Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Резерфорду и его сотрудникам было трудно представить себе, что реально происходит при рассеянии. Им было известно, что альфа-частицы вылетали из кусочка радия с огромной скоростью, порядка 10 000 миль в секунду. Было трудно вообразить, как атомы тонкой фольги могли «сбить с пути» частицы с такой колоссальной энергией. По правде говоря, у Резерфорда и его сотрудников не было современного представления об альфа-частицах. Им было известно только, что альфа-частицы по своей сути являются атомами гелия, но о структуре этих атомов исследователи ничего не знали. Открытие того, что некоторые атомы излучают положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы, заставило некоторых ученых задуматься о внутренней структуре атома (с включением альфа-частиц / атомов гелия). Атомы, без сомнения, содержали электроны. А так как обычные атомы электрически нейтральны, значит, они обязательно должны были содержать также и положительный заряд. Но каким образом и в какой форме?

В 1904 году Джон Джозеф Томсон высказал предположение, что атом состоит из электронов, которые удерживаются неким положительно заряженным «желе», подобно сливам в пудинге, из-за чего данная модель получила название «модели сливового пудинга». В том же году один японский исследователь предложил планетарную модель, в которой атом был представлен в виде центрального ядра в окружении спутников. Однако это были всего лишь гипотезы, не позволяющие представить, что именно происходит, когда альфа-частица / атом гелия отскакивает от другого атома.

Пытаясь понять феномен рассеяния, Гейгер начал серию опытов совместно с новозеландским физиком Эрнестом Марсденом. На протяжении всей осени 1908 года и весны 1909-го они вносили усовершенствования в аппарат, добавили в него специальные прокладки, чтобы сократить рассеяние частиц, вызванное их столкновениями со стенками трубки, использовали более мощный луч, но получить достаточно стройные данные так и не смогли. Создавалось впечатление, что альфа-частицы рассеиваются не только фольгой, но и остатками воздуха в трубках, различными деталями трубок и остальной части экспериментального аппарата. При столь большом рассеянии было трудно сказать, что именно служит препятствием.

Однажды в начале весны 1909 года Резерфорд, внимательно следивший за работой Гейгера и Марсдена и их все нараставшими трудностями, зашел в лабораторию и, по воспоминаниям Марсдена, предложил: «Давайте посмотрим, нельзя ли добиться какого-нибудь результата при непосредственном отражении альфа-частиц от металлической поверхности?» Резерфорд хотел несколько изменить характер эксперимента, чтобы проверить, не будут ли альфа-частицы, обычно рассеивающиеся при прохождении через фольгу, отскакивать непосредственно от фольги подобно тому, как теннисный мяч отскакивает от стены.

Гейгер с Марсденом подготовили очень простую экспериментальную установку. Они отодвинули экран в сторону и закрыли его свинцовой пластиной, чтобы альфа-частицы не смогли его достичь, за исключением тех альфа-частиц, которые будут отскакивать от металлической фольги (рис. 20). Им пришлось еще больше увеличить мощность источника излучения, чтобы довести до максимума число частиц, движущихся под большим углом. Почти сразу же они заметили, что некоторые частицы на самом деле отлетают назад. В течение нескольких недель ученые повторяли опыт, используя фольгу из различных металлов разной толщины, и обнаружили, что примерно одна из восьми тысяч альфа-частиц отскакивала под углом больше девяноста градусов. «Поначалу, – писал позднее Гейгер, – мы вообще не могли этого [рассеяния под углом больше 90°] понять»137.

Рис. 20. Набросок схемы эксперимента Гейгера и Марсдена по измерению широкоугольного рассеяния

На тот момент Резерфорд, к своему великому неудовольствию, осознал, что для понимания процесса рассеяния альфа-частиц в результате одного или большего числа случайных столкновений придется расширить свои познания в теории вероятностей. В результате в начале 1909 года Резерфорд записался на начальный курс по теории вероятностей. Нобелевский лауреат прилежно конспектировал лекции и решал задачи, и в конце концов ему удалось разработать теорию, названную им «множественным рассеянием», которая была применима к случаям, когда частицы рассеивались в ходе случайных столкновений с несколькими атомами. Однако теория множественного рассеяния не могла объяснить феномен широкоугольного рассеяния, с которым столкнулись Гейгер и Марсден. В лекции, прочитанной в конце жизни, Резерфорд говорил о том времени, когда Гейгер и Марсден впервые поставили свой эксперимент:

...

«…Два или три дня спустя Гейгер зашел ко мне в сильном волнении и сказал: „Мы добились того, что некоторые альфа-частицы вернулись…“ Это было самое невероятное событие в моей жизни. Оно было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отлетел бы от нее и поразил бы вас»138.

Недоверчивость Резерфорда – пример оценки эксперимента задним числом. В физическом смысле слова описанная ситуация действительно была невероятна: тяжелая альфа-частица, выпущенная со скоростью примерно десять тысяч миль в секунду, отскакивает от жалкого кусочка фольги! Но даже грандиозное научное воображение Резерфорда далеко не сразу усвоило всю немыслимость происшедшего.

Поначалу он полагал, что широкоугольное рассеяние можно объяснить как частный случай феномена множественного рассеяния, то есть тем, что альфа-частицы сталкиваются с чрезвычайно большим числом атомов, которые и заставляют их отскакивать. Однако в течение следующего года, в ходе оценки результатов эксперимента и дальнейшей работы над теорией вероятностей, а также в силу ряда иных соображений, Резерфорд начал менять свой подход. К числу «иных соображений» принадлежало его все более укреплявшееся убеждение, что альфа-частица представляет собой не шарик и не пудинг, но может рассматриваться как точка. Это был грандиозный шаг вперед, так как, помимо всего прочего, чрезвычайно упростился математический аппарат теории рассеяния. Идея также помогла Резерфорду осознать, насколько ценным исследовательским инструментом является феномен рассеяния альфа-частиц. Если обладать достаточной информацией о рассеянии и о том, как на него воздействуют различные параметры (такие, к примеру, как заряд и распределение массы), то можно было обратить процесс и по характеру рассеяния альфа-частиц выяснить особенности самого источника рассеяния. Иначе говоря, рассеяние было не просто досадным явлением, с которым приходилось мириться, но интересным феноменом, на основании которого можно было многое сказать о других вещах.

Более того, Резерфорд начинал понимать, что характер рассеяния альфа-частиц способен многое сообщить о структуре самого атома. По словам Гейгера, незадолго до Рождества 1910 года на Резерфорда снизошло весьма значимое озарение:

...

«Однажды Резерфорд зашел ко мне в очень хорошем расположении духа и заявил, что ему известно, как выглядит атом и как объяснить большие отклонения альфа-частиц. В тот же самый день я приступил к эксперименту по проверке предполагаемого Резерфордом соотношения между числом рассеиваемых частиц и углом их рассеяния»139.

Физик Чарльз Галтон Дарвин, внук знаменитого натуралиста, впоследствии вспоминал многозначительное заявление Резерфорда: «Очень приятно видеть зримое проявление того, что ты уже нарисовал в своем воображении»140.

Упрощения, внесенные в теорию рассеяния, помогли Резерфорду понять, что поведение альфа-частиц нельзя объяснить концепцией множественного рассеяния: альфа-частицы отскакивали не в результате множественных столкновений, а из-за одного конкретного столкновения. Это могло произойти только в том случае, если почти вся масса атома сконцентрирована в одном заряженном узле в центре атома.

Что же такого увидел Резерфорд в своем воображении? Он увидел, что атом состоит из массивного заряженного ядра, окруженного в основном пустым пространством – еще более пустым, чем Солнечная система. Если бы атом можно было бы увеличить до размеров футбольного стадиона, его ядро имело бы размеры мухи в самом центре арены, а электроны представляли бы собой еще более мелкие крупинки, разбросанные по этой громадной площади. При этом практически вся масса такого стадиона будет содержаться в крошечном ядре. Однако Резерфорду все еще было непонятно, положительно или отрицательно заряжено само ядро.