Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Через некоторое время Э. Резерфорд доказал, что таинственное «нечто», обнаруженное Р. Оуэнсом, — газообразный химический элемент радон, возникающий при распаде атомов тория.

В запаянном сосуде, содержащем радиоактивный элемент радон, ученый через некоторое время нашел другой химический элемент, инертный газ — гелий. Вывод ясен — радиоактивное вещество, распадаясь, изменяется.

В итоге десятилетней упорной и трудоемкой работы, которая не походила на работу только физика или только химика и в то же время была и работой физика, и работой химика, Э. Резерфорд находит экспериментальное подтверждение гипотезы о превращаемости элементов.

Вместе с молодым талантливым химиком Ф. Содди он обнаружил три «генеалогических древа» радиоактивных превращений урана, тория и актиния. Три самых тяжелых элемента периодической системы оказались родоначальниками радиоактивных семейств, каждое из которых в результате последовательных превращений его членов заканчивалось одним и тем же более легким стабильным элементом — свинцом.

Э. Резерфорд и Ф. Содди представили научной общественности убедительные факты, из которых следовало, что радиоактивность — это проявление внутренних изменений атомов.

— Ну и что? Разве из одного-единственного факта изменения атомов следовало, что у них есть ядра?

— Конечно, нет. Даже если бы Э. Резерфорд обладал способностями талантливого детектива, он и тогда не догадался бы еще, что все дело в атомном ядре.

Иногда на нетерпеливые расспросы своего друга Уотсона Шерлок Холмс отвечал, что не может пока делать каких бы то ни было предположений, так как не располагает достаточным количеством необходимых фактов.

Фактами, которые могли бы навести на мысль о существовании в атоме ядра, не располагал и Э. Резерфорд. Он знал одно: атомы некоторых веществ могут самопроизвольно изменяться. Но даже этот скромный вывод находился в резком противоречии с убеждением естествоиспытателей о неизменности атомов.

В то время казалось, что периодическая система элементов навечно закрепила положение каждого из них в своей клетке в соответствии с атомным весом. Ну как тут можно было усомниться в главных устоях периодического закона: в неделимости атома, в неизменности его массы и в непревращаемости химических элементов.

От сторонников подобных взглядов Э. Резерфорд вынужден был выслушивать намеки на то, что его радикальные идеи о нестабильности материальных атомов могут бросить тень на весь университет.

Но большинство коллег поддержали смелого ученого, и он получил возможность продолжать свои исследования радиоактивности.

Справедливо говорят, что правильно поставленный вопрос содержит в себе половину ответа. Сказанное целиком и полностью относится и к новому вопросу, на который теперь ищет ответа Э. Резерфорд.

Почему, пытается понять он, бета-распад, при котором вылетает электрон, необратимо меняет физические и химические свойства радиоактивного атома, а отрыв точно такого же электрона от стабильного атома, например при электрическом разряде в газе, ничего не меняет? Стабильный атом лишь на короткое время превращается в положительно заряженный ион.

Сам того не ведая, Э. Резерфорд уже четко отделил атомное явление — ионизацию (потерю электрона с внешней электронной оболочки) — от ядерного — испускания электрона при радиоактивном превращении атомного ядра. Теперь исследователю предстояло сделать только один шаг. Но куда? Э. Резерфорд должен был поставить такой эксперимент, который дал бы однозначный ответ на все мучившие его вопросы. Но как догадаться, какой именно эксперимент?

Никакой теории практически не существовало, ничто не освещало ему дорогу. Модель Дж. Дж. Томсона, в которой атомы воображались в виде положительно заряженной сферы, заполненной электронами, вела, как чувствовал Э. Резерфорд, в какой-то тупик. Его мысль металась в замкнутом пространстве, не находя для себя никакой опоры.

А результаты экспериментов не давали покоя. Он должен, он обязан был выяснить, откуда в момент радиоактивного распада появляются альфа-частицы, в восемь с лишним тысяч раз более тяжелые, чем электроны?

Увлеченный разрешением всех этих проблем, Э. Резерфорд, уже известный мировой научной общественности сорокалетний профессор, получает в свое полное распоряжение большую физическую лабораторию в Манчестерском университете. Здесь сразу же возникла атмосфера творческого подъема.

Казалось, сам воздух в лаборатории был насыщен ожиданием чего-то необычного.

Это и понятно. Интуиция не изменила Э. Резерфорду. Шеф лаборатории впервые поставил эксперименты, цель которых состояла не в изучении собственно радиоактивных веществ, а в наблюдении взаимодействия альфа-лучей с тонкими пленками разных веществ.

Дни владычества атомной модели Дж. Дж. Томсона были сочтены.

Неожиданный и интересный поворот в работе заинтересовал всех сотрудников лаборатории. «Молодые люди быстро почувствовали, что пошли навстречу славным дням», — вспоминал потом один из ближайших помощников Э. Резерфорда, Г. Гейгер.

И они наступили, эти славные дни, но не раньше того, как за них сполна было заплачено тяжким трудом. Более миллиона вспышек от альфа-частиц подсчитали коллеги Э. Резерфорда собственными глазами на фосфоресцирующем экране. И результат воздал за все сторицей.

Почти все альфа-частицы беспрепятственно пролетали через тонкие пленки, едва заметно отклоняясь в ту или иную сторону от центра экрана. Так и должно было быть, если атом в самом деле начинен только легкими электронами. Но удивительным было поведение незначительной части этих микроснарядов. Иногда вспышки от них появлялись и на краю экрана. Так сильно отклонить альфа-частицы могло только тело с большим зарядом и массой, значительно большей, чем у электрона. Что же встречали на пути те редкие альфа-частицы, которые отскакивали от пленки почти назад?

Сразу можно было сказать, что в атомах есть что-то и посущественнее электронов. Э. Резерфорд уже не сомневался в том, что положительный электрический заряд и масса атома сконцентрированы в его середине, в ядре.

Представление о размерах ядра можно было получить из тех же экспериментов с альфа-частицами. По вероятности столкновения их с тяжелыми сердцевинами атомов физики нашли ту область, которую занимало атомное ядро. Размеры ее оказались порядка 10 –13сантиметра, тогда как размеры всего атома 10 –8сантиметра.

Огромный зал университетской аудитории и крошечная булавочная головка в центре — в такой пропорции находились размеры атома и атомного ядра.