Валентин Азерников - Физика. Великие открытия

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.

Ганс Вильгельм Гейгер 1882–1945

Эрих Рудольф Регенерер 1881–1955

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 маленьких вспышек, и предположил, что каждая такая вспышка, называемая сцинтилляцией, есть результат удара альфа-частиц 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.