Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Глава 16 Атомы и ядра

Свет мы сейчас представляем как колебания электрического и магнитного полей, которые каким-то образом распространяются в пространстве. Разумеется, далее мы еще будем обсуждать природу света, но сейчас мы зададим себе вопрос: «Что такое вещество?» Древнегреческий философ Эмпедокл (см. главу 2) высказывал много интересных идей об устройстве природы. Например, он предвидел, что свет распространяется с конечной (очень высокой) скоростью, и спустя многие века это подтвердилось. Он говорил также, что вещество состоит из четырех элементов — земли, воды, воздуха и огня. И эта идея оставалась ведущей еще в Средневековье, вплоть до XVII века.

Идею о четырех элементах критиковал Роберт Бойль. Он считал, что вещество состоит из часгиц различного рода, что плотное вещество образуется из скоплений часгиц и что химические изменения происходят в результате перестройки этих скоплений. В своей работе «Sceptical Chymist» (1661) Бойль критиковал алхимиков, пытавшихся получать золото из других элементов. Он определил элемент как субстанцию, которая не может быть никак раздроблена на более мелкие части; так он заложил основу химии как научной дисциплины.

Бойль также понимал, что тепло является показателем внутренних движений частиц вещества. Попробуйте вбить гвоздь в деревянный брусок. Пока гвоздь продвигается вперед, вы не заметите его нагрева. Но если продолжать бить по гвоздю после того, как он по шляпку ушел в дерево, то гвоздь начнет нагреваться. Удары по гвоздю уже не продвигают его дальше, а вызывают быстрые движения внутри гвоздя, которые проявляются как нагрев, или тепловая энергия (рис. 16.1).

Гораздо позже немецкий врач Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878) объяснил тепло как форму энергии. Приход фон Майера в фи-зику был достаточно необычен. Будучи судовым врачом, во время путешествия к острову Ява он заметил, что венозная кровь моряков стала краснее, чем дома. Он знал о предложенной Лавуазье теории, что нагрев тела вызывается процессом горения, для которого кровь выделяет кислород. Возможно, кровь стала краснее потому, что в тропиках горение не такое сильное? Это заставило Майера задуматься о связи тепла с механической работой, производимой мускулами. Он пришел к выводу, что тепло и работа являются двумя формами энергии. Существуют разные виды энергии, и их сумма сохраняется в физических процессах и, в конце концов, во Вселенной в целом. Таким образом, он стал первым ученым, утверждавшим, что сохранение энергии имеет всеобъемлющий характер. Но идея Майера, опубликованная в частных брошюрах, осталась незамеченной. Позже он очень переживал, когда похожие идеи приписывались Джоулю.

Рис. 16.1. Роберт Бойль (1627–1691) рассматривал тепло как проявление движения частиц. В горячем газе скорости хаотически движущихся молекул в среднем больше, чем в холодном газе.

Впрочем, Джеймс Джоуль (1818–1889) пришел к таким же выводам независимо от Майера. Его искусные опыты с теплом, электричеством и механической работой были необходимы научной общественности для признания сохранения энергии. Этот богатый английский пивовар смог посвящать большую часть времени своему увлечению, сравнивая различные формы энергии.

В XVIII веке считалось, что горящее вещество теряет огненный элемент флогистон и что именно это служит причиной уменьшения свечи при горении. Заслуга в открытой истинной природы горения принадлежит Антуану Лорану Лавуазье, универсальному ученому, который был и математиком, и метеорологом, и геологом (рис. 16.2). В возрасте всего лишь 25 лет его избрали членом Академии наук в Париже. Примерно тогда же он получил удобную работу сборщика налогов. Химией он занялся позднее, когда работал в Королевском управлении пороха, где проводил различные опыты, в том числе — с горением фосфора и серы. Он обнаружил, что продукты сгорания весят больше исходного вещества и что эта разница как раз равна уменьшению веса воздуха. Лавуазье опознал активную составляющую воздуха и назвал ее кислородом. Флогистон теперь стал не нужен.

Рис. 16.2. Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) и его жена Мария Анна Пьеретта Польз (1758–1836). Она так тесно сотрудничала с мужем, что трудно отделить вклад одного из супругов от вклада в науку другого (картина Жака Луи Давида).

Свои результаты Лавуазье опубликовал в 1789 году в работе Traite Elémentaire de Chimie («Начальный курс химии»). В этом классическом труде он обобщил новую химическую теорию и разъяснил понятие элемента как простого вещества, которое невозможно расщепить никакими известными химическими методами. Там же была представлена теория того, как элементы формируют химические смеси, и утверждалось, что вещество не возникает и не исчезает (то есть масса сохраняется).

Лавуазье продолжал собирать налоги даже после начала Французской революции. В период Царства Террора он вместе с другими 27 сборщиками налогов был приговорен к смерти на гильотине и казнен 8 мая 1794 года в Париже. Не последнюю роль в этом сыграло и то, что несколькими годами ранее Лавуазье критиковал революционного лидера Жана-Поля Марата и его идеи о процессе горения.

После Лавуазье продолжались поиск и систематизация новых элементов. Наибольшую активность в этом проявили Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) во Франции и Гемфри Дэви в Англии. Особое внимание они уделяли относительному количеству элементов, входящих в соединения. Стало понятно, что соединение всегда состоит из элементов в определенной пропорции. Например, чтобы получить 9 граммов воды (H₂O), нужно 8 граммов кислорода (O) и 1 грамм водорода (H); только в такой пропорции не останется лишнего водорода или кислорода.

Этим химическая реакция отличается, скажем, от приготовления кекса, где не так уж важно, если мы смешиваем ингредиенты в не совсем точной пропорции: кекс будет иметь немного другой вкус, но он в любом случае остается кексом. Открытие химического закона постоянных отношений принадлежит шведскому химику Йёнсу Якобу Берцелиусу (1779–1848). Он показал, что неорганические вещества состоят из различных элементов в постоянной весовой пропорции. На основе этих результатов в 1828 году он составил таблицу относительных атомных весов, включающую в себя все известные к тому времени элементы. Эта работа свидетельствовала в пользу гипотезы атомов: химические соединения содержат атомы в целочисленных количествах. Для описания своих экспериментов он разработал систему химических знаков, в которой каждый элемент обозначался буквой, например, О — для кислорода, H — для водорода и т. д. Эту систему мы используем и сегодня.

Закон постоянных отношений помог Джону Дальтону (17661844) разработать теорию атомов. Он проводил исследования в разных областях науки — от метеорологии до физики, но теория атомов пробудила в нем интерес к химии. В своей «Новой системе химической философии» (1808) Дальтон утверждал: «Подобные наблюдения[5] привели всех к молчаливому соглашению, что тела, обладающие заметной величиной, будь они жидкими или твердыми, состоят из громадного числа необыкновенно маленьких частиц, или атомов вещества, удерживаемых вместе силой притяжения…» И далее он писал: «Следовательно, мы должны заключить, что мельчайшие частицы любого однородного тела совершенно похожи друг на друга по весу, по форме и т. п. Иными словами, каждая частица воды похожа на все другие частицы воды; каждая частица водорода похожа на любую другую частицу водорода и т. д.». Однако он признавал, что атомы различных элементов разные и имеют разный вес.

Дальтон жил на доходы от работы учителем в Манчестере. В 1800 году он стал секретарем Манчестерского литературно-философского общества и продолжал давать уроки, как в школе, так и частным образом. Позже его избрали президентом Философского общества, и эту почетную он должность занимал вплоть до смерти.

Согласно Дальтону, атомы в химическом соединении объединяются друг с другом всегда одинаковым образом. Это порождает новые идентичные комбинации атомов, которые теперь называются молекулами. Отсюда следует закон постоянных отношений: эти пропорции заложены уже в молекулах. Мы знаем, что два атома Н, соединяясь с одним атомом О, образуют воду Н₂O. Но представления Дальтона о том, как из атомов сложены молекулы, часто были ошибочными.

Правильные химические формулы и атомные веса были найдены после того, как в 1808 году Гей-Люссак установил, что элементы объединяются не только в данном весовом соотношении, но также в данном отношении объемов в том случае, если элементы находятся в газообразном состоянии. Например, 2 литра водорода и 1 литр кислорода всегда дают 2 литра водяного пара (а не три!). Правило Гей-Люссака объяснил профессор физики Туринского университета Амедео Авогадро (1776–1856). В 1811 году он опубликовал статью о различиях между молекулой и атомом, указав, что Дальтон пере-путал понятия атомов и молекул. «Атомы» водорода и кислорода Дальтона на самом деле являются «молекулами», каждая из которых содержит по два атома — Н₂ и О₂. Таким образом, две молекулы водорода могут объединиться с одной молекулой кислорода, чтобы образовать две молекулы воды.

Авогадро предположил, что одинаковые объемы любых газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул; теперь это называют законом Авогадро. Используя это правило, мы можем сразу догадаться, что молекула воды содержит два атома водорода на каждый атом кислорода, то есть химическая формула воды — Н₂O. Если добавить к этому, что отношение весов кислорода и водорода в молекуле воды 8:1 = масса одного атома О, деленная на массу двух атомов Н, то получим, что О/Н = 16, то есть, что вес атома кислорода в 16 раз больше веса атома водорода.

Новые элементы с их измеренными атомными весами начали демонстрировать интересную регулярность своих свойств. Британский химик Джон Ньюлендс (1837–1898) заметил, что если расположить элементы в соответствии с их атомными весами, то химические свойства начинают повторяться через семь элементов. Он назвал это «законом октавы», но музыкальная аналогия не усилила доверия к идее. Поскольку в то время еще не было известно о благородных газах, в каждом ряду из семи элементов не хватало одного.

Периодическую систему химических элементов предложил Дмитрий Менделеев в двухтомном учебнике «Основы химии» (1868–1870). Менделеев вырос в Тобольске, в Сибири. Он был четырнадцатым ребенком учителя тобольской гимназии. Высшее образование получил в Санкт-Петербурге и Париже. В 1863 году стал профессором химии в Санкт-Петербургском университете (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907).

С помощью своей таблицы Менделеев смог предсказать новые элементы, заполнив пробелы в системе. Первым элементом, подтвердившим его прогноз, стал открытый в 1875 году галлий. Независимо от Менделеева похожую систему разработал немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895).

Жирным шрифтом указаны элементы, открытые после Менделеева. Полную современную версию этой таблицы можно найти на сайте http://www.chemicool.com/.

Английский химик Уильям Праут (1785–1850) еще в 1815 году предположил, что атомы состоят из более мелких единиц. Такой единицей, по-видимому, является атом водорода. Однако некоторые атомные веса не кратны атомному весу водорода, например, атом хлора весит 35,5 в единицах веса атома водорода (Врезка 16.1). Эту проблему разрешил в 1913 году Фредерик Содди (1877–1956). Он обнаружил изотопы, то есть химически одинаковые атомы, имеющие разный вес. Например, выяснилось, что атомы хлора бывают двух видов: 77,5 % из них весят 35,0 единиц, а 22,5 % весят 37,0 единиц числа, почти точно равного весу атома водорода. Среднее значение для хлора равно 35,5 единицам.

Хотя пустые клетки в таблице Менделеева постепенно заполнялись, оставалось неясным, все ли элементы в точности укладываются в эту систему. Почему бы не предположить, например, что между водородом (атомный вес 1) и гелием (атомный вес 4) существует еще один или два элемента. До 1913 года, когда Генри Мозли (1887–1915) предложил атомные номера, не существовало точного определения элемента. Мозли работал в Манчестерском университете, где изучал рентгеновские лучи. Исследуя рентгеновское излучение разных элементов, он выявил целые атомные номера для каждого элемента. Вскоре после этого открытия молодого ученого призвали в армию, и он погиб в битве при Галлиполи.

Согласно измерениям Мозли, атомное число кальция равно 20. Поскольку это же порядковый номер кальция в периодической таблице, то очевидно, что неизвестных элементов легче кальция в таблице нет. Во времена Мозли не хватало четырех атомных номеров, но соответствующие элементы с тех пор были обнаружены. Периодическая система сейчас содержит 117 известных элементов, 94 из которых формируются на Земле естественным путем. Нептуний (93) и плутоний (94) найдены на Земле в следовых количествах. Более тяжелые элементы очень нестабильны и производятся искусственно в ускорителях частиц. Самый легкие из них — технеций (43) и прометий (61), они очень редко встречаются на Земле и тоже входят в эту группу искусственных элементов.

Атомное число оказалось связано с электрическими характеристиками атома; впервые это обнаружилось в процессе электролиза. Этот метод открыли в 1800 году Уильям Николсон и Энтони Карлайл, которые опустили в воду два провода, присоединенные к разным полюсам электрической батареи. При этом они обнаружили, что вокруг отрицательного электрода начал выделяться газообразный водород, а вокруг положительного электрода — кислород. Стало очевидно, что в этом процессе молекулы воды расщепились на составные элементы (рис. 16.4).

Гемфри Дэви экспериментировал с электролизом, а его коллега по Королевскому институту Майкл Фарадей дал следующее объяснение этому явлению: малая часть молекул воды всегда диссоциирована на две электрически заряженные группы — на атомы водорода с положительным зарядом и на молекулы, состоящие из водорода и кислорода, с отрицательным зарядом. Фарадей назвал эти заряженные частицы «ионами». Провод, соединенный с отрицательным электродом, притягивает положительно заряженные ионы водорода. Касаясь провода, они отбирают у него отрицательный заряд и превращаются из ионов в нейтральные атомы водорода. После этого водород начинает пузырями выходить из воды. Немного более сложный процесс происходит с кислородом у провода, соединенного с положительным полюсом батареи.

Рис. 16.4. Электролиз. Два провода соединены с источником постоянного тока (батареей) и помещены в воду. На положительном электроде (аноде) выделяется газообразный кислород и собирается в трубке, а на катоде выделяется водород. Как показал Фарадей, количество выделившегося газа прямо пропорционально величине электрического заряда, прошедшего через провод. Кроме того, согласно закону Авогадро объем водорода вдвое превышает объем кислорода.

Заряд, передающийся атомам жидкости, замещается новым зарядом посредством тока, текущего от электрической батареи. Собрав и изучив возникшие в этом процессе газы, можно определить количество газа на единицу заряда этого тока. Имея дело с водородом, мы можем вычислить отношение массы к заряду у ионов водорода. Если в качестве единиц массы и заряда использовать килограммы и кулоны, то это отношение примерно равно 10^-8. При этом невозможно по отдельности определить массу и заряд, но только лишь их отношение.

Мы можем определить массу иона водорода, играющего роль единицы атомного веса, если узнаем его заряд, но во времена Фарадея это было невозможно. Неясно было, какие частицы несут заряд. Для единичного заряда при электролизе в 1874 году Джордж Стоней предложил название электрон. Частицы с таким зарядом (и названные так же) открыл в 1897 году Джозеф Томсон (рис. 16.5).

Рис. 16.5. Джозеф Томсон (1865–1940), открывший электрон.

Томсон учился в Кембриджском университете и, заняв вторую ступень на экзамене по математике, обеспечил себе место в Тринити-колледже, где работал и Ньютон. Всю оставшуюся жизнь Томсон трудился в этом колледже и под конец стал его ректором. Томсон начинал как математик, поэтому его назначение в 1884 году в Кавендишскую лабораторию на должность профессора экспериментальной физики оказалось неожиданным. Он никогда не занимался экспериментами; один из его ассистентов говорил, что «у него были очень неуклюжие руки, поэтому я старался держать его подальше от эксперимента». Тем не менее Томсон стал одним из ведущих физиков-экспериментаторов, поскольку обладал интуицией в выборе направления исследований.

Получив должность профессора в Кавендише, Томсон начал изучать электрические разряды в вакуумной трубке. Наиболее знакомый нам разряд — это молния, но ее трудно использовать для опытов! Еще в XVIII веке заметили, что можно создавать мощные разряды в стеклянной трубке, из которой откачан воздух. Цвет разрядов зависит от того, какой газ содержится трубке; это используют в неоновой рекламе и для других целей.

Генрих Гейсслер (1814–1879) изобрел насос, способный уменьшить давление газа внутри трубки до одной тысячной доли атмосферы. Используя такой насос, Юлиус Плюккер (1801–1868) изготовил разрядную трубку и подсоединил ее к мощному источнику электрического напряжения. Свечение в трубке прекратилось, за исключением окрестности отрицательного электрода (катода), как если бы некоторые частицы, выброшенные из катода, были причиной свечения. После этого они пролетали по трубке и собирались на положительно заряженном электроде. Эуген Гольдштейн (18501930) продемонстрировал, что материал, из которого изготовлен катод, не имеет никакого значения: следовательно, катодные лучи не являются атомами, вырванными из катода.

Плюккер показал, что катодные лучи можно отклонить, используя магнит, то есть это должны быть заряженные частицы. Затем Томсон, пропуская частицы через магнитное или электрическое поле, научился менять направление их полета. Дальше он позволил потоку частиц двигаться свободно, вплоть до столкновения с противоположным концом трубки (рис. 16.6). Измеряя расстояние точки столкновения от центральной оси трубки, Томсон смог вычислить как скорость, так и отношение массы к заряду частиц. Подобный поток частиц возникает и в телевизионной трубке, где поток катодных лучей быстро бегает по экрану, создавая изображение. В телевизионной трубке для управления пучком катодных лучей используется электрическое поле.

Рис. 16.6. Схема эксперимента Томсона. Частицы вылетают из катода С. Их поток отклоняется от прямолинейной траектории полем, созданным пластинами D u E. (Из публикации Томсона 1897 года.).

В своей статье, напечатанной в Philosophical Magazine («Философский журнал») в 1897 году, Томсон привел вычисления, доказывающие, что скорость катодных лучей составляет около 10 % скорости света, а отношение массы к заряду электрона близко к 10^-11 кг/Кл. Предположим, что ионы водорода и катодные лучи имеют одинаковый заряд. Поскольку отношение массы к заряду у иона водорода составляет 10^-8 кг/Кл, масса заряженных частиц катодных лучей не может быть больше 1/1000 массы иона водорода (современное значение: 1/1840). Томсон делает вывод:

«В катодных лучах мы имеем вещество в новом состоянии — состоянии, в котором дробление вещества зашло намного дальше обычного газообразного состояния; в состоянии, в котором все вещество… стало субстанцией одного и того же сорта; той самой субстанцией, из которой сформированы все химические элементы».

К его результатам вначале отнеслись с недоверием, но последовавшие за этим эксперименты подтвердили существование электрона. Томсон и его коллеги измерили заряд электрона: 10^-10 Кл. Теперь мы знаем более точное значение 1,602 х 10^-19 Кл. При современном значении отношения массы к заряду 0,57 x 10^-11 кг/Кл мы можем сделать вывод, что вес электрона составляет всего 9 x 10^-28 г. Атом водорода примерно в 1840 раз тяжелее.

Заряд электронов отрицательный, но атомы, которые, очевидно, включают в себя электроны, нейтральны. Значит, где-то в атоме должен быть положительный заряд, чтобы нейтрализовать отрицательные электроны. Следующей задачей стало определение того, где внутри атома расположен положительный заряд. Томсон предложил модель «булочки с изюмом», согласно которой положительный заряд заполняет весь атом, а электроны в нем как изюминки в булочке. Японский ученый Хантаро Нагаока (1865–1950) предположил, что в середине атома находится положительно заряженная частица, вокруг которой обращаются более легкие электроны, как планеты вокруг Солнца. В обоих случаях притяжение между положительным и отрицательным зарядами удерживает электроны в атоме.

Выяснить, какая из этих двух моделей верна, выпало Эрнесту Резерфорду. Он вырос в Новой Зеландии и приехал учиться в Кавендишскую лабораторию в 1895 году. Через три года он стал профессором в университете Мак-Гилла, в Канаде, где и работал до 1906 года. Затем он перебрался в Манчестер, который был одним из ведущих центров физических исследований. Там он занялся изучением структуры атома. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кавендишскую лабораторию, став ее директором (рис. 16.7).

Рис. 16.7. (а) Анри Беккерель (1852–1908) и (б) Эрнест Резерфорд (1871–1937).

После приезда в Кембридж Резерфорд занялся исследованием радиоактивности, открытой еще в 1896 году Анри Беккерелем в Париже. Пытаясь вызвать рентгеновское излучение у различных материалов, Беккерель выставлял их на солнце. Одним из этих материалов оказалось соединение урана. Этот образец даже без предварительного облучения на солнце «засветил» фотографическую пластинку, которая тоже лежала в темноте. Уран испускал какие-то лучи! Через несколько лет Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, терпеливо переработав тонну урановой руды (урановой смолки) в своей скромной парижской лаборатории, открыли элемент радий. Он излучает в миллионы раз сильнее урана (рис. 16.8). Резерфорд обнаружил три типа радиоактивных лучей и назвал их альфа-лучами, бета-лучами и гамма-лучами. Они дали ключ к атомному ядру. Как мы уже знаем, гамма-лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение; а что такое альфа-лучи и бета-лучи?

Беккерель измерил у бета-лучей отношение массы к заряду и обнаружил, что у этих отрицательно заряженных частиц оно такое же, как у электронов. Следовательно, бета-лучи — это электроны, испущенные радиоактивным веществом. Резерфорд сумел измерить и отношение массы к заряду у положительно заряженных альфа-частиц. Оказалось, что оно вдвое больше, чем у положительного иона водорода. Если заряд альфа-лучей составляет одну единицу, то их масса должна вдвое превышать массу атома водорода. Но Резерфорд сделал правильный вывод, что заряд альфа-частиц составляет две единицы, а это приводит к четырем единицам атомной массы. Значит, альфа-частицы — не что иное, как ионизованные атомы гелия. Это подтвердили коллеги Резерфорда по университету Мак-Гилла — Уильям Рамзай (1852–1916) и Фредерик Содди (1877–1956), обнаружившие гелий, выделяющийся из соединения радия.

Рис. 16.8. Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) и Пьер Кюри (1859–1906).

В своем исследовании 1903 года Резерфорд и Содди объяснили радиоактивность: это процесс, в котором один химический элемент превращается в другой. Когда атом излучает альфа-частицу, его атомный номер в периодической таблице уменьшается на два, а если он излучает электрон, его атомный номер увеличивается на единицу. Это была радикальная идея: с эпохи смерти алхимии постоянство элементов никогда не подвергалось сомнению. Это считалось базовой аксиомой — элементы не могут ни возникать, ни разрушаться. Но предположение Резерфорда и Содди было основано на точных измерениях, показавших, что независимо от внешних условий радиоактивный элемент всегда одинаковым путем превращается в другой элемент. Например, радиоактивный торий превращается в газ радон, который сам радиоактивен. Но активность радона быстро снижается: через 1 минуту она составляет уже половину, через 2 минуты — одну четверть, через 3 минуты — одну восьмую, и т. д. Резерфорд и Содди показали, что это связано с распадом самого радона: за минуту распадается половина исходного газа, за следующую минуту распадается половина от оставшегося газа, и т. д. Можно сказать, что радон имеет время полураспада, равное одной минуте (точнее — 54,5 секунды). Время полураспада сильно меняется от одного радиоактивного вещества к другому. Оно составляет 1600 лет у радия, 1,4 x 10¹⁰ лет у тория и 4,5 x 10⁹ лет у урана. Распадом радиоактивных элементов пользуются для определения возраста. Мы вернемся к этому вопросу при обсуждении возраста Земли (см. главу 29).

После возвращения из Канады Резерфорд начал ставить новые эксперименты: бомбардировать атомы альфа-частицами. Эти столкновения происходят в таком малом масштабе, что наблюдать их непосредственно мы не можем. Но можно о многом догадаться, наблюдая за их последствиями. В результате столкновений скорость и направление альфа-частиц меняются; то же самое происходит и с атомами, подвергшимися бомбардировке. Этот процесс называют рассеянием. Скорость и направление движения альфа-частиц до и после столкновения можно измерить соответствующей аппаратурой. По этим данным можно рассчитать, что произошло с атомами мишени.

В эксперименте Резерфорда альфа-частицы испускались из радиоактивного образца. Узкий пучок этих частиц формировался с помощью экрана из толстого листа свинца с дырочкой. За дырочкой был установлен лист золота так, чтобы альфа-частицы ударялись в атомы золота. Поскольку скорость альфа-частиц была очень высокой, то ожидалось, что они будут проходить сквозь лист золота, почти не меняя траекторию. В качестве детектора альфа-частиц использовался лист из сульфида цинка, который при столкновении с ним частицы дает небольшую вспышку света (рис. 16.9).

У Резерфорда был помощник из Германии Ганс Гейгер. В 1909 году к их группе присоединился студент Эрнест Марсден. О том, что случилось в следующем 1910 году, рассказал сам Резерфорд:

«Однажды Гейгер предложил дать Марсдену тему для самостоятельного исследования. Я ответил: «Почему бы ему не посмотреть, будут ли некоторые частицы рассеиваться под большим углом? Скажу тебе по секрету — я думаю, что не будут, ведь мы знаем, что альфа-частицы очень массивны и несут большой запас энергии». Насколько я помню, через два или три дня Гейгер пришел ко мне очень взволнованный и сказал: «Некоторые альфа-частицы у нас возвращаются обратно». Это было самое невероятное событие, случившееся за всю мою жизнь. Это было так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы обратно и ударил вас».

Рис. 16.9. Эксперимент по рассеянию, поставленный Гансом Гейгером (1882–1945) и Эрнстом Марсденом (1889–1970). Альфа-частицы рассеиваются в золотой фольге и затем ударяются в экран, покрытый сульфидом цинка, вызывая на нем вспышки света.

Спустя несколько недель, в течение которых Резерфорд размышлял над этой загадкой, он заявил: «Теперь я знаю, что произошло в эксперименте, и, кроме того, я знаю структуру атома». Он сказал, что почти вся масса и весь положительный электрический заряд сконцентрированы в ядре атома, размер которого не более 1/10 000 размера атома. Остальная часть атома пуста, за исключением электронов с их отрицательным зарядом (рис. 16.10).

Теория Нагаока о строении атома оказалась в принципе верной. В нашей Солнечной системе основная доля массы сосредоточена в Солнце. Так же и в ядре атома сосредоточена большая часть его массы. Как Солнечная система в основном состоит из «пустого» пространства между Солнцем и планетами, так же и атом «пустой» между ядром и электронами. В атоме концентрация вещества к центру даже более сильная: в масштабе Солнечной системы размер атомного ядра не больше размера планеты. Точных данных о размере электрона пока не существует, но в этом масштабе он наверняка не больше самого мелкого астероида.

Рис. 16.10. Модель атома Резерфорда. Тяжелое ядро состоит из многих ядерных частиц, а вокруг него обращаются электроны.