Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

Электрическую нейтральность относительно просто объяснить: электроны заряжены отрицательно, поэтому их должен окружать положительный заряд, который будет компенсировать суммарный отрицательный заряд всех электронов. Двумерный вариант модели Томсона напоминал бы печенье с шоколадной крошкой, где электроны – это шоколадная крошка, а положительный заряд – все остальное. Почти всю массу атома он отнес к электронам (довольно тяжелые шоколадные крошки).

Модель Томсона дебютировала в 1903 году. Несмотря на хорошее начало, она столкнулась с проблемами. Тем не менее она не уходила в течение некоторого времени, пока в 1909 году новые результаты экспериментов не начали ее разрушать.

В 1895 году Эрнест Резерфорд (1871–1937) приехал в Кембридж на стипендию, чтобы работать с Томсоном. Для Резерфорда это было воодушевляющей и благоприятной возможностью стать молодым физиком-экспериментатором. Прошло всего лишь три месяца с его приезда, когда Рентген объявил в прессе о своем открытии X-лучей; затем, три месяца спустя, появилась начальная статья Беккереля по радиоактивности; и через год – сообщение Томсона об открытии электрона. В 1897 году Резерфорд провел собственное исследование радиоактивности, а в 1898 году сообщил о своем открытии двух новых форм радиации: α-частиц и β-частиц.

Все эти открытия были тем более захватывающими, что были достигнуты с помощью крайне примитивных (по современным стандартам) инструментов, бывших в распоряжении Резерфорда. В 1898 году он занял должность профессора физики университета Макгилла в Монреале. Резерфорд реально был суперзвездой: в 1903 году его приняли в члены Королевского общества; в 1905 году – наградили медалью Румфорда; а в 1908 году, когда ему было всего лишь тридцать семь лет, он был удостоен Нобелевской премии по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Однако его величайший успех был еще впереди.

В 1907 году он стал профессором в Манчестерском университете. Под руководством Резерфорда Ханс Гейгер (1882–1945) и 22-летний студент Эрнест Марсден (1889–1970) в 1909 году изучили рассеяние α-частиц тонкой металлической фольгой. Они заметили, что изредка α-частицы рассеиваются на углы, превышающие 90°. Результат был поразительным, сам Резерфорд сказал: «Это было самым невероятным событием, которое когда-либо случилось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом по куску папиросной бумаги, а он бы вернулся и попал по вам». Он продолжал: «Я не верил, что [α-частицы] будут [рассеиваться], поскольку мы знали, что α-частица очень быстрая и массивная, с большой энергией».

Итак, при прохождении α-частицы через металлическую фольгу, атом в ней каким-то образом вызывает значительное рассеяние. На самом деле угол рассеяния, превышающий 90°, возможен только тогда, когда предмет, вызывающий рассеяние (атом металла), тяжелее, чем рассеиваемый объект (α-частица).

В модели атома Томсона (печенье с шоколадной крошкой) электроны находятся в большой рассредоточенной толще положительного заряда. Однако α-частица в 8000 раз тяжелее электрона, так что электрон никак не может вызвать рассеяние. Поэтому остается положительный заряд, который должен быть более сконцентрирован, чем представлял Томсон. Через полтора года, в 1910 году, Резерфорд раскрыл тайну. Вместо того чтобы быть рассредоточенным вокруг атома, положительный заряд оказался очень компактным центральным телом, вокруг которого обращаются электроны. Более того, именно в этой центральной части заключена бо2льшая доля массы атома – в противовес утверждению Томсона, что она приходилась на электроны.

Резерфорд пошел дальше и вывел математическую формулу для процесса рассеяния, которую подтвердила серия экспериментов, проведенных, опять же, Гейгером и Марсденом. Формула Резерфорда еще больше впечатляет, если учесть, что он был экспериментатором, особо не заботившемся о теоретической физике и не обладавшем экспертными знаниями в ней; но ни один из физиков-теоретиков не ответил на вызов. Вспомним, что Гейгер и Марсден случайно заметили обратное рассеяние α-частиц. Другими словами, большинство α-частиц проходило вперед, едва отклоняясь от начальных траекторий. Это означало, что между центральным положительным зарядом, или ядром, и электронами, роящимися вокруг него, довольно много пространства.

Модель Резерфорда не сразу завоевала популярность. Оказалось, что даже сам Резерфорд не воспринимал ее серьезно. На первом Сольвеевском конгрессе – грандиозной международной научной конференции, прошедшей в 1911 году – он ничего не сказал о своей новой атомной модели. Год спустя он закончил книгу «Радиоактивные вещества и их излучение» в 670 страниц, посвятив результатам исследований α-частиц всего лишь 3 страницы. Возможно, Резерфорд не считал эти открытия революционными, но был один человек, который понял их важность и перевел атомную модель Резерфорда на новый уровень.

В марте 1912 года Нильс Бор (1885–1962) приехал в Манчестер, чтобы начать работать с Резерфордом. До этого он работал с Томсоном в Кембридже. К сожалению, их отношения были напряженными с самого начала, и их сотрудничество никогда не процветало так, как надеялся Бор. В письме своему брату Харальду Бор сказал: «Пока что иметь дело с Томсоном не так легко, как я думал в первый день».

Возможно, в этом было виновно первое столкновение Бора с Томсоном, когда, войдя в рабочую комнату Томсона, Бор провозгласил: «Это неверно».

Он ссылался на что-то в книге, написанной Томсоном. Конечно, Бор никогда не хотел никого обидеть; вместо это он просто пытался вступить в научную дискуссию с его ограниченным (на тот момент) знанием английского языка. Ситуацию несомненно усугубила неспособность Томсона терпимо относиться к критике. Став старше, Бор размышлял о том времени так: «Все в Кембридже было интересно, но абсолютно бесполезно». Но его положение значительно улучшилось благодаря Резерфорду:

«Резерфорд – человек, на которого можно положиться; он регулярно появляется, спрашивает, как идут дела, и обсуждает мельчайшие подробности работы – такой выдающийся человек, Резерфорд действительно заинтересован в работе всех людей, его окружающих».

Бор с Резерфордом недолго работали вместе, всего около четырех месяцев. В течение этого времени Резерфорд осторожно поощрял усилия Бора, хоть и был довольно серьезно занят своими собственными попытками написать книгу и новыми исследовательскими интересами. На самом деле основное влияние на научную деятельность Бора оказал не Резерфорд. Вместо этого Бор освоил новую физику благодаря двум другим исследователям, работавшим под руководством Резерфорда: Георгу Хевеши (1885–1966) и Чарльзу Галтону Дарвину (1887–1962). Несмотря на это, модель атома Резерфорда вдохновила Бора и дала ему огромный плацдарм для его собственной работы по атомам, с которой в итоге его всегда ассоциировали. Из Манчестера Бор писал Харальду: «Возможно, я немного узнал о структуре атомов». Каким же преуменьшением оказалась эта строчка.

Модель Резерфорда была большим шагом навстречу пониманию атома. Согласно экспериментальным данным, собранным Резерфордом и его исследователями, наиболее правдоподобной картиной атома была та, где очень компактное ядро находится в центре, окруженное обращающимися вокруг него электронами. Точнее, можно представить электроны, обращающиеся вокруг ядра-центра подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. К сожалению, этот вариант атома неустойчив.