Пол Хэлперн - Коллайдер
Предложенный Гейгером метод - подсчет искр, проскакивающих между электродами металлической трубки, когда альфа-частицы, ионизуя запаянный внутри газ, превращают его в проводник, - лег в основу знаменитого счетчика, названного в честь автора изобретения счетчиком Гейгера. Этот счетчик работает благодаря тому факту, что электрические токи циркулируют по замкнутым контурам. Каждый раз, когда образец испускает альфа-частицу, цепь, идущая через электроды и проводящий газ, замыкается, и слышится отчетливый щелчок. Несмотря на полезную находку Гейгера, Резерфорд обычно применял другой способ регистрации. Он брал экран, покрытый сульфидом цинка, материалом, в котором бомбардирующие альфа-частицы вызывают крошечные вспышки света, сцинтилляции.
В 1908 г. Резерфорд прервал исследования, чтобы съездить за Нобелевской премией по химии, присужденной ему за изучение альфа-частиц. Но лаборатория пустовала недолго. Вооружившись надежными методами детектирования, он перешел к новым экспериментам, в которых также принимали участие Гейгер и талантливый, хоть и не закончивший еще университет Эрнест Марсден.
Судьба 20-летнего (1909 г.) Марсдена поразительно напоминала судьбу самого Резерфорда. Марсден тоже вышел из простой среды. Его отец работал на провинциальной текстильной фабрике в английском Ланкашире, делал хлопчатобумажные ткани. Резерфорд из родной Новой Зеландии переехал в Англию - у Марсдена впоследствии сложилось все с точностью до наоборот. Они оба начали ставить занятные эксперименты, когда еще учились в университете. Что касается Марсдена, не успел он закончить обучение, как его уже пригласили испытать свои таланты.
Резерфорд потом вспоминал о том вопросе на разминку, который вылился в плодотворное сотрудничество Гейгера и Марсдена. «Как-то Гейгер подошел ко мне и сказал: “Может быть, юному Марсдену пора заняться небольшим исследованием?” Я об этом уже подумывал, так что ответил: “Пусть тогда посмотрит, рассеиваются ли какие-нибудь альфа-частицы на большие углы”»20.
Резерфорд, славившийся своим умением задавать нужные вопросы в нужное время, как чувствовал, что если вдруг появятся альфа-частицы, отлетающие от металла назад, то это даст подсказку о строении материи. Ему, конечно, было интересно увидеть, что произойдет, но он не питал больших надежд относительно положительного исхода эксперимента. Но совсем исключать такой вариант тоже было нельзя. Мало ли, вдруг внутри спрятано нечто, от чего частицы будут отскакивать. Грех было не попытать счастья.
В некоторых особо чувствительных измерениях ученым, занимающимся физикой частиц, приходится уподобляться ночным животным, рыскающим в поисках добычи. Уловить ее малейшее движение получится, если только хорошо видишь в темноте. В этом занятии преимущество на стороне молодых исследователей. И даже не из-за лучшего зрения, а скорее благодаря терпению. Неудивительно, что Резерфорд и Гейгер поручили следить за рассеянием альфа-частиц двадцатилетнему Марсдену. Тому предписывалось зашторить окна как можно плотнее, затем сесть и ждать, пока зрачки расширятся настолько, чтобы улавливать со всех сторон малейшие проблески света. Только потом позволялось приступить к наблюдениям.
Марсден клал пластинки разной толщины и из разных металлов (свинца, платины и других) рядом со стеклянной ампулой с соединениями радия и ждал, когда альфа-частицы, вылетающие из ампулы, ударятся о пластинку и пройдут сквозь нее или же отскочат. Сцинтиллятором служил экран с сульфидом цинка. По нему было видно, сколько частиц отразилось и под какими углами. Закончив с очередным металлом, Марсден показывал данные со всеми-превсеми искорками, которые заметили его зоркие глаза, Гейгеру. Вместе они установили, что больше всего отражений давали тонкие листы золота. Но и они в основном пропускали альфа-частицы, словно фольга была родом из потустороннего мира. А когда изредка происходили отражения, частицы, как правило, отскакивали под очень большими углами (90 и более градусов). Следовательно, они, по-видимому, рассеивались на каких-то твердых сгущениях в недрах золота.
Сияя от радости, Гейгер прибежал к Резерфорду и, к совершеннейшему удовольствию последнего, сообщил: «Мы все-таки нашли отскакивающие альфа-частицы!»
«Это было самое невероятное событие в моей жизни, - вспоминал Резерфорд. - Это почти так же невероятно, как если бы вы кинули 15-дюймовую гранату в экран из папиросной бумаги, а она отскочила бы обратно в вас»21.
Если атом, как думал Томсон, и правда похож на пудинг с изюмом, то аморфная смесь зарядов внутри атомов золота не должна сильно отклонять летящие в фольгу альфа-частицы, а тогда они рассеивались бы чаще под маленькими углами. Но у Гейгера с Марсденом получилось нечто другое. Будто внутри атома сидит хороший бейсболист: когда снаряд оказывается в зоне страйка, бьющий со всего размаху его отбивает, а если снаряд выходит за эту зону, он свободно летит дальше.
В 1911 г. Резерфорд решил взамен модели Томсона предложить собственную. «Я, кажется, придумал атом гораздо лучше, чем у Джейджея», - делился он с коллегой22. В статье он изложил революционную идею о том, что в каждом атоме в центре есть крошечное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная доля массы атома. Когда альфа-частицы сталкивались с атомами золота, именно эта бита отбивала их назад, да и то только самых метких, умудрившихся попасть точно в яблочко.
Получается, атом состоит главным образом из пустоты. Ядро занимает жалкую долю его объема, все остальное - бездонное ничто. Если увеличить атом до размеров Земли, то ядро в поперечнике будет примерно с футбольный стадион. Резерфорд красочно сравнил обстрел ядра-мишени с попыткой установить местоположение комара в Альберт-холле, огромном концертном зале в Лондоне.
Несмотря на маленькие размеры, ядро играет важную роль, определяя свойства атома. Резерфорд высказал догадку, что от величины положительного заряда ядра зависит место атома в периодической системе, или, другими словами, атомный номер. У водорода заряд ядра по модулю равен заряду электрона, а для остальных элементов это количество заряда нужно умножить на атомный номер. Например, у золота, 79-го по счету элемента, положительный заряд ядра по модулю равен семидесяти девяти зарядам электрона. Положительный центральный заряд уравновешивается соответствующим количеством отрицательно заряженных электронов. В итоге атом, если его не ионизовать, электрически нейтрален. Как утверждал Резерфорд, эти электроны равномерно распределены по сфере с центром в ядре.
Хотя модель Резерфорда и вывела физику на новый уровень, некоторые вопросы остались открытыми. Она прекрасно объясняла опыты Гейгера-Марсдена по рассеянию, но многие экспериментальные свойства атома, известные в то время, оставались загадкой. Взять хотя бы спектральные линии - в рамках модели было непонятно, почему у водорода, гелия и других элементов они образуют характерный рисунок. Если электроны в атоме равномерно перемешаны, почему атомные спектры такие неоднородные? И где в общей картине найти место квантовой идее Планка и эйнштейновскому фотоэффекту, в которых электрон получает и отдает энергию конечными порциями?
По счастливому стечению обстоятельств весной 1912 г. в лабораторию Резерфорда прибыл гость из Дании, чьи знания пришлись как раз кстати. Нильс Бор - крепко сбитый молодой человек с крупными чертами лица - недавно защитил в Копенгагене диссертацию и, проведя полгода у Томсона в Кембридже, уехал в Манчестер. Он заранее написал Резерфорду письмо, где говорил, что был бы не против позаниматься радиоактивностью. От Томсона он знал про идею Резерфорда о ядре, и ему хотелось поподробнее изучить ее следствия. Однажды, когда Бор рассчитывал процесс столкновения альфа-частиц с атомами, ему в голову пришла гипотеза: а что, если энергия колеблющегося около ядра электрона принимает строго определенные значения, кратные постоянной Планка? Так одним махом Бор окунул атомы в калейдоскоп квантовой теории.
Вернувшись в Копенгаген летом того же года, Бор продолжил размышлять о структуре атома. Его интересовал вопрос, почему атомы самопроизвольно не схлопываются. Что-то должно удерживать отрицательные электроны, чтобы те не врезались в положительно заряженное ядро, как метеорит в Землю. В ньютоновской физике есть особая сохраняющаяся величина, момент импульса (момент количества движения). Проще говоря, при вращении тела и количество оборотов, и направление оси стремятся остаться неизменными. А именно произведение массы, скорости и радиуса орбиты часто представляет собой постоянную величину. Не зря фигурист начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Бор потребовал, чтобы момент импульса электрона принимал значения, кратные постоянной Планка, деленной на два «пи» (π = 3,1415). Тогда частица сможет занимать орбиты только с определенной энергией. То есть электроны могут располагаться только на определенных расстояниях от атомного ядра, или, по-другому, занимать дискретные уровни - квантовые состояния.
