Книга Нильс Бор. Квантовая модель атома - Хайме Наварро

Одной из актуальных тем в физике в 1911 году были эксперименты Резерфорда и, что самое важное, их истолкование самим новозеландским исследователем. Резерфорд создал в Манчестере школу «радиоактивистов» — исследовательское отделение, сосредоточенное в основном на экспериментальном изучении радиоактивности. Речь шла о явлении, открытом Анри Беккерелем (1852-1908) и супругами Пьером (1859- 1906) и Марией (1867-1934) Кюри, о котором — в отношении его эффектов, свойств и глубинной природы — было известно очень мало.

Уже в 1899 году Резерфорд понял, что речь идет не об одном, а о трех типах излучения, которые различаются электрическим зарядом и способностью проникновения в материю. Он обозначил их первыми тремя буквами греческого алфавита в порядке возрастания энергии: альфа-излучение (а) — с положительным электрическим зарядом, отрицательно заряженное бета-излучение (Р) и гамма-излучение (у), не имеющее заряда. Кроме того, первые два вида излучения явно состояли из корпускул — частиц, обладающих массой. Альфа-частицы имели массу, похожую на массу атома гелия, а бета-частицы... были электронами!

Работы Резерфорда и его команды в Манчестере мало перекликались с интересами Томсона и Кавендиша. С самого начала Резерфорд был заворожен свойствами радиоактивности и сосредоточился на этой новой области. Эти работы обеспечили ему в 1908 году Нобелевскую премию... по химии (так же, как и Марии Кюри в 1911 году). Радиоактивность — явление на полпути между физикой и химией. С одной стороны, изучение его природы, его интенсивности, его свойств при взаимодействии с материей — вопросы, традиционно физические; в то же время выделение веществ, наблюдение их реакций, измерение массы — это задачи химии. Поэтому школа Резерфорда в Манчестере объединила ученых (физиков и химиков) в деле исследования свойств радиоактивности.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

В начале 1896 года внимание мира было приковано к новому типу излучения — рентгеновским, или икс-лучам.

Анри Беккерель хотел понять возможную связь между этими лучами и уже известным явлением флуоресценции, при котором некоторые вещества превращаются в излучатели света, подвергнувшись интенсивному солнечному излучению. Эксперименты Беккереля были относительно просты: он брал вещества с флуоресцентными свойствами, подвергал их прямому действию солнечного света и изучал их воздействие на фотографическую пластину в темноте. После нескольких облачных дней он с удивлением обнаружил, что фотографические пластины, которые он оставил в том же ящике, что и предполагаемые флуоресцентные вещества, оказались затуманены. Беккерель сосредоточился на этом явлении и попытался выяснить, возможно ли его повторить. Оказалось, возможно. Одно из веществ, с которым он работал, содержащее соли урана, спонтанно испускало доселе неизвестное излучение, из-за которого фотографические пластины затуманивались. Можно сказать, что Беккерель открыл новое внешне необъяснимое явление, вызванное ураном. Но только спустя десятилетия работы исследовательских групп, больших затрат, выдвижения всевозможных гипотез были описаны характеристики этого явления и состоялся переход от урановых лучей к радиоактивности. На самом деле Беккерель не был заинтересован в продолжении изучения «своих» лучей. Именно супруги Кюри и Эрнест Резерфорд сделали их главной темой своих исследований. Так, они выяснили, что это излучение характерно не только для урана: его испускают и другие тяжелые элементы (последние в периодической таблице) — радий и торий. Но более важно то, что им удалось выделить новый элемент, названный полонием в честь Польши, родины Марии Кюри.

Анри Беккерель.

Каким образом радиоактивность связана с составом атома? Вскоре выяснилось, что радиоактивность — атомное явление. Альфа- и бета-частицы испускались атомом, что наводило на мысль о том, что это лишь компоненты радиоактивных атомов (сложнее было с у-излучением, которое больше походило на свет, чем на частицу). Кроме того, Резерфорд доказал, что радиоактивность — не инертный процесс, она меняет природу веществ: при испускании радиоактивности один элемент превращается в другой, близкий к нему в периодической таблице. Другими словами, радиоактивность является процессом (спонтанным или индуцированным, доподлинно известно не было), который преобразует элементы.

В итоге, хотя и косвенно, радиоактивность также оказалась очень полезным инструментом для анализа структуры атомов. После ее открытия ученые переключились на изучение всех типов радиации, подвергая ее воздействию различные материалы, различную толщину одного и того же материала, под разными углами падения. При этом была получена важная информация об энергии излучения, его интенсивности и его электрическом разряде. Как раз такие эксперименты ставили в Манчестере Резерфорд и его коллеги, в частности немец Ханс Гейгер (1882-1945) и молодой британец Эрнест Марсден (1889-1970). С 1909 года Гейгер и Марсден изучали взаимодействие а-радиоактивности (которая больше всего интересовала Резерфорда) с металлическими поверхностями и поняли, что падающий пучок а-частиц не пересекает металлы линейно, а подвергается различным отклонениям — дисперсии. Это было естественно, поскольку в металле атомы образуют довольно геометрическую структуру, поэтому можно было ожидать, что а-частицы будут отклоняться от своих траекторий, проходя рядом с атомами. Но не было нормальным то, что при повторении аналогичного опыта с очень тонкими поверхностями а-частицы испытывали большие отклонения.

Резерфорд присоединился к Гейгеру и Марсдену, они пересмотрели эксперимент и получили сложный для понимания результат: при пропускании потока а-частиц через очень тонкую пластинку из золота большая их часть пересекала металл без изменений, но несколько частиц после столкновения с металлом «рикошетили» и отлетали в противоположном направлении (см. рисунок 1). Позже Резерфорд утверждал, что это было столь же удивительно, как если бы пули рикошетили от папиросной бумаги. Раз атом являлся, как считал Томсон, однородной массой положительного заряда с более или менее равномерным распределением электронов, этот результат не имел смысла: можно понять легкую, но не столь явную дисперсию.

РИС.1

Таким образом, в 1911 году Резерфорд предложил полностью изменить представление об атоме. Возможно, положительная часть неоднородна и не занимает весь атом, она могла быть сконцентрирована в центре атома, образуя очень маленькое ядро, вокруг которого двигались электроны. Это похоже на планетарную систему, где центр занимает ядро, обладающее большой массой и всем положительным зарядом атома. Это объясняло, почему большинство а-частиц (заряженных положительно) почти не диспергировались, но некоторые испытывали такую большую силу, что она заставляла их рикошетить: это были те частицы, которые случайно сталкивались с ядром одного из атомов.

Однако предложение Резерфорда осталось практически незамеченным. Это не было великой революцией, великим открытием, о нем не писали в газетах, его не обсуждали в кафе, оно даже не привлекло внимания ученых, которые восприняли его как частный случай поведения α-частиц. Кроме того, Резерфорд не интересовался теоретической физикой, он был экспериментатором и не мог развить теоретические следствия из данной модели.