Резерфорд

Примирить! Не очень-то это было в духе времени. В том самом сентябре 27-го года уже готовились к решительной схватке на 5-м Сольвеевском конгрессе традиционалисты и новаторы. А ведь прежде и он, как редко кто, умел обнажать конфликты и обострять в непонятном черты необычности. Не так ли было с открытием эманации тория, и с отражением альфачастиц от сердцевины атомов, и с выбиванием длиннопробежных протонов из азотных ядер? И во всех этих случаях дело кончалось эпохальными свершениями: теорией радиоактивного распада, планетарным атомом, расщеплением ядра… Так, может быть, и на этот раз все могло кончиться новым громким успехом, если б он, как бывало, обострил ясно обозначившийся конфликт между классикой и природой? Конечно, могло! И даже наверное…

Зная наперед, как разрешилось противоречие, легко набросать простую схему очередного выдающегося открытия, помаячившего перед ним, но в руки ему не давшегося.

В самом деле, разве не смог бы он прийти к идее волнчастиц и увериться, что микромир населен этими неклассическими кентаврами? Обострение конфликта означало бы, что альфа-частица, преодолевая барьер, превышающий ее энергию, совершает поступок, абсолютно невозможный для корпускулы. Абсолютно! Но так как она его все-таки совершает, не оставалось бы другого выхода, как допустить, что природа наделила ее не только корпускулярными свойствами. И если бы четыре года назад де Бройль ие провозгласил двойственности электрона, он, Резерфорд, вынужден был бы сейчас на свой страх и риск объявить коллегам о двойственности альфа-частиц: в их поведении с несомненностью сказывается некая волнообразность.

Он объяснил бы: им, корпускулам, как видно, присуща та черта, что позволяет световым волнам огибать препятствия или проникать за поверхность раздела двух сред даже тогда, когда лучи падают под углом полного внутреннего отражения. Поток частиц — классических корпускул — ни на то, ни на другое не способен: явлений диффракции не дает и от запретной границы отражается полностью. И если потенциальный барьер вокруг ядра такой границей для альфа-частиц не служит, то нельзя не признать, что они — волны. Тогда их незаконное просачиванье сквозь барьер сразу становится законным. И альфараспад перестает быть загадкой. А так как они вместе с тем все-таки частицы, то нужно согласиться, что микромир населен кентаврами. (Логический переход от альфа-частиц к любым микрообъектикам был бы совершен без труда.)

Так что же: перед Резерфордом маячило как бы второе открытие основной физической идеи квантовой механики? Если угодно — да. Но для физики имело бы значенье не это переоткрытие уже известного, а более скромное достижение: первое качественное указание на возможность волнового решения проблемы потенциального барьера. Дальше началась бы громоздкая математика, однако бесценна была бы тогда именно эта физическая подсказка. А она его не осенила!

И это редкий случай, когда можно понять, почему не осенила… (Или только кажется, что это можно понять?!)

Не оттого ли так случилось, что Резерфорд впервые оказался не на уровне века? Слишком долго отмалчивался от спорной новизны. Слишком задержался в позиции над схваткой. Слишком часто пошучивал не совсем безобидно:

Тенденции современной физики? Я не могу написать об этом статью. Тут и разговоров-то всего на две минуты. Все, что я мог бы сказать, сводится к одному — физики-теоретики ходят хвост трубой, а мы, экспериментаторы, время от времени заставляем их сызнова поджимать хвосты!

Так ответил он на предложение выступить перед очередным конгрессом Би-Эй с посланием о «тенденциях современной физики». А может быть, в действительности все объяснялось без психологических хитростей и затей. Может быть, просто начал уже ощутимо сказываться в его деятельности всеобщий человечий закон убывания с течением жизни духовного плодородия? Может быть.

Так или иначе, но теория альфа-распада была добыта не на Фри Скул лэйн.

В октябре 1928 года эту теорию привез с собою в Кавендишевскую лабораторию молодой теоретик Георгий Гамов.

…Она привлекательно называлась; теория туннельного эффекта. Тотчас возникал наглядный образ альфа-частицы, как бы роющей в горе потенциального барьера туннель, чтобы по нему вырваться из ядра наружу. Конечно, антинаглядным было, как она его роет и что это за туннель, но зацепка для воображения наличествовала бесспорно.

И зримо ясным было: чем выше энергия альфа-частицы, тем ближе к вершине горы расположен ее туннель. И тем он короче. А следовательно, тем вероятней альфа-распад. И стало быть, тем меньше среднее время жизни радиоактивного элемента. Но как раз такая — обратно пропорциональная — зависимость между энергией испускаемых альфа-частиц и периодом полураспада альфа-излучателей была замечена в резерфордовской обители уже давно, еще в манчестерские времена, и получила название закона Гейгера — Нэттолла.

Туннельный эффект был тем самым волновым просачиванием микрокентавров через потенциальный барьер, которое могла предсказать только квантовая механика. С помощью волнового уравнения Шредингера и Соотношения неопределенностей Гейзенберга теоретически получались результаты, прежде бытовавшие в теории радиоактивности как эмпирические закономерности.

— Работа Гамова произвела колоссальное впечатление в Кембридже. Все были взбаламучены. — Это слова К. Д. Синельникова, к той поре уже год как работавшего в Кавендишевской лаборатории.

А что уж говорить о реакции Резерфорда!

Вдруг, проснувшись однажды утром, он обнаружил, что может без новых усилий «узнать об атомном ядре немножко больше». Но, сверх того, и это было особенно важно, он смог окончательно и бесповоротно увериться в могуществе квантовомеханнческих подходов и построений. Теория туннельного эффекта сумела не только разрешить многие старые трудности, но еще и предсказала необычные возможности лабораторного вторжения в атомное ядро. Ничем другим нельзя было бы подкупить Резерфорда вернее.

«У волновой механики удивительное свойство — она работает…» — стал говорить он. Запас карман не ломит: насмешливый эпитет «удивительное» гарантировал ему приятное право в случае чего поворчать вместе со всеми скептиками по поводу философской неблагонадежности вероятностного понимания микромира. Однако существенно было, что работоспособность новой механики признавалась им теперь не молча, а вслух и с деловыми последствиями. Вполне деловыми.

А суть новых возможностей эксперимента хорошо и точно отражалась в появившемся тогда термине — «обратный туннельный эффект». Буквально — обратный: речь шла уже не об испускании альфа-частицы, а об ее проникновении снаружи в атомное ядро.

Ясно было, что и иа этом пути перед нею вырастает гора потенциального барьера. Не какого-нибудь нового, а уже знакомого нам энергетического барьера, но только обращенного к ней теперь своим внешним склоном. В самом деле: несущая двойной положительный заряд, она не может ворваться в ядро, не преодолев сначала мощных сил отталкиванья положительного заряда этого ядра. Они-то и создают внешний склон барьера, да и вообще повинны в его существовании, ибо как раз против них и должны работать силы внутриядерного притяжения. И будь альфа-частицы классическими корпускулами, им для успеха вторжения… Стоит ли повторять все сначала? Довольно конца. Они микрокентавры, частицы-волны, и для успеха вторжения в ядро им не надо обладать энергией, обязательно превышающей высоту барьера. Они и снаружи способны просачиваться через него так же, как изнутри.

Короче: альфа-частицы способны на обратный туннельный эффект точно так же, как и на прямой. Последствия очевидны: скажем, для вторжения в ядро урана, окруженное барьером в 10 миллионов электрон-вольт, альфа-частице вовсе не нужно двигаться с такой энергией. Достаточно и меньшей. Правда, чем меньше она, эта энергия движения, тем меньше вероятность успеха. Однако хоть и с меньшей вероятностью, но вторжение медленных частиц все-таки происходить будет…