Новичок в Кембридже

Провинциальный юноша с университетским дипломом после длительного путешествия из Новой Зеландии через Австралию в Англию в 1895 г. из Лондона по железной дороге приехал в Кембридж и разыскал трехэтажное здание Кавендишской лаборатории, построенное в стиле английской готики. Оно выделялось среди более старых строений автономных колледжей - богатых учебных заведений.

Резерфорд не был уверен, что директор этой знаменитой лаборатории Джозеф Томсон, которого студенты ласково называли Джей-Джей - так произносились его инициалы,- сразу же предложит ему место. Однако опасения рассеялись после первой же встречи. Томсон очень внимательно выслушал молодого человека и сказал, что ему нужны сотрудники. Впоследствии Резерфорд вспоминал, что Томсон произвел тогда на него сильное впечатление.

Кавендишская лаборатория была организована в 1874 г. на средства, предоставленные наследниками известного английского ученого XVIII века Генри Кавендиша (1731-1810), которого при жизни называли "Ньютоном современной химии". Кавендиш выполнил интересные исследования по химии и физике, в частности он доказал существование водорода в воздухе и описал этот малоизвестный тогда газ. Однако некоторые работы он при жизни не опубликовал. О них узнали лишь спустя много лет после смерти ученого при разборе его бумаг.

Здание Кавендишской лаборатории Кембриджского университета

Первым директором Кавендишской лаборатории со дня ее основания был великий английский физик Клерк Максвелл, который счел своим долгом познакомить англичан с незаслуженно забытым Генри Кавендишем, открытия которого были через много лет независимо повторены другими учеными.

Из статьи Максвелла о научных трудах Кавендиша узнали и о некоторых личных чертах этого незаурядного исследователя.

Генри Кавендиш слыл большим оригиналом, человеком со странностями. Он был очень богат, но не имел друзей и вообще избегал людей. Жизнь Кавендиша казалась его современникам загадочной и для этого были основания.

Скудные биографические сведения говорят, что Кавендиш вел замкнутый образ жизни. Он никого не принимал в своем дворце и даже запретил прислуге показываться ему на глаза. Еда подавалась на стол до того, как ученый входил в комнату. Кавендиш в полном одиночестве работал в своем кабинете и домашней лаборатории.

Физическая лаборатория Кембриджского университета, колыбель выдающихся научных открытий, напоминала об этом странном и талантливом ученом.

В 1879 г. Максвелла сменил лорд Релей (Джон Уильям Стрет), занявший должность директора лаборатории, а в 1884 году ее директором стал Джозеф Томсон. Максвелл, Релей и Томсон создали этой лаборатории большой авторитет и мировую известность.

Резерфорд приехал в Кембридж в удачное время. Томсон как раз задумал "мощное наступление" на новые и малоисследованные проблемы физики. К ним он относил: электрические разряды в газах, люминесценцию, только что открытые рентгеновские лучи. Ученый нуждался в помощниках. Он решил принять в лабораторию нескольких молодых людей, окончивших университеты и выразивших желание заниматься научно-исследовательской работой.

Почти одновременно с Резерфордом в Кембриджский университет из разных стран приехали молодые физики, в том числе Джон Мак-Леннан, Таунсенд, Поль Ланже-вен и другие. Все они стали сотрудниками Кавендишской лаборатории. Резерфорд и француз Ланжевен, который благодаря своим трудам по магнетизму и акустике стал знаменитым ученым, долго работали в одной лабораторной комнате и с тех пор дружили всю жизнь. Вернувшись во Францию, Ланжевен начал работать в Коллеж де Франс под руководством Пьера Кюри. После смерти Кюри он занял его должность профессора университета. Много лет спустя профессором Коллеж де Франс стал ученик Ланжевена Фредерик Жолио-Кюри.

Первый директор Кавендишской лаборатории Джемс Клерк Максвелл (1831-1879)

Томсон, узнав, что Резерфорд до приезда в Кембридж проводил в Новой Зеландии опыты с электромагнитными волнами, предложил ему на первых порах продолжать их. Резерфорд принял это предложение и сразу приступил к исследованиям распространения электромагнитных волн с помощью изготовленного им приемника и другой аппаратуры. Следствием этих опытов было то, что Резерфорду удалось в 1896 г. установить радиосвязь между университетской обсерваторией и Кавендишской лабораторией на расстоянии около трех километров. Однако добившись таких интересных результатов, он оставил работу, так как, по его словам, практические стороны радиосвязи и, в частности, дальнейшее усовершенствование приемно-передаточных устройств его не интересовали. Уже в те годы Резерфорд был твердо убежден, что его призвание - исследовательская работа. Поэтому, прекратив опыты по радиосвязи, он присоединился к Томсону и вместе с ним стал экспериментировать с электрическими разрядами в газах. Для своих опытов они применяли разрядные трубки, наполненные инертными газами. Томсон очень увлекался этими исследованиями и считал, что они помогут решить важнейшие проблемы, связанные с природой электричества и строением атома.

Незадолго до приезда Резерфорда в Кембридж в научной печати появилось сообщение до тех пор никому не известного профессора провинциального немецкого университета в Вюрцбурге Вильгельма Конрада Рентгена. Немецкий профессор сообщал об открытых им загадочных Х-лучах^*. 1895-й год - год опубликования довольно краткого сообщения, подписанного Рентгеном, принес с собой настоящую бурю, которая пронеслась в научном мире.

^* (Теперь Х-лучи называют рентгеновскими лучами.- Прим. ред.)

Статья Рентгена, оттиски которой автор переслал ученым различных стран мира, послужила сигналом к сенсации, охватившей всю мировую прессу - и отодвинувшей на задний план многие политические, военные и другие события, которые происходили в это время на земном шаре.

Серьезные статьи, в которых обсуждались различные факты, связанные с удивительным открытием профессора Рентгена, печатались в научных журналах того времени. Естественно, ученые больше всего интересовались происхождением Х-лучей и пытались дать физическое объяснение этому явлению. Многие считали тогда, что рентгеновские лучи представляют собой один из ранее неизвестных видов люминесценции.

Джозеф Томсон, познакомившись с сообщением Рентгена, предложил Резерфорду приступить к изучению ионизации воздуха Х-лучами. В этих исследованиях Томсон видел продолжение своих многолетних работ по изучению свойств катодных лучей, вызывающих люминесценцию в откачанных катодных трубках. В результате экспериментов Томсон в 1897 г. открыл частицу, которая получила название электрона, и этим совершил революцию в современных представлениях о веществе и электричестве. В его классической статье, напечатанной в октябрьском номере физического журнала (Philosofical magazine)^* за 1897 г., впервые в науке утверждается, что электричество - это движение электронов - частиц, несущих отрицательный заряд.

^* (В Англии, как и в других европейских странах, долго придерживались средневековой научной классификации, согласно которой нее науки о природе, в том числе и те, которые позднее стали называться естественными науками, относили к философии. Поэтому журнал, основанный членами Королевского общества в Лондоне для публикации отчетов о научных исследованиях по физике, был назван "Философским журналом", и это название сохраняется до сих пор.- Прим. авт.)

В дальнейшем выяснилось, что масса электрона в 1836 раз меньше массы легчайшего из атомов - атома водорода. Поэтому электрон рассматривается как истинно элементарная частица. Электрон был первой из многочисленных элементарных частиц, обнаруженных в последующие годы физиками в атоме и ядре и превысивших к 1964 г. сотню.

После открытия электрона Томсон предположил, что атом представляет собой "сверхминиатюрную" сферу диаметром 10^-8 см с равномерно распределенным в ней положительным зарядом и вкрапленными отрицательно заряженными электронами.

Эта модель атома, предложенная Томсоном, как выяснилось позднее, была ошибочной. Но может быть именно ее несовершенство заставило физиков упорно думать о том, какова же подлинная структура атомов, искать в опытах и теории факты, способные дать ответ на вопрос.

В то время, когда Резерфорд работал в Кавендишской лаборатории, там царила, по выражению А. Ф. Иоффе, "атмосфера электронной модели Томсона", и в таких условиях трудно было даже мечтать о создании другой модели атома, основанной на иных представлениях.

Резерфорда очень заинтересовало изучение ионизации воздуха, производимой рентгеновскими лучами. Вероятно, он и Томсон вообще были одними из первых ученых, проявивших глубокий интерес к этим лучам и считавших открытие вюрцбургского профессора исключительно важным и многообещающим.

По другую сторону Ламанша профессор Политехнической школы в Париже Анри Беккерель после разговора с Анри Пуанкаре, рассказавшим ему о недавно открытых Рентгеном лучах, предположил, что, может быть, люминесценция, наблюдаемая в том месте рентгеновской трубки, на которое попадало катодное излучение, сопровождается испусканием рентгеновских лучей.

Иначе говоря, Беккерель задал себе вопрос: не связаны ли рентгеновские лучи с явлением люминесценции (тогда говорили: фосфоресценция) стекла рентгеновских трубок.

Сейчас такой вопрос вызвал бы улыбку у любого старшеклассника, знающего из курса физики, что рентгеновские лучи - это очень коротковолновое электромагнитное излучение [длина волны от 0,06 до 20 ангстрем (Первый директор Кавендишской лаборатории Джемс Клерк Максвелл (1831-1879).)].

В поисках ответа на свой вопрос Беккерель в физической лаборатории Музея естественной истории в Париже начал серию опытов с люминесцирующими веществами (люминофорами), пытаясь определить, не испускают ли рентгеновские лучи обычные вещества, способные люминесцировать после освещения их.

В конце прошлого века люминесценцию, т. е. свойство некоторых тел поглощать свет и затем его испускать, изучали многие ученые, в том числе и Джозеф Томсон. Были известны многие соли и минералы, обладающие способностью люминесцировать. В лаборатории Музея хранилась обширная коллекция люминесцирующих веществ, собранная еще отцом Беккереля, тоже крупным ученым - специалистом по люминесценции.

Беккерель, руководствуясь идеей, впоследствии оказавшейся ложной, стал исследовать соли урана, люминесцирующие после предварительного освещения желто-зеленым светом.

Беккерель выставил на солнце пластинки, покрытые слоем урановой соли. Затем он завернул эти пластинки в черную бумагу и поместил их в кассету вместе с фотографической пластинкой, надеясь, что проникающее излучение, исходящее из люминесцирующей соли и проходящее сквозь черную бумагу, будет обнаружено по его действию на фотопластинку.

Действительно, он убедился, что предполагаемое явление, видимо, существует, поскольку соли урана после освещения их солнцем испускают излучение, проходящее через черную бумагу. Об этом открытии Беккерель сообщил в Академии наук 24 февраля 1896 г. Казалось, оно полностью подтвердило идею, которой руководствовался Беккерель в своих исследованиях. Однако последующие опыты доказали, что эта идея ошибочна.

Счастливый случай помог Беккерелю установить подлинную природу наблюдаемого явления.

Для продолжения опытов исследователь подготовил несколько кассет с фотопластинками вместе с пластинкой, покрытой слоем

соли урана и завернутой в черную бумагу. Но так как в эти зимние дни солнце не показывалось над Парижем, он запер кассеты в ящик стола.

В воскресенье 1 марта 1896 г., в памятный для истории физики день, появилось солнце. Беккерель решил продолжить свои исследования, но сначала он решил проверить, не произошло ли чего-нибудь с пластинками во время их пребывания в ящике стола.

К своему величайшему удивлению, он заметил, что фотографические пластинки потемнели точно так же, как и в предыдущих опытах, хотя в этом случае соли урана не подвергались предварительному освещению солнечными лучами и не могли фосфоресцировать.

Осталось единственное объяснение: уран непрерывно испускает (и для этого его не нужно предварительно выставлять на свет) проникающее излучение неизвестной природы, которая должна оказаться совершенно отличной от природы рентгеновских лучей. Этот факт Анри Беккерель изложил в сообщении, сделанном им на следующий день, в понедельник 2 марта 1896 г. в Академии наук. Он впервые обнаружил существование радиоактивности, начавшее новую эпоху в истории науки и человечества.

Беккерель в своем сообщении так описал выполненные им опыты:

"Фотографическая пластинка Люмьера с броможелатинной эмульсией была завернута в двойной слой черной бумаги. Сверху накладывался плоский кристалл двойного сульфата урана и калия, и все это экспонировалось на солнце несколько часов. После проявления пластинки обнаруживался черный отпечаток фосфоресцирующего кристалла. Если между фосфоресцирующим веществом и бумагой помещалась монета или металлический экран с ажурным рисунком, то на пластинке появлялось изображение этих предметов".

Это краткое сообщение, изложенное необычным для современных научных сообщений языком, имеет большой исторический интерес как первая в мире весть о наблюдении радиоактивного излучения урана.

Открытие Беккереля вызвало интерес ученых к урану - в то время последнему химическому элементу периодической системы. Но, конечно, никто не мог подозревать, что урану, который долго считался малоценным веществом, предстоит совершить головокружительную карьеру. Металлический уран не находил применения и только некоторые его соли использовались в небольших количествах в фотографии и в стекольной промышленности. В химических лабораториях редко можно было найти уран.

Ныне уран (это знает каждый) - ценный делящийся материал, применяемый в качестве ядерного горючего.

В процессе развития научно-технических достижений, ученым, а также конструкторам и другим специалистам пришлось преодолеть большие трудности, нередко приводившие их почти к отчаянию. Но, в конце концов, их труд увенчался полным успехом.

Сообщение об открытии Беккерелем радиоактивности произвело большой эффект в Кавеидишской лаборатории, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением этих загадочных урановых лучей. Сначала ему казалось, что существует какая-то связь между урановыми и рентгеновскими лучами. Он считал свои первые работы по радиоактивности, как он сам говорил, естественным продолжением его исследований ионизующего действия рентгеновских лучей, проводившихся им совместно с Томсоном.

Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, производило ионизацию воздуха. Такое сходство в воздействии излучений на окружающую среду привело Резерфорда к мысли об опытном сравнении рентгеновских и беккерелевых лучей, что могло дать наиболее достоверные и точные сведения об их физических свойствах.

Опыты продолжались почти год. Они показали, что сходства между двумя исследовавшимися излучениями, несмотря на их одинаковое ионизующее действие, нет. Резерфорд смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми ошибочно. Излучение урана вопреки утверждению Беккереля (правда, не подкрепленному опытами) не обнаруживало свойств, характерных для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации.

Несмотря на эти важные результаты, полученные Резерфордом, первоначальная задача сравнения свойств двух видов излучения - рентгеновского и уранового,- могла показаться более скромной, чем то, чего исследователь в действительности достиг, продолжая свои опыты.

В результате этих работ Резерфорда были открыты альфа-частицы. Появление в лаборатории физика Этой первой вестницы из глубоких недр вещества, ревниво охраняемых самой природой,- величайшее событие в науке.

Резерфорд поместил радиоактивный источник в магнитное поле и получил три вида излучений, испускаемых ураном: альфа-, бета-частицы и гамма-лучи.

Уже при проведении этих опытов Резерфорд предвидел, что альфа-частицы помогут исследовать структуру атома в качестве мощных инструментов для проникновения в атом. И действительно в последующих работах Резерфорда главную роль играли миниатюрные, но мощные снаряды - альфа-частицы.

Три года практических занятий Резерфорда в Кавеидишской лаборатории под руководством Томсона отмечены талантливыми работами, которые доставили молодому ученому довольно широкую известность в научных кругах Европы и Америки.

Самыми важными из них были, конечно, исследования радиоактивности урана и тория. Именно они указали начинающему ученому его будущее поле деятельности и позволили ему в дальнейшем объяснить тончайшие процессы и явления, происходящие в атоме, а еще позднее и атомном ядре.

Вопрос о дальнейшей работе Резерфорда решился очень просто. Двадцатишестилетний новозеландец получил приглашение занять должность профессора физики в Мак-Гиллском университете в Монреале.

Джозеф Томсон был убежден, что Резерфорд блестяще справится с новой ролью, и утверждал, что для Канадского университета такой профессор - весьма ценное приобретение.

Когда летом 1908 г. в Кембридж приехал ректор Мак-Гиллского университета Петерсон, Томсон сам представил ему Резерфорда. Ректор совершил путешествие в Англию, чтобы познакомиться с кандидатом в профессора своего университета, получившим такую необычайно лестную рекомендацию от знаменитого ученого, высоко почитаемого в Канаде, да и не только там. В этой рекомендации, написанной Томсоном и заблаговременно отправленной им в Монреаль по почте, говорилось следующее: "У меня никогда не было молодого ученого с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как г-н Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, он создаст выдающуюся школу физики в Монреале... Я считал бы счастливым то учреждение, которое закрепило бы за собой Резерфорда в качестве профессора физики".