Федор Кедров - Цепная реакция идей
По представлениям Резерфорда, вокруг массивного ядра по орбитам вращались электроны и вся система представляла некоторое подобие Солнечной системы. Поэтому модель называли планетарной. Но как могли электроны вечно вращаться вокруг ядра? До квантовой механики физики могли пользоваться для объяснения подобных явлений учением Максвелла, его электродинамикой. Согласно теории Максвелла электрон не мог бесконечно обращаться вокруг ядра, так как, излучая при своем движении энергию в виде периодически меняющегося электромагнитного поля, он неминуемо должен был бы упасть на ядро.
В 1911 году в физике произошло важное событие. Профессор Кембриджского университета шотландец Чарлз Вильсон создал удивительный прибор для наблюдения следов-треков отдельных альфа-частиц. Прибор получил название камеры Вильсона. Он сразу завоевал известность среди физиков, изучающих атомы и ядра; им широко пользуются и сегодня. Камера Вильсона, правда, в модернизированном виде и даже под другими названиями, играет большую роль в экспериментальном изучении процессов микро- и субмикромира.
Резерфорд высоко оценил возможности камеры Вильсона для экспериментаторов. Он сказал, что это «самый оригинальный и удивительный инструмент в истории науки».
На ежегодном традиционном обеде в Кавендишской лаборатории Резерфорд выразил свое восхищение прибором, изобретенным Вильсоном. По словам Нильса Бора, присутствовавшего при этом, небольшая речь Резерфорда была проникнута почти детской радостью от того, что в камере Вильсона можно было буквально видеть рассеяние альфа-частиц.
Многие прославленные физики-экспериментаторы восхищались этим прибором.
Фредерик Жолио-Кюри усовершенствовал камеру Вильсона, благодаря чему удалось увеличить длину трека в 76 раз, — это значительно улучшило возможность наблюдения. Ему принадлежат слова: «Ну разве это не величайший эксперимент в мире? Бесконечно малая частица, выброшенная в цилиндр камеры, сама отмечает свой путь мельчайшими частичками тумана!».
Вильсон говорил Бору, что идея создания камеры возникла у него, когда он в утренние часы наблюдал туманы, окутывавшие высокие горы Шотландии. Между прочим это были те самые горы, которые еще один выдающийся физик — Игорь Евгеньевич Тамм как альпинист считал идеальными для скалолазания.
Нильс Бор проходил тогда практику у Дж. Томсона в Кевендишской лаборатории. После завершения ее он не вернулся в Данию. Весной 1912 года Бор переехал в Манчестер и с разрешения Резерфорда присоединился к группе его сотрудников. Интересы этой группы были сосредоточены на изучении атомного ядра.
«В это время, — писал Бор, — вокруг Резерфорда сгруппировалось большое число молодых физиков из разных стран мира, привлеченных его чрезвычайной одаренностью как физика и редкими способностями как организатора научного коллектива. Хотя Резерфорд был всегда поглощен ходом своих собственных работ, у него все же хватало терпения выслушивать каждого из этих молодых людей, если он ощущал у них наличии каких-то идей, какими бы скромными с его собственной точки зрения они ни казались».
В Манчестере у Резерфорда проходили практику и некоторые русские физики и химики: В.А. Бородовский (скончавшийся в молодом возрасте от туберкулеза), профессор Московского университета Н.А. Шилов, Ядвига Шмидт (работала у А.Ф. Иоффе в Ленинграде).
Профессор. Н.А. Шилов, описывая в 1914 году Манчестерский университет (называвшийся еще Оуэнс-колледжем), отмечал: «Лаборатория Резерфорда помещается в отдельном здании внутри двора. Ни снаружи, ни внутри она не отличается роскошью. Приборы — самые простые. Многое приходится налаживать или мастерить самому — в этом, конечно, большая польза. Все дается работающим бесплатно. Единственное материальное богатство лаборатории — это раствор полуграмма радиевой соли (для получения эманации) и значительный запас мезотория, радиотория и актиния».
Приведенные слова Н.А. Шилова еще раз свидетельствуют о суровой простоте обстановки, окружавшей Резерфорда, совершенно несоизмеримой с полученными в ней поразительными научными результатами.
Нильс Бор — один из величайших физиков XX столетия, в те времена еще очень молодой человек — занялся в Манчестере теоретическими исследованиями. Прежде всего его целью было ликвидировать противоречия, которые так явно обнаруживались в модели атома Резерфорда. Для него было совершенно ясно, что никакими способами нельзя согласовать устойчивость системы ядро — электроны с классическими принципами механики и электродинамики.
Что же делать? Бор видел выход в разработке новой теории, которая годилась бы для объяснения новых явлений микромира.
Еще Макс Планк, обнаружив в 1900 году характерную прерывистость некоторых природных физических явлений, обратил внимание на ограниченность классических теорий. Планк смог обосновать открытый им закон излучения черного тела, лишь сделав очень смелое допущение: что энергия колебания атомов вопреки классическим представлениям может иметь ряд вполне определенных значений. В ходе дальнейших исследований Эйнштейном было показано, что прерывистость присуща также свету, состоящему из отдельных квантов — частичек. Планк открыл тогда ставшую впоследствии известной постоянную Планка, или планковский квант действия. Формула Планка hv означала, что свет с частотой колебаний v должен поглощаться и испускаться в квантах энергии, величина которых пропорциональна v, помноженному на постоянную величину h, которая и есть универсальная постоянная Планка. Она равна 6,6·10–27 эргов в секунду.
Макс Планк заложил первый камень в фундамент великого здания квантовой механики, построенного (но до сих пор полностью незавершенного) рядом выдающихся физиков-теоретиков, в числе которых можно назвать Нильса Бора, Макса Борна, Луи де Бройля, Эрвина Шредингера, Вернера Гейзенберга, Я.И. Френкеля, И.Е. Тамма, М. Дирака, В. Фока, Л. Ландау, Г. Бете и других.
Первые попытки использовать квантовые идеи Планка относились к объяснению модели атома Томсона.
Но решающий шаг был сделан Бором в Кембридже после создания ядерной модели атома. Применив идею прерывистости к модели Резерфорда, Бор сделал допущение, что атом может сколь угодно долго пребывать в совершенно определенных состояниях, которые зависят от орбит электронов. Согласно Бору электроны в атоме могут находиться на так называемых «разрешенных» орбитах. При переходе электрона с одной орбиты на другую происходит излучение или поглощение светового кванта. Таким образом, атом может существовать лишь в некоторых квантовых энергетических состояниях. Каждый переход электрона с более высокого энергетического уровня в меньший сопровождается излучением кванта. Частота излучения равна hv.
Когда Бор сообщил Резерфорду о разработанной им квантовой модели атома, Резерфорд оказался в некотором затруднении. Он, как рассказывал Бор, «не сказал, что это глупо, но он никак не мог понять, каким образом электрон, начиная прыжок с одной орбиты па другую, знает, какой квант нужно ему испускать. Я ему говорил, что это как „branching ratio“ (т.е. вероятность испускания альфа- и бета-частиц — Ф. К.) при радиоактивном распаде, но это его не убедило».
Справедливости ради стоит сказать, что позднее Резерфорд признал квантовую механику в отличие от некоторых выдающихся физиков эпохи «классической физики», для которых квантовые представления так и остались за пределами восприятия.
Автор теории относительности Альберт Эйнштейн тоже не сразу принял открытие Бора. Ознакомившись со статьей Бора, он заметил, что все ему понятно и близко к тому, что он сам был мог сделать; но если это правильно, то физика как наука кончилась. По-видимому, Эйнштейн имел в виду столь близкую его уму и сердцу науку — старую доквантовую физику.
Лорд Релей — крупнейший английский физик «классической эпохи» — откровенно не одобрял квантовых идей Бора. Выступление Релея на заседании Британской ассоциации было предельно вежливым, но весьма однозначным: «Когда я был молод, я неукоснительно исповедовал некоторые принципы. Согласно одному из них человек, переваливший за шестьдесят, не должен высказываться до Поводу новых идей. Хотя я должен признаться, что теперь придерживаюсь его не столь строго, однако в достаточной степени для того, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!»
Но на заседании Британской ассоциации у Вора нашлись и сторонники, горячо поддержавшие новые квантовые представления. Это были известные ученые, пользовавшиеся огромным авторитетом: Мари Кюри, Хендрик Антон Лоренц, Джемс Джинс, Джозеф Лармор.
Существенных успехов в изучении электронных оболочек и их взаимодействий с атомными ядрами наряду с Бором удалось достичь ученику Резерфорда молодому физику Генри Мозли.
