Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Резерфорд прибыл в Манчестер в 1907 году, через год он получил Нобелевскую премию, а в 1909-м уже работал с Гейгером и Марсденом над атомной моделью, занимавшей его до 1912 года. Тогда же к группе присоединился Бор, привнесший квантовую теорию в субатомную вселенную. Через короткое время разгорелась Первая мировая война (1914-1918), отголоски этого конфликта потрясли и научный мир: погибли многие выдающиеся и подающие надежды ученые, перед лицом боевых действий научные проекты развеивались как сон, рушились здания и оборудование, сокращалось финансирование, раскалывались рабочие группы...

Марсден, сотрудник Резерфорда, эмигрировал в Новую Зеландию в 1914 году. Резерфорд подергал за нужные ниточки, чтобы в Новозеландском университете Марсдена без проблем приняли профессором физики. Однако прежде чем покинуть Соединенное Королевство, он до последнего работал над серией экспериментов своего руководителя. Последний опыт, который он осуществил перед отъездом, заключался в бомбардировке атомов азота в газообразном состоянии альфа-частицами. На этот раз Марсден наблюдал, как из ядра выделились частицы, которые он не смог идентифицировать. В начале он подумал, что перед ним новый вид радиоактивных пучков, которые могли бы дополнить собой уже известные альфа-, бета- и гамма-излучение. В этом месте его исследования внезапно прервались, так как ему нужно было отправляться на фронт.

Резерфорд, однако, не был удовлетворен этой предварительной гипотезой. Интерпретация Марсдена не убедила его, поэтому он попросил позволения продолжить его эксперименты. После некоторого усовершенствования экспериментальной системы Резерфорд повторил бомбардировку газа азота альфа-частицами и смог убедиться, что экран мерцал под воздействием не- идентифицированных частиц. Он понял, что это не новый вид излучения, а ядра водорода (имеющие положительный заряд). Таким образом, гипотеза Марсдена была ошибочной, но открытие требовало понимания происхождения данной эманации. Все сошлось, просто и очень гармонично, когда выяснилось, что эманация исходила от самого ядра атома азота. В ходе данного процесса атомы азота одновременно трансмутировали в кислород. На его глазах происходил необычный, хотя и довольно малоэффективный пируэт: только одна из 300 тысяч альфа-частиц превращала азот в кислород. В любом случае речь шла о значительном количестве, в связи с низкой плотностью атомов азота, поскольку азот был в газообразном состоянии.

Эрнест сделал вывод, что альфа-частицы сталкивались и поглощались ядром азота. В результате ядро становилось нестабильным, поэтому некая частица должна была испускаться ядром, для того чтобы стабилизировать его. Этими частицами, вылетающими из ядра и имеющими положительный заряд и характеристики, идентичные ядру водорода, были те, которые сегодня называют протонами. Впервые в истории удалось идентифицировать частицы, составляющие ядро. Наименование "протон" было официально утверждено в 1920 году.

Протоны идентифицируют атом, электроны персонифицируют его.

Билл Брайсон (р. 1951), британский писатель

Если окинуть взглядом периодическую таблицу, мы увидим, что кислород и водород находятся в смежных ячейках.

Можно сказать, их разница заключается в одном-единствен- ном протоне. Сегодня расчеты в эксперименте Резерфорда можно представить так: вначале к азоту добавлялись два протона от альфа-частиц, а затем отнимался тот, который сразу же испускался. Не более чем простая вычислительная операция, но чтобы сделать этот вывод, требовалось глубинное понимание материи. Резерфорд применил свой обычный метод к разработке и выполнению экспериментов, так что их интерпретация была окончательна и однозначна, он сумел подтвердить некоторые свои догадки относительно атомов. Итак, впервые удалось идентифицировать положительный заряд атомов с помощью протонов. Число протонов в ядре атома определяет тип элемента, к которому относится атом (увеличение или уменьшение этого числа меняет природу данного элемента). Все это также означало, что удалось извлечь содержимое ядра, пусть пока был отделен лишь мельчайший его фрагмент. Результат достигался искусственным путем с помощью бомбардировки альфа-снарядами. То есть впервые в истории трансмутация элементов была выполнена искусственным путем.

В декабре 1917 года Резерфорд писал Бору, сообщая об этих новых открытиях:

"Я получил результаты, которые, думаю, должны иметь большую важность. Я обнаружил и сосчитал самые легкие атомы, двигающиеся под воздействием альфа-частиц. Результаты проливают свет на характер и распределение ближайших к ядру сил [...].

С помощью такого метода я пытаюсь рассечь атом... Мои наилучшие пожелания и поздравления с наступающим Рождеством".

Ближайшие сотрудники Резерфорда уже знали о его открытии, но чтобы донести новость до научного сообщества, требовалось дождаться окончания запрета на публикации. Запрет распространялся на срок всего вооруженного конфликта, чтобы результатами исследований не воспользовался противник. Резерфорд опубликовал серию статей в престижном научном английском журнале Philosophical Magazine. В заключение статьи "Столкновения альфа-частиц с легкими атомами" говорилось следующее:

"Принимая во внимание полученные к настоящему моменту результаты, нельзя не прийти к выводу, что большая часть атомов, возникающих при столкновении альфа-частиц с азотом, являются не атомами азота, а, скорее, атомами водорода [...]. Если это справедливо, нам следует заключить, что под действием сил от ближайшего столкновения с быстрой альфа-частицей атом азота распадается и высвобождается атом водорода, являющийся составной частью азота".

В этой же статье высказаны некоторые провидческие мысли касательно дальнейшего развития науки:

"Если для грядущих экспериментов возможно использование альфа-частиц или сходных снарядов, обладающих большей энергией, то ожидаемым результатом будет расщепление ядра большинства атомов наиболее легких элементов".

Резерфорд мог предвидеть, что экспериментальная физика будет ориентироваться на ускорители частиц. Но война затормозила развитие науки. Пришлось ждать более десятилетия, чтобы эти идеи воплотились в жизнь.

Пресса с готовностью отозвалась на данную публикацию, развивая идею, что субатомный мир таит в себе невероятное количество энергии, которая рано или поздно станет доступной. Во многих газетах, в частности в New York Times, писали:

"По теплу, высвобождающемуся при распаде, нам известно, что количество энергии в ядре (...) в миллионы раз больше, чем количество энергии, выделяемой при любой химической реакции или при горении угля".