Николай Горькавый - Космические сыщики
– Он и с рентгеновскими лучами опоздал! – удивился Андрей.
– Да, Ленарду хронически не везло. Хотя за исследование катодных лучей он получил Нобелевскую премию 1905 года, самые яркие открытия, связанные с этими лучами, уплыли из его рук.
Томсон не только открыл электроны, но и предположил, что они входят в состав вещества, то есть являются частичками атома. Раньше учёные рассматривали атомы как нечто целое и неделимое – Томсон первый попытался создать более детальную модель атома, которая должна была включать отдельные частицы – электроны. Но электроны, заряженные отрицательно, отталкиваются друг от друга. Значит, их взаимное отталкивание должно компенсироваться присутствием материи с положительным зарядом, чтобы атом в целом получился нейтральным. И Томсон выдвинул следующую гипотезу: атом – это массивное облако положительно заряженной материи, в котором, как изюм в пудинге, находятся лёгкие отрицательные электроны. Эту модель так и стали называть: «пудинговая модель атома».
– Звучит аппетитно! – одобрила Галатея.
– Таково было состояние дел в атомной физике и в Англии, когда туда прибыл крепкий новозеландский парень, сын фермера Эрнст Резерфорд. Приборов в лаборатории Томсона не хватало, учёные шутили: «В Кавендише, готовя эксперимент, надо было левой рукой собирать прибор, а правой держать обнажённый меч».
Уже в своих первых работах Резерфорд сделал важное открытие – обнаружил новый тип лучей. В 1898 году, используя естественный источник радиоактивного излучения, он показал, что в нём присутствует два вида частиц: положительно заряженные массивные альфа-частицы и отрицательно заряженные лёгкие бета-частицы, которые по-разному реагировали на магнитное поле, отклоняясь в разных направлениях.
– Что это за частицы? – спросила Галатея.
– Бета-частицы оказались электронами, которые открыл Томсон. Альфа-частицы были ядрами гелия, которые в тысячи раз тяжелее электрона. Через год физик Поль Виллар показал, что есть ещё и нейтрально заряженные частицы, которые не отклоняются в магнитном поле, – их назвали гамма-лучами. Эти гамма-лучи были электромагнитным излучением, только ещё более коротковолновым, чем рентгеновские лучи.
Работа молодого Резерфорда была очень успешной, но попасть в круг английских профессоров ему не удалось: осенью 1898 года ему предложили занять место профессора в канадском университете в Монреале.
– Он был вынужден снова уехать из Англии? – расстроилась Галатея.
– Да. Но Резерфорд доказал, что работать на мировом уровне можно даже в провинциальном университете. В Канаде он познакомился с младшим лаборантом Содди.
– Младший лаборант – это на одну ступеньку выше дворника? – спросил Андрей.
Дзинтара улыбнулась:
– За пять лет совместной работы, к 1903 году, Резерфорд и Содди создали теорию радиоактивного распада – так называемое правило Резерфорда-Содди. Тогда царило мнение о неделимости и неизменности атомов. Молодые исследователи опровергли это мнение, утверждая: «В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества».
Одно из открытий Резерфорда началось с того, что сквозняк менял показания прибора. Один из сотрудников измерял радиоактивность тория с помощью электроскопа. Оказалось, что результаты эксперимента зависят от того, открыта или закрыта дверь в лабораторию.
– Какая-то мистика! – воскликнул Андрей. – Радиоактивность – явление на уровне атомного ядра, повлиять на него можно только с помощью… ну, например, атомного реактора. Сквозняк и радиоактивность никак не связаны!
– Не совсем так. Резерфорд начал исследовать «явление сквозняка» и догадался, что радиоактивный торий испускает газ – торон, тоже радиоактивный. Сдувая этот газ, сквозняк менял показания прибора! В науке не бывает мелочей, учитывать надо всё, вплоть до случайного ветерка. Позже выяснилось, что торон является одним из изотопов радиоактивного инертного газа радона.
После этих открытий, уже через несколько лет, в 1910 году, младший лаборант Содди стал академиком, или членом Королевского общества, а потом – нобелевским лауреатом.
– Вот как помогла ему дружба с сыном новозеландского фермера! – засмеялась Галатея.
– Эрнст Резерфорд тоже приобрел широкую известность и был выбран академиком в 1903 году. После восьми с лишним лет работы учёный покинул Канаду и триумфально вернулся в Англию. Весной 1907 года он начал работать профессором в Манчестерском университете, получая в два с половиной раза больше, чем в канадском университете. В следующем, 1908, году ему присудили Нобелевскую премию «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Узнав о премии, которую присудили почему-то по химии, а не по физике, Резерфорд произнёс ехидную крылатую фразу: «Вся наука – или физика, или коллекционирование марок».
В Манчестерском университете Резерфорд создал новую лабораторию, которая затмила своими результатами Кавендишскую. Кто-то сказал профессору:
– Вы – счастливый человек… Всегда на гребне волны!
– Да, но я сам и поднимаю эту волну, не так ли? – откликнулся самоуверенный Резерфорд.
Учёный из России, Пётр Капица, который работал в лаборатории Резерфорда, дал ему прозвище Крокодил. Капица так объяснял придуманное им прозвище: «Это животное никогда не поворачивает назад и потому может символизировать резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперёд».
Свой главный научный результат Резерфорд получил уже после присуждения Нобелевской премии. По его предложению в 1908 году физики Гейгер и Марсден стали изучать процессы рассеяния альфа-частиц на тонкой золотой фольге и получили загадочный результат: примерно 10 000 альфа-частиц пролетали сквозь фольгу, слегка отклоняясь от своего пути, но одна из них отклонялась сильно – вплоть до того, что летела назад.
– А что здесь загадочного? – спросила Галатея.
– Согласно Томсону, атом представлял собой рыхлое, положительно заряженное облако с вкраплениями электронов. Облако должно быть размером с атом. Электроны, которые весили в семь тысяч раз меньше, чем альфа-частицы, никак не могли отклонить их назад. Ещё с меньшим успехом это могло сделать рыхлое облако с положительным зарядом. Эрнст Резерфорд писал про отражение назад альфа-частиц: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар».
– Что такое 15-дюймовый снаряд? – влезла Галатея с посторонним вопросом.
Андрей поднял глаза к потолку, вздохнул и сообщил:
– Это снаряд из пушки с диаметром дула почти в 40 сантиметров.
– Ого… – испуганно притихла Галатея.
Дзинтара невозмутимо продолжила:
– Томсона итоги эксперимента не обескуражили: он полагал, что большое количество мелких отклонений может, суммируясь, развернуть некоторые альфа-частицы. Но его мнение не было подкреплено расчётом и не удовлетворяло цепкого и упрямого Резерфорда-Крокодила.
В 1904 году японский физик Нагаока предложил другую планетарную модель атома: в её центре находилось массивное положительное ядро, а вокруг, как кольца Сатурна вокруг планеты, вращались электроны. Резерфорд долго размышлял над результатами Гейгера и Марсдена и в 1911 году предложил свою планетарную модель атома, в которой крошечное положительное ядро было в десять тысяч раз меньше самого атома, но, благодаря своей массе и сильному электрическому полю, оно могло развернуть быстро летящие альфа-частицы.
– Верно! – просиял Андрей. – Ведь чем меньше радиус, тем сильнее поле. Это правило действует и для чёрных дыр, и для атомных ядер! Только поля у них разные – гравитационное и электрическое.
– Молодец, Андрей! – в свою очередь просияла Дзинтара. – Ты быстро соображаешь!
Галатея недовольно покосилась на брата.
– Не перебивай!
– Ничего, – успокоила её Дзинтара, – интересно же по ходу сказки обсуждать самые важные моменты. Итак, Резерфорд предложил свою модель атома. С одной стороны, он был ею очень доволен: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» С другой – учёный рассматривал её как… рабочую модель, которая помогает объяснить интересные эксперименты, но которой далеко до настоящей теории. Однако среди учеников Резерфорда был человек, принявший всерьёз модель атома, созданную учителем.
– Кто это? – заинтересовалась Галатея.
– Это уже новая история, которую вы услышите завтра. А сегодня пора спать.
Дзинтара закрыла книжку, несмотря на протестующие голоса детей, и улыбнулась:
– Не надо спешить! Терпение нужно не только учёным.
Примечания для любопытныхХантаро Нагаока (1865–1950) – известный японский физик. В 1904 году предложил первую планетарную модель атома с массивным положительным ядром и вращающимися вокруг него, как кольца Сатурна, отрицательными электронами.
