neslucha-sluchai
страница №17
...тория эта принадлежала сэру Вильяму Круксу, знакомому нам по его знаменитым трубкам. Крукс слыл большим оригиналом. Оригинальность его проявлялась и во внешности — он носил длинные навощенные усы и их кончики тщательно закручивал, — и в образе жизни: исследовательскую лабораторию построил прямо у себя в особняке и занимался наукой, не выходя из дому.В конце 1899 года, то есть тогда, когда Резерфорд отправил в Англию свои статьи по радиоактивности, Крукс также заинтересовался данной проблемой. Он на время свернул частную консультативную химическую практику, которой занимался не для заработка — он был состоятельным человеком, — а из любви к химии, поручил помощникам следить за изданием еженедельного химического журнала, который выпускал также не корысти ради, и всерьез засел в своей лаборатории.
Из того, что он прочел о радиоактивности, он понял, что ее обнаружить можно либо с помощью электроскопа, либо с помощью фотографических пластинок. В первом приборе он не очень разбирался, а в фотографии был докой и поэтому остановил свой выбор на втором методе, более сложном, но, как всякая знакомая дорога, в конечном счете более коротком. Итак, вооружившись урановым препаратом, фотопластинками и терпением, он решил попытаться выделить радий, как это делали на континенте супруги Кюри. Правда, его технология выделения несколько отличалась от технологии Кюри. Как, впрочем, оказались отличными и результаты: когда он приготовил наконец желанный азотнокислый уранил, оказалось, что тот никакого воздействия на фотопластинки не производит.
Пришлось начать все сначала, но уже с оглядкой. Через некоторое время Крукс обнаружил, в чем загвоздка: радиоактивность, оказывается, уходила в раствор, где вроде бы не было урана; а в той порции, где он вроде бы был, не было радиоактивности. Что это означало? Это означало, решил Крукс, что в той смеси веществ, которую он обычно выбрасывал, находится какое то новое, неизвестное вещество, похожее на уран, но вместе с тем не уран и не похожее на другие радиоактивные элементы — полоний и радий. Поразмыслив, как бы назвать незнакомца, Крукс окрестил его весьма просто и остроумно — уран Х. Сейчас мы знаем, что Крукс выделил изотоп тория — торий 234, образующийся в результате альфа распада урана 238.
В мае 1900 года Крукс доложил о своей странной находке Королевскому обществу. Сначала ему даже не очень поверили. Но вскоре данные Крукса подтвердил не кто иной, как сам Беккерель; на заседании Парижской Академии наук он доложил об аналогичных результатах. Но сам термин «изотоп» все еще не был никем произнесен, так как о самом понятии изотопии еще не было речи лет десять, пока не накопились в достаточном количестве новые факты. А до тех пор по страницам научных журналов кочевали различные мистеры Иксы: радий А, радий В, радий С, и т. д. И т. п.
Резерфорд в это время наслаждался прелестями тихой сельской жизни в Новой Зеландии, помогал родителям по хозяйству, готовился увезти Мэри Ньютон… нет, теперь уже Мэри Резерфорд.
А по волнам Атлантического океана плыл еще один участник предстоящего открытия; его путь лежал также в Канаду, ехал он из Англии, где год назад окончил Оксфордский университет с дипломом химика. Звали его Фредерик Содди, и направлялся он в Монреаль, чтобы получить там интересующую его работу. Но ему не повезло: он обнаружил, что работа, ради которой он покинул Англию, уплыла от него, пока он плыл к ней. Однако ему настолько понравился Мак Гиллский университет, и в особенности химическая лаборатория, которой досталась часть из четырех миллионов Макдональда, что он решил остаться здесь на любой должности, какую предложат. Ему предложили быть руководителем лабораторного практикума по химии, и он согласился.
Ну, а дальше события развивались самым естественным образом. Резерфорд осенью возвращается в Монреаль и находит там в химической лаборатории нового сотрудника, жаждущего исследовательской работы, а у себя на столе — последние научные журналы, призывавшие к этой самой работе. И происходит неизбежное: физик Резерфорд предлагает химику Содди сотрудничество, так как проблема, которую предстоит решить, и физическая и химическая одновременно, и вместе с тем, как писал о ней Содди, она не подчинена «ни физике, ни химии в том виде, как понимались эти науки до появления радиоактивности».
Кстати, Содди, как оказалось, был ученым с сильно развитым поэтическим восприятием мира и даже таких сложных процессов, как радиоактивность. Вот как он писал о радии в своей книге: «Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды времени». Прекрасно сказано — и точно, и образно.
Но этот отрывок взят из популярной книги Фредерика; в статье, которую они с Резерфордом отправили в журнал, эти же идеи выражались совсем иным языком — сухим и бесстрастным, как и положено в серьезной статье. Статья эта, названная «Причина и природа радиоактивности», произвела революцию в науке. В ней впервые высказывалась мысль о том, что радиоактивность — не что иное, как переход одних элементов в другие, сопровождаемый испусканием либо альфа лучей, либо бета лучей. Свои выводы ученые сделали из четких экспериментов с веществом, которое они обнаружили при исследовании радиоактивного распада тория и которое назвали, по примеру Крукса, торием Х. При тщательном исследовании оказалось, что эманация тория получается не из самого тория, а из этого нового промежуточного тория Х, который каждые четыре дня вдвое уменьшает свою радиоактивность. Как теперь мы понимаем, ученые имели дело с радиоактивным изотопом радия — радием 226.
Так впервые в лексиконе науки появились новые понятия: самопроизвольный распад элементов, период полураспада. Многие ученые, воспитанные на старых представлениях о неделимости атомов, не могли принять новые концепции. Даже такой великий физик, как лорд Кельвин, до самой своей смерти отказывался признать радиоактивный распад атомов. Но факты, неумолимые факты, добытые в изящных и точных экспериментах Резерфордом и Содди, неумолимо свидетельствовали: атом делим.
Свои исследования того периода Резерфорд суммировал в капитальном труде «Радиоактивные вещества и их излучения». Впервые эта книга вышла в 1904 году, но с тех пор много раз переиздавалась в разных странах мира и пополнялась новыми главами, написанными самим автором или вместе с учениками. Когда она вышла впервые, лорд Релей, один из ведущих английских физиков, написал о ней: «Книга Резерфорда не имеет себе равных в качестве авторитетного изложения известных свойств радиоактивных тел. Большей частью этих знаний мы обязаны самому автору. Его изумительная энергия на этом поприще заслужила всеобщее восхищение. В течение нескольких лет едва ли проходил месяц без его личного вклада или вклада его учеников, которых он увлек этой проблемой». Могу перевести эту качественную оценку Релея на язык цифр: пятьдесят научных статей за неполные девять лет, и каких статей — основополагающих.
Нет просто возможности рассказать обо всех них, хотя они стоят того, поскольку большей частью это описание экспериментов, а тут Резерфорд — волшебник, за действиями которого просто интересно наблюдать. Расскажу только об одном открытии, сделанном в Монреале, — не потому что оно венчает великий канадский период его жизни, а потому, что имеет непосредственное отношение к тому вроде бы случайному открытию, о котором я должен поведать в этой книге и которое было сделано в следующий великий период его жизни — манчестерский.
Итак, перед тем как распрощаться с гостеприимным Мак Гиллским университетом, много сделавшим для славы Резерфорда, который в свою очередь много сделал для славы Мак Гиллского университета, давайте посмотрим, как Эрнест показал, что из себя представляют открытые им альфа лучи. Это исследование носит принципиальный характер, так как важно было понять, что же уносится из атома при его радиоактивном распаде.
Я уж приводил высказывание ученика Резерфорда академика П.Л. Капицы об экспериментальном мастерстве своего учителя. В опыте, который он поставил для изучения альфа частиц, это качество проявилось в полной мере. Петр Леонидович, рассказывая о Резерфорде, привел любопытное наблюдение. По его мнению, физики делятся на два типа исследователей. «Одни — это тип скорее немецкой школы, экспериментатор исходит из известных теоретических предположений и старается их проверить на опыте». Я прерву здесь рассказ Капицы, чтобы пояснить его мысль и напомнить о работах Рентгена; до того, как он открыл свои лучи, что было незапланированной находкой, он занимался как раз методичной работой с катодными лучами, проверяя правильность существовавших относительно них теоретических воззрений. Но послушаем дальше Петра Леонидовича: «Другой же тип ученого, скорее английской школы, исходит не из теории, а из самого явления — изучает его и смотрит, может ли это явление быть объяснено существующими теориями. Тут изучение явления, анализ его являются основным мотивом для эксперимента. И если такое деление возможно, Резерфорд был ярким представителем этого второго направления в экспериментальной физике. Главное для Резерфорда было — разобраться, понять явление. Эксперимент должен быть так построен, чтобы было ясно, в чем состоит явление».
Сейчас представиться случай убедиться, насколько точно подметил эту черту Резерфорда Капица. В чем суть опыта, который собирался поставить Эрнест? В том, чтобы понять, что из себя представляют альфа лучи. Поскольку они вылетают из радиоактивных химических элементов, которые вследствие этого меняют свою природу, логично предположить, что альфа лучи — это тоже какой то химический элемент, достаточно легкий, чтобы иметь возможность вылететь. Но каждый элемент обладает определенной массой. И, следовательно, если точно измерить массу вылетающих частиц и их заряд, то можно судить о происхождении альфа лучей.
Опыт ставится самым бесхитростным образом, чтобы наблюдать только то, что нужно в данном конкретном случае: заряд и массу. Резерфорд взял обычный электроскоп — сосуд с двумя золотыми листочками, расходящимися при получении заряда и опадающих, когда их разряжают. В дне электроскопа сделал щели для альфа лучей; от щелей в коробку, расположенную под электроскопом, спускались двадцать металлических пластинок; между ними зазор в один миллиметр; на дне коробки радий — источник альфа лучей. Вот и все. Да, еще одна маленькая деталь: чтобы удалять эманацию, образующуюся при распаде радия, через прибор продувается водород. Вот теперь всё.
Что же происходит?
Радий испускает альфа лучи. Они идут параллельным пучком между двадцатью пластинками и ионизируют воздух в сосуде. Ионы попадают на листочки электроскопа, предварительно заряженные, и разряжают их. Листочки начинают опадать, сходиться, и по измерению угла между ними и по скорости схождения ученый судит об интенсивности альфа лучей. Это первая часть опыта.
Теперь вторая. Резерфорд помещает пластинки в магнитное поле. Опадание листочков тут же замедляется. Что это значит? Это значит, что магнитное поле отклоняет альфа частицы и они не могут все попасть в узкие щели. Резерфорд увеличивает ток. Листочки вовсе замирают. Значит, теперь альфа частицы вообще не могут попасть в электроскоп, они отбрасываются на пластины. Следовательно, альфа лучи — это заряженные быстрые частицы.
Следующий вопрос: как они заряжены — положительно или отрицательно? В магнитном поле и те и другие отклоняются одинаково, но в разные стороны. И Резерфорд носит в эксперимент маленькую остроумную деталь: он перекрывает узкие щели наполовину. И теперь при включении магнитного поля становится совершенно ясно, в какую сторону отклоняются альфа лучи: если листочки опадают, значит, лучи проскакивают мимо экранчиков, если электроскоп неподвижен, значит, лучи отклонились именно в ту сторону, где их ожидает преграда. Так Резерфорд очень просто убедился, что альфа частицы имеют положительный заряд.
Оставалось выяснить последнее — их скорость и отношение заряда к массе. И вновь это было сделано очень просто: Резерфорд подсоединил электрические провода к пластинкам и смотрел, как альфа лучи отклоняются электрическим полем. А потом поменял местами полюса батареи, то есть как бы перезарядил пластинки, и вновь посмотрел, что изменилось. После этого осталось сделать несложные расчеты, которые привели к следующим выводам: масса альфа частицы больше, чем масса атома водорода; заряд их положителен, и по величине вроде бы эквивалентен заряду примерно двух электронов. Это могло означать, что альфа лучи не что иное, как атомы гелия, второго за водородом элемента, у которого отняты два электрона.
Конечно, выводы были пока не окончательны, но на их основании можно было выдвинуть гипотезу. Что Резерфорд и сделал в 1903 году. Конечно, гипотеза требует еще доказательств и точных расчетов, которые в то время Резерфорд сделать не мог, но через несколько лет он вернулся к альфа частицам и столь же изящным и простым экспериментом доказал, что альфа частицы — действительно дважды ионизированные атомы гелия.
Но это произошло позже, в 1909 году, после того, как Резерфорд вернулся в Англию.
Казалось, зачем бы ему покидать Монреаль, где так славно работалось, где он был обеспечен материально — и лично и в научном отношении. Но, вероятно, тоска по крупному научному центру, где происходит кипение идей, споры, в которых рождаются истины, где его окружали бы не только ученики и сподвижники, но и ученые, у которых есть чему самому поучиться, наверное, эти чувства, подавляемые почти девять лет, вырвались наружу, когда он получил конкретное предложение вернуться в Европу.
Это предложение он получил в начале 1907 года от руководства Манчестерского университета в связи с тем, что профессор физики Артур Шустер подал по возрасту в отставку. Он сам первый предложил своим преемником Резерфорда. Его предложение не вызвало никаких возражений, поскольку незадолго до этого Резерфорд был избран членом Королевского общества и награжден медалью Румфорда. Таким образом, во главе манчестерских физиков должен был встать ученый, известный не только превосходными исследованиями и открытиями, но и получивший официальное признание — для чиновников от науки последнее соображение иногда оказывается даже важнее, чем первое, вспомним хотя бы историю с Рентгеном.
Словом, в данном случае все сложилось как нельзя лучше, к удовольствию обеих сторон: Резерфорда с нетерпением ждали в Манчестере, а он с нетерпением ждал середины мая, когда океанский пароход «Императрица Ирландии» заберет его с семьей из канадского порта Квебек.
Приехав в Манчестер, Эрнест убедился, что лаборатория, в которой ему предстояло работать, не столь шикарна, как макдональдовская, но все же достаточно хороша. И он, чувствуя прилив новых сил, взялся за новые исследования. Но не успел он за них как следует взяться, как осенью 1908 года был официально уведомлен, что ему присуждена Нобелевская премия по химии за исследования радиоактивных элементов и что ему надлежит прибыть в Стокгольм не позднее 10 декабря для торжественного получения награды.
В этом событии, несомненно заслуженном и несомненно радостном для всех ученых, был один забавный аспект: физик получил премию по разделу химии. Резерфорд, человек остроумный, не смог пройти мимо этого казуса и в своем тосте на банкете после торжественной церемонии сказал, посмеиваясь: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось мое собственное превращение в один момент из физика в химика».
Резерфорду было тридцать семь лет, когда он стал нобелевским лауреатом; довольно редкий случай — обычно ученых венчали столь высокой наградой много позже. И когда он приехал в Стокгольм и предстал перед торжественным собранием, даже не верилось, что этот молодой, румяный, спортивного вида человек — великий физик. Вот как описывает его внешность академик Капица, правда, это относится к чуть более позднему периоду: «Наружностью он был довольно плотный, роста выше среднего, глаза у него были голубые, всегда очень веселые, лицо очень выразительное. Он был подвижен, голос у него был громкий, он плохо умел его модулировать, вполголоса он говорить не мог… Во всей его манере общения с людьми сразу, с первого слова, бросались в глаза его искренность и непосредственность».
Его внешность и моложавость явно не соответствовали тому, что он уже успел сделать в физике, и, рассказывают, в связи с этим произошел даже один забавный эпизод. Перед отъездом в Стокгольм к Резерфорду в лабораторию пришел его предшественник профессор Шустер в сопровождении японского министра просвещения, барона Кикучи. Барон, несмотря на министерский портфель, был физиком, и причем довольно известным, и поэтому хорошо знал работы Резерфорда и очень хотел с ним познакомиться лично. Шустер выполнил желание Кикучи — представил ему Резерфорда и они поговорили о том о сем некоторое время. Однако японец не поверил, что ученый, с которым он беседует, тот самый Резерфорд. Восточная сдержанность не позволила ему высказать недоумение в присутствии хозяина лаборатории, но, когда они с Шустером вышли на улицу, он все таки не выдержал. «Я полагаю, — улыбаясь, спросил он, — что Резерфорд, которого вы мне представили, сын знаменитого профессора Резерфорда?»
То, что Резерфорд получил высшую международную научную награду молодым, оказалось полезным не только для него лично, но и для всей физики. Такая премия — всегда мощный стимул в работе, но если она приходит к ученому на склоне лет, когда и силы уже не те, и восприятие нового притупилось, и обязанностей слишком много, стимулировать, по существу, уже нечего. А когда ученый получает символ международного признания в расцвете лет, он с удвоенной энергией берется за работу, так как чувствует себя в какой то мере должником науки, получившим аванс.
Это хорошо видно по Резерфорду. Вернувшись из Стокгольма, он немедленно продолжил свои исследования и еще по меньшей мере один раз доказал, что не зря носит звание лауреата Нобелевской премии: его новое открытие оказалось, может быть, даже важнее, нежели открытие радиоактивных превращений.
Произошло это все довольно неожиданно.
В Манчестерской лаборатории, когда туда приехал Резерфорд, уже работал двадцатипятилетний немецкий физик Ганс Гейгер, впоследствии изобретатель известного счетчика Гейгера, индикатора радиоактивности. Гейгер ненамного опередил своего шефа — он только недавно защитил докторскую диссертацию и был назначен в Манчестер научным сотрудником. Резерфорд тут же нашел ему дело — поручил разработать метод подсчета альфа частиц, вылетающих из радия.
Один из возможных методов был известен Резерфорду еще по работам Крукса: тот заметил, что экран из сернистого цинка светится, когда на него падают альфа лучи. Резерфорд, повторив этот эксперимент, обнаружил, что свечение экрана представляет собой сумму отдельных маленьних вспышек, и предположил, что каждая такая вспышка, называемая сцинтилляцией, есть результат удара альфа частицы об экран. А раз так, то по количеству вспышек, если бы их удалось подсчитать, можно судить о количестве альфа частиц.
Вскоре этот метод усовершенствовал немецкий физик Эрих Регенерер из Берлинского университета. Он сконструировал изящный прибор. На стекло с одной стороны наносился тонкий слой сернистого цинка, а на другую сторону наводился окуляр микроскопа; и, когда перед стеклом помещали источник альфа лучей, в поле зрения микроскопа были хорошо видны отдельные вспышки света, и можно было даже довольно точно подсчитать их количество в единицу времени.
Когда Резерфорд узнал об этом, он тут же попросил Гейгера сделать такой же счетчик у них в лаборатории; и когда он был сделан, то очень им понравился, хотя требовал колоссального напряжения при подсчете. Шутка сказать: в одну секунду из миллиграмма радия вылетает 130 тысяч альфа частиц.
Конечно, не все их нужно уловить глазом, счет ведется на определенной площади, но напряжение все равно очень велико. Ганс Гейгер, которому больше других приходилось заниматься этой изнурительной работой и который даже стал своеобразным миллионером — за время работы в Манчестере он насчитал в общей сложности миллион альфа частиц, — вспоминает, как это было обставлено. «В памяти возникает мрачный погреб, в котором Резерфорд устанавливал свои чувствительные приборы для изучения альфа частиц. Тот, кто спускался туда по двум ступенькам, прежде всего слышал в темноте голос профессора, предупреждавшего, что помещение пересекает на высоте головы горячий трубопровод, и, кроме того, необходимо осторожно, чтобы не упасть, перешагнуть две водопроводные трубы. После этого наконец в слабом свете вошедший различал самого Резерфорда, сидящего у прибора». Вот в этом темном подвале, подолгу не выходя, чтобы глаза не теряли способность видеть в темноте все слабые вспышки, и работали Гейгер и Резерфорд.
В начале 1909 года к ним присоединился еще один исследователь — студент последнего курса Эрнест Марсден, которому суждено было сыграть в развитии атомной физики некоторую роль. Поначалу, его роль выражалась в том, что он попросил «папу» — так ученики любовно называли своего учителя, — чтобы он дал ему какое нибудь самостоятельное исследование, но попроще. «Папа» задумался: что бы такое дать «мальчику» — так он, тоже любовно, называл своих учеников, чтобы и увлечь его работой, и вместе с тем не отпугнуть трудностью.
Сам он в то время интересовался рассеянием альфа частиц — явлением, которое он впервые увидел еще в Монреале. Суть его заключалась в том, что альфа частицы, проходя сквозь вещество, иногда немного отклонялись от своего прямолинейного пути. Это показалось тогда Резерфорду странным; было неясно, как альфа частицы, летящие с огромной скоростью, успевают повзаимодействовать с отдельными атомами. Отклонения были, правда, небольшие — доли градуса, — но все равно, что то же заставляло несущиеся стремглав частицы чуть сворачивать в сторону.
В то время в физике господствовало представление об атоме как о сферическом облаке, состоящем из положительных зарядов, в которое вкраплены отрицательно заряженные электроны. Эту модель разработал Дж. Дж. Томсон; иногда ее называли «пудинг с изюмом»; изюм — электроны, а рис, если это рисовый пудинг, — положительные заряды.
Так вот, рассеивание альфа частиц как то не вязалось с «пудингом». Если атом — равномерная смесь положительных и отрицательных зарядов, альфа частицы должны бы легко пронизывать ее, никуда не отклоняясь. То есть складывалась ситуация, напоминающая басню Крылова «Слон и Моська»: масса электрона слишком мала, чтобы даже при столкновении оказать хоть малейшее влияние на альфа частицу; по расчетам, нужно не меньше ста тысяч ударов, чтобы ее замедлить.
Но поскольку факты небольшого рассеивания все же существовали, они не давали Резерфорду покоя, как каждое необъяснимое явление, и он время от времени возвращался к нему, пытаясь подсчитать количественно, на какую величину отклоняются альфа частицы. Он немало помучил Гейгера этими подсчетами; и по ним получалось, что некоторое небольшое рассеяние все же есть, и для него даже удалось установить закономерность.
И вот тут появляется Эрнест Марсден и ждет, чтобы его пристроили к какому нибудь несложному исследованию. И «папе» приходит в голову счастливая, как вскоре оказалось, мысль: засадить «мальчика» считать отклонения альфа частиц на большие углы — вдруг они тоже происходят. При этом он предупредил Марсдена, чтобы тот не рассчитывал увидеть что нибудь интересное; по видимому, частицы будут спокойно проходить сквозь золотую фольгу толщиной всего в пять стотысячных сантиметра, в крайнем случае немного отклоняться, как это уже не раз видели они с Гейгером в газах.
Марсден, довольный, что получил возможность приобщиться к высокой науке, причем на участке, на котором работает сам Резерфорд, отправился с Гейгером в знаменитый подвал, чтобы заняться делом.
Сначала они соорудили нехитрую установку, слегка видоизменив предыдущую схему. Раньше Гейгер ставил экран за исследуемым объектом, чтобы увидеть по вспышкам, насколько далеко от центра окуляра рассеиваются частицы. А здесь Марсден предложил поставить экран под углом к фольге, и не позади нее, а перед ней, а трубу микроскопа поместить, как и раньше, за экраном. А чтобы альфа частицы не бились прямо об экран, между радиоактивным источником и экраном поставить толстую свинцовую пластину. Тогда в микроскопе будут видны только те частицы, которые отскочат от поверхности фольги — если они вообще отскочат. Но скорее всего этого не случится, потому что коль скоро сам Резерфорд не верит в такую возможность, то, значит, ее и быть не может. Но попробовать надо — чтобы не упрекать себя потом, что не убедились в справедливости предположения всеми возможными способами.
Итак, Марсден уселся за микроскоп, подержал немного глаза закрытыми, чтобы привыкнуть к темноте, потом прильнул к окуляру. То, что он увидел, поразило его: на экране вспыхивали сцинтилляции.
Сначала он решил, что это просто рябит в глазах от напряжения. Подождал немного, снова посмотрел: да нет, искры периодически вспыхивали. Что же получалось — альфа частицы отскакивают от поверхности металла? Не веря глазам своим, Марсден позвал Гейгера. Тот уселся за микроскоп и увидел то же самое. Значит, это не мираж, не воспаленное воображение, это какой то непонятный факт.
Побежали к «профу» — как называл Резерфорда Гейгер; его строгое немецкое воспитание не позволяло пользоваться фамильярным «па...