Текст книги "У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро"

Автор книги: Роджер Оррит

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 8 страниц)

Roger Corcho Orrit
У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Еженедельное издание

ISSN 2409-0069

Пер. с исп. – М.: Де Агостини, 2015. – 160 с.

© Roger Corcho Orrit, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

Введение

«Все тела состоят из атомов». По мнению американского ученого Ричарда Фейнмана, этот тезис является самым важным в истории физики и его нужно постараться сохранить даже в случае катастрофы, которая уничтожит все приобретенные на настоящий момент знания.

Атомы можно считать элементами, формирующими реальность вокруг нас. Они располагаются изолированно или соединяются друг с другом, создавая молекулы и кристаллические структуры, а ядра атомов могут сливаться, образуя более крупные атомы, как это происходит в недрах звезд. Результатом такого разнообразия атомов является Вселенная, какой мы ее знаем. На заре западной цивилизации один греческий философ взял на себя смелость утверждать, что во Вселенной есть только атомы и пустота (речь идет о Левкиппе из Милета, V в. до н.э.), но до начала XX века физики, и Эрнест Резерфорд в их числе, не могли объяснить, из чего состоит материя.

Атомы – мельчайшие частицы. Для того чтобы говорить об их размере, необходимо было ввести специальную единицу измерения, ангстрем. Один ангстрем равен 10-1⁰ метра, то есть это десятимиллионная доля миллиметра; размер атома соответствует примерно одной такой доле. Физики XX века доказали, что атом не является неделимым, его внутренняя структура сформирована из более мелких элементов, субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. На сегодняшний день считается, что материю можно описать в виде множества частиц (с общим названием фермионы), среди которых различают два основных типа: кварки и лептоны. Они в свою очередь разделяются на подтипы, обладающие дифференцирующими свойствами; кроме того, определенные их комбинации делают материю такой, какой мы ее знаем. Данная гипотеза, описывающая фундаментальные силы и взаимодействия между частицами, позволяет объяснить формирование, распад и особенности атомов, и в физике частиц известна как «стандартная модель».

Учитывая «зернистость» окружающей материи, объяснение, почему такое множество частиц объединяется в совершенный механизм, – это вызов всему человечеству. Согласно оценкам, Вселенная состоит из 10⁷⁸ атомов (число с 78 нулями!); с другой стороны, тело человека содержит 10²⁷ атомов: в основном это кислород, углерод и водород, формирующие клетки, которые полностью обновляются в течение пятилетних циклов.

Возникает вопрос: если все состоит из атомов, дает ли их изучение ключ к пониманию Вселенной? Как подчеркнул нидерландский физик Мартинус Велтман, «узнать все о физике элементарных частиц – значит, узнать все обо всем». Хотя Велтман подразумевает пристрастное видение «всего», благодаря изучению атомов стало возможным научное объяснение происхождения и эволюции Вселенной. Вместе с тем пришло и понимание, как после Большого взрыва сформировалась первоначальная смесь кварков, образовавшая ядра дейтерия и гелия, и те в комбинации с электронами стали основой атомов. Из уплотнений материи и энергии сформировались звезды, галактики и так далее, где начались процессы, ведущие к более массовому «производству» атомов и их комбинаций, вплоть до такой сложной системы, как жизнь.

Исторически атом можно представить в виде своеобразного предела человеческого любопытства. Атомы, неделимые частицы, были некими базовыми единицами, подобными аксиомам евклидовой геометрии. Возможности их глубокого познания ограниченны для нас, как и возможности понимания безграничности Вселенной.

Осознание, что Вселенная не оканчивается там, где человечество представляло это с древних времен, что атомы не являются минимальной составляющей материи, стало основной вехой в истории науки, в особенности за последние два столетия.

Как изучать атомы? Сегодня считается, что все окружающее нас состоит из атомов. Однако их размер настолько незначителен, что ученые веками сомневались в самом их существовании. В начале XX века проблему атома физики рассматривали, как в индийской притче про шестерых слепых мудрецов, в которой один ощупывал хобот, другой – бок, третий – бивень, четвертый – ногу, пятый – хвост, шестой – уши... Таким образом, восприятие реальности основывалось на несопоставимых явлениях. С разных точек зрения, то есть при рассмотрении излучения, броуновского движения, спектров испускания и поглощения, были очевидны признаки существования атомов, но только косвенные признаки, поэтому для многих ученых атомная гипотеза представлялась скорее метафизической, иначе говоря, была пустословием.

Физик Эрнест Резерфорд, человек крепкого сложения и любитель регби, стал тем, кто взломал сейф, который на тот момент представляла собой проблема атома, и это помогло увидеть атом изнутри. Такова одна из причин, почему Резерфорд считается крупнейшим физиком-экспериментатором XX века. Благодаря его методам и исследовательским приемам стало возможным изучение фундаментальной структуры, общей для всех атомов. Для решения этой глобальной задачи он воспользовался простыми и изящными приемами. Сегодня в нашем распоряжении – сложные ускорители частиц и совершенные детекторы, позволяющие исследовать еще более фундаментальные элементы материи на основе столкновений и при высоком уровне контроля и точности. Но в распоряжении Резерфорда не было устройств, даже отдаленно напоминающих эти. Тем не менее он смог обнаружить, что внутри атома находится еще более мелкая структура, размером сопоставимая с мухой, пролетающей под сводами собора, или с булавочной головкой на футбольном стадионе, – и дал ей название «ядро». Вслед за этим открытием прояснился следующий парадокс: в ядре сконцентрирована большая часть массы атома. Гигантскую пустоту, составляющую атом, пересекают только электроны. По своей эпохальности обнаружение ядра сравнимо с открытием Америки или высадкой первого человека на Луну.

Новозеландский физик доказал, что до сих пор об атоме ничего не было известно и что атомы дают огромное поле для исследований и открытий, которые нужно и предстоит сделать. Это был не конец пути, а скорее доступ к новому миру, который, как выяснилось позже, управлялся другими законами, отличными от тех, что мы наблюдаем каждодневно. Детали стали складываться в единую картину благодаря другим физикам, начиная с Нильса Бора. Атом больше не рассматривали с классической позиции и наконец отнесли его к понятиям удивительного и загадочного квантового мира.

Но Резерфорд не просто открыл целую вселенную внутри атомов, но также реализовал мечту, казавшуюся безумной. Трансмутация (превращение одного вещества в другое) была заветным стремлением человека со времен Средневековья – именно так возникла алхимия. Получение из латуни золота считалось одним из трюков, вроде сгибания ложек, до тех пор, пока Резерфорд не доказал, что химическое превращение – по сути физическое явление, которое возможно как в естественных, так и в искусственных условиях.

Превращение выявляло, что атомы подчинены определенному порядку и тесно взаимосвязаны. Элементы (железо, золото, кислород и др.) – не чуждые друг другу несовместимые категории. Несмотря на различия, обнаруживалось необыкновенное сходство, делавшее возможным превращение одного элемента в другой. Так же как Дарвин обосновал, что все живые существа имеют общего предка, было доказано, что все атомы происходят от водорода. Превращение элементов показало, что ядро можно разделить надвое. Для Резерфорда этот процесс – названный расщеплением ядра, который изучал физик Отто Ган, работавший с Резерфордом и Лизой Мейтнер, – был незначительным и практически не выделял энергии. Однако согласно известному уравнению Эйнштейна Е – mc², существует прямая взаимозависимость между массой и энергией, что позволяет понять энергетические явления, которые влечет за собой изменение массы внутренней структуры материи.

Нобелевская премия, которую Резерфорд получил в 1908 году, к его удивлению, была присуждена в сфере химии за «проведенные исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Это одна из многочисленных наград, которых он удостоился за свою работу. В результате нескольких случайностей Резерфорд также открыл альфа-, бета– и гамма-излучение. В своих исследованиях он находился на уровне выдающихся исследователей своей эпохи: семьи Кюри и Антуана Анри Беккереля.

Будучи экспериментатором, Резерфорд любил работу в лаборатории, упрямо отвергал чисто теоретические модели, не переносил математические трудности. Он был очень дисциплинированным и методичным, обладал способностью обнаруживать связь между понятиями и явлениями. Так, впервые благодаря радиоактивности он определил возраст Земли. Радиоактивность проливала свет на фундаментальную геологическую проблему, по которой ученые в ту пору еще не пришли к консенсусу.

Резерфорд относился к поколению ученых, работавших в одиночку с малочисленной командой помощников. Причем он обладал даром привлекать талантливых исследователей и вдохновлять их, и это объясняет тот факт, что 11 его сотрудников удостоились Нобелевской премии. Бесценный и объемный вклад Резерфорда в науку повлиял на последующие поколения ученых, которые осознали необходимость собираться во все более крупные коллективы, часто международные, и разделять части работы; им требовались все более значительные инвестиции, инфраструктура и оборудование. Все это ставит Эрнеста Резерфорда на ключевую позицию в истории науки: его наследие не только дало нам новые знания, но и позволило по-новому взглянуть на труд ученого.

1871 30 августа в Нельсоне, Новая Зеландия, появляется на свет Эрнест Резерфорд.

1880 Резерфорд поступает в университет Кентербери, что стало возможным благодаря получению им стипендии.

1894 Проводит эксперименты с радиоволнами, разрабатывает беспроволочный телеграф.

1895 Назначается научным ассистентом Дж. Дж. Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Изучает рентгеновское излучение и после – излучение, открытое Анри Беккерелем.

1898 Получает место в университете Макгилла (Монреаль, Канада). Измеряет альфа– и бета-лучи.

1900 Резерфорд заключает брак с Мэри Ньютон. Через год на свет появляется Эйлин, их единственная дочь.

1902 Вместе с Фредериком Содди публикует статью по теории радиоактивного распада, объясняющей эманацию тория и кривые распада.

1904 Публикует свой первый труд «Радиоактивность», давший начало новой ветви физики. Рассчитывает возраст Земли.

1907 Получает должность профессора в Манчестерском университете. Вместе с Хансом Гейгером разрабатывает детектор альфа-частиц. Обнаруживает альфа-частицы в потоке ядер гелия.

1908 Получает Нобелевскую премию в области химии.

1910 Предлагает модель атома, в которой ядро сосредоточивает в себе почти всю массу атома.

1913 Публикует труд «Радиоактивные вещества и их излучение».

1915 Приступает к исследованиям в области гидролокации, которые лягут в основу разработки сонара.

1917 Наблюдает первый искусственный атомный распад материи, превращая азот в кислород.

1919 Становится директором Кавендишской лаборатории и профессором Кембриджского университета.

1920 Предсказывает существование нейтрона.

1925 Становится президентом Лондонского Королевского общества.

1930 Во время родов четвертого ребенка умирает дочь Резерфорда Эйлин.

1932 В Кавендишской лаборатории Джеймс Чедвик объявляет об открытии нейтрона. Эрнест Уолтон и Джон Кокрофт сообщают, что в их ускорителе частиц удалось расщепить ядро атома.

1937 19 октября Резерфорд умирает в Кембридже в результате осложнений после частичного ущемления пупочной грыжи.

ГЛАВА 1
Открытие атомного ядра

Открытие ядра атома стало незабываемым моментом в истории физики. Резерфорду оно позволило разработать новую модель атома, структурно похожую на миниатюрную планетарную систему: с протонами в ядре и электронами, вращающимися вокруг по определенным орбитам.

Крокодил. Под этим прозвищем Эрнест Резерфорд был известен всем студентам, уже будучи почтенным и уважаемым ученым. Так назвал его Петр Капица, ученик из СССР, подразумевая отеческий образ. Но в этой характеристике присутствовал и оттенок доброжелательного ехидства: крокодил неспособен поворачивать голову и смотрит только вперед, гибкость – не его черта. Резерфорд обладал сильным характером, был одержим фактами и доказательствами. Один из его боевых кличей – "Дай мне факты, и как можно скорее!" Не только студенты становились свидетелями этой непоколебимой требовательности. Известен случай, когда рабочему, нанятому для сооружения стены в лаборатории, несколько раз приходилось прерываться, так как Резерфорд кричал ему, что хочет немедленно видеть результаты его деятельности, путая беднягу с одним из исследователей.

Несомненно, страсть к получению доказательств сделала Резерфорда лучшим экспериментатором своей эпохи и одним из выдающихся ученых всех времен. Плоды скрупулезного 30-летнего труда обеспечили его вклад в науку, причем самые значительные успехи были достигнуты им уже после получения Нобелевской премии. Кроме того, он взрастил несколько поколений физиков, засиявших на звездном небосклоне позднее, но начало их пути и стимул к развитию успешной карьеры были связаны с именем Резерфорда.

ЭКСПЕРИМЕНТ РЕЗЕРФОРДА

Среди множества открытий, сделанных Резерфордом, особого внимания заслуживает обнаружение им атомного ядра. В конце 1910 года Резерфорд объявил друзьям и знакомым: «Я уже знаю, как устроены атомы». Это не было неожиданным озарением. Он почти два года обдумывал любопытное явление, отмеченное в ходе эксперимента, который должен был, по его мнению, объяснить строение атомов. «Момент эврики» наступил, когда ученый понял, что внутри атома есть образование, которое он назвал ядром. Наличие ядра предположительно было общей характеристикой для всех атомов всех элементов.

Годы спустя он завершил свою работу, обнаружив протон, положительно заряженную частицу, составляющую часть ядра. В начале XX века, когда в научном мире только-только было достигнуто некоторое согласие в отношении существования атомов, для Резерфорда стало очевидным их внутреннее строение.

Перенесемся в май 1909 года. Резерфорд недавно получил Нобелевскую премию и руководит лабораториями Манчестерского университета, одними из самых престижных в мире. В этот момент Ханс Гейгер – изобретатель счетчика радиоактивных частиц, получившего его имя, и преподаватель методов измерения радиоактивности – сообщает Резерфорду, что один его студент, по всей видимости, обладает способностями к экспериментальной деятельности. Резерфорд дает ответ: "Посмотрим, получит ли он результат при прямом отклонении альфа– частиц от металлической поверхности".

Резерфорд не возлагал больших надежд на этот эксперимент, но он был необходим, чтобы действовать методом исключения (который всегда обеспечивал ему успех). Резерфорд предложил студенту провести опыт, похожий на тот, который делал сам с момента начала работы в лаборатории в 1907 году.

Незадолго до этого Резерфорд направлял альфа-лучи на минерал, называемый слюдой, и в результате узнал, что альфа-лучи несколько отклонялись от своей траектории. Он не понимал только причину, по которой это происходило.

ВНУТРИ АТОМА

Эрнст Марсден был тем самым студентом, о котором говорил Гейгер. Данный эксперимент оказался простым, изящным и привел к находке, которая сделала его одним из самых необыкновенных опытов в истории физики.

Выяснив, как устроено ядро атомов, мы столкнулись с величайшей тайной в мире, если не считать тайны самой жизни.

Эрнест Резерфорд

Эксперимент заключался в направлении альфа-частиц, то есть частиц, возникающих в результате радиоактивных процессов и, как выяснилось позже, представляющих собой ядра гелия, на металлическую пластину в вакуумной камере.

Резерфорд и Гейгер наблюдали, что при прохождении лучей через пластину имели место случайные отклонения. Для эксперимента они выбрали пластины из золотой фольги, чтобы альфа-частицы не полностью поглощались металлом и было возможным изучить взаимодействие при прохождении через пластину.

Резерфорд не случайно остановился на альфа-частицах. Исследование радиоактивности несколькими годами ранее обеспечило ему Нобелевскую премию. Теперь альфа-частицы были для него не основным объектом интереса, а скорее инструментом для изучения внутреннего строения атомов, своеобразным ключом к пониманию составляющих материи.

РИСУНОК 1: В приведшем к открытию атомного ядра эксперименте от источника альфа-излучения исходил поток альфа-частиц, бомбардировавших золотую фольгу, которую окружал экран, флуоресцирующий под воздействием альфа-частиц.

РИСУНОК 2: Модель атома Томсона: отрицательно заряженные частицы -плавают· в положительно заряженном веществе.

За тончайшей пластиной из фольги в качестве детектора располагался экран из сульфида цинка. Характеристикой этого вещества является испускание флуоресцентного свечения при воздействии альфа-частиц. В ту эпоху наблюдать флуоресцентное свечение можно было только под микроскопом, направленным на зону воздействия частицы. Современные электронные детекторы с легкостью справляются с подсчетом всех участков воздействия, но в те времена такая работа была возможна только при прямом наблюдении и последовательном подсчете вспышек света. До начала эксперимента глаза должны были привыкнуть к темноте, поскольку при расширенных зрачках легче наблюдать вспышки. Речь идет о кропотливой и монотонной работе, однако вспышки позволяли установить место воздействия частицы на детектор-экран, а значит, проследить траекторию частиц, проникавших сквозь фольгу. Для получения альфа-частиц использовались радий или радон, два высокорадиоактивных элемента. Чтобы направить лучи в нужную сторону, их источник помещали в поглощающий излучение свинцовый сосуд с тонкой щелью, через которую лучи направлялись в вакуумную камеру на расположенную в ней фольгу (рисунок 1).

Единственной известной на тот момент субатомной частицей были электроны, обладающие отрицательным зарядом и массой, ничтожно малой по сравнению с массой атома. Так как общий заряд атома был нейтральным, Дж. Дж. Томсон, открывший электроны, предположил, что отрицательные заряды должны " плавать" в легкой положительно заряженной субстанции, некоем тумане (как если бы атом был аквариумом с рыбками-электронами и положительно заряженной водой). Данная модель атома получила название модели Томсона (рисунок 2), хотя более распространенный термин – "пудинговая модель" (пудинг, изюмом в котором стали электроны). В этой концепции обращает на себя внимание тот факт, что в ней отсутствуют другие частицы, помимо электронов.

РИС.3

РИС. 4

РИС. 5

Согласно модели Томсона атомы состоят из частиц, электронов, -плавающих· в положительно заряженной субстанции.

При бомбардировке атомов альфа– частицами альфа– частицы должны проходить сквозь атомы беспрепятственно, не отклоняясь (рисунок 3). Однако эксперименты показали,что часть из них отклоняется (рисунок 4). Резерфорд пришел к выводу, что внутри атомов вероятно, присутствует что-то еще, не замеченное ранее.

Он предположил, что внутри атома имеется массивное положительно заряженное ядро (рисунок 5).

По логике, в описанном выше эксперименте альфа-частицы должны были проходить сквозь фольгу, практически не отклоняясь, так как согласно предположениям внутри атома не было ничего твердого, кроме электронов, значительно проигрывавших в размере альфа-частицам (см. рисунок 3), а значит, частицы должны следовать по прямой траектории к детектору-экрану. Резерфорда всегда удивляли наблюдаемые им незначительные отклонения, противоречившие модели атома Томсона. Если пудинговая модель верна, то с чем сталкивались частицы? Что изменяло их траекторию? (см. рисунок 4)

Этот досадный и неожиданный феномен всерьез увлек Резерфорда. Проведенные ранее исследования доказывали, что для изменения траектории альфа-частиц требуются тысячи вольт. Были ли связаны наблюдаемые отклонения с неточностями при реализации эксперимента или с расположением аппаратов? Возможно, речь шла о каких-то специфических свойствах элементов, участвовавших в эксперименте?

Резерфорд поставил перед Гейгером и в особенности перед Марсденом задачу создать аппарат, в котором было бы расширено поле детектора вспышек (см. рисунок 1). Ранее экран был установлен только в центральной части, так как предполагалось, что траектория будет прямой или с незначительным отклонением. Возможно ли обнаружение вспышки вне ограниченных пределов, в которых велось исследование до того момента? Техническая сложность состояла в необходимости передвигать микроскоп по всей камере для наблюдения воздействия, причем эти передвижения не должны были повлиять на вакуум внутри камеры. Марсден вместе с Гейгером пришли к изящному и эффективному решению.

Согласно расчетам, на каждый грамм радия испускалось 30 миллиардов альфа-лучей. Марсден заметил, что их огромная часть, в соответствии с высказанными предположениями, проходила сквозь фольгу без отклонений. Однако в одном из 8000 опытов имело место необъяснимое отклонение. Марсден повторял эксперимент и сосчитал тысячи вспышек воздействия, но аномалия возникала постоянно.

Более того, к общему удивлению, исследователи обнаружили, что в некоторых случаях угол отклонения был равен 90*, а иногда 180* (то есть альфа-частица отскакивала от золотой фольги и возвращалась к точке испускания). По мере того как зона наблюдения смещалась от предполагаемой зоны попадания следующих по прямой траектории альфа-частиц, процент вспышек уменьшался, но не становился нулевым. Эксперимент неоспоримо доказывал, что строение атома не такое, как было принято считать. Внутри атома, несомненно, имелось нечто "твердое", но при этом занимающее небольшое пространство в сравнении с размером самого атома, что объясняет незначительный процент отклонения лучей (см. рисунок 5). "Это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд ударился о лист бумаги и поразил стрелявшего человека", – такими словами Резерфорд выразил свое крайнее удивление открытием, хотя позже приписал эту фразу Гейгеру. Результаты эксперимента Марсдена и Гейгера были опубликованы в 1909 году в престижном научном издании Proceedings of the Royal Society.

ПРОБЛЕМА ИНТЕРПРЕТАЦИИ

Никто не мог интерпретировать результаты эксперимента.

А Резерфорд, имея на руках полученные данные, снова взялся за учебу. Понимая, что если он хочет распространить основанные на небольшом образце идеи об атоме на все атомы Вселенной, ему придется овладеть теорией вероятностей и математической статистикой. И несмотря на полученную Нобелевскую премию, Резерфорд не смущаясь поступил на соответствующий курс университета.

Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями.

Эрнест Резерфорд

Шаг к принятию атомного ядра и обнаружению протона – несущей электрический заряд частицы – был непростым. После статистического анализа данных об альфа-частицах, которые проходили насквозь и отклонялись, стало очевидно, что должна существовать небольшая внутренняя структура. В конце 1910 года Резерфорд объявил, что решение найдено, и 7 марта 1911 года появилась статья «Рассеивание альфа– и бета-частиц веществом и структура атома». В статье говорилось не об атомном ядре, ученый упомянул только о «центральном заряде, распределенном по малому объему», он также не решился настаивать на знаке заряда этой центральной частицы. Два года спустя в книге Radioactive Substances and Their Radiations ("Радиоактивные вещества и их излучение>) он все же ввел понятие атомного ядра и предположил, что ядро имеет положительный заряд, а отрицательно заряженные частицы вращаются вокруг него.

ОТКРЫТИЕ ЯДРА

В 1911 году Резерфорд опубликовал статью «Рассеивание альфа– и бета– частиц веществом и структура атома», в которой описал свою новую теорию атома:

"Хорошо известно, что альфа– и бета– частицы при столкновениях с атомами вещества испытывают отклонения от прямолинейного пути. [...] Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. [...] Наблюдения, проведенные Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа-лучей, показали, что некоторое количество альфа-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол, больший 90°. [...] По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением. [...] Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле. [...] При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему. [...] При сопоставлении излагаемой в данной статье теории с экспериментальными результатами предполагалось, что атом состоит из сконцентрированного в точке центрального заряда*.

Немецкий физик Ханс Гейгер, 1928 год.

Резерфорд смог определить, что диаметр внутренней структуры в атоме должен соответствовать примерно 10^-14 м, то есть быть в десять тысяч раз меньше атома. Принято сравнивать размер атомного ядра с мухой внутри огромного собора, однако в таком незначительном объеме, который представляет собой ядро, сконцентрировано 99% массы атома. Оставшееся пространство представлялось загадочно пустым и не имеющим точных пределов, лишь иногда эту пустоту пересекали электроны.

Согласно интерпретации Резерфорда частицы отскакивали друг от друга под воздействием отталкивающей силы. На тот момент было уже доказано, что частицы с одним знаком заряда отталкиваются, с противоположными знаками – притягиваются. В 1913 году этот ход рассуждений позволил Резерфорду сделать вывод, что поскольку альфа-лучи имеют положительный заряд, их отклонение при прохождении сквозь золотую фольгу обусловлено столкновением с частицами того же знака заряда. Так можно было объяснить, почему большинство альфа-частиц проходит сквозь фольгу без отклонения: им на пути не встречаются положительные заряды. Протон был обнаружен позднее, в 1918 году, когда Резерфорд понял, что открытия атомного ядра недостаточно и что нужно разделить его на составляющие и изучить его строение.

АТОМИЗМ

Открытие Резерфорда пришлось на несколько сумбурный период в истории физики. Модель атома Томсона предложена сравнительно недавно, еще не достигнуто согласие в отношении существования атомов, химики и физики почти столетие разделены на два лагеря: одни полагают, что атомизм – лишь бездоказательное пустословие, в другом лагере утверждают, что атомы – основа всех элементов. Имелось множество моделей, по-разному соотносящихся с экспериментальными данными, но результаты были неоднозначными.

Путь атомной гипотезы оказался долгим. Во все времена она становилась предметом полемики, ее сторонники обвинялись в неверии и материализме, подвергались преследованиям. Первые атомисты жили еще в Древней Греции. Демокриту (460-370 до н. э.) атомы представлялись конечными составляющими бытия, которые не могли быть разделены, разрушены, подвержены действию времени, из них образовалось все вокруг. Как считал он сам: "Лишь в общем мнении есть сладкое и горькое, теплое и холодное; в общем мнении существуют разные цвета; на самом деле существуют только атомы и пустота*.

ЭПИКУР И КЛИНАМЕН

Эпикур (341-270 до н. э.) – древнегреческий философ, родился на острове Самос. Его семья происходила из Афин, куда он перебрался позднее и где разбил сад, чтобы взращивать в нем знания и дружбу. В центр человеческой жизни Эпикур ставил удовольствие, понимание которого сближало его со скептиками. Он боролся со страхами, в том числе со страхом смерти, показывая, что в основе их всех лежат неправильные верования. Для Эпикура число атомов бесконечно (так же как и Вселенная), сами атомы вечны, неделимы и неизменны, они обладают формой, величиной и весом. Атомизм ведет к механистическому восприятию Вселенной, в которой нет места свободе воли. И, защищая свободу воли, Эпикур был вынужден включить идею о клинамене, случайном отклонении атомов. После этого можно было говорить о присутствии некоторой неопределенности во Вселенной.

Эпикур, гравюра из книги Томаса Станли "История философии-, 1655 год.

На протяжении веков атомизм был философским течением с небольшим количеством сторонников. Эпикур, например, полагал, что атомы закручиваются в вихри, создавая бесконечность «миров» со своими богами. К царству атомов относилась также и душа, состоящая из тончайших атомов. В ходе истории многие выдающиеся ученые, среди которых Галилей и Ньютон, защищали атомизм, чем способствовали развитию мысли в этой сфере. Однако отсутствовало самое главное – привязка атомизма к реальной жизни. У гипотезы не было доказательной базы, для того чтобы безоговорочно найти себе место в ряду других философских концепций. В первом издании Британской энциклопедии (между 1768 и 1771 годами) в статье «Атом» его привязка к философскому течению едва затронута: «В философии – мельчайшая частица материи, не поддающаяся делению. Атомы являются minima naturae (мельчайшими телами) и представляются началом любой физической величины».

С XIX века развитие физики и химии вынудило значительно расширить данное определение.

АТОМЫ В ХИМИИ

Новый этап возрождения идей атомизма в XIX веке наступил в основном благодаря химии и был обусловлен различными причинами, среди которых выделяется крушение доктрины о четырех стихиях, подчинявшей себе интерпретацию природы почти целое тысячелетие. Антуан Лавуазье (1743-1794) обнаружил, что вода, прежде считавшаяся одной из стихий, наряду с огнем, землей и воздухом, на самом деле состоит из кислорода и водорода. Это открытие дало новое понимание природы вещей на основе химической науки. Несмотря на это сам Лавуазье скептически относился к атомной теории.