Страница 7 из 48

Цепная реакция идей

Кедров Федор Борисович

Макс Планк заложил первый камень в фундамент великого здания квантовой механики, построенного (но до сих пор полностью незавершенного) рядом выдающихся физиков-теоретиков, в числе которых можно назвать Нильса Бора, Макса Борна, Луи де Бройля, Эрвина Шредингера, Вернера Гейзенберга, Я.И. Френкеля, И.Е. Тамма, М. Дирака, В. Фока, Л. Ландау, Г. Бете и других.

Первые попытки использовать квантовые идеи Планка относились к объяснению модели атома Томсона.

Но решающий шаг был сделан Бором в Кембридже после создания ядерной модели атома. Применив идею прерывистости к модели Резерфорда, Бор сделал допущение, что атом может сколь угодно долго пребывать в совершенно определенных состояниях, которые зависят от орбит электронов. Согласно Бору электроны в атоме могут находиться на так называемых «разрешенных» орбитах. При переходе электрона с одной орбиты на другую происходит излучение или поглощение светового кванта. Таким образом, атом может существовать лишь в некоторых квантовых энергетических состояниях. Каждый переход электрона с более высокого энергетического уровня в меньший сопровождается излучением кванта. Частота излучения равна hv.

Когда Бор сообщил Резерфорду о разработанной им квантовой модели атома, Резерфорд оказался в некотором затруднении. Он, как рассказывал Бор, «не сказал, что это глупо, но он никак не мог понять, каким образом электрон, начиная прыжок с одной орбиты па другую, знает, какой квант нужно ему испускать. Я ему говорил, что это как „branching ratio“ (т.е. вероятность испускания альфа- и бета-частиц — Ф. К.) при радиоактивном распаде, но это его не убедило».

Справедливости ради стоит сказать, что позднее Резерфорд признал квантовую механику в отличие от некоторых выдающихся физиков эпохи «классической физики», для которых квантовые представления так и остались за пределами восприятия.

Автор теории относительности Альберт Эйнштейн тоже не сразу принял открытие Бора. Ознакомившись со статьей Бора, он заметил, что все ему понятно и близко к тому, что он сам был мог сделать; но если это правильно, то физика как наука кончилась. По-видимому, Эйнштейн имел в виду столь близкую его уму и сердцу науку — старую доквантовую физику.

Лорд Релей — крупнейший английский физик «классической эпохи» — откровенно не одобрял квантовых идей Бора. Выступление Релея на заседании Британской ассоциации было предельно вежливым, но весьма однозначным: «Когда я был молод, я неукоснительно исповедовал некоторые принципы. Согласно одному из них человек, переваливший за шестьдесят, не должен высказываться до Поводу новых идей. Хотя я должен признаться, что теперь придерживаюсь его не столь строго, однако в достаточной степени для того, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!»

Но на заседании Британской ассоциации у Вора нашлись и сторонники, горячо поддержавшие новые квантовые представления. Это были известные ученые, пользовавшиеся огромным авторитетом: Мари Кюри, Хендрик Антон Лоренц, Джемс Джинс, Джозеф Лармор.

Существенных успехов в изучении электронных оболочек и их взаимодействий с атомными ядрами наряду с Бором удалось достичь ученику Резерфорда молодому физику Генри Мозли.

В 1914 году началась первая мировая война. Манчестерская группа Резерфорда распалась. Сотрудники лаборатории были призваны в армию.

Резерфорд и его жена находились в Америке. После возвращения в Манчестер Резерфорд, как и другие физики, был мобилизован для работы над военными проблемами. По заданию военного ведомства он занялся разработкой акустических методов обнаружения подводных лодок. Немецкие субмарины наносили большие потери военным и торговым кораблям британского флота. Любопытно, что спустя много лет, в годы второй мировой войны ученик Резерфорда Джеймс Чадвик был также привлечен к этой проблеме. Но он разрабатывал не акустические, а электронные методы обнаружения с помощью радаров.

Война помешала ученикам Резерфорда продолжать многообещающие научные исследования. Генри Мозли, которого Резерфорд считал своим талантливейшим учеником, погиб в 1917 году в возрасте 28 лет. Джеймс Чадвик содержался в немецком концлагере в качестве военнопленного. Марсден сражался во Франции...

Нильс Бор покинул Манчестер и поддерживал лишь почтовую связь с Резерфордом из Копенгагена.

Резерфорд отдавал много сил работам военного значения; но некоторое время выкраивал и для продолжения собственных исследований. Он писал Бору в Данию (9 декабря 1916 года):

«Время от времени мне удается урвать свободные полдня, чтобы провести некоторые из моих собственных экспериментов, и я думаю, что получил результаты, которые в конце концов окажутся чрезвычайно важными. Мне очень хотелось бы обсудить все эти вещи вместе с вами здесь. Я обнаруживаю и подсчитываю легкие атомы, приводимые в движение альфа-частицами, и эти результаты, как мне кажется, проливают яркий свет на характер и распределение сил вблизи ядра. Я также пытаюсь этим же методом взломать атом. В одном из опытов результаты представляются обнадеживающими, но потребуется уйма работы, чтобы их подтвердить. Кей помогает мне и в настоящее время является специалистом по подсчетам».

В этом письме Резерфорд скромно говорит о своих попытках «взломать атом». Эти попытки увенчались полным и потрясающим успехом. Новый взлет резерфордовского гения привел к открытию, которое впоследствии революционизировало всю науку и технику современности. Был дан первый сигнал к началу атомного века. Резерфорд в Манчестерской лаборатории расщепил атомное ядро.

Дальнейшее развитие опытов по расщеплению легких ядер происходило позже уже в Кевендишской лаборатории Кембриджского университета. Но принципиальные результаты были получены Резерфордом уже в Манчестере.

Мысль об этом опыте возникла у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона и в сцинтилляционном счетчике загадочных треков (следов), гораздо более длинных, чем треки альфа-частиц, хорошо знакомые ему по бесчисленным опытам. Он подумал, что существуют какие-то неизвестные ему причины резкого удлинения пробега альфа-частиц. Другое предположение (оно оказалось правильным) заключалось в том, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы. Перед исследователем возникла задача выяснить, какое из двух предположений истинно.

Для получения ответа на свои вопросы Резерфорд решил выполнить серию опытов по бомбардировке альфа-частицами различных веществ. Он построил прибор, который нам кажется теперь необыкновенно простым. Но мы должны признать также, что только он был наиболее пригоден для наглядного решения задачи. В нем мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т.е. легкие атомы), а не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих предыдущих экспериментах.

Собственноручно построенный Резерфордом прибор, с помощью которого ему удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов, схематически изображен на рисунке.

Рис. 2. Прибор Резерфорда

Латунная трубка 6 длиной 20 сантиметров с двумя кранами наполняется газом. Внутри трубки находится диск радиоактивного излучателя 7, испускающего альфа-частицы. Диск этот укреплен на стойке, двигающейся по рельсу 4. Во время опыта один конец трубки закрывался матовой стеклянной пластинкой, а другой конец — латунной пластинкой (прикрепляемой воском). Маленькое прямоугольное отверстие в латунной пластинке закрывалось серебряной пластинкой 3. Серебряная пластинка обладала способностью задерживать альфа-частицы, эквивалентные слою воздуха толщиной примерно 5 сантиметров. Против отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.