Звездочёты. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

– А что здесь загадочного? – спросила Галатея.

– Согласно Томсону, атом представлял собой рыхлое, положительно заряженное облако с вкраплениями электронов. Облако должно быть размером с атом. Электроны, которые весили в семь тысяч раз меньше, чем альфа-частицы, никак не могли отклонить их назад. Ещё с меньшим успехом это могло сделать рыхлое облако с положительным зарядом. Эрнст Резерфорд писал про отражение назад альфа-частиц: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюй-мовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар».

– Что такое 15-дюймовый снаряд? – влезла Галатея с посторонним вопросом.

Андрей поднял глаза к потолку, вздохнул и сообщил:

– Это снаряд из пушки с диаметром дула почти в 40 сантиметров.

– Ого… – испуганно притихла Галатея.

Дзинтара невозмутимо продолжила:

– Томсона итоги эксперимента не обескуражили:

он полагал, что большое количество мелких отклонений может, суммируясь, развернуть некоторые альфа-частицы. Но его мнение не было подкреплено расчётом и не удовлетворяло цепкого и упрямого Резерфорда-Крокодила.

В 1904 году японский физик Нагаока предложил другую планетарную модель атома: в её центре находилось массивное положительное ядро, а вокруг, как кольца Сатурна вокруг планеты, вращались электроны. Резерфорд долго размышлял над результатами Гейгера и Марсдена и в 1911 году предложил свою планетарную модель атома, в которой крошечное положительное ядро было в десять тысяч раз меньше самого атома, но, благодаря своей массе и сильному электрическому полю, оно могло развернуть быстро летящие альфа-частицы.

– Верно! – просиял Андрей. – Ведь чем меньше радиус, тем сильнее поле. Это правило действует и для чёрных дыр, и для атомных ядер! Только поля у них разные – гравитационное и электрическое.

– Молодец, Андрей! – в свою очередь просияла Дзинтара. – Ты быстро соображаешь!

Галатея недовольно покосилась на брата.

– Не перебивай!

– Ничего, – успокоила её Дзинтара, – интересно же по ходу сказки обсуждать самые важные моменты. Итак, Резерфорд предложил свою модель атома. С одной стороны, он был ею очень доволен: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» С другой – учёный рассматривал её как… рабочую модель, которая помогает объяснить интересные эксперименты, но которой далеко до настоящей теории. Однако среди учеников Резерфорда был человек, принявший всерьёз модель атома, созданную учителем.

– Кто это? – заинтересовалась Галатея.

– Это уже новая история, которую вы услышите завтра. А сегодня пора спать.

Дзинтара закрыла книжку, несмотря на протестующие голоса детей, и улыбнулась:

– Не надо спешить! Терпение нужно не только учёным.

Примечания для любопытных

Хантаро Нагаока (1865–1950) – известный японский физик. В 1904 году предложил первую планетарную модель атома с массивным положительным ядром и вращающимися вокруг него, как кольца Сатурна, отрицательными электронами.

Эрнст Резерфорд (1871–1937) – знаменитый британский физик из Новой Зеландии. Лауреат Нобелевской премии по химии (1908). Экспериментально доказал наличие крошечного плотного и тяжёлого ядра внутри сравнительно большого и почти пустого (в остальных областях) атома. Создатель известной школы физики: 12 учеников Резерфорда стали нобелевскими лауреатами.

Фредерик Содди (1877–1956) – известный британский радиохимик, лауреат Нобелевской премии по химии (1921).

Пётр Капица (1894–1984) – знаменитый советский физик. Работал вместе с Резерфордом в 1921–1934 годах. Лауреат Нобелевской премии по физике (1978).

Ганс Гейгер (1882–1945) – известный немецкий физик, работавший с Резерфордом. Создатель счетчика Гейгера (или Гейгера – Мюллера).

Эрнст Марсден (1889–1970) – известный английский физик, работавший с Резерфордом.

Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, который отыскал связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка

Тёмные полоски в солнечном спектре, открытые Фраунгофером, оказались супертайной. Всё было неизвестно: откуда они берутся; почему тёмные, а не светлые; чем обусловлена степень их темноты и что определяет их расположение в радуге спектра, то есть – что задаёт длину волны этих линий.

Длина волны стала практически единственной точной величиной, характеризующей спектральную линию. Сначала казалось, что тёмные полоски в солнечном спектре расположены случайно. Но постепенно выяснилось, что это не так. Длины волн линий, связанных с водородом, подчинялись простым закономерностям и могли быть описаны несложной математической формулой, которая позволяла вычислить длины волн целой серии спектральных линий. Различные серии спектральных линий были открыты швейцарским математиком Бальмером, американским физиком Лайманом, немецким учёным Пашеном. Все известные серии водородных линий обобщил шведский исследователь Ридберг в красивой формуле:

1/Длина волны = R (1/N2 – 1/К2).

Длина волны зависела от целых чисел N и К. Если положить N = 1, то изменение К от 2 до ∞ (в математике этот значок означает бесконечность) давало серию линий Лаймана. Для N = 2 и К от 3 до ∞ получалась серия Бальмера. А N = 3 и К от 4 до ∞ соответствовали линиям Пашена. R была константой, которая вычислялась при сравнении формулы Ридберга с реальным спектром.

Почему линии спектра водорода строго следуют простым числовым соотношениям? Это было загадкой. Её решением занялись физики-атомщики.

– Почему они? – удивился Андрей. – Какая связь между линиями Фраунгофера и радиоактивными веществами?

Дзинтара усмехнулась:

– Действительно, линии Фраунгофера – это солнечный свет и стеклянные призмы. Атомная физика Резерфорда – это высокое напряжение, гудящие вакуумные насосы и опасные радиоактивные вещества, от которых приходится отгораживаться свинцовыми пластинами, – ничего похожего на солнечные исследования Фраунгофера! Тем не менее между ними существовала тесная и таинственная связь, но, чтобы её раскрыть, понадобился не просто сыщик, а суперсыщик!

– Космический суперсыщик!

– Верно. Такой суперсыщик родился в семье академика Датской королевской академии. Его звали Нильс, и у него был брат Харальд. В доме отца Нильса собирались друзья-учёные и вели длинные беседы. Не многим детям посчастливилось слушать споры четырёх академиков: философа, биолога, лингвиста и физика. Может, именно благодаря этим беседам умных и разносторонних людей Нильс приобрёл удивительную широту взглядов и смелость мышления.

Нильс так хорошо учился по физике и математике, что уже в школе критиковал учебник физики – за то, что тот неправильно трактовал отдельные вопросы. Зато сочинения вызывали у него настоящую проблему. Бор был немногословен и иногда сдавал сочинение, состоящее из пары фраз.

В университете Нильс был «тяжёлым» студентом. Если по лаборатории прокатывался гулкий взрыв, преподаватель химии Бьеррум, даже не поворачивая головы в сторону виновника, сокрушённо говорил: «Это Бор».

Нильс Бор стал физиком и приехал в знаменитую Кавендишскую лабораторию к Томсону. Юноша был вдохновлён тем, что попал в легендарный Кембридж, где работали Ньютон и Дарвин, Максвелл и Рэлей. Но Бор не понравился Томсону: молодой датчанин начал с того, что дал своему новому руководителю оттиск статьи самого Томсона, где Бор тщательно отметил все ошибки корифея физики.

– Плохой старт! –