Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
Одни об этом говорили вслух. Среди них были Джонстон Стоней, предполагавший еще в 1891 г., что «электроны движутся вокруг атома, подобно спутникам планет»; Жан Перрен, пытавшийся в 1901 г. представить себе «нуклеарнопланетарную структуру атома»; японский физик Хантаро Нагаока, утверждавший в 1903 г., что «пространства внутри атома чрезвычайно громадны по сравнению с размерами самих, образующих его, электрических ядрышек, иными словами, атом представляет своего рода сложную астрономическую систему, подобную кольцу Сатурна». С этими утверждениями были согласны многие: сэр Оливер Лодж, французский физик Поль Ланжевен, норвежский ученый Карл Антон Бьеркнес — этот список можно продолжить.
Другие, как Петр Николаевич Лебедев, доверяли подобные мысли только своему дневнику: в 1887 г. ему казалось, что частота излучения атомов должна определяться частотой вращения электрона по орбите. А голос известного ученого-народника Николая Морозова не был слышен сквозь стены шлиссельбургской крепости.
Но ни один сторонник идеи планетарного атома не мог объяснить главного: устойчивости системы, состоящей из положительной сердцевины и электронов, которые вокруг нее вращаются.
Действительно, на круговой орбите электрон движется ускоренно и, следовательно, по теории Максвелла — Лоренца, должен терять энергию на излучение. Это излучение настолько интенсивно, что уже через 10-11 с электрон обязан упасть на положительный центр притяжения. (Этот результат, полученный немецким ученым Шоттом в 1904 г., надолго станет решающим аргументом во всех спорах о структуре атома.)
Ничего похожего в природе не происходит: реальный атом не только устойчив, но и восстанавливает свою структуру после разрушений, как будто бы свидетельствуя тем самым в пользу модели Томсона. Однако в физике уже более двухсот лет принято правило: окончательный выбор между гипотезами вправе сделать только опыт. Такой опыт поставил в 1909 г. Эрнест Резерфорд (1871—1937) со своими «мальчиками», как он называл своих сотрудников.
Представьте себе крупного и шумного человека, который принужден сидеть в темной комнате и, глядя в микроскоп, считать на экране спинтарископа вспышки — сцинтилляции (от лат. scintilla — искра) α-частиц. Работа изнурительная: уже через две минуты глаза устают. Ему помогают опытный исследователь Ганс Гейгер (1882—1945) и двадцатилетний лаборант Эрнст Марсден (1889— 1970). Их прибор несложен: ампула с радием-С, испускающим α-частицы, диафрагма, которая выделяет из них узкий пучок и направляет его на экран из сернистого цинка, и микроскоп, через который наблюдают сцинтилляции α-частиц на экране. Место появления очередной сцинтилляции предугадать нельзя — они возникают беспорядочно, но так, что в целом на экране получается довольно резкое изображение щели диафрагмы.
Если на пути α-частиц поставить металлическую фольгу, то вместо резкого изображения щели на экране возникает размытая полоса. Она лишь немного шире изображения щели, получаемого в первом случае: частицы отклоняются от прямолинейного пути в среднем всего на 2°, однако несложный расчет показывает: чтобы объяснить даже такие небольшие отклонения, нужно допустить, что в атомах фольги могут возникать огромные электрические поля напряженностью свыше 200 кВ/см. В положительном шаре атома Томсона таких напряженностей быть не может. Столкновения с электронами — также не в счет: ведь по сравнению с ними α-частица, летящая со скоростью 20 км/с, все равно, что пушечное ядро рядом с горошиной. И все же пути α-частиц искривлялись. В поисках разгадки Резерфорд предложил Марсдену проверить: а не могут ли α-частицы отражаться от фольги назад? С точки зрения модели Томсона предположение совершенно бессмысленное: пушечное ядро не может отразиться от горошины. Прошло два года. За это время Гейгер и Марсден сосчитали более миллиона сцинтилляций и доказали, что назад отражается примерно одна α-частица из 8 тысяч.
7 марта 1911 г. Манчестерское философское общество — то самое, президентом которого был когда-то Джон Дальтон, — услышало доклад Резерфорда «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома». В тот день слушатели узнали, что атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него на расстояниях примерно 10-8 см. Размеры ядра очень малы — всего 10-13—10-12 см, но в нем заключена практически вся масса атома. Заряд ядра положителен и численно равен примерно половине атомной массы элемента.
Сравнение с Солнечной системой не случайно: диаметр Солнца (1,4∙106 км) почти во столько же раз меньше размеров Солнечной системы (6∙109 км), во сколько размеры ядер (10-12 см) меньше диаметра атома (10-8 см).
Мы настолько свыклись с новыми понятиями, что, объясняя понятия электроники, ссылаемся на телевизор, а рассказывая о механике, приводим в пример паровоз. Поэтому сейчас нам трудно понять тогдашнее недоумение людей, по силе ума равных Резерфорду. Действительно, ведь все так прозрачно: просто α-частица отражается от ядер атомов. К этой картине мы привыкаем со школы. Но чтобы нарисовать ее в первый раз, необходима была выдающаяся научная смелость. Прежде чем эта картина попала в учебники, пришлось не только сосчитать свыше миллиона сцинтилляций: нужно было (как вспоминал в конце жизни Гейгер) «преодолеть такие трудности, смысл которых мы сейчас даже понять не в состоянии»; нужно было сначала в течение десяти (!) лет доказывать, что α-частицы — не что иное, как ядра атомов гелия. Обо всем этом постепенно забыли: результат был важнее и проще, чем путь, к нему приведший. О трудностях пути теперь можно было забыть: настало время думать о следствиях этого открытия.
Сообщение Резерфорда физики приняли сдержанно. Сам он в течение двух лет также не очень сильно настаивал на своей модели, хотя и был уверен в безошибочности опытов, которые к ней привели. Причина была все та же: если верить электродинамике, такая система существовать не может, поскольку электрон, вращающийся по ее законам, неизбежно и очень скоро упадет на ядро. Приходилось выбирать: либо электродинамика, либо планетарный атом. Физики молча выбрали первое. Молча, потому что опыты Резерфорда нельзя было ни забыть, ни опровергнуть. Физика атома зашла в тупик. И чтобы выйти из него, нужен был Нильс Бор.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ
Независимо от гипотез о строении атома ученые рано поняли, что знания о нем можно получить, изучая его линейчатый спектр (так музыкант по тону струны определяет ее длину, а по аккорду узнает инструмент). В физике всякое изучение в конечном итоге сводится к измерению. Поэтому прежде всего необходимо было научиться измерять длины волн как можно точнее, то есть еще пристальнее, чем Фраунгофер, исследовать структуру линейчатого спектра.
