«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Модель Резерфорда  - планетарная модель атома

Множество атомных моделей обсуждалось физиками в' первое десятилетие нашего века.

Всерьез начал эту конструкторскую работу сам первооткрыватель электрона Дж. Дж. Томсон, а в принципе завершил ее Эрнест Резерфорд.

Резерфордовская планетарная модель — Солнце-ядро и планеты-электроны — так наглядно повторяла строение солнечной системы, выглядела так естественно, так красиво и просто, что сразу завоевала сердца современников. Именно — сердца! И я нарочно сказал — не физиков, а шире — современников, потому что с самого начала нашего века интерес к таинственному устройству атомов был всеобщим. И всем хотелось, чтобы это устройство оказалось доступным пониманию и воображению любых смертных — таким, чтобы атомы можно было запросто карисовать, чтобы о них можно было бы разговаривать не только зашифрованным языком науки.

Модель Резерфорда показалась как раз такой, как всем хотелось: сходство с солнечной системой всех покорило. И с того дня, когда эта модель впервые была описана в английском «Философском журнале» в мае 1911 года, ясные рисунки, изображающие атом, вот уже около полувека кочуют, почти не изменяясь, по страницам бесчисленных книг, приобщая читателей всех возрастов и любых профессий к загадкам микромира. И у каждого эти наглядные изображения атома вызывают то особое чувство удовлетворенности, какое мы испытываем всегда, когда истина становится нашим достоянием без тяжких усилий. Шутка сказать — атом! А смотрите-ка, мы все видим и, кажется, понимаем.

Но на протяжении всего протекшего с тех пор блистательного полувека атомной науки читатели, далекие от физики, не догадывались и, не догадываются, что так похожий на крошечную солнечную систему атом Резерфорда не мог бы и секунды просуществовать, будь он действительно на нее похож!

Однако атомы существуют. Они устойчивы. Настолько устойчивы, что жизнь их, как правило, длится не доли секунды, а скорее «доли вечности» — многие миллиарды лет. Об этом свидетельствует хотя бы непредставимо долгая геологическая история Земли. Огражденный от воздействий извне, любой атом может вообще существовать бессрочно. Бессрочно — это значит до тех пор, пока цело и невредимо его положительно заряженное ядро.

Но ведь и модель Резерфорда отражала правду микромира? Среди физиков она получила признание не по причине своей красивой простоты и наглядности, не из-за внешнего сходства с понятным устройством солнечной системы. Нет, она объясняла многие важные свойства атомов — их поведение. И Резерфорд не сочинил ее на досуге, а вынужден был к ней прийти.

Вынужден? Это кажется неподходящим словом, когда речь идет о поисках истины. Приход к ней всегда рисуется нам радостным событием: вот она, долгожданная, —> можно, наконец, вздохнуть с облегчением и пот отереть со лба.

Резерфорд был действительно в прекраснейшем настроении, когда зимой одиннадцатого года вошел однажды в лабораторную комнату, где работал его ученик Ганс Гейгер, и своим громоподобным голосом объявил: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Но пота со лба он не отер, а Гейгер именно с этого дня стал «работать, как раб», по уже встречавшемуся нам выражению его учителя. Надо было до конца утвердиться в истине, что у атома есть маленькое, содержащее в себе весь положительный заряд и почти всю атомную массу центральное ядро (Солнце), вокруг которого по уда- Ленным орбитам вращаются отрицательные электроны (пла- (неты). В этой истине надо было сто раз утвердиться, потому что она была невероятной.

Ясной, наглядно ясной, и—невероятной!

Одно из решающих атомных открытий было сделано на простейшей лабораторной установке. Правда, в этой установке были две дорогие детали: препарат радия и листочек золота. Но в их дороговизне не физика была виновата...

Альфа-частицы, излученные радием, бомбардировали золотой листок. Одни проходили сквозь него, как через пустоту, не задевая атомов золота. Другие — отклонялись со своего пути, рассеиваясь на разные углы. В темноте слабо мерцали вспышки на экране из сернистого цинка, и каждая вспышка, где бы ни был поставлен экран, твердила об одном и том же: «Сюда прилетела отраженная альфа-частица». Этот экран служил третьей основной деталью установки. Она в самом деле была на редкость проста.

Иногда альфа-частицы возвращались почти точно назад. Таких частиц было мало, но они, несомненно, были!

Сотрудники приходили в лабораторию загодя, чтобы глаза привыкли к темноте: считать вспышки было главной заботой. Тем временем в ожидании начала очередного опыта физики потягивали чай и слушали рассказы Резерфорда обо всякой всячине. Ничего торжественного, ничего похожего на взволнованное предчувствие исторического открытия... Зато почти через тридцать лет ученик Резерфорда Чарлз Дарвин — внук великого Дарвина — говорил, как о замечательнейшем событии в своей жизни, о том, что ему посчастливилось присутствовать в манчестерском доме учителя «спустя полчаса после рождения атомного ядра».

А рождение ядра, в сущности, свелось к тому, что Ре- зерфорд вдруг понял, отчего иные из альфа-частиц возвращаются назад — так, словно бы атомы золота отталкивают их от себя. Впрочем, он понял это совсем не вдруг.

Позже он рассказывал, как поразили его воображение ©ти возвращающиеся от тонкого золотого листка, летящие с громадной скоростью альфа-частицы: это было, по его словам, так же фантастически непонятно, как если бы он увидел, что пуля возвращается назад к ружью, оттолкнувшись от бумажной мишени.

Однако внезапно ему вспомнилось то, что он читал о кометах. «Может быть, — подумкл он, — эти альфа-частицы пролетают мимо встречного атома, как стремительные кометы мимо Солнца?» Испытывая могучее притяжение нашего светила, кометы огибают его и не уходят в мировое пространство, а снова появляются «по сю сторону» Солнца. Они возвращаются.

Но отчего же атом золота притягивает пролетающую вблизи альфа-частицу? Сил тяготения между их ничтожными массами было бы для этого слишком мало. Наверное, эти тельца взаимодействуют электрическими силами притяжения. Альфа-частица заряжена положительно — это твердо установил в начале века сам Резерфорд. Значит, надо признать, что атом золота заряжен отрицательно. Однако столь же надежно и гораздо раньше было установлено, что любой атом нейтрален!

Можно было, конечно, соблазниться наивной, так хорошо нам знакомой механической картинкой: маленький твердый шарик ударяется о большой и отскакивает назад. Математически можно было даже попытаться именно так описать рассеяние легких альфа-частиц тяжелыми атомами золота. Но физически уже было ясно, что никаких твердых шариков нет: атомы — сложные миры, а не «кругленькие штучки», накатанные из материи, как из теста.

Образ кометы не покидал Резерфорда. «Что, если возвращающаяся альфа-частица не просто пролетает вблизи от атома, а вторгается в атомное пространство, как комета вторгается в пространство солнечной системы?» — подумал он. Комета ведь, как правило, не «чувствует» в своем полете влияния сравнительно маленьких планет. Ее путь определяется притяжением только массивной сердцевины солнечной системы — самого Солнца.

Наверное, и нейтральный атом неоднороден. Уж не устроен ли он так, что положительные и отрицательные заряды в нем не перемешаны равномерно, а разделены большими расстояниями? Почему бы не допустить, что заряды одного знака сосредоточены в одном месте и образуют притягивающее атомное Солнце, а заряды другого знака, как атомные планеты, движутся где-то вдали? Тогда для вторгшейся в атомное пространство альфа-частицы атом действительно уже не будет нейтрален. Частица будет реально «чувствовать» заряд сердцевины атома, как комета «чувствует» массу Солнца.

Судя по рассказу профессора Ива, близко знавшего Резерфорда, именно образ кометы помог родиться образу атомного ядра. Об этом почему-то обычно не вспоминают. А напрасно: тут с прозрачной ясностью видно, как в рождении новых научных идей участвуют вместе и строгая логика и поэтическое воображение. Они не враждуют, а помогают друг другу.

Не только чудо возвращения пули от мишени к ружью, но и вся 'картина рассеяния альфа-частиц золотым листком наводила на мысль о существовании в глубинах атома массивного заряженного ядра! Однако надо было еще решить, какого знака заряды сосредоточены в сердцевине атомного пространства? В мае одиннадцатого года весь ученый мир уже знал из статьи в «Философском журнале», что ядро положительно, а отрицательные электроны вращаются по периферии атома. Но еще в феврале Резерфорд думал, — и писал об этом в письмах, — что ядро заражено отрицательным электричеством.

Этого тоже почему-то обычно не вспоминают. И тоже напрасно: тут с такой же прозрачной ясностью видно, как наглядный образ, увлекая ученого своей простотой, может из верного проводника вдруг превратиться в предателя. Это ведь сравнение положительно заряженной альфа-частицы с кометой требовало, чтобы ядро ее притягивало. Притягивало, а не отталкивало! Потому-то воображению и рисовалось отрицательное ядро.

Сравнение неизвестного с известным превысило свои •права. Образ кометы, огибающей Солнце, завел в тупик. В самом деле, электроны, снующие всюду, убедительно доказывали, что они участвуют в строении атомов и что атомы легче всего расстаются именно с ними, как осыпающиеся колосья со своими зернами. Но тогда, значит, эти-то отрицательно заряженные частички и движутся по окраинам атомной «солнечной системы». А если еще и сердцевина атомов отрицательна, то получается чепуха. Нет, заряд ядра должен был иметь знак плюс! Но тогда тотчас рушился образ притягивающейся кометы.

Это не огорчило Резерфорда: он понял, что альфа-части- ца может возвращаться назад и не обогнув встречного ядра, а напротив — она может, не дойдя до него, из-за сил отталкивания повернуть обратно. Расчет показал, что это столь же правдоподобно, как и кометное притяжение. Однако Резерфорд не успокоился, пока не соорудил на лабораторном столе большую модель отталкивания положительной альфа-частицы положительным атомным ядром.

Он укрепил на столе большой магнит северным полюсом вверх, а над ним повесил на длинном плетеном шнуре маленький магнит северным полюсом вниз. Когда этот магнитный маятник раскачивался, большой магнит отталкивал его назад совершенно так, как это «нужно было» Резерфорду.

В темной комнате Манчестерской лаборатории, где было открыто атомное ядро, побывало в одиннадцатом году немало ученых из разных стран. Один из них — крупнейший японский физик Нагаока — написал Резерфорду из Токио: «Мне кажется гением тот, кто может работать с такой простой установкой и собирать при этом богатый урожай, далеко превосходящий то, что получают другие с помощью самых чувствительных и сложных устройств»  .

Так родился планетарный атом.