Помоги проекту - поделись книгой:
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
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.
Теперь, когда ядерная физика достигла поразительных успехов, легко понять значение этого величайшего открытия.
Но тем не менее модель Томсона еще не отслужила свою службу. В последние десятилетия она была применена для объяснения структуры мезоатомов, составляющих одну из самых удивительных форм вещества (в мезоатомах роль электронов выполняют другие частицы — мезоны). Для обычных атомов модель Резерфорда, соответственно усовершенствованная, продолжает оставаться правильной и сейчас.
Сотрудник Резерфорда — известный английский физик-теоретик Чарлз Дарвин (внук автора эволюционной теории) писал: «Я считаю одним из величайших событий своей жизни то, что произошло в моем присутствии спустя полчаса после „рождения“ ядра. Это было во время воскресного ужина в манчестерской квартире Резерфорда. Я помню, как он говорил нам, что наблюдаемое большое рассеяние альфа-частиц показывает на существование в атоме необычайно могучих сил».
Открытие атомного ядра явилось важнейшим, принципиально новым моментом, меняющим прежние представления о строении атома. На этой основе родилась наука, значение которой теперь всем известно.
Остановимся на некоторых подробностях. Вот как Резерфорд представлял себе атом. Атом в нормальном, неионизованном состоянии нейтрален, так как в целом он содержит столько же положительного электричества (заряд ядра), сколько и отрицательного (заряд электронов). Атом имеет
В ядре сосредоточена вся масса атома. Это центральная область системы с трудно представляемым радиусом 10–12...10–13 сантиметра. Электроны же очень легкие частицы, масса которых в 1836 раз меньше массы протона — ядра атома водорода с наименьшим атомным номером
За водородом в периодической системе расположен благородный газ гелий. Заряд ядра гелия в 2 раза больше заряда протона
Модель Резерфорда довольно хорошо объясняла структуру сложной системы атома. Но в ней имелись серьезные противоречия, которые Резерфорд хотя и хорошо понимал, объяснить не мог. Тогда ведь еще не было квантовой механики. Без нее многие противоречия не могли быть разрешены. Кроме того, не был открыт нейтрон, оказавшийся важным связующим звеном для объяснения структуры атома и происходящих в нем процессов.
По представлениям Резерфорда, вокруг массивного ядра по орбитам вращались электроны и вся система представляла некоторое подобие Солнечной системы. Поэтому модель называли планетарной. Но как могли электроны вечно вращаться вокруг ядра? До квантовой механики физики могли пользоваться для объяснения подобных явлений учением Максвелла, его электродинамикой. Согласно теории Максвелла электрон не мог бесконечно обращаться вокруг ядра, так как, излучая при своем движении энергию в виде периодически меняющегося электромагнитного поля, он неминуемо должен был бы упасть на ядро.
В 1911 году в физике произошло важное событие. Профессор Кембриджского университета шотландец Чарлз Вильсон создал удивительный прибор для наблюдения следов-треков отдельных альфа-частиц. Прибор получил название камеры Вильсона. Он сразу завоевал известность среди физиков, изучающих атомы и ядра; им широко пользуются и сегодня. Камера Вильсона, правда, в модернизированном виде и даже под другими названиями, играет большую роль в экспериментальном изучении процессов микро- и субмикромира.
Резерфорд высоко оценил возможности камеры Вильсона для экспериментаторов. Он сказал, что это «самый оригинальный и удивительный инструмент в истории науки».
На ежегодном традиционном обеде в Кавендишской лаборатории Резерфорд выразил свое восхищение прибором, изобретенным Вильсоном. По словам Нильса Бора, присутствовавшего при этом, небольшая речь Резерфорда была проникнута почти детской радостью от того, что в камере Вильсона можно было буквально видеть рассеяние альфа-частиц.
Многие прославленные физики-экспериментаторы восхищались этим прибором.
Фредерик Жолио-Кюри усовершенствовал камеру Вильсона, благодаря чему удалось увеличить длину трека в 76 раз, — это значительно улучшило возможность наблюдения. Ему принадлежат слова: «Ну разве это не величайший эксперимент в мире? Бесконечно малая частица, выброшенная в цилиндр камеры, сама отмечает свой путь мельчайшими частичками тумана!».
Вильсон говорил Бору, что идея создания камеры возникла у него, когда он в утренние часы наблюдал туманы, окутывавшие высокие горы Шотландии. Между прочим это были те самые горы, которые еще один выдающийся физик — Игорь Евгеньевич Тамм как альпинист считал идеальными для скалолазания.
Нильс Бор проходил тогда практику у Дж. Томсона в Кевендишской лаборатории. После завершения ее он не вернулся в Данию. Весной 1912 года Бор переехал в Манчестер и с разрешения Резерфорда присоединился к группе его сотрудников. Интересы этой группы были сосредоточены на изучении атомного ядра.
«В это время, — писал Бор, — вокруг Резерфорда сгруппировалось большое число молодых физиков из разных стран мира, привлеченных его чрезвычайной одаренностью как физика и редкими способностями как организатора научного коллектива. Хотя Резерфорд был всегда поглощен ходом своих собственных работ, у него все же хватало терпения выслушивать каждого из этих молодых людей, если он ощущал у них наличии каких-то идей, какими бы скромными с его собственной точки зрения они ни казались».
В Манчестере у Резерфорда проходили практику и некоторые русские физики и химики: В.А. Бородовский (скончавшийся в молодом возрасте от туберкулеза), профессор Московского университета Н.А. Шилов, Ядвига Шмидт (работала у А.Ф. Иоффе в Ленинграде).
Профессор. Н.А. Шилов, описывая в 1914 году Манчестерский университет (называвшийся еще Оуэнс-колледжем), отмечал: «Лаборатория Резерфорда помещается в отдельном здании внутри двора. Ни снаружи, ни внутри она не отличается роскошью. Приборы — самые простые. Многое приходится налаживать или мастерить самому — в этом, конечно, большая польза. Все дается работающим бесплатно. Единственное материальное богатство лаборатории — это раствор полуграмма радиевой соли (для получения эманации) и значительный запас мезотория, радиотория и актиния».
Приведенные слова Н.А. Шилова еще раз свидетельствуют о суровой простоте обстановки, окружавшей Резерфорда, совершенно несоизмеримой с полученными в ней поразительными научными результатами.
Нильс Бор — один из величайших физиков XX столетия, в те времена еще очень молодой человек — занялся в Манчестере теоретическими исследованиями. Прежде всего его целью было ликвидировать противоречия, которые так явно обнаруживались в модели атома Резерфорда. Для него было совершенно ясно, что никакими способами нельзя согласовать устойчивость системы ядро — электроны с классическими принципами механики и электродинамики.
Что же делать? Бор видел выход в разработке новой теории, которая годилась бы для объяснения новых явлений микромира.
Еще Макс Планк, обнаружив в 1900 году характерную прерывистость некоторых природных физических явлений, обратил внимание на ограниченность классических теорий. Планк смог обосновать открытый им закон излучения черного тела, лишь сделав очень смелое допущение: что энергия колебания атомов вопреки классическим представлениям может иметь ряд вполне определенных значений. В ходе дальнейших исследований Эйнштейном было показано, что прерывистость присуща также свету, состоящему из отдельных квантов — частичек. Планк открыл тогда ставшую впоследствии известной постоянную Планка, или планковский квант действия. Формула Планка
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
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 —
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
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.
Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, Резерфорд, прежде чем прийти к определенным выводам, проделал еще много опытов. Но окончательное заключение было таково: при столкновении альфа-частиц с ядрами атомов азота некоторые из этих ядер разрушаются, испуская ядра водорода — протоны, а затем происходит образование ядра кислорода.
Колоссальное значение этого открытия было с самого начала ясно самому Резерфорду и его сотрудникам. Впервые в лаборатории осуществилось расщепление атомных ядер. Непоколебимые, как казалось до этого, представления о «неразложимости» химических элементов были наглядно опровергнуты. Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного получения одних элементов из других, выделения огромной энергии, содержащейся в ядрах, и т.д.
Нильс Бор в статье, озаглавленной «Э. Резерфорд — основоположник науки о ядре», впоследствии писал: «В июле 1919 года, когда после заключения перемирия стало возможным свободное передвижение, я отправился в Манчестер навестить Резерфорда и узнать поподробнее о его крупнейшем открытии — открытии управляемых, или так называемых искусственных ядерных превращений, которым он положил начало тому, что любил называть „современной алхимией“, и которое с течением времени привело к столь ужасающим последствиям, дав в руки человека господство над силами природы».
Во время визита Бора в Манчестер Резерфорд сообщил ому, что должен принять важное решение: он приглашен занять должность руководителя Кевендишской лаборатории Кембриджского университета. Резефорду трудно было расстаться с Манчестерской лабораторией, но и предложение было чрезвычайно интересным. Вакансия открылась в 1919 году в связи с уходом в отставку семидесятилетнего Джозефа Томсона. Правда, маститый ученый не думал прекратить работу. Но ему уже было трудно руководить разросшейся Кевендишской лабораторией с усложнившимися административными и организационными обязанностями.
Академик А.Ф. Иоффе посетил Кевендишскую лабораторию в конце двадцатых годов и был представлен Резерфордом Томсону. Он писал из Кембриджа: «Томсон в то время был уже очень стар, но продолжал еще работать и руководить научными работами. Однако он был скорее реликвией, напоминавшей великие достижения эпохи открытия электронов. ...Электронная физика эпохи Томсона перешла в Кембридже, да и во всем мире, в ядерную физику Резерфорда...»
Резерфорд стал четвертым кевендишским профессором и в этой должности находился 18 последних лет своей жизни. До него Кевендишской лабораторией, основанной в 1874 году, руководили великие английские физики Максвелл, Релей и Томсон.
Совет Кембриджского университета не мог выбрать лучшей кандидатуры, достойной продолжения этого списка.
Когда Резерфорд после 20 лет активнейшей деятельности в Монреале и Манчестере приехал в Кембридж, он был уже крупнейшей фигурой в мировой физике, считался непревзойденным экспериментатором и выдающимся мыслителем. Его исследования способствовали развитию теоретической физики, которой придавалось все более важное значение.
Резерфорд внимательно следит за тем, как теория относительности завоевывает все новых сторонников среди ученых. Он видит успехи квантовой механики, основанной его учеником Бором. В то время еще никто не может связать все эти достижения с перспективами, открывающимися в результате успешных опытов самого Резерфорда по расщеплению ядер легких элементов. Но именно так будет. Пока еще недостает звеньев цепи, которая приведет человека к овладению ядерной энергией. Важнейшим в этом ряду станет открытие нейтрона, сделанное учеником Резерфорда позднее. Но пока в 1920 году Резерфорд, размышляя о строении атома, приходит к выводу, что в ядре должна существовать и нейтральная частица. Иначе говоря, он предсказывает существование нейтрона, впоследствии открытого экспериментально в его лаборатории.
Американский профессор С. Девоне работал в Кевендишской лаборатории в последние годы жизни Резерфорда (1935...1937). Он писал: «Резерфорд — личность и Кевендишская лаборатория — научное учреждение слились воедино и вместе они излучали такой ослепительный свет, который редко встречается в жизни. Если Монреальский период характеризуется личными достижениями, манчестерский — Резерфорда и его школы, то в Кембридже Резерфорд уже олицетворял собой великую Кевендишскую Традицию, был частью ее славы».
В приведенной цитате явно ощущается попытка охарактеризовать главные периоды научной деятельности Резерфорда. Это естественно для Девонса — ученого, стремящегося к точной классификации. Но разбивка Девонса дает лишь приблизительное представление о главных периодах работы Резерфорда в Канаде и Англии. На самом деле все гораздо сложнее, в частности, потому, что работы самого Резерфорда невозможно отделить от работ его учеников.
Резерфорд сделался Кевендишским профессором в возрасте 48 лет. Когда-то он впервые вошел в это примечательное здание на Фри скул лэйн молодым провинциальным парнем, приехавшим из Новой Зеландии. Он впервые испытал тогда здесь ни с чем не сравнимую радость исследовательской работы.
Теперь все было и так и иначе. В знакомых комнатах стояли те же добротные массивные столы с грубовато сделанными установками и сплетениями проводов. Поблескивали стекло и медь старомодных солидных физических приборов... Но работали в этих старых стенах представители нового поколения ученых. Несмотря на то, что недавно окончилась мировая война, в Кевендишской лаборатории было сейчас очень много молодежи — гораздо больше, чем в прежние времена.
1919 год проходит под знаком интенсивной работы Резерфорда по расщеплению ядер. Он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения — что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны — ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд, «общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени альфа-частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на одно мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17...»
Итак, азот — тот самый элемент, у которого в результате бомбардировки альфа-частицами происходит расщепление ядер и он превращается в водород и кислород. Резерфорд в своем сообщении приводит запись этого процесса, напоминающую химическое уравнение. Осуществлена первая ядерная реакция, столь важная для продвижения человека к овладению ядерной энергией. Правда, Резерфорд открывает ядерные реакции лишь в легких элементах. Освободить же ядерную энергию удалось лишь позднее путем расщепления тяжелых ядер, в частности, урана. Но в те времена ученые, в том числе и Резерфорд, не имели средств для этого.
Резерфорд подсчитал, что превращения ядер азота происходят крайне резко — одна альфа-частица из 50 тысяч оказывается достаточно близко к ядру азота, чтобы быть захваченной. Сотрудник Резерфорда Патрик Блеккет сфотографировал следы нескольких сотен тысяч альфа-частиц в наполненной азотом камере Вильсона. Он зарегистрировал всего несколько случаев превращений ядер азота.
В результате длительных экспериментов Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. В их числе были бор, фтор, натрий, алюминий, литий, фосфор. Он также пытался путем бомбардировки альфа-частицами вызвать ядерные реакции в некоторых тяжелых элементах, расположенных в конце периодической таблицы. Однако это ему не удавалось. С увеличением атомного номера элемента количество ядерных превращений уменьшалось. У элементов тяжелее аргона с атомным номером 18 совсем уже не наблюдались превращения (не обнаруживались протоны, свидетельствующие о расщеплении).
Продолжая опыты по расщеплению ядер, Резерфорд пришел в следующему выводу: хотя альфа-частицы и обладают большой энергией, но для проникновения в ядра элементов они все же являются недостаточно мощными снарядами. Он решил повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Так был сделан первый шаг в развитии ускорительной техники. В наше время гигантские ускорители стали обычным орудием исследования ядерной физики.
Ученики Резерфорда Кокрофт и Уолтон, вдохновленные идеями своего учителя и при его большой поддержке построили в Кевендишской лаборатории высоковольтную установку для разгона заряженных частиц — протонов. Протоны разгонялись до энергии 600 тысяч электрон-вольт, что для того времени было большим достижением.
Патрик Блеккет по этому поводу писал: «Инженерные масштабы таких экспериментов, как работы Кокрофта и Уолтона, для большинства физиков того времени были недостижимы. Подобно академику Капице, Кокрофт был инженером-электриком, превратившимся в физика. Работы Кокрофта и Уолтона и американского физика Лоуренса в Беркли (США) положили начало Машинного века в ядерной физике, высшим достижением которого сегодня является Серпухов, Брукхейвен и Женева (имеются в виду крупнейшие в мире ускорители. —
Резерфорд, поддерживая Кокрофта и Уолтона, прекрасно понимал неизбежность перехода к «Машинному веку» в ядерной физике, где исследователю невозможно обходиться обычными методами доядерной экспериментальной физики.
Но заметим, что открытие Чадвиком в Кевендишской лаборатории нейтронов было результатом экспериментальной работы, проделанной в старых традициях Резерфорда. Для этого сенсационного открытия исследователю потребовалась простая аппаратура, но зато большое вдохновение и физическая интуиция.
Однако, несмотря на создание новых методов ускорения частиц, Резерфорд не менял своего мнения о невозможности практического использования внутриядерной энергии. Он говорил, что атом всегда склонен вести себя не как источник энергии, а как «прорва», поглощающая энергию. Нужно израсходовать больше энергии на расщепление атома, чем можно получить ее в результате этого. Правда, это предположение Резерфорд высказывал главным образом до открытия нейтрона. Появление на сцене нейтрона оживило перспективы использования внутриядерной энергии. Успехи ядерной физики в тридцатых годах нашего века были вдохновлены работами Резерфорда в области осуществления ядерных реакций.
В исследования включились экспериментаторы и теоретики различных стран. Исключительно важные результаты в этот период были получены Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в Париже, Энрико Ферми в Риме, Отто Ганом и Лизе Мейтнер в Берлине. В Советском Союзе были опубликованы важные работы Я.И. Френкеля, И.В. Курчатова, Ю.Б. Харитона, Я.Б. Зельдовича.
Вскоре после открытия нейтрона, за которое Чадвик получил Нобелевскую премию, Резерфорд в одной своей лекции проанализировал это крупнейшее открытие. Ученый показал, что нейтральная незаряженная частица может сыграть большую роль в использовании ядерной энергии.
Резерфорд также говорил, что открытие нейтрона и экспериментальное доказательство его эффективности в осуществлении ядерных реакций создают огромные перспективы. Но нужно найти способ производства большого количества медленных нейтронов при малой затрате энергии для этого.
Резерфорд не дожил всего несколько лет до того, как Отто Ган и Лизе Мейтнер открыли деление урана. Это открытие, по словам Патрика Блеккета, «в известном смысле явилось последним из великих открытий в собственно ядерной физике, отличающейся от физики элементарных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было областью всей его научной деятельности».
Но сбылось предсказание Резерфорда о том, что с помощью бомбардировки нейтронами можно будет освобождать внутриядерную энергию. После ряда выдающихся открытий физики осуществили, наконец, путем нейтронной бомбардировки определенной критической массы урана такую ядерную реакцию, которая была названа цепной. Цепная реакция дает непрерывное выделение колоссальной внутриядерной энергии. Именно цепной процесс имел в виду Резерфорд, говоря о нем за 13 лет до того, как Энрико Ферми на основе этого процесса построил в Чикаго первый ядерный реактор.
В огромном числе идей и достижений Резерфорда одна его работа, выполненная в конце жизни, имеет непосредственное отношение к использованию термоядерного синтеза.
Резерфорд вместе со своим учеником Марком Олифантом (который, по наблюдению Нильса Бора, и общим складом характера, и необыкновенной работоспособностью напоминал самого Резерфорда) занимался бомбардировкой ускоренными частицами — протонами и дейтронами — мишеней из изотопа лития. Эти эксперименты теперь считаются классическими. Они привели к открытию изотопа водорода Н3 — дейтерия и изотопа гелия Не3 — трития. Эти изотопы впоследствии позволили поставить на реальные рельсы проблему термоядерного синтеза. Открытие трития позволило создать водородную бомбу. Дейтерий и тритий — возможные исходные материалы для термоядерного синтеза в термоядерных реакторах будущего. Об этом говорил академик И.В. Курчатов во время посещения в 1956 году Британского Научно-исследовательского центра ядерных исследований в Харуэлле.
Всего лишь через два года после смерти Резерфорда работы по овладению ядерной энергией приняли гигантский размах, особенно в США, где сконцентрировались многие европейские физики. Вырисовывались контуры сверхмощной атомной бомбы, в которой цепное деление урана происходило в виде гигантского взрыва, несравненно более мощного, чем любой взрыв, произведенный обычными взрывчатыми веществами.
Ученик и последователь Резерфорда Марк Олифант писал о распространенном мнении, что Резерфорд был величайшим физиком-экспериментатором после Фарадея. От себя же он добавлял к этому, что в некоторых отношениях вклад Резерфорда в науку более значителен, нежели вклад Фарадея и Эйнштейна. Фарадей работал в одиночку; Эйнштейн имел лишь несколько ближайших сотрудников. Резерфорд всегда был окружен учениками и поэтому оказал громадное влияние на развитие физики во всем мире.
Особенно много учеников работало вместе с Резерфордом в Кевендишской лаборатории. Многие из них впоследствии сделались известными учеными, лауреатами Нобелевской премии. Среди них были и советские физики.
Петр Капица был первым советским ученым, принятым Резерфордом в Кевендишскую лабораторию для стажировки. У Резерфорда в разное время работали советские физики-атомники: Ю.Б. Харитон, А.И. Лейпунский, К.Д. Синельников. В Кевендишской лаборатории побывали теоретики Я.И. Френкель и Л.Д. Ландау, а также Н.Н. Семёнов и другие выдающиеся ученые.
Поделиться книгой: