Резерфорд. Атомное ядро

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.