Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
Рентген попросил свою жену Берту положить руку на фотопластинку и направил на нее “X-лучи” — так он назвал неизвестное излучение. Через пятнадцать минут Рентген осмотрел пластинку. Берта испугалась, увидев очертания костей, двух колец и темное пятно на месте руки. Первого января 1896 года Рентген разослал копии своей работы “Новый тип лучей” с фотографиями гирь в ящике и костей руки Берты ведущим физикам Германии и всего мира. Новость об открытии Рентгена и его удивительных фотографиях распространилась молниеносно. Через несколько дней об “X-лучах” узнали все. Фотографии кисти Берты обошли все газеты мира. О таинственных лучах за год было опубликовано сорок девять книг и тысячи научных и научно-популярных статей28.
Томсон приступил к изучению X-лучей еще до того, как 23 января в еженедельном научном журнале “Нейчур” появился английский перевод статьи Рентгена. Тогда Томсон занимался исследованием электропроводности газов. X-лучи привлекли его внимание, когда он услышал, что они делают газ проводником. Томсон быстро проверил это утверждение и попросил Резерфорда помочь ему выяснить, что происходит с газом при прохождении X-лучей. По результатам этой работы Резерфорд в следующие два года опубликовал четыре статьи, которые принесли ему международную известность. Первую Томсон предварил небольшим введением, в котором высказал предположение, что, как и свет, X-лучи являются формой электромагнитного излучения. Это предположение подтвердилось позднее.
Пока Резерфорд ставил свои опыты, француз Анри Беккерель искал ответ на вопрос, испускают ли X-лучи и светящиеся в темноте фосфоресцирующие вещества. Вместо этого он обнаружил излучение соединений урана (независимо от того, фосфоресцируют они или нет). Сообщение Беккереля об открытии “урановых лучей” осталось почти незамеченным. Считалось, что такие лучи могут испускать только соединения урана, и поэтому они мало кого заинтересовали. Среди этих немногих оказался Резерфорд: он собрался выяснить, влияют ли эти лучи на электропроводность газов. Позднее ученый говорил, что это было самым важным решением за всю его жизнь.
Резерфорд исследовал глубину проникновения урановых лучей, используя очень тонкие слои фольги из “голландского металла” — сплава меди с цинком. Оказалось, что интенсивность прошедшего излучения зависит от числа слоев фольги.
Сначала при увеличении их числа интенсивность падала, затем добавление новых слоев практически не влияло на ее величину, однако потом интенсивность удивительным образом опять начинала уменьшаться. Повторив эксперименты с фольгой из разных материалов, Резерфорд отметил тот же эффект. Он смог предложить лишь одно объяснение: существуют два типа излучения — Резерфорд назвал его альфа- и бета-лучами.
Когда немецкий физик Герхард Шмидт объявил, что торий и его соединения тоже испускают излучение, Резерфорд сравнил их с альфа- и бета-лучами. Он обнаружил, что излучение тория мощнее, и пришел к выводу, что в этом случае “присутствуют более проникающие лучи”29, позднее названные гамма-лучами30. Мария Кюри ввела термин “радиоактивность” для описания процесса излучения и назвала вещества, испускающие “беккерелевские лучи”, радиоактивными. Она считала, что поскольку радиоактивность наблюдается не только у урана, это явление должно быть связано с атомами. Уверенность в этом позволила Марии Кюри и ее мужу Пьеру открыть такие радиоактивные элементы, как радий и полоний.
В апреле 1898 года, когда в Париже вышла первая работа супругов Кюри, Резерфорд узнал, что в Университете Мак-Гилла в Монреале объявлен конкурс на замещение должности профессора физики. Хотя благодаря работам по радиоактивности он уже был признанным авторитетом, Резерфорд мало надеялся на успех, несмотря на рекомендацию Томсона: “У меня никогда не было столь преданного работе и самостоятельного ученика, как мистер Резерфорд. Я уверен, что если он получит это место, ему удастся создать в Монреале блестящую физическую школу... Считаю, что для любого университета было бы большой удачей иметь возможность предоставить мистеру Резерфорду место профессора физики”31. В конце сентября двадцатисемилетний Резерфорд приехал в Монреаль. Там он провел следующие девять лет.
Резерфорд, покидая Англию, уже знал, что “от него ожидают большого числа новых работ и создания научной школы, способной посрамить янки”32. С этой задачей он справился. Первое открытие, сделанное Резерфордом в Канаде, касалось радиоактивности тория. Ученый показал, что в течение минуты она уменьшается в два раза, затем еще в два раза за следующую минуту. Через восемь минут интенсивность радиоактивного излучения уменьшается в восемь раз относительно исходного значения33. Описывая закон уменьшения радиоактивности в зависимости от времени, Резерфорд ввел понятие периода полураспада, то есть времени, которое необходимо, чтобы интенсивность радиоактивного излучения уменьшилась вдвое. А затем последовало открытие, которое принесло ему место профессора в Манчестере и Нобелевскую премию.
В октябре 1901 года Эрнест Резерфорд и двадцатипятилетний английский химик Фредерик Содди, живший в Монреале, начали совместно исследовать радиоактивность тория. Вскоре они поняли, что торий, вероятно, превращается в другой элемент. Содди вспоминал, как он остолбенел и у него вырвалось: “Это же трансмутация”. “Ради всего святого, Содди, не называйте это трансмутацией, — воскликнул Резерфорд. — Нас распнут как алхимиков”34.
Однако скоро они оба убедились, что на самом деле радиоактивность представляет собой превращение одного элемента в другой за счет испускания излучения. Сначала их еретическую теорию восприняли очень скептически, но экспериментальные данные оказались решающими. Критикам пришлось отказаться от столь милого всем представления об устойчивости материи. Это уже была не мечта алхимиков, а научно установленный факт: все радиоактивные элементы самопроизвольно превращаются в другие элементы, а период полураспада — это время, которое требуется для того, чтобы половина атомов претерпела такое превращение.
“Молодой, энергичный, похожий на мальчишку, он напоминал кого угодно, только не ученого, — вспоминал о Резерфорде Хаим Вейцман, тогда преподаватель химии в Манчестерском университете, позднее первый президент Израиля. — Он охотно и убежденно говорил о чем угодно, иногда не имея понятия о предмете разговора. Спускаясь вниз в столовую на ланч, я слышал в коридоре... раскаты его голоса”35. Вейцман полагал, что Резерфорд, “полностью поглощенный своей наукой, открывшей новую эру в естествознании, был начисто лишен политического чутья и вообще политикой не интересовался”36. Центральное место в работе Резерфорда занимало “прощупывание” атомов с помощью α-частиц.
Но что представляют собой α-частицы? Это долго смущало Резерфорда даже после того, как он понял, что на самом деле α-лучи — положительные частицы, направление движения которых меняется в сильном магнитном поле. Он считал, что α-частица — это ион гелия, то есть атом гелия, потерявший два электрона, но поскольку доказательствами он располагал лишь косвенными, то никогда не говорил этого публично. И вот теперь, почти десять лет спустя после открытия α-лучей, он надеялся найти окончательный ответ на вопрос, что такое α-частицы. Про β-частицы уже давно стало понятно, что они суть быстро двигающиеся электроны. Летом 1908 года Резерфорд с помощью двадцатипятилетнего немца Ганса Гейгера получил подтверждение своей старой гипотезы: α-частица действительно является атомом гелия, потерявшим два электрона.
“Дьявол кроется в рассеянии”, — говорил Резерфорд, когда они с Гейгером пытались “сорвать маску” с α-частиц37. Двумя годами ранее в Монреале он уже обратил внимание на то, что некоторые α-частицы, проходя через слюдяную пластинку, несколько отклоняются от прямолинейной траектории, из-за чего на фотопластинке появляется размытое пятно. Резерфорд решил выяснить причину этого. Вскоре после приезда в Манчестер он наметил список тем, которыми следовало бы заняться. Одну из них — рассеяние α-частиц — он предложил Гейгеру.
Вместе они разработали схему простого эксперимента. Они собирались подсчитать число сцинтилляций — небольших вспышек света, вызванных α-частицами, которые, пройдя через листок тонкой золотой фольги, ударяются в бумажный экран, покрытый сульфидом цинка. Считать сцинтилляции, проводя долгие часы в полной темноте, было очень трудно. К счастью, по словам Резерфорда, “Гейгер был гениальным исполнителем и мог, не теряя самообладания, считать хоть целую ночь напролет”38. Гейгер обнаружил, что α-частицы либо проходят через фольгу и не меняют направления, либо отклоняются на один-два градуса. Этого и следовало ожидать. Удивительно было другое: Гейгер заметил, что некоторые α-частицы “отклоняются на существенно больший угол”39.
