Два претендента

Открытие электрона, за которое Дж. Дж. Томсон был удостоен Нобелевской премии, еще не прояснило главного. Каверзный вопрос - как устроен атом? - остался открытым.

Но не будем несправедливы к веку наших бабушек и дедушек. Ибо на самом финише прошлого столетия физики получили наконец тот инструмент, с помощью которого уже в наш век удалось проникнуть в глубь атома.

Все началось в Новозеландском университете, где за студенческой партой сидел будущий отец ядерной физики Эрнст Резерфорд. Этот студент осмелился не доверять царившим в химии взглядам на атом. И в подтверждение этого назвал свою первую научную работу "Эволюция элементов".

Окончив университет в 1894 году, Резерфорд приехал на стажировку в Англию. Ему очень повезло: он попал в Кавендишскую лабораторию к Дж. Дж. Томсону.

В это время произошло событие, на которое автор "Эволюции элементов" не мог не обратить самого пристального внимания. В 1896 году представитель большого семейства французских физиков Беккерелей - Антуан-Анри - открыл радиоактивность. Другими словами он открыл явление самопроизвольного распада атомов. Это окончательно подорвало авторитет атомов как мельчайших, неделимых частиц вещества.

Вместе с Томсоном Резерфорд занялся изучением природы недавно открытого излучения. И вскоре наткнулся на одну многообещающую особенность. Резерфорду удалось доказать, что радиоактивное излучение неоднородно и состоит по меньшей мере из двух компонентов. Из легких бета-частиц, в которых легко узнать томсоновские электроны, и тяжелых, положительно заряженных альфа-частиц.

Золотые дни сотрудничества с Томсоном быстро кончились. Резерфорд переехал на работу сперва в Канаду, а затем - в Манчестер. Но Кавендишскую лабораторию покидал он не с пустыми руками. В заднем кармане его брюк лежал, образно говоря, заряженный пистолет. А раз появившись на свет, пистолет обязательно стреляет. Обязательно - рано или поздно.

Пистолет Резерфорда выстрелил поздно. Ему уже было за сорок, он почитался уважаемым профессором Манчестерского университета, известным специалистом по радиоактивности, лауреатом Нобелевской премии.

Резерфорд стрелял тяжелыми альфа-частицами по атомам. Между источником альфа-частиц и фотопластинкой он помещал тонкие пленки из разных веществ. В этом случае черное пятно на проявленной фотопластинке - след попадания на нее альфа-частиц - имело размытые края. Атомы пленок слегка изменяли направление полета альфа-частиц.

Резерфорд стрелял по атомам. Но его альфа-снаряды не должны были поражать цель, они должны были зондировать ее.

Первые выстрелы были неудачны. Быстрые альфа- частицы легко проносились сквозь тончайшие пленки, почти не отклоняясь от прямого пути. Выходило, что прав был старик Томсон, утверждавший, что атом - это положительно заряженная сфера, сплошь заполненная электронами?

Но Резерфорда что-то не удовлетворяло в модели атома Томсона. И это чувство толкало его к продолжению начатой работы.

Стрелять альфа-частицами Резерфорд поручил своему ученику Марсдену. И напутствовал его словами: "Я не ожидаю ничего любопытного от ваших опытов, но все же понаблюдайте".

"Понаблюдайте" - характернейшее слово Резерфорда! Оно полно оптимизма. "Понаблюдайте, а вдруг обнаружится что-то новое". Наука для Резерфорда была постоянно растущим деревом, которое самому садоводу нужно и формировать. И всегда быть готовым обрубить засохшие ветви, чтобы дать возможность появиться новым росткам.

Новые ростки появились очень скоро. Марсден обнаружил, что некоторые альфа-частицы, проникая в тонкий слой вещества, отклоняются на 90, а иногда и на 180 градусов!

Сам Резерфорд позднее писал: "Это событие казалось примерно настолько же вероятным, как если бы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги и этот снаряд отразился бы назад и попал в вас".

Что же произошло? Ответ напрашивался сам собой: альфа-частицы сталкивались с массивным заряженным телом, куда более тяжелым, чем электрон или сама альфа-частица.

Первые разведчики, заброшенные в глубины материи, принесли неслыханную весть - в центре полупустого атома лежало ядро. Оно было положительно заряжено и в сто тысяч раз меньше самого атома. А за его мощным электрическим барьером, как за высокими крепостными стенами, были надежно спрятаны сокровища атома. Но какие? Может быть, там находятся неизвестные частицы с положительным электрическим зарядом?

Физики - увлекающиеся люди. Открыв что-нибудь новое, они тотчас набрасываются на него.

Атомное ядро! Только на нем сосредоточились теперь все интересы Резерфорда. Как подобраться к ядру поближе, как преодолеть его электрический барьер? Это очень легко сделать сегодня - достаточно разогнать протон до энергии всего лишь в один мега-электрон-вольт.

Но у Резерфорда ведь не было ускорителя!

Думал Резерфорд, думали его сотрудники, думали его ученики. Первым нашел выход внук великого Чарлза Дарвина, работавший в те дни у Резерфорда. Он предложил начать с ядер самых легких элементов - ведь у них меньше заряд и, следовательно, куда слабее защита.

Самый легкий элемент вселенной - водород. Поэтому специальную камеру наполнили водородом и начали бомбардировать его альфа-частицами. Опыты проводил все тот же Марсден.

Но что значит - проводил? Это сейчас к услугам физиков самая разнообразная регистрирующая аппаратура. Она все делает: обнаруживает, запоминает, записывает, изображает в виде графика и даже систематизирует результаты опыта.

Тогда было все не так. Марсден часами просиживал перед камерой. На экране одна за другой вспыхивали светлые звездочки. Это не были альфа-частицы - они просто-напросто не могли бы долететь до экрана. Значит, в камере они передавали свою энергию легким ядрам водорода, вспышки которых и появлялись на экране.

Затем Марсден откачивал из камеры водород и для контроля наполнял его азотом. Но вспышки появлялись снова: что это, ошибка? Откуда в наполненной азотом камере появляются ядра водорода? Может быть, камера плохо очищена? Или?.. Проверить, обязательно проверить.

Первая мировая война разрушила все планы. За несколько дней опустела лаборатория. В английской армии сражался Марсден, а против него, в германской, - его друг и ближайший сотрудник Резерфорда Ганс Гейгер. На фронте погиб любимый ученик Резерфорда - Генри Мозли.

Резерфорд с несколькими лаборантами, бросив научные исследования, занялся созданием прибора для обнаружения подводных лодок.

Но в мыслях он постоянно возвращался к необычным результатам, полученным Марсденом перед самой войной. А что, если камера была откачана чисто? Что, если Марсден считал на экране не ядра атомов водорода? Но что тогда?

И Резерфорд, радуясь и страшась этой мысли, по ночам проверял опыты своего ученика. Много раз откачивал он камеру, в ней, казалось, уже не должно было остаться ни одного атома водорода. Но стоило Резерфорду заполнить ее азотом, как на экране снова появлялись вспышки.

Как ему не хватало в эти минуты его европейских друзей, как ему мешала война! Она не только разобщила ученых, но и затормозила развитие науки.

И Резерфорд писал своему другу, датскому физику Нильсу Бору, в конце 1916 года: "Я обнаруживаю и подсчитываю легкие атомы, приводимые в движение альфа-частицами, и эти результаты проливают яркий свет на характер и распределение сил вблизи ядра. Я пытаюсь таким же методом взломать атом".

И дальше, самое главное: "Я получил некоторые, как мне кажется, довольно удивительные результаты, но потребуется тяжелый и продолжительный труд, чтобы представить надежные доказательства моих выводов".

Что же это за "некоторые" результаты? Ни много ни мало, а первая в мире ядерная реакция! Первое искусственное расщепление альфа-частицей ядра азота, сопровождающееся вылетом более легкого ядра атома водорода.

Исследователь попеременно заполнял камеру то азотом, то воздухом, то чистым кислородом. И в первом, и во втором, и в третьем случаях экран выдавал присутствие ядер водорода. Но список исследованных элементов очень скоро оборвался - более тяжелые ядра были недоступны альфа-частицам малой энергии.

Резерфорду, однако, полученных результатов было вполне достаточно. Он уже не сомневался в том, что нашел ту самую положительно заряженную "деталь", которую включают в себя все атомные ядра.

Этот вывод подтверждался и теми учеными, которые тоже искали самую легкую частицу с положительным зарядом в разрядной трубке. Там в обратную сторону - от анода к катоду - двигался поток ионов газа, то есть двигались атомы с содранными электронами. И самой легкой частицей среди них оказалось ядро атома водорода, потерявшего свой единственный электрон.

Так "родилась" на свет вторая элементарная частица - протон - ядро атома водорода.

Протон в две тысячи раз тяжелее электрона. Он пряностью соответствовал представлению ученых о возможном носителе положительного заряда в атоме, прекрасно ассоциируясь с огромной массой атомного ядра.

Открытию не сопутствовала ни борьба с канонами науки, ни преодоление психологического барьера. Можно сказать, что весь шум и всю кровь научных баталий взял на себя электрон.

И вот перед физиками лежали два основных "кирпича" материи. И физики вроде бы были этим весьма довольны. Любое вещество строилось у них из атомов, атомы же, в свою очередь, - из электронов и ядер.

Но и тут отыскалась логическая прореха. Ядро атома, несомненно, устойчиво, но вот как представить себе устойчивое ядро, состоящее из одних протонов? Ведь нельзя же, в самом деле, взять да и отменить электрическое отталкивание между частицами с зарядом одинакового знака!

В те годы еще ничего не знали о ядерных силах притяжения между частицами. Поэтому выход нашли в искусственной, чисто умозрительной конструкции, решив, что ядро содержит протоны плюс электроны, уравновешивающие электростатические силы.

До чего простая и вместе с тем приятная для глаза картина! О такой картине строения мира можно только мечтать: никакой сутолоки десятков "простейших, неделимых" атомов. Вместо них - всего две элементарные частицы: легкий электрон и тяжелый протон.