Orrit Roger Corcho

У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Roger Corcho Orrit

У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Еженедельное издание

ISSN 2409-0069

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 160 с.

© Roger Corcho Orrit, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

Введение

«Все тела состоят из атомов». По мнению американского ученого Ричарда Фейнмана, этот тезис является самым важным в истории физики и его нужно постараться сохранить даже в случае катастрофы, которая уничтожит все приобретенные на настоящий момент знания.

Атомы можно считать элементами, формирующими реальность вокруг нас. Они располагаются изолированно или соединяются друг с другом, создавая молекулы и кристаллические структуры, а ядра атомов могут сливаться, образуя более крупные атомы, как это происходит в недрах звезд. Результатом такого разнообразия атомов является Вселенная, какой мы ее знаем. На заре западной цивилизации один греческий философ взял на себя смелость утверждать, что во Вселенной есть только атомы и пустота (речь идет о Левкиппе из Милета, V в. до н.э.), но до начала XX века физики, и Эрнест Резерфорд в их числе, не могли объяснить, из чего состоит материя.

Атомы — мельчайшие частицы. Для того чтобы говорить об их размере, необходимо было ввести специальную единицу измерения, ангстрем. Один ангстрем равен 10-1^0 метра, то есть это десятимиллионная доля миллиметра; размер атома соответствует примерно одной такой доле. Физики XX века доказали, что атом не является неделимым, его внутренняя структура сформирована из более мелких элементов, субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. На сегодняшний день считается, что материю можно описать в виде множества частиц (с общим названием фермионы), среди которых различают два основных типа: кварки и лептоны. Они в свою очередь разделяются на подтипы, обладающие дифференцирующими свойствами; кроме того, определенные их комбинации делают материю такой, какой мы ее знаем. Данная гипотеза, описывающая фундаментальные силы и взаимодействия между частицами, позволяет объяснить формирование, распад и особенности атомов, и в физике частиц известна как «стандартная модель».

Учитывая «зернистость» окружающей материи, объяснение, почему такое множество частиц объединяется в совершенный механизм, — это вызов всему человечеству. Согласно оценкам, Вселенная состоит из 10^78 атомов (число с 78 нулями!); с другой стороны, тело человека содержит 10^27 атомов: в основном это кислород, углерод и водород, формирующие клетки, которые полностью обновляются в течение пятилетних циклов.

Возникает вопрос: если все состоит из атомов, дает ли их изучение ключ к пониманию Вселенной? Как подчеркнул нидерландский физик Мартинус Велтман, «узнать все о физике элементарных частиц — значит, узнать все обо всем». Хотя Велтман подразумевает пристрастное видение «всего», благодаря изучению атомов стало возможным научное объяснение происхождения и эволюции Вселенной. Вместе с тем пришло и понимание, как после Большого взрыва сформировалась первоначальная смесь кварков, образовавшая ядра дейтерия и гелия, и те в комбинации с электронами стали основой атомов. Из уплотнений материи и энергии сформировались звезды, галактики и так далее, где начались процессы, ведущие к более массовому «производству» атомов и их комбинаций, вплоть до такой сложной системы, как жизнь.

Исторически атом можно представить в виде своеобразного предела человеческого любопытства. Атомы, неделимые частицы, были некими базовыми единицами, подобными аксиомам евклидовой геометрии. Возможности их глубокого познания ограниченны для нас, как и возможности понимания безграничности Вселенной.

Осознание, что Вселенная не оканчивается там, где человечество представляло это с древних времен, что атомы не являются минимальной составляющей материи, стало основной вехой в истории науки, в особенности за последние два столетия.

Как изучать атомы? Сегодня считается, что все окружающее нас состоит из атомов. Однако их размер настолько незначителен, что ученые веками сомневались в самом их существовании. В начале XX века проблему атома физики рассматривали, как в индийской притче про шестерых слепых мудрецов, в которой один ощупывал хобот, другой — бок, третий — бивень, четвертый — ногу, пятый — хвост, шестой — уши... Таким образом, восприятие реальности основывалось на несопоставимых явлениях. С разных точек зрения, то есть при рассмотрении излучения, броуновского движения, спектров испускания и поглощения, были очевидны признаки существования атомов, но только косвенные признаки, поэтому для многих ученых атомная гипотеза представлялась скорее метафизической, иначе говоря, была пустословием.

Физик Эрнест Резерфорд, человек крепкого сложения и любитель регби, стал тем, кто взломал сейф, который на тот момент представляла собой проблема атома, и это помогло увидеть атом изнутри. Такова одна из причин, почему Резерфорд считается крупнейшим физиком-экспериментатором XX века. Благодаря его методам и исследовательским приемам стало возможным изучение фундаментальной структуры, общей для всех атомов. Для решения этой глобальной задачи он воспользовался простыми и изящными приемами. Сегодня в нашем распоряжении — сложные ускорители частиц и совершенные детекторы, позволяющие исследовать еще более фундаментальные элементы материи на основе столкновений и при высоком уровне контроля и точности. Но в распоряжении Резерфорда не было устройств, даже отдаленно напоминающих эти. Тем не менее он смог обнаружить, что внутри атома находится еще более мелкая структура, размером сопоставимая с мухой, пролетающей под сводами собора, или с булавочной головкой на футбольном стадионе, — и дал ей название «ядро». Вслед за этим открытием прояснился следующий парадокс: в ядре сконцентрирована большая часть массы атома. Гигантскую пустоту, составляющую атом, пересекают только электроны. По своей эпохальности обнаружение ядра сравнимо с открытием Америки или высадкой первого человека на Луну.

Новозеландский физик доказал, что до сих пор об атоме ничего не было известно и что атомы дают огромное поле для исследований и открытий, которые нужно и предстоит сделать. Это был не конец пути, а скорее доступ к новому миру, который, как выяснилось позже, управлялся другими законами, отличными от тех, что мы наблюдаем каждодневно. Детали стали складываться в единую картину благодаря другим физикам, начиная с Нильса Бора. Атом больше не рассматривали с классической позиции и наконец отнесли его к понятиям удивительного и загадочного квантового мира.

Но Резерфорд не просто открыл целую вселенную внутри атомов, но также реализовал мечту, казавшуюся безумной. Трансмутация (превращение одного вещества в другое) была заветным стремлением человека со времен Средневековья — именно так возникла алхимия. Получение из латуни золота считалось одним из трюков, вроде сгибания ложек, до тех пор, пока Резерфорд не доказал, что химическое превращение — по сути физическое явление, которое возможно как в естественных, так и в искусственных условиях.

Превращение выявляло, что атомы подчинены определенному порядку и тесно взаимосвязаны. Элементы (железо, золото, кислород и др.) — не чуждые друг другу несовместимые категории. Несмотря на различия, обнаруживалось необыкновенное сходство, делавшее возможным превращение одного элемента в другой. Так же как Дарвин обосновал, что все живые существа имеют общего предка, было доказано, что все атомы происходят от водорода. Превращение элементов показало, что ядро можно разделить надвое. Для Резерфорда этот процесс — названный расщеплением ядра, который изучал физик Отто Ган, работавший с Резерфордом и Лизой Мейтнер, — был незначительным и практически не выделял энергии. Однако согласно известному уравнению Эйнштейна Е - mc^2, существует прямая взаимозависимость между массой и энергией, что позволяет понять энергетические явления, которые влечет за собой изменение массы внутренней структуры материи.

Нобелевская премия, которую Резерфорд получил в 1908 году, к его удивлению, была присуждена в сфере химии за «проведенные исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Это одна из многочисленных наград, которых он удостоился за свою работу. В результате нескольких случайностей Резерфорд также открыл альфа-, бета- и гамма-излучение. В своих исследованиях он находился на уровне выдающихся исследователей своей эпохи: семьи Кюри и Антуана Анри Беккереля.

Будучи экспериментатором, Резерфорд любил работу в лаборатории, упрямо отвергал чисто теоретические модели, не переносил математические трудности. Он был очень дисциплинированным и методичным, обладал способностью обнаруживать связь между понятиями и явлениями. Так, впервые благодаря радиоактивности он определил возраст Земли. Радиоактивность проливала свет на фундаментальную геологическую проблему, по которой ученые в ту пору еще не пришли к консенсусу.

Резерфорд относился к поколению ученых, работавших в одиночку с малочисленной командой помощников. Причем он обладал даром привлекать талантливых исследователей и вдохновлять их, и это объясняет тот факт, что 11 его сотрудников удостоились Нобелевской премии. Бесценный и объемный вклад Резерфорда в науку повлиял на последующие поколения ученых, которые осознали необходимость собираться во все более крупные коллективы, часто международные, и разделять части работы; им требовались все более значительные инвестиции, инфраструктура и оборудование. Все это ставит Эрнеста Резерфорда на ключевую позицию в истории науки: его наследие не только дало нам новые знания, но и позволило по-новому взглянуть на труд ученого.

1871 30 августа в Нельсоне, Новая Зеландия, появляется на свет Эрнест Резерфорд.

1880 Резерфорд поступает в университет Кентербери, что стало возможным благодаря получению им стипендии.

1894 Проводит эксперименты с радиоволнами, разрабатывает беспроволочный телеграф.

1895 Назначается научным ассистентом Дж. Дж. Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Изучает рентгеновское излучение и после — излучение, открытое Анри Беккерелем.

1898 Получает место в университете Макгилла (Монреаль, Канада). Измеряет альфа- и бета-лучи.

1900 Резерфорд заключает брак с Мэри Ньютон. Через год на свет появляется Эйлин, их единственная дочь.

1902 Вместе с Фредериком Содди публикует статью по теории радиоактивного распада, объясняющей эманацию тория и кривые распада.

1904 Публикует свой первый труд "Радиоактивность", давший начало новой ветви физики. Рассчитывает возраст Земли.

1907 Получает должность профессора в Манчестерском университете. Вместе с Хансом Гейгером разрабатывает детектор альфа-частиц. Обнаруживает альфа-частицы в потоке ядер гелия.

1908 Получает Нобелевскую премию в области химии.

1910 Предлагает модель атома, в которой ядро сосредоточивает в себе почти всю массу атома.

1913 Публикует труд "Радиоактивные вещества и их излучение".

1915 Приступает к исследованиям в области гидролокации, которые лягут в основу разработки сонара.

1917 Наблюдает первый искусственный атомный распад материи, превращая азот в кислород.

1919 Становится директором Кавендишской лаборатории и профессором Кембриджского университета.

1920 Предсказывает существование нейтрона.

1925 Становится президентом Лондонского Королевского общества.

1930 Во время родов четвертого ребенка умирает дочь Резерфорда Эйлин.

1932 В Кавендишской лаборатории Джеймс Чедвик объявляет об открытии нейтрона. Эрнест Уолтон и Джон Кокрофт сообщают, что в их ускорителе частиц удалось расщепить ядро атома.

1937 19 октября Резерфорд умирает в Кембридже в результате осложнений после частичного ущемления пупочной грыжи.

ГЛАВА 1

Открытие атомного ядра

Открытие ядра атома стало незабываемым моментом в истории физики. Резерфорду оно позволило разработать новую модель атома, структурно похожую на миниатюрную планетарную систему: с протонами в ядре и электронами, вращающимися вокруг по определенным орбитам.

Крокодил. Под этим прозвищем Эрнест Резерфорд был известен всем студентам, уже будучи почтенным и уважаемым ученым. Так назвал его Петр Капица, ученик из СССР, подразумевая отеческий образ. Но в этой характеристике присутствовал и оттенок доброжелательного ехидства: крокодил неспособен поворачивать голову и смотрит только вперед, гибкость — не его черта. Резерфорд обладал сильным характером, был одержим фактами и доказательствами. Один из его боевых кличей — "Дай мне факты, и как можно скорее!" Не только студенты становились свидетелями этой непоколебимой требовательности. Известен случай, когда рабочему, нанятому для сооружения стены в лаборатории, несколько раз приходилось прерываться, так как Резерфорд кричал ему, что хочет немедленно видеть результаты его деятельности, путая беднягу с одним из исследователей.

Несомненно, страсть к получению доказательств сделала Резерфорда лучшим экспериментатором своей эпохи и одним из выдающихся ученых всех времен. Плоды скрупулезного 30-летнего труда обеспечили его вклад в науку, причем самые значительные успехи были достигнуты им уже после получения Нобелевской премии. Кроме того, он взрастил несколько поколений физиков, засиявших на звездном небосклоне позднее, но начало их пути и стимул к развитию успешной карьеры были связаны с именем Резерфорда.

ЭКСПЕРИМЕНТ РЕЗЕРФОРДА

Среди множества открытий, сделанных Резерфордом, особого внимания заслуживает обнаружение им атомного ядра. В конце 1910 года Резерфорд объявил друзьям и знакомым: "Я уже знаю, как устроены атомы". Это не было неожиданным озарением. Он почти два года обдумывал любопытное явление, отмеченное в ходе эксперимента, который должен был, по его мнению, объяснить строение атомов. "Момент эврики" наступил, когда ученый понял, что внутри атома есть образование, которое он назвал ядром. Наличие ядра предположительно было общей характеристикой для всех атомов всех элементов.

Годы спустя он завершил свою работу, обнаружив протон, положительно заряженную частицу, составляющую часть ядра. В начале XX века, когда в научном мире только-только было достигнуто некоторое согласие в отношении существования атомов, для Резерфорда стало очевидным их внутреннее строение.

Перенесемся в май 1909 года. Резерфорд недавно получил Нобелевскую премию и руководит лабораториями Манчестерского университета, одними из самых престижных в мире. В этот момент Ханс Гейгер — изобретатель счетчика радиоактивных частиц, получившего его имя, и преподаватель методов измерения радиоактивности — сообщает Резерфорду, что один его студент, по всей видимости, обладает способностями к экспериментальной деятельности. Резерфорд дает ответ: "Посмотрим, получит ли он результат при прямом отклонении альфа- частиц от металлической поверхности".

Резерфорд не возлагал больших надежд на этот эксперимент, но он был необходим, чтобы действовать методом исключения (который всегда обеспечивал ему успех). Резерфорд предложил студенту провести опыт, похожий на тот, который делал сам с момента начала работы в лаборатории в 1907 году.

Незадолго до этого Резерфорд направлял альфа-лучи на минерал, называемый слюдой, и в результате узнал, что альфа-лучи несколько отклонялись от своей траектории. Он не понимал только причину, по которой это происходило.

ВНУТРИ АТОМА

Эрнст Марсден был тем самым студентом, о котором говорил Гейгер. Данный эксперимент оказался простым, изящным и привел к находке, которая сделала его одним из самых необыкновенных опытов в истории физики.

Выяснив, как устроено ядро атомов, мы столкнулись с величайшей тайной в мире, если не считать тайны самой жизни.

Эрнест Резерфорд

Эксперимент заключался в направлении альфа-частиц, то есть частиц, возникающих в результате радиоактивных процессов и, как выяснилось позже, представляющих собой ядра гелия, на металлическую пластину в вакуумной камере.

Резерфорд и Гейгер наблюдали, что при прохождении лучей через пластину имели место случайные отклонения. Для эксперимента они выбрали пластины из золотой фольги, чтобы альфа-частицы не полностью поглощались металлом и было возможным изучить взаимодействие при прохождении через пластину.

Резерфорд не случайно остановился на альфа-частицах. Исследование радиоактивности несколькими годами ранее обеспечило ему Нобелевскую премию. Теперь альфа-частицы были для него не основным объектом интереса, а скорее инструментом для изучения внутреннего строения атомов, своеобразным ключом к пониманию составляющих материи.

РИСУНОК 1: В приведшем к открытию атомного ядра эксперименте от источника альфа-излучения исходил поток альфа-частиц, бомбардировавших золотую фольгу, которую окружал экран, флуоресцирующий под воздействием альфа-частиц.

РИСУНОК 2: Модель атома Томсона: отрицательно заряженные частицы -плавают· в положительно заряженном веществе.

За тончайшей пластиной из фольги в качестве детектора располагался экран из сульфида цинка. Характеристикой этого вещества является испускание флуоресцентного свечения при воздействии альфа-частиц. В ту эпоху наблюдать флуоресцентное свечение можно было только под микроскопом, направленным на зону воздействия частицы. Современные электронные детекторы с легкостью справляются с подсчетом всех участков воздействия, но в те времена такая работа была возможна только при прямом наблюдении и последовательном подсчете вспышек света. До начала эксперимента глаза должны были привыкнуть к темноте, поскольку при расширенных зрачках легче наблюдать вспышки. Речь идет о кропотливой и монотонной работе, однако вспышки позволяли установить место воздействия частицы на детектор-экран, а значит, проследить траекторию частиц, проникавших сквозь фольгу. Для получения альфа-частиц использовались радий или радон, два высокорадиоактивных элемента. Чтобы направить лучи в нужную сторону, их источник помещали в поглощающий излучение свинцовый сосуд с тонкой щелью, через которую лучи направлялись в вакуумную камеру на расположенную в ней фольгу (рисунок 1).

Единственной известной на тот момент субатомной частицей были электроны, обладающие отрицательным зарядом и массой, ничтожно малой по сравнению с массой атома. Так как общий заряд атома был нейтральным, Дж. Дж. Томсон, открывший электроны, предположил, что отрицательные заряды должны " плавать" в легкой положительно заряженной субстанции, некоем тумане (как если бы атом был аквариумом с рыбками-электронами и положительно заряженной водой). Данная модель атома получила название модели Томсона (рисунок 2), хотя более распространенный термин — "пудинговая модель" (пудинг, изюмом в котором стали электроны). В этой концепции обращает на себя внимание тот факт, что в ней отсутствуют другие частицы, помимо электронов.

РИС.3

РИС. 4

РИС. 5

Согласно модели Томсона атомы состоят из частиц, электронов, -плавающих· в положительно заряженной субстанции.

При бомбардировке атомов альфа- частицами альфа- частицы должны проходить сквозь атомы беспрепятственно, не отклоняясь (рисунок 3). Однако эксперименты показали,что часть из них отклоняется (рисунок 4). Резерфорд пришел к выводу, что внутри атомов вероятно, присутствует что-то еще, не замеченное ранее.

Он предположил, что внутри атома имеется массивное положительно заряженное ядро (рисунок 5).

По логике, в описанном выше эксперименте альфа-частицы должны были проходить сквозь фольгу, практически не отклоняясь, так как согласно предположениям внутри атома не было ничего твердого, кроме электронов, значительно проигрывавших в размере альфа-частицам (см. рисунок 3), а значит, частицы должны следовать по прямой траектории к детектору-экрану. Резерфорда всегда удивляли наблюдаемые им незначительные отклонения, противоречившие модели атома Томсона. Если пудинговая модель верна, то с чем сталкивались частицы? Что изменяло их траекторию? (см. рисунок 4)

Этот досадный и неожиданный феномен всерьез увлек Резерфорда. Проведенные ранее исследования доказывали, что для изменения траектории альфа-частиц требуются тысячи вольт. Были ли связаны наблюдаемые отклонения с неточностями при реализации эксперимента или с расположением аппаратов? Возможно, речь шла о каких-то специфических свойствах элементов, участвовавших в эксперименте?

Резерфорд поставил перед Гейгером и в особенности перед Марсденом задачу создать аппарат, в котором было бы расширено поле детектора вспышек (см. рисунок 1). Ранее экран был установлен только в центральной части, так как предполагалось, что траектория будет прямой или с незначительным отклонением. Возможно ли обнаружение вспышки вне ограниченных пределов, в которых велось исследование до того момента? Техническая сложность состояла в необходимости передвигать микроскоп по всей камере для наблюдения воздействия, причем эти передвижения не должны были повлиять на вакуум внутри камеры. Марсден вместе с Гейгером пришли к изящному и эффективному решению.

Согласно расчетам, на каждый грамм радия испускалось 30 миллиардов альфа-лучей. Марсден заметил, что их огромная часть, в соответствии с высказанными предположениями, проходила сквозь фольгу без отклонений. Однако в одном из 8000 опытов имело место необъяснимое отклонение. Марсден повторял эксперимент и сосчитал тысячи вспышек воздействия, но аномалия возникала постоянно.

Более того, к общему удивлению, исследователи обнаружили, что в некоторых случаях угол отклонения был равен 90*, а иногда 180* (то есть альфа-частица отскакивала от золотой фольги и возвращалась к точке испускания). По мере того как зона наблюдения смещалась от предполагаемой зоны попадания следующих по прямой траектории альфа-частиц, процент вспышек уменьшался, но не становился нулевым. Эксперимент неоспоримо доказывал, что строение атома не такое, как было принято считать. Внутри атома, несомненно, имелось нечто "твердое", но при этом занимающее небольшое пространство в сравнении с размером самого атома, что объясняет незначительный процент отклонения лучей (см. рисунок 5). "Это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд ударился о лист бумаги и поразил стрелявшего человека", — такими словами Резерфорд выразил свое крайнее удивление открытием, хотя позже приписал эту фразу Гейгеру. Результаты эксперимента Марсдена и Гейгера были опубликованы в 1909 году в престижном научном издании Proceedings of the Royal Society.

ПРОБЛЕМА ИНТЕРПРЕТАЦИИ

Никто не мог интерпретировать результаты эксперимента.

А Резерфорд, имея на руках полученные данные, снова взялся за учебу. Понимая, что если он хочет распространить основанные на небольшом образце идеи об атоме на все атомы Вселенной, ему придется овладеть теорией вероятностей и математической статистикой. И несмотря на полученную Нобелевскую премию, Резерфорд не смущаясь поступил на соответствующий курс университета.

Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями.

Эрнест Резерфорд

Шаг к принятию атомного ядра и обнаружению протона — несущей электрический заряд частицы — был непростым. После статистического анализа данных об альфа-частицах, которые проходили насквозь и отклонялись, стало очевидно, что должна существовать небольшая внутренняя структура. В конце 1910 года Резерфорд объявил, что решение найдено, и 7 марта 1911 года появилась статья "Рассеивание альфа- и бета-частиц веществом и структура атома". В статье говорилось не об атомном ядре, ученый упомянул только о "центральном заряде, распределенном по малому объему", он также не решился настаивать на знаке заряда этой центральной частицы. Два года спустя в книге Radioactive Substances and Their Radiations ("Радиоактивные вещества и их излучение>) он все же ввел понятие атомного ядра и предположил, что ядро имеет положительный заряд, а отрицательно заряженные частицы вращаются вокруг него.

ОТКРЫТИЕ ЯДРА

В 1911 году Резерфорд опубликовал статью "Рассеивание альфа- и бета- частиц веществом и структура атома", в которой описал свою новую теорию атома:

"Хорошо известно, что альфа- и бета- частицы при столкновениях с атомами вещества испытывают отклонения от прямолинейного пути. [...] Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. [...] Наблюдения, проведенные Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа-лучей, показали, что некоторое количество альфа-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол, больший 90°. [...] По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением. [...] Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле. [...] При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему. [...] При сопоставлении излагаемой в данной статье теории с экспериментальными результатами предполагалось, что атом состоит из сконцентрированного в точке центрального заряда*.

Немецкий физик Ханс Гейгер, 1928 год.

Резерфорд смог определить, что диаметр внутренней структуры в атоме должен соответствовать примерно 10-14 м, то есть быть в десять тысяч раз меньше атома. Принято сравнивать размер атомного ядра с мухой внутри огромного собора, однако в таком незначительном объеме, который представляет собой ядро, сконцентрировано 99% массы атома. Оставшееся пространство представлялось загадочно пустым и не имеющим точных пределов, лишь иногда эту пустоту пересекали электроны.

Согласно интерпретации Резерфорда частицы отскакивали друг от друга под воздействием отталкивающей силы. На тот момент было уже доказано, что частицы с одним знаком заряда отталкиваются, с противоположными знаками — притягиваются. В 1913 году этот ход рассуждений позволил Резерфорду сделать вывод, что поскольку альфа-лучи имеют положительный заряд, их отклонение при прохождении сквозь золотую фольгу обусловлено столкновением с частицами того же знака заряда. Так можно было объяснить, почему большинство альфа-частиц проходит сквозь фольгу без отклонения: им на пути не встречаются положительные заряды. Протон был обнаружен позднее, в 1918 году, когда Резерфорд понял, что открытия атомного ядра недостаточно и что нужно разделить его на составляющие и изучить его строение.

АТОМИЗМ

Открытие Резерфорда пришлось на несколько сумбурный период в истории физики. Модель атома Томсона предложена сравнительно недавно, еще не достигнуто согласие в отношении существования атомов, химики и физики почти столетие разделены на два лагеря: одни полагают, что атомизм — лишь бездоказательное пустословие, в другом лагере утверждают, что атомы — основа всех элементов. Имелось множество моделей, по-разному соотносящихся с экспериментальными данными, но результаты были неоднозначными.

Путь атомной гипотезы оказался долгим. Во все времена она становилась предметом полемики, ее сторонники обвинялись в неверии и материализме, подвергались преследованиям. Первые атомисты жили еще в Древней Греции. Демокриту (460-370 до н. э.) атомы представлялись конечными составляющими бытия, которые не могли быть разделены, разрушены, подвержены действию времени, из них образовалось все вокруг. Как считал он сам: "Лишь в общем мнении есть сладкое и горькое, теплое и холодное; в общем мнении существуют разные цвета; на самом деле существуют только атомы и пустота*.

ЭПИКУР И КЛИНАМЕН

Эпикур (341-270 до н. э.) — древнегреческий философ, родился на острове Самос. Его семья происходила из Афин, куда он перебрался позднее и где разбил сад, чтобы взращивать в нем знания и дружбу. В центр человеческой жизни Эпикур ставил удовольствие, понимание которого сближало его со скептиками. Он боролся со страхами, в том числе со страхом смерти, показывая, что в основе их всех лежат неправильные верования. Для Эпикура число атомов бесконечно (так же как и Вселенная), сами атомы вечны, неделимы и неизменны, они обладают формой, величиной и весом. Атомизм ведет к механистическому восприятию Вселенной, в которой нет места свободе воли. И, защищая свободу воли, Эпикур был вынужден включить идею о клинамене, случайном отклонении атомов. После этого можно было говорить о присутствии некоторой неопределенности во Вселенной.

Эпикур, гравюра из книги Томаса Станли "История философии-, 1655 год.

На протяжении веков атомизм был философским течением с небольшим количеством сторонников. Эпикур, например, полагал, что атомы закручиваются в вихри, создавая бесконечность "миров" со своими богами. К царству атомов относилась также и душа, состоящая из тончайших атомов. В ходе истории многие выдающиеся ученые, среди которых Галилей и Ньютон, защищали атомизм, чем способствовали развитию мысли в этой сфере. Однако отсутствовало самое главное — привязка атомизма к реальной жизни. У гипотезы не было доказательной базы, для того чтобы безоговорочно найти себе место в ряду других философских концепций. В первом издании Британской энциклопедии (между 1768 и 1771 годами) в статье "Атом" его привязка к философскому течению едва затронута: "В философии — мельчайшая частица материи, не поддающаяся делению. Атомы являются minima naturae (мельчайшими телами) и представляются началом любой физической величины".

С XIX века развитие физики и химии вынудило значительно расширить данное определение.

АТОМЫ В ХИМИИ

Новый этап возрождения идей атомизма в XIX веке наступил в основном благодаря химии и был обусловлен различными причинами, среди которых выделяется крушение доктрины о четырех стихиях, подчинявшей себе интерпретацию природы почти целое тысячелетие. Антуан Лавуазье (1743-1794) обнаружил, что вода, прежде считавшаяся одной из стихий, наряду с огнем, землей и воздухом, на самом деле состоит из кислорода и водорода. Это открытие дало новое понимание природы вещей на основе химической науки. Несмотря на это сам Лавуазье скептически относился к атомной теории.

Весьма вероятно, что мы никогда ничего не узнаем об атомах.

Антуан Лавуазье, французский химик

ДАЛЬТОН. ПЕРВООТКРЫВАТЕЛЬ АТОМА

Сын квакеров из Камберленда (Англия) Джон Дальтон (1766-1844) начал свою научную карьеру как метеоролог. Считается, что его представления об атоме происходят именно от исследований атмосферы. Дальтон был первым, кто обнаружил, что воздух являет собой неоднородную субстанцию и состоит в основном из азота (80%) и кислорода (примерно 20%). Он также описал дальтонизм, особенность зрения, названную его именем. Дальтон много внимания уделял преподаванию и основал академию. По поводу атомной теории в 1804 году он написал следующее:

"1. Существуют мельчайшие частицы, атомы, из которых состоит материя. 2. Атомы неделимы, их невозможно разрушить. 3. Атомы одного химического элемента имеют одинаковые химические свойства, не преобразуются и не изменяются в других элементах".

В концепции кратных отношений, предложенной Дальтоном, известной как закон Дальтона и до сих пор включенной в начальный курс химии, важен принцип сохранения массы. В любой химической реакции масса реактивов будет равна массе продуктов.

Ученым, наконец поместившим атомную теорию в центр химического знания своей эпохи, стал Джон Дальтон (1766- 1844). Он прибег к старой концепции атомизма для объяснения открытого им относительного атомного веса элементов.

Школьный учитель Дальтон в 1803 году провозгласил свой так называемый закон кратных отношений, согласно которому разные химические элементы комбинируются друг с другом, как небольшие целые числа. Закон сформулирован так:

"Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого, соотносятся между собой как небольшие целые числа".

Дальтон интерпретировал кратные отношения как доказательство атомизма. Если представить, что определенное соединение состоит из атомов разных элементов, имеющих определенную массовую пропорцию, тогда даже если мы возьмем большое количество соединений, пропорция останется неизменной. Дальтон открыл макроскопическую характеристику — постоянное отношение масс компонентов гетерогенного вещества с массами компонентов вещества — и интерпретировал ее как следствие явлений, имевших место на микроскопическом уровне, и специфическую комбинацию разных видов атомов.

В отношении атомов Дальтон настаивал, что они неделимы, что их невозможно ни создать, ни уничтожить, то есть в химических процессах происходит лишь изменение комбинаций атомов. Он выяснил, что каждый элемент состоит из атомов одного типа, схожих между собой и различающихся с атомами других элементов. Одна из отличительных характеристик, которые Дальтон установил для них, относилась к атомному весу. Он также утверждал, что атомы комбинируются при создании химических соединений.

Его убежденность в том, что атомы невозможно разрушить, привела его к отстаиванию закона о сохранении материи (ранее предложенного Лавуазье): "Мы могли бы с таким же успехом попытаться внести в Солнечную систему новую планету или уничтожить одну из уже существующих, как и создать или уничтожить частицу водорода". Тем не менее труды Резерфорда, которые мы рассмотрим в следующей главе, позволили доказать, что представление Дальтона было неполным.

СПОР

В XIX веке многие ученые полагали, что переход от макроскопического к микроскопическому миру, понимание которого основывалось на научном эксперименте, неприемлем ввиду невозможности непосредственного наблюдения микроскопического мира. Критики атомизма нашли много аргументов, отстаивая свою позицию в рамках позитивизма. Для основателя этого философского движения, французского социолога Огюста Конта (1798-1857), наука опиралась на констатацию фактов. Любое утверждение, касающееся окружающей реальности, не подпитанное фактами, расценивалось как метафизическое размышление и отвергалось наукой. С точки зрения позитивизма атомизм обладал всеми чертами метафизического пустословия.

Одним из наиболее настойчиво противостоявших атомизму ученых был Жан-Батист Дюма (1800-1884):

"Что остается от амбициозного экскурса, совершенного нами в сферу атомов? Похоже, ничего основательного. Разве только убеждение, что химия сбивается с пути всякий раз, когда оставляет дорогу эксперимента и пытается продвигаться в потемках [...]. Если бы я мог, я бы вычеркнул слово "атом" из науки, потому что убежден: это понятие выходит далеко за пределы экспериментов".

Критика атомов наталкивалась на полярное к ним отношение других химиков, например Уильяма Праута, который в 1815 году пришел к выводу, что все атомы на самом деле являются соединениями атомов водорода (что напрямую связано с доказательством Резерфорда).

Кто-нибудь когда-нибудь видел молекулу газа или атом?

Марселен Бертло (1827-1907), французский химик и историк

Появлялось все больше свидетельств существования атомов, но из-за отсутствия возможности прямой проверки ученые предпочитали отвергать гипотезу, стремясь исключить из науки чисто умозрительные измышления, к тому же многие из них считали прямую проверку чем-то выходящим за пределы человеческих возможностей.

Согласно кинетической теории газов газ состоит из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, сталкивающихся между собой и со стенками сосуда. При большем количестве накопленной энергии частицы двигаются быстрее, столкновений больше, а температура увеличивается.

ОЧЕРЕДЬ ЗА ФИЗИКОЙ

Острая полемика, возникшая в химической науке, распространилась и на физику. Теперь сторонники атомов включили в обсуждение термодинамику и изучение теплоты. Если в отношении теплоты еще можно отметить, что физики сконцентрировались на изучении макроскопических факторов и наблюдаемых в действительности явлений, то открытия Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана перевернули данное представление. Оба ученых исследовали известные понятия с позиции движения атомов, при этом они не ограничились индивидуальной траекторией отдельного атома, а попытались рассчитать статистическое поведение множества атомов.

Согласно этой теории газ состоит из множества атомов, которые сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в котором находится газ, как бильярдные шары (см. рисунок). Максвелл и Больцман установили, что средняя энергия отдельного атома газа в постоянном движении связана с давлением и температурой.

Так же как это происходило в химической науке, многие физики с недоверием относились к атомной теории. Тому имелось множество причин, среди которых, например, принцип экономии мысли. Объяснять то, что можно наблюдать, и отказываться от того, что наблюдать нельзя, многим ученым (в их числе австрийцу Эрнсту Маху) представлялось ошибкой.

В 1906 году Больцман, всю жизнь защищавший атомизм, совершил самоубийство, незадолго до того, как Резерфорд вторгся в мир атомов.

ИССЛЕДОВАТЬ ЧЕРНЫЙ ЯЩИК

Сомнения и конфронтации относительно атомов начали ослабевать в тот момент, когда были открыты составляющие внутренней структуры атома: сначала электроны, позже протоны, несколько десятилетий спустя — нейтроны. От химиков работа перешла в руки физиков (хотя часто сферы исследования обеих дисциплин пересекаются). Французский физик и философ науки Анри Пуанкаре (1854-1912) так охарактеризовал поворот, произошедший в отношении атомов:

"Атомная гипотеза в последнее время стала такой основательной, что больше не кажется гипотезой: атомы — не просто полезная выдумка, мы можем сказать, что видим их, так как способны их подсчитать".

РИС .6

АТОМНАЯ СТРУКТУРА

В 1897 году появилась возможность измерить удельный заряд электрона. Британский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) впервые обнаружил отрицательно заряженные частицы, которые получили название электронов. Открытие их природы и основной характеристики стало большим достижением.

РИС. 7

РИС . 8

РИС . 9

Этот прорыв оказался возможным благодаря катодным лучам, представляющим собой электронные пучки, то есть поток электронов, испускаемых трубкой Крукса с небольшим количеством разреженного газа и впаянными в нее анодом и катодом (см. рисунок 6). При разности потенциалов появляются катодные лучи (электронные пучки), дающие зеленоватый флуоресцентный свет при прохождении через край стеклянной трубки. Их основная характеристика — прямолинейное перемещение — была обнаружена, когда посередине трубки установили объект и на дальней стенке появилась его тень (см. рисунок 7).

Также отмечалось, что при столкновении с объектом лучи могли сдвигать его вертушкой (см. рисунок 8). Это означало, что лучи состоят из частиц, обладающих массой. Затем выяснилось, что лучи обладают отрицательным зарядом, поскольку при воздействии на лучи магнитным полем проекция на стекле перемещалась относительно прямой траектории, так как лучи притягивались магнитом при наведении положительного полюса и отдалялись при приближении отрицательного (см. рисунок 9). Так Томсон идентифицировал электроны.

Ученый назвал их " корпускулами", а слово "электрон" было введено Джорджем Джонстоном Стони (1826-1911), их отличительная характеристика заключается в том, что они обнаруживались во всех элементах. Томсон доказал, что вне зависимости от происхождения корпускул и от выбора элементов, частицы демонстрируют одинаковые физические свойства. Томсон говорил об открытии следующее:

"Так как любой химический элемент способен производить электроны, мы можем заключить, что они входят в состав всех атомов.

Мы сделали первый шаг в понимании строения атомов".

Томсон первым увидел элемент структуры атома. Однако это открытие требовало поиска ответов на новые вопросы. Если у атома нейтральный заряд, что же внутри него противостоит отрицательно заряженным электронам?

РАЗМЕР АТОМОВ

Броуновское движение — это атомное явление, которое нетрудно увидеть, необходимы только микроскоп и частицы пыльцы. Однако в течение десятилетий ему не находилось объяснения. В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун наблюдал, как частицы пыльцы беспорядочно двигались без очевидной причины в воде, хотя должны были пребывать в состоянии покоя. Вот почему Броун заинтересовался этим движением. Только Альберт Эйнштейн рискнул дать ему объяснение в одной из своих статей, опубликованных в "чудесном· 1905 году. Эйнштейн пришел к выводу, что движение было вызвано воздействием атомов воздуха и воды на частицы пыльцы. Атомы газа находятся в постоянном движении, но их размер не позволяет нам наблюдать за ними.

Французский физик Жан-Батист Паррен, 1926 год.

Частицы пыльцы достаточно легкие, поэтому движение атомов воздействует на них; с другой стороны, они достаточно крупные, чтобы наблюдать за ними. Mo есть еще одно доказательство атомной теории.

Вклад Перрона

Идеи Эйнштейна требовали эмпирической поддержки. И эту поддержку дала работа Жана-Батиста Перрена (1870-1942), за которую в 1926 году тот был удостоен Нобелевской премии в области физики. Перрен использовал ультрамикроскоп, благодаря чему определил размер молекулы воды и составляющих ее атомов. В1913 году он опубликовал свои результаты: размер атома составляет 10-10 м. Перрен был привлечен к исследованиям строения атома и предложил изменить модель Томсона, отмечая, что электроны должны располагаться на внешней поверхности атома (иначе говоря, изюм должен находиться на поверхности пудинга). В любом случае речь шла об относительно корректной догадке.

А принимая во внимание низкую массу электронов, в чем содержится основная масса атома? В 1899 году Томсон так описал свои сомнения относительно заряда:

"Хотя автономно электроны ведут себя как отрицательно заряженные ионы, в составе атома нечто противопоставляется их отрицательному заряду; пространство, в котором они находятся, имеет положительный заряд, равный общей сумме отрицательных зарядов этих частиц".

Имея на руках такие аргументы, Томсон предложил модель атома, о которой мы уже говорили, — пудинговую модель. Он также хотел объяснить массу атома, отталкиваясь исключительно от электронов. Но по отдельности электроны обладают малой массой, это заставляло думать, что в атоме содержится чрезвычайно много электронов. Гипотезу отвергли, когда было установлено, что количество электронов в атоме должно совпадать с порядковым номером элемента в периодической системе. В модели Томсона не учитывалось слишком многое.

НЕСООБРАЗНАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ СИСТЕМА

Осуществленный именно в этот момент эксперимент Резерфорда, который был описан в предыдущей главе, произвел эффект разорвавшейся бомбы. Новозеландский химик и физик попал в яблочко атомного ядра, навсегда изменив наше представление об атоме.

Строение атома, каким его обозначил Резерфорд, напоминало Солнечную систему в миниатюре. Ядро, занимающее центральное положение, было как звезда, а электроны, как планеты, вращались вокруг него. Концепция Резерфорда стала своеобразным каркасом, который на базовом уровне объясняет строение атомов. Но, как и всякое выдающееся научное открытие, это дало больше вопросов, чем ответов. В каком порядке располагаются электроны вокруг ядра? Из чего состоит ядро? Было и одно самое существенное неизвестное.

В 1911 году, создав эту модель, Резерфорд совершил величайшую со времен Демокрита перемену во взгляде на материю.

Сэр Артур Эддингтон (1882-1944), британский астрофизик

Согласно этой модели электрон вращается вокруг ядра, ввиду противоположного знака его заряда. Но по законам классической термодинамики, вращаясь, электрон должен испускать излучение и, соответственно, терять энергию. Это означает, что рано или поздно электрон должен упасть на ядро. Это стало бы катастрофой и разрушило бы всю окружающую нас реальность. Но материя стабильна, таким образом какой-то из известных законов или модель пребывает в явном противоречии. Проще всего было усомниться в предложенной модели атома, а не в принятых научным сообществом теориях, например в электромагнетизме. Однако имелись неоспоримые доказательства того, что модель Резерфорда верна. Согласно ей стабильность атома невозможна, но именно это мы и наблюдаем. Представляя свое открытие Королевскому обществу в 1911 году, он не скрывал собственного удивления подобному положению вещей. Для того чтобы объяснить строение атома, требовались новые законы, так как законы, управляющие объектами макроскопического мира, по видимости, здесь были неприменимы.

Эрнест Резерфорд, 1908 год.

Британский физик Джозеф Джон Томсон, руководитель Резерфорда в Кавеидишской лаборатории, первооткрыватель электрона, поставивший эксперимент с потоком частим (электронов) катодных лучей.

Немецкий физик Ханс Вильгельм Гейгер (слева) и Эрнест Резерфорд.

НИЛЬС БОР

Датский физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962) родился в Копенгагене. Его отец был врачом и дважды становился претендентом на Нобелевскую премию, мать происходила из состоятельной семьи. Бор изучал физику в Копенгагенском университете.

ГЛАВА 2

Альфа, бета и гамма

Вместе с Беккерелем и Марией Кюри Резерфорд разделяет славу открывателей природы радиоактивности. Ученый пришел к выводу, что это явление состоит из комплекса излучений, различающихся по электрическому заряду и способности проникновения в материю: заряд альфа-частицы положительный, а проникающая способность слабая; бета-частицы обладают гораздо большей проникающей способностью и отрицательным зарядом. Резерфорд также внес значительный вклад в обнаружение гамма-излучения.

Когда в 1895 году Резерфорд прибыл в Соединенное Королевство с далеких островов, он еще не знал о радиоактивности. Но спустя несколько лет стал одним из самых значительных исследователей в этой сфере.

Несмотря на то что в его распоряжении была стипендия имени Всемирной выставки 1851 года, проезд на корабле Резерфорду пришлось оплатить самостоятельно. Путешествие длилось два месяца, тогда же он начал писать письма своей невесте Мэри Ньютон. Переписка продолжалась в течение нескольких лет разлуки и теперь это ценный источник информации обо всех превратностях судьбы, с которыми молодой ученый столкнулся в этот поворотный для него период.

Резерфорд избрал работу в команде Джозефа Джона Томсона, директора Кавендишской лаборатории. Фортуна снова улыбнулась Резерфорду, так как в том же году было отменено постановление, запрещавшее поступать в аспирантуру Кембриджа тем, кто в нем не обучался. Так Резерфорд стал первым чужеземным аспирантом Кембриджа. И это было сопряжено с дополнительными сложностями в ходе его адаптации, поскольку другие студенты и преподаватели не признавали его своим.

РЕЗЕРФОРД В КАВЕНДИШСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Вначале Эрнест продолжал свою работу над приемником электромагнитных сигналов, основываясь на имевшемся у него опыте, который так впечатлил преподавателей и студентов в Новой Зеландии. Резерфорд полностью сконструировал аппарат, включая батарейки. Его руководитель Дж. Дж. Томсон, а также другие исследователи университета, с интересом ждали результатов от нового студента. В автобиографии Дж. Дж. Томсон так описывал первые шаги Резерфорда в университете:

"Едва приступив к работе, он установил рекорд по расстоянию телеграфирования и успешно отправил несколько сообщений из лаборатории в жилые дома примерно в километре от университета".

Несмотря на то что изобретение было многообещающим и могло служить практическим целям (что сулило также неплохой доход), эти исследования отошли на второй план, как только Резерфорд начал изучать рентгеновские лучи.

ГОНКА ЗА БЕСПРОВОЛОЧНЫМ ТЕЛЕГРАФОМ

Первые опыты итальянского физика Гульельмо Маркони (1874-1937) по передаче беспроводных телеграфных сигналов датируются 1884 годом, но в Италии изобретение было принято без воодушевления. Тогда он отправился в Соединенное Королевство и в 1896 году получил первые патенты. Маркони сотрудничал с инженером почтовой компании и скоро смог открыть собственное предприятие. В 1901 году ему удалось передать радиосигнал на другой берег Атлантики, а в 1909 году он получил Нобелевскую премию за вклад в науку, который представляло собой его изобретение. Резерфорд в Новой Зеландии, а Маркони в Италии почти одновременно разрабатывали аппараты для передачи радиосигналов, получивших название беспроволочного телеграфа. Резерфорд создавал свой приемник сигналов параллельно с Маркони (по-прежнему неясно, кто из них настоящий отец изобретения). При проведении своих опытов Резерфорд заинтересовал исследователей в университете, многие увидели в его изобретении перспективы для стратегического применения, например для сообщения между судном и сушей. В 1896 году Резерфорд представил изобретение в Королевском обществе и объяснил принцип работы своего приемника радиоволн. Многочисленные возможности применения позволили ему мечтать о доходе, столь необходимом для женитьбы. Однако несмотря на появившиеся перед ним возможности (которыми Маркони в отличие от него воспользовался) интерес, который у Резерфорда вызвало открытие рентгеновских лучей, оттеснил финансовые заботы на второй план.

Гульельмо Маркони, около 1937 года.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ И БЕККЕРЕЛЬ

Резерфорд считал, что квантовая революция началась в 1896 году, когда Анри Беккерель открыл радиоактивность. Это открытие было сделано совершенно неожиданно, так как физика XIX века не предполагала, что внутри материи может заключаться такое количество энергии. Однако чтобы понять контекст событий, нужно перенестись на год назад, когда Вильгельм Конрад Рентген обнаружил икс-лучи.

Рентген был профессором Вюрцбургского университета (Германия) и изучал проникающую способность катодных лучей, точнее, хотел выяснить, могут ли они пронизывать алюминий. В ходе опыта он выключил лучи и поместил черный картон, закрывая трубку, чтобы лучи не исчезли. После подключения трубки катодных лучей он случайно заметил, что экран, находившийся вдалеке от флуоресцентного материала, начал блестеть. Вспышки прекращались при отключении тока от трубки. Очевидно, что из трубки испускались лучи отличной от катодных природы, так как катодные лучи картон должен был поглощать.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Рентгеновские лучи — вид электромагнитного излучения, характеризующегося высокой частотой (то есть высокой энергией). Они возникают в результате сильного ускорения или замедления электрически заряженных частиц. Хотя лучи невидимы, к их излучению чувствительны фотографические пластинки, так что прохождение лучей оставляет след. Так их впервые удалось увидеть Рентгену: лучи формируются в трубке Крукса, где электроны ускоряются под воздействием высокочастотного тока, затем лучи оставляют след на фотопластинке. Сегодня рентгеновские лучи получают в специальных ускорителях частиц, таких как синхротрон, где ускоренные частицы испускают свет синхротрона, включающий в себя ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и тому подобное.

Применение

Самый характерный вид применения рентгеновских лучей — в качестве диагностического инструмента для визуализации внутренней структуры организма, в первую очередь костной. Сегодня с помощью компьютерной томографии, в которой также используются рентгеновские лучи, кроме более плотных тканей можно наблюдать органы и другие структуры. Так как данный вид излучения относится к ионизирующим, в борьбе с раковыми заболеваниями используется и его свойство уничтожать живые клетки. При этом бесконтрольное получение высокой дозы излучения вредно для организма в целом. В пищевой промышленности рентгеновские лучи используются для продления срока хранения продуктов: облучение задерживает распространение бактерий. Так как рентгеновские лучи обладают маленькой длиной волны, того же порядка, что и размер атома, их используют для изучения кристаллов. Так, техника дифракции рентгеновских лучей позволила Розалинд Франклин (1920-1958) сфотографировать ДНК, что в 1953 году привело Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика к открытию структуры двойной спирали ДНК.

Рентгеновские лучи входят в электромагнитный спектр. Вместе с гамма-лучами они обладают наибольшей энергией в спектре: у них самая высокая частота и наименьшая длина волны.

Конрад Рентген обнаружил, что новые лучи обладали особой характеристикой: они могли проходить сквозь твердые тела. Он назвал их икс-лучами, так как ничего не знал об их происхождении; сегодня они известны как "рентгеновские", по имени их открывателя. Тогда Рентген решил сделать с помощью икс-лучей изображение, ставшее впоследствии одним из самых известных в истории: снимок левой руки своей жены (на которой можно увидеть кольцо). Фотография обошла все лаборатории Европы и вызвала большой резонанс как в научном мире, так и в обществе в целом. Ученым было важно узнать природу, происхождение и характеристики лучей. Также не остались незамеченными многообещающие возможности их применения, особенно в сфере медицины.

УРАН

Одним из ученых, кого восхитило открытие рентгеновских лучей, был Антуан-Анри Беккерель, в 1892 году занимавший должность директора парижского Музея естественной истории. Беккерель происходил из семьи ученых, работавших в этом музее, а поскольку его отец был экспертом по флуоресцентным минералам, в коллекции их было предостаточно. Рентген высказал предположение, что икс-лучи могли быть связаны с флуоресценцией, так что Беккерель занимал наилучшую позицию для изучения этой гипотезы. На самом деле догадка была ошибочной, но она привела к знаковому открытию.

Внимание Беккереля привлекла интенсивность флуоресценции минерала, состоящего из солей урана (это был сульфат уранила-дикалия, в то время он использовался для окраски керамики и стекла). Для урана флуоресценция характерна в естественном состоянии, поэтому избранный материал идеально подходил для исследований. В 1886 году Беккерель поместил соль урана на фотопластинку (стекло, покрытое слоем светочувствительного материала), завернутую в черную бумагу. При воздействии солнечных лучей на минерал возникала флуоресценция. Черная бумага препятствовала попаданию солнечных лучей на фотопластинку, то есть если бы на пластинке и остался какой-либо след, то только рентгеновские лучи.

На ум приходит гипотеза, что эти лучи, эффект которых напоминает о лучах, изученных Филиппом Ленардом и Вильгельмом Рентгеном, невидимы...

Антуан-Анри Беккерель

После нескольких часов воздействия солнечных лучей минерал стал флуоресцентным. Беккерель проявил фотопластинку и, к своему удовлетворению, как и ожидал, обнаружил образ минерала запечатленным на ней. Его гипотеза полностью подтвердилась. Через неделю ученый захотел повторить эксперимент, но было облачно, и уран и фотопластинку пришлось убрать в ящик стола. Этот на первый взгляд совершенно незначительный момент стал ключом к великому открытию.

Через несколько дней Беккерель достал пластинку и минерал и с удивлением обнаружил, что контур минерала вновь отпечатался на ней. Минерал находился в ящике в полной темноте, поэтому отпечаток не мог быть связан с флуоресценцией. Ученый провел еще несколько опытов, чтобы убедиться, что это неслучайно: он выяснял, не может ли уран сохранять флуоресцентные свойства дольше, чем было принято считать, но в конце концов был вынужден признать, что первоначальная гипотеза потерпела крах. Беккерель все так же был убежден, что на пластинке отпечатались рентгеновские лучи, но природа их, должно быть, иная. Результат открытия был представлен на заседании Парижской академии наук в 1896 году, но никто не придал ему большого значения.

В действительности, не отдавая себе в этом отчета, Бекке- рель открыл радиоактивность. Если для получения рентгеновских лучей нужно было высокое напряжение, происхождение лучей Беккереля было неизвестно, и данная неизвестность привлекла многих исследователей.

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ И ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ

Флуоресценция — характеристика некоторых объектов, поглощающих энергию (например, от видимого ультрафиолетового или рентгеновского излучения, от окружающей среды), а затем испускающих энергию на другой длине волн, отличной от первоначальной, в видимом спектре на очень короткий момент (на 10-8 секунды). Это явление происходит при любой температуре, поэтому данные минералы светятся даже при температуре окружающей среды; явление нельзя отнести к тепловым, например к накаливанию и термолюминесценции. Флуоресценция прекращается, когда источник энергии исчезает. Фосфоресценция тоже может обнаруживаться естественным образом в ответном испускании света минералами, при этом фосфоресцентные минералы имеют большую длительность остаточного свечения, даже когда источник света устранен. Продолжительность ответного свечения может составлять от одной секунды до нескольких лет. Соответственно, фосфоресцентные материалы способны светиться в темноте сами по себе.

Облученные коротковолновым ультрафиолетовым (УФ) излучением, урановый шар слева — флуоресцентный, кальцит — фосфоресцентный.

ИОНИЗАЦИЯ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

Когда появилось известие об открытии рентгеновских лучей, Томсон принял решение немедленно приступить к их изучению и предложил своему ассистенту помочь ему в этом деле. В мае 1896 года Резерфорд написал будущей жене о новом направлении исследований:

"Томсон был очень занят изучением нового способа фотографирования, открытого Рентгеном [...]. Профессор пытается открыть истинную причину возникновения и природу волн, его цель — прежде других разобраться в теории материи, так как сейчас все исследователи Европы начали войну с этой проблемой".

В 1896 году Резерфорд и Томсон представили научному сообществу данные о том, что рентгеновские лучи ионизировали газы, то есть газ оказывался лучшим проводником электричества при рентгеновском облучении. Это свойство, которое начали использовать для идентификации рентгеновских лучей, было характерно и для других видов излучения, поэтому предположили, что рентгеновские лучи могли оказаться одним из видов электромагнитного излучения. Немецкий физик Макс фон Лауэ (1879-1960) смог подтвердить эту гипотезу спустя два десятилетия.

Томсон отдавал все силы исследованиям катодных лучей, и его работу венчало открытие: катодные лучи оказались отрицательно заряженными частицами, поток которых возникал из атомов. Сразу после этого открытия Томсон предложил свою модель атома.

Пока Томсон изучал атом, Резерфорд исследовал ионизацию газов другими видами излучения, в том числе ультрафиолетовым. Также он решил заняться и рентгеновскими лучами, сразу после того как пришли новости об их открытии. Но не одного его привлекло открытие Беккереля. В Париже супружеская чета Кюри также очень заинтересовалась им. Резерфорд и Кюри разделяли одни и те же научные интересы, что привело их не только к сотрудничеству, но и к соперничеству.

Студенты Кавендишской лаборатории, 1898 год. В центре первого ряда (со скрещенными руками) Дж. Дж. Томсон; во втором ряду четвертый слева — Резерфорд.

Первая радиография Рентгена, на которой мы видим руку его жены Берты.

Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И КЮРИ

Мария Склодовская (1867-1934) родилась в Варшаве. Чтобы поступить в университет (в Польше женщинам учиться не дозволялось), ей пришлось эмигрировать во Францию, где она стала первой женщиной, получившей степень доктора физики в Сорбонне. Выйдя замуж за ученого, Пьера Кюри, она взяла его фамилию.

Раздумывая над темой диссертации, Мария остановила свой выбор на излучении урана, открытого Беккерелем. В качестве детектора лучей тот использовал фотопластинки, что было удобно, однако не позволяло количественно измерить интенсивность радиации.

МАРИЯ КЮРИ

Младшая из пяти сестер, Мария Кюри родилась в Варшаве в 1867 году и впоследствии приняла французское гражданство. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень во Франции и Нобелевскую премию, и вошла в историю как первый человек, удостоившийся этой награды дважды. Ее отец был преподавателем математики и физики, и с детства Мария выделялась успехами в учебе.

В юности ей пришлось много работать, чтобы одна из ее сестер могла поехать в Париж изучать медицину, и был уговор, что сестра потом вернет ей долг.

В 1891 году Марии наконец удалось попасть в Сорбонну, где она стала лучшей студенткой своего потока, несмотря на постоянные материальные затруднения. Она получила диплом на кафедре физики в 1893 году, а через год — на кафедре математики. Затем она приступила к лабораторным исследованиям и познакомилась со своим будущим мужем, Пьером Кюри. Их свадьба в 1895 году была скромной.

Мария Кюри, 1920 год.

Но вскоре началась успешная работа в тандеме. Несмотря на их увлеченность исследованиями, у четы родились две дочери, Ирен и Ева, в 1897 и 1904 годах соответственно. В 1898 году ученые открыли полоний, затем радий, а также установили радиоактивность тория. Задача по вычислению атомного веса радия потребовала использования тонн урановой смолки. В опытах Кюри задействовали опасные кислоты для растворения металла в больших резервуарах, эти процессы развивались в течение нескольких лет, и сами исследователи вдыхали ядовитые пары. В 1903 году Беккерель, Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию по физике за открытие радиоактивности.

Неожиданный поворот

Внезапная гибель Пьера в 1906 году — он попал под колеса телеги — определила поворот в карьере его жены. Мария, которая могла рассчитывать лишь на должность школьной учительницы, отказалась от предложенной правительством пенсии вдовы, но потребовала отдать ей пост, который занимал в университете ее муж. Так она стала первой женщиной, возглавившей кафедру в высшем учебном заведении. В 1911 году она вновь получила Нобелевскую премию, на этот раз в области химии, за выделение радия. Когда вспыхнула Первая мировая война, Мария и ее дочь Ирен принялись за разработку технологии радиографии и применения ее в лечении раненых. Впоследствии в 1935 году Ирен также удостоилась Нобелевской премии по химии. Мария продолжала поиски медицинского применения своих открытий и умерла 4 июля 1934 года, а в 1995 году в знак почтения перед научными заслугами ученого ее прах был захоронен в парижском Пантеоне.

В связи с этим Мария и Пьер Кюри решили обратиться к другому способу, основанному на электрических свойствах излучения, что должно было позволить определить его количество. Резерфорд избрал сходный метод.

Выполняя измерения, Мария адаптировала для своих целей электрометр — более точный, чем изобретенный ее мужем электроскоп. Пьер использовал пьезоэлектрический эффект кварцевых стекол (материал своей кристаллической структурой демонстрирует зависимость электрических свойств от механического давления, сжатия/расширения) для создания более чувствительного аппарата. Так как уран ионизировал газы до разной степени электрической проводимости, электрометр из пьезоэлектрического кварца помогал обнаруживать минимальную разницу электрического заряда, индуцированного газами.

Мы не должны забывать следующее: когда был открыт радий, никто не знал, что он окажется полезным в медицине. Велись чисто научные исследования. Это доказывает, что научную работу нельзя оценивать лишь с точки зрения ее прикладного значения. Исследования должны проводиться ради красоты науки...

Мария Кюри

Кюри были убеждены, что излучение Беккереля происходило из окружающей среды. То есть речь шла не об излучении, которое может спонтанно возникнуть внутри минерала. Имелась какая-то внешняя причина. Задача состояла в том, чтобы выяснить это. Они проделывали систематические опыты, которые позволили отвергнуть вероятность того, что причина кроется в солнечных лучах. Также, по всей видимости, не влияло на возникновение излучения и физическое и химическое состояние элемента. Единственный фактор, воздействовавший на способность ионизировать газы, был связан с количеством образца урана. Все указывало на то, что источник излучения — внутри самого урана, однако исследователи отказывались принимать такое объяснение. В тот момент немецкий ученый Герхард Карл Шмидт (1865-1949) обнаружил, что торий испускает похожее излучение, Резерфорд пришел к такому же выводу независимо. Проблема становилась все более сложной.

В 1898 году Кюри ввели понятие "радиоактивность", понимая под ним ионизирующие лучи двух известных на тот момент материалов (понятие относилось к активности элементов в связи с сигналами, полученными электрометрами). Но ввести новое понятие было недостаточно, требовалось провести исследование и выяснить, существуют ли другие элементы, испускающие радиоактивное излучение.

ОТКРЫТИЕ РАДИЯ И ПОЛОНИЯ

Урановая смолка (настуран) была старой знакомой всех химиков той эпохи. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот сумел установить, что в порошке этого минерала содержится уран, новый элемент, который ученый назвал в честь открытой за восемь лет до этого планеты.

Кюри приступили к опытам с урановой смолкой, и Пьер заметил, что при сравнении активности одного грамма урана с одним граммом урана в урановой смолке в последнем случае активность была выше. Это могло означать, что в минерале скрывался источник излучения, неизвестный ранее.

Речь шла об источнике излучения гораздо более сильном, чем уран. Маленький кусок урановой смолки демонстрировал высокую активность, то есть если речь шла о новом радиоактивном элементе, его можно было легко обнаружить. Но, к сожалению, супруги поняли, что возможная концентрация нового элемента крайне мала, то есть для его обнаружения было необходимо большое количество урановой смолки. После нескольких последовательных химических разделений материалов они нашли подтверждение своей догадке и в 1898 году опубликовали результат:

"Мы полагаем, что вещество, которое получено нами из урановой смолки, содержит неизвестный металл, по своим химическим свойствам родственный висмуту. Если существование этого нового металла удастся доказать, мы предлагаем назвать его полонием по имени родины одного из нас".

Через несколько месяцев они смогли выделить еще один радиоактивный элемент, который назвали радием. Мария Кюри так описывала это открытие:

"У меня была возможность изучить несколько минералов. Некоторые демонстрировали активность: те, в которых содержался уран или торий. Активность этих минералов не представляла бы ничего удивительного, если бы оказалась пропорциональна количеству содержащегося в них урана или тория. Но все было не так. Некоторые из этих минералов проявили активность в три или четыре раза большую, чем надлежало по расчету для урана. Я тщательно проверила этот поразительный факт и не могла больше сомневаться в его правильности. Размышляя о причинах, я предположила, что возможно только одно объяснение: в этих минералах, должно быть, находится некоторое неизвестное и очень активное вещество".

Существование полония и радия было еще раз подтверждено в результате электроскопического анализа, показавшего линии поглощения, не относящиеся ни к одному известному элементу. Однако для химии той эпохи это не было достаточным подтверждением. Чтобы покончить с последними сомнениями, нужно было определить атомный вес нового вещества, а значит, получить вещество в очень чистом виде. То есть требовались огромные количества урановой смолки. К счастью, правительство Австрии передало Кюри в дар несколько тонн урановой смолки, которые перевезли на место, где планировалось выделить радий. За четыре года тяжелых трудов ученым удалось получить сто миллиграммов радия, но этого было достаточно для достижения цели: наконец их работа получила признание научного сообщества.

РЕЗЕРФОРД В МАКГИЛЛЕ

Тем временем Резерфорд занимался ионизацией газов с помощью излучения. Но стипендия заканчивалась, пришла пора задуматься о будущем. В тот момент университет Макгилла (Монреаль, Канада) направил Томсону письмо с просьбой порекомендовать кого-нибудь на исследовательскую кафедру Макдональда. (Уильям Макдональд — богатый предприниматель, табачный магнат, подаривший университету самое большое в мире здание для изучения физики и оказавший финансовую поддержку кафедре, которой дали его имя.) Ни минуты не сомневаясь, Томсон настоятельно рекомендовал Резерфорда, несмотря на его молодость. Так Резерфорд возглавил обладавшую значительными ресурсами лабораторию, при этом его жалованье составило немалую сумму. Отъезд из мирового научного центра огорчал молодого ученого, но все же эта мысль отошла на второй план, поскольку теперь решались все денежные трудности. Резерфорд принял предложение, ведь переезд означал, что отложенная свадьба с Мэри Ньютон, которая продолжала ждать его в Новой Зеландии, стала возможной. И он написал невесте о своем решении ехать в Канаду: "Ликуй вместе со мной, моя любимая девочка, потому что день свадьбы приближается".

Из этих экспериментов можно сделать вывод, что данное фосфоресцентное вещество испускает лучи, проходящие сквозь светонепроницаемую бумагу.

Анри Беккерель

За тысячи километров от Кавендиша 26-летний Резерфорд смог превратить Монреаль в одну из мировых столиц науки той эпохи. В Макгилле им были проведены несколько фундаментальных экспериментов с радиоактивностью, и исследования в конце концов открыли ему путь к получению Нобелевской премии. Едва приехав, он продолжил работу с рентгеновскими лучами и лучами Беккереля. Резерфорд хотел выяснить, являются ли эти виды лучей родственными и имеют ли общие характеристики. Он пытался достичь поляризации и преломления лучей Беккереля, чтобы понять, имеют ли они схожие с рентгеновскими лучами свойства излучения. Хотя цель не была достигнута, он сумел подтвердить, что уран может ионизировать газы.

Из последующих опытов он сделал важный вывод: лучи, испускаемые ураном, не были однородными. Он выделил два вида: альфа- и бета-лучи, которые различались по проникающей способности (см. Приложение А. Альфа- и бета-распад).

АЛЬФА- И БЕТА-ЛУЧИ

Эксперимент, позволивший Резерфорду прийти к выводу о присутствии нескольких видов лучей в испускаемом ураном излучении, состоял в следующем. Он расположил параллельно две цинковые пластинки, подсоединил к одной из них электрический ток, а сверху поместил уран. Другая пластинка соединялась с электрометром, между пластинками находился газ. Из-за ионизирующей способности эманаций урана газ в конце концов начинал проводить электричество, с помощью электрометра можно было установить интенсивность тока. Также Резерфорд использовал и новую идею: он расположил между пластинками алюминиевые листы, и интенсивность тока ослабевала. Вне зависимости от толщины листов, ток все равно появлялся.

Теория, если ты не можешь объяснить ее официанту, вероятно, не так уж хороша.

Эрнест Резерфорд

Этот эксперимент позволил ему заключить, что одни лучи урана поглощались листами алюминия, а другие, обладающие большей проникающей способностью, проходили сквозь листы. Он повторил эксперимент с торием — результаты были схожими. Также он использовал в качестве фильтров и другие материалы — от стекла до дерева. Резерфорд заметил, что лучи, названные альфа, хотя и обладали меньшей проникающей способностью, но больше, чем бета, ионизировали газ.

В 1899 году Резерфорд опубликовал статью, первую после прибытия в Канаду, в которой описывал свой эксперимент. Он сделал следующие заключения:

"Эти эксперименты свидетельствуют о сложном характере излучения урана, включающего в себя по крайней мере два вида излучения: одно из них легко поглощается, для удобства назовем его альфа-излучением, другое имеет более сильный проникающий характер, назовем его бета-излучением".

СПИРИТИЗМ И РАДИОАКТИВНОСТЬ

В XIX веке произошло настоящее возрождение спиритизма.

Представители всех сословий, в том числе получившие университетское образование, и даже многие ученые были убеждены в возможности установления контакта с обитателями параллельного мира и душами умерших. Парадоксально, но вдохновителями этих идей были ученые той эпохи, обращающиеся к невидимым и недоступным для чувств человека электромагнитным полям.

После открытия рентгеновских лучей многие утверждали, что с помощью них можно сфотографировать душу. Между спиритизмом, последователи которого верили в контакт с царством мертвых, и наукой, старавшейся раскрыть тайны недоступного человеческим чувствам мира, казалось, устанавливалась связь. Рентгеновские лучи и радиоактивность представлялись связующими с другим миром элементами, и многие ученые бросились исследовать оккультный мир. На спиритических сеансах, проводившихся по всей Европе XIX века, можно было встретить ученых: английского химика Уильяма Крукса, внесшего вклад в изучение катодных лучей; Камиля Фламмариона, одного из наиболее значимых астрономов и просветителей своей эпохи; Альфреда Рассела Уоллеса, одновременно с Дарвином выдвинувшего теорию естественного отбора... Среди горячих защитников спиритизма можно вспомнить и писателя Артура Конан Дойла. При этом необходимо подчеркнуть, что многие ученые, среди них Фарадей, вскоре утратили интерес к подобным практикам, быстро поняв, что невероятные явления, например движение предметов на столе, вызваны либо самими спиритами, либо невольным участием присутствующих на сеансе.

Иллюстрация, созданная по описанию Уильяма Крукса. Медиум Флоранс Кук и материализованный дух умершей Кэти Кинг (имя, которое медиум дал своей "материализации·).

Это была первая встреча Резерфорда с альфа-лучами, с ними у него сложатся особые отношения, которые приведут его к необыкновенным успехам, например к открытию атомного ядра. Резерфорд доказал, что радиоактивность соединяет в себе разные виды излучения, одни из которых обладают большей проникающей способностью, чем другие. Однако суть проблемы радиоактивности оставалась неизвестной: "Причина и происхождение радиации, постоянно испускаемой ураном и его солями, были загадкой".

РИС.1

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Если Резерфорду удалось выделить альфа- и бета-излучение, то заслуга открытия гамма-лучей приписывается французскому ученому Полю Вилларду. В 1900 году в ходе экспериментов, которые Виллард проводил в Париже с материалом, подаренным Кюри, он смог наблюдать, что неизвестный вид излучения проходит через любую металлическую пластину, в том числе свинец толщиной в несколько сантиметров. Таким образом, можно было говорить о наличии еще одного вида излучения, имевшего значительно превосходящую проникающую способность по сравнению альфа- и бета- лучами. Виллард заметил еще одну характеристику гамма-лучей: они не отклонялись под воздействием магнитных полей. Однако он спутал эти лучи с рентгеновскими (хотя ошибку легко допустить, так как в обоих случаях речь шла об очень мощных излучениях).

В 1902 году Резерфорд повторил исследования Вилларда и правильно интерпретировал их:

"Все постоянные радиоактивные вещества — уран, торий и радий — испускают два типа лучей. Один из этих типов лучей легко поглощается и не отклоняется магнитным полем, другой — обладает более высокой проникающей способностью и отклоняется под действием магнитного поля. В дополнение к этим двум видам, используя фотографический метод, Виллард впервые обратил внимание на присутствие других лучей, обладающих значительной проникающей способностью, испускаемых радием, не отклоняющихся под действием магнитного поля. Данный результат был подтвержден Беккерелем".

РИС. 2

Так как электрические заряды альфа- и бета-частиц имеют разный знак, под действием электрического поля их траектории расходятся. При этом гамма-лучи двигаются прямолинейно, поскольку обладают нейтральным зарядом.

В конце концов эти лучи были названы гамма-лучами (рисунок 1).

Так как альфа-излучение представляет собой ядра гелия, имеющие значительную массу по сравнению, например, с электроном, они легко поглощаются листом бумаги или ладонью. Бета-излучение представляет собой в основном электроны, обладающие минимальной массой. Бета-лучи при таком же количестве энергии могут приобретать значительную скорость по сравнению с альфа-лучами, соответственно их проникающая способность будет выше в связи с меньшей вероятностью взаимодействия с материей. Гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью, так как представляет собой вид излучения с самой короткой волной и с самой большой энергией в электромагнитном спектре. Неизвестен верхний предел энергии гамма-лучей. Впоследствии Мария Кюри изобразила действие магнитного поля на разные виды лучей в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.

ГЛАВА 3

Радиоактивный распад

Резерфорд обнаружил, что существуют радиоактивные элементы, которые при распаде превращаются в другие химические элементы.

С помощью радиоактивного распада объяснялась и радиоактивность. Важным вкладом Резерфорда стало также введение понятия средней продолжительности жизни элемента, он установил, что это открытие поможет определить возраст Земли.

Радиоактивность стала своеобразной осью, вокруг которой развивались исследования Резерфорда в Канаде. Он проводил их одновременно с Кюри, и конкуренция, возникшая между учеными, стала весьма ощутимой, что они признавали сами. Резерфорд в письме матери рассуждал об этом так:

"Я сейчас занят подготовкой своих последних статей. Нужно опубликовать их как можно скорее и продолжать гонку. Лучшие спринтеры в области этих исследований — Беккерель и Кюри в Париже; в последние годы они проделали значительную работу в сфере радиоактивных тел".

К ПОНИМАНИЮ РАДИОАКТИВНОСТИ

Несмотря на то что это поле знаний было новым, несколько групп исследователей анализировали радиоактивность в Германии и Соединенном Королевстве. Это были годы исступленной научной работы, когда удивительные открытия совершались одно за другим и влекли за собой новые вопросы и модели, которые часто противоречили общепринятым представлениям. Знание о радиоактивности, начало которому положили запечатленные на фотопластинке вспышки, оформлялось в новую область науки, все более сложную. В то же время возрастала и неуверенность, поскольку каждое достижение раскрывало веер новых неизвестных.

В 1899 году немецкие ученые установили, что радиоактив* ность не сопровождалась постоянным во времени испусканием частиц, как считали изначально: испускание имело тенденцию к уменьшению. Параллельно становилось очевидным, что бета-излучение состояло в основном из электронов, то есть отрицательно заряженных частиц (которые Томсон в 1897 году идентифицировал как фундаментальные компоненты атомов). Ничего не было известно о природе альфа-лучей, данный вопрос мог показаться вторичным, однако именно он стал ключевым для понимания радиоактивности, но это прояснилось позже. Резерфорд, со своей стороны, установил, что от радиоактивных элементов кроме альфа- и бета-лучей исходили также эманации, похожие на пар.

ЭМАНАЦИИ

В 1899 году за помощью в исследовании излучения тория Резерфорд обратился к профессору инженерии Роберту Боуи Оуэнсу. С учетом своих первых исследований он пришел к выводу, что нечто в окружающей среде влияло на результаты экспериментов. Казалось, само присутствие Резерфорда в лаборатории изменяло результаты. Это потенциально доказывало, что радиоактивность может зависеть от окружающей среды, как полагали Кюри.

Однако Резерфорд защищал другую гипотезу: "эманации", как он их назвал, испускались самими радиоактивными элементами и могли насыщать радиоактивностью все, что их окружало. В этом заключалась причина воздействия на результаты измерений. Он заявлял:

"Соединения тория постоянно испускают радиоактивные частицы определенного типа, которые в течение нескольких минут сохраняют радиоактивные свойства. Эта "эманация", как мы будем называть ее для краткости, обладает ионизирующей способностью по отношению к окружающему газу и может проходить сквозь тонкие слои металлов и сквозь плотную бумагу".

"Эманации" стали непосредственным предметом изучения Резерфорда. Первым делом ему удалось удержать их в трубке, стенки которой быстро становились радиоактивными. Радиоактивность была как будто заразной, поскольку вокруг тория на короткое время все становилось радиоактивным. Какова природа этих "эманаций"? Некий ли это "пар", или же это частицы возбуждали радиоактивность в других веществах?

Резерфорд заметил, что эманация тория заканчивалась довольно быстро. Данное наблюдение противоречило экспериментальным данным по урану и полонию, которые, казалось, были неиссякаемыми источниками альфа- и бета-лучей. Эманации, полученные в результате опытов с торием, имели чрезвычайно интенсивное излучение, но только в течение нескольких минут. Эти эманации были как будто чем-то призрачным. Их появлялось крайне мало, а об их присутствии можно было судить по самому факту недолгого излучения.

В Европе Кюри также обратили внимание, что химические элементы, близкие в периодической таблице к радию, вели себя как радиоактивные. Это заставило парижских ученых допустить возможность, что радий возбуждает активность ближайших к себе элементов. Год спустя Резерфорд так подытожил уровень знаний, имевшийся по данному вопросу в тот период:

"В 1900 году автор [то есть сам Резерфорд] доказал, что торий излучает не только а- и β-частицы, но также постоянно испускает радиоактивную "эманацию" или газ. Так же как и радий, актиний имеет сходные свойства. Интенсивность излучения быстро падает. "Эманации" тория, радия и актиния легко различаются по скорости прекращения активности".

ИНДУЦИРОВАННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ?

Так же как свет заставляет сиять флуоресцентные минералы, по убеждению Кюри, "эманации" радиоактивных элементов (например, тория) способны вызывать радиоактивность других элементов. Речь о некоей индуцированной радиоактивности. Резерфорд разделял это мнение, но последующие эксперименты заставили его принять другую точку зрения.

Резерфорд решил, что если дело заключается в индуцированной радиоактивности, то она должна варьироваться в зависимости от вещества, на которое воздействовали эманации. Он изучил воздействие тория на другие виды материалов, и в результате выяснилось, что измерения радиоактивности всегда одинаковы и не зависят от использованного материала. Казалось, какое-то вещество "загрязняло" радиоактивностью все, что к нему приближалось.

Таким образом, правильнее было бы полагать, что "эманации" и индуцированная радиоактивность являются взаимосвязанными явлениями. Резерфорд подтвердил это, записав в конце 1899 года, что "имеется тесная связь между "эманацией" и возбужденной радиоактивностью; в действительности "эманация" каким-то образом является прямой причиной радиоактивности". То есть, по его мнению, речь не об индуцированной радиоактивности, а о том, что эманация перемещалась на материалы и, казалось, что те становятся радиоактивными. Резерфорд отмечал, что "эманация является нестабильным веществом и трансформируется в некий вид негазообразной материи, покрывающий поверхность всех окружающих тел". И последнее: "Вероятность возникновения эманации из-за того, что ближайшая среда становится радиоактивной, исключена".

ИСТОЧНИК РАДИАЦИИ

Понимание этих вопросов стало еще более запутанным в результате нового наблюдения Беккереля, согласно которому, возможно, имелась некая ошибка в определении источников радиоактивности. Беккерель знал, что соли урана не были чистыми и в их состав входили разные вещества, поэтому он попытался выделить их. Когда это ему удалось, соль урана перестала быть радиоактивной, а новое неизвестное вещество, напротив, испускало излучение. Так как Беккерель не представлял, что это за вещество, он назвал его "уран-Х". Через несколько месяцев, когда он вновь взял образцы, оказалось, что уран-Х перестал быть радиоактивным, а урановая соль восстановила радиоактивность. Английский химик Уильям Крукс (1832-1919) проверил эти результаты, и в конце 1901 года оба ученых передали их в университет Макгилла. Как только Резерфорду стало известно об этом, он захотел повторить опыт с образцами тория.

Я не считаю, что когда кто-то совершает неожиданное открытие — это в порядке вещей. Наука делает шаг за шагом, и каждый исследователь зависит от трудов своих предшественников.

Эрнест Резерфорд

РАДИОАКТИВНЫЕ ТРАНСФОРМАЦИИ

Посреди всех этих исследований в 1900 году Резерфорду пришлось взять паузу. Наконец должна была состояться свадьба с Мэри Ньютон, и он отправился за ней в Новую Зеландию.

Церемония была очень простой, на ней присутствовали только члены семьи. После медового месяца, который супруги провели, путешествуя по Канаде и Соединенным Штатам, где Резерфорд умудрился подобрать образцы тория, в 1901 году они вернулись в Монреаль. В лаборатории ждал новый член команды, с которым у Резерфорда началось очень плодотворное сотрудничество. Химик Фредерик Содди оказался именно тем специалистом, который был нужен Резерфорду, чтобы понять явление эманации и радиоактивность в целом.

Оба ученых стремились дать ответ на несколько вопросов: происходила ли радиоактивность тория от другого элемента? какова природа эманации? как она соотносится с активностью, возбуждаемой в других элементах? Радиоактивность превратилась в некий пазл, в котором нужно было идентифицировать все кусочки, хотя тогда казалось, что собрать их вместе невозможно.

ПРИРОДА ЭМАНАЦИИ

Резерфорд и Содди в первую очередь взялись за проблему природы эманации. Содди был великим химиком и быстро понял, что на самом деле эманация представляла собой газ, наподобие аргона (то есть инертный), так как он не вступал в реакции с другими элементами.

ФРЕДЕРИК СОДДИ

Английский химик и университетский преподаватель Фредерик Содди (1877-1956) был одним из самых блестящих коллег Резерфорда. Несмотря на то что вместе они проработали только с 1901 до начала 1903 года, этот период оказался очень эффективным.

Именно тогда они поместили свои имена под важнейшей в истории науки главой. Годы спустя Содди так отзывался о том коротком, но плодотворном этапе сотрудничества с новозеландским гением:

"Под конец нашей совместной работы головоломка радиоактивности, изначально казавшаяся незаурядной, сложилась и была решена. Мое общее впечатление о тех днях связано с высшей степенью умственной экзальтации, когда части головоломки сложились в единую и убедительную теорию атомного распада·.

Содди изучал химию в Оксфорде, в 1900 году он направился в Монреаль, где через год стал работать с Резерфордом. В начале 1903 года Содди отбыл в Лондон, чтобы сотрудничать с Уильямом Рамзаем, экспертом по благородным газам. Их совместная работа также завершилась довольно быстро, после чего Содди какое-то время преподавал в университете Глазго, до тех пор пока ему не предложили кафедру в Оксфорде. Здесь он проработал с 1919 по 1937 год. Кроме исследований радиоактивного распада, его очень интересовали изотопы (термин, обозначающий элементы, которые имеют разные массовые числа, но занимают одно место в периодической таблице). Именно Содди ввел этот термин (по предложению писательницы и врача Маргарет Тодд). В 1917 году он открыл элемент протактиний, а в 1920-м — написал книгу "Наука и жизнь·. В 1921 году ученый получил Нобелевскую премию по химии за исследование радиоактивных веществ, а также происхождения и природы изотопов. В конце жизни Содди занимали социальные вопросы и мир на земле, особенно в связи с угрозой использования ядерного оружия. После Второй мировой войны он написал:

"Запуск атомный бомбы — чрезвычайно важная проблема. [...] Вместо того чтобы оплакивать Хиросиму, следовало бы вспоминать [...] о триумфе человека над проблемой [трансмутации], а не об использовании ее во имя зла политиками и военными".

Этот газ получил название радон.

Проблема благородных газов начала проясняться с 1894 года, будучи относительно новым полем для исследований. Еще не было ясно место этих элементов в периодической таблице, поэтому для них выделили особую колонку. С 1902 года стала набирать вес идея, что торий мог трансформироваться в газ по мере испарения твердого вещества. С другой стороны, эманация, или газ радон, казалось, имела положительный заряд, так как при ее приближении к отрицательно заряженному металлу сам металл становился высокорадиоактивным.

Но проблема связи эманации с явлением радиоактивности оставалась. Какое место ей отводилось, и какая связь имелась у нее с испусканием альфа- и бета-частиц? Таким был ключевой вопрос.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД И ВОССТАНОВЛЕНИЕ

Резерфорд и Содди также принялись за исследование явления, открытого Круксом и Беккерелем и связанного с ураном и ураном-Х. В свою очередь, они провели эксперименты с использованием тория, традиционного элемента для лабораторных исследований.

РАДОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Предшественник Дж. Дж. Томсона на должности директора Кавендишской лаборатории английский физик Джон Уильям Стретт и лорд Рэлей (1842- 1919) вместе с шотландским химиком Уильямом Рамзаем (1852-1916) в 1894 году открыли аргон. Лорд Рэлей обнаружил, что вес азота в воздухе был меньше, чем вес азота, полученного в результате химических реакций. Позже Рамзай дал объяснение этому отклонению, связав его с наличием примесей в воздухе. После этого, наконец, удалось выделить газ, влиявший на результаты по определению веса азота. Его назвали "аргоном". Греческое происхождение термина подчеркивает инертный характер газа, не вступающий во взаимодействие с другими элементами. Другой благородный газ — гелий — был открыт Пьером Жансеном и Джозефом Норманом Локьером в 1868 году при анализе химического состава Солнца на основе спектрографии солнечного света. Химик Рамзай специализировался на исследовании нереактивных газов и выяснил, что гелий находится не только в атмосфере, но и в минерале урана (данное явление Резерфорд смог объяснить позже, когда раскрыл природу альфа- излучения).

Таблица Менделеева

Известия об открытии новых благородных газов побудили Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) в 1902 году изменить свою периодическую систему химических элементов и включить в нее специальную колонку. Порядок химических элементов в периодической таблице был великим изобретением. В этой таблице элементы классифицируются в соответствии с их атомной массой и химическими свойствами. Многие химики, в том числе Лавуазье, уже обратили внимание на сходство разных элементов, но только Менделеев пришел к их упорядочиванию. Он взял за основу закономерности, наблюдавшиеся в характеристиках элементов (большая или меньшая реактивность, валентность), чтобы систематизировать их, используя классификацию двумерной таблицы. Атомный вес был важным фактором (вертикальная ось), но элементы также расположены слева направо, образуя периоды и группы. Группы, то есть элементы одной колонки, имели много общих характеристик, несмотря на различие в атомном весе. Это простое изменение формы классификации веществ сделало возможным поиск общего, в особенности в химических характеристиках. Менделеева также озарила догадка, что необходимо оставить пустые места там, где, как ему казалось, мог разместиться еще не открытый элемент. Этот великий ученый сумел предсказать некоторые характеристики неизвестных элементов, которые были открыты впоследствии; среди них германий и галлий.

Дмитрий Иванович Менделеев, примерно 1880-1890 годы.

К своему удивлению, они смогли выделить из тория вещество, испускавшее большую часть излучения. Они не знали, что это за вещество, но было ясно, что химически оно различно с торием, поэтому его назвали "торий-Х". После выделения тория-Х торий терял радиоактивность по экспоненте; всю радиоактивность получал торий-Х. Наконец не осталось сомнений, что торий мог производить торий-Х и заменять образцы, потерявшие активность. Также ученым удалось установить, что торий-Х испускал эманацию. Так они обнаружили цепочку явлений: торий порождает торий-Х, а торий-Х испускает эманацию.

Содди и Резерфорд пошли дальше своих европейских коллег и на графиках показали поведение тория и его активность, которая росла по экспоненте, а также тория-Х с его нисходящей кривой (см. график).

Этот график распада радиоактивности и восстановления показывал экспоненциальный характер отношения между активностью и временем двух показателей, сумма значений которых была константой (дополнительность). Все указывало на то, что оба явления происходили не случайно, то есть имелись отношения между торием и торием-Х. Торий порождал отличное от себя вещество — другими словами, атомы тория-Х получались в результате распада тория. Это были словно родственные отношения (как выразился Резерфорд). Эрнест Резерфорд сделал следующее заключение:

"Большая часть радиоактивности тория происходит от некоего типа материи, тория-Х, обладающего отличными от тория химическими характеристиками и являющегося временно радиоактивным: его активность затухает через четыре дня".

Позже было обнаружено, что торий-Х на самом деле является так называемым изотопом радия, обладающим исключительной радиоактивностью. Части головоломки стали соединяться. А какую же роль играла радиоактивность? Как она связана с альфа- и бета-лучами? Была ли она дополнительным продуктом трансмутации? Или, напротив, она влияла решающим образом?

То, что является грехом для моралиста, преступлением — для юриста, для ученого — незнание.

Фредерик Содди

Гипотеза, подтверждение которой начали искать Резерфорд и Содди, состояла в том, что после испускания альфа-частиц торий превращался в торий-Х. После следующего испускания альфа-частиц происходила эманация. Данная последовательность явлений была характерна также для урана и полония.

Ключ к решению проблемы находился в альфа-частицах. Когда Резерфорд понял, что представляли собой альфа-частицы, все детали головоломки сложились и встали на свои места — открылась прекрасная перспектива новой области физики, возникшей практически из ничего.

АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЕ, ВНОВЬ

Вопрос о том, что представляли собой атомы, был абсолютно неясным — Резерфорд обнаружит ядро только через несколько лет, — в ту эпоху было едва ли что-то известно об электронах.

Хотя уже имелись предположения, что энергия радиоактивности каким-то образом исходила из сердца атомов, ее механизм был загадкой.

В первую очередь, Резерфорд делал ставку на идею, что радиоактивность возникала из-за некоторого внутреннего нарушения расположения атомов, создавая тем самым нестабильную ситуацию. В этот момент начинали испускаться рентгеновское и бета-излучение, что приводило к реконфигурации все еще нестабильного материала, и так возникало альфа-излучение. Согласно его первой гипотезе радиоактивность была непрямым следствием явления внутренней нестабильности конфигурации атомов, неким дополнительным механизмом. На тот момент уже было известно, что бета-лучи идентифицируются с электронами, поэтому считалось, что вследствие малой массы они не могут нарушать природу атомов. Но предстояло объяснить, чем являются альфа-лучи.

Имелось предположение, что их заряд был положительным. Однако в ходе попытки уловить радиоактивность с помощью магнитного поля лучи не изменили своей траектории. Казалось бы, гипотеза должна быть отвергнута, но Резерфорда не удовлетворили эти результаты, и он решил повторить эксперимент, при этом использовав более интенсивный источник альфа-лучей и более мощный генератор магнитного поля. Кюри предоставили ему радий, а аппарат для генерирования магнитного поля (магнит) ему выделили в университете Макгилла. Осенью 1902 года Резерфорд увидел, что альфа-лучи в действительности изменяли траекторию при прохождении через магнитное поле, их отклонение было противоположным бета-лучам, у которых, как уже стало известно, отрицательный заряд. Данный результат он интерпретировал как доказательство положительного заряда альфа-лучей. Выяснить это прежде было затруднительно, так как альфа-частицы значительно превосходили по массе бета-частицы.

Если лучи из частиц, имеющих далеко не ничтожную массу, возникали внутри атомов, было бы глупо не сделать вывод, что они должны представлять важные изменения для собственной внутренней структуры материи. Испускание альфа-лучей виделось некоей причиной других изменений и наблюдаемого испускания других видов излучения. При этом электромагнитное излучение или выброс электронов — бета-лучей — не предполагали трансмутации химического (радиоактивного) элемента. Однако факт испускания лучей, имевших значительную массу, заставлял проверить данное соображение. Именно поэтому в результате этого ключевого открытия Резерфорд и Содди предложили свою теорию радиоактивного распада.

Радиоактивность не могла быть вторичным, дополнительным эффектом, учитывая, что внутри радиоактивного материала отделялись частицы, имевшие массу других химических элементов. В 1903 году, когда Содди уехал из монреальского университета Макгилла и отправился в Лондон работать с Уильямом Рамзаем, теория радиоактивного распада уже сформировалась как модель, включающая в себя все части радиоактивной головоломки.

РАСПАД АТОМА

Итак, между 1902 и 1903 годом Резерфорд и Содди разработали теорию радиоактивного распада, которая раскрывала загадки радиоактивных эманаций, возбуждения, распада, радиоактивного переноса и тория-Х. По их мысли, радиоактивность возникала, потому что определенный элемент (торий или уран) трансформировался в другой элемент, излучая альфа- и бета- частицы. При трансформации и распаде первоначального атома родительского элемента возникал новый атом, который обозначался как торий-Х или уран-Х и который мог оказаться другим химическим элементом, тоже радиоактивным, например радием или полонием. Новые элементы были менее стабильными и испускали больше радиации. Парадоксально, но вследствие этого они распадались быстрее, образуя другие, тоже радиоактивные элементы. Резерфорд и Содди описали свою концепцию явления радиоактивности так:

"Доказано, что радиоактивность сопровождается химическими изменениями, в которых постоянно образуются новые виды материи. Продукты этих реакций вначале радиоактивны, но их активность с момента формирования равномерно затухает".

АЛХИМИЯ

В ходе исследований настал момент, когда Содди воскликнул: "Резерфорд, ведь это же трансмутация: торий распадается и трансмугирует в газ группы аргона". На что Резерфорд ответил: "Содди, не называйте это трансмута- цией! Они снимут нам головы, как алхимикам".

В ту эпоху в сознании людей возникало много псевдонаучных идей на тему трансмутации элементов. Существовала масса ассоциаций, журналов и конгрессов алхимиков, которым научное сообщество не оказывало никакой поддержки. Поэтому факт, что один из многообещающих ученых ступил на путь алхимии, вызвал потрясение. Пока Резерфорд работал над теорией радиоактивного распада, многие коллеги выражали свои опасения, будто гипотеза о спонтанной трансмутации материи "может дискредитировать Макгилл". На совещании Резерфорду предложили перепроверить и уточнить данные и выводы до публикации своего открытия. Ученый был известен своей точностью и практически не допускал ошибок в экспериментах, он выслушал рекомендации с горечью и яростью, осознавая, сколь беспочвенной была эта критика.

Алхимическая лаборатория, из книги "История алхимии и начал химии" шотландского химика и писателя Μ. M. Паттисома Муира (1848- 1931).

Открытие природы альфа-лучей позволило утверждать следующее:

" Распад атома и испускание тяжелых заряженных частиц, имеющих массу, сравнимую с атомом водорода, делает систему более облегченной, чем раньше; ее химические и физические характеристики разнятся с первоначальным элементом. Процесс дезинтеграции проходит уровень за уровнем за измеримые для каждого случая промежутки времени".

Альфа- и бета-излучение, открытые Резерфордом ранее, понимались теперь как следствие внутренней дезинтеграции материи, основополагающей нестабильности атомов радиоактивных элементов. Их стали рассматривать не как излучение, а как частицы, "убегавшие" из атомов, менявшие структуру и природу этих атомов. Происходила спонтанная трансмутация атомов из одного элемента в другой.

История человечества выражается и определяется имеющимся количеством энергии.

Фредерик Содди

Резерфорд и Содди ввели новые термины для этих элементов: "родительскими" они называли радиоактивные элементы, и "дочерними" — атомы после трансформации и распада.

РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА

Открытия, сделанные на тот период, позволяли составить общее мнение о радиации. Радиоактивные материалы существовали с момента формирования Земли. Такие элементы, как торий и уран, на самом деле не высокорадиоактивны, то есть они не очень стабильны по сравнению с другими радиоактивными элементами, время их распада продолжительнее. Однако в ходе их дезинтеграции возникали другие значительно более активные вещества. Дезинтеграция происходила естественным путем, это было случайное явление, определить количественные характеристики которого можно только статистическим путем. При испускании альфа-частиц, то есть ядер гелия, первоначальный атом уже не существовал как тот же элемент, на его месте формировалось новое, менее стабильное вещество, как правило, имевшее большую радиоактивность. Годы спустя выяснилось, что бета-излучение также является следствием фундаментальных трансформаций атома, а точнее его ядра, так как электроны и излучение появляются, когда нейтрон распадается на один протон и один электрон, но на том этапе Резерфорд еще не открыл внутреннее строение атома.

В 1904 году Резерфорд с помощью этих диаграмм представил все имеющиеся на тот момент знания о радиоактивных последовательностях для разных элементов. Они выглядели как цели испускания лучей и трансформации первоначального элемента в другие.

Нестабильность вторичного продукта распада предполагает, что он должен превратиться в третий продукт, также нестабильный. Был ли конец у такой цепи? Становилось все очевиднее, что большое количество разных радиоактивных веществ должны иметь связи между собой, формируя семейства.

На сегодняшний день известны три семейства естественных радиоактивных элементов: семейства тория, урана и актиния (см. рисунок на предыдущей странице), в которых процесс распада заканчивается, когда образуется нерадиоактивный и стабильный элемент — свинец. Согласно представлению Резерфорда, во главе семейства находился "отец", родительский элемент с высоким атомным весом. Потомки "отца", дочерние элементы, проходят через превращения до получения природного стабильного элемента. Когда радиоактивность наблюдалась впервые, Беккерель использовал один из изотопов урана, которые при испускании альфа-излучения превращаются в торий. Изотопы — атомы одного химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов, составляющих ядро; соответственно, их атомная масса отлична, но число протонов и электронов совпадает. Механизм был окончательно понят благодаря Эрнесту Резерфорду и его помощнику Фредерику Содди (см. Приложение. Альфа- и бета-распад).

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА, ИЛИ ПОЛУЖИЗНИ

С первых исследований в этой области Резерфорд понял, что со временем радиоактивные излучения затухают. В некоторых элементах радиоактивность исчезала через несколько секунд, в других — могла длиться днями и месяцами. Если вначале казалось, что только самые активные элементы обладают таким свойством, после возникновения теории радиоактивного распада стало понятно: при радиации количество первоначальных атомов постепенно уменьшается, пока не исчезнет бесследно.

Резерфорд также обратил внимание, что сама продолжительность жизни радиоактивного элемента, как дактилоскопический след, позволяет идентифицировать его. Некоторые элементы имеют более длительный период полураспада, который мог продолжаться тысячи лет (например, уран), в то время как период полураспада других элементов длится несколько секунд (в настоящий момент возможно синтезировать элементы, радиоактивность которых проявляется доли секунды).

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРИОДА ПОЛУРАСПАДА

Хотя Резерфорд был прежде всего экспериментатором, распад (и полураспад) он пытался также выразить математически, с помощью формул, чтобы показать зависимость количества атомов от времени. Затухание атомного распада носит экспоненциальный характер, и математическая формула, выражающая его сущность, должна иметь нижеследующий вид. Если No — количество атомов радиоактивного материала в первоначальный момент, N — количество атомов в заданный момент, то

N = No · e-λt,

где λ — постоянная радиоактивного распада для заданного элемента, а е — математическая константа, число Эйлера (иррациональное число, величина которого равна приблизительно 2,718...). Чтобы определить скорость радиоактивного распада атомов, предыдущее выражение в зависимости от времени преображается как:

dN/dt = -λ · No · e-λt = -λN.

Становится ясно, что процент распада связан с количеством оставшихся в определенный момент атомов. По мере распада атомов процент дезинтеграции снижается. Период полураспада (Т), определяемый как время, за которое количество радиоактивных атомов сокращается вдвое, также можно выразить из предыдущего уравнения. Т — время, за которое проходит дезинтеграция половины начального количества радиоактивных атомов, то есть N = No/2:

1/2No = No · e(-T).

Упрощая No · e-λt = 2, или в другом виде: λΤ= ln2 = 0,693. Поэтому период полураспада равен:

T = 0,693/λ.

Новозеландский ученый уже выяснил, что естественная радиоактивность носит вероятностный характер, поэтому невозможно точно предсказать, когда произойдет следующий распад. Однако со статистической точки зрения распады случаются с определенной регулярностью. Таким образом, хотя нельзя точно установить, когда произойдет распад, при систематическом учете можно установить их регулярность. Другими словами, вероятность того, что ядро радиоактивного элемента будет распадаться за единицу времени, является константой.

Эту постоянную величину называют "константой радиоактивного распада" и обозначают лямбдой (λ).

Наука учит сомневаться и быть невежественным.

Эрнест Резерфорд

Резерфорд считал необходимым ввести понятие периода полураспада, или полужизни, радиоактивного элемента, которое характеризовал как время, необходимое для того, чтобы определенное количество имеющихся в образце радиоактивных атомов сократится вдвое. Данное понятие помогало показать скорость, с которой радиоактивное вещество распадается, уступая место новому члену "семьи". Так, период полураспада некоторых изотопов урана равен 4500 миллионам лет (считается, что эта величина совпадает с возрастом Земли). Существуют разные виды урана, и каждый из них имеет разные периоды полураспада.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

Отголоски этих исследований достигли другой научной дисциплины, благодаря атомной физике получившей импульс для новых открытий. Речь о геологии. Однажды прогуливаясь по кампусу Макгилла, Резерфорд столкнулся с профессором геологии и спросил его: "Сколько, по-вашему, лет Земле?"

"Сто миллионов лет", — ответил профессор. Тогда Резерфорд достал кусочек урановой смолки и ответил: "Я знаю, и это объективный факт, что этому куску смоляной руды семьсот миллионов лет". Можно вообразить, насколько удивился тот геолог. Но как Резерфорд отважился на такое заявление?

С XVIII века существовало убеждение, что Солнце и планеты возникли из тучи пыли. Неоднократно предлагались изобретательные и разнообразные способы датировки этих событий. Так, было рассчитано, что если основываться на процессах эрозии, 100 миллионов лет потребуется для объяснения концентрации соли в морях и океанах Земли. Цифра, названная собеседником Резерфорда, вероятно, была получена таким методом.

Британский физик и математик Уильям Томсон, лорд Кельвин ( 1824-1907), был одним из тех, кто пытался дать ответ на этот вопрос. В 1862 году он опубликовал статью "О возрасте теплоты Солнца", в которой на основе энергетических расчетов приходил к выводу, что этот возраст колеблется между 24 и 400 миллионами лет. Предполагая, что Земля возникла в результате застывания магмы, можно было рассчитать испускаемую теплоту до достижения актуального состояния. Лорд Кельвин, хоть и ошибочно, ограничивал срок существования Земли. Он сделал расчеты на будущее, и его выводы не были оптимистичными, так как Солнце, по его мнению, не могло излучать энергию постоянно и в течение долгого времени:

"Относительно будущего мы с уверенностью можем сказать, что обитатели Земли не смогут продолжать наслаждаться светом и теплом, столь необходимыми для жизни, в течение многих миллионов лет, если не заготовлены неизвестные нам на сегодняшний день источники тепла в огромном хранилище Вселенной".

Косвенным противоречием проблеме возраста Земли стала теория естественного отбора. Дарвин пришел к выводу, что для развития разнообразия жизни, возникшей в результате естественного отбора, был необходим более длительный период, чем полагали физики. Сам Дарвин выражал волнение некоторым корреспондентам так:

"Я очень обеспокоен коротким сроком, отпущенным нашему миру, согласно предположениям сэра У. Томсона, потому что для подтверждения моих теорий мне необходим очень продолжительный докембрийский период".

В этом противостоянии физика представлялась более основательной дисциплиной по сравнению с биологической теорией Дарвина. И этот отягчающий фактор не способствовал увеличению численности сторонников теории естественного отбора в начале XX века. Однако, как доказал Резерфорд, идеи и расчеты лорда Кельвина были глубоко ошибочными.

Как мы уже выяснили, элемент является радиоактивным, если его структура нестабильна, и благодаря процессу радиоактивного распада элемент приобретает большую стабильность. Так, уран с 92 протонами после альфа-распада теряет два протона и трансформируется в торий (элемент под номером 90 в периодической таблице). Торий, в свою очередь, при альфа-распаде теряет еще два протона и превращается в элемент с атомным номером 88, который согласно периодической таблице соответствует радию. Все эти процессы распада вместе образуют последовательность химических элементов, формирующих естественное радиоактивное семейство, с конечным стабильным элементом — свинцом.

Учитывая, что Резерфорд мог выявить скорость распада каждого из них, у него появилась удачная мысль определить на основании этих данных возраст Земли. Требовалось только узнать количество свинца, являющегося стабильным продуктом цепи распада урана, по отношению к количеству урана, имеющегося в шахте (вначале ученый задумался о возможности использовать для этого гелий, но так как это газ, полученные результаты не могли считаться достоверными, потому что часть газа улетучивалась в атмосферу).

Несмотря на то что догадка была гениальной, Резерфорд оставил свои исследования другим ученым, которые уточнили механизмы, предопределившие современное понимание вопроса о возрасте Земли.

ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

В настоящее время считается, что Земле 4,55 миллиарда лет. Этот возраст установлен в результате исследования в североканадском районе Акаста известных залежей породы, называемой гнейсом, которой предположительно четыре миллиарда лет, это самая древняя известная порода. Несмотря на то что эта гениальная догадка принадлежит Резерфорду, самого ученого данный вопрос не слишком интересовал, на эту тему он опубликовал лишь несколько научно-популярных статей (например, статью "Радий — причина теплоты Земли" в журнале Harper).

Другие исследователи, среди них Бертрам Болтвуд (1870-1927), уделяли этим разработкам больше внимания. Болтвуд и Резерфорд пришли к заключению, что лучшим способом датировки было сравнение количества урана и свинца. После многочисленных расчетов было высказано предположение, что возраст Земли колеблется между 250 миллионами и 1,3 миллиарда лет. Британский геолог Артур Холмс (1890-1965) продолжил исследования Болтвуда и Резерфорда, рассматривая разные типы изотопов радиоактивных элементов, каждый из которых обладал разной продолжительностью жизни, и приступил к экспериментам. От полной неосведомленности об этих результатах геологи преодолели путь к их принятию, и в 1927 году Холмс опубликовал книгу "Возраст Земли", в которой уверял, что Земле от 1,3 до 3 миллиардов лет. Однако образцы почвы не слишком подходили для определения количественных показателей, так как тектонические движения плит и эрозия могли стать причиной ошибки в данных, основанных на радиоактивности. На сегодняшний день большинство ученых сходятся на том, что возраст нашей планеты вернее всего определен на основе работ геохимика Клэра Кэмерона Паттерсона, который в 1953 году осуществил первые точные измерения, изучая образцы почвы, на которые воздействовали метеориты.

Артур Холмс, 1912 год.

Но все же Резерфорд ощутил необходимость публикации научно-популярной статьи, а также выступил с лекцией в Соединенном Королевстве, излагая свои идеи. На этой лекции был особенный слушатель — сам лорд Кельвин. Позднее Резерфорд описал эту встречу так:

"К моему облегчению, Кельвин уснул, но едва я подошел к важному пункту, то увидел, что старый лис поднял голову, открыл один глаз и зловеще взглянул на меня. Тогда я внезапно ощутил вдохновение и произнес: "Лорд Кельвин обозначил пределы возраста Земли, если не будут найдены новые источники тепла. Это пророческое наблюдение подводит нас к теме сегодняшней дискуссии — к радиации". И старик улыбнулся".

Радиоактивность интерпретировалась как новый источник тепла, который мог согревать Землю изнутри. Так расчеты Кельвина, при всей их правильности, происходили от неточной гипотезы. Этот источник мог также подпитывать и Солнце, таким образом, Земля могла начать свое существование значительно раньше, чем предполагал маститый ученый, а также продолжать его в течение невообразимо длительного времени согласно физическим законам, известным в XIX веке.

По расчетам Кельвина, до затухания Солнцу оставалось пять или шесть миллионов лет, Резерфорд же говорил — что сотни миллионов. Старого лорда Кельвина новая наука о радиоактивности не смогла убедить, несмотря на то что, по его же собственным словам, он внимательно изучал ее.

ЭНЕРГИЯ

Другим аспектом, на который не могли не обратить внимание действующие лица эпопеи радиоактивности — Кюри, Резерфорд и Содди, — было огромное количество энергии, выделявшейся изнутри материи, как если бы атомы были неистощимым источником энергии, а радиоактивность представлялась малозначительным процессом утечки энергии. Подвергая замороженную воду воздействию радия, можно было наблюдать, что вода испарялась меньше чем за час. Не будем упоминать о многочисленных ожогах, из-за чего Пьер и Мария Кюри работали с забинтованными руками. Резерфорд и Содди сделали оценку энергии, выделявшейся из грамма радия после всех трансформаций, она равнялась десяти тысячам миллионов калорий. Эта энергия содержалась в материи, и если бы кому-то удалось бесконтрольно выпустить ее, этот кто-то разом покончил бы с известным нам миром.

В 1903 году Резерфорд и Содди уже заявили, что радиоактивность связана с энергией, не соответствующей реакциям:

"Радиоактивность понимается как результат процесса, лежащего вне сферы известных контролируемых сил... Все эти замечания приводят к выводу, что энергия, клокочущая в атоме, должна быть огромной по сравнению с энергией, свободно выделяющейся при обычном химическом обмене".

Также они предвидели, что энергия, сконцентрированная в радиоактивных атомах, в действительности могла быть внутренним свойством всех типов атомов, существующих во Вселенной:

"Нет никаких причин утверждать, что эти огромные количества сокрытой энергии характеризуют лишь радиоактивные элементы".

Первым, кто задумался о связи массы и энергии, был именно Содди. Он решил, что, возможно, существует связь между потерей массы радия при его трансформациях с освобожденным количеством энергии. По этому вопросу Содди заверял:

"Вероятно, вся тяжелая материя в латентном и связанном со строением атома виде обладает схожим количеством энергии, которая имеется у радия. Если бы ее можно было выделить и поместить под контроль, это изменило бы судьбу мира! Тот, кто взял бы в свои руки рычаг, которым бережливая природа регулирует выдачу из этого хранилища энергии, получил бы оружие, которым мог бы при желании разрушить Землю".

Позже Альберт Эйнштейн ввел известную формулу Е =mc^2, которая объясняла, что масса находится в прямой зависимости от энергии. Однако формула Эйнштейна не показывала, как получить энергию из материи; она лишь констатировала связь. С другой стороны, в момент публикации уравнения результат был проигнорирован, его влияние на последующие события было косвенным. Ученые того времени рассматривали радиоактивность как неожиданный источник энергии, и казалось, нужно подождать, чтобы определить, как человечеству надлежит воспользоваться этим богатством. Касательно этого вопроса имелись различные мнения.

В конце жизни, в 1933 году, Резерфорд очень осторожно и скептически высказывался о возможностях использования энергии:

"Мы не можем контролировать атомную энергию так, чтобы она имела коммерческую стоимость, думаю, нам это никогда не удастся. О трансмутации было сказано много глупостей. Наш интерес к материи чисто научный, а наши эксперименты помогут лучше понимать строение материи".

Несмотря на это, получили распространение шутки, которые Резерфорд раньше отпускал по поводу энергии атомов. Так, часто вспоминают о том, как ученый использовал сравнение с рычагом Архимеда, которым можно было сдвинуть мир, только в его устах этот рычаг становился детонатором:

"Если бы было возможно найти подходящий детонатор, можно было бы представить, что волна от атомного распада, возникнув внутри материи, превратит наш старый мир в пыль".

Полушутя-полусерьезно он добавлял, что, возможно, "какой-нибудь дурак в лаборатории сможет неожиданно взорвать Вселенную". Содди, напротив, был более оптимистичен и полагал, что ядерная энергия обещает нам лучший мир и благодаря ей Земля сможет превратиться в "улыбающийся Эдем".

ОТ МАКГИЛЛА К НОБЕЛЮ

Когда Резерфорд еще работал в Макгилле, он начал понимать, что его открытия могут принести ему Нобелевскую премию. С другой стороны, он считал, что премия найдет его лишь через несколько лет и после наставника, Дж. Дж. Томсона. Единственное, чего он не предусмотрел, так это того, что премия будет не в области физики, а химии, к которой он не чувствовал особой симпатии.

Нобелевская премия по физике была учреждена в 1901 году и впервые была присуждена Рентгену за открытие икс-лучей. В 1903 году премию получили Пьер и Мария Кюри совместно с Беккерелем. Радиоактивность относилась к важнейшим открытиям эпохи, и логично было предположить, что Резерфорд будет вознагражден за огромную работу, которую он проделал.

Однако несмотря на замечательные результаты исследований и средства, которыми Резерфорд располагал в Макгилле, со времени своего приезда он не скрывал желания вернуться в Европу. Он чувствовал себя изолированным от центра научной жизни и был убежден, что его пребывание в Канаде будет настолько кратким, насколько это возможно. Он так и сказал об этом жене: "Не думаю, что ты будешь против, чтобы я остался в Канаде еще несколько лет, но, между нами, я не вижу возможности остаться здесь надолго и надеюсь однажды вернуться в Европу".

Если я хочу претендовать на Нобелевскую премию в ближайшие годы, мне нужно продолжать работу.

Эрнест Резерфорд в письме супруге, 1905 год

Шотландский химик Уильям Рамзай, Нобелевский лауреат по химии 1904 года, за работой в лаборатории.

Уильям Томсон, лорд Кельвин, помимо прочего известный своим исследованием по определению возраста Земли.

Встреча выдающихся ученых в 1932 году в Мюнстере, Германия. Слева направо сидят: Джеймс Чедвик, Ханс Гейгер, Эрнест Резерфорд. Стоят. Джордж деХевеси, Элизабет Гейгер, Лиза Мейтнер и Отто Ган.

То же он писал об интеллектуальном голоде и тоске по Соединенному Королевству своему учителю Дж. Дж. Томсону:

"После нескольких лет без Кавендиша я чувствую, что отдалился от науки, я очень скучаю по возможности встречаться с людьми, интересующимися физикой. Вне маленького кружка лаборатории очень редко я могу от кого-нибудь услышать, что происходит где- нибудь еще".

Однако место в Макгилле обеспечивало его материально, он мог содержать семью. Именно поэтому через год после приезда в Монреаль он отправился в Сан-Франциско и сел на пароход до Новой Зеландии, чтобы жениться. Резерфорд заключил брак в 1900 году и, воспользовавшись своим приездом, подал в Новозеландский университет документы для получения докторской степени. После свадебного путешествия, во время которого Резерфорд смог собрать образцы радиоактивных элементов для будущих исследований, молодые вернулись в Монреаль. В 1901 году родилась их единственная дочь Эйлин Резерфорд.

В 1903 году ученый опубликовал часть своей теории радиоактивности и в том же году отправился в Европу, где стал членом Королевского общества. Эта поездка имела большое значение для Резерфорда, так как он смог лично познакомиться со всеми учеными, являвшимися первооткрывателями в области радиоактивности, среди которых была и чета Кюри. В июне 1903 года Эрнест и его жена Мэри прибыли в Париж, о чем позднее Резерфорд вспоминал так:

"Летом я навестил профессора и мадам Кюри в Париже и узнал, что мадам получила докторскую степень в день моего приезда. Вечером мой старый друг, профессор Ланжевен, пригласил мою жену, меня, Кюри и Перрена ужинать. После оживленной вечеринки в 11 часов мы вышли в сад, там профессор Кюри показал трубку, покрытую сульфатом цинка, в ней находилось большое количество радия в растворе. В темноте от него исходило свечение, и это стало блистательным завершением незабываемого дня. В тот момент мы не могли не заметить, что руки профессора Кюри ужасно воспалены, что было связано с воздействием лучей радия. В тот раз я впервые видел Кюри. Его преждевременная кончина в дорожном происшествии в 1906 году — великая потеря для науки, и особенно для науки о радиоактивности, развивающейся так быстро".

РАДИОАКТИВНОСТЬ И РАК

Супруги Кюри были первыми, кто почувствовал радиацию на своей коже, непосредственно испытав все вредные последствия от ее воздействия. В ту эпоху ученые часто носили колбы с солями радия в кармане, отчего у них возникало покраснение кожи. Пьер Кюри заметил, что при длительном воздействии радия кожа краснела еще больше, воспалялась и слезала. Пьер страдал от болей, у Марии развилась катаракта и случился выкидыш, возможно связанный с воздействием радиации.

Резерфорд, напротив, никогда не говорил о проблемах со здоровьем, несмотря на то что бесчисленное количество раз подвергался облучению. В конце концов и общество почувствовало негативное воздействие радиоактивности. Любопытные явления, свойственные радию, например свечение в темноте, использовались в военных целях. Между 1918 и 1928 годом начали продавать лекарственный препарат "Радитор" со следами радия, он применялся как эликсир долголетия, но на самом деле действовал отравляюще. Были и другие средства, якобы защищавшие от выпадения волос, сулившие всевозможные чудеса, но все это оказалось обманом. Мария Кюри одна из первых осознала, что если радиация убивает здоровые клетки, таким же образом она может прекратить размножение больных, раковых клеток. Так был открыт путь к использованию радиотерапии.

Пьер и Мария Кюри в парижской лаборатории, где они сделали столько невероятных открытий.

На следующий год Резерфорд вновь отправился в Европу и, воспользовавшись случаем, провел две лекции. Одна из них — ежегодная Бейкерианская лекция в Королевском обществе — стала большой честью для него. Выступая, ученый изложил свои новые идеи о радиоактивном распаде. Вторая лекция касалась возраста Земли; как мы уже говорили, в аудитории присутствовал и лорд Кельвин.

Так как радиация и физика частиц начали оформляться в самостоятельную дисциплину, возникла необходимость в издании соответствующего учебника. Резерфорд взялся за дело, и в 1904 году вышел первый учебник " Радиоактивность". Труд был посвящен Дж. Дж. Томсону; прочитав книгу, он сказал: "Резерфорд не только расширил знания в этой области, но и присоединил новую провинцию".

Слава Резерфорда распространялась по всему миру, многие блестящие студенты отправлялись в Макгилл, чтобы поработать рядом с новозеландским гением. Одним из таких студентов был Отто Ган, будущий Нобелевский лауреат по химии 1944 года за эксперименты по расщеплению ядра. В 1906 году в журнале Nature (который вместе с Science разделяет славу крупнейших научных неспециальных изданий) была опубликована посвященная Резерфорду статья, о его студентах можно было прочитать следующее:

"Профессор Резерфорд собственным энтузиазмом и энергией вдохновляет своих студентов на исследования. Он следит за получаемыми ими результатами и радуется их открытиям как своим собственным. Он — воплощенное великодушие, он всем сердцем верит в тех, кто проводит исследования под его покровительством".

Все его сотрудники были свидетелями справедливости написанного в статье. Содди, Марсден, Гейгер, Джеймс Чедвик — все могли подтвердить, что Резерфорд полностью доверял ученикам, а его энтузиазм вдохновлял их.

Когда слава его стала расти, Резерфорду начали поступать предложения от американских университетов, на тот момент они не особенно были известны и предлагали незначительное жалование. Также ему пришло предложение из Лондона, но тоже довольно скромное, и Резерфорд отказался.

А в 1906 году наконец поступило предложение его мечты.

В Манчестерском университете была одна из лучших физических лабораторий того времени, и возглавлял ее Артур Шустер.

Шустер собирался покинуть свой пост, но, уходя, поставил условие: его место должен занять Резерфорд. Для Эрнеста это был прекрасный повод вернуться в Соединенное Королевство и приступить к реализации своих передовых исследований в лаборатории столь высокого уровня. Одной из первых своих аспиранток в Макгилле Харриет Брукс, которая с ним, а также с Марией Кюри работала над вопросом определения атомной массы радона, Резерфорд предложил последовать за ним и воспользоваться одной из стипендий. Однако Брукс отказалась, так как собиралась замуж и намеревалась окончательно оставить карьеру.

Даже в The New York Times напечатали заметку об отъезде Резерфорда из Канады. В Макгилле Резерфорд опубликовал 60 научных работ, 19 из которых — в соавторстве с Содди. Он снискал мировую славу, его работы получили широкое признание, при этом его отъезд отнюдь не означал закат карьеры.

Огромное хранилище скрытой энергии находится в самих радиоактивных атомах.

Эрнест Резерфорд

Резерфорд прибыл в Манчестер осенью 1907 года, и первой его заботой стало получение радиоактивного материала. Институт радия Австрийской академии наук предложил Резерфорду разделить материал, отправленный также Рамзаю. После споров между учеными (Рамзай собирался передать Резерфорду образцы по завершении своих опытов) из Вены прислали подтверждение, что вышлют отдельные образцы для Резерфорда. Другой важной задачей было найти первоклассного помощника. На этот раз им стал Ханс Гейгер, приехавший в 1906 году из немецкого Эрлангена, чтобы работать с Шустером.

В Манчестере первые исследования Резерфорда были посвящены анализу альфа-частиц, который он начал в 1902 году. Он хотел убедиться в их составе, о чем писал несколько лет назад, и намеревался доказать, что это один и тот же вид излучения вне зависимости от источника. До сих пор это была просто гипотеза, поэтому ее требовалось подтвердить.

Резерфорд и Гейгер придумали трубку, которая позволяла подсчитать альфа-лучи. После некоторых усовершенствований Гейгера данный аппарат стал называться счетчиком Гейгера. Благодаря счетчику ученые смогли установить количество частиц, испускаемых радиоактивным источником. Так как они уже могли определить общий заряд, который производил поток частиц, это позволило им выяснить заряд одной частицы, для чего общий заряд частиц был разделен на их количество. Получив это число, идентификацию альфа-излучения с ядрами гелия больше не подвергали сомнению. Таким образом, альфа-частицы являлись ядрами гелия, атомами гелия с недостающими двумя электронами. В тот момент Резерфорд наконец нашел экспериментальное подтверждение, а позднее упрочил его еще более изящным экспериментом, в ходе которого можно было оценить спектр поглощения альфа-частиц, также идентичный спектру гелия. Именно тогда, будучи полностью занятым своими опытами, он получил новость о том, что ему присуждена желанная Нобелевская премия по химии 1908 года. Премия вручалась "за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ".

После поездки в Стокгольм его жена написала родственникам следующее: "Он объяснил, как долго ему пришлось работать над трансформациями разной длительности, но ни одна из них не была такой быстрой, как его собственное превращение из физика в химика". В речи он рассказал о своих исследованиях альфа-лучей, которые были начаты в Кавендише, когда он первым обратил внимание на этот вид излучения, а затем продолжены в Макгилле. Именно тогда у него зародились подозрения, что это могли быть частицы гелия, так как в месторождениях радиоактивных элементов было большое количество этого газа, как отметил Рамзай; наконец, в своих последних исследованиях в Манчестере он нашел экспериментальное подтверждение своей теории.

Резерфорд всегда был до суровости далек от роскоши, так как вырос в небогатой семье, но на этот раз он воспользовался полученной премией и купил автомобиль. Его старый друг Отто Ган устроил для своего учителя триумфальный тур по немецким университетам, где тот проводил лекции и встречался со многими учеными, имена которых ему были знакомы лишь по публикациям.

После возвращения в Манчестерскую лабораторию Резерфорд быстро достиг нового великого успеха в своей карьере, о котором упоминалось в главе 1: с помощью альфа-лучей он обнаружил ядро атома. Это излучение стало его талисманом, его штурвалом, который помогал ему двигаться вперед по волнам науки.

ГЛАВА 4

К расщеплению ядра

Путь к расщеплению атомного ядра начался с простого эксперимента Резерфорда, когда ему удалось выбить два протона из ядра атома азота. Однако научные опыты с незначительными средствами и простейшими инструментами в распоряжении ученого практически исчерпали себя. Резерфорд осознавал, что для осуществления новых открытий большой науке необходим толчок, предполагающий эксперименты, которые сегодня проводятся на ускорителях частиц.

Чтобы узнать, как работает та или иная вещь, самое лучшее — разобрать ее. Именно так поступает любопытный ребенок. Резерфорд смог применить этот деконструктивистский подход к атомному ядру и раздробить его, получив доступ к тому, что было скрыто от человеческих глаз.

Резерфорд прибыл в Манчестер в 1907 году, через год он получил Нобелевскую премию, а в 1909-м уже работал с Гейгером и Марсденом над атомной моделью, занимавшей его до 1912 года. Тогда же к группе присоединился Бор, привнесший квантовую теорию в субатомную вселенную. Через короткое время разгорелась Первая мировая война (1914-1918), отголоски этого конфликта потрясли и научный мир: погибли многие выдающиеся и подающие надежды ученые, перед лицом боевых действий научные проекты развеивались как сон, рушились здания и оборудование, сокращалось финансирование, раскалывались рабочие группы...

Марсден, сотрудник Резерфорда, эмигрировал в Новую Зеландию в 1914 году. Резерфорд подергал за нужные ниточки, чтобы в Новозеландском университете Марсдена без проблем приняли профессором физики. Однако прежде чем покинуть Соединенное Королевство, он до последнего работал над серией экспериментов своего руководителя. Последний опыт, который он осуществил перед отъездом, заключался в бомбардировке атомов азота в газообразном состоянии альфа-частицами. На этот раз Марсден наблюдал, как из ядра выделились частицы, которые он не смог идентифицировать. В начале он подумал, что перед ним новый вид радиоактивных пучков, которые могли бы дополнить собой уже известные альфа-, бета- и гамма-излучение. В этом месте его исследования внезапно прервались, так как ему нужно было отправляться на фронт.

РАССЕЧЕНИЕ ЯДРА

Резерфорд, однако, не был удовлетворен этой предварительной гипотезой. Интерпретация Марсдена не убедила его, поэтому он попросил позволения продолжить его эксперименты. После некоторого усовершенствования экспериментальной системы Резерфорд повторил бомбардировку газа азота альфа-частицами и смог убедиться, что экран мерцал под воздействием не- идентифицированных частиц. Он понял, что это не новый вид излучения, а ядра водорода (имеющие положительный заряд). Таким образом, гипотеза Марсдена была ошибочной, но открытие требовало понимания происхождения данной эманации. Все сошлось, просто и очень гармонично, когда выяснилось, что эманация исходила от самого ядра атома азота. В ходе данного процесса атомы азота одновременно трансмутировали в кислород. На его глазах происходил необычный, хотя и довольно малоэффективный пируэт: только одна из 300 тысяч альфа-частиц превращала азот в кислород. В любом случае речь шла о значительном количестве, в связи с низкой плотностью атомов азота, поскольку азот был в газообразном состоянии.

Эрнест сделал вывод, что альфа-частицы сталкивались и поглощались ядром азота. В результате ядро становилось нестабильным, поэтому некая частица должна была испускаться ядром, для того чтобы стабилизировать его. Этими частицами, вылетающими из ядра и имеющими положительный заряд и характеристики, идентичные ядру водорода, были те, которые сегодня называют протонами. Впервые в истории удалось идентифицировать частицы, составляющие ядро. Наименование "протон" было официально утверждено в 1920 году.

Протоны идентифицируют атом, электроны персонифицируют его.

Билл Брайсон (р. 1951), британский писатель

Если окинуть взглядом периодическую таблицу, мы увидим, что кислород и водород находятся в смежных ячейках.

Можно сказать, их разница заключается в одном-единствен- ном протоне. Сегодня расчеты в эксперименте Резерфорда можно представить так: вначале к азоту добавлялись два протона от альфа-частиц, а затем отнимался тот, который сразу же испускался. Не более чем простая вычислительная операция, но чтобы сделать этот вывод, требовалось глубинное понимание материи. Резерфорд применил свой обычный метод к разработке и выполнению экспериментов, так что их интерпретация была окончательна и однозначна, он сумел подтвердить некоторые свои догадки относительно атомов. Итак, впервые удалось идентифицировать положительный заряд атомов с помощью протонов. Число протонов в ядре атома определяет тип элемента, к которому относится атом (увеличение или уменьшение этого числа меняет природу данного элемента). Все это также означало, что удалось извлечь содержимое ядра, пусть пока был отделен лишь мельчайший его фрагмент. Результат достигался искусственным путем с помощью бомбардировки альфа-снарядами. То есть впервые в истории трансмутация элементов была выполнена искусственным путем.

В декабре 1917 года Резерфорд писал Бору, сообщая об этих новых открытиях:

"Я получил результаты, которые, думаю, должны иметь большую важность. Я обнаружил и сосчитал самые легкие атомы, двигающиеся под воздействием альфа-частиц. Результаты проливают свет на характер и распределение ближайших к ядру сил [...].

С помощью такого метода я пытаюсь рассечь атом... Мои наилучшие пожелания и поздравления с наступающим Рождеством".

Ближайшие сотрудники Резерфорда уже знали о его открытии, но чтобы донести новость до научного сообщества, требовалось дождаться окончания запрета на публикации. Запрет распространялся на срок всего вооруженного конфликта, чтобы результатами исследований не воспользовался противник. Резерфорд опубликовал серию статей в престижном научном английском журнале Philosophical Magazine. В заключение статьи "Столкновения альфа-частиц с легкими атомами" говорилось следующее:

"Принимая во внимание полученные к настоящему моменту результаты, нельзя не прийти к выводу, что большая часть атомов, возникающих при столкновении альфа-частиц с азотом, являются не атомами азота, а, скорее, атомами водорода [...]. Если это справедливо, нам следует заключить, что под действием сил от ближайшего столкновения с быстрой альфа-частицей атом азота распадается и высвобождается атом водорода, являющийся составной частью азота".

В этой же статье высказаны некоторые провидческие мысли касательно дальнейшего развития науки:

"Если для грядущих экспериментов возможно использование альфа-частиц или сходных снарядов, обладающих большей энергией, то ожидаемым результатом будет расщепление ядра большинства атомов наиболее легких элементов".

Резерфорд мог предвидеть, что экспериментальная физика будет ориентироваться на ускорители частиц. Но война затормозила развитие науки. Пришлось ждать более десятилетия, чтобы эти идеи воплотились в жизнь.

Пресса с готовностью отозвалась на данную публикацию, развивая идею, что субатомный мир таит в себе невероятное количество энергии, которая рано или поздно станет доступной. Во многих газетах, в частности в New York Times, писали:

"По теплу, высвобождающемуся при распаде, нам известно, что количество энергии в ядре (...) в миллионы раз больше, чем количество энергии, выделяемой при любой химической реакции или при горении угля".

------------начало врезки-------------

АЛЬФА-ЧАСТИЦЫ И АЗОТ

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов (то есть они аналогичны ядрам гелия). Направленные на ядра азота, имеющего семь протонов, протоны альфа-частиц могут сталкиваться с ядром атома и на время встраиваться в него. Тогда в ядре уже девять протонов. По завершении распада восемь протонов соединяются, формируя ядро атома кислорода, а еще один протон испускается. Процесс, затрагивающий количество нейтронов, хотя в ту эпоху они еще не были открыты, можно выразить следующей формулой:

14_7N + 4_2He → 17_8O + 1_1p

(Нижний индекс элемента обозначает атомное число или количество протонов, верхний указывает на количество частиц в ядре, то есть это сумма протонов и нейтронов. См. Приложение А.)

Ядро азота состоит из сами протонов и сами нейтронов. Альфа-частицы несут в саба два протона и два нейтрона. В качестве продукта реакции возникает атом кислорода (О), имеющий восемь протонов и девять нейтронов, еще один протон (р*).

Открытие Резерфорда давало "практически неисчерпаемый источник энергии, который изменит все, что мы знали раньше".

В то время Резерфорд работал на флот Соединенного Королевства и чередовал исследования с длинными, скучными заседаниями. Однажды, извиняясь за свое отсутствие, он отправил следующую телеграмму: "Если мне удалось (и имеются основания думать так) расщепить ядро атома, для меня это имеет гораздо большее значение, чем война". Резерфорду удалось отделить небольшой фрагмент ядра атома, пока мир был охвачен войной.

ПЕРВАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА

Пока Австро-Венгрия захватывала Сербию, Германия решительно надвигалась на Францию, так что вскоре неприятель оказался у ворот Парижа. Тогда началась позиционная, стоившая жизни миллионам молодых людей война, в которой продвижение на несколько метров обходилось огромными человеческими и материальными потерями. Французские поля были усеяны трупами, стремительно росло число жертв, которое по подведенным итогам составило девять миллионов.

Эту способность убивать и разрушать войскам давала новая военная техника, в основе которой были последние научные достижения. Фриц Габер, немецкий ученый еврейского происхождения, создал так называемый горчичный газ, ставший одним из самых страшных изобретений за всю историю. Этот имевшийся на вооружении немецкой армии газ провоцировал ужасные ожоги и волдыри. Когда через несколько десятилетий к власти пришли нацисты, Габер был вынужден бежать из Германии и в конце концов обосновался в Палестине. Резерфорд был космополитом, но не простил ему изобретение смертоносного газа и отказался от всякого общения с Габером, хотя тому пришлось туш в его собственной стране.

Однако достижения науки имели не только разрушительный эффект. На французском фронте Мария Кюри и ее дочь Ирен использовали рентгеновский аппарат. Радиография позволила устанавливать более точные диагнозы и уточнять состояния раненых. В годы войны удалось оборудовать передвижными аппаратами 20 автомобилей "рено". Считается, что в этот период было сделано около миллиона радиографий.

В войну университеты не работали. Парижская Высшая нормальная школа была переоборудована под госпиталь. В Оксфорде осталось нескольких сот студентов. В Манчестерском университете катастрофически сократилась численность команды Резерфорда. Молодежь была отправлена на фронт, хотя со временем военное командование осознало, что некоторые ученые принесут больше пользы в лаборатории, чем в окопе. Как бы то ни было, война прервала многообещающие научные проекты и карьеры, и в большинстве случаев навсегда.

НАУКА, И НА ВОЙНЕ ТОЖЕ

"Война заставила науку отправиться на фронт",— так очень емко высказался Джордж Эллери Хейл (1868-1938). Действительно так, и не стоит рассматривать это только с негативной позиции. До начала войны академические центры работали независимо от промышленности и правительства. После Первой мировой все изменилось навсегда: исследования стали получать щедрые инвестиции и поддержку государства. Установилась близкая связь промышленности с академическими учреждениями, научные исследования начали представляться двигателем экономики и инновации. Ветры войны сделали мир таким, каким мы знаем его сегодня.

С другой стороны, горячка войны оставила заметные шрамы в отношениях между учеными стран Антанты и Тройственного союза. Исследователи, недавно работавшие вместе, неожиданно оказались в разных лагерях и включились в проекты, предполагавшие уничтожение противника. Война с ее националистическими лозунгами и патриотическими призывами стала драматичным моментом на пути развития науки.

Варварство, которому предавалась немецкая армия на французских землях, порицалось во всем мире. В ответ на критику в Германии возникла группа, объединившая 93 немецких интеллектуалов и ученых; среди них выделялся Макс Планк, который в конце концов вышел из ее состава. Группа разработала манифест, вступившись за немецких солдат и отрицая пропагандистскую критику. Большинство были уверены в честности солдат, многие из которых получили прекрасное образование, поэтому не представлялось возможным, чтобы эти самые солдаты были способны на разрушения и убийства, им приписываемые. После войны конфликтные встречи немецких, с одной стороны, и французских и английских ученых, с другой, закончились исключением немецких ученых из основных европейских научных организаций.

Были и те ученые, кто пытался навести мосты, восстановить совместные международные проекты, свойственные научной мысли. Несмотря на постоянные призывы уволить из английских и французских учреждений исследователей немецкого происхождения, руководители вроде Томсона, еще занимавшего пост директора Кавендишской лаборатории, не обращали на них никакого внимания.

Некоторые лучшие сотрудники Резерфорда были немецкого происхождения, среди них Ханс Гейгер и Отто Ган, с которыми он продолжал общаться. Гейгеру он писал, что очень хочет, чтобы война не нарушила связи, которые они всегда поддерживали. Наука вне границ, поэтому в 1926 году, когда Резерфорд уже был президентом Королевского общества, он сделал все возможное, чтобы прекратить травлю немецких ученых.

Отто Ган принимал участие в проекте по созданию смертельного горчичного газа, Гейгер был ранен и, пройдя курс лечения, вновь вернулся на войну. К счастью, он уцелел на фронте. Кроме того, Гейгер как мог старался помочь иностранным ученым, которых, например Джеймса Чедвика, преследовали в Германии. Учившийся у Резерфорда Чедвик получил стилендию для продолжения обучения в Германии с Гейгером.

ДЖЕЙМС ЧЕДВИК

Чедвик родился в Манчестере, учился в Кембридже, а затем и в университете родного города, где познакомился с Резерфордом. Благодаря контактам Резерфорда с Гейгером, Чедвику удалось получить работу в Берлинском техническом институте. Когда началась Первая мировая война, Чедвика обвинили в шпионаже и отправили в концентрационный лагерь. После войны Резерфорд поселил его в своем доме и нашел ему работу в Манчестере. Позже специально для Чедвика он придумал должность ассистента директора Кавендишской лаборатории. В обязанности Чедвика входило освобождение Резерфорда от административной работы, что он мог чередовать с собственными исследованиями по бомбардировке атомных ядер альфа-частицами. В 1932 году Чедвик приступил к изучению бериллия, вдохновившись трудами семейной пары Ирен Кюри и Фредерика Жолио. В результате Чедвик обнаружил нейтрон, еще одну важную составляющую ядра атома. Нейтроны превратились в новый инструмент для исследований. Так как нейтральный заряд делает их "невидимыми" для воздействия электрических полей, это позволяет им с большей легкостью сталкиваться с атомными ядрами. За эту работу Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году, после чего он решил переехать в Ливерпульский университет, где ему обещали построить циклотрон. Однако эту идею не одобрял Резерфорд (циклотрон был американской разработкой, а ученые Старого Света с неприязнью смотрели на любые предложения из США). Чедвик участвовал в разных проектах, исследовавших возможность создания атомной бомбы. В 1945 году он был посвящен в рыцари, а в следующем году занял пост советника комиссии по атомной энергии Организации Объединенных Наций. Джеймс Чедвик умер 24 июля 1974 года.

Однако вскоре эта стипендия обернулась для него кошмаром. В начале войны его арестовали и отправили в концентрационный лагерь, раскинувшийся на месте бывшего ипподрома недалеко от Берлина. Там в заключении он провел три года. Это тягостное испытание не остановило его безудержную тягу к исследованию радиоактивности. Он нашел источники радиации и устроил импровизированную лабораторию, используя бытовые продукты, вроде зубной пасты с частицами тория. Радиоактивность в то время была брендом, так как ничего не было известно об опасности ее воздействия. Содержащийся в продуктах торий Чедвик использовал как источник радиации наравне с прогорклым сливочным маслом. Кроме того, его поддерживал Гейгер, старавшийся хоть как-то скрасить его заключение.

СМЕРТЬ НА ФРОНТЕ

Физик и химик Генри Мозли (1887-1915) был одним из самых блестящих ученых своего поколения, хотя полностью раскрыть свой талант он не успел, так как погиб на фронте. Мозли происходил из богатой британской семьи и очень рано вывел один из основополагающих принципов, скрытых в периодической таблице. Сам он сформулировал принцип так:

"У атома имеется фундаментальное качество, пропорционально увеличивающееся при переходе от одного элемента к следующему. Этим качеством может быть только положительный центральный заряд ядра".

Идеи Мозли предшествовали открытию протона Резерфордом, очевидно, что Резерфорд принимал их в расчет, когда в конце концов смог обнаружить частицу.

Это доказывает, что внутреннее строение всех атомов схоже, на основании этих результатов можно узнать нечто большее о том, из чего состоит атом.

Генри Мозли о понятии атомного номера

Мозли пришел к выводу, что если наблюдать длину волны рентгеновских лучей, испускаемых атомами, она находится в прямой зависимости от числа положительных зарядов, которое в итоге стало называться атомным номером (обозначаемым буквой Z). Разница в количестве протонов отличала один элемент от другого и определяла физико-химические свойства элемента. Таким образом атомное число заменяло атомный вес, который химики прежде использовали как отправную точку при идентификации элемента, влияющую на его химические характеристики.

Война началась, когда Резерфорд и Мозли были на симпозиуме в Новой Зеландии. Мозли представили научному сообществу как исследователя с большим будущим, после чего он должен был немедленно вернуться в Великобританию и присоединиться к армии. Резерфорд, по возрасту не подлежащий призыву, посвятил себя научным проектам, за которые удостоился нескольких премий, а также читал лекции. Он связался с некоторыми влиятельными людьми, чтобы добиться скорейшего возвращения своего ученика с фронта в лабораторию. Имелся весомый практический довод, который должен был убедить всех, почему эти молодые ученые, и Мозли в их числе, не должны отправляться в окопы. Впервые ход войны зависел от научных открытий, эффективно развивающих военные технологии, необходимые для победы.

Резерфорд говорил с влиятельными армейскими начальниками. Наконец, ему удалось объяснить, что Мозли принесет больше пользы своей стране в лаборатории, чем на поле боя, и тогда для него выписали разрешение покинуть фронт. К несчастью, было слишком поздно. В сражении при Галлиполи Мозли погиб. Пуля пробила ему голову, когда он склонился над телефоном (одним из недавних изобретений, используемых для военных целей), чтобы просить о помощи. Резерфорд горько сожалел об этой утрате: "Это национальная трагедия", — говорил он.

НА КОРОЛЕВСКОМ ФЛОТЕ

Резерфорд принял предложение возглавить отделение Королевского флота по разработке защиты от субмарин. В условиях блокады, наложенной союзниками, для немцев субмарины стали спасением. Они могли торпедировать и потопить любое судно, поэтому задача их обнаружения была приоритетной.

Британское военное командование без энтузиазма принимало предложения, поступавшие от академического мира, не было сделано исключение и для Резерфорда. Ему приходилось участвовать в долгих заседаниях, а с его мнением не считались. Однако обнаружение субмарин не было чисто британской проблемой. Французы и американцы также еще не имели технологической возможности обнаруживать субмарины.

Резерфорд направил все усилия на решение порученной ему задачи, хотя его советы пропадали впустую. Для исследований он приспособил лабораторные резервуары с водой и целые дни проводил на море, тестируя свои идеи на маленьком судне, единственном, что было ему предоставлено для проведения работ. В его лаборатории не было инструментов для калибровки подводных микрофонов, и тогда он пригласил одного обладавшего хорошим слухом лингвиста из университета. Резерфорд держал за ноги погрузившегося в воду лингвиста, а тот внимательно вслушивался в звуки.

После двухлетнего кропотливого изучения трудов по акустике, написанных лордом Рэлеем, Резерфорд, наконец, изобрел гидрофон. Этот аппарат, на который он получил свой первый и единственный патент, позволял улавливать звуки под водой, а значит, обнаруживать присутствие субмарин. Гидрофон основывался на пассивном методе обнаружения, при котором для превращения звуковых сигналов в электрические использовались пьезоэлектрические материалы. Несмотря на ограничения — шум машинного отделения корабля не позволял его использовать, необходимо было останавливать двигатель — ею широко применяли в конце Первой мировой войны.

В 1917 году делегация во главе с Резерфордом прибыла сначала в Париж, чтобы поделиться этим достижением с союзниками. Там он встретился со своим старым другом Лан- жевеном, также работавшим над проблемой обнаружения субмарин, и с Марией Кюри (которая состояла с Ланжевеном в сентиментальных отношениях, что вызвало скандал в обществе). Затем делегация направилась в США, где Резерфорд смог продемонстрировать преимущества своего изобретения американцам (у которых были экономические и материальные средства, но в научном плане они серьезно отставали). Одним из консультантов американской группы был постаревший Томас Алва Эдисон.

Резерфорд захотел улучшить свое изобретение, когда понял, что при использовании активной системы, которая могла бы испускать звуки с достаточной энергией, звуковые волны отталкивались бы от движущихся в воде тел. Так был разработан предшественник сонара, а идеями Резерфорда американцы действительно воспользовались, и в ходе Второй мировой войны топили немецкие корабли с помощью сонаров.

Меня очень хорошо принял старик, который был воодушевлен, как школьник.

Резерфорд о встрече с Эдисоном в Соединенных Штатах

Разочарование британскими военными и отсутствие экономической поддержки для развития идей способствовали нарастанию скептицизма Резерфорда, в результате он вернулся к традиционным направлениям своих исследований.

ВОЗВРАЩЕНИЕ В КАВЕНДИШ

Во время войны Кавендишская лаборатория, которой все еще руководил Томсон, была передана в распоряжение военного учреждения. Были прекращены занятия и закрыты проекты, так что в конце войны стояла трудная задача снова сделать лабораторию эпицентром научной жизни. Томсон принял должность в другом университете, и его кресло освободилось. Из кандидатур, рассматривавшихся в качестве преемника Томсона, Резерфорд был лучшим.

В 1919 году Резерфорд закончил учебный год в Манчестере и вернулся в Кавендишскую лабораторию. Он возвращался, будучи директором и нобелевским лауреатом, имея на счету самые памятные научные открытия своей эпохи.

Резерфорду предстояла сложная задача. С одной стороны, ему было необходимо финансирование, и в целом он получил его от государства в результате пробужденного войной интереса к науке. При этом он даже мог разорвать отношения с некоторыми частными спонсорами, считая, что наука должна избегать излишеств. Он выдерживал строгость как характерную черту своего научного центра, что иногда встречало непонимание сотрудников. Его собственная карьера была примером того, как далеко можно зайти при достаточно скромных средствах. С другой стороны, как раз тогда у ученого появились еще большие потребности. Новые исследования требовали значительных финансовых затрат на приобретение инструментов. Резерфорду необходимо было время, чтобы убедиться: для разгадки тайн атомного ядра нужны деньги и оборудование.

Как директор лаборатории Резерфорд должен был заниматься возросшим количеством студентов, исследователей, расширять имеющиеся помещения и структуры. Несмотря на это он уделял время своей команде исследователей, решал все вопросы и оказался прекрасным руководителем. Он был очень требователен к результатам, но в то же время вдохновлял сотрудников на дальнейшую работу. Таким образом он получал максимальную отдачу, вкладываясь в своих студентов. У него всегда была способность окружать себя лучшими учениками и исследователями, и те, кто были рядом с ним, неизбежно становились лучшими. Это был "питомник" для будущих Нобелевских лауреатов.

В тот период было необходимо позаботиться об исследователях, пытавшихся наладить жизнь после войны. Резерфорд занимался этим, и нередко требовалось его личное вмешательство. Чедвик — один из таких людей, и Резерфорд его очень высоко ценил. После окончания войны Чедвик освободился из заключения в концентрационном лагере, но его физическое состояние было тяжелым, и он находился в глубокой депрессии. Ему было только 27 лет, но он не видел никаких перспектив. Резерфорд взялся за него, и через десятилетие Чедвик обнаружил нейтрон и стал нобелевским лауреатом.

У нас нет денег, поэтому нам надо думать.

Эрнест Резерфорд

В звездной команде Кавендишской лаборатории этой эпохи не хватало математика. Развитие квантовой физики основывалось на математических абстракциях, требовавших умения выполнять сложные математические расчеты. Резерфорду был нужен математик, и он нашел место в лаборатории для одного из лучших математиков Кембриджа, Ральфа Говарда Фаулера.

Миссия нового сотрудника заключалась в математическом выражении теорий квантовой физики, над которыми работали Бор, Гейзенберг и Шредингер. Этот математик, служивший во время войны в артиллерии, даже стал членом семьи Резерфордов, когда в 1921 году женился на Эйлин. Вместе с Фаулером к проектам Резерфорда в Кавендишской лаборатории были привлечены Патрик Мейнрад Стюарт Блэкетт, Джон Кокрофт, Эрнест Уолтон и Петр Капица.

Когда Резерфорд возглавил Кавендишскую лабораторию, он оказался погруженным в административную работу, что принципиально отразилось на его исследованиях. Хотя он поддерживал собственную исследовательскую программу, большую часть времени отнимало руководство, а также обрушившаяся на него лавина международных премий и почестей.

Ему нужно было постоянно и на длительное время уезжать туда, где требовалось его присутствие. Среди почестей, которых он был удостоен, самыми важными являются назначение на должности президента Британской ассоциации научного развития (1923) и президента Королевского общества (1925). Свалившаяся на него ответственность снизила его научную активность: после невероятного ритма ежегодных публикаций настал период, когда издания практически прекратились.

Одна из немногих оригинальных научных теорий, которой Резерфорд занимался в 1920-е годы, оказалась ошибочной. Он считал, что само атомное ядро состоит из более мелкого ядра, вокруг которого вращаются субчастицы. То есть внутри ядра он надеялся обнаружить воспроизведение в меньшем масштабе строения атома, как будто бы речь шла о матрешке. Бор критиковал эту теорию, и в конце концов Резерфорд признал очевидность факта своей ошибки.

Пришел ли в это время закат его блестящей карьеры? Был ли это момент, когда Резерфорду можно было воздавать почести за его заслуги, но и не ожидать ничего большего? Его созидательная способность и энергичность не позволили его карьере сойти на нет. Уже в 1920 году на Бейкерианской лекции он показал, что еще способен на искры гениальности и может делать невероятные для своей эпохи открытия.

ИСТОРИЯ КАВЕНДИШСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Лаборатория была основана в 1874 году в разгар Промышленной революции, в момент острейшей экономической конкуренции между Соединенным Королевством, Германией и Францией. В тот период существовало убеждение, что молодежь нужно готовить к проведению опытов и практическому применению научных идей, и способствовать таким образом развитию новых отраслей промышленности. В Берлине уже существовала лаборатория экспериментальной физики, когда Генри Кавендиш, герцог Девоншира и фабрикант, согласился финансировать кафедру в Кембридже, получившую его имя. Первым директором Кавендишской лаборатории стал блестящий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, благодаря которому лаборатория была оснащена необходимым для работы оборудованием. Одна из целей состояла в стандартизации единицы измерения электрического сопротивления, и это исследование прославило лабораторию как учреждение, где приоритет отдавался решению практических задач. Максвелл умер через пять лет, на посту директора его сменил лорд Рэлей, наметивший курс экспериментальной физики, ставшей осью для всего учреждения. Рэлей ушел в отставку в 1884 году, и на его место пришел молодой малоизвестный физик и математик Дж. Дж. Томсон, при котором в лаборатории центральной темой стало раскрытие тайны атома. Несмотря на то что центр существовал в непростых экономических условиях — финансирование шло только от записи студентов, без государственного обеспечения, — лаборатория продолжала привлекать самых блестящих ученых. Резерфорд, ставший преемником Томсона в 1919 году, не имел серьезных финансовых проблем, так как лаборатория получила государственную поддержку. После него в 1938 году директором стал Уильям Брэгг, при котором развивалась рентгеновская кристаллография — фундаментальная техника, позволившая сфотографировать молекулу ДНК, что привело к разгадке ее структуры двойной спирали. В 1954 году под руководством Невилла Мотта начались исследования конденсатов. А в 1971 году, когда директором стал Брайан Пиппард, произошло значительное расширение лаборатории. А с 1984 года Сэм Эдвард направил усилия лаборатории на изучение мягкого конденсированного вещества. С 1995 года директором лаборатории является Ричард Френд, эксперт по инженерии углеродных полупроводников.

Кавендишская лаборатория Кембриджского университета просматривается за озером.

Вторая Бейкерианская лекция прошла практически незаметно, в том числе и для научного сообщества. Фредерик Жолио, супруг Ирен Кюри, позже признавал, что не поехал на эту лекцию, так как ожидал от нее "обычной демонстрации ораторского искусства без новых идей". Но это было далеко от правды, и, как мы увидим дальше, отношение самого Жолио к этой лекции стоило ему Нобелевской премии.

На лекции Резерфорд предвосхитил некоторые достижения науки последующих лет. Среди его прогнозов, полностью оправдавшихся, можно вспомнить, например, существование "более тяжелого" водорода с ядром с двойной массой обычного водорода, но имевшего строение с одним электроном. Дейтерий — так называется изотоп водорода — был открыт через 11 лет. Также он говорил о гипотетическом существовании более легкого изотопа гелия, который открыли через несколько лет. Но, несомненно, провидческой эту лекцию делает тот факт, что за десять лет до открытия он рассказал о нейтроне.

ЧЕДВИК И НЕЙТРОН

Резерфорд описал следующими словами характеристики нейтрона, ядерной частицы, которую до того момента никто не мог обнаружить:

"Весьма вероятно, что электрон вблизи ядра формирует некий нейтральный дублет. У этого атома были бы новые свойства. Его внешнее поле было бы практически нулевым, за исключением зоны, близкой к ядру, и он мог бы свободно перемещаться в материи. Обнаружить спектроскопом его было бы очень трудно, также невозможно удержать его в закрытом сосуде. С другой стороны, он может свободно входить в структуру атомов, присоединяться к ядру или дезинтегрироваться его интенсивным полем, освобождая место заряженному атому водорода, электрону или и тому и другому".

Как предсказывал Резерфорд, нейтрон не имел электрического заряда и мог легко проникать в атомную структуру. Ученый описывал его как соединение протона и электрона, что в результате давало частицу с массой, аналогичной протону (масса электрона в сравнении представляется незначительной), и нейтральным электрическим зарядом.

Чедвик нацелил часть своих исследований и экспериментов на обнаружение этой частицы. Он ставил все возможные опыты. "Я проводил некоторые абсурдные эксперименты", — говорил он позднее, хотя затем добавлял: "Но самые абсурдные ставил Резерфорд". Несмотря на это первоначальное впечатление, после долгих лет работ и знакомства с экспериментами немецких и французских коллег его усилия были вознаграждены результатами.

Мать всегда говорила нам, что важно серьезно работать, быть независимыми и не искать только развлечений. Но она никогда не говорила, что наука должна быть единственной стезей, которой нужно следовать в жизни.

Ирен Кюри

В 1928 году немецкая команда, состоявшая из Вальтера Боте и Герберта Бекера, использовала альфа-частицы полония, воздействуя на бериллий. В результате они получили излучение с сильной проникающей способностью и нейтральным зарядом. Хотя уверенности в этом не было, немецкие ученые убедили себя, что они наблюдали гамма-излучение.

Четыре года спустя дочь Марии Кюри, Ирен, и ее муж Фредерик Жолио решили исследовать излучение, обнаруженное немецкими учеными. Французы выяснили, что при воздействии этого нейтрального излучения на парафин возникают протоны. Было ли возможно, чтобы гамма-излучение, не имеющее массы (речь шла об электромагнитном излучении, таком как видимый свет, только обладавшем большей энергией), извлекало протоны из элемента? Здесь что-то не состыковывалось, но Фредерик и Ирен только отметили, что это могло быть связано с эффектом Комптона (согласно которому при воздействии фотонов на металлическую поверхность из нее начинают. выбиваться электроны). Энергетически это было некорректное предположение, так как масса протона несопоставима с массой электрона. Гамма-излучение не могло вызвать такой эффект.

Снова наблюдалось несоответствие.

Чедвик получил известия о результатах немцев и французов. После их обсуждения с Резерфордом он был уверен, что где-то закралась ошибка. Тогда Чедвик принялся ставить те же эксперименты, чтобы обнаружить ошибку, он также увеличил количество целей, на которые воздействовал альфа-лучами, и использовал не только парафин, но и бериллий (см. рисунок). Сравнительные результаты, а также тот факт, что появляющееся излучение могло проникать в свинец, убедили его в том, что излучение состояло из нейтрально заряженных частиц с массой, подобной массе протона. У него было очевидное преимущество перед немцами и французами, его учитель предсказал существование нейтронов, и на эту тему они вели беседы неоднократно. Это позволило ему идентифицировать эти частицы, едва увидев их. Фредерик Жолио и Ирен Кюри не сталкивались прежде с такими частицами и не могли правильно интерпретировать информацию (что стоило им Нобелевской премии). И вот атомная головоломка казалась снова разгаданной. В 1932 году Чедвик опубликовал статью в журнале Nature "Возможное существован нейтрона*, в которой описал свое открытие.

Комментируя свой провал, Фредерик Жолио говорил, что хотя научный мир не знал об идеях Резерфорда, они всегда хранились в Кавендишской лаборатории, и именно это преимущество стало решающим для Чедвика, экспериментально доказавшего существование нейтрона. Ведь речь шла об ускользающей и трудно обнаруживаемой частице, именно в силу ее важной характеристики — отсутствия заряда. Говоря словами Фредерика Жолио:

В эксперименте Чедвика полоний используется как генератор альфа- излучения. Оно должно облучать бериллий, из которого будут вырываться нейтроны. Они попадут на мишень из свинца, а усилитель зарегистрирует количество попаданий.

"Старые лаборатории, имеющие долгую историю и традиции, всегда хранят тайные сокровища. Идеи, высказанные в прошлом нашими ныне живущими и умершими учителями, повторяются сотни раз, а затем наступает забвение. Но сознательно или подсознательно эти идеи проникают в мысли тех, кто работает в старых лабораториях, и периодически это дает свои плоды".

ОТ ПОЗИТРОНА К РАСЩЕПЛЕНИЮ ЯДРА

Фредерик Жолио и Ирен Кюри упустили прекрасную возможность получить Нобелевскую премию, и это случилось с ними не единожды. Британский физик-теоретик Поль Дирак (1902- 1984) предсказал существование позитрона в 1928 году. Через четыре года в 1932 году американский физик Карл Андерсон, изучая космические лучи с помощью пузырьковой камеры, открыл существование частицы, имевшей равную с электроном массу, но в то же время обладавшую положительным зарядом. Это был антиэлектрон, или, как в конце концов его назвали, позитрон, частица антиматерии Дирака. Андерсон смог наблюдать ее, когда понял, что при воздействии магнитного поля она имеет такую же траекторию, как электроны, но обладая такой же массой, отклоняется в другую сторону из-за наличия у нее положительного заряда. Ее масса идентична электрону, но их заряды противоположны. Аппараты Жолио — Кюри также обнаружили эту необычную частицу, но она вновь осталась незамеченной ими. После открытия супруги решили, что позитроны представляют интересное поле для исследований. Они вновь воспользовались полонием как источником альфа- частиц и начали бомбардировку алюминиевой пластины. В определенный момент испускались позитроны, но внимание ученых привлек другой факт: после прекращения альфа-излучения алюминий — в ходе воздействия на него превратившийся в фосфор — продолжал испускать радиацию. Они проверяли свой прибор вновь и вновь, но все работало верно. Таким образом им удалось искусственно трансформировать стабильный материал, каким был алюминий, в радиоактивный. В результате наблюдений они также пришли к выводу, что распад, который приводил к радиоактивности, мог быть источником электронов и позитронов (β+- и β-радиоактивность). На этот раз их усилия были вознаграждены Нобелевской премией по химии в 1935 году.

Открытие Чедвика, с другой стороны, привело к развитию исследований по расщеплению ядра, в котором нейтроны играют решающую роль. Отто Ган и Лиза Мейтнер, сотрудничавшие с Резерфордом, были первыми, кому удалось осуществить это. Расщепление ядра основано на бомбардировке нейтронами разных материалов, таких как уран, который выбрали, потому что он был самым распространенным в ту эпоху. Как предсказал Резерфорд, нейтрон с большей легкостью мог проникать в ядро, воздействие нейтрона приводило к делению и расщеплению первоначального ядра. Это высвобождало большое количество энергии, а в результате реакции вместо одного атома урана возникали два атома меньшей массы: барий и криптон (см. рисунок 1). Это вызвало большое удивление Отто Гана, так как оба элемента были значительно более легкими по сравнению с ураном. На самом деле когда Ган впервые обнаружил барий, он не знал, откуда взялся этот элемент. Но в беседе они с Мейтнер установили, что его происхождение было связано с бомбардировкой урана нейтронами.

Еще одним продуктом деления атома являются нейтроны, которые используются для расщепления многих других атомов урана. Таким образом, можно вызвать цепную реакцию радиоактивного распада (см. рисунок 2).

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ

Капица, Уолтон и Кокрофт... Эти имена связаны со строительством первого ускорителя частиц. Тогда и началась эпоха Большой науки, названная так по количеству и качеству задействованного оборудования, финансирования, а также сотрудничества и координации многочисленных научных групп.

Сам Резерфорд сказал в 1927 году на собрании Королевского общества: "Будущее за Большой наукой". Далее он отметил, что получение "электронов на большой скорости и атомов на большой скорости откроет необыкновенно интересное поле для исследований".

РИС. 1:

В процессе расщепления ядра уран бомбардируется нейтронами. Ядро разделяется на две почти равные части, образуя атом бария (Ва) и атом криптона (Kr).

РИС. 2:

Когда уран расщепляется нейтроном, кроме разделения атома на две части, возникают три нейтрона, которые, в свою очередь, могут вызывать расщепление трех атомных ядер. За несколько мгновений эта цепная реакция может высвобождать невероятное количество энергии, что положено в основу атомной бомбы.

Ускоритель стал необходимостью. Резерфорд, гений манипулирования естественными альфа-частицами в деле разгадки тайн атома, признавал, что этот метод исследования фундаментальных частиц достиг предела своих возможностей. Для получения дальнейших знаний было необходимо приложить к частицам большую энергию искусственным путем.

ГЕНЕРАТОРЫ

Секрет заключался в получении достаточной энергии для расщепления ядер атомов. Хотя первоначальные расчеты показывали, что количество энергии, необходимой для разделения ядра, получить невозможно, некоторые исследователи не пасовали перед этими пессимистичными оценками, и среди них был Петр Капица. Побывав в Кавендишской лаборатории в 1921 году, он остался работать с Резерфордом, и их сотрудничество длилось в течение 15 лет.

Это совершенно необыкновенный физик и весьма оригинальный человек.

Слова П. Л. Капицы, демонстрирующие его восхищение своим учителем Э. Резерфордом

Капица был очень активным и хорошо умел убеждать, так что на его проекты Резерфорд выделял большие суммы, чем на проекты других членов команды. Этот факт дифференцированного подхода к участникам группы вызвал не один возглас недовольства. При этом Капица устраивал неформальные встречи ученых для обмена мнениями. В его клубе царила расслабленная атмосфера, и именно здесь Чедвик впервые рассказал об открытии нейтрона. Капица состоял в отличных отношениях с Резерфордом и был одним из немногих, кто мог шутить и критиковать его идеи в его присутствии. Оба они разделяли одну концепцию науки и связи теории с практикой. Для Капицы "отделение теории от практики, от экспериментальной работы негативно сказывалось на самой теории". Капица ясно понимал, что для исследования материи нужно было получить очень интенсивные магнитные поля, для этого требовались мощные динамо-машины. Благодаря генерируемым магнитным полям можно было изменить траекторию любых частиц, имеющих электрический заряд. Он добивался самых мощных магнитных полей в свою эпоху, его результат смогли превзойти только через несколько десятилетий. Исследования Капицей магнитного поля были использованы Уолтоном и Кокрофтом для создания ускорителя частиц.

КОКРОФТ и УОЛТОН

Британский физик Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967), ассистент Капицы в лаборатории Монда, получил математическое образование и работал также в электропромышленности. Этот опыт сыграл важнейшую роль, когда он перешел в Кавендиш- скую лабораторию. Ирландский физик Эрнест Томас Синтон Уолтон (1903-1995) специализировался на гидродинамике. Он был восхищен исследованиями Резерфорда, и несмотря на то что ему не хватало опыта и необходимых знаний о строении атома, он был убежден, что ускоритель частиц станет величайшим проектом эпохи, поэтому хотел участвовать в нем. В 1927 году он показал Резерфорду одну из своих работ, связанную с цилиндрами и течениями воды, сделанную благодаря стипендии имени Всемирной выставки 1851 года (той, которую в свое время получил Резерфорд). Профессор убедился, что сотрудничество будет успешным.

Совместная деятельность Резерфорда, Кокрофта и Уолтона продолжалась пять лет, и ее целью было искусственное деление атома с помощью ускорителя частиц (см. Приложение Б). Сначала они работали вместе с Капицей и пытались ускорить электроны, используя высокое напряжение. Казалось, что для получения результата надо задействовать напряжение в несколько миллионов вольт, и задача выглядела недостижимой. Но Кокрофт прочитал работу советского физика и астрофизика Георгия Гамова (1904-1968), в которой говорилось, что достичь такой цели можно с меньшим напряжением. Гамов пришел к выводу, что учитывая квантовые феномены, частицы, которые априори не имеют достаточной энергии, чтобы вылетать из ядра согласно классическим законам физики, на самом деле могут достигнуть своей цели благодаря так называемому "туннельному эффекту". Цель команды стала реальной.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧАСТИЦ

Когда в 1932 году Чедвик открыл нейтрон, казалось, что был обнаружен последний фрагмент пазла. Найденная частица дополняла открытие электрона. сделанное Томсоном, и открытие протона, сделанное Резерфордом. Создалось впечатление, что открыты самые элементарные компоненты материи. Однако развитие ускорителей частиц в 1950-х привело к возникновению идеи, что ядерные частицы — протоны и нейтроны — имеют некоторую внутреннюю структуру. Это означало возможность существования более фундаментальных частиц. В 1964 году американский физик Марри Гелл-Ман в ответ на экспериментальные данные ввел понятие кварка. Дальнейшие исследования позволили установить, что имеется шесть типов (их еще называют "ароматы") кварков: верхний (u), нижний (d), очарованный (с), странный (s), верхний (t), нижний (b). Согласно Гелл-Ману. когда кварки объединены в триаду, они генерируют протоны и нейтроны (то. что называется также "барионной материей"). Например, комбинация двух верхних кварков и одного нижнего составляет протон; одного верхнего кварка и двух нижних — нейтрон (см. рисунок ниже).

Еще открытия

В любом случае кварки не были единственными элементарными частицами. открытыми тогда. В 1937 году исследование космического излучения позволило обнаружить новую частицу, которую назвали мю. или мюон. Так же как у электрона, у нее был отрицательный заряд, но она была в 200 раз тяжелее. В 1975 году к ней добавилась частица тау, также отрицательно заряженная, но в 3500 раз более тяжелая, чем электрон. Электроны, мюоны и частица тау стали называться пептонами. К этой группе также относятся три типа нейтрино, каждый из которых симметрично компенсирует предшествующие частицы: электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино. Кроме этих частиц, физики указали на существование частиц, появляющихся при взаимодействии частиц между собой. Самая известная из них — фотон, к которой нужно добавить глюон, возникающий при сильных взаимодействиях и объясняющий причину, почему ядерные частицы крепко связаны между собой и преодолевают электростатические силы отталкивания. Частицы, возникающие при взаимодействии, называют бозонами, к перечисленным бозонам нужно добавить бозоны W и Z, появляющиеся при слабых взаимодействиях (в таблице показаны эти "новые" элементарные частицы). Когда Резерфорд и Томсон приоткрыли завесу, скрывавшую элементарные частицы атома, никто не мог предположить, что за ней будет обнаружен кипящий котел частиц.

Уолтон и Кокрофт взялись за дело, и в 1928 году в подвал Кавендишской лаборатории стали приходить первые детали для ускорителя частиц. В этот период между несколькими лабораториями в разных частях света началась ожесточенная конкуренция.

В начале 1930 года насчитывалось не менее пяти участников в этой гонке за ускорением частиц и за возможностью продолжать разгадывать атомное ядро. Только в Соединенных Штатах, например, было несколько проектов, один из них под руководством Эрнеста Лоуренса в Калифорнийском университете.

ПЕТР КАПИЦА

Петр Леонидович Капица (1894-1984) родился в Кронштадте, его отец был военным, а мать учительницей. Он учился на инженерном факультете в университете Петрограда и пережил революцию. Его жена и двое детей умерли в 1918 году от ужасной пандемии гриппа, которая в тот год коснулась многих стран по всему миру. В 1919 году Капицу пригласили на работу в университет. Два года спустя его включили в университетскую делегацию, которая должна была проехать по всей Европе, собрать материалы и обменяться идеями с коллегами. Попав в Кавен- дишскую лабораторию, Капица остался работать с Резерфордом. Он получил докторскую степень в Кембридже в 1923 году и был назначен ассистентом директора по магнитным исследованиям. В 1929 году он стал членом Королевского общества. Капица открыто говорил о своей родине и поддерживал связь с Советским Союзом, ему удавалось совмещать успешную профессиональную карьеру и постоянные поездки домой. Резерфорд поставил ему только одно условие: запрет на разговоры о политике в лаборатории. Капица убедил Резерфорда в необходимости построить лабораторию для своих исследований. Резерфорд согласился использовать часть средств из бюджета Королевского общества на строительство, и в 1932 году началось возведение лаборатории Монда Королевского общества. На одной из ее стен Капица попросил изобразить крокодила в честь своего учителя, воплотившего в жизнь его мечты о блистательной научной карьере. На самом деле он и наградил этим ласковым прозвищем Резерфорда. В новой лаборатории Капица создал первый ожижитель гелия. В 1978 году это исследование принесло ему Нобелевскую премию за открытия в области магнетизма, жидкого гелия и физики низких температур.

Сталинский режим

В 1934 году по приказу Сталина власти запретили Капице выезд из страны и сообщили ему, что отныне его научная карьера будет развиваться на родине. Резерфорд развернул кампанию по возвращению Капицы, но советские власти дали ему безапелляционный ответ: "Несомненно, Кембриджу хотелось бы, чтобы один из величайших ученых в мире работал в его лабораториях, так же и Советскому Союзу хотелось бы иметь в распоряжении лорда Резерфорда". Капица был назначен директором Института физических проблем в Москве, туда он перевез все оборудование из своей лаборатории в Кембридже (фактически было перевезено все здание целиком, и в Кембридже затем построили его копию). В 1938 году на основании наблюдения за гелием, не имевшим вязкости, он открыл состояние материи, известное как сверхтекучесть. Также он изобрел аппарат по промышленному производству жидкого кислорода. Капица смог установить дружеские отношения со Сталиным, который пообещал ему, что его лаборатория будет иметь некоторые привилегии. Капица работал вместе со Львом Ландау, советским физиком, который смог объяснить сверхтекучесть с точки зрения квантовой теории. Однако когда в 1945 году Капица отказался участвовать в советском проекте разработки атомной бомбы, его сместили со всех постов. Только после смерти Сталина в 1953 году ученому удалось вновь занять место главы Института физических проблем. Капица умер в Москве в 1984 году.

Там началось строительство циркулярного ускорителя, который позже стал называться циклотроном. В Карнеги Мер- ле Туве планировал создать настолько большой ускоритель, что он не помещался ни в какое здание. Ему пришлось строить его несмотря на непогоду, в результате чего постоянно портилось оборудование.

Высокое напряжение должно было создать интенсивные электромагнитные поля, которые, в свою очередь, должны подтал кивать частицы к вступлению в поле действия. Эти частицы должны были двигаться к фиксированной цели, такой как тонкая металлическая пластина. В проекте Кокрофта — Уолтона под контролем Резерфорда ученые стремились достичь ускорения протонов, для того чтобы те сталкивались с литиевой пластинкой (самый легкий металл). Когда ускоренная частица ударялась об атомы, ее высокая скорость давала основания полагать, что некоторые из ее ядер испытывают воздействие. Не было понятно, удастся ли разделить ядро, как предсказывал Резерфорде 1917 году. Никто по сути не знал, будет ли эксперимент успешным, но все же существовало глубокое убеждение, что он откроет путь к более глубокому пониманию природы.

Посередине этой интенсивной и волнующей гонки Резерфорд перенес один из сильнейших ударов судьбы. В 1930 году во время родов четвертого ребенка умерла его дочь Эйлин. Эрнест так и не оправился после трагедии. Он быстро состарился и посвятил себя внукам. Его поездки за границу переносились или вовсе отменялись. Лаборатория и интеллектуальные занятия привлекали его, но уже в меньшей степени. Через несколько недель после смерти дочери он получил титул барона и стал именоваться лордом Резерфордом Нельсоном. На гербе по его желанию поместили изображения воина маори и птицы киви в память о его родине. Также он выбрал образ греческого бога Гермеса Трисмегиста, покровителя алхимиков, и девиз на латинском: Primordia quaerere rerum, что означает: "Доискивайся первоосновы вещей".

В это время Кокрофт и Уолтон начали осознавать, что им необходима большая разность потенциалов, чем они рассчитывали изначально. Их соперникам удавалось достичь напряжения более миллиона вольт, поэтому казалось, что они проигрывают. Однако пока никому не удалось расщепить атомное ядро, поэтому надежда оставалась. Резерфорд, со своей стороны, настойчиво требовал результатов. Кроме того, он подозревал, что его ученики намеренно откладывали начало испытаний, опасаясь провала.

В 1930 году циклотрон заработал под напряжением в 1,2 миллиона вольт. Причем с его помощью не удалось расщепить ни один атом. Аппарат Уолтона и Кокрофта представлял собой башню высотой 4,5 м, и вместе с генератором он с трудом умещался в подвале. В 1932 году они сообщили, что получили напряжение в 800 тысяч вольт и, по их расчетам, его будет достаточно для разделения атома.

Ирен Кюри и Фредерик Жолио, 1935 год. В этом году паре получила Нобелевскую премию.

Резерфорд (в центре), Уолтон (справа) и Кокрофт вместе работали в лаборатории над разрешением проблемы искусственного разделении атома.

Когда 14 апреля 1932 года Уолтон запустил ускоритель, других свидетелей первых проблесков, которые начала улавливать машина, рядом не было. Уолтон знал, что происходит нечто важное, и немедленно известил Кокрофта и Резерфорда, чтобы те посмотрели результаты. Резерфорд сразу же стал проверять природу вспышек и обнаружил, что это были альфа- частицы, его старые знакомые, вновь навестившие его. В этот момент Резерфорд сказал:

"Эти вспышки сильно напоминают альфа-частицы. Если кто и может идентифицировать вспышку невооруженным глазом, так это я, потому что присутствовал при самом ее рождении".

Альфа-частицы на самом деле были фрагментами лития, разделившегося на две половины. Аппарат улавливал альфа- частицы, которые, как мы говорили, состоят из двух протонов и двух нейтронов. Ускоритель частиц запустил протон на изотоп лития, состоящий из трех протонов и четырех нейтронов в ядре. При воздействии на литий первый протон поглощался ядром, так формировалось нестабильное ядро из четырех протонов и четырех нейтронов, начинался процесс дезинтеграции атома на две равные половины (см. рисунок на с. 140). Разделение оказывалось ровным, так что возникали две частицы, у каждой из которых имелось по два протона и два нейтрона. Это были альфа-частицы, улавливаемые детектором. Исследователям удалось разделить атомное ядро пополам.

Резерфорд потребовал, чтобы оба ученых немедленно написали научную статью с подтверждением открытия. Они первыми добились желанной цели, и никто не должен был их опередить в последний момент. Через две недели в журнале Nature было объявлено об открытии, Кокрофт и Уолтон утверждали:

"Блеск вспышек и плотность треков, которые наблюдались на камере расширения, дают основания полагать, что эти частицы являются обычными альфа-частицами. Если эта точка зрения верна, возможно, что изотоп лития с массовым числом 7 время от времени притягивает протон и получившееся ядро из восьми протонов разделяется на две альфа-частицы, у каждой из которых массовое число равно 4, а энергия — примерно восемь миллионов электрон- вольт. Эволюция энергии с этой точки зрения — примерно шестнадцать миллионов электронвольт из-за разделения, что примерно совпадает с ожидаемым, исходя из уменьшения атомной массы, задействованной в дезинтеграции".

ГЕНЕРАТОР КОКРОФТА — УОЛТОНА

Работа Кокрофта и Уолтона состояла в основном в создании большого генератора, то есть электрической цепи, дающей высокое напряжение при постоянном токе, начиная от низкого напряжения при переменном. С помощью этого генератора им впервые в истории удалось ускорить частицы до скорости, достаточной для разделения атома. Генератор состоял из сети в форме лестницы из конденсаторов и диодов, удваивающих напряжение. Эта система была очень эффективной и более экономичной, чем использование трансформаторов.

Эрнест Уолтон настраивает работу генератора Кокрофта — Уолтона детектором, на котором можно было производить наблюдение вспышек при разделении лития, 1940 год.

Ускоренный протон воздействует из ядро лития, возникает энергия, а ядро в тоже время разделяется на две равные части, идентифицированные как альфа-частицы.

По странному стечению обстоятельств через несколько недель в лабораторию должен был приехать Эйнштейн. Немецкий физик познакомился с Кокрофтом и Уолтоном, осмотрел оборудование. Именно для ядерных реакций было необходимо прибегать к формуле Е - mc^2, чтобы объяснить, как часть задействованной в начале процесса массы превращалась в энергию.

В течение нескольких лет Резерфорд не мог объявить о каком-либо значимом открытии, и вот он снова оказался на вершине. В том же году Чедвик сообщил об открытии нейтрона. Эти вехи развития науки всегда будут ассоциироваться с великим профессором.

КОНЕЦ ЭПОХИ

Резерфорд находился в авангарде передовых научных исследований в течение трех десятилетий и продолжал удерживать центральные позиции. Ему уже было за 60, и все же у него оставалась достаточно энергии и энтузиазма, чтобы приступить к изучению дейтерия, тяжелого водорода, прогноз о котором он дал когда-то давно, но открыт он был недавно. Резерфорд до сих пор переписывался с самыми значимыми учеными, среди которых были и представители нового поколения. Одно из убеждений, которые он настойчиво защищал именно в эпоху великих социальных и политических потрясений, заключалось в том, что научные идеи должны распространяться, сообщаться и передаваться. Научный дискурс по своей природе противоположен закрытости и упорству ура-патриотов. В основе науки лежит космополитизм.

В 1933 году Резерфорд участвовал в научном споре, касающемся возможного использования большого количества энергии, высвобождаемой при расщеплении атомных ядер. Он критически относился к возможности коммерческого использования этой энергии, так как для разделения атома было необходимо использовать невероятные количества энергии для ускорения частиц. С его точки зрения, этот процесс никогда не мог стать эффективным. Ему пришлось уточнить это мнение три года спустя, когда он понял, что нейтронам не требуется так много энергии для разделения ядра и для освобождения хранившейся внутри ядра энергии. "Было необходимо только, чтобы появился метод, позволявший производить медленные нейтроны в достаточном количестве, чтобы не тратить больше энергии". Однако на тот момент не существовало ничего отдаленно похожего.

НАЦИЗМ И НАУКА

Резерфорд был уверен, что сотрудничество является базой научного прогресса, и хотя он никогда не высказывал открыто свои политические взгляды, когда в 1933 году к власти в Германии пришел Адольф Гитлер, он понял, что политика по- настоящему угрожает его научным идеалам.

Эти трансформации атомов представляют необыкновенный интерес для ученых, но мы не можем контролировать атомную энергию до такой степени, чтобы она приобрела коммерческую ценность. Думаю, мы далеки от этого.

Эрнест Резерфорд

В Германии начали публиковать законы, запрещавшие евреям занимать должности в органах власти и других учреждениях. Университеты не стали исключением, так что многие коллеги Резерфорда были уволены из учебных заведений и исследовательских центров. Один из блистательных научных коллективов оказался в трудной ситуации и подвергался гонениям.

Нацисты не только преследовали еврейских ученых, но также старались уничтожить их научные идеи. Они хотели искоренить "еврейскую физику", в которой выделялась теория относительности Эйнштейна, чтобы защитить арийскую физику. Среди вдохновителей были Йоханнес Штарк (1874— 1957) и Филипп Ленард (1862-1947), требовавшие уничтожения книг еврейских авторов и публичного их сожжения.

Резерфорд лично помогал ученым. Так, он позаботился о том, чтобы Борна приняли в Эдинбургском университете, руководил Советом академической помощи, действовавшим как сеть, содействующая ученым по устройству в университетах за границей.

В эпоху обострившегося экономического кризиса и антисемитизма Эрнесту Резерфорду довелось столкнуться с множеством трудностей и непониманием соотечественников. Совету пришлось работать с 1300 просьбами о помощи.

СМЕРТЬ ГЕНИЯ

Резерфорд никогда не прекращал свои лекции, а также постоянно занимался внуками. Напряжение, в котором он непрерывно держал студентов и сотрудников Кавендишской лаборатории (что в прошлом приносило хорошие результаты), снижалось. Это имело неприятное следствие: ближайшие сотрудники покидали Резерфорда. После огромного успеха ускорителя частиц Уолтон согласился возглавить кафедру в Тринити-колледже. Чедвик, получивший в 1935 году Нобелевскую премию, решил отправиться в Ливерпульский университет, уставший от препятствий, которые чинил на его пути Резерфорд, не дававший ему построить циклотрон. Марку Олифанту, с 1927 года работавшему в лаборатории и принимавшему участие в искусственном разделении атомного ядра, в 1937 году было предложено возглавить лабораторию в Бирмингеме.

Узнав о его отъезде, Резерфорд только сказать: "Меня окружают неблагодарные коллеги". Несмотря на разочарование, которым для него становился каждый отъезд, Эрнест всегда поддерживал "своих мальчиков", как он их называл, давал им рекомендации и предлагал помощь в случае необходимости.

В 1937 году Резерфорд упал, когда подрезал дерево в саду. На боль наложилось общее недомогание: его постоянно рвало. Это была грыжа, обострившаяся от падения. Жена сначала пыталась лечить его народными средствами, но потом вызвала хирурга, который должен был сделать простую по тем временам операцию. Хотя казалось, что операция прошла успешно, его состояние ухудшилось. Конец был неизбежен, поэтому с помощью жены он написал несколько прощальных писем, одно из них — Чедвику. Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года.

Один из студентов однажды назвал Резерфорда "силой самой природы". Именно таким он оставался вплоть до конца. Смерть потрясла его коллег, сотрудников и почитателей. "Профессор умер", — эта фраза обошла все научные круги мира, и никто даже не уточнял, о ком шла речь. Бор находился на конгрессе, когда получил телеграмму от жены Резерфорда, и не мог сдержать слез, рассказывая ассистентам и коллегам о трагической развязке. Газеты, среди них New York Times, собрали целое досье его подвигов и достижений и опубликовали некрологи:

"Мало кому уготована честь обрести бессмертие, еще меньше людей достигают Олимпа при жизни. Лорд Резерфорд смог и то и другое. Он относился к поколению, ставшему свидетелем одной из величайших революций в истории науки, он был всемирно признан как лидер в области исследований необъятной и бесконечной сложности вселенной, находящейся внутри атома".

Пепел Резерфорда погребен в Вестминстерском аббатстве рядом с могилой Ньютона. Годы спустя резерфордий (Rf) занял 104-е место в периодической таблице: синтетический высокорадиоактивный элемент был впервые получен в 1964 году и назван в честь ученого.

Приложение А

Альфа· и бета-распад

Радиоактивный распад характерен для определенных элементов, у которых комбинация протонов и нейтронов, соединенных сильным ядерным взаимодействием, представляется энергетически нестабильной. Большинство элементов, имеющих более 81 протона, радиоактивны: то есть радиоактивность возникает в основном в тяжелых атомах, хотя и более легкие элементы, например углерод, имеют радиоактивные изотопы, как в случае с углеродом-14. Мы можем говорить о радиоактивности, потому что в названных элементах происходит спонтанное, не вызванное внешними причинами испускание субатомных частиц.

Чтобы представить последовательность превращений, происходящих внутри ядра атома во время радиоактивного распада, физики и химики используют два числа: атомное и массовое. Атомное (зарядовое) число обозначается Z и указывает на количество протонов в ядре. Каждый элемент характеризуется специфическим и уникальным Z например, 6 — атомное число для углерода, 14 — для кремния. Общее количество частиц в ядре, включающее в себя протоны и нейтроны, называется массовым числом, обозначаемым А. В итоге:

Z — количество протонов,

А — количество протонов и нейтронов (общее количество частиц в ядре),

A-Z— количество нейтронов.

Резерфорд открыл существование альфа-излучения и бета-излучения, α-частицы представляют собой ядра гелия (то есть они состоят из двух протонов и двух нейтронов). Когда элемент испускает альфа-частицу, это означает, что он теряет два протона, таким образом элемент изменяется, его атомное число уменьшается (-2), и происходит превращение элемента. Например, уран обладает 92 протонами, а когда он испускает альфа-частицу, то превращается в торий, обладающий 90 протонами.

Бета-распад (β) представляет собой внутренне более сложное физическое явление и возникает, когда нейтрон превращается в протон или наоборот. При этом взаимном обмене возникают новые частицы. Бета-распад подтверждает, что фундаментальные частицы, "хотя и имеют определенные свойства, не являются постоянными структурами, и одна из них может превращаться в другие".

Бета-распад классифицируется по двум типам в соответствии с механизмами распада: β -распад и β+-распад. При β -распаде электрон испускается непосредственно из атомного ядра, это не связано с ионизацией одного из электронов, составляющих электронное облако, окутывающее ядро. Один из нейтронов ядра (я) отделяется и превращается в протон (р*), остающийся в ядре, и электрон (е), который испускается. В ходе этого процесса возникает электронное антинейтрино (ν,). Процесс можно представить как:

n → р* + е- + ve.

При изменении числа протонов (+1) изменяется атомное число, и элемент становится другим. При этом массовое число не изменяется (атом теряет нейтрон, но получает протон). Именно это происходит с изотопом тория 234_90Th. После бета-распада, при котором испускается электрон, атом превращается в один из изотопов протактиния, который обозначается 234_91Ра.

Второй тип бета-распада обозначается β+-распад, при нем возникает позитрон (е*), который является античастицей, имеющей одинаковую с электроном массу и при этом отрицательный заряд. В данном случае ядро теряет протон, а вместо него появляются нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Это вновь означает, что количество частиц в ядре не меняется (вместо протона появляется нейтрон), но происходит трансмутация элемента, потеря протона заставляет его изменить химическую идентификацию. В ситуации с азотом 13_7Ν, который при испускании позитрона превращается в изотоп углерода, обозначаемый 13_6C, β+-распад можно представить так:

р+ → n + е+ + vе.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Гамма-излучение отличается от процессов альфа- и бета-распада тем, что при нем испускаются не частицы, а электромагнитное излучение, фотоны с высокой энергией. Гамма-излучение происходит на разных фазах радиоактивных процессов по разным причинам: например, когда ядерная частица переходит из возбужденного состояния в основное. При этом виде излучения не происходит изменения компонентов ядра (или атома). Однако, в связи с высоким уровнем энергии, возникающая радиация имеет существенный проникающий характер и наиболее вредна, так как способна вступать во взаимодействие с клетками и вызывать их изменения при взаимодействии с цепочкой ДНК.

ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

По своим характеристикам альфа-, бета- и гамма-излучение различаются по проникающей способности и ионизации. Так как бета-излучение состоит из электронов или позитронов, имеющих меньшую массу по сравнению с альфа-частицами, возникающая энергия приобретает больший момент силы. Альфа-излучение состоит из двух протонов и двух нейтронов и легко поглощается материей. Масса протона или нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона, таким образом вероятность столкновения и сила взаимодействия значительно больше. Это объясняет, почему проникающая способность альфа-лучей гораздо меньше. Гамма-излучение по сути не является потоком массивных частиц, это электромагнитная волна, похожая на видимый свет, но несущая значительно больше энергии.

На графике представлена тенденция по изменению атомного и массового числа, являющаяся результатом процессов альфа и бета-распада. В конце цели распада находится свинец (РЬ), его нерадиоактивный изотоп.

РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ

При радиоактивном распаде, как правило, получившиеся элементы тоже радиоактивны, так что после окончания первого распада начинается новый. На последнем этапе радиоактивной цепочки формируется стабильный элемент, цикл превращений останавливается. Известны три естественных ряда: ряд урана (см. рисунок), актиния и тория.

Приложение Б

Ускорители частиц

Устройства, которые называются ускорителями частиц, заставляют элементарные частицы, такие как протоны или электроны, воздействовать на другие частицы или атом в условиях абсолютного вакуума и высокой энергии. Изучение получившихся частиц и анализ энергии при столкновениях является важным источником информации для глубинного понимания структур материи. Кроме того, эти установки используются как источник излучения ("свет"), позволяющий анализировать и давать детальную характеристику любому виду материалов.

С 1930 года, когда был построен первый ускоритель частиц, технология этого вида устройств и установок не переставала развиваться (см. график). Самым очевидным параметром для совершенствования является увеличение энергии, воздействующей на частицы. Это необходимо, например, для воспроизведения условий, в которых формируется материя при процессах атомного расщепления в недрах звезд, или для открытия базовых составляющих. Кварки и лептоны, вероятно, не были бы открыты, если бы не существовало ускорителей частиц.

Ускоритель постоянного тока Уолтона и Кокрофта, основанный на преобразовании переменного тока, достиг энергии в 260 кэВ, был использован для бомбардировки и запуска протонов на фиксированную мишень, представлявшую собой литиевую пластинку. После воздействия атом лития разделялся на два альфа-луча.

На этой диаграмме Ливингстона показана эволюция технологии ускорителей частиц, в основном в отношении увеличения использованной энергии в прогрессии.

Генератор высокого напряжения Ван де Граафа, созданный в Массачусетском технологическом институте, также основан на явлении электростатики. Начало строительства датируется 1929 годом, а в 1933 году он уже был запущен в эксплуатацию. В нем используется диэлектрическая лента для накопления зарядов внутри сферы. На сегодняшний день ускорители Ван де Граафа очень популярны, а разность потенциалов в современных моделях достигает 20 МэВ.

Использование переменного тока позволило сделать качественный скачок в сфере ускорителей частиц. Американец Луис Альварес разработал знаменитый линейный ускоритель (LINAC) в 1948 году (см. рисунок 1 ). Линейный ускоритель основан на следующей схеме: из источника заряженных частиц, например из катода, вылетают частицы, и на них планируется воздействовать высоким напряжением. Для увеличения скорости генерируемого пучка частиц ускорение частиц происходит по нарастанию с использованием переменных электрических полей, воздействующих при прохождении заряженных частиц. Специфический вид ускорителя зависит от природы и характеристик частиц (являются ли они электронами, протонами, ионами...), а также от их масс, заряда и энергии, которую необходимо передать пучку частиц.

РИС.1

Частицы ускоряются в зазорах между трубками и в конца пути достигают большой скорости.

Также существуют циркулярные ускорители (см. рисунок 2) и синхротроны. Первый циклотрон был разработан американским физиком Эрнестом Лоуренсом в 1932 году. Через семь лет, в 1939 году, эта работа принесла ему Нобелевскую премию по физике. Это был период, когда шло соревнование по созданию первого ускорителя частиц. В основе его изобретения лежала идея ускорения частиц с помощью взаимодействий заряженной частицы с сильным магнитным полем, образуемым мощным электромагнитом. Траектория частиц, взаимодействующих с магнитным полем, представляет собой арки или кривые, отсюда название ускорителя, при этом нет необходимости прибегать к высокому напряжению. Форма циклотронов напоминает две латинские буквы D. Лоуренс смог разогнать частицы до энергии в 1,25 МэВ.

Синхротроны похожи на циклотроны, так как частицы в них также движутся по кривой при использовании электромагнитов, однако траектория частиц закрытая. Принципиальное различие устройств связано с конфигурацией электромагнитных полей, которые в случае синхротронов составные и включают в себя простые биполярные электромагниты, а также сложные конфигурации квадриполярных, октуполь- ных и так далее магнитов. Сложность компенсируется прекрасными экспериментальными условиями с наиболее высокой энергией. Так как ускоряемые частицы, например электроны, являются заряженными, они испускают электромагнитное излучение, известное как "свет синхротрона". Ускорение, необходимое для поддержания траектории, предполагает мгновенное изменение скорости частицы, так что возникает излучение. Это излучение используется в разных областях, в том числе и в медицине.

РИС . 2

Электроны попадают в циклотрон в центральной части, где на них действует магнитное поле, в результате электроны движутся по траектории полукруга в полуцилиндре.

В зазоре между полуцилиндрами электрическое поле начинает действовать на электроны и ускорять их линейно, чтобы они попали наследующий уровень с противоположным магнитным полем. Получая в каждом цикле приращение энергии, электроны продолжают движение по полуокружностям большего радиуса. Наконец, пучок выводится наружу на очень высокой скорости.

Начиная с 1960-х годов синхротроны стали применяться в качестве коллайдеров: ускоренные частицы циркулируют в противоположных направлениях и в конце концов сталкиваются. При взаимодействии возникает большое количество энергии (двойное, если ускоряется одна из частиц). Между сталкивающимися частицами находятся один электрон и один позитрон или два протона. Одним из первых был запущен SPEAR в Стэнфорде (США), он действует по сей день.

Благодаря коллайдерам были достигнуты значительные успехи в физике частиц. Одним из важнейших коллайдеров является Тэватрон, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermilab) в Иллинойсе (США). Он позволяет ускорить протоны и антипротоны в кольце длиной шесть километров до энергии 0,9 ТэВ. Запуск этого коллайдера состоялся в 1987 году. В 1995 году с его помощью был открыт топ-кварк.

Самый мощный коллайдер, являющийся самым крупным и дорогим научным инструментом всех времен, — большой адронный коллайдер (сокращение БАК, или LHC от английского Large Hadron Collider). Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК может сталкивать протоны с энергией, которая в ближайшее время достигнет 7 ТэВ на каждый протон. В апреле 2012 года был зафиксирован рекорд в 8 ТэВ (два пучка протонов по 4 ТэВ циркулировали в противоположных направлениях). Речь идет о необыкновенном инструменте для исследований, в котором протоны ускоряются практически до скорости света и при столкновениях воспроизводят некоторые условия Большого взрыва. Первый неудачный запуск коллайдера был совершен в 2008-м, а регулярное использование началось с 2009 года, хотя первые столкновения частиц стали выполняться только через год. Коллайдер позволил подтвердить существование частицы, "соответствующей по характеристикам бозону Хиггса", что является фундаментальным открытием в понимании причины, по которой у частиц есть масса согласно стандартной модели физики частиц. Открытие было сделано 4 июля 2012 года.

Список рекомендуемой литературы

Aczel, A., Las guerras del uranio, Barcelona, RBA, 2012.

Bryson, B., Una breve historia de cast todo, Barcelona, RBA, 2003.

Gamow, G., Biografia de la ftsica, Madrid, Alianza, 2011.

Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Hooft, G., Parttculas elementales, Barcelona, Drakontos, 2008.

Krach, H., Generaciones cudnticas: una historia de la ftsica en el siglo xx, Madrid, Akal, 2007.

Pullman, B., El àtomo en la historia de la humanidad, Barcelona, Ediciones de Intervention Cultural, 2010.

Sanchez Ron, J.M., Historia de la ftsica cudntica, Barcelona, Critica, 2001.

Teresi D. y Lederman L, La parttcula divina, Barcelona, Drakontos, 2007.

Указатель

азот 13, 28, 78, 105, 108-111, 147

актиний 73, 74, 86, 87, 149

алхимия 10, 84

Альварес, Луис 151

алюминий 51, 64, 128

Андерсон, Карл 127

анод 32

аргон 77, 78, 84

атом 7-10, 13, 15, 18-36, 38, 40, 42, 45, 52, 56, 72, 80-83, 85-89, 94, 95, 102, 103, 105, 108-112, 115, 117, 122, 124, 125, 129-131, 133, 135-142, 144-147, 150, 151

атомное ядро 5, 7,15, 18, 20, 23, 25, 36, 38,

40, 42, 66, 104, 105, 107, 110, 111, 115. 121, 124, 129, 136, 138, 140, 141, 143, 146

БАК (Большой адронный коллайдер, LHC) 39, 154

Бальмер, Якоб 41, 42

Бейкерианская лекция 100, 123

Беккерель, Антуан Анри 47, 51, 53-60, 63, 67

Бертло, Марселей 30

бозон 133, 154

Болтвуд, Бертрам 92

Больцман, Людвиг 31, 32

Большой взрыв (Big Bang) 8, 154

Бор. Нильс 10, 38-43, 107, 109, 143

Брайсон, Билл 109

броуновское движение 9, 34

Брукс, Харриет 101

Брэгг, Уильям 123

вакуум 7, 9, 10, 19, 20, 22, 150

Велтман, Марти нус 8

вероятность 23, 67, 89, 148

Виллард, Поль 66, 67

водород 8, 10, 27, 29, 30, 42, 78, 85, 108-110, 124, 125, 141

возраст Земли 11, 13, 69, 89-93, 97, 100

волна электромагнитная 45, 148

выставка 1851

года 49, 135

Габер, Фриц 112

газ

благородный 78

горчичный 113, 116

Галилей, Галилео 27

Гамов, Георгий 131, 132

Ган, Отто 10, 43, 97, 101, 103, 115, 116, 129, 130

Гейгер. Ханс 13, 18, 19, 21, 22, 24, 37, 97, 101, 102, 114-116

Гейзенберг, Вернер 39, 121

гелий 8, 13, 19, 67, 78, 86, 91, 102, 103, 111. 125, 135, 146

Гелл-Ман, Мюррей 132

генератор Кокрофта — Уолтона 139

Герц, Генрих 45

гидрофон 119

Дальтон, Джон 28-29

Дарвин, Чарльз 10, 65, 90

дейтерий 8, 125, 140

Демокрит 26, 36

Дирак, Поль 128

Дюма, Жан-Батист 30

Жолио, Фредерик 115, 124, 126-128, 137

заряд электрический 23, 33, 47, 52, 60, 82, 125, 126, 132

излучение (радиация) 9, 11, 13, 20, 23, 36, 39, 40, 47, 52, 56, 58-64, 66, 67, 72-74, 79, 81-83, 86, 87, 99, 100, 102, 103, 108, 116, 126-128, 132, 146-148, 150, 153

альфа 66, 81, 85, 87, 103, 108, 126-128, 147

бета 66, 72, 82, 86, 147

гамма 47, 66, 67, 68, 126, 127, 147, 148

изотоп 77, 81, 87, 89, 92, 125, 140, 145-148

ионизация 56, 62, 146, 147

Кавендишская лаборатория 13, 37, 49, 57, 63, 78, 98, 103, 114, 115, 120, 122, 123, 127, 131, 134, 137, 143

Капица, Петр Леонидович 17, 128, 130, 134-135, 133-136

катод 32, 33, 152

квантовая физика 38-40, 51, 107, 122, 123, 135

квантовый скачок 42

кваркв, 132, 133, 150, 154

Кельвин, лорд 90, 91, 93, 97, 100

Кирхгофф, Густав 41

кислород 8, 10, 13, 27, 28, 108, 109, 111, 135

Клапрот, Мартин Генрих 61

клинамен 26

Кокрофт. Джон 13, 128, 131, 133-141, 150

коллайдер 153, 154

Комптона эффект 125

Копенгаген 38, 39

Королевское общество 13, 22, 38, 51, 98, 100, 116, 124, 130, 134

Крик, Фрэнсис 52

Крукс, Уильям 33, 52, 65, 75, 78

Кюри. Ирен 59, 113, 115, 124, 126-128, 137

Кюри, Мария 40, 47, 58-60, 62, 68, 94, 96, 98-101, 113, 119, 126

Кюри. Пьер 58-61, 78, 94, 96, 99

Лавуазье, Антуан Лоран 27, 29, 79

Ланжевен, Поль 98, 119

Лауз, Макс фон 56

Ленард, Филипп 54, 143

литий 136, 139, 140, 151

Лоуренс, Эрнест 136, 152

лучи

альфа 13, 18, 20, 22-25, 64, 66, 67, 72, 73, 78, 81, 82, 85, 102-104, 148, 151

Беккереля 55, 63 бета 64, 82, 83, 86

гамма 52, 67, 68

икс 13, 51-56, 59, 63, 65, 67, 82, 96, 113. 117, 123

катодные 32, 37, 51, 53, 56, 65

рентгеновские 51

магнитное поле 33, 65, 67, 68, 82, 128, 136, 152, 153

Макгилл, университет 13, 63, 75, 83-84, 89, 96, 101-103

Максвелл, Джеймс Клерк 30, 31, 122

Маркони, Гульельмо 50, 51

Марсден, Эрнст 19, 21, 22, 24, 101, 107, 108

материя 7-9, 11, 13, 19, 24, 27-29, 36, 38, 40. 47, 51, 56, 68, 74, 81, 82, 84, 85, 94-96, 100, 109, 123, 125, 131, 132, 135, 147, 150

Мейтнер, Лиза 11, 97, 128

Менделеев, Дмитрий Иванович 78, 79

модель атомная 13, 15, 20, 21, 25, 34, 36, 38, 40, 56, 107

Мозли, Генри 116-117

молекула 7, 30, 31, 35, 123

нейтрино 133, 147

нейтрон 8, 13, 32, 86, 111, 115, 122, 125-127, 140-142, 141, 145-148

Новая Зеландия 13, 44, 45, 49, 50, 63, 75, 98, 107, 117

Ньютон, Исаак 144 Ньютон, Мэри 13, 45, 49, 63, 75

Олифант, Марк 142

отбор естественный 65, 90

Оуэнс, Роберт Боуи 72

Паттерсон, Клэр Кэмерон 92

Первая мировая война 59, 107, 112, 115, 117, 118

Перрен, Жан-Батист 34, 35, 98

Планк, Макс 39, 40, 114

позитрон 128, 147, 154

полоний 59, 61, 62, 73, 81, 83, 126, 128

Праут, Уильям 30

протактиний 77, 146

протон 8, 15, 18, 23, 25, 31, 87, 91, 105, 109, 111, 117, 125-127, 132, 136, 140, 145- 147, 150-152, 154

Пуанкаре, Анри 32, 38

пудинг с изюмом (модель атома) 21, 35

пьезоэлектрический эффект 59

радий (элемент) 20, 22, 59-62, 66, 67, 73, 74, 81-83, 86, 91, 94, 95, 99, 100, 153

радиоактивность 11, 18, 19, 47, 49, 51, 55, 59, 61, 63, 65, 66, 69, 71-77, 79-90, 92-96, 98-100, 116, 128, 145

индуцированная 74

радиоволна 13, 45, 50-52

"Радитор" 99

радон 20, 77, 101

рак 52, 99

Рамзай, Уильям 77, 78, 83, 97, 102, 103

распад (дезинтеграция) радиоактивный 5, 13, 69, 83, 84, 87-89, 91, 100, 145

расщепление 10, 150

ядерное 101, 128-130, 141

реакция химическая 28, 78, 112

резерфордий 144

Резерфорд, Эйлин 7, 9-11, 13, 15, 17-19, 21-25, 29-31, 35-40, 42-45, 47, 49-51, 56-60, 62-64, 66, 67, 69, 71-78, 80-103, 105, 107-110, 112, 113, 115-125, 127, 130-144, 146

Рентген, Вильгельм Конрад 51

Рэлей, лорд 78, 118, 122

ряды радиоактивные 148, 149

сверхтекучесть 135

семейство радиоактивное 91

синхротрон 52

Склодовская, Мария 58 (см. также Кюри, Мария)

Содди, Фредерик 13, 43, 75-78, 80, 81, 83-85, 87, 93-96, 101

Сольвеевский конгресс 39 спектр

поглощение 9, 41, 103

электромагнитный 41, 52, 68

спектроскоп 41, 125

средняя жизнь 69, 92

Стони, Джордж Джонстон 34

таблица периодическая 36, 77, 78, 91, 109, 117, 144

телеграф 13, 50

Томсон, Джозеф Джон 13, 20, 21, 25, 32-35, 37-39, 44, 49, 50, 56, 57, 63, 72, 78, 90, 91, 96-98, 100, 114, 120, 122, 123, 132, 133

торий 13, 59, 60, 62, 64, 67, 72-77, 79-81, 83-87, 91, 116, 146, 149

торий-Х 79-81, 83

трансмутация (превращение) 10, 77, 81, 84, 95, 109, 146

Туве, Мерле 135

Тэватрон 154

урановая смолка 59, 61, 62, 90

ускоритель

Ванде Граафа 151

линейный (LINАС) 151, 152

Уолтона - Кокрофта 13, 134-141, 150

циркулярный 136 (см. также циклотрон)

частиц 9, 13, 52, 110, 130-140, 143, 150-154

Уоллес, Альфред Рассел 65

Уолтон, Эрнест Томас Синтон 13, 123, 130, 133, 134-141, 143, 150

Уотсон, Джеймс 52

уран 53-55, 59-64, 66, 67, 73, 75, 78, 81, 83, 85-87, 89, 91-93, 129, 130, 146, 149

уран-Х 75, 78, 83

Фаулер, Ральф Говард 121

Фейнман, Ричард 7

Фламмарион, Камиль 65

флуоресценция 19, 32, 53-55

фосфор 128

фосфоресценция 55

фотопластинка 52, 54, 59, 72

фотоэлектрический эффект 40, 42

Франклин, Розалинд 52

Френд, Ричард 123

Холмс, Артур 92

циклотрон 115, 136, 138, 143, 151-153

частицы

альфа 13, 18-21, 23-25, 47, 67, 78, 81-83, 86, 102, 103, 108-111, 115, 126, 128, 130, 139, 140

бета 47, 82

Чедвик. Джеймс 13, 97, 101, 115, 116, 121, 125-127, 129, 131, 132, 141, 143, 144

число

атомное 35, 91, 111, 117, 145, 146

массовое 77, 145, 146, 148

Эддингтон, Артур 36

Эдисон, Томас Алва 119

Эйнштейн, Альберт 11, 34, 35, 39, 40, 42, 43. 95, 140, 142

электрон 8, 10, 15, 20, 21, 24, 31-37, 40-42, 52, 67, 72, 81-83, 86, 87, 103, 109, 125, 127, 128, 130, 132, 133, 136, 146-148, 150, 152-154

эманация 13, 64, 72-77, 80, 81, 83, 108

энергия 8, 11, 31, 36, 40-42, 51, 52, 55, 67, 77, 81, 85, 90, 94-96, 101, 102, 110-112, 115, 120, 129-131, 136, 140-142, 147, 150-153, 154

Эпикур 26, 27

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как "муху" внутри "собора" атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

Content

Orrit Roger Corcho У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Roger Corcho Orrit У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Введение

ГЛАВА 1 Открытие атомного ядра

ГЛАВА 2 Альфа, бета и гамма

ГЛАВА 3 Радиоактивный распад

ГЛАВА 4 К расщеплению ядра

Приложение А Альфа· и бета-распад

Приложение Б Ускорители частиц

Указатель