Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит

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.