Текст книги "Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц"

Глава 2
Эксперимент с золотой фольгой: строение атома

Эрнест Резерфорд пробыл в Монреале всего несколько месяцев, когда получил приглашение на дебаты от местного физического общества. Это был 1900 год, и тема была сформулирована так: «Существование тел, меньших, чем атомы». Резерфорд горел желанием принять участие в дебатах и написал своему бывшему наставнику Дж. Дж. Томсону, что надеется победить своего оппонента Фредерика Содди, химика, получившего образование в Оксфорде. Содди был младше Резерфорда на шесть лет. Его всегда интересовали проблемы на стыке физики и химии, но в Резерфорде он нашел физика, который потряс саму основу химии[27]27
  После учебы в Оксфорде Содди эмигрировал в Канаду, надеясь получить профессорскую должность в Торонто, но потерпел неудачу, поэтому в итоге был нанят лаборантом в университет Макгилла.


[Закрыть]. Эти дебаты положили начало одной из самых удивительных серий открытий в науке и побудили не только ученых, но и художников, философов и историков полностью пересмотреть свои представления об окружающем мире.

Содди заговорил первым. Это был высокий серьезный блондин с голубыми глазами. Младший из семи братьев, родившийся на юге Англии, еще школьником преодолел дефект речи и превратил свою бывшую детскую в химическую лабораторию, где мог проводить эксперименты, пускай иногда и был близок к тому, чтобы поджечь дом. У него были две непоколебимые ценности – правдолюбие и красота[28]28
  Muriel Howorth. Pioneer Research on the Atom: The Life Story of Frederick Soddy. New World Publications, London, 1958.


[Закрыть].

Содди пришел защищать атом. Его позиция заключалась в том, что электрон, открытый Томсоном и другими, должен быть чем-то отличным от «материи», известной ему и другим химикам. «Химики сохранят веру и благоговение перед атомами как постоянными сущностями, если не неизменными, то уж точно еще не преобразованными», – сказал Содди. Затем он бросил вызов Резерфорду: «Возможно, профессор Резерфорд сможет убедить нас в том, что материя, известная ему, действительно та же самая, что известна и нам»[29]29
  Там же.


[Закрыть].

Резерфорд выступил в защиту своей позиции. Электроны, согласно его теории, составляли часть обычной материи. Он описал работу Томсона и тех, кто был до него: Генриха Герца и Филиппа Ленарда в Германии, Жана Перрена во Франции и Уильяма Крукса в Англии. Резерфорд проанализировал эксперименты Томсона по открытию электрона и объяснил, что, поскольку электроны, по-видимому, происходят из материи, они должны составлять часть атома. Он так хорошо объяснил новые экспериментальные результаты, что покинул аудиторию студентов и сотрудников университета Макгилла, будучи уверенным, что теперь уж они изменят свое давнее представление об атомах как о мельчайших неделимых строительных блоках материи. Но хотя Резерфорд и выиграл дебаты, оставалось много вопросов о том, что происходит внутри материи. Химики и физики так и не достигли согласия.

Эрнест Резерфорд – Эрн для друзей – был физиком, но он был настолько далек от стереотипа физика-интроверта, насколько можно себе представить. Он был высоким, атлетически сложенным и говорил таким громким голосом, что мог нарушить работу чувствительного научного оборудования в лаборатории. В отчаянии его ученики в конце концов соорудили светящуюся вывеску, которая висела над их экспериментами и гласила: «Говорите тише, пожалуйста». По словам научного писателя Ричарда П. Бреннана, у Резерфорда было «глубоко укоренившееся убеждение, что брань во время эксперимента помогает ему лучше работать, и, учитывая его результаты, он, возможно, был прав»[30]30
  Ричард П. Бреннан. Heisenberg Probably Slept Here: The Lives, Times and Ideas of the Great Physicists of the 20th Century. J. Wiley, Хобокен, Нью-Джерси, 1997.


[Закрыть].

Когда Резерфорд прибыл в университет Макгилла, он выглядел слишком молодым для своей новой роли профессора физики: его карьерный путь набрал обороты благодаря настоятельной рекомендации его старого советника Томсона. Всего за несколько лет до этого Резерфорд переехал из своей родной Новой Зеландии в Англию, ступив на путь новых открытий в области радиации с энтузиазмом блестящего молодого ума, стремящегося себя проявить. Он быстро стал звездным студентом в Кембридже, демонстрируя независимость в исследованиях, пока его наставник был занят (справедливости ради, его наставник в то время открывал электрон).

Открытие радиоактивности произошло несколько случайно в 1896 году, когда французский физик Анри Беккерель изучал светоизлучающие эффекты кристаллов урана. В 1898 году Мария Кюри обнаружила излучение, испускаемое элементом торием, и вместе со своим мужем Пьером, присоединившимся к ней в исследованиях, она объявила об открытии полония[31]31
  Назван в честь родной страны Марии Кюри, Польши.


[Закрыть] и радия, дав радиоактивности ее название, – и все это в один знаменательный год. Еще учась в аспирантуре в Кембридже, Резерфорд присоединился к этой работе и продемонстрировал, что существует по крайней мере два различных типа излучения: альфа-излучение, которое можно остановить листом бумаги, и бета-излучение, которое можно остановить куском дерева[32]32
  Ernest Rutherford. Uranium radiation and the electrical conduction produced by it. Philosophical Magazine. V. 57, 1899, pp. 109–163.


[Закрыть]. Альфа, бета и, несколько лет спустя, гамма-излучение были названы с использованием первых трех букв греческого алфавита. Сначала их природа была неизвестна, хотя прошло совсем немного времени, прежде чем в 1899 году Беккерель идентифицировал бета-излучение как электроны, а в 1907 году Резерфорд выяснил, что альфа-излучение состоит из атомов гелия, потерявших два электрона, что дает им двойной положительный электрический заряд. Хотя в то время об этом не было известно, гамма-излучение состояло из высокоэнергетического света, похожего на рентгеновские лучи. Открытия Резерфорда в области радиоактивности, безусловно, привлекли внимание Томсона.

Получив должность профессора в Макгилле, свою первую исследовательскую группу и собственную лабораторию, Резерфорд хотел еще глубже проникнуть в феномен радиоактивности. В Канаде царила атмосфера, несколько отличающаяся от Кембриджской, но она, казалось, освободила его от социальных ограничений старого английского университета, так что он мог поступать так, как ему хотелось. Он поставил перед собой высокую цель: понять структуру атома.

После их первых дебатов в 1900 году между Содди и Резерфордом возник неподдельный интерес, который привел к сотрудничеству: каждый все больше хотел понять работу другого. Содди так увлекся изучением радиации, что прослушал продвинутый курс Резерфорда, в котором ученый рассказывал о рентгеновских лучах, излучении урана и тория, а также о практическом применении электрометра. Как химика, Содди больше всего впечатлил электрометр, который мог обнаруживать даже мельчайшее количество тория по испускаемому им излучению. Этот метод оказался гораздо более точным, чем простое взвешивание материалов, как это делали химики. Электрический метод мог обнаружить количество материала в 10¹² (1 триллион) раз меньшее, чем самые лучшие аналитические весы.

Тем временем Резерфорд принял на работу свою первую аспирантку: женщину по имени Гарриет Брукс. Женщины-аспирантки в то время были чрезвычайно редки, хотя, возможно, успех Марии Кюри оказал некоторое влияние. Брукс, третья из девяти детей, родилась в маленьком городке в западном Онтарио. Ее отец продавал муку, семье часто недоставало еды. К сожалению, мало что известно о том, как она обнаружила свою любовь к физике, а также о ее личности или характере: все это просто не было записано[33]33
  М. Ф. Рейнер-Кэнхэм, Дж. В. Рейнер-Кэнхэм. Harriet Brooks: Pioneer Nuclear Scientist. McGill-Queen's University Press, Монреаль, 1992.


[Закрыть]. Что кажется очевидным, так это тот шанс, который может дать ей высшее образование: возможность покинуть семейный дом и стать независимой. После четырех лет учебы в Макгилле Гарриет получила степень бакалавра с отличием и несколько стипендий по математике и немецкому языку, что избавило семью от необходимости ее содержать. Она была очень способной студенткой, и неудивительно, что Резерфорд – который не питал никаких предрассудков касательно женщин в науке, – пригласил ее работать с ним.

Вместе Резерфорд и Брукс исследовали элемент торий, обнаружив, что он испускает таинственную «эманацию», своего рода газ, который не был похож ни на что из виденного ими прежде. Но еще более странным показалось то, что излучение, судя по всему, делало радиоактивными близлежащие объекты. То есть, когда излучение вступало в контакт с объектом, оно, казалось, воздействовало на объект так, что он спонтанно испускал альфа-, бета– или гамма-излучение, точно так же, как это делают природные радиоактивные материалы, такие как радий и полоний.

Брукс получила стипендию за свою докторскую работу с Резерфордом и потратила ее на поездку из Канады в Англию в 1902 году, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном. Она стала первой женщиной, обучавшейся в Кавендишской лаборатории.

Пытаясь понять полученные результаты, Резерфорд начал думать, что ему мог бы помочь кто-то, владеющий химическими методами, и пригласил Содди, который немедленно согласился, отказавшись от своей предыдущей исследовательской работы[34]34
  Т. Дж. Тренн. The Self Splitting Atom: A History of the Rutherford – Soddy Collaboration. Taylor and Francis, Лондон, 1977.


[Закрыть].

Содди продолжил работу Брукс, используя химические методы, чтобы выяснить, вступит ли эманация тория в реакцию с различными химическими агентами, но безрезультатно. Он обнаружил, что температура не имела никакого значения, равно как и то, где протекал эксперимент: в углекислом газе или воздухе. Излучение казалось каким-то инертным газом. Содди был уверен, что это не сам торий, а что-то им образованное.

Наконец, все прояснилось. Торий превращался в газ. Атомы тория самопроизвольно меняли форму. Это было не совсем похоже на мечту алхимика превратить свинец в золото, но атомы менялись. Содди «стоял, потрясенный колоссальным значением этого явления», и воскликнул: «Резерфорд, это трансмутация!»[35]35
  M. Howorth. Pioneer Research…


[Закрыть]

Теперь мы знаем, что Резерфорд и Содди наблюдали распад радиоактивных элементов, которые превращаются в другие элементы, испуская альфа– и бета-частицы, и в конечном итоге образуя стабильные вещества. Природа все это время занималась алхимией бесплатно. Содди, который всего несколькими годами ранее настаивал на неизменности химических атомов, нашел доказательства того, что полностью перевернуло его мировоззрение.

Далее они определили, что радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону. В течение определенного времени, известного как период полураспада, половина атомов в куске радиоактивного материала превращается в атом другого типа. Если вы начнете со 100 атомов кислорода-15 (радиоактивный изотоп кислорода с атомной массой, в пять раз превышающей атомную массу атома водорода), то через две минуты останется всего 50 атомов. Остальные 50 замените на азот-15. В последующие две минуты останется всего 25 атомов (50 ÷ 2). В следующие две минуты останется 12,5 атомов, и так далее. (Технически у вас не может быть половины атома, но период полураспада в две минуты остается прежним.) Материя больше не представлялась стабильной, неизменной субстанцией, как раньше.

Идеи Резерфорда и Содди были радикальными по меркам начала ХХ века, поэтому реакция научного сообщества оказалась неоднозначной. В Лондоне лорд Кельвин (Уильям Томсон), самая высокопоставленная фигура в британской физике, просто отказывался верить в распад атомов. Химики, которые верили в нерушимость материи, тоже восстали против этой работы. В Макгилле выходки Резерфорда и его теории радиоактивности также начали беспокоить других профессоров. Остальные преподаватели считали, что его неортодоксальные идеи о материи могут навлечь на университет дурную славу: члены Физического общества, где он и Содди дискутировали, были настроены крайне критично и посоветовали Резерфорду отложить публикацию и быть осторожнее[36]36
  А. С. Ив. Резерфорд: жизнь и письма достопочтенного лорда Резерфорда (Rutherford: Being the Life and Letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford), издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1939, cтр. 88.


[Закрыть]. Как-то его коллеги-профессора затащили его на встречу и недвусмысленно посоветовали оставить эту ситуацию. Резерфорд выбежал из аудитории, с трудом скрывая негодование.

Резерфорд не стал ходить по струнке. В 1904 году, прогуливаясь по кампусу, он наткнулся на профессора геологии Фрэнка Доусона Адамса. Без всяких предисловий он спросил Адамса, сколько предположительно лет Земле. Адамс рискнул дать цифру в 100 миллионов лет, основываясь на различных методах оценки того времени. Резерфорд сунул руку в карман, вытащил черный камень и выпалил: «Адамс, я без всяких сомнений знаю, что этому куску смоляной обманки 700 миллионов лет», – а затем ушел.

Постоянно распадающееся радиоактивное вещество в природе, как предположил Резерфорд, можно использовать для оценки возраста Земли. Камни содержали небольшое количество радиоактивных атомов, которые он и Содди изучали. Если бы он знал скорость распада от одного атома к другому, он мог бы подсчитать количество неразложившихся атомов по сравнению с количеством «превращенных» частиц и вычислить, как долго просуществовал этот объект. Резерфорду пришла в голову идея радиометрического датирования. Свои первые оценки он проводил с ураном-238, где 238 означает массовое число атомного ядра. Элементы с различным массовым числом называются изотопами и могут обладать различными радиоактивными свойствами, несмотря на то что являются одним и тем же химическим элементом (Содди открыл изотопы и придумал этот термин в 1913 году). Период полураспада урана-238 составляет 4,51 миллиарда лет, через ряд промежуточных стадий с образованием стабильного свинца-206. Используя приблизительные оценки периодов полураспада, полученные в лаборатории, Резерфорд сравнил количество урана и свинца в образце смоляной обманки и обнаружил, что он намного старше предполагаемого возраста Земли.

Одно дело – красоваться перед профессорами геологии, но совсем другое – убеждать в своей правоте физиков и химиков. Резерфорд отправился в Англию, где 20 мая 1904 г. выступил с речью в Королевском институте и рассказал о своих открытиях в области радиоактивности. В зале он заметил лорда Кельвина. Кельвин и так был против идеи распада атомов, и Резерфорд знал, что последняя часть его речи о возрасте Земли будет для него особенно трудной. Кельвин считался авторитетным специалистом в определении возраста нашей планеты, основанном на расчетах скорости ее остывания[37]37
  Там же.


[Закрыть]. Резерфорд вспоминал: «К моему облегчению, Кельвин быстро заснул, но когда я дошел до самого важного момента, я увидел, как этот стреляный воробей сел, приоткрыл один глаз и злобно уставился на меня! И тут на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли, исходя из того, что не будет открыт новый источник [энергии]. Это пророческое высказывание относится к тому, что мы рассматриваем сегодня вечером, – радий! Узрите! Старик просиял, глядя на меня»[38]38
  Там же. Стр. 118.


[Закрыть].

Данные из других лабораторий продолжали подтверждать идею о том, что многие элементы нестабильны и имеют периоды полураспада. Лорд Кельвин публично отказался от своей прежней позиции против радиоактивности на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки и в результате был вынужден выплатить пари другому физику, лорду Рэлею. Остальная часть сообщества постепенно признала, что радиоактивность действительно происходит так, как предполагали Резерфорд и Содди.

Когда в 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии, он заметил, что стал свидетелем многих превращений в своей лаборатории, но ни одно из них не было таким быстрым, как его внезапное превращение из физика в химика. Содди тоже получил Нобелевскую премию – в 1921 году, за вклад в развитие радиохимии. Что касается Гарриет Брукс, она была в Кембридже, когда Содди и Резерфорд открыли процесс трансмутации в 1902 году, но Джей Джей Томсон был слишком занят, чтобы заметить ее работу. Позже, в 1903 году, она вернулась в Канаду и продолжала проводить исследования в области радиоактивности до своей помолвки в 1905 году. Но колледж, в котором преподавала Брукс, сказал, что ей придется уйти с работы, если она выйдет замуж[39]39
  Этот принцип известен как «профессиональный запрет на брак», он применялся к женщинам большинства профессий. От него отказались только в 1950-х годах в Канаде, в то время как в Соединенных Штатах и других западных странах он сохранялся вплоть до середины 1970-х годов.


[Закрыть]. Она разорвала свою помолвку и продолжила работать. В 1907 году, после знакомства, а затем и работы с мадам Кюри в Париже, Брукс оказалась перед трудным выбором: другой канадский профессор, ее бывший лаборант, начал делать ей романтические предложения через серию писем. Ей был 31 год, и общественное давление, требующее выйти замуж и завести детей, было очень сильным. Резерфорд – к тому времени уже в Манчестере – изо всех сил старался обеспечить ей финансовую поддержку, пытаясь нанять ее. В своем рекомендательном письме он подтвердил, что Брукс была самой выдающейся женщиной-физиком в области радиоактивности после Кюри. В конце концов Гарриет Брукс решила принять предложение руки и сердца и вернулась в Канаду, вышла замуж, у нее родились трое детей. Ее карьера в области физики подошла к концу. Только в 1980-х годах признали, что ее работа была неотъемлемой частью открытия радиоактивного распада Резерфорда и Содди[40]40
  М. Ф. Рейнер-Кэнхэм, Дж. В. Рейнер-Кэнхэм. Harriet Brooks…


[Закрыть].

Для большинства ученых Нобелевская премия стала бы пиком их карьеры, но для Резерфорда это казалось только первым шагом. Он все еще не ответил на свой первый вопрос: какова структура атома? Его воображение, богатое идеями, и умение их воплощать простыми, но действенными экспериментами сделали ему имя. В 1907 году Резерфорд вернулся в Великобританию, где возглавил физический факультет Манчестерского университета. То, что он тогда обнаружил, потребовало бы еще большего воображения физиков и химиков, а само его открытие строилось на одном из самых простых, но самых известных исследований в области физики: эксперименте с золотой фольгой.

Несмотря на многочисленные достижения Резерфорда, эксперименты, которые он проводил до 1908 года, были очень примитивными. Он сам лучше всего описал свой подход: «У нас нет денег, поэтому придется думать». Студенты и сотрудники исследовательской группы Резерфорда были известны тем, что в своих экспериментах использовали жестяные банки, табачные коробки, сургуч и невероятное усердие. В таких простых, но хитрых методах познать природу таилось особое удовольствие. Один из студентов Резерфорда, австралийский физик Марк Олифант, позже напишет: «Он был полон идей, но это всегда были простые идеи. Ему нравилось словами описывать происходящее»[41]41
  Джон Кэмпбелл. Rutherford: Scientist Supreme. AAS Publications, Вашингтон, округ Колумбия, 1999.


[Закрыть]. Это же касалось и его взгляда на атом.

Резерфорд описал свое представление об атоме на рубеже ХХ века в следующих словах: «довольно твердый парень, красного или серого цвета, судя по вкусу». Легко представить, что крошечные атомы, из которых состоит наша пища, наши тела и наша планета, похожи на маленькие бильярдные шары, – картина, которой нас часто учат в школе[42]42
  По сей день физики регулярно признают, что мысленно представляют атомы и частицы как маленькие цветные шарики – картина настолько неправильная, что многие хотели бы, чтобы в школах перестали преподносить атомы в таком ключе.


[Закрыть]. В 1908 году уже прошло 10 лет с тех пор, как Томсон открыл электрон, но физики все еще не имели четкого представления о внутренней структуре атома. Однако Резерфорд начал догадываться, что состав атома и радиоактивность тесно связаны.

Точка зрения Томсона и многих других ученых заключалась в том, что атом представляет собой сферу с положительным зарядом, в которую – как изюм в пудинг – встроены отрицательно заряженные электроны. Эта идея получила название «модель сливового пудинга». Было несколько других идей, таких как «сатурнианская модель», выдвинутая японским физиком Хантаро Нагаока, – о «центральной притягивающей массе, окруженной кольцами вращающихся электронов», но не было никаких доказательств того, что эта модель хоть в какой-то степени точна[43]43
  Х. Нагаока. Kinetics of a system of particles illustrating the line and the band spectrum and the phenomena of radioactivity. Philosophical Magazine. V. 7 (41), 1904.


[Закрыть]. Резерфорд очень высоко ценил Томсона, но начинал сомневаться в своем старом наставнике.

Влияние Резерфорда росло, как и его обязанности. Теперь он руководил целым отделом в Манчестере, расположенным во впечатляющем здании из красного кирпича со специально построенными лабораториями и офисами. Одну из них Резерфорд выделил для себя. Как и во многих других лабораториях, здесь были тяжелые деревянные полы, а стены были покрыты плиткой: горчично-желтая плитка у пола, темно-красная полоса на высоте стола, затем кремовая плитка, простирающаяся до самого потолка. Место казалось отчасти суровым, но было в высшей степени практичным. Здесь Резерфорд мог приступить к изучению вопроса о том, как на самом деле выглядит атом внутри. Если быть точным, могли приступить его сотрудники и ученики.

Как директор лаборатории, Резерфорд был слишком занят, чтобы проводить большинство экспериментов собственноручно, даже если он сам того хотел. Его задачей было собрать команду людей, которые вместе будут работать над достижением поставленной цели, а он будет заходить, проверять результаты, давать предложения и поддерживать мотивацию. Во время одного из таких лабораторных обходов Резерфорд познакомился с Эрнестом «Эрни» Марсденом, двадцатилетним студентом-старшекурсником из Ланкашира, сгустком энергии и энтузиазма. Резерфорд возвышался над невысоким Марсденом, как и над всеми остальными. Сын ткача, Марсден вырос, обожая музыку и литературу, а также естественные науки, и, под влиянием учителей в средней школе, решил изучать физику. Он был склонен к заразительному смеху и, по словам его коллег, с ним всегда было приятно находиться[44]44
  К. Флеминг. Эрнест Марсден, 1889–1970. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. V. 17, 1971, pp. 462–496.


[Закрыть]. Марсдену был нужен исследовательский проект для магистерской диссертации, и Резерфорд подкинул ему идею.

Еще в Канаде Резерфорд заметил, что, когда он пропускал альфа-частицы через тонкий кусок металла, они образовывали нечеткое изображение на фотопластинке. Если убрать металлический лист, изображение на фотографии получалось четким. Альфа-частицы, казалось, рассеивались, будто отраженные атомами металла, но он не знал почему. Столь крошечный эффект многие, может, и не заметили бы. Но Резерфорд предложил Марсдену провести дополнительные эксперименты и лучше проверить этот эффект.

Резерфорд поручил ему работать под руководством Ханса Гейгера, физика немецкого происхождения, который был на шесть лет старше Марсдена. Гейгер родился в Нойштадте, в Рейнланд-Пфальце, прекрасном винодельческом районе. Он был очарован миром природы и получал удовольствие и гордость от проведения экспериментов. Он недавно защитил докторскую диссертацию и переехал в Манчестер, когда туда приехал Резерфорд. Позже он стал широко известен благодаря изобретению счетчика, названного его именем – счетчик Гейгера. Резерфорд предложил двум молодым людям свою личную лабораторию для экспериментов.

Члены группы Резерфорда уже изучали, как электроны рассеиваются, проходя через металлы. Они обнаружили, что электроны подвергаются серии столкновений с атомами металла, при этом несколько электронов отражаются обратно. Теперь вопрос заключался в том, как будут вести себя альфа-частицы в подобном эксперименте. Альфа-частицы (или ядра гелия, как мы теперь знаем) практически в 7000 раз тяжелее электронов, и это означает, что для смены их курса потребуется очень большая сила. Интуитивно понятно, что они должны проходить прямо сквозь тонкий кусок металла. Тем не менее тот факт, что альфа-частицы формируют нечеткое изображение на пластинке, проходя через металлический лист, показался Резерфорду довольно интересным. Вопрос был ясен: если направить альфа-частицы одну за одной на металл, как толщина металла повлияет на рассеивание и отражение частиц?

Помощь в постановке этого эксперимента стала бы для Марсдена хорошей практикой, а сам эксперимент был довольно типичен для лаборатории Резерфорда. Эксперименты такого рода включали в себя пристальное – час за часом – вглядывание в окуляр микроскопа и подсчет маленьких вспышек света от альфа-частиц. Для такой работы нужно немало времени и выдержки, потому Гейгер и Марсден без промедления принялись за дело.

В эксперименте использовалась разновидность вакуумной трубки. Вместо электронно-лучевой трубки, испускающей электроны, Гейгер и Марсден намеревались использовать альфа-частицы. В один конец трубки был помещен сильный радиоактивный альфа-источник, изготовленный из радия, а другой конец был запечатан слоем слюды, тонкого материала, через который могли проходить альфа-частицы. Трубка располагалась под углом 45 градусов по направлению к толстому куску металла и экрану, покрытому сульфидом цинка, который испускал вспышку света всякий раз, когда в него попадала альфа-частица. Между альфа-излучающей трубкой и экраном был предусмотрительно расположен кусок свинца, чтобы предотвратить попадание случайных альфа-частиц непосредственно в детектор и последующее искажение результатов. Установка была разработана таким образом, чтобы улавливались только те альфа-частицы, которые действительно отражаются от металла. Затем Гейгер и Марсден принялись следить за вспышками на экране.

Сначала они пронаблюдали за тем, что происходит при попадании альфа-частицы на поверхность толстого куска металла. Так же, как и в случае с электронами, несколько альфа-частиц отразились. В случае с толстыми листами металла альфа-частицы вели себя примерно так же, как электроны. Ожидалось, что отклонение альфа-частиц от каждого отдельного атома будет небольшим. Толстый лист металла содержит много слоев атомов, и, хотя альфа-частицы в 7000 раз тяжелее электронов, результат подтвердил предположение о том, что даже такие тяжелые «снаряды» иногда поворачивают вспять после достаточного количества столкновений. Играет ли роль тип металла? Как оказалось, да. Металлы, изготовленные из более тяжелых элементов, таких как золото, отражают больше альфа-частиц, чем легкие, такие как алюминий.

Затем Гейгер и Марсден проверили, имеет ли значение толщина металла. Они рассудили, что если они сделают металлическую фольгу достаточно тонкой, то все альфа-частицы будут проходить прямо сквозь нее, при этом немного рассеиваясь, как ранее отмечал Резерфорд. Для этой части эксперимента они выбрали золото, потому что из него можно было легко сделать тонкую фольгу. Постепенно меняя толщину золотой фольги, ученые проверяли, сколько вспышек промелькнет на экране датчика. По мере уменьшения толщины фольги альфа-частицы, как и ожидалось, начали проходить прямо сквозь нее. Но потом исследователи заметили кое-что странное: какой бы тонкой ни была золотая фольга, экран с сульфидом цинка все равно иногда загорался. Примерно одна из каждых 8000 альфа-частиц отскакивала от фольги. И причиной тому был не простой толчок, который слегка изменил направление альфа-частиц, а сильное воздействие, которое полностью отразило альфа-частицу. Но как такое возможно? Внутри атомов золота не было ничего, что могло бы вызвать этот эффект. Казалось, это противоречит всем известным законам физики. Как тяжелая альфа-частица может быть отклонена крошечными электронами или разницей в положительном заряде атома?

Гейгер и Марсден сообщили эту новость Резерфорду. Позже он описал это так: «… самое невероятное событие, которое когда-либо случалось в моей жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы запустили 38 см[45]45
  Для удобства все размеры переведены в Международную систему единиц (СИ) – Прим. ред.


[Закрыть] снарядом в лист тонкой бумаги, а он бы отскочил и попал в вас». Узнав результаты, Резерфорд попытался дать все правдоподобные объяснения, которые могли бы подтвердить данные, и исключал их одно за другим. Если бы модель сливового пудинга была верна, отклонение альфа-частиц было бы небольшим, но Гейгер и Марсден наблюдали обратное. Чтобы объяснить отскакивание альфа-частиц, пришлось бы признать присутствие огромной силы в атомах золота. Было несколько вариантов: либо в эксперименте допущена ошибка и альфа-частицы могли каким-то образом поглощаться и переизлучаться атомами, либо, возможно, весь положительный заряд атома был сконцентрирован в самом центре атома.

Эксперимент был проведен в 1907–1908 годах, а его результаты опубликованы в 1909 году, но теория Резерфорда о строении атома появилась только в 1911 году. За это время Резерфорд произвел вычисления. И даже записался на курс математики, чтобы убедиться, что он все посчитал правильно. Раз за разом он понимал, что существует только одно объяснение, которое соответствует полученным данным: атомы по большей части должны состоять из пустого пространства с крошечным плотным ядром.

Если бы Резерфорд хотел опровергнуть принятую модель атома, ему пришлось бы, вне всякого сомнения, продемонстрировать, что новая модель верна. В течение следующих нескольких лет, благодаря изобретению Гейгером счетчика, Марсден и Гейгер провели еще одну серию экспериментов, в которых все встало на свои места. Только после этого Резерфорд представил миру свою новую теорию. Атом – не сливовый пудинг, усеянный отрицательно заряженными электронами: в его сердце крошечное ядро с положительным зарядом, достаточно плотное, чтобы оно могло отражать при приближении альфа-частицы. Электроны – тоже часть атомов, но они вращаются вокруг ядра на огромном расстоянии. Если бы атом был размером с собор, где электроны – его стены, ядро было бы размером с муху. А между ними не было бы вообще ничего.

Эксперименты Гейгера и Марсдена полностью изменили представление об атомах и, соответственно, о Вселенной. Атомы вовсе не были твердыми объектами, какими их считали на протяжении тысячелетий, они в основном состояли из пустого пространства. Трудно переоценить, насколько неожиданным был этот результат. Артур Эддингтон в 1928 году писал:

Когда мы сравниваем Вселенную, какой мы ее понимаем, со Вселенной, какой мы ее раньше представляли, самое поразительное изменение – не переосмысление пространства и времени Эйнштейном, а превращение всего того, что мы считали наиболее твердым, в крошечные частицы, плавающие в пустоте. Резкий толчок тем, кто думает, что вещи более или менее такие, какими кажутся. Открытие современной физикой пустоты внутри атома вызывает большее беспокойство, чем открытие астрономией огромной пустоты межзвездного пространства[46]46
  Артур Эддингтон. Лондон, 1928. Природа физического мира. Macmillan,


[Закрыть].

Понимание внутренней структуры атома может показаться просто занятной деталью. Тем не менее это открытие и понимание механизмов радиоактивного распада и трансмутации стали доминировать в науке, технике и даже политике на протяжении десятилетий. Тот факт, что атомы состоят из крошечного, плотного, положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, породил целую область ядерной физики.

Простые эксперименты принесли огромное количество знаний. Это так взволновало Резерфорда, что однажды, как вспоминает Чарльз Перси Сноу – химик и один из сотрудников Резерфорда в Кембридже, который позже стал известным писателем, – ученый так настолько вышел из себя, что вскричал на собрании Британской ассоциации: «Мы живем в великий век науки!» – в то время как остальные в комнате сидели в ошеломленном молчании.

Энтузиазм Резерфорда был оправдан: он видел потенциал, который кроется в понимании атомного ядра и того, как работает радиоактивность. Сегодня многие люди ассоциируют слова «ядерный» и «радиоактивность» с технологиями ядерной энергетики и ядерного оружия, появившимися спустя десятилетия после этих открытий. Сила ядра и невидимой природы радиоактивности иногда вселяет страх. И все же, если бы радиоактивности не существовало, если бы все элементы были стабильны, если бы ядро не было удивительно сложным, нас вместе с нашей планетой и всем, что на ней есть, просто бы не существовало. Радиоактивность возникает потому, что атом имеет структуру, и открытие этой структуры привело нас к более глубокому, более фундаментальному пониманию природы материи.