Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Ещё раньше Мария Кюри предположила, что тепло выделяется радиоактивным веществом во время испускания лучей Беккереля и при этом радиоактивные вещества очень медленно изменяются. Но такая гипотеза противоречила всем основам науки — закону сохранения энергии (откуда берётся эта энергия?), закону сохранения вещества (как может изменяться радиоактивное вещество?) и интуитивному многовековому представлению о неизменности атомов.

Испугавшись собственной смелости, Мария выдвинула вторую гипотезу: радиоактивные вещества улавливают неизвестное внешнее излучение, недоступное нашим приборам, и преобразуют его в тепло и энергию радиоактивного излучения.

Время показало, что и в науке безграничная смелость лучше рабской осторожности. Все три грозных возражения против первой из гипотез превратились в её незыблемые доказательства.

Исследования радиоактивности привели к открытию радиоактивных превращений атомов. Эйнштейн выявил глубокую связь между энергией и веществом и объединил два старых закона в единый закон сохранения энергии и вещества — в закон сохранения материи.

Все явственнее назревала необходимость осознать сложные законы радиоактивных превращений, представлявшихся учёным массой несвязанных эмпирических гипотез. Особенно настоятельным это стало после 1908 года, когда Резерфорд установил, что альфа-частицы, вылетающие из радиоактивных веществ, представляют собой полностью ионизированные атомы гелия. Гелий получается из радиоактивных элементов! Столь крамольное предположение стало реальностью.

Нужно было решиться приступить к решению загадки атома. До того существовало лишь старое и весьма общее предположение У. Праута о том, что атомы всех веществ каким-то способом образуются из водорода. Гипотеза, основанная на кратности атомных весов, верность которой стала сомнительной после уточнения измерения атомных весов ряда элементов, обнаруживших существенное отклонение от кратности. (Впоследствии, после открытия изотопов, это возражение отпало, однако гипотеза Праута уже была не нужна).

Первую модель атома предложил Джозеф Джон Томсон, знаменитый Джи-Джи, которого иногда путают с не менее знаменитым Уильямом Томсоном, впоследствии получившим титул лорда Кельвина.

Короткое время Джи-Джи считал, что хорошей моделью атома могут служить магнитики А. Майера. Майер подвешивал над сосудом с водой большой магнит, а на воду пускал маленькие пробочки с воткнутыми в них намагниченными иглами.

Маленькие магнитики устанавливаются в устойчивые конфигурации: один в центре, под большим магнитом, во круг него шесть магнитиков, образующих правильный шестиугольник, затем десятиугольник больших размеров и вокруг него двенадцатиугольник. Майер заметил, что, покачав большой магнит, можно заставить маленькие магнитики переместиться. И тогда внешние конфигурации превращаются в девяти— и тринадцатиугольники. Майер считал, что это напоминает поведение некоторых реальных тел, способных изменять свои свойства при затвердении.

Впрочем, вскоре Томсон понял, что эта модель слишком сложна и не может описать многие известные свойства атомов.

В игру включился Уильям Томсон. Он заметил, что опыты с лучами Крукса, как тогда называли катодные лучи, которые, по существу, являются потоком электронов, летящих в вакууме, и бета-частицами, свидетельствуют о том, что электроны пролетают не только между атомами, но и сквозь них. Он предполагал, что электрон, находящийся вне атома, притягивается к нему с силой, пропорциональной квадрату расстояний между их центрами. Если же электрон пролетает внутри атома, то притяжение пропорционально первой степени этого расстояния. Так могло быть, но только в том случае, если весь объём атома заполнен чем-то, имеющим положительный заряд, а размеры электронов много меньше размеров атомов.

Томсон считал, что нейтральность атома обеспечивается тем, что в нём существует ровно столько электронов, сколько нужно для компенсации положительного заряда. Они располагаются по сферическим поверхностям и, возможно, вращаются вокруг центра.

Такая модель, известная под названием «атома Томсона», просуществовала более десятилетия, хотя было ясно, что она не объясняет многих фактов и не отвечает требованиям устойчивости. Так ещё раз проявила свою иронию Её Величество Наука, милостивая к корифеям, покорно несущим её шлейф, и пренебрегающая провидцами, обгоняющими её неспешную величественную поступь.

В декабре того же 1903 года, когда оба Томсона, более молодой Джи-Джи и маститый лорд Кельвин, закончили в общих чертах построение моделей атома, японский физик X. Нагаока сообщил Токийскому физико-математическому обществу о своей модели атома, построенной наподобие системы Сатурна и его колец. В следующем году это сообщение появилось в лондонском журнале «Природа», но не вызвало особого резонанса среди физиков. Сейчас мы можем лишь удивляться подобному невниманию и пытаться объяснить его гипнотизирующим влиянием авторитета, инерцией ума или традиционной ссылкой на судьбу идей, опередивших своё время.

Нагаока исходил из ясно осознанной необходимости объяснить закономерности спектральных серий и явления радиоактивности. Его статья называлась «О динамической системе, иллюстрирующей спектральные линии и явление радиоактивности». Он писал: «Атом состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через равные угловые интервалы и взаимно отталкивающихся с силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними. В центре круга помещается тяжёлая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону… Рассмотренная система будет реализована, если по кольцу разместятся электроны, а положительный заряд в центре».

Модель Нагаоки могла объяснить отклонения альфа частиц, наблюдавшиеся X. В. Гайгером и Э. Марсденом при прохождении альфа-частиц через тонкие листы металлической фольги. Модель атома Томсона была здесь бессильна. Несмотря на все это, планетарная модель атома прочно ассоциируется с именем Резерфорда, который обосновал её в 1913 году, когда пришло время, и при его участии были получены опытные факты, превратившие планетарную модель из гипотезы в очевидную реальность.

Один из решающих доводов в пользу планетарной модели получил ассистент Резерфорда Г. Мозли из наблюдений спектров рентгеновских лучей. «Атому присуща характерная величина, регулярно увеличивающаяся при переходе от атома к атому (в периодической системе Менделеева). Эта величина не может быть ничем иным, как зарядом внутреннего ядра», — написал он.