Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Выяснить, какая из этих двух моделей верна, выпало Эрнесту Резерфорду. Он вырос в Новой Зеландии и приехал учиться в Кавендишскую лабораторию в 1895 году. Через три года он стал профессором в университете Мак-Гилла, в Канаде, где и работал до 1906 года. Затем он перебрался в Манчестер, который был одним из ведущих центров физических исследований. Там он занялся изучением структуры атома. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кавендишскую лабораторию, став ее директором (рис. 16.7).

Рис. 16.7. (а) Анри Беккерель (1852–1908) и (б) Эрнест Резерфорд (1871–1937).

После приезда в Кембридж Резерфорд занялся исследованием радиоактивности, открытой еще в 1896 году Анри Беккерелем в Париже. Пытаясь вызвать рентгеновское излучение у различных материалов, Беккерель выставлял их на солнце. Одним из этих материалов оказалось соединение урана. Этот образец даже без предварительного облучения на солнце «засветил» фотографическую пластинку, которая тоже лежала в темноте. Уран испускал какие-то лучи! Через несколько лет Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, терпеливо переработав тонну урановой руды (урановой смолки) в своей скромной парижской лаборатории, открыли элемент радий. Он излучает в миллионы раз сильнее урана (рис. 16.8). Резерфорд обнаружил три типа радиоактивных лучей и назвал их альфа-лучами, бета-лучами и гамма-лучами. Они дали ключ к атомному ядру. Как мы уже знаем, гамма-лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение; а что такое альфа-лучи и бета-лучи?

Беккерель измерил у бета-лучей отношение массы к заряду и обнаружил, что у этих отрицательно заряженных частиц оно такое же, как у электронов. Следовательно, бета-лучи — это электроны, испущенные радиоактивным веществом. Резерфорд сумел измерить и отношение массы к заряду у положительно заряженных альфа-частиц. Оказалось, что оно вдвое больше, чем у положительного иона водорода. Если заряд альфа-лучей составляет одну единицу, то их масса должна вдвое превышать массу атома водорода. Но Резерфорд сделал правильный вывод, что заряд альфа-частиц составляет две единицы, а это приводит к четырем единицам атомной массы. Значит, альфа-частицы — не что иное, как ионизованные атомы гелия. Это подтвердили коллеги Резерфорда по университету Мак-Гилла — Уильям Рамзай (1852–1916) и Фредерик Содди (1877–1956), обнаружившие гелий, выделяющийся из соединения радия.

Рис. 16.8. Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) и Пьер Кюри (1859–1906).

В своем исследовании 1903 года Резерфорд и Содди объяснили радиоактивность: это процесс, в котором один химический элемент превращается в другой. Когда атом излучает альфа-частицу, его атомный номер в периодической таблице уменьшается на два, а если он излучает электрон, его атомный номер увеличивается на единицу. Это была радикальная идея: с эпохи смерти алхимии постоянство элементов никогда не подвергалось сомнению. Это считалось базовой аксиомой — элементы не могут ни возникать, ни разрушаться. Но предположение Резерфорда и Содди было основано на точных измерениях, показавших, что независимо от внешних условий радиоактивный элемент всегда одинаковым путем превращается в другой элемент. Например, радиоактивный торий превращается в газ радон, который сам радиоактивен. Но активность радона быстро снижается: через 1 минуту она составляет уже половину, через 2 минуты — одну четверть, через 3 минуты — одну восьмую, и т. д. Резерфорд и Содди показали, что это связано с распадом самого радона: за минуту распадается половина исходного газа, за следующую минуту распадается половина от оставшегося газа, и т. д. Можно сказать, что радон имеет время полураспада, равное одной минуте (точнее — 54,5 секунды). Время полураспада сильно меняется от одного радиоактивного вещества к другому. Оно составляет 1600 лет у радия, 1,4 x 1010 лет у тория и 4,5 x 109 лет у урана. Распадом радиоактивных элементов пользуются для определения возраста. Мы вернемся к этому вопросу при обсуждении возраста Земли (см. главу 29).

После возвращения из Канады Резерфорд начал ставить новые эксперименты: бомбардировать атомы альфа-частицами. Эти столкновения происходят в таком малом масштабе, что наблюдать их непосредственно мы не можем. Но можно о многом догадаться, наблюдая за их последствиями. В результате столкновений скорость и направление альфа-частиц меняются; то же самое происходит и с атомами, подвергшимися бомбардировке. Этот процесс называют рассеянием. Скорость и направление движения альфа-частиц до и после столкновения можно измерить соответствующей аппаратурой. По этим данным можно рассчитать, что произошло с атомами мишени.

В эксперименте Резерфорда альфа-частицы испускались из радиоактивного образца. Узкий пучок этих частиц формировался с помощью экрана из толстого листа свинца с дырочкой. За дырочкой был установлен лист золота так, чтобы альфа-частицы ударялись в атомы золота. Поскольку скорость альфа-частиц была очень высокой, то ожидалось, что они будут проходить сквозь лист золота, почти не меняя траекторию. В качестве детектора альфа-частиц использовался лист из сульфида цинка, который при столкновении с ним частицы дает небольшую вспышку света (рис. 16.9).

У Резерфорда был помощник из Германии Ганс Гейгер. В 1909 году к их группе присоединился студент Эрнест Марсден. О том, что случилось в следующем 1910 году, рассказал сам Резерфорд:

«Однажды Гейгер предложил дать Марсдену тему для самостоятельного исследования. Я ответил: «Почему бы ему не посмотреть, будут ли некоторые частицы рассеиваться под большим углом? Скажу тебе по секрету — я думаю, что не будут, ведь мы знаем, что альфа-частицы очень массивны и несут большой запас энергии». Насколько я помню, через два или три дня Гейгер пришел ко мне очень взволнованный и сказал: «Некоторые альфа-частицы у нас возвращаются обратно». Это было самое невероятное событие, случившееся за всю мою жизнь. Это было так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы обратно и ударил вас».

Рис. 16.9. Эксперимент по рассеянию, поставленный Гансом Гейгером (1882–1945) и Эрнстом Марсденом (1889–1970). Альфа-частицы рассеиваются в золотой фольге и затем ударяются в экран, покрытый сульфидом цинка, вызывая на нем вспышки света.

Спустя несколько недель, в течение которых Резерфорд размышлял над этой загадкой, он заявил: «Теперь я знаю, что произошло в эксперименте, и, кроме того, я знаю структуру атома». Он сказал, что почти вся масса и весь положительный электрический заряд сконцентрированы в ядре атома, размер которого не более 1/10 000 размера атома. Остальная часть атома пуста, за исключением электронов с их отрицательным зарядом (рис. 16.10).

Теория Нагаока о строении атома оказалась в принципе верной. В нашей Солнечной системе основная доля массы сосредоточена в Солнце. Так же и в ядре атома сосредоточена большая часть его массы. Как Солнечная система в основном состоит из «пустого» пространства между Солнцем и планетами, так же и атом «пустой» между ядром и электронами. В атоме концентрация вещества к центру даже более сильная: в масштабе Солнечной системы размер атомного ядра не больше размера планеты. Точных данных о размере электрона пока не существует, но в этом масштабе он наверняка не больше самого мелкого астероида.

Рис. 16.10. Модель атома Резерфорда. Тяжелое ядро состоит из многих ядерных частиц, а вокруг него обращаются электроны.

Глава 17 Странности микромира

Проникнув в тайны строения вещества, мы вновь можем вернуться к свету. Как нам уже известно, в XIX веке волновая теория восторжествовала над более ранней теорией Ньютона о частицах света — корпускулах. Но для волны нужна среда, в которой может распространяться волна. Для звуковых волн нужен воздух, а в космосе нет ни звуковых волн, ни воздуха. Предполагалось, что средой для световых волн служит эфир, заполняющий космос, но эта идея лишь усложняла проблему. Важнейшим шагом вперед стала первая статья Эйнштейна, вышедшая в 1905 году, в которой он показал, что в некоторых ситуациях свет ведет себя странно: его поведение напоминает поведение частиц, которые сейчас называют фотонами.

Теория Максвелла рассматривает свет как электромагнитные колебания. Но при использовании этой теории для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела возникли проблемы. Было известно, что излучение черного тела обладает наибольшей силой на определенной длине волны и ослабевает по обе стороны от этого максимума в спектре. Но классическая теория не могла объяснить уменьшение интенсивности на высоких частотах. Немецкий физик Макс Планк понял, как можно объяснить наблюдаемый спектр черного тела: нужно предположить, что атом может излучать энергию только порциями определенного размера. Связанная с излучением энергия похожа на частицы: излучиться может одна, две, три и т. д. «частицы», но доля «частицы» излучиться не может.