Схема опыта по рассеянию альфа-частиц.
1 - радиоактивный препарат,
2 - свинцовый цилиндр,
3 - фольга из исследуемого материала,
4 - полупрозрачный экран, покрытый ZnS,
5 - микроскоп.
Резерфорд не принадлежит к числу великих писателей. Писал он скучно, неинтересно, сухим, хотя и точным языком. При этом не делал никаких скидок для непосвященных. Чтобы читать его, нужно если и не быть специалистом по ядерной физике, то как минимум иметь высшее естественнонаучное или на худой конец техническое образование. Но и это не спасало читателя от скуки и недоумения. Никаких философских или лирических отступлений, никаких размышлений о тайнах природы или проблемах ее познания он не допускал. Не писал он и подобно своим великим предшественникам Галилею, С. Карно, а хотя бы и Ньютону фундаментальных трудов, которые будут читать и находить все новые и новые непрочитанные или непонятые страницы еще не одно поколение не только ученых, но и просто думающих людей.
Резерфорд предпочитал высказываться по конкретным вопросам, не вдаваясь в широкие обобщения. Чему же тут удивляться, что его статья "Рассеяние альфа и бета-частиц материей и структура атома", появившаяся в 1911, не произвела никакого впечатления на публику. Журнал "Nature", популярнейший тогда научный журнал, ставивший целью знакомить публику с важнейшими научными достижениями, даже не счел нужным упомянуть об этой работе Резерфорда. Более того читанная ученым в марте 1911 года в Манчестерском философском обществе, а в мае того же года напечатанная в солиднейшем Philosophical magazine тоже солидном издании, но в отличие от Nature рассчитанном на сугубых специалистов, не произвела на этих специалистов никакого впечатления.
Замечательный физик Э. Н. да Коста Андраде , уже работавший в лаборатории Ленарда в Германии и упрекавший физический мир, что он не заметил такого эпохального события, на вопрос журналиста: "А вы, конечно, сразу оценили значение этой статьи", конфузливо ответил: "У меня не сохранилось никаких воспоминаний об интересе к резерфордовской модели атома". Да, именно в этой статье Резерфорд впервые представил свою коронку -- планетарную модель атома: ядро с протонами (о нейтронах тогда еще не было речи) и вращающиеся вокруг них электроны.
Впрочем, повинуясь своему, мягко говоря невыспренному стилю, Резерфорд об этой модели упомянул лишь вскользь в самом конце статьи, сосредоточив основное внимание на скучнейшем описании своих опытов со множеством формул и технических деталей. Большинство его коллег, как я понимаю, просто не дочитали до конца статьи.
К тому же тогда ядерная физика была на марше, интерес у публики к открытиям в этой области был громаден, и разных атомных моделей предлагалась прорва. В том числе и планетарных.
Русский физик Петр Николаевич Лебедев, открывший давление света, еще за 24 года до статьи Резерфорда писал в своем дневнике: "Каждый атом: представляет собой полную солнечную систему, то есть состоит из различных атомов-планет, вращающихся с разными скоростями вокруг центральной планеты или каким-либо другим образом двигающихся характерно периодически. Периоды движения весьма кратковременны (по нашим понятиям)".
И это отнюдь не было у Лебедева пустой фантазией, этаким изобретением необыкновенным и эпатажных вещей. Ученый, тогда еще молодой сотрудник лаборатории физики в Страсбургском университете глубоко задумывался над вопросом, а каким образом может атом испускать электромагнитную энергию и пришел к выводу, что проблема может быть объяснена только периодическими движениями составных частей атомов светящихся тел.
А в Токио в 1903 году тамошний молодой да ранний, но уже известный как виднейший японский физик того времени Нагаока опубликовал статью в "Трудах Токийского физико-математического общества", где представлял себе атом в виде планеты Сатурн с кольцами. Нагаока писал: "Очевидно, можно представить себе таким образом приближенно атом, если заменить эти кольца отрицательными электронами, а притягивающий центр -- положительно заряженной частицей".
Заметим, что это модель с точки зрения современной науки является даже более продвинутой, чем модель Резерфорда, ибо вводит понятие уровней -- определенных орбит -- по которым вращаются электроны, каковыми уровнями в 1915 году дополнил модель Резерфорда Нильс Бор (статья Нагаоки между прочим не осталась незамеченной Резерфордом, и в "Рассеянии..." он упоминает сатурнианскую модель японца).
Планетарную модель атома выдвигал до Резерфорда и такой авторитетный ученый, как француз Перрен, кстати, предвосхитивший и опыты Томсона по открытию электрона. А еще к планетарной модели склонялись десятки других менее известных и совсем неизвестных ученых и просто любителей науки. Так что удивить своей моделью Резерфорд навряд ли кого мог в 1911 году.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПУТЬ К МОДЕЛИ
Резерфорд, происходивший из среды новозеландских фермеров, не отличался живым и подвижным умом. Он принадлежал к породе тугодумов, которые думают долго и основательно. А как физик, он с гораздо большим правом, чем Ньютон, мог сказать о себе "гипотез не измышляю", предпочитая отдаваться в лапы экспериментальной стихии, тщательно взвешенной им и продуманной, чем фантазировать. И поэтому свою планетарную модель он обдумывал два года, отложив на это время в сторону всяческие эксперименты. Если бы он работал в современном российском университете, где ученый каждый год должен публиковать не менее 5 новых статей, он был бы прямым кандидатом на изгнание за откровенное безделье.
Как атом должен был отталкивать снаряд-частицу (вверху)
и как он ее отталкивает согласно модели Резерфорда
А экспериментом, заставившим его глубоко задуматься, был знаменитый эксперимент Гайгера-Марсдена, сотрудников его лаборатории. Вообще Резерфорд был ходячей научной добросовестностью. В то время как другие ученые без зазрения совести присваивают результаты, добытые их подчиненными, Резерфорд всегда тщательно фиксировал, что сделано им, а что его сотрудниками, и скрупулезно об этом сообщал. Но это ему мало помогло: все равно, прошедшие через его лаборатории опыты, человечество записало на его счет.
Эксперимент состоял в бомбардировке атома альфа-частицами или, говоря по-современному, протонами. Ученые бомбардировали атомы разных веществ, но тот знаменитый эксперимент приключился с бомбардировкой тонкой золотой фольги, раскатанной в толщину всего 400 атомов. Снаряды-частицы проходили через фольгу еще лучше, чем нож сквозь масло, и попадали на экран, стоящий за фольгой, где вспыхивали маленькими светящимися точками (многие сотрудники буквально ослепли, фиксируя эти вспышки). Естественно, некоторые отклонялись атомами от прямой траектории, и вспышки то и дело появлялись в стороне от основного пятна, где они бы кучковались, если бы фольга их не отклоняла.
Кто надоумил 19-летнего Марсдена поставить экран не за фольгой, а перед пушкой (цифра 1 на рисунке), плевавшейся альфа-частицами, он бы, наверное, и сам не смог объяснить. Тем менее на расположенном таким образом экране продолжали появляться редкие вспышки. Когда Резерфорду сообщили об этом, он аж вспотел, выдав свою знаменитую фразу: "Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар".
Резерфорд в своих опытах исходил из того, что атомы похожи на шарики и заполняют собой все пространство вещества наподобие бильярдных шаров в пирамиде перед разбивкой. Только шарики эти не настоящие, а воображаемые. И по воображаемой сферической поверхности каждого из таких шариков рассредоточены протоны (числом 79 для золота).
Размер атома намного превышает размер протона. Поэтому протон бомбардирующий имеет весьма небольшие шансы столкнуться с протоном, находящимся на воображаемой сфере атома. А уж для того, чтобы отлететь туда, откуда он прилетел, воображаемый протон должен был столкнуться лоб в лоб с протоном, находящимся в атоме, то есть их центры должны были находиться строго на одной линии.
Между тем получалось, что протоны сталкивались довольно-таки часто: примерно 1 из 8000 бомбардируемых снарядов отлетал в сторону пославшей ее пушки, примерно в 100 раз чаще, чем это следовало из расчетов. Вот и впал Резерфорд в глубокую, длившуюся 2 года задумчивость. И ничего другого не мог придумать, как предположить, что альфа-частицы, они же протоны в атоме, расположены отнюдь не на его периферии, а в центре, образуя ядро из множества протонов, о которое и ударяются альфа-частицы-снаряды и отбрасываются назад с такой частотой, как это и наблюдалось в опытах. Электроны же вообще вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (в предыдущей модели они вообще находились в веществе в свободном плавании, не будучи связаны с атомом).
СУДЬБА МОДЕЛИ
О чем с грустью в голосе, а отнюдь не радостно поведал Резерфорд Манчестерскому философскому обществу. Ибо сам он отнюдь не был в восторге от изобретенной им модели, а пришел к ней под гнетом непреодолимых обстоятельств. Его грусть проистекала от того, что модель получилась неказистой, кривой и весьма неубедительной.
В самом деле, если электроны вращаются вокруг ядра, то они должны испускать энергию и довольно-таки быстро упасть на ядро. Само ядро состоит из частиц, одноименно заряженных, которые должны отталкиваться со страшной по сравнению с размером ядра силой. И таким образом атом должен был быть весьма хлипкой конструкцией, которую разрушить достаточно легкого дуновения ветерка, чего на самом деле не происходит: чтобы расщепить ядро приходится строить мощнейшие синхрофазотроны и коллайдеры. Были и другие несуразности в резерфордовской модели (с электронами их частично снял Н. Бор), и он как очень добросовестный и проницательный ученый отлично их осознавал.
Оставалось надеяться, что время все поставит на свои места, и новые поколения физиков устранят имевшие место быть трудности. Ничего подобного не произошло: какие трудности были при рождении планетарной модели, такими они до сих пор и остались, разве лишь физика не стоит на месте и добавилось много новых.
Физики вообще пошли другим путем. Современные физики такими как Резерфорд проблемами вообще не заморачиваются: "почему протоны отскакивают чаще, чем им положено? А хрен его знает. Не знаю и знать не хочу. Я установил экспериментально факт, а объяснять его -- пусть кому делать нечего, у того и болит голова", -- примерно так рассуждают современные ученые. Причем речь идет о серьезных, добросовестных ученых, щепетильных к своей репутации, а отнюдь не о жуликах со степенями и званиями.
Но Резерфорда история науки определила в авторы планетарной модели не только за его особые заслуги в ядерной физике. И даже не только потому, что он пришел к ней после безупречно поставленных экспериментов. Резерфорд свои открытия выразил количественными соотношениями, в частности, формулой рассеяния частиц веществом. В этом сказывается глубокий нравственный смысл науки как таковой, независимо от личных качеств ученого, даже такого безупречного в этом плане, каким был Резерфорд: пока нет количественной модели явления -- никакой научной ценности открытие не представляет. Вот почему именно Резерфорд, а не Лебедев, ни Нагаока, ни Перрен является автором планетарной модели.
Модель Резерфорда сохраняет свое значение до сих пор, так же не только потому, что ничего лучшего пока придумать не удалось, но и потому что эта модель работает. Благодаря открытиям Резерфорда были вычислены размеры атомного ядра (сам Резерфорд указал его верхнюю границу), электрона и протона. Без этого невозможно было бы вести расчеты ядерных процессов, так широко распространенных в современной технике. Собственно говоря, все расчеты строятся на подсчете вероятностного распределения скоростей частиц, например, в ядерных реакторах. Для такого расчета нужно знать размеры участвующих частиц, плотность их распределения в объеме, ну и скорости на определенные моменты времени. Именно планетарная модель доложила физиками о размерах частиц и плотности их распределения в объеме. То есть если с точки зрения здравого смысла модель Резерфорда и потерпела крах, то с практической точки зрения она одержала полный триумф: явление в науке более чем обычное.
Еще один нравственный аспект науки. Эксперимент поставленный и описанный ученым должен быть проверяем. А вот с этим в науке XX в, а в ядерной физике особо, начались явные перебои. Тот же Нагаока, посетив лаборатории Резерфорда с удивлением воскликнул: "Какие великие открытия делаются при помощи столь малых средств".
Да, лаборатория Резерфорда в плане материального обеспечения была весьма бедной. Именно поэтому он не смог точно определить размер атомного ядра: элементарно не хватало мощности испускавшей альфа-частицы пушки. И однако снаряды, прежде чем попасть на фольгу, пролетали стеклянную трубку диаметром 1 мм и длиной 8 м. Во всей Англии такие трубки мог тогда выдувать только один человек, немец Баумбах. И когда во время Первой мировой войны ему грозило интернирование, Резерфорд сразу почувствовал себя как без рук, и срочно побежал хлопотать за немца.
Таким образом, повторить даже опыты Резерфорда простому любителю науки вряд ли под силу, а уж те, что делаются на коллайдере и подавно. А значит научные результаты выходят из-под контроля общественности. Наука служит только тому, у кого есть власть и деньги, достаточные, чтобы осуществлять дорогостоящие эксперименты.
МИНИАТЮРЫ О НАУКЕ
http://proza.ru/2023/03/21/327