Цепная реакция идей

По возвращении в Манчестер Резерфорд при участии двух своих сотрудников Гейгера и Ройдса произвел серию опытов, подтвердивших, что альфа-частицы есть не что иное, как дважды ионизированные (т.е. потерявшие по два электрона) атомы гелия.

Подобный эксперимент был успешно проведен Резерфордом еще в Канаде. Однако тогда опыт не был достаточно наглядным — никто своими глазами не увидел гелия, «рожденного» радием. А в те времена физики не были психологически подготовлены к принятию такого рода экспериментов.

И вот, несмотря на определенность результата, полученного в Монреале, Резерфорд решил провести такой опыт, в котором он мог бы наглядно продемонстрировать гелий, образующийся при альфа-распаде.

Этот исторический опыт Резерфорда, благодаря которому уже ни у кого не могло остаться сомнения в правильности его теории радиоактивного распада, достоин описания, хотя он и был осуществлен более 60 лет назад.

Рис. 1. Опыт Резерфорда, подтвердивший правильность теории радиоактивного распада

В запаянную стеклянную трубку 2 Резерфорд поместил некоторое количество радона — эманации радия. Толщина стенок этой трубки 0,01 миллиметра. Они достаточно тонки, чтобы испускаемые радоном альфа-частицы могли проходить через них во внешнюю трубку 3. Перед опытом трубка 3 тщательно откачивалась, и в ней спектрографическим путем нельзя было обнаружить линий гелия. Через несколько дней в трубке 3 обнаружилось накопление газа. Повышая давление в приборе, накопившийся газ можно было сконцентрировать в трубке 1. Через трубку пропускался электрический разряд и тогда оказывалось, что в ней спектральный анализ показывает характерные лилии гелия. В трубке был гелий. Но, может быть, он попал в трубку 2 по недосмотру вместе с радоном, а оттуда проник в трубки 3 и 1? Контрольный опыт дал на этот вопрос отрицательный ответ. Точно в такой же прибор (в трубку 2) Резерфорд помещал не радон, а чистый гелий. Однако через несколько дней в трубке 1 линии гелия не обнаруживались. Гелий не мог пройти через стеклянные стенки трубки 2 в трубку 3. Альфа-частицы же легко проходили через стекло и накапливались в трубке 3, а затем концентрировались в трубке 1, где и подвергались спектральному анализу, давая линии гелия.

Итак, гелий сначала был открыт в спектре солнечных лучей, затем в минералах и еще позже Резерфордом в радиоактивном распаде тория, урана и радия. После этих опытов внимание многих ученых было привлечено к гелию.

Теперь Резерфорд вместе с Гейгером и Марсденом приступил к задуманной им новой серии экспериментов. Результаты произвели переворот в физике. Это была наиболее драматическая глава в науке нашего времени. Резерфорд открыл атомное ядро и тем самым основал новую исключительно важную науку — ядерную физику.

Что это были за эксперименты? Резерфорд и Гейгер на первых порах продолжили наблюдение сцинтилляций, вызываемых альфа-частицами при ударе о люминесцентный экран из сернистого цинка. Прежде всего опыты привели Резерфорда к заключению, что каждая вспышка (сцинтилляция) вызывается одной альфа-частицей. Таким образом оправдалось предположение, выдвинутое им в книге «Радиоактивные вещества и их излучение», изданной еще во время пребывания его в Канаде. Резерфорд писал тогда, что наблюдение сцинтилляций на экране из сернистого цинка представляет собой очень удобный способ счета частиц, если каждая частица вызывает вспышку. Следовательно, если каждая вспышка вызвана одной альфа-частицей, то перед физиками открывается возможность наблюдать за поведением отдельных атомов.

Резерфорд и Гейгер визуально подсчитали, что в продолжение секунды из излучателя в одну тысячную грамма радия вылетает 130 тысяч альфа-частиц. Точность подсчета была безукоризненна. Оба ученых, к которым присоединился позднее Марсден, по многу часов проводили в затемненной лаборатории за утомительным счетом сцинтилляций. Гейгер рассказывал, что ему одному пришлось подсчитать в общей сложности миллион альфа-частиц.

Исследователи работали в очень скромных условиях, которые трудно представить себе молодому ученому в наше время. Гейгер писал: «В памяти возникает также мрачный погреб, в котором Резерфорд устанавливал свои чувствительные приборы для изучения альфа-частиц. Тот, кто спускался туда по двум ступеням, 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 приборов. Тотчас же великий ученый мог начать рассказывать в собственном неподражаемом стиле о развитии своих опытов и о трудностях, которые приходится преодолевать»)...

Вероятно, в этом же погребе начал свою работу ученик Резерфорда Марсден, когда ему было поручено считать альфа-частицы, проходящие через тонкие металлические пластинки. Эти пластинки помещались в прибор между излучателем альфа-частиц и люминесцентным экраном.

Поручая Марсдену эту работу, Резерфорд не рассчитывал обнаружить что-либо любопытное. При условии, что модель атома Томсона правильна (а тогда не было никаких оснований сомневаться в этом), опыт должен был показать, что альфа-частицы свободно проходят через металлические преграды. Однако что-то все-таки заставило Резерфорда пойти на этот новый эксперимент.

Марсдена поразило, что альфа-частицы в этом простом опыте ведут себя иначе, чем должны вести, если принять модель атома такой, какой ее представляет себе Томсон. Согласно модели Томсона положительный заряд распределен по всему объему атома и уравновешивается отрицательным зарядом электронов, каждый из которых имеет массу гораздо меньшую, чем масса альфа-частиц. Поэтому даже в редких случаях, когда альфа-частица столкнется с гораздо более легким по сравнению с ней электроном, она может лишь незначительно отклониться от своего прямолинейного пути. Но в опытах Марсдена альфа-частицы отнюдь не беспрепятственно проходили через металлическую пластинку. Нет, некоторые из них отклонялись после удара о пластинку на угол около 150°, т.е. почти обратно возвращались к излучателю. Таких возвращавшихся частиц было, правда, очень мало. Когда экспериментатор преграждал путь альфа-частицам более толстой пластинкой, то в его поле зрения появлялось больше альфа-частиц, отклонявшихся на большие углы. Это указывало, что замеченное Марсденом рассеяние альфа-частиц не представляет собой какого-нибудь поверхностного эффекта, т.е. оно не связано с поверхностью пластинки. Но Марсден не мог высказать каких-либо соображений о причине увиденного им странного поведения альфа-частиц. Он рассказал подробно о своих наблюдениях Резерфорду.

Позднее Резерфорд признался, что сообщение Марсдена произвело на него потрясающее впечатление: «Это было почти неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги и снаряд отскочил бы обратно и поразил вас».

Резерфорд сразу представил себе, что эффект, наблюдавшийся Марсденом, мог быть только в одном случае: если альфа-частица, проникнув в атом, натыкалась на какую-нибудь массивную преграду, имеющуюся в нем, и отбрасывалась, получив при столкновении мощный удар.

Через три недели после беседы с Марсденом о результатах его наблюдений Резерфорд уже высказал мысль о том, что рассеяние альфа-частиц на большие углы можно объяснить существованием в атомах массивной части. Он назвал ее ядром (nucleus), использовав по аналогии термин, принятый в биологии и обозначающий центральную часть живой клетки.

Отныне модель атома Томсона должна была уйти в историю. Резерфорд предложил более достоверную и принципиально новую ядерную модель в виде системы, в центре которой расположена маленькая массивная часть — ядро, а вокруг нее по орбитам вращаются легкие электроны.