклоняется от начальной траектории. Но если -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 -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 -частиц. Гейгер взялся за решение этой задачи и обнаружил, что распределение -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.

“Предлагаемая мною структура атома чем-то напоминает Вашу, представленную в опубликованной несколько лет назад работе”, — поблагодарил Резерфорд в ответном письме. Однако, несмотря на сходство моделей, между ними было очень важное отличие. В модели Нагаоки тяжелая положительно заряженная центральная часть занимала почти весь плоский, похожий на блин атом. А в сферической модели Резерфорда крошечное положительно заряженное ядро, сосредоточившее в себе практически всю массу атома, расположено в его центре, а сам атом остается практически пустым. Но у обеих моделей имелся неустранимый дефект, из-за которого практически никто из физиков не отнесся к ним серьезно.

Дело в том, что атом, у которого неподвижные электроны расположены вокруг положительно заряженного ядра, нестабилен: отрицательно заряженные электроны неудержимо притягиваются к ядру. Если же они вращаются вокруг ядра наподобие планет, вращающихся вокруг Солнца, атом все равно разрушится. Еще Ньютон показал, что движение по кругу всегда происходит с ускорением. А согласно теории Максвелла, если заряженная частица, каковой является электрон, движется с ускорением, она излучает электромагнитные волны и непрерывно теряет энергию. Вращающийся вокруг ядра электрон, двигаясь по спирали, упадет на ядро за время порядка одной тысячной от одной миллиардной секунды. Само существование материального мира свидетельствовало против наличия ядра у атома.

Резерфорд давно знал об этой, казалось, непреодолимой трудности. В книге “Радиоактивные превращения”, изданной еще в 1906 году, он писал: “Неизбежная потеря энергии двигающимся с ускорением электроном вызывает наибольшие затруднения при попытке понять устройство стабильного атома”⁵³. Но в 1911 году он предпочел не обращать внимания на эту трудность: “На этой стадии не стоит останавливаться на вопросе о стабильности атома. Она, очевидно, определяется мгновенной структурой атома и движением составляющих его заряженных частей”⁵⁴.

В первый раз Гейгер проверил формулу рассеяния Резерфорда быстро и недостаточно тщательно. Теперь вместе с Марсденом он потратил на измерения почти год. К июлю 1912 года результаты полностью подтвердили и саму формулу, и основные выводы теории Резерфорда⁵⁵. Пройдут годы, и Марсден напишет: “Эта тотальная проверка была трудоемкой, но захватывающей задачей”⁵⁶. В процессе работы они также поняли, что, с учетом ошибки эксперимента, заряд ядра атома данного элемента приблизительно равен половине его атомного веса. Это означало, что за исключением водорода, атомный вес которого равен единице, число электронов в атомах всех других элементов тоже должно приблизительно равняться половине атомного веса. Теперь можно было определить точное число электронов, например, в атоме гелия. Оно равно двум, а не двум, или трем, или четырем, как ранее предполагалось. Однако уменьшение числа электронов означало, что атом Резерфорда должен излучать энергию еще интенсивнее.