Ремесленник большой науки

30 августа родился Эрнест Резерфорд — человек, умевший задавать вопросы природе без обиняков и получать от нее столь же прямые ответы
Ремесленник большой науки
Эрне́ст Резерфо́рд. «Отец» ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года
Gettyimages

Резерфорд был, по-видимому, последним представителем той эпохи в истории науки, когда ученый собственноручно создавал приборы для своих открытий. Сегодня, когда мы тратим миллиарды на megascience, поражает воображение, насколько простыми средствами вел Резерфорд штурм атомного мира, и делал это успешно. Он задавал природе прямые вопросы, и почему-то именно ему она с готовностью отвечала; правда, столь просто формулировать сложные вопросы мог только Резерфорд — казалось, он заранее знал ответ.

Его экспериментальные схемы легко объяснить школьнику, они могут показаться даже прямолинейными и безыскусными, ремесленными, что ли (его дед был шотландским колесным мастером, а отец — новозеландским фермером). Один из любимых учеников Резерфорда Петр Капица дал ему кличку «крокодил» — по всей вероятности, намекая на образ упрямого животного, которое никогда не поворачивает назад.

РЕЗЕРФ КРОК.png
Изображение крокодила на стене Кавендишской лаборатории
Wikipedia


Новозеландский кролик

Резерфорд со времен своего новозеландского детства испытывал страсть ко всяческим механизмам: с упоением разбирал и собирал часы, строил с отцом водяные мельницы, а на втором курсе Кентерберийского университета воспроизвел прибор Герца для генерации электромагнитных волн. Примерно в это время его посетила странная, ни на чем не основанная идея, что все атомы состоят из одних и тех же элементарных составляющих, и он сделал об этом студенческий доклад, но был освистан. На самом деле Резерфорд воспроизвел давнюю гипотезу Уильяма Праута, что любой атом можно представить как соединение определенного количества одних и тех же элементарных атомов, которая была опровергнута более точным измерением атомных весов (об изотопах тогда еще не было известно). Но скепсис товарищей по учебе и преподавателей нимало не смутил Резерфорда — он решил, что докажет это экспериментально, а для этого нужно было попасть в место, где творится современная наука. Как ни странно, случай представился по окончании университета, когда он начал работать сельским учителем. Однажды, копая картошку после уроков с нерадивыми фермерскими детьми, Резерфорд узнал, что ему присудили премию для посещения физической столицы империи — Кембриджа.

magnifier.png Резерфорд отправился в Англию не с пустыми руками — в его чемодане помещался приемник радиоволн собственной конструкции, который сразу произвел впечатление на директора знаменитой Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсона

В Англию Резерфорд отправился не с пустыми руками — в его чемодане помещался приемник радиоволн собственной конструкции, который сразу произвел впечатление и на директора знаменитой Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсона, стоящего тогда на пороге открытия электрона, и на других коллег. Вскоре он блестяще подтвердил свою репутацию, установив устойчивую радиосвязь между Кавендишской лабораторией и расположенной в трех километрах от нее обсерваторией Кембриджского университета. Известна фраза, которую произнес по поводу появления Резерфорда в университете один кембриджский профессор: «К нам приехал новозеландский кролик из страны антиподов, и роет он глубоко».

Занятия радиосвязью Резерфорд прекратил после триумфа Маркони (о Попове широкая западная публика тогда ничего не знала). Дж. Дж. Томсон предложил заняться ионизацией газов только что открытыми рентгеновскими лучами, и Резерфорд согласился, дотошно изучив это явление. Сам Томсон как раз сделал эпохальное открытие, доказав, что катодные лучи — это поток частиц, переносящих элементарный отрицательный заряд, электронов. Он предположил, что атом представляет собой что-то вроде пудинга с изюмом — внутри положительно заряженной сферы помещено столько электронов, чтобы суммарный заряд всей системы был равен нулю. Что-то Резерфорду в этой схеме не понравилось, скорее всего ее умозрительность, — для окончательного ответа нужен был инструмент, позволяющий проникнуть внутрь атома, но тот продолжал казаться стабильным и непроницаемым.

magnifier.png Что-то Резерфорду в этой схеме не понравилось, скорее всего ее умозрительность — для окончательного ответа нужен был инструмент, позволяющий проникнуть внутрь атома, но атом продолжал казаться стабильным и непроницаемым

Неожиданный импульс поискам Резерфорда придало известие, пришедшее с другой стороны Ла-Манша: в Париже Анри Беккерель обнаружил неизвестное доселе излучение, испускаемое солями урана (сегодня это явление называется радиоактивностью). Французский физик сначала подумал, что имеет дело с рентгеновскими лучами, — это подтверждалось тем, что излучение солей урана тоже оказалось ионизирующим. Но Резерфорд «встал в охотничью стойку» и после серии опытов доказал, что радиоактивность состоит из потока разнозаряженных частиц — альфа и бета; позже к ним добавили гамма-излучение, которому Резерфорд поначалу не уделил должного внимания. Он доказал, что β-излучение — это поток открытых Томсоном электронов, а вот с положительно заряженными и более тяжелыми α-частицами все обстояло сложнее, и именно к ним исследователь проявил наибольший интерес, разглядев в них тот самый инструмент, с помощью которого можно проникнуть внутрь атома. Позже историки науки констатировали, что это была хоть и гениальная, но мало на чем основанная догадка.


Альфа-частицы — это ядра гелия

Проводя опыты по отклонению α-частиц в сильном магнитном поле, Резерфорд установил, что они несут положительный заряд и движутся со скоростью 2,5 × 109 сантиметров в секунду (примерно 1/10 скорости света). Был проведен удивительно простой и прямо ведущий к цели эксперимент. 

РЕЗЕРФ РИС1.png
Фѐдор Кедров Эрнест Резерфорд (Рождение ядерной физики). М., «Знание», 1980

Прибор, построенный Резерфордом (рис. 1), состоял из электроскопа (1), сделанного из полоски золотой фольги и помещенного над двадцатью металлическими пластинками (3), вертикально установленными в эбонитовом ящике. Щели между пластинками составляют всего один миллиметр; благодаря таким узким щелям α-частицы, испускаемые радиоактивным излучателем — радиевой солью (4), расположенным под пластинками на дне ящика, проходят в камеру электроскопа параллельным пучком. Через прибор по входной трубке (2) пропускается водород, который увлекает с собой накапливающийся в приборе радон. Водород вместе с радоном удаляется через выходную трубку (5). Благодаря непрерывному удалению радона увеличивается пробег α-частиц. Прикладывая сильное магнитное поле, направленное параллельно плоскостям пластинок (3), можно было почти полностью прекратить в камере электроскопа ионизацию, вызываемую электрическим зарядом α-частиц, то есть листочки электроскопа опадали. Именно так Резерфорд показал, что α-частицы — это быстродвижущиеся электрически заряженные частицы с большой энергией. Затем Резерфорд соединял пластинки (3) поочередно с противоположными полюсами электрической батареи. Теперь, закрывая щели между пластинками и наблюдая различную скорость происходящего при этом прекращения ионизации и направление, по которому происходит отклонение α-частиц, исследователь определил их скорость. Резерфорд определил и отношение заряда α-частиц к их массе; это указывало на то, что α-частицы, по-видимому, представляют собой дважды ионизованные атомы гелия.

Чтобы окончательно доказать, что он имеет дело с ядрами гелия, Резерфорд провел еще один простой и решающий эксперимент, поставив шах и мат скептикам.

magnifier.png Чтобы окончательно доказать, что он имеет дело с ядрами гелия, Резерфорд провел еще один простой и решающий эксперимент, поставив шах и мат скептикам

Запаянная стеклянная трубка (2) наполнена газом радоном (рис. 2). Толщина стенок этой трубки всего 0,01 миллиметра. Они достаточно тонкие, чтобы α-частицы, испускаемые радоном, могли проходить через них в трубку (3). Перед опытом из трубки (3) тщательно откачивался воздух. Однако через несколько дней после начала опыта, то есть наполнения трубки (2) радоном, исследователи обнаруживали в трубке (3) накопление какого-то газа. С помощью поднятия ртутного столбика газ сжимался в отростке (1), через который пропускался электрический ток. При этом наблюдались характерные желтые линии спектра гелия. В разрядной трубке действительно был гелий.


Планетарная модель ядра

Установив, что α-частицы — это ионизированные атомы гелия, Резерфорд решил бомбардировать ими различные вещества и посмотреть, что получится. Направляя пучок α-частиц на металлическую пластинку, Резерфорд решил проверить, а нет ли таких, что отражаются от нее. Вообще, это была странная идея — положительно заряженные частицы не должны были рассеиваться на пудингообразных нейтральных атомах Томсона, однако небольшая часть их отклонялась назад, как будто столкнулась с положительным ядром. 

РЕЗЕРФ РИС2.png
Фѐдор Кедров Эрнест Резерфорд (Рождение ядерной физики). М., «Знание», 1980

Идея этого примитивного эксперимента почему-то никому, кроме Резерфорда, в голову не пришла; между тем именно этот эксперимент доказал, что в центре атома находится небольшое положительное ядро и именно на нем рассеиваются α-частицы. Дальше Резерфорд предложил заменить «пудинг» своего учителя на атом, по структуре напоминающий Солнечную систему: положительно заряженное массивное ядро-солнце в центре и отрицательные электроны-планеты, вращающиеся вокруг него. С точки зрения классической электродинамики такая модель атома бессмысленна — вращающиеся по круговым орбитам электроны будут непрерывно излучать энергию, пока не упадут на ядро. Но Резерфорд был уверен в своей правоте — ведь простой эксперимент доказывал это. Понадобилось время, чтобы ученик Резерфорда Нильс Бор обосновал планетарную модель атома с помощью квантовой механики и все признали правоту и выдающуюся интуицию Резерфорда.

Далее были выдающиеся работы по трансмутации элементов, открытие учеником Резерфорда Джеймсом Чедвиком предсказанного учителем нейтрона и окончательное понимание того, что атомные ядра всех веществ состоят из одних и тех же элементов — протонов и нейтронов. Неудачное юношеское выступление Резерфорда было с блеском реабилитировано.

magnifier.png Резерфорд предложил заменить «пудинг» своего учителя на атом, по структуре напоминающий Солнечную систему: положительно заряженное массивное ядро-солнце в центре и отрицательные электроны-планеты, вращающиеся вокруг него

Но Резерфорд продолжал стремиться внутрь ядра, ломая его. Для этого были необходимы большие энергии, и он предложил своим ученикам построить первый в истории ускоритель частиц. До БАКа ему было далеко, и опять-таки удивляет безыскусность, ремесленничество этого пионерского проекта под руководством Резерфорда. Вот как вспоминает о создании этой прорывной установки Джон Кокрофт: «Мы сделали две колонки из стеклянных цилиндров от бензинового насоса, скрепили их между собой пластилином и откачали из них воздух, добившись очень большого разрежения. Одна из колонок давала весьма высокое напряжение, порядка 200 тысяч или 500 тысяч вольт. Вторая колонка служила нам в качестве атомной пушки. По ней двигались наши снаряды из атомов водорода, разгоняемые высоким напряжением, получаемым на второй колонке».

Надо сказать, что этот простой и четкий экспериментальный подход к решению самых приземленных задач Резерфорду довелось применять не раз. Например, он защитил одного предпринимателя, построившего электростанцию, от жителей близлежащих домов. Жители утверждали, что вибрация угрожает разрушением жилых строений. Резерфорд быстро придумал что-то вроде сейсмографа, который показал: если просто ходить туда-сюда по комнате, это дает большую амплитуду колебаний, чем турбины электростанции, запущенные на полную мощность, — и вопрос был снят. А во время Первой мировой войны физик оказал неоценимую услугу британскому ВМФ, соорудив пьезоэлектрический прибор, с большой точностью детектирующий акустические сигналы немецких подводных лодок.

magnifier.png Во время Первой мировой войны физик оказал неоценимую услугу британскому ВМФ, соорудив пьезоэлектрический прибор, с большой точностью детектирующий акустические сигналы немецких подводных лодок

Простота и оригинальность решений в прикладной области несли в себе черты того же исследовательского стиля Резерфорда, которым отмечены его великие фундаментальные открытия, заложившие основу современных представлений о строении вещества. Новозеландский кролик, кембриджский крокодил, потомок колесного мастера — этот человек сочетал какое-то звериное знание природы с умением смастерить из подручных средств выдающийся прибор, решающий самую сложную задачу.

Еще по теме