Юрий Чирков - Охота за кварками
Д. Дальтон вернул атомистике ее заслуженное место в науке. Взгляды ученого, хотя и не сразу, нашли понимание и признание. Немудрено, что сам он был атомистом до мозга костей (демокритнее Демокрита!). Для него, по свидетельству одного из биографов, атомы — ученый представлял их в виде упругих шариков — были такой же реальностью, как если бы он видел их наяву собственными глазами, трогал руками. «В своем воображении, — пишет биограф, — он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге…»
Неделимое — делимо!
Атомистика торжествовала. Многообразный мир оказался сработанным примерно из сотни типовых блоков — атомов, или элементов. Однако в самом конце прошлого века, как бы издеваясь над успехами атомной теории, была открыта еще одна частица. Для нее в таблице Менделеева отдельного места уже не нашлось!
Приблизительно к 70-м годам прошлого века среди физиков все более крепло убеждение в том, что точно так же как все вещества составлены из крошек атомов, так и поток электричества должен быть сформирован из очень малых дискретных порций — элементарных зарядов.
К открытию электрона — а именно о нем пойдет дальше речь — причастны многие выдающиеся ученые, но последнюю точку в этом деле поставил английский физик, член Лондонского королевского общества Дж. Томсон (1856–1940).
Объектом изучения для Дж. Томсона стали катодные лучи. Они возникают при прохождении электрического разряда через сильно разреженные газы. Какова природа лучей? Ученые долго бились над этим. Много лет исследованию этого явления посвятил и английский физик У. Крукс (1832–1919). Он обнаружил: эти лучи искривляют свой путь в магнитном поле; их отталкивают отрицательно заряженные тела; распространение этих лучей прямолинейно; если на пути лучей поставить какой-либо объект, то за ним довольно отчетливо наблюдается тень…
Как же правильно истолковать все эти факты?
После долгих раздумий У. Крукс в конце концов уверился: катодные лучи вовсе не излучение, как полагало тогда большинство физиков, они представляют собой летящие в одном направлении с огромными скоростями отрицательно заряженные частицы.
Укрепившись в этой истине, ученый стал убеждать других. Он начал говорить об особом состоянии материи.
Об ультратазе, о чем-то, что напоминает разреженный и неосязаемый газ, если сравнивать его с жидкостью.
Эти заявления были восприняты научной общественностью с понятным холодком и сдержанностью. Кое-кто был настроен даже враждебно.
По все это не охладило пыла У. Крукса. В 1874 году он прочел в Шеффилде доклад под названием «Лучистая материя, или Четвертое состояние вещества». Ученый настаивал: катодные лучи — это «осколки» атомов, и атомы нельзя считать «неделимыми» так буквально, как это понимали Демокрит и Д. Дальтон.
Ересь? Подрыв основ? Многие так это и восприняли.
Были даже и такие оппоненты, что просто считали У. Крукса сумасшедшим. Кстати, как правило, склонные к материализму физики имели весомые основания относиться к взглядам У. Крукса с подозрением: ведь он был убежденным и открытым сторонником… спиритизма. Известно, что критика спиритических «исследований» У. Крукса была дана Ф. Энгельсом в статье «Естествознание в мире духов».
Но удивительно, в вопросе о природе катодных лучей и об атомизме вообще Крукс-спирит оказался прав. Его правоту подтвердила серия классических работ, выполненных Дж. Томсоном и его сотрудниками. Эти исследования и привели к открытию электрона.
Дж. Томсон заставил катодные лучи падать на поставленную вертикально к ним фотографическую пластинку.
Затем он включил электрическое и магнитное поля. Они искривили траекторию лучей (одно изгибало лучи в горизонтальном, другое — в вертикальном направлениях). Эти смещения следов на фотопластике определялись скоростью движений лучей v и отношением их заряда к массе — е, т. Измерив горизонтальные и вертикальные смещения следа, Дж. Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными v и v, Оставалось лишь решить эту систему, что Дж. Томсон и сделал.
Результат этих почти школьных упражнений оказался революционным для физики. Получилось (более поздние опыты), что масса у электронов (корпускул, составляющих катодные лучи) в 1837 раз меньше, чем масса самого легкого и мелкого из атомов — атома водорода.
Дробление материи зашло ниже атомных размеров!
Год 1897-й считается годом открытия электрона — первой элементарной частицы — и началом совершенно новой эры в атомизме. Это выдающееся достижение Дж. Томсона было увенчано Нобелевской премией по физике (1906 год). У себя на родине ученый был удостоен высших почестей: в 1908 году Дж. Томсон был торжественно возведен в рыцарское достоинство — получил титул knight. И посмертно ему была оказана высокая честь: он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с останками И. Ньютона.
Начало XX века оказалось для физики трудным временем. Наконец-то были получены реальные доказательства правоты Демокрита и Д. Дальтона: атомы перестали быть фикцией. Но одновременно одним махом физики расправились и с идеей неделимости атомов, добровольно поставив крест на старых, довольно удобных представлениях.
Из пушек — по воробьям
Удивительно, как быстро освоили физики новые понятия.
Еще вчера они отрицали электрон, а сегодня (первые годы XX века) начали подыскивать для него местечко внутри атома.
Ход рассуждений был таков. Атомы электрически нейтральны. Если в них содержатся электроны, то там должны быть запрятаны и еще какие-то положительно заряженные сущности, которые нейтрализовали бы суммарный отрицательный заряд электронов. Отсюда естественным путем и возникла первая модель атома — модель «пудинга с изюмом». Ее предложил в 1903 году все тот же Дж. Томсон.
По Дж. Томсону, атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее (как изюм в пудинге) незначительными по размеру — в сравнении с атомом — электронами. Предполагалось, что силы притяжения положительно заряженной сердцевины атома уравновешиваются силами их (электронов) взаимного отталкивания.
В те же годы были выдвинуты и другие представления о структуре атома.
В 1901 году французский физик Ж. Перрен (1870–1942) в статье «Ядерно-планетарная структура атома» рассуждал о том, как электроны-планеты кружатся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра-Солнца.
Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга «Атомы», 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.
Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед — они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871–1937).
Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.
Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.
Однако — к великому счастью для пауки — первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.
Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.
Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: «Это последняя картошка, которую я выкопал», Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу — он был помолвлен — и уехал в Англию.
Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.
Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р) — и гамма (у) — лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.
Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.
И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.
С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были α-частицы, мишенью — металлические экраны из фольги.
