Валентин Рич - Виток спирали
…Итак, альфа-частица окапалась атомом гелия.
А бета-частица оказалась, как и предполагали, электроном.
Какие-то неведомые силы выбрасывали их из атомов всех тяжелых элементов, стоящих в таблице Менделеева после свинца.
И когда какая-нибудь из этих частиц покидала атом, он сразу же становился атомом другого элемента. Потеряв альфа частицу, торий становился радием, радий становился радоном, радон — полонием, полоний — свинцом. Потеряв бета-частицу, актиний становился торием.
Как говорится, ясно и понятно.
Но недаром существует поговорка: "Нос вылезет — хвост увязнет".
Радий получался из урана, и из тория, и из актиния. И из каждого радия получался свой радон. Из каждого радона свой полоний. Из каждого полония свои свинец… Вместо одного радия получалось множество радиев, вместо одного радона — множество радонов, вместо одною свинца — множество свинцов. И все они, кроме свинца, норовили превратиться друг в друга, И хоть химические свойства у всех радонов или всех радиев были одинаковыми, атомный вес у них был разным. И эта страшная путаница фактов грозила обрушить закон Менделеева, потому что непонятно было, куда теперь ставить в таблицу эти одинаковые элементы с разным атомным весом.
Глава четвертая,
в которой Резерфорд находит атомное ядро, а Бор — электронную оболочку
Прибор, в котором Эрнст Резерфорд стал обстреливать атомами гелия (альфа-частицами) атомы других веществ, был похож на Круксов спинтарископ, только побольше. В одном конце многометровой стеклянной трубы вместо иглы находилась ампула с радиевой солью, а другой конец упирался в экран из сернистого цинка.
По трубе, как по пушечному стволу, несся в сторону цели пучок альфа-частиц. А целью была тонкая металлическая пластинка — фольга, поставленная перед экраном.
Листочек фольги, конечно, не в состоянии был задержать стремительные снаряды альфа-частиц, и позади него на экране вспыхивали, как и в Круксовом спинтарископе, искры.
Уже во время первых опытов Резерфорд заметил, что вспышки несколько смещаются от направления полета частиц. Отчего? Что могло заставить их отклоняться от первоначального пути?
Конечно, только атомы металла, из которых состояла фольга!
Вот и было бы интересно посмотреть, как это зависит от атомного веса металлов. Не совпадут ли величины отклонения с изменениями атомного веса?
В 1909 году Резерфорд поручил одному из своих лаборантов — Эрнсту Марсдену — проверить это на листках разных металлов.
Марсден начал с золотой фольги. Он поместил золотую мишень перед экраном и скоро увидел, что выполнить задание Резерфорда будет не так-то просто. Вспышки от вылетающих из круглого стеклянного дула альфа-частиц не образовывали на экране четкого круга. Некоторые искорки вспыхивали далеко в стороне.
Марсден не раз налаживал и настраивал свой прибор, но вспышки никак не желали оставаться в очерченном трубой кругу.
Он доложил о странном поведении альфа-частиц Резерфорду. Тот пришел, понаблюдал за вспышками и дал Марсдену не менее странное указание.
— Посмотрите-ка, не отражаются ли альфы-частицы от фольги.
И ушел.
Эрнст Марсден был всего-навсего двадцатилетним лаборантом. Но он понял: если хоть одна альфа-частица отразится от фольги, то тем самым выявится нечто совершенно невероятное. Потому что как это может тонюсенькая фольга отбросить снаряды, летящие со скоростью двадцать пять тысяч километров в секунду?
Прошло несколько дней.
Марсден переделал прибор, установил дополнительные экраны и стал терпеливо ждать.
И вот первая вспышка — не за фольгой, а перед фольгой!.
Вот еще одна. И еще.
И снова пауза. И снова вспышка.
Марсден считал весь вечер и всю ночь.
На каждые восемь тысяч вспышек за мишенью появлялась одна вспышка перед ней. Один из восьми тысяч снарядов фольга отказывалась пропускать и отправляла обратно.
На следующий день Марсден заменил золотой листок медным, потом медный — алюминиевым.
Он хотел выяснять, уменьшается ли число отраженных снарядов, если мишень — из более легких атомов.
И выяснил — да, уменьшается, и довольно сильно.
Через несколько дней он сказал Резерфорду:
— Вы были правы, профессор…
Событие произошло, его надо было объяснить.
Когда рикошетирует снаряд? В двух случаях. Либо — когда отскакивает от чего-то более прочного и массивного, чем он сам. Либо — когда встречается с мишенью под очень большим углом, тут он может отскочить от чего угодно.
Но здесь не было снаряда, была альфа-частица. И летела она перпендикулярно мишени. И не было брони, а была тоненькая фольга. И не было в этой фольге ничего, кроме атомов.
Какими же они были, эти атомы, если семь тысяч девятьсот девяносто девять снарядов пронзали их насквозь, а восьмитысячный отскакивал обратно?
К тому времени существовали две модели атома. Модель Томсона — кекс с изюмом, положительно заряженный шар, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны. И планетарная модель — отрицательные электроны-планеты вращаются вокруг положительного Солнца.
Томсоновский атом не выдержал первого же залпа и рассыпался навсегда. В нем не было ничего, что могло бы заставить снаряд отлететь обратно. Плавающие внутри шара электроны? С таким же успехом горошина могла бы отбить пушечное ядро: альфа-частица в восемь тысяч раз тяжелей электрона, и к тому же несется с сумасшедшей скоростью.
Оставался лишь один возможный вариант строения атома. Резерфорд пришея к нему после почти двухлетних размышлений. Положительно заряженное тяжелое ядро. И на огромных расстояниях от него, подобно планетам вокруг Солнца, — электроны. Почти пустой атом. Потому что ядро, в котором сосредоточена масса атома, занимает ничтожное место — только так можно объяснить тот факт, что семь тысяч девятьсот девяносто девять альфа-частиц проскакивали мимо. Такой была единственно возможная модель, только такой атом мог вести себя под обстрелом так, как вели себя атомы фольги в опытах Резерфорда и Марсдена.
И Резерфорд был убежден, что атом устроен именно так. Но убедить в этом других он не мог. И вот почему.
Еще в 70-х годах XIX века английский физик Джемс Максвелл доказал, что любое заряженное тело, двигающееся в электрическом поле, при изменении скорости или направления теряет энергию, излучая ее в пространство. Электроны же, вращающиеся вокруг ядра, были бы именно такими телами. И они должны были непрерывно излучать энергию. И весь запас их энергии постепенно бы иссяк. И они обязательно упали бы на ядро. Так же обязательно, как обязательно падает в конце концов на землю выпущенная из ружья пуля.
Электрон упал бы на ядро, и атом перестал бы существовать.
Но известным в то время законам природы планетарный атом Резерфорда не имел права на существование. И в то же время опыт свидетельствовал непреложно: атом ведет себя так, как будто он и есть такой несуществующий атом.
Получалось одно из двух: либо природа играла не по правилам, либо правила были не по природе.
ТРЕТЬЯ ВОЗМОЖНОСТЬ
Она почти всегда существует — еще не известная, третья возможность: в запасе у Природы есть кое-какие правила, которым и подчиняется вновь обнаруженная игра. В случае с атомом это означало, что законы для макромира — для тел величиной с атом и больших, чем атом, недействительны для микромира — для тел меньшей величины.
…Закон для тел меньше атома был обнаружен берлинским физиком Максом Планком в 1900 году, еще до того, как заговорили об атомном ядре. И тогда никто не понимал, что с этим законом делать, к чему его приложить?
Макс Планк изучал спектры нагретых веществ. Давно было известно, что цвет нагреваемого тела меняется: сперва он красный, потом желтеет, голубеет… В зависимости от того, сколько энергии получало нагреваемое тело, менялось и его излучение.
Планк старался понять, как же именно распределяется энергия по разным излучениям. И когда он собрал множество фактов, связанных с этим процессом, то оказалось, что многим бесспорным данным невозможно найти объяснения, оставаясь на позициях, типичных для макромира.
Превращения в мире веществ нельзя было понять, пока не установили главное: вещества состоят из минимальных порций — атомов. Превращения в мире излучений тоже невозможно было понять, пока Планк не пришел к гениальной мысли: надо отказаться от представления, будто энергия течет сплошным потоком, а представить себе, что энергия, как и вещество, делится на порции, и что излучение состоит из минимальных порций — Макс Планк назвал их квантами.
Почему теплота, свет, рентгеновы лучи должны обладать зернистым, как говорили в старину — корпускулярным, строением, никто не понимал. Кому и зачем могли понадобиться эти минимальные порции энергии, было неизвестно. Известно было одно: профессор Планк, изучая спектры, не смог свести концы с концами, пока не предположил, что есть такая штука — наименьшая порция излучения — квант.
