Эрнест Резерфорд

54

Оглавление

• Введение. 3
• Глава 1. Начало пути. 4
• Глава 2. Кавендишская лаборатория. 6
• Глава 3. Мак-Гиллский университет. 8
• Глава 4. Манчестерский период. 14
• Глава 5. Снова Кавендишская лаборатория. 23
• Приложение 1 39
• Приложение 2 40
• Список литературы. 41
• Введение
• Эрнест Резерфорд считается величайшим физиком-экспериментатором двадцатого столетия. Он является центральной фигурой в наших познаниях в области радиоактивности, а также человеком, который положил начало ядерной физике. Помимо своего огромного теоретического значения его открытия получили широкий спектр применения, включая: ядерное оружие, атомные электростанции, радиоактивные исчисления и исследования радиации. Влияние трудов Резерфорда на мир огромно. Оно продолжает расти и, похоже, еще увеличится в будущем.

Глава 1. Начало пути

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в Брайтуотере, живописном местечке Новой Зеландии. Он был одним из 12 детей колесного мастера и строительного рабочего Джеймса Резерфорда, шотландца по происхождению, и Марты (Томпсон) Резерфорд, школьной учительницы из Англии, и из двенадцати детей он оказался наиболее одаренным. Эрнест блестяще закончил начальную школу, получив 580 баллов из 600 возможных и премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования.

В колледже в Нельсоне, где Эрнеста Резерфорда приняли в пятый класс, учителя обратили внимание на его исключительные математические способности. Но математиком Эрнест не стал. Не стал он и гуманитарием, хотя проявлял недюжинные способности к языкам и литературе. Судьбе угодно было распорядиться, чтобы Эрнест увлёкся естественными науками - физикой и химией.

Благодаря успехам в учебе Резерфорд получил еще одну стипендию, которая позволила ему поступить в Кентербери-колледж в Крайстчерче, одном из крупнейших городов Новой Зеландии. Уже на втором курсе он выступил с докладом "Эволюция элементов", в котором высказал предположение, что химические элементы представляют собой сложные системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц. Студенческий доклад Эрнеста не был должным образом оценён в университете, однако его экспериментальные работы, например, создание приёмника электромагнитных волн, удивили даже крупных учёных. Спустя всего несколько месяцев ему была присуждена "стипендия 1851 года", которая была учреждена для окончивших университеты в заморских владениях (позже эта стипендия привела в Англию Флори, Олифанта, Филиппа Боудена и целую группу одаренных новозеландцев). Получил он эту стипендию только потому, что тот, кому ее присудили, отказался от нее, так как предпочел остаться дома и жениться. Со смирением, забавно уживавшимся в нем с некоторой хвастливостью, он всю жизнь был благодарен этому человеку. Когда он уже стал лордом Резерфордом, президентом Королевского общества и величайшим ученым-экспериментатором, было внесено предложение об упразднении этой стипендии. Резерфорд на заседании комитета, который рассматривал этот вопрос, от волнения долго не мог говорить и наконец выпалил: "Если бы не эта стипендия, то не было б и меня! "

В 1892 г. Резерфорд был еще студентом-третьекурсником, когда в научно-студенческом обществе выступил с докладом, который назывался «Эволюция элементов». Точный текст доклада не сохранился, однако уже название говорит само за себя. Надо сказать прямо: для подобного взгляда физика тогда еще не созрела - никаких фактических данных, чтобы рассматривать известные науке элементы с точки зрения их эволюции, не было. Студент Резерфорд проявил незаурядную смелость, очевидно, основательно подогретую идеями Крукса. Доклад встретили с нескрываемой иронией, пылкому студенту пришлось спуститься с небес на землю и признаться в том, что он «зашел слишком далеко». Сказать, что весь ученый мир был тогда в восторге от открытия электрона, было бы слишком необоснованным заявлением. Большинство физиков твердо держалось понятия неделимости атома. Как ни странно, наиболее упорным в своих убеждениях оказался знаменитый Рентген. Он в своей лаборатории просто запрещал произносить слово «электрон» и отрицал его существование в течение целых десяти лет. Лишь в 1907 г., когда научные открытия, связанные с представлениями о сложной структуре атома, следовали одно за другим, Рентген позволил уговорить себя своему ассистенту из России А.Ф. Иоффе и разрешил пользоваться понятием «электрон».

В колледже на него оказали большое влияние его учителя: преподававший физику и химию Э.У. Бикертон и математик Дж. Х.Х. Кук. После того как в 1892 г. Резерфорду была присуждена степень бакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил свои занятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он стал магистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике. Его магистерская работа касалась обнаружения высокочастотных радиоволн, существование которых было доказано около десяти лет назад. Для того чтобы изучить это явление, он сконструировал беспроволочный радиоприемник (за несколько лет до того, как это сделал Гульельмо Маркони) и с его помощью получал сигналы, передаваемые коллегами с расстояния полумили.

В 1894 г. Резерфорду была присуждена степень бакалавра естественных наук. В Кентербери-колледже существовала традиция: любой студент, получивший степень магистра гуманитарных наук и оставшийся в колледже, должен был провести дальнейшие исследования и получить степень бакалавра естественных наук. Затем Резерфорд в течение недолгого времени преподавал в одной из мужских школ Крайстчерча.

Глава 2. Кавендишская лаборатория

В 1895 г. молодой провинциальный ученый Эрнст Резерфорд прибыл из далекой Новой Зеландии в Кембридж к директору знаменитой Кавендишской лаборатории Дж.Дж. Томсону. Он попал туда в удачное время, ибо Томсон как раз задумал «мощное наступление» на малоисследованные проблемы физики и нуждался в молодых и энергичных помощниках. Сам Томсон был занят изучением электрических разрядов в газах. Катодные, каналовые, рентгеновские лучи стали объектом его пристального внимания. На Томсона произвело глубокое впечатление проведенное Резерфордом исследование радиоволн, и он в 1896 г. предложил совместно изучать воздействие рентгеновских лучей (открытых годом ранее Вильгельмом Рентгеном) на электрические разряды в газах. Славная плеяда молодых ученых собралась вокруг Дж.Дж. Томсона. Таунсенд, Релей-младший, Вильсон и целый ряд других, ставших впоследствии выдающимися физиками. Знаменитый французский ученый Поль Ланжевен в тот период был совсем молод, он с упоением погрузился в работу, предложенную Томсоном, и тогда же началась для него подготовка к известной докторской диссертации «Исследования в области ионизации газов». И все же самым видным, энергичным, нетерпеливым среди них следует считать Эрнста Резерфорда, говорившего иногда: «Ионы - это веселые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию». Их сотрудничество увенчалось весомыми результатами, включая открытие Томсоном электрона - атомной частицы, несущей отрицательный электрический заряд. Опираясь на свои исследования, Томсон и Резерфорд выдвинули предположение, что, когда рентгеновские лучи проходят через газ, они разрушают атомы этого газа, высвобождая одинаковое число положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвали ионами. После этой работы Резерфорд занялся изучением атомной структуры.

В 1898 г. он начал изучать радиоактивность. Первое же фундаментальное открытие Резерфорда в этой области - обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном - сделало его имя известным в научном мире; благодаря ему в науку вошло понятие об альфа- и бета-излучении.

На Кавендишскую лабораторию сильное впечатление произвело известие о работах А. Беккереля, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением урановых лучей. Он потратил на это целый год и тоже пришел к заключению, что к лучам Рентгена они никакого отношения не имеют. Мы сейчас хорошо знаем, что рентгеновские лучи как вид электромагнитных колебаний могут иметь большую или меньшую проникающую способность в зависимости от частоты колебаний и длины волны. В те времена также уже различали «жесткие» и «мягкие» X-лучи, хотя и пошучивали, говоря, что их проникающая способность целиком зависит от Эбенизера Эверетта - искуснейшего стеклодува, изготовителя разрядных трубок.

Резерфорд один из первых установил, что урановые лучи неоднородны. Помещая на пути этих лучей листочки алюминиевой фольги, он наблюдал по электрометру, как ослабевал ток, возникающий под влиянием радиации. Четыре листочка уменьшали ток в двадцать раз по сравнению с исходным, но дальнейшее прибавление их почти не влияло на стрелку электрометра, которая никак не хотела вернуться в исходное положение; лишь сотый листок уменьшил этот «застывший» на определенном уровне ток вдвое. Так было выяснено, что излучение урана состоит из двух компонентов: порождающего сильную ионизацию, но сильно поглощающегося веществом, и создающего менее заметную ионизацию, но обладающего гораздо большей проникающей способностью. Так были открыты альфа- и бета-лучи. Разделение их с помощью магнита было осуществлено позднее. В разгар работы Резерфорда в печати появилось научное сообщение М. Кюри «О лучах, испускаемых соединениями урана и тория».

В 1900 г., во время краткой поездки в Новую Зеландию, Резерфорд женился на Мэри Ньютон, которая родила ему дочь.

Глава 3. Мак-Гиллский университет

По рекомендации Дж.Дж. Томсона Резерфорду была предоставлена возможность занять должность профессора физики в Мак-Гиллском университете в Монреале. В рекомендательном письме Дж. Томсона было написано: "В моей лаборатории ещё никогда не было молодого учёного с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как господин Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физиков в Монреале…". Предсказание Томсона сбылось. Резерфорд проработал в Канаде 10 лет и действительно создал там научную школу.

Молодой ученый расстался с друзьями по Кавендишской лаборатории и отправился за океан - в Канаду. Там он немедленно стал продолжать исследования уранового излучения. Его коллега, профессор электротехники Б.Р. Оуэнс, тоже заинтересовался этим и попросил Резерфорда указать, с чего ему начать. Резерфорд, не колеблясь, ответил: с тория.

Радиоактивность этого элемента была совершенно неизученной областью; кроме того, что она существует, о ней ничего не было известно. Правда, Беккерель, наблюдая ториевое излучение, отмечал любопытное отличие его от уранового. Если последнее в течение двух лет было неизменным, то первое меняло свою интенсивность по самым, можно сказать, пустяковым причинам, вплоть до чихания ассистента или хлопанья лабораторной двери. Беккерель, конечно, мог и ошибиться, но если все точно, то такое непостоянство излучения может дать ключ к пониманию радиоактивных явлений. Так рассуждал Резерфорд, предлагая Оуэнсу обратить самое серьезное внимание на торий.

Правота Беккереля в опытах Оуэнса подтвердилась самым неожиданным образом. Кафедра физики Мак-Гиллского университета была основана на средства чудака-миллионера Макдональда, который и в дальнейшем подбрасывал ей значительные суммы. Это был табачный король, не выносивший табачного дыма, в его присутствии никто не курил. Однажды он неожиданно посетил университет, и Резерфорд ворвался в подвальное помещение, где работал Оуэнс, с криком: «Настежь окна, уберите трубки! Живей пошевеливайтесь: Макдональд обходит лаборатории!» Требование было выполнено с предельной поспешностью, и сквозняк вымел весь табачный дым. Но когда Оуэнс снова сел измерять активность тория, то обнаружил, что она резко упала. Выходило, что интенсивность торцевой радиации зависела от движения воздуха. Говорят, Резерфорд поздравил Оуэнса с тем, что непонятное стало еще непонятней. Дальнейшие опыты показали, что «в безветрии» радиация восстанавливала свою интенсивность.

Оуэнс уехал в Англию, и Резерфорд уже без него пытался разрешить загадку тория. По проведенным наблюдениям из тория что-то выделялось радиоактивное, и его, как это ни странно, можно самым примитивным образом сдуть. Что это - пар, пыль или еще что-то? Неизвестно, а пока Резерфорд дал ему имя «эманация», заимствуя это слово из лексикона мистиков, где оно означает - «выделение», что, конечно, никак не свидетельствует о склонности Резерфорда к мистике. Физики умели, оказывается, шутить и раньше.

Загадочную эманацию ученый пропустил через фильтр из стеклянной ваты, - прием, которым он пользовался еще в Кавендишской лаборатории. Интенсивность радиации не изменилась. Это говорило о том, что эманация - не пылинки и не ионы, так как первые задерживались фильтром, а вторые прилипали к стенкам стекла. Не исключалась возможность, что эманация просто пары тория. Однако прогоняя воздух с эманацией через крепкую серную кислоту, Резерфорд убедился, что и пары тут не при чем: если бы это были пары, они обязательно бы вступили в реакцию с кислотой, отдав ей свою радиоактивность и освободив от нее воздух. Между тем кислота оставалась не радиоактивной, а воздух - да. Новый газ? Новый элемент? Можно было ожидать такого же триумфа, какой был у Рамзая при открытии благородных газов. Следовало немедленно воспользоваться методом, который не раз уже с успехом сыграл роль непогрешимого разведчика, - спектральным анализом. К сожалению, в Монреале не было опытного спектроскописта, а посылать трубочку с газом в Англию было совершенно бессмысленно: пока она переплывала бы океан, газ утратил бы радиоактивность - это Резерфорд твердо знал. Надо было найти какой-то другой путь, чтобы убедить исследователей в том, что эманация - это новый благородный газ, дополняющий группу, открытую Рамзаем. И Резерфорд попытался это сделать с помощью старой машины Линде, переведя газ в жидкое состояние. Но машина давала только минус 100°С, а этого оказалось мало. Пришлось искать более совершенную холодильную машину, дававшую минус 200°C. Когда газ, наконец, удалось ожижить, физики признали, что эманация - это действительно благородный газ. Назвали его тороном.

Всему этому предшествовало одно очень любопытное наблюдение. Предметы, которых касалась эманация тория, становились радиоактивными. Резерфорд поторопился обозначить новое явление термином «возбужденная радиоактивность», но вскоре сам же понял, что поступил слишком неосмотрительно, ибо не было никакого «возбуждения», а просто появлялся какой-то новый излучатель. Это было вещество, порождаемое эманацией и осаждающееся на самых различных материалах. Резерфорду долго не удавалось отделить это вещество от предмета, на котором оно осело. Наконец дело завершилось успехом. Вся радиоактивность с платиновой проволочки была переведена в раствор с разбавленной кислотой. Выпарив такой раствор на песчаной бане, Резерфорд получил сухой остаток, продолжавший интенсивно излучать. Излучение это не было постоянным, со временем оно ослабевало, но в 660 раз медленнее, чем у эманации.

Через некоторое время в Докладах Парижской академии появилась статья супругов Кюри, в которой они сообщали, что радий и полоний возбуждают радиоактивность в окружающих предметах. Французские ученые назвали это явление «индуцированной радиоактивностью» и объяснили его как фосфоресценцию. Резерфорд, ознакомившись с статьей, увидел сразу, что речь идет об одном и том же явлении, что Кюри заблуждаются так же, как заблуждался и он сам. Он отправил в Европу письмо.

Но что же было у Кюри? Впоследствии выяснилось, что радий, как и торий, порождает газ, также радиоактивный - он-то и был причиной «индуцированной радиоактивности», так как, в свою очередь, порождал новый излучатель. Эта эманация радия получила имя радон. По своим химическим свойствам он не отличался от торона и должен был занять клетку в столбце благородных газов, но по атомному весу эти элементы несколько различались.

Судьба свела Резерфорда с талантливым и энергичным молодым химиком Фредериком Содди, только что окончившим Оксфордский университет. Ему было всего 22 года. С пылкой юношеской страстью он настаивал, что строение материи - это область химии, а не физики. С такой же прямотой он провозгласил свою приверженность к алхимическим взглядам и утверждал нисколько не смущаясь: «Очень мало может быть узнано о строении материи, пока не будет совершено превращение элементов. Сегодня, как и всегда, это реальная цель химика». Вспомним, что и сам Резерфорд в молодости не был чужд этой идеи, хотя и вынужден был потом признать, что зашел слишком далеко.

Совместная работа этих ученых дала замечательные результаты. Однажды Содди удалось отделить от тория какую-то примесь, рождавшую, как оказалось, эманацию. Очевидно, не сам торий, а именно эти примеси ответственны за образование радиоактивного газа. Однако при проверке было установлено, что и очищенный торий также давал эманацию. Это было удивительно! И вдруг они узнали, что еще годом раньше с подобным явлением столкнулся Крукс, экспериментировавший не с торием, а с ураном. Будучи прекрасным химиком, он очистил урановый препарат и также отделил какую-то излучавшую примесь. Исследовав ее химические свойства, Крукс убедился, что это не радий и не полоний. Зато уран, очищенный от примеси, перестал излучать. Беккерель, первооткрыватель уранового излучения, тотчас повторил опыты Крукса и получил те же результаты, но очищенный и переставший излучать уран он сохранил и проверил на радиоактивность спустя несколько месяцев. Результат был ошеломляющим: радиоактивность полностью восстановилась. Между тем Крукс сумел выделить новое вещество и дал ему имя - уран-X. Беккерель с удивлением обнаружил, что в то время, как радиоактивность чистого урана восстановилась, у второго она исчезла.

А некоторое время спустя о наблюдениях Беккереля им сообщил сам Крукс. Это заставило их немедленно взяться за работу, чтобы выяснить, не восстанавливается ли утраченная радиоактивность у тория. Да, очищенный торий вел себя так же, как и очищенный уран, - то терял радиоактивность, то снова ее приобретал. Постепенно вырисовывалась картина: торий, излучая, рождает торий-X , а последний эманацию. Если в целом интенсивность излучения остается постоянной, то это потому что торий-X со временем распадается, однако запас его постоянно пополняется. Это было смелым, для того времени почти невероятным предположением. Но исследователи уже имели возможность измерять и взвешивать полученные вещества, хотя и было их крайне мало. Ими давно было установлено, за какое время наполовину снижается интенсивность излучения этих веществ, а это можно было сопоставить с их общей массой. Они решили проверить себя химическим путем. По закономерности спада интенсивности радиации они рассчитали, сколько должно образоваться тория-X из неактивного очищенного тория через определенные промежутки времени, и опыт блестяще подтвердил их расчеты. Ошеломленный Содди воскликнул: «Резерфорд! Это превращение элементов!» Шеф и сам был в восторге, но опыт есть опыт: «Ради святого Майка, Содди, не называйте это трансмутацией! Они снимут нам головы, как алхимикам. Вы же знаете их».

Резерфорд знал, что говорил: на заседании Макгиллского физического общества, где он изложил теорию самопроизвольного превращения элементов, монреальские ученые настойчиво рекомендовали докладчику воздержаться от публикации статей на такую тему. Они опасались полного их провала и дискредитации Мак-Гиллского университета. Один за другим выступали коллеги, советуя Резерфорду быть осмотрительным, осторожным в выводах, тщательным в проверке и перепроверке данных. Резерфорд не выдержал и закатил такую ответную речь, о которой благожелательно к нему настроенный профессор Н. Шоу выразился очень сдержанно: «Его ответная жаркая речь была не совсем удачной...»

Разразившуюся бурю успокоил профессор Джон Кокс. Он мягко и спокойно внес необходимые разъяснения и дал понять аудитории, что за честь Мак-Гиллского университета едва ли есть основания беспокоиться; наоборот, работы Резерфорда еще принесут Мак-Гиллу мировую славу, настанет день, когда экспериментальные исследования этого ученого будут рассматриваться, как величайшие со времен Фарадея.

Работы Резерфорда и Содди по «теории дезинтеграции материи» были опубликованы в Европе в солидном научном журнале и стали предметом жаркого обсуждения.

Содди навсегда уехал в Англию с намерением работать в лаборатории знаменитого Рамзая. Резерфорд же собирался поехать в Европу в отпуск. К тому времени европейская пресса была полна сообщениями о канадских работах по радиоактивности и о трансмутации. Даже юмористические журналы взяли эту тему на вооружение. Секретарь Лондонского Королевского общества Д. Лармор, узнав, что Резерфорд намерен побывать в Европе, написал ему: «Вы будете львом сезона для газет, которые стали радиоактивными». Так оно и случилось в широких слоях общества, в журналистике, но пока еще не в ученом мире. У последнего необходимо было еще завоевать признание. В Саутспорте на конгрессе Британской ассоциации содействия развитию науки Резерфорд открыл дискуссию об эманациях радия и тория. Он пытался убедить аудиторию в том, что «теория дезинтеграции материи» объясняет необычайный феномен. В дискуссии принял участие видный ученый того времени сэр Оливер Лодж и зачитал послание отсутствующего знаменитого физика лорда Кельвина. Лорд Кельвин предупреждал членов ассоциации, чтобы они не слишком полагались на новые теории мистера Резерфорда. Давалось понять, что выводы его ошибочны, что трансмутация - плод воображения, а радиоактивные излучения - радиевые пары или, возможно, молекулярная пыль бромида радия. Зал разразился аплодисментами, и Резерфорд почувствовал, что трудно будет ему противостоять мнению такого авторитета, как лорд Кельвин, знаниям и опыту которого безоговорочно верили два поколения физиков. Президент Химического общества Англии Генри Армстронг после зачтения письма Кельвина сказал с нескрываемой иронией: «Я был поражен подвигами воображения мистера Резерфорда». Он выражал удивление по поводу того, что, оказывается, существуют атомы, одержимые «неизлечимой манией самоубийства», и «считал своим долгом» сообщить аудитории, что «у химиков, конечно, нет никаких доказательств распада атомов на земле».

Резерфорд, как известно, не отличался сдержанностью, но монреальский погром пошел ему на пользу, он взял на вооружение выдержку и спокойствие Джона Кокса - можно представить себе, чего это ему стоило. Не выдержал Содди. Он с таким неистовством и язвительностью накинулся на Армстронга, на всех, кто не хотел слушать аргументов, что председательствующий лишил его слова. Здесь он проявил себя настоящим «каустиком Содди», как было потом скаламбурено о нем в юмористическом журнале.

Резерфорд на этот раз держался с исключительным хладнокровием и твердостью. Он подробно разбирал факты и давал им оценку, предлагал найти другое объяснение. Ничего серьезного его оппоненты не могли ему противопоставить.

Однако Резерфорд и Содди провели целую серию экспериментов с радиоактивным распадом и трансформировали уран в свинец. Также Резерфорд измерил скорость распада и сформулировал важную концепцию "полураспада". Это вскоре привело к технике радиоактивного исчисления, которое стало одним из важнейших научных инструментов и нашло широкое применение в геологии, археологии, астрономии и во многих других областях. Эта ошеломляющая серия открытий принесла Резерфорду в 1908 году Нобелевскую премию (позже Нобелевскую премию получил и Содди), но его величайшее достижение было еще впереди.

Об этом периоде сам Резерфорд рассказывал (на публичном докладе в 1936 г.): «До 1903 или 1904 г. количество радия было очень ограничено, и большей частью имевшегося в мире радия располагали супруги Кюри, которые выделили его из урановой смолки путем долгого и трудного процесса. Одно из первых сделанных ими наблюдений заключалось в том, что температура радия весом около 100 мг выше температуры окружающего воздуха. Они подсчитали, что 1 г радия должен выделять тепло со скоростью около 100 кал/час. Этот эксперимент всех взбудоражил, ибо даже мысль о существовании какого-либо вещества, температура которого выше температуры окружающего воздуха, была нестерпима для старомодных физиков, и тогда всеобщее распространение получило представление о том, что радий обладает своеобразным свойством действовать в качестве термодинамической машины, использующей тепло воздуха. Я был твердо убежден в том, что тепловой эффект неизбежно есть следствие излучения ? - и ?-частиц и что он уменьшается со временем точно так же, как и активность. Впоследствии мы смогли разобраться в причинах тепловых эффектов радиоактивных тел и показать, что в этом процессе нет ничего загадочного. Мы смогли показать, что теплота при этих радиоактивных превращениях может выделяться в огромных количествах. Эти количества, подсчитанные на единицу массы, оказались в миллионы раз больше тех, которые были получены с помощью химических реакций, и мы смогли показать, что это характерно для всех радиоактивных превращений.

Различными экспериментами и с помощью разных сотрудников мне удалось показать, отклоняя ?-частицы в магнитном поле, что эти частицы есть атомы гелия, несущие два положительных заряда; мы смогли также измерить их скорость…»

В 1903 г. 32-летний ученый был избран членом Лондонского Королевского общества - британской Академии наук.

Глава 4. Манчестерский период

В 1907 г. Резерфорд вместе с семьей переезжает из Канады в Англию, чтобы занять должность профессора кафедры физики Манчестерского университета.

Сразу же после приезда Резерфорд занялся экспериментальными исследованиями радиоактивности. Вместе с ним работал его помощник и ученик, немецкий физик Ханс Гейгер (1882-1945), разработавший ионизационный метод измерения интенсивности излучения - широко известный счетчик Гейгера. Резерфорд произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия.

Второй взлет научной деятельности Резерфорда относится к манчестерскому периоду с 1907 по 1919 г., когда он быстро собрал вокруг себя великолепную плеяду молодых сотрудников,- таких, как Гейгер, Марсден, Нэттол, Мозли, Чедвик, Робинсон, Андраде, Дарвин, Бор.

В 1908 г. Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук К.Б. Хассельберг указал на связь между работой, проведенной Pезерфордом, и работами Томсона, Анри Беккереля, Пьера и Мари Кюри. «Открытия привели к потрясающему выводу: химический элемент... способен превращаться в другие элементы», - сказал Хассельберг. В своей Нобелевской лекции Резерфорд отметил: «Есть все основания полагать, что альфа-частицы, которые так свободно выбрасываются из большинства радиоактивных веществ, идентичны по массе и составу и должны состоять из ядер атомов гелия. Мы, следовательно, не можем не прийти к заключению, что атомы основных радиоактивных элементов, таких, как уран и торий, должны строиться, по крайней мере частично, из атомов гелия».

После получения Нобелевской премии Резерфорд занялся изучением явления, которое наблюдалось при бомбардировке пластинки тонкой золотой фольги альфа-частицами, излучаемыми таким радиоактивным элементом, как уран. Оказалось, что с помощью угла отражения альфа-частиц можно изучать структуру устойчивых элементов, из которых состоит пластинка. Согласно принятым тогда представлениям, модель атома была подобна пудингу с изюмом: положительные и отрицательные заряды были равномерно распределены внутри атома и, следовательно, не могли в значительной мере изменять направление движения альфа-частиц. Pезерфорд, однако, заметил, что определенные альфа-частицы отклонялись от ожидаемого направления в значительно большей степени, чем это допускалось теорией. Работая с Эрнестом Марсденом, студентом Манчестерского университета, ученый подтвердил, что довольно большое число альфа частиц отклоняется дальше, чем ожидалось, причем некоторые под углом более чем 90 градусов.

Неожиданное экспериментальное открытие того, что иногда ?-частицы рассеиваются на большие углы, привело Резерфорда к созданию ядерной теории атома. В характерной для него манере Резерфорд говорил, что он был столь же поражен рассеянием ??-частиц от тонкой золотой пластинки на угол, больший 90°, как если бы он увидел, что выпущенный из 15-дюймовой пушки снаряд отклонился листочком бумаги на угол, больший 90°. Это замечание и бесчисленные другие примеры показывают, что Резерфорд обладал чрезвычайно конкретным и очень образным мышлением, основанным на механистических представлениях. Он наглядно представлял себе ?-частицы и атомы как материальные объекты, взаимодействующие, подобно взаимодействию твердых тел, согласно элементарным законам обычной динамики. Резерфорд понял, что силы, способные отклонить ?-частицу на большой угол, могут возникать лишь в том случае, если положительный электрический заряд атома сконцентрирован в очень малом объеме. Таким путем он пришел к очень простой и красивой теории рассеяния???частиц ядром, которая легла в основу ядерной теории атома. Это, пожалуй, величайшее из великих открытий Резерфорда. Объяснить поведение частиц помог Резерфорду образ, на первый взгляд не имеющий ничего общего с частицами. Их поведение показалось ему похожим на поведение кометы, попадающей в поле тяготения Солнца. Комета не может преодолеть громадную силу притяжения, траектория ее полета искажается, и она может, сделав виток, удалиться от Солнца в самом неожиданном направлении. Может быть, и альфа-частица как-то притягивается атомом золота? Но гравитационное взаимодействие между такими массами ничтожно. Значит, здесь должны действовать какие-то другие силы. Электрические? Альфа-частица заряжена положительно. Так что же, атом должен нести отрицательный заряд? Но ведь он нейтрален. И тогда Резерфорда осенило: комета взаимодействует не со всей Солнечной системой, а только с ее ядром -- Солнцем. Причину странных отклонений частиц нужно искать во внутреннем устройстве атома. Атом нейтрален, это верно: но кто сказал, что он однороден. Оба его заряда распределены по его объему неравномерно. Так Резерфорд догадался, что у атома есть ядро и что он похож на Солнечную систему. Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Но Резерфорд не считал атом уменьшенной копией Солнечной системы. Знаменитые строки «Быть может, эти электроны -- миры, где пять материков...» принадлежат не физику, а поэту. Физику важно было представить себе структуру атома и связь между его элементами. Образ Солнечной системы послужил для этой цели прекрасной аналогией. Ученый конструирует образ, который отчасти изображает оригинал и вместе с тем символизирует его смысловое содержание. А так как с течением времени сведения об оригинале уточняются, претерпевает уточнения и образ. Модель атома, бывшая в 1911 году откровением для всего мира, осталась просто символом ядерной физики.

Что же случилось с планетарной моделью атома? Еще до Резерфорда о ней говорили русские ученые Н. А. Морозов и П. Н. Лебедев, французский физик Ж.-Б. Перрен, японский физик Нагаука. Но модель эта не принималась научным сообществом: с точки зрения электромагнитной теории она была нелепой. Это понимал и Резерфорд.

Всякий электрон, вращаясь по орбите вокруг ядра, должен был испускать излучение, а значит, за доли секунды растерять всю свою энергию и упасть на ядро. Но атомы были устойчивы и их нейтральность ничем не нарушалась. На ядро электроны не падали. В странных результатах своих опытов Резерфорд усмотрел проявление вероятностных процессов. И вот, как пишет в одной из своих работ по методологии науки философ Н. А. Овчинников, на целых два года маститый Резерфорд, к тому времени уже Нобелевский лауреат, превратился в студента. Он пришел к математику Г. Лембу, попросил разрешения прослушать курс теории вероятностей и добросовестно проделал все практические занятия по курсу. Овладев теорией вероятностей, Резерфорд оценил ее как необходимую для физика XX века методологическую дисциплину. Закончив курс, Резерфорд решился опубликовать статью о планетарной модели атома. Никто из теоретиков -- ни Лоренц, ни Эйнштейн -- не обратили внимания на его статью. Никто из них не обмолвился о планетарной модели и на физическом конгрессе 1911 года. Почему?

Очень просто! Все понимали: только теория решает, что наблюдается в эксперименте, теория же считала планетарную модель нелепой. А коли так, то и говорить о ней нечего! Единственный, кто задумался об этой модели серьезно, был Нильс Бор, тогда еще молодой и ничем не знаменитый. Покоренный личностью Резерфорда, он поверил в его модель и разработал программу ее «спасения». Строение электронного роя в резерфордовском атоме управляется квантом действия Планка, решил он, выдвигая тем самым не подтвержденную еще математически идею объединения казавшихся всем разнородными физики атома и квантовой механики. Бор, как он сам говорил, был тогда вдохновлен только «надеждой и верой в расширение нашего понимания вещей».

Лишь через некоторое время так называемые спектральные формулы, о которых Бор узнал, после того, как выдвинул главную идею, стали эмпирическим основанием и конкретизацией новой, усовершенствованной модели атома.

Согласно его теории, которая сегодня стала общепринятой, положительно заряженные частицы сосредоточены в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) находятся на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Эта модель, подобна крошечной модели Солнечной системы, подразумевает, что атомы состоят главным образом из пустого пространства. Резерфорд предсказал открытие нейтрона, возможность расщепления атомных ядер легких элементов и искусственных ядерных превращений. Бор показал, что в терминах предлагаемой Резерфордом структуры могут быть объяснены общеизвестные физические свойства атома водорода, а также атомов нескольких более тяжелых элементов. Нильс Бор объединил ядерную теорию Резерфорда с квантовой теорией Планка и создал прекрасную модель электронной структуры атома, носящую его имя.

Нильс Бор писал о знакомстве с Резерфордом: «Впервые мне посчастливилось видеть и слышать Резерфорда осенью 1911 г., когда, закончив университет в Копенгагене, я работал в Кембридже у Дж. Дж.Томсона, а Резерфорд приехал из Манчестера, чтобы выступить па ежегодном кавендишском обеде. Хотя в этот раз мне не удалось лично познакомиться с Резерфордом, на меня произвели глубокое впечатление его обаяние и энергия - качества, которые помогали ему повсюду, где бы он ни работал, достигать почти невероятных вещей. Обед проходил в чрезвычайно непринужденной атмосфере, и, воспользовавшись удобным случаем, коллеги Резерфорда напомнили некоторые из многочисленных анекдотов, уже тогда связанных с его именем. Среди многих примеров того, как глубоко был поглощен Резерфорд своими исследованиями, приводилось высказывание служителя Кавендишской лаборатории. Он утверждал, что из всех самых увлеченных молодых физиков, которые на протяжении ряда лет появлялись в знаменитой лаборатории. Резерфорд мог наиболее виртуозно проклинать свою аппаратуру.

Из речи, произнесенной самим Резерфордом, мне особенно запомнилась та теплота, с которой он поздравлял своего старого друга Ч.Т.Р. Вильсона. Незадолго перед тем Вильсон, применив остроумный метод, использующий камеру, наполненную насыщенными парами, получил своя первые фотографии треков ?-частиц, на которых были отчетливо видны резкие изломы, хотя обычные треки??-частиц представляли собой замечательно прямые линии. Конечно, Резерфорд очень хорошо понимал, что это за явление, так как всего лишь за несколько месяцев до того именно оно привело его к открытию, положившему начало новой эпохи, - открытию атомного ядра. Однако возможность увидеть собственными глазами столь тонкие детали поведения ?-лучей оказалась удивительной даже для него и доставила ему необыкновенную радость. В этой связи наибольшее восхищение, как подчеркивал Резерфорд в своей речи, вызывала настойчивость, с которой Вильсон (в то время они уже были связаны тесной дружбой в Кавендишской лаборатории) продолжал свои исследования по образованию тумана со все более усовершенствованными аппаратами. Впоследствии Вильсон рассказывал мне, что в нем впервые пробудился интерес к этому красивейшему явлению, когда еще юношей он наблюдал появление и исчезновение туманов, по мере того как потоки воздуха поднимались на гребни Шотландских гор и затем вновь опускались в долины.

Через несколько недель после кавендишского обеда я отправился в Манчестер, чтобы навестить коллегу моего покойного отца. Этот коллега был близким другом Резерфорда. Здесь, в Манчестере, я снова имел возможность видеть Резерфорда. Резерфорд уже успел побывать на открытии Сольвеевского конгресса в Брюсселе, где впервые встретился с Планком и Эйнштейном. Во время беседы, в которой Резерфорд с подлинным энтузиазмом говорил о многих новых перспективах физики, я просил разрешения присоединиться после окончания занятий в Кембридже ранней весной 1912 г. к группе, работавшей в его лаборатории. Резерфорд любезно согласился. В Кембридже я был сильно увлечен оригинальными идеями Дж.Дж.Томсона, касающимися электронного строения атомов.

В те времена вокруг Резерфорда сгруппировалось большое число молодых физиков из разных стран мира, привлеченных его чрезвычайной одаренностью ученого и редкими способностями организатора научного коллектива. Хотя Резерфорд был всегда поглощен своими собственными работами, у него все же хватало терпения выслушивать каждого из этих молодых людей, если только он чувствовал наличие каких-то идей, какими бы скромными с его собственной точки зрения они ни оказались. С другой стороны, будучи чрезвычайно независимым человеком, он не очень почитал авторитеты и терпеть не мог "напыщенной болтовни". В таких случаях он мог иногда говорить о достопочтенных коллегах совсем по-мальчишески, однако никогда не позволял себе пускаться в споры; он любил повторять, что "никто не может лишить человека доброго имени, кроме него самого!".

Естественно, что в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра. В первые недели моего пребывания в лаборатории я последовал совету Резерфорда и прослушал вводный курс экспериментальных методов исследования радиоактивности, который был организован для студентов и вновь прибывающих сотрудников под весьма квалифицированным руководством Гейгера, Маковера и Марсдена. Однако довольно быстро меня полностью захватили общие теоретические соображения, которые следовали из новой модели атома, особенно те возможности, которые открывались этой моделью для отчетливого разделения физических и химических свойств материи на те, которые непосредственно определяются самим атомным ядром, и те, которые существенно зависят от распределения электронов, связанных с ядром, но находящихся на расстояниях, весьма больших по сравнению с ядерными размерами...

Обосновавшись в Копенгагене, я продолжал поддерживать постоянный контакт с Резерфордом; я регулярно сообщал ему о ходе своих работ по исследованию общих проблем атома, начатых мною еще в Манчестере. Очень характерными для ответов Резерфорда, которые всегда были ободряющими, были непосредственность и увлечение, с которым он рассказывал о работах своей лаборатории. Фактически это было началом той длительной переписки, которая продолжалась свыше 25 лет; эта переписка каждый раз, когда я обращался к ней, вновь воскрешала в моей памяти энтузиазм Резерфорда к дальнейшему развитию области, которая была открыта его работами, и его сочувственный интерес ко всем, кто пытался внести свой вклад и эти исследования.»

Когда разразилась первая мировая война, Резерфорд был назначен членом гражданского комитета Управления изобретений и исследований британского Адмиралтейства и изучал проблему определения местонахождения подводных лодок с помощью акустики.

Нильс Бор писал: «С началом первой мировой войны манчестерская группа почти полностью распалась, однако мне посчастливилось остаться в тесном контакте с Резерфордом, который весной 1914 г. пригласил меня заменить Дарвина в Шустеровской школе математической физики. По прибытии в Манчестер ранней осенью этого года, пережив бурное плавание вокруг Шотландии, моя жена и я были очень тепло встречены теми немногими из наших друзей, которые остались в лаборатории после отъезда наших заграничных коллег и ухода на военную службу большинства англичан. В это время Резерфорд с женой были еще в Америке, где очутились на обратном пути после посещения родных в Новой Зеландии. Стоит ли говорить о том, что их благополучное возвращение в Манчестер через несколько недель было встречено всеми нами с облегчением и большой радостью.

Резерфорд вскоре вынужден был заняться военными вопросами, в особенности задачей обнаружения подводных лодок с помощью звука, так что обучение студентов почти полностью перешло к Эвансу, Маковеру и ко мне. Все же Резерфорд находил время не только продолжать свои собственные исследования, которые еще до окончания войны уже привели к столь грандиозным результатам, но и с присущей ему благожелательностью не переставал интересоваться работами своих сотрудников. Если говорить о проблеме строения атома, то она получила новый толчок в 1914 г., когда были опубликованы знаменитые опыты Франка и Герца по возбуждению атомов электронными соударениями.

С одной стороны, эти эксперименты, выполненные с парами ртути, представляли собой наиболее яркое доказательство скачкообразности энергетических переходов в атомных процессах; с другой стороны, значение энергии ионизации атомов ртути, очевидно определяемое этими экспериментами, оказалось вдвое меньше, чем это следовало ожидать на основании интерпретации спектра ртути. Поэтому возникало подозрение, что наблюдаемая ионизация не имеет прямого отношения к электронным соударениям, а обязана побочному фотоэффекту на электродах, вызываемому излучением атомов ртути при переходе из первого возбужденного состояния в основное. С благословения Резерфорда Маковер и я решили поставить эксперименты, чтобы выяснить этот вопрос; было задумано сложное устройство из кварцевого стекла с многочисленными электродами и сетками; эту конструкцию мы осуществляли с помощью опытного немецкого стеклодува, который в свое время изготовлял тонкие трубки с ?-препаратами для исследований Резерфорда по образованию гелия.

Со свойственной ему широтой гуманистических взглядов Резерфорд пытался получить разрешение для этого стеклодува продолжать работать в Англии и в военное время, однако слабости этого человека, довольно обычные для представителей этой профессии, и резкие ультрапатриотические высказывания привели в конце концов к тому, что он был интернирован английскими властями. Таким образом, когда случайно загорелась подставка и наш чрезвычайно сложный аппарат вышел из строя, нам уже никто не мог помочь отремонтировать его; к тому же вскоре Маковер ушел добровольцем в армию, и от этих экспериментов пришлось отказаться. Едва ли следует добавлять, что эта проблема была совершенно независимо от нас разрешена (причем были получены ожидавшиеся нами результаты) блестящими работами Дэвиса и Готье, выполненными в 1918 г. в Нью-Йорке. Я вспомнил о наших безуспешных попытках лишь для того, чтобы обрисовать трудности, которые возникали в то время в работе Манчестерской лаборатории.

По-прежнему непоколебимый оптимизм Резерфорда чрезвычайно ободряюще действовал на всех, кто окружал его, и мне вспоминается, как во время серьезных военных неудач он повторял старое изречение, приписываемое Наполеону, о том, что с англичанами невозможно воевать, потому что они не понимают, когда нужно сдаваться. Для меня было приятно и поучительно раз в месяц присутствовать на беседах в группе близких друзей Резерфорда; в нее входили философ Александер, историк Тоут, антрополог Элиот Смит и химик Хаим Вейцман, которого высоко ценил Резерфорд... »

В последующие годы Резерфорда все более и более занимала возможность ядерного расщепления с помощью быстрых ?-частиц, и уже в письме от 9 декабря 1917 г. он писал:

"...Время от времени мне удается урвать полдня, чтобы провести некоторые из моих собственных экспериментов, и я думаю, что получил результаты, которые в конце концов окажутся чрезвычайно важными. Очень хотелось бы, чтобы Вы были здесь и мы могли бы обсудить все эти вопросы. Я обнаруживаю и подсчитываю легкие атомы, приводимые в движение ?-частицами, и эти результаты, как мне кажется, проливают свет на характер и распределение сил вблизи ядра. Я пытаюсь также этим же методом взломать атом. В одном из опытов результаты представляются обнадеживающими, но потребуется уйма работы, чтобы их подтвердить. Кэй помогает мне и сейчас уже является большим специалистом по подсчетам".

Годом позже, 17 ноября 1918 г., Резерфорд в очень характерной для него манере рассказывает о дальнейших результатах:

"Я хотел бы, чтобы Вы (Нильс Бор - прим. автора) были здесь и мы бы обсудили значение некоторых моих результатов по соударению ядер. Я получил, как мне кажется, ряд удивительных результатов, но потребуется тяжелый и продолжительный труд, чтобы представить надежные доказательства моих выводов. Подсчет слабых сцинтилляций - нелегкая задача для старых глаз, но все же с помощью Кэя я проделал за прошедшие четыре годы чрезвычайно большую работу в свободное время".

В знаменитой работе Резерфорда, опубликованной в 1919 г. в "Philosophical Magazine", содержащей описание его фундаментального открытия - управляемого ядерного расщепления, упоминается приезд в Манчестер в ноябре 1918 г. старого сотрудника Резерфорда - Эрнеста Марсдена, который после заключения перемирия был демобилизован из армии во Франции.

Обладая большим опытом сцинтилляционных экспериментов, полученных им ранее в дни пребывания в Манчестере, когда вместе с Гейгером он ставил эксперименты, которые привели Резерфорда к открытию атомного ядра, Марсден помог выяснить некоторые очевидные аномалии в статистическом распределении протонов больших скоростей, высвобождаемых при бомбардировке азота ?-частицами. Из Манчестера Марсден вернулся в Новую Зеландию, чтобы приступить к своим университетским обязанностям, но поддерживал тесную связь с Резерфордом в течение многих лет.

После войны он вернулся в манчестерскую лабораторию и в 1919 г. сделал еще одно фундаментальное открытие. Изучая структуру атомов водорода с помощью бомбардировки их альфа-частицами, обладающими высокой скоростью, он заметил на своем детекторе сигнал, который можно было объяснить как результат того, что ядро атома водорода пришло в движение вследствие столкновения с альфа-частицей. Однако точно такой же сигнал появлялся и когда ученый заменил атомы водорода атомами азота. Резерфорд объяснил причину этого явления тем, что бомбардировка вызывает распад устойчивого атома. Т.е. в процессе, аналогичном естественно происходящему распаду, который вызывается радиацией, альфа частица выбивает единственный протон (ядро атома водорода) из устойчивого при нормальных условиях ядра атома азота и придает ему чудовищную скорость. Еще одно свидетельство в пользу такого толкования этого явления было получено в 1934 г., когда Фредерик Жолио и Ирен Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

Глава 5. Снова Кавендишская лаборатория

В июле 1919 г. Резерфорд был почти один в своей лаборатории, и, как он писал в своих письмах, единственным помощником в его фундаментальных исследованиях, если не считать кратковременного пребывания Марсдена, был его преданный ассистент Вильям Кэй, который своей добротой и готовностью помочь снискал общую любовь всех работавших за все эти годя в лаборатории. Во время визита Нильса Бора Резерфорд рассказал ему, что он должен принять важное решение в связи с предложением занять должность профессора Кавендишской лаборатории в Кембридже; эта должность оставалась свободной после ухода в отставку Дж.Дж.Томсона. Конечно. Резерфорду было нелегко решиться расстаться с Манчестером, где он долго и плодотворно работал, но он, разумеется, не мог не принять приглашения занять место в непревзойденное плеяде кавендишских профессоров...

С первых же дней Резерфорд собрал вокруг себя в Кавендишской лаборатории многочисленную и блестящую группу исследователей. Наиболее заметной фигурой среди них был Астон, который много лет работал с Дж.Дж.Томсоном и уже во время войны начал развивать масс-спектроскопические методы; эти методы впоследствии позволили обнаружить существование изотопов почти у всех элементов. Этот результат, который еще раз давал убедительное подтверждение правильности атомной модели Резерфорда, не совсем был неожиданным. Еще в Манчестере было выяснено, что очевидные отступления от правильной последовательности атомных весов элементов, расположенных соответственно их химическим свойствам, указывают на то, что даже у устойчивых элементов не следует ожидать однозначной связи зарядов ядер с их массой. В письмах, написанных в январе и феврале 1920 г., Резерфорд выражал свое удовлетворение работами Астона, в особенности открытием изотопов хлора, которые так наглядно демонстрируют статистический характер отклонений химических атомных весов от целочисленных значений. Он не без юмора комментировал также оживленные дискуссии в Кавендишской лаборатории, посвященные относительным достоинствам различных моделей атома, которые появлялись в связи с открытием Астона.

Большое значение для продолжения собственных изыскательских работ Резерфорда, касающихся строения и расщепления атомных ядер, а также руководства обширной лабораторией, имело то, что с самого начала его деятельности к нему присоединился Джеймс Чедвик, работавший в старой манчестерской группе и вернувшийся после длительного интернирования в Германии; начало войны застало его в Берлине, где он работал вместе с Гейгером. Среди сотрудников Резерфорда в первые годы его работы в Кембридже были также Блэкетт и Эллис, оба демобилизованные из службы обороны; к занятиям физикой Эллиса привлек Чедвик, с которым он подружился, находясь в лагере для интернированных у немцев. Дальнейшим пополнением кавендишской группы было прибытие несколькими годами позже Капицы, который привез с собой разнообразные остроумные проекты, в частности проект создания магнитного поля неслыханной тогда величины. В своей работе он с самого начала получал помощь Джона Кокрофта, обладавшего незаурядным сочетанием понимания научных и инженерных вопросов и ставшего впоследствии выдающимся сотрудником Резерфорда.