Текст книги "Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности"

Автор книги: Манжит Кумар

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 32 страниц)

“Предлагаемая мною структура атома чем-то напоминает Вашу, представленную в опубликованной несколько лет назад работе”, – поблагодарил Резерфорд в ответном письме. Однако, несмотря на сходство моделей, между ними было очень важное отличие. В модели Нагаоки тяжелая положительно заряженная центральная часть занимала почти весь плоский, похожий на блин атом. А в сферической модели Резерфорда крошечное положительно заряженное ядро, сосредоточившее в себе практически всю массу атома, расположено в его центре, а сам атом остается практически пустым. Но у обеих моделей имелся неустранимый дефект, из-за которого практически никто из физиков не отнесся к ним серьезно.

Дело в том, что атом, у которого неподвижные электроны расположены вокруг положительно заряженного ядра, нестабилен: отрицательно заряженные электроны неудержимо притягиваются к ядру. Если же они вращаются вокруг ядра наподобие планет, вращающихся вокруг Солнца, атом все равно разрушится. Еще Ньютон показал, что движение по кругу всегда происходит с ускорением. А согласно теории Максвелла, если заряженная частица, каковой является электрон, движется с ускорением, она излучает электромагнитные волны и непрерывно теряет энергию. Вращающийся вокруг ядра электрон, двигаясь по спирали, упадет на ядро за время порядка одной тысячной от одной миллиардной секунды. Само существование материального мира свидетельствовало против наличия ядра у атома.

Резерфорд давно знал об этой, казалось, непреодолимой трудности. В книге “Радиоактивные превращения”, изданной еще в 1906 году, он писал: “Неизбежная потеря энергии двигающимся с ускорением электроном вызывает наибольшие затруднения при попытке понять устройство стабильного атома”⁵³. Но в 1911 году он предпочел не обращать внимания на эту трудность: “На этой стадии не стоит останавливаться на вопросе о стабильности атома. Она, очевидно, определяется мгновенной структурой атома и движением составляющих его заряженных частей”⁵⁴.

В первый раз Гейгер проверил формулу рассеяния Резерфорда быстро и недостаточно тщательно. Теперь вместе с Марсденом он потратил на измерения почти год. К июлю 1912 года результаты полностью подтвердили и саму формулу, и основные выводы теории Резерфорда⁵⁵. Пройдут годы, и Марсден напишет: “Эта тотальная проверка была трудоемкой, но захватывающей задачей”⁵⁶. В процессе работы они также поняли, что, с учетом ошибки эксперимента, заряд ядра атома данного элемента приблизительно равен половине его атомного веса. Это означало, что за исключением водорода, атомный вес которого равен единице, число электронов в атомах всех других элементов тоже должно приблизительно равняться половине атомного веса. Теперь можно было определить точное число электронов, например, в атоме гелия. Оно равно двум, а не двум, или трем, или четырем, как ранее предполагалось. Однако уменьшение числа электронов означало, что атом Резерфорда должен излучать энергию еще интенсивнее.

Когда Резерфорд подробно пересказывал Бору все, что обсуждалось на I Сольвеевском конгрессе, он забыл отметить, что в Брюсселе ни он, ни другие не упоминали теорию ядра атома Бора.

Сотрудничество с Томсоном, о котором мечтал Бор в Кембридже, не сложилось. Много позднее Бор назвал одну из возможных причин неудачи: “Я недостаточно хорошо знал английский и поэтому не знал, как выразить свои мысли. Я мог только указать на ошибку, но, похоже, он не нуждался в подобных указаниях”⁵⁷. Томсон вообще имел дурную репутацию человека, не читающего работ и писем своих студентов и коллег. Кроме того, к этому времени он уже перестал активно интересоваться физикой электронов.

Чары Томсона развеялись. В начале декабря Бор еще раз столкнулся с Резерфордом на традиционной ежегодной встрече аспирантов Кавендишской лаборатории – шумной вечеринке с тостами, песнями и чтением лимериков, заканчивавшейся обедом из десяти перемен. Резерфорд опять произвел на Бора сильное впечатление, и последний всерьез задумался, не поменять ли Кембридж и Томсона на Манчестер и Резерфорда. Через месяц он поехал в Манчестер, чтобы обсудить эту возможность с Резерфордом. Молодой человек, решившийся на целый год разлучиться со своей невестой, отчаянно пытался сделать нечто очень важное, что могло бы оправдать его. Бор сказал Томсону, что хочет “понять, что такое радиоактивность”, и получил разрешение оставить Кембридж в конце нового семестра⁵⁸. “В Кембридже, – заметил он много лет спустя, – было очень интересно, но время было потрачено абсолютно впустую”⁵⁹.

Бору оставалось провести в Англии всего четыре месяца, когда в середине марта 1912 года он приехал в Манчестер. Здесь он собирался прослушать семинедельный курс по технике экспериментов с радиоактивными веществами. Времени было очень мало, и все вечера Бор проводил, пытаясь понять, как физика электронов может помочь лучше разобраться в свойствах металлов. Под руководством Гейгера и Марсдена он успешно окончил курс, и Резерфорд предложил ему выполнить небольшое самостоятельное исследование.

“Резерфорд – человек, в котором невозможно ошибиться, – писал Бор Харальду. – Он регулярно заходит, чтобы поинтересоваться, как идут дела, и обсудить все до мельчайших подробностей”⁶⁰. В отличие от Томсона, совсем, по мнению Бора, не обращавшего внимания на учеников, Резерфорд “интересуется работой всех своих сотрудников”. Он обладал сверхъестественной способностью распознавать таланты. Одиннадцать его учеников и несколько соавторов стали лауреатами Нобелевской премии. Когда Бор появился в Манчестере, Резерфорд написал одному из друзей: “Бор, датчанин, выбрался из Кембриджа и явился сюда, чтобы поучиться работать с радиоактивностью”⁶¹. Тогда Бор еще не сделал ничего такого, что отличало бы его от энергичных молодых людей, работавших в лаборатории Резерфорда, кроме одного – он был теоретиком.

Вообще-то Резерфорд не очень ценил теоретиков и никогда не упускал возможности пройтись на их счет. “Они играют со своими символами, – сказал он однажды коллеге, – а мы добываем действительно неоспоримые факты, объясняющие устройство природы”⁶². Другой раз, когда его пригласили прочесть лекцию о направлениях развития современной физики, он ответил: “Я не могу прочесть целую лекцию об этом. Единственное, что я мог бы сказать, так это то, что физики-теоретики подняли головы, и самое время нам, экспериментаторам, помочь им опустить их”⁶³. Однако двадцатишестилетнего датчанина он сразу полюбил: “Бор другой. Он играет в футбол”⁶⁴.

Каждый день к вечеру работа в лаборатории останавливалась. Все аспиранты и сотрудники собирались поболтать за чаем, к которому подавались пирожные и бутерброды. Резерфорд посещал эти собрания. Он восседал в кресле и был готов поддержать разговор на любую тему. Чаще всего, впрочем, говорили о физике, в частности об атомах и радиоактивности. Резерфорду удалось создать на этих собраниях атмосферу открытости и дружелюбия, и там никто не боялся говорить – даже новички. Душой компании был Резерфорд. Бор знал, что он всегда готов “выслушать любого юнца, когда было ясно, что у него на уме хоть что-то есть”⁶⁵. Единственное, чего не выносил Резерфорд, так это “напыщенности”. Говорить на этих собраниях Бору нравилось.

В отличие от Эйнштейна, свободно говорившего и писавшего, Бор (неважно, говорил ли он по-датски, по-английски или по-немецки) часто останавливался и подбирал слова. Бывало, во время разговора Бор просто думал вслух, пытаясь прояснить для себя какой-то вопрос. Именно за чаем он познакомился с Дьёрдем (Георгом Карлом) фон Хевеши, который в 1943 году получил Нобелевскую премию по химии за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов. Его работы широко используются для диагностики в медицине, они нашли широкое применение в химии и биологии.

Чужие в стране, языком которой им еще предстояло по-настоящему овладеть, они быстро стала друзьями. Их дружба длилась всю жизнь. “Он знал, как помочь иностранцу”, – сказал о Хевеши Бор, вспоминая, как этот молодой человек, всего на несколько месяцев старше его, помог ему включиться в жизнь лаборатории⁶⁶. Именно разговоры с Хевеши, рассказавшим Бору, что число открытых новых радиоактивных элементов уже таково, что в периодической таблице для них не хватает места, заставили его задуматься о том, как устроены атомы. Даже названия этих “радиоэлементов”, появляющихся в большом количестве при радиоактивном распаде атомов, отражали некоторую неуверенность и замешательство в определении их истинного места в мире атомов. Это были уран X, актиний В, торий С и другие. Но, как сказал Хевеши, возможно, у этой проблемы есть решение. Его предложил Фредерик Содди, работавший в Монреале с Резерфордом.

В 1907 году стало ясно, что два элемента, получающиеся при радиоактивном распаде (торий и радиоактивный торий) обладают разными физическими, но абсолютно идентичными химическими свойствами. Чтобы разделить их, ставились различные химические опыты, но все безрезультатно. В течение нескольких последующих лет был открыт еще ряд таких неразделяемых химически элементов. Фредерик Содди, обосновавшийся к тому времени в Глазго, предположил: атомный вес – единственное, что отличает эти новые радиоактивные элементы от их известных “полных химических аналогов”⁶⁷. Они напоминают близнецов, вес которых немного отличается.

В 1910 году Содди высказал предположение, что неразделимые химическими методами радиоактивные элементы (позднее он назвал их изотопами) – просто разные формы одного и того же элемента, и поэтому все они должны занимать одну и ту же клетку в периодической таблице⁶⁸. Эта идея противоречила принятым правилам размещения элементов в периодической таблице: элементы располагались в порядке возрастания их атомного веса. Первым был водород, последним – уран. Но тот факт, что и радиоторий, и радиоактиний, и ионий, и уран X с точки зрения химии идентичны торию, убедительно свидетельствовал в пользу существования изотопов Содди⁶⁹.

До разговоров с Хевеши Бор не проявлял интереса к модели атома Резерфорда. Но теперь у него возникла идея: различать атомы только по их физическим и химическим свойствам недостаточно, надо учитывать и различие ядер атомов. Не обращая внимания на неизбежность коллапса атома с ядром, Бор отнесся к модели Резерфорда с полной серьезностью и попытался согласовать наличие изотопов с использованием атомных весов для упорядочения периодической таблицы. “После этого, – скажет он позднее, – все встало на свои места”⁷⁰.

Бор понял, что число электронов в атоме Резерфорда задается зарядом ядра. Поскольку атом нейтрален, то есть не обладает отличным от нуля зарядом, очевидно, что положительный заряд ядра должен компенсироваться суммарным отрицательным зарядом всех его электронов. Поэтому атом водорода в модели Резерфорда должен состоять из ядра с зарядом плюс один и одного электрона с зарядом минус один.

Рис. 5. Периодическая таблица химических элементов (Летом 2012 года Международный союз теоретической и прикладной химии утвердил названия элементов 114 и 116: флеровий (Н) и ливерморий (Lv). – Прuм. ред.)

Атом гелия, заряд ядра которого равен плюс двум, должен содержать два электрона. Увеличение заряда ядра при одновременном увеличении числа электронов позволяло выстроить по порядку элементы от водорода до самого тяжелого известного в то время элемента – урана (заряд ядра равен 92).

Бору было очевидно, что именно заряд ядра определяет положение атома в периодической таблице. Отсюда оставался один шаг до теории изотопов. Именно Бор, а не Содди, понял, что заряд ядра, а не атомный вес объединяет радиоактивные элементы, обладающие одинаковыми химическими, но различными физическими свойствами. Периодическая таблица может вместить и радиоактивные элементы – надо только расположить их в соответствии с зарядом их ядра.

Теперь Бор смог объяснить, почему Хевеши не удается разделить свинец и радий D. Если электроны определяют химические свойства, то любые два элемента с одинаковым числом и одинаковой конфигурацией электронов будут химически неразличимы. Так, свинец и радий D имеют один и тот же заряд ядра (82) и поэтому одно и то же число электронов (82), что делает идентичными их химические свойства. При этом свинец и радий D отличаются по своим физическим свойствам, поскольку различны массы их ядер. Масса ядра свинца примерно равна 207, радия D — 210. Отсюда Бор вывел, что радий D – это изотоп свинца и поэтому не может быть отделен от него при химических экспериментах. Позднее все изотопы стали называть так, как и элементы, изотопами которых они являются. Указывают только атомный вес изотопа: так, радий D – это свинец-210.

Бор ухватил суть: радиоактивность – явление, связанное с ядрами, а не с атомами. Это позволило ему объяснить на ядерном уровне процесс радиоактивного распада, когда один радиоактивный элемент превращается в другой с испусканием α-, β– или γ-излучения. Бор отдавал себе отчет в том, что если радиоактивность связана с ядерными процессами, то при превращении ядра урана с зарядом плюс 92 в уран X путем испускания α-частицы теряются две единицы положительного заряда и образуется ядро с зарядом плюс 90. Это новое ядро не может удержать все 92 электрона свинца, поэтому оно быстро теряет два из них, что приводит к появлению нового нейтрального атома. Каждый новый атом, образующийся в результате радиоактивного распада, чтобы остаться нейтральным, немедленно приобретает либо теряет электроны. Уран X с зарядом ядра плюс 90 является изотопом тория. Они оба, объяснял Бор, “обладают одним и тем же зарядом ядра и отличаются только массой и внутренней структурой ядер”⁷¹. Именно поэтому не удается разделить торий (атомный вес 232) и уран X, то есть торий-234.

Теория Бора описывала, что происходит на ядерном уровне при радиоактивном расщеплении элементов. Из нее, скажет Бор позднее, следовало, что “при радиоактивном распаде элемент, совершенно независимо от изменения его атомного веса, может сдвинуться со своего места в периодической таблице на две клетки назад или на одну клетку вперед. Это означает уменьшение или увеличение заряда ядра, сопровождающееся испусканием, соответственно, α– или β-лучей”⁷². Уран, распадающийся с испусканием альфа-частицы, превращается в торий-234 и переходит на две клетки назад в периодической таблице.

Бета-частицы, представляющие собой быстрые электроны, обладают отрицательным зарядом, равным минус единице. Если ядро испускает одну β-частицу, то его положительный заряд увеличивается на единицу. Это похоже на то, как если бы две частицы, одна заряженная положительно, а другая – отрицательно, мирно существовали в виде нейтральной пары, которая разрывается на части, испуская электрон и оставляя положительно заряженный осколок. Ядро нового атома, образующегося при β-распаде, обладает зарядом на единицу больше, чем распавшийся атом, и, следовательно, сдвигается в периодической таблице на одну клетку вперед.

Когда Бор решился рассказать обо всем этом Резерфорду, тот предостерег его и заметил, что опасно “экстраполировать достаточно скудные экспериментальные данные”⁷³. Обескураженный холодным приемом, Бор попытался убедить Резерфорда, что такая теория “будет решающим доказательством справедливости его модели атома”⁷⁴. Он потерпел фиаско. В какой-то степени это произошло из-за того, что Бор не сумел ясно изложить свои мысли. В это время Резерфорд писал книгу. Он был занят и не нашел времени, чтобы полностью осмыслить значение сделанного Бором. Резерфорд верил, что хотя альфа-частицы и испускаются ядрами, бета-частицы суть просто электроны, каким-то образом выталкиваемые из радиоактивного атома. Хотя Бор целых пять раз пытался переубедить Резерфорда, тот по-прежнему сомневался в логической последовательности его выводов⁷⁵. Чувствуя, что Резерфорд “немного раздражен” и им самим, и его идеями, Бор решил оставить все, как есть⁷⁶. Однако другие этого не допустили.

Очень скоро Фредерик Содди нащупал тот же “закон смещения”, что и Бор, однако он мог, в отличие от молодого датчанина, публиковать свои работы без согласия руководителя. Никто не был удивлен, что именно Содди может прорвать линию фронта. Но уж никто не мог предположить, что эксцентричный сорокадвухлетний голландский юрист станет автором такой принципиально важной идеи. В июле 1911 года Антониус Иоханнес ван ден Брук опубликовал в журнале “Нейчур” небольшую статью. Он предположил, что заряд ядра элемента определяется не его атомным весом, а местом в периодической таблице, его атомным номером. Хотя ван ден Брук исходил из модели атома Резерфорда, его выводы основывались на оказавшихся неверными предположениях. Например, он считал, что заряд ядра элемента равен половине его атомного веса. Резерфорд был заметно раздражен тем, что юрист опубликовал “смеха ради кучу догадок безо всякого научного обоснования”⁷⁷.

Не дождавшись поддержки, 27 ноября 1913 года ван ден Брук опубликовал в “Нейчур” еще одну статью, в которой отбросил предположение о равенстве заряда ядра половине его атомного веса. Теперь он основывался на опубликованных Гейгером и Марсденом результатах детального исследования рассеяния альфа-частиц. А еще неделей позже Содди написал в “Нейчур” письмо, в котором утверждалось, что идея ван ден Брука объясняет сущность закона смещения. Затем последовало одобрение Резерфорда: “Мне кажется многообещающим предположение ван ден Брука о том, что заряд на ядре равен его атомному номеру, а не половине атомного веса”. Когда были написаны эти лестные слова в поддержку ван ден Брука, прошло чуть более восемнадцати месяцев с тех пор, как Резерфорд сам посоветовал Бору перестать заниматься похожей задачей.

Бор никогда не жаловался, что из-за отсутствия у Резерфорда энтузиазма не он первый опубликовал трактовку роли атомного номера. За работы на эту тему в 1921 году Содди была присуждена Нобелевская премия по химии⁷⁸. “Уверенность в правильности своих оценок, восхищение его неординарной личностью вдохновляли всех, работавших в его лаборатории, и заставляли приложить максимум усилий, чтобы быть достойным того неподдельного неослабевающего интереса, который он проявлял к работе каждого”, – позднее вспоминал Бор о Резерфорде⁷⁹. Одним словом, Бор продолжал работать, стараясь заслужить одобрение Резерфорда – “самую высокую оценку, о которой каждый из нас мог только мечтать”⁸⁰. Он был великодушен там, где у других осталось бы чувство разочарования и горечи.

После того как Резерфорд отговорил Бора от публикации, тот наткнулся на статью, которая привлекла его внимание⁸¹. Это была работа Чарльза Галтона Дарвина – единственного теоретика из группы Резерфорда и внука великого натуралиста. Дарвин вычислил потери энергии α-частицами при прохождении через вещество, а не при рассеянии на атомных ядрах. Используя свою модель атома, эту задачу уже решил Джозеф Джон Томсон. Теперь Дарвин пересмотрел его решение, исходя из модели атома Резерфорда.

Модель атома Резерфорда опиралась на данные Гейгера и Марсдена о рассеянии α-частиц на большие углы. Резерфорд, понимая, что электроны атома не могут быть ответственны за рассеяние на такие углы, не учитывал их вовсе. При выводе закона рассеяния α-частиц, определяющего долю этих частиц, отклонившихся на заданный угол, Резерфорд считал атомы голыми ядрами. Затем он просто помещал ядро в центр атома и окружал его электронами, не заботясь об их расположении. Дарвин принял аналогичный подход, но он рассматривал не влияние ядра атома на проходящие через вещество α-частицы, а сосредоточился на том, как на них воздействуют электроны атома. Он указывал, что при прохождении α-частиц через вещество потери энергии определяются в основном их столкновениями с электронами атома.

Дарвин не знал твердо, как расположены электроны внутри атома. Лучшее, что он смог придумать, это что они равномерно распределены по объему атома либо по его поверхности: результат зависел только от величины заряда ядра и радиуса атома. Дарвин обнаружил, что полученные им значения радиусов различных атомов не согласуются с принятыми оценками. Читая его статью, Бор сразу нашел то место, где Дарвин ошибся: он считал отрицательно заряженные электроны внутри атома свободными, тогда как они связаны с положительно заряженным ядром.

Бор отлично умел видеть и использовать недостатки имеющихся теорий. Это искусство исправно служило ему всю его долгую научную жизнь. Часто свою работу он начинал с определения ошибок и противоречий в чужих работах. В данном случае отправной точкой послужила ошибка Дарвина. Резерфорд рассматривал только ядро, а Дарвин – только электроны атома, но не их влияние друг на друга. Бор понял, что теория, позволяющая объяснить, как альфа-частицы взаимодействуют с электронами в атоме, должна строиться с учетом его истинной структуры⁸². Оставив переживания, связанные с Резерфордом, Бор взялся за исправление ошибки Дарвина.

В это время Бор, обычно писавший много писем, замолчал. “Не волнуйся, у меня все в порядке, – успокаивал он Харальда. – Несколько дней назад мне пришло в голову кое-что, связанное с объяснением поглощения альфа-лучей. Это произошло так: работающий здесь молодой математик Ч.Г. Дарвин, внук того самого Дарвина, только что опубликовал статью по этому поводу. Мне кажется, что там не только есть математическая ошибка (хотя и не очень существенная), но, главное, что-то не так с основополагающими предположениями. Я занимаюсь построением теории, которая, если даже окажется не совсем правильной, возможно, поможет пролить свет на вопросы, касающиеся структуры атомов. Я планирую вскоре опубликовать небольшую статью по этому поводу”⁸³. То, что ходить в лабораторию не обязательно, “очень помогает в работе над этой задачкой”⁸⁴.

Пока его догадки не были облечены в плоть и кровь, единственным человеком в Манчестере, которому Бор рассказал о них, был Резерфорд. Хотя Резерфорда и удивил ход мыслей молодого датчанина, на сей раз он внимательно выслушал и поддержал его. После этого разговора Бор вообще перестал ходить в лабораторию. Он торопился: его пребывание в Манчестере близилось к концу. “Мне удалось кое-что понять, но, конечно, работа займет больше времени, чем мне по глупости казалось, – написал он Харальду 17 июля, ровно через месяц после того, как поделился с ним секретом. – Я надеюсь, у меня будет готова небольшая заметка, которую можно будет показать Резерфорду до того, как я уеду. Я ужасно, ужасно занят, но невероятная жара здесь, в Манчестере, не способствует прилежанию. Как мне хочется поговорить с тобой!”⁸⁵ Ему хотелось рассказать брату, что он надеется починить разваливающийся атом с ядром Резерфорда. Его атом должен был стать квантовым.