Резерфорд. Атомное ядро

ГЛАВА 4 К расщеплению ядра

Путь к расщеплению атомного ядра начался с простого эксперимента Резерфорда, когда ему удалось выбить два протона из ядра атома азота. Однако научные опыты с незначительными средствами и простейшими инструментами в распоряжении ученого практически исчерпали себя. Резерфорд осознавал, что для осуществления новых открытий большой науке необходим толчок, предполагающий эксперименты, которые сегодня проводятся на ускорителях частиц.

Чтобы узнать, как работает та или иная вещь, самое лучшее — разобрать ее. Именно так поступает любопытный ребенок. Резерфорд смог применить этот деконструктивистский подход к атомному ядру и раздробить его, получив доступ к тому, что было скрыто от человеческих глаз.

Резерфорд прибыл в Манчестер в 1907 году, через год он получил Нобелевскую премию, а в 1909-м уже работал с Гейгером и Марсденом над атомной моделью, занимавшей его до 1912 года. Тогда же к группе присоединился Бор, привнесший квантовую теорию в субатомную вселенную. Через короткое время разгорелась Первая мировая война (1914-1918), отголоски этого конфликта потрясли и научный мир: погибли многие выдающиеся и подающие надежды ученые, перед лицом боевых действий научные проекты развеивались как сон, рушились здания и оборудование, сокращалось финансирование, раскалывались рабочие группы...

Марсден, сотрудник Резерфорда, эмигрировал в Новую Зеландию в 1914 году. Резерфорд подергал за нужные ниточки, чтобы в Новозеландском университете Марсдена без проблем приняли профессором физики. Однако прежде чем покинуть Соединенное Королевство, он до последнего работал над серией экспериментов своего руководителя. Последний опыт, который он осуществил перед отъездом, заключался в бомбардировке атомов азота в газообразном состоянии альфа-частицами. На этот раз Марсден наблюдал, как из ядра выделились частицы, которые он не смог идентифицировать. В начале он подумал, что перед ним новый вид радиоактивных пучков, которые могли бы дополнить собой уже известные альфа-, бета- и гамма-излучение. В этом месте его исследования внезапно прервались, так как ему нужно было отправляться на фронт.

Резерфорд, однако, не был удовлетворен этой предварительной гипотезой. Интерпретация Марсдена не убедила его, поэтому он попросил позволения продолжить его эксперименты. После некоторого усовершенствования экспериментальной системы Резерфорд повторил бомбардировку газа азота альфа-частицами и смог убедиться, что экран мерцал под воздействием не- идентифицированных частиц. Он понял, что это не новый вид излучения, а ядра водорода (имеющие положительный заряд). Таким образом, гипотеза Марсдена была ошибочной, но открытие требовало понимания происхождения данной эманации. Все сошлось, просто и очень гармонично, когда выяснилось, что эманация исходила от самого ядра атома азота. В ходе данного процесса атомы азота одновременно трансмутировали в кислород. На его глазах происходил необычный, хотя и довольно малоэффективный пируэт: только одна из 300 тысяч альфа-частиц превращала азот в кислород. В любом случае речь шла о значительном количестве, в связи с низкой плотностью атомов азота, поскольку азот был в газообразном состоянии.

Эрнест сделал вывод, что альфа-частицы сталкивались и поглощались ядром азота. В результате ядро становилось нестабильным, поэтому некая частица должна была испускаться ядром, для того чтобы стабилизировать его. Этими частицами, вылетающими из ядра и имеющими положительный заряд и характеристики, идентичные ядру водорода, были те, которые сегодня называют протонами. Впервые в истории удалось идентифицировать частицы, составляющие ядро. Наименование "протон" было официально утверждено в 1920 году.

Протоны идентифицируют атом, электроны персонифицируют его.

Билл Брайсон (р. 1951), британский писатель

Если окинуть взглядом периодическую таблицу, мы увидим, что кислород и водород находятся в смежных ячейках.

Можно сказать, их разница заключается в одном-единствен- ном протоне. Сегодня расчеты в эксперименте Резерфорда можно представить так: вначале к азоту добавлялись два протона от альфа-частиц, а затем отнимался тот, который сразу же испускался. Не более чем простая вычислительная операция, но чтобы сделать этот вывод, требовалось глубинное понимание материи. Резерфорд применил свой обычный метод к разработке и выполнению экспериментов, так что их интерпретация была окончательна и однозначна, он сумел подтвердить некоторые свои догадки относительно атомов. Итак, впервые удалось идентифицировать положительный заряд атомов с помощью протонов. Число протонов в ядре атома определяет тип элемента, к которому относится атом (увеличение или уменьшение этого числа меняет природу данного элемента). Все это также означало, что удалось извлечь содержимое ядра, пусть пока был отделен лишь мельчайший его фрагмент. Результат достигался искусственным путем с помощью бомбардировки альфа-снарядами. То есть впервые в истории трансмутация элементов была выполнена искусственным путем.

В декабре 1917 года Резерфорд писал Бору, сообщая об этих новых открытиях:

"Я получил результаты, которые, думаю, должны иметь большую важность. Я обнаружил и сосчитал самые легкие атомы, двигающиеся под воздействием альфа-частиц. Результаты проливают свет на характер и распределение ближайших к ядру сил [...].

С помощью такого метода я пытаюсь рассечь атом... Мои наилучшие пожелания и поздравления с наступающим Рождеством".

Ближайшие сотрудники Резерфорда уже знали о его открытии, но чтобы донести новость до научного сообщества, требовалось дождаться окончания запрета на публикации. Запрет распространялся на срок всего вооруженного конфликта, чтобы результатами исследований не воспользовался противник. Резерфорд опубликовал серию статей в престижном научном английском журнале Philosophical Magazine. В заключение статьи "Столкновения альфа-частиц с легкими атомами" говорилось следующее:

"Принимая во внимание полученные к настоящему моменту результаты, нельзя не прийти к выводу, что большая часть атомов, возникающих при столкновении альфа-частиц с азотом, являются не атомами азота, а, скорее, атомами водорода [...]. Если это справедливо, нам следует заключить, что под действием сил от ближайшего столкновения с быстрой альфа-частицей атом азота распадается и высвобождается атом водорода, являющийся составной частью азота".

В этой же статье высказаны некоторые провидческие мысли касательно дальнейшего развития науки:

"Если для грядущих экспериментов возможно использование альфа-частиц или сходных снарядов, обладающих большей энергией, то ожидаемым результатом будет расщепление ядра большинства атомов наиболее легких элементов".

Резерфорд мог предвидеть, что экспериментальная физика будет ориентироваться на ускорители частиц. Но война затормозила развитие науки. Пришлось ждать более десятилетия, чтобы эти идеи воплотились в жизнь.

Пресса с готовностью отозвалась на данную публикацию, развивая идею, что субатомный мир таит в себе невероятное количество энергии, которая рано или поздно станет доступной. Во многих газетах, в частности в New York Times, писали:

"По теплу, высвобождающемуся при распаде, нам известно, что количество энергии в ядре (...) в миллионы раз больше, чем количество энергии, выделяемой при любой химической реакции или при горении угля".

------------начало врезки-------------

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов (то есть они аналогичны ядрам гелия). Направленные на ядра азота, имеющего семь протонов, протоны альфа-частиц могут сталкиваться с ядром атома и на время встраиваться в него. Тогда в ядре уже девять протонов. По завершении распада восемь протонов соединяются, формируя ядро атома кислорода, а еще один протон испускается. Процесс, затрагивающий количество нейтронов, хотя в ту эпоху они еще не были открыты, можно выразить следующей формулой:

¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p

(Нижний индекс элемента обозначает атомное число или количество протонов, верхний указывает на количество частиц в ядре, то есть это сумма протонов и нейтронов. См. Приложение А.)

Ядро азота состоит из сами протонов и сами нейтронов. Альфа-частицы несут в саба два протона и два нейтрона. В качестве продукта реакции возникает атом кислорода (О), имеющий восемь протонов и девять нейтронов, еще один протон (р*).

Открытие Резерфорда давало "практически неисчерпаемый источник энергии, который изменит все, что мы знали раньше".

В то время Резерфорд работал на флот Соединенного Королевства и чередовал исследования с длинными, скучными заседаниями. Однажды, извиняясь за свое отсутствие, он отправил следующую телеграмму: "Если мне удалось (и имеются основания думать так) расщепить ядро атома, для меня это имеет гораздо большее значение, чем война". Резерфорду удалось отделить небольшой фрагмент ядра атома, пока мир был охвачен войной.

Пока Австро-Венгрия захватывала Сербию, Германия решительно надвигалась на Францию, так что вскоре неприятель оказался у ворот Парижа. Тогда началась позиционная, стоившая жизни миллионам молодых людей война, в которой продвижение на несколько метров обходилось огромными человеческими и материальными потерями. Французские поля были усеяны трупами, стремительно росло число жертв, которое по подведенным итогам составило девять миллионов.

Эту способность убивать и разрушать войскам давала новая военная техника, в основе которой были последние научные достижения. Фриц Габер, немецкий ученый еврейского происхождения, создал так называемый горчичный газ, ставший одним из самых страшных изобретений за всю историю. Этот имевшийся на вооружении немецкой армии газ провоцировал ужасные ожоги и волдыри. Когда через несколько десятилетий к власти пришли нацисты, Габер был вынужден бежать из Германии и в конце концов обосновался в Палестине. Резерфорд был космополитом, но не простил ему изобретение смертоносного газа и отказался от всякого общения с Габером, хотя тому пришлось туш в его собственной стране.

Однако достижения науки имели не только разрушительный эффект. На французском фронте Мария Кюри и ее дочь Ирен использовали рентгеновский аппарат. Радиография позволила устанавливать более точные диагнозы и уточнять состояния раненых. В годы войны удалось оборудовать передвижными аппаратами 20 автомобилей "рено". Считается, что в этот период было сделано около миллиона радиографий.

В войну университеты не работали. Парижская Высшая нормальная школа была переоборудована под госпиталь. В Оксфорде осталось нескольких сот студентов. В Манчестерском университете катастрофически сократилась численность команды Резерфорда. Молодежь была отправлена на фронт, хотя со временем военное командование осознало, что некоторые ученые принесут больше пользы в лаборатории, чем в окопе. Как бы то ни было, война прервала многообещающие научные проекты и карьеры, и в большинстве случаев навсегда.

"Война заставила науку отправиться на фронт",— так очень емко высказался Джордж Эллери Хейл (1868-1938). Действительно так, и не стоит рассматривать это только с негативной позиции. До начала войны академические центры работали независимо от промышленности и правительства. После Первой мировой все изменилось навсегда: исследования стали получать щедрые инвестиции и поддержку государства. Установилась близкая связь промышленности с академическими учреждениями, научные исследования начали представляться двигателем экономики и инновации. Ветры войны сделали мир таким, каким мы знаем его сегодня.

С другой стороны, горячка войны оставила заметные шрамы в отношениях между учеными стран Антанты и Тройственного союза. Исследователи, недавно работавшие вместе, неожиданно оказались в разных лагерях и включились в проекты, предполагавшие уничтожение противника. Война с ее националистическими лозунгами и патриотическими призывами стала драматичным моментом на пути развития науки.

Варварство, которому предавалась немецкая армия на французских землях, порицалось во всем мире. В ответ на критику в Германии возникла группа, объединившая 93 немецких интеллектуалов и ученых; среди них выделялся Макс Планк, который в конце концов вышел из ее состава. Группа разработала манифест, вступившись за немецких солдат и отрицая пропагандистскую критику. Большинство были уверены в честности солдат, многие из которых получили прекрасное образование, поэтому не представлялось возможным, чтобы эти самые солдаты были способны на разрушения и убийства, им приписываемые. После войны конфликтные встречи немецких, с одной стороны, и французских и английских ученых, с другой, закончились исключением немецких ученых из основных европейских научных организаций.

Были и те ученые, кто пытался навести мосты, восстановить совместные международные проекты, свойственные научной мысли. Несмотря на постоянные призывы уволить из английских и французских учреждений исследователей немецкого происхождения, руководители вроде Томсона, еще занимавшего пост директора Кавендишской лаборатории, не обращали на них никакого внимания.

Некоторые лучшие сотрудники Резерфорда были немецкого происхождения, среди них Ханс Гейгер и Отто Ган, с которыми он продолжал общаться. Гейгеру он писал, что очень хочет, чтобы война не нарушила связи, которые они всегда поддерживали. Наука вне границ, поэтому в 1926 году, когда Резерфорд уже был президентом Королевского общества, он сделал все возможное, чтобы прекратить травлю немецких ученых.

Отто Ган принимал участие в проекте по созданию смертельного горчичного газа, Гейгер был ранен и, пройдя курс лечения, вновь вернулся на войну. К счастью, он уцелел на фронте. Кроме того, Гейгер как мог старался помочь иностранным ученым, которых, например Джеймса Чедвика, преследовали в Германии. Учившийся у Резерфорда Чедвик получил стилендию для продолжения обучения в Германии с Гейгером.

Чедвик родился в Манчестере, учился в Кембридже, а затем и в университете родного города, где познакомился с Резерфордом. Благодаря контактам Резерфорда с Гейгером, Чедвику удалось получить работу в Берлинском техническом институте. Когда началась Первая мировая война, Чедвика обвинили в шпионаже и отправили в концентрационный лагерь. После войны Резерфорд поселил его в своем доме и нашел ему работу в Манчестере. Позже специально для Чедвика он придумал должность ассистента директора Кавендишской лаборатории. В обязанности Чедвика входило освобождение Резерфорда от административной работы, что он мог чередовать с собственными исследованиями по бомбардировке атомных ядер альфа-частицами. В 1932 году Чедвик приступил к изучению бериллия, вдохновившись трудами семейной пары Ирен Кюри и Фредерика Жолио. В результате Чедвик обнаружил нейтрон, еще одну важную составляющую ядра атома. Нейтроны превратились в новый инструмент для исследований. Так как нейтральный заряд делает их "невидимыми" для воздействия электрических полей, это позволяет им с большей легкостью сталкиваться с атомными ядрами. За эту работу Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году, после чего он решил переехать в Ливерпульский университет, где ему обещали построить циклотрон. Однако эту идею не одобрял Резерфорд (циклотрон был американской разработкой, а ученые Старого Света с неприязнью смотрели на любые предложения из США). Чедвик участвовал в разных проектах, исследовавших возможность создания атомной бомбы. В 1945 году он был посвящен в рыцари, а в следующем году занял пост советника комиссии по атомной энергии Организации Объединенных Наций. Джеймс Чедвик умер 24 июля 1974 года.

Однако вскоре эта стипендия обернулась для него кошмаром. В начале войны его арестовали и отправили в концентрационный лагерь, раскинувшийся на месте бывшего ипподрома недалеко от Берлина. Там в заключении он провел три года. Это тягостное испытание не остановило его безудержную тягу к исследованию радиоактивности. Он нашел источники радиации и устроил импровизированную лабораторию, используя бытовые продукты, вроде зубной пасты с частицами тория. Радиоактивность в то время была брендом, так как ничего не было известно об опасности ее воздействия. Содержащийся в продуктах торий Чедвик использовал как источник радиации наравне с прогорклым сливочным маслом. Кроме того, его поддерживал Гейгер, старавшийся хоть как-то скрасить его заключение.

Физик и химик Генри Мозли (1887-1915) был одним из самых блестящих ученых своего поколения, хотя полностью раскрыть свой талант он не успел, так как погиб на фронте. Мозли происходил из богатой британской семьи и очень рано вывел один из основополагающих принципов, скрытых в периодической таблице. Сам он сформулировал принцип так:

"У атома имеется фундаментальное качество, пропорционально увеличивающееся при переходе от одного элемента к следующему. Этим качеством может быть только положительный центральный заряд ядра".

Идеи Мозли предшествовали открытию протона Резерфордом, очевидно, что Резерфорд принимал их в расчет, когда в конце концов смог обнаружить частицу.

Это доказывает, что внутреннее строение всех атомов схоже, на основании этих результатов можно узнать нечто большее о том, из чего состоит атом.

Генри Мозли о понятии атомного номера

Мозли пришел к выводу, что если наблюдать длину волны рентгеновских лучей, испускаемых атомами, она находится в прямой зависимости от числа положительных зарядов, которое в итоге стало называться атомным номером (обозначаемым буквой Z). Разница в количестве протонов отличала один элемент от другого и определяла физико-химические свойства элемента. Таким образом атомное число заменяло атомный вес, который химики прежде использовали как отправную точку при идентификации элемента, влияющую на его химические характеристики.

Война началась, когда Резерфорд и Мозли были на симпозиуме в Новой Зеландии. Мозли представили научному сообществу как исследователя с большим будущим, после чего он должен был немедленно вернуться в Великобританию и присоединиться к армии. Резерфорд, по возрасту не подлежащий призыву, посвятил себя научным проектам, за которые удостоился нескольких премий, а также читал лекции. Он связался с некоторыми влиятельными людьми, чтобы добиться скорейшего возвращения своего ученика с фронта в лабораторию. Имелся весомый практический довод, который должен был убедить всех, почему эти молодые ученые, и Мозли в их числе, не должны отправляться в окопы. Впервые ход войны зависел от научных открытий, эффективно развивающих военные технологии, необходимые для победы.

Резерфорд говорил с влиятельными армейскими начальниками. Наконец, ему удалось объяснить, что Мозли принесет больше пользы своей стране в лаборатории, чем на поле боя, и тогда для него выписали разрешение покинуть фронт. К несчастью, было слишком поздно. В сражении при Галлиполи Мозли погиб. Пуля пробила ему голову, когда он склонился над телефоном (одним из недавних изобретений, используемых для военных целей), чтобы просить о помощи. Резерфорд горько сожалел об этой утрате: "Это национальная трагедия", — говорил он.

Резерфорд принял предложение возглавить отделение Королевского флота по разработке защиты от субмарин. В условиях блокады, наложенной союзниками, для немцев субмарины стали спасением. Они могли торпедировать и потопить любое судно, поэтому задача их обнаружения была приоритетной.

Британское военное командование без энтузиазма принимало предложения, поступавшие от академического мира, не было сделано исключение и для Резерфорда. Ему приходилось участвовать в долгих заседаниях, а с его мнением не считались. Однако обнаружение субмарин не было чисто британской проблемой. Французы и американцы также еще не имели технологической возможности обнаруживать субмарины.

Резерфорд направил все усилия на решение порученной ему задачи, хотя его советы пропадали впустую. Для исследований он приспособил лабораторные резервуары с водой и целые дни проводил на море, тестируя свои идеи на маленьком судне, единственном, что было ему предоставлено для проведения работ. В его лаборатории не было инструментов для калибровки подводных микрофонов, и тогда он пригласил одного обладавшего хорошим слухом лингвиста из университета. Резерфорд держал за ноги погрузившегося в воду лингвиста, а тот внимательно вслушивался в звуки.

После двухлетнего кропотливого изучения трудов по акустике, написанных лордом Рэлеем, Резерфорд, наконец, изобрел гидрофон. Этот аппарат, на который он получил свой первый и единственный патент, позволял улавливать звуки под водой, а значит, обнаруживать присутствие субмарин. Гидрофон основывался на пассивном методе обнаружения, при котором для превращения звуковых сигналов в электрические использовались пьезоэлектрические материалы. Несмотря на ограничения — шум машинного отделения корабля не позволял его использовать, необходимо было останавливать двигатель — ею широко применяли в конце Первой мировой войны.

В 1917 году делегация во главе с Резерфордом прибыла сначала в Париж, чтобы поделиться этим достижением с союзниками. Там он встретился со своим старым другом Лан- жевеном, также работавшим над проблемой обнаружения субмарин, и с Марией Кюри (которая состояла с Ланжевеном в сентиментальных отношениях, что вызвало скандал в обществе). Затем делегация направилась в США, где Резерфорд смог продемонстрировать преимущества своего изобретения американцам (у которых были экономические и материальные средства, но в научном плане они серьезно отставали). Одним из консультантов американской группы был постаревший Томас Алва Эдисон.

Резерфорд захотел улучшить свое изобретение, когда понял, что при использовании активной системы, которая могла бы испускать звуки с достаточной энергией, звуковые волны отталкивались бы от движущихся в воде тел. Так был разработан предшественник сонара, а идеями Резерфорда американцы действительно воспользовались, и в ходе Второй мировой войны топили немецкие корабли с помощью сонаров.

Меня очень хорошо принял старик, который был воодушевлен, как школьник.

Резерфорд о встрече с Эдисоном в Соединенных Штатах

Разочарование британскими военными и отсутствие экономической поддержки для развития идей способствовали нарастанию скептицизма Резерфорда, в результате он вернулся к традиционным направлениям своих исследований.

Во время войны Кавендишская лаборатория, которой все еще руководил Томсон, была передана в распоряжение военного учреждения. Были прекращены занятия и закрыты проекты, так что в конце войны стояла трудная задача снова сделать лабораторию эпицентром научной жизни. Томсон принял должность в другом университете, и его кресло освободилось. Из кандидатур, рассматривавшихся в качестве преемника Томсона, Резерфорд был лучшим.

В 1919 году Резерфорд закончил учебный год в Манчестере и вернулся в Кавендишскую лабораторию. Он возвращался, будучи директором и нобелевским лауреатом, имея на счету самые памятные научные открытия своей эпохи.

Резерфорду предстояла сложная задача. С одной стороны, ему было необходимо финансирование, и в целом он получил его от государства в результате пробужденного войной интереса к науке. При этом он даже мог разорвать отношения с некоторыми частными спонсорами, считая, что наука должна избегать излишеств. Он выдерживал строгость как характерную черту своего научного центра, что иногда встречало непонимание сотрудников. Его собственная карьера была примером того, как далеко можно зайти при достаточно скромных средствах. С другой стороны, как раз тогда у ученого появились еще большие потребности. Новые исследования требовали значительных финансовых затрат на приобретение инструментов. Резерфорду необходимо было время, чтобы убедиться: для разгадки тайн атомного ядра нужны деньги и оборудование.

Как директор лаборатории Резерфорд должен был заниматься возросшим количеством студентов, исследователей, расширять имеющиеся помещения и структуры. Несмотря на это он уделял время своей команде исследователей, решал все вопросы и оказался прекрасным руководителем. Он был очень требователен к результатам, но в то же время вдохновлял сотрудников на дальнейшую работу. Таким образом он получал максимальную отдачу, вкладываясь в своих студентов. У него всегда была способность окружать себя лучшими учениками и исследователями, и те, кто были рядом с ним, неизбежно становились лучшими. Это был "питомник" для будущих Нобелевских лауреатов.

В тот период было необходимо позаботиться об исследователях, пытавшихся наладить жизнь после войны. Резерфорд занимался этим, и нередко требовалось его личное вмешательство. Чедвик — один из таких людей, и Резерфорд его очень высоко ценил. После окончания войны Чедвик освободился из заключения в концентрационном лагере, но его физическое состояние было тяжелым, и он находился в глубокой депрессии. Ему было только 27 лет, но он не видел никаких перспектив. Резерфорд взялся за него, и через десятилетие Чедвик обнаружил нейтрон и стал нобелевским лауреатом.

У нас нет денег, поэтому нам надо думать.

Эрнест Резерфорд

В звездной команде Кавендишской лаборатории этой эпохи не хватало математика. Развитие квантовой физики основывалось на математических абстракциях, требовавших умения выполнять сложные математические расчеты. Резерфорду был нужен математик, и он нашел место в лаборатории для одного из лучших математиков Кембриджа, Ральфа Говарда Фаулера.

Миссия нового сотрудника заключалась в математическом выражении теорий квантовой физики, над которыми работали Бор, Гейзенберг и Шредингер. Этот математик, служивший во время войны в артиллерии, даже стал членом семьи Резерфордов, когда в 1921 году женился на Эйлин. Вместе с Фаулером к проектам Резерфорда в Кавендишской лаборатории были привлечены Патрик Мейнрад Стюарт Блэкетт, Джон Кокрофт, Эрнест Уолтон и Петр Капица.

Когда Резерфорд возглавил Кавендишскую лабораторию, он оказался погруженным в административную работу, что принципиально отразилось на его исследованиях. Хотя он поддерживал собственную исследовательскую программу, большую часть времени отнимало руководство, а также обрушившаяся на него лавина международных премий и почестей.

Ему нужно было постоянно и на длительное время уезжать туда, где требовалось его присутствие. Среди почестей, которых он был удостоен, самыми важными являются назначение на должности президента Британской ассоциации научного развития (1923) и президента Королевского общества (1925). Свалившаяся на него ответственность снизила его научную активность: после невероятного ритма ежегодных публикаций настал период, когда издания практически прекратились.

Одна из немногих оригинальных научных теорий, которой Резерфорд занимался в 1920-е годы, оказалась ошибочной. Он считал, что само атомное ядро состоит из более мелкого ядра, вокруг которого вращаются субчастицы. То есть внутри ядра он надеялся обнаружить воспроизведение в меньшем масштабе строения атома, как будто бы речь шла о матрешке. Бор критиковал эту теорию, и в конце концов Резерфорд признал очевидность факта своей ошибки.

Пришел ли в это время закат его блестящей карьеры? Был ли это момент, когда Резерфорду можно было воздавать почести за его заслуги, но и не ожидать ничего большего? Его созидательная способность и энергичность не позволили его карьере сойти на нет. Уже в 1920 году на Бейкерианской лекции он показал, что еще способен на искры гениальности и может делать невероятные для своей эпохи открытия.

Лаборатория была основана в 1874 году в разгар Промышленной революции, в момент острейшей экономической конкуренции между Соединенным Королевством, Германией и Францией. В тот период существовало убеждение, что молодежь нужно готовить к проведению опытов и практическому применению научных идей, и способствовать таким образом развитию новых отраслей промышленности. В Берлине уже существовала лаборатория экспериментальной физики, когда Генри Кавендиш, герцог Девоншира и фабрикант, согласился финансировать кафедру в Кембридже, получившую его имя. Первым директором Кавендишской лаборатории стал блестящий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, благодаря которому лаборатория была оснащена необходимым для работы оборудованием. Одна из целей состояла в стандартизации единицы измерения электрического сопротивления, и это исследование прославило лабораторию как учреждение, где приоритет отдавался решению практических задач. Максвелл умер через пять лет, на посту директора его сменил лорд Рэлей, наметивший курс экспериментальной физики, ставшей осью для всего учреждения. Рэлей ушел в отставку в 1884 году, и на его место пришел молодой малоизвестный физик и математик Дж. Дж. Томсон, при котором в лаборатории центральной темой стало раскрытие тайны атома. Несмотря на то что центр существовал в непростых экономических условиях — финансирование шло только от записи студентов, без государственного обеспечения, — лаборатория продолжала привлекать самых блестящих ученых. Резерфорд, ставший преемником Томсона в 1919 году, не имел серьезных финансовых проблем, так как лаборатория получила государственную поддержку. После него в 1938 году директором стал Уильям Брэгг, при котором развивалась рентгеновская кристаллография — фундаментальная техника, позволившая сфотографировать молекулу ДНК, что привело к разгадке ее структуры двойной спирали. В 1954 году под руководством Невилла Мотта начались исследования конденсатов. А в 1971 году, когда директором стал Брайан Пиппард, произошло значительное расширение лаборатории. А с 1984 года Сэм Эдвард направил усилия лаборатории на изучение мягкого конденсированного вещества. С 1995 года директором лаборатории является Ричард Френд, эксперт по инженерии углеродных полупроводников.

Кавендишская лаборатория Кембриджского университета просматривается за озером.

Вторая Бейкерианская лекция прошла практически незаметно, в том числе и для научного сообщества. Фредерик Жолио, супруг Ирен Кюри, позже признавал, что не поехал на эту лекцию, так как ожидал от нее "обычной демонстрации ораторского искусства без новых идей". Но это было далеко от правды, и, как мы увидим дальше, отношение самого Жолио к этой лекции стоило ему Нобелевской премии.

На лекции Резерфорд предвосхитил некоторые достижения науки последующих лет. Среди его прогнозов, полностью оправдавшихся, можно вспомнить, например, существование "более тяжелого" водорода с ядром с двойной массой обычного водорода, но имевшего строение с одним электроном. Дейтерий — так называется изотоп водорода — был открыт через 11 лет. Также он говорил о гипотетическом существовании более легкого изотопа гелия, который открыли через несколько лет. Но, несомненно, провидческой эту лекцию делает тот факт, что за десять лет до открытия он рассказал о нейтроне.

Резерфорд описал следующими словами характеристики нейтрона, ядерной частицы, которую до того момента никто не мог обнаружить:

"Весьма вероятно, что электрон вблизи ядра формирует некий нейтральный дублет. У этого атома были бы новые свойства. Его внешнее поле было бы практически нулевым, за исключением зоны, близкой к ядру, и он мог бы свободно перемещаться в материи. Обнаружить спектроскопом его было бы очень трудно, также невозможно удержать его в закрытом сосуде. С другой стороны, он может свободно входить в структуру атомов, присоединяться к ядру или дезинтегрироваться его интенсивным полем, освобождая место заряженному атому водорода, электрону или и тому и другому".

Как предсказывал Резерфорд, нейтрон не имел электрического заряда и мог легко проникать в атомную структуру. Ученый описывал его как соединение протона и электрона, что в результате давало частицу с массой, аналогичной протону (масса электрона в сравнении представляется незначительной), и нейтральным электрическим зарядом.

Чедвик нацелил часть своих исследований и экспериментов на обнаружение этой частицы. Он ставил все возможные опыты. "Я проводил некоторые абсурдные эксперименты", — говорил он позднее, хотя затем добавлял: "Но самые абсурдные ставил Резерфорд". Несмотря на это первоначальное впечатление, после долгих лет работ и знакомства с экспериментами немецких и французских коллег его усилия были вознаграждены результатами.

Мать всегда говорила нам, что важно серьезно работать, быть независимыми и не искать только развлечений. Но она никогда не говорила, что наука должна быть единственной стезей, которой нужно следовать в жизни.

Ирен Кюри

В 1928 году немецкая команда, состоявшая из Вальтера Боте и Герберта Бекера, использовала альфа-частицы полония, воздействуя на бериллий. В результате они получили излучение с сильной проникающей способностью и нейтральным зарядом. Хотя уверенности в этом не было, немецкие ученые убедили себя, что они наблюдали гамма-излучение.

Четыре года спустя дочь Марии Кюри, Ирен, и ее муж Фредерик Жолио решили исследовать излучение, обнаруженное немецкими учеными. Французы выяснили, что при воздействии этого нейтрального излучения на парафин возникают протоны. Было ли возможно, чтобы гамма-излучение, не имеющее массы (речь шла об электромагнитном излучении, таком как видимый свет, только обладавшем большей энергией), извлекало протоны из элемента? Здесь что-то не состыковывалось, но Фредерик и Ирен только отметили, что это могло быть связано с эффектом Комптона (согласно которому при воздействии фотонов на металлическую поверхность из нее начинают. выбиваться электроны). Энергетически это было некорректное предположение, так как масса протона несопоставима с массой электрона. Гамма-излучение не могло вызвать такой эффект.

Снова наблюдалось несоответствие.

Чедвик получил известия о результатах немцев и французов. После их обсуждения с Резерфордом он был уверен, что где-то закралась ошибка. Тогда Чедвик принялся ставить те же эксперименты, чтобы обнаружить ошибку, он также увеличил количество целей, на которые воздействовал альфа-лучами, и использовал не только парафин, но и бериллий (см. рисунок). Сравнительные результаты, а также тот факт, что появляющееся излучение могло проникать в свинец, убедили его в том, что излучение состояло из нейтрально заряженных частиц с массой, подобной массе протона. У него было очевидное преимущество перед немцами и французами, его учитель предсказал существование нейтронов, и на эту тему они вели беседы неоднократно. Это позволило ему идентифицировать эти частицы, едва увидев их. Фредерик Жолио и Ирен Кюри не сталкивались прежде с такими частицами и не могли правильно интерпретировать информацию (что стоило им Нобелевской премии). И вот атомная головоломка казалась снова разгаданной. В 1932 году Чедвик опубликовал статью в журнале Nature "Возможное существован нейтрона*, в которой описал свое открытие.

Комментируя свой провал, Фредерик Жолио говорил, что хотя научный мир не знал об идеях Резерфорда, они всегда хранились в Кавендишской лаборатории, и именно это преимущество стало решающим для Чедвика, экспериментально доказавшего существование нейтрона. Ведь речь шла об ускользающей и трудно обнаруживаемой частице, именно в силу ее важной характеристики — отсутствия заряда. Говоря словами Фредерика Жолио:

В эксперименте Чедвика полоний используется как генератор альфа- излучения. Оно должно облучать бериллий, из которого будут вырываться нейтроны. Они попадут на мишень из свинца, а усилитель зарегистрирует количество попаданий.

"Старые лаборатории, имеющие долгую историю и традиции, всегда хранят тайные сокровища. Идеи, высказанные в прошлом нашими ныне живущими и умершими учителями, повторяются сотни раз, а затем наступает забвение. Но сознательно или подсознательно эти идеи проникают в мысли тех, кто работает в старых лабораториях, и периодически это дает свои плоды".

Фредерик Жолио и Ирен Кюри упустили прекрасную возможность получить Нобелевскую премию, и это случилось с ними не единожды. Британский физик-теоретик Поль Дирак (1902- 1984) предсказал существование позитрона в 1928 году. Через четыре года в 1932 году американский физик Карл Андерсон, изучая космические лучи с помощью пузырьковой камеры, открыл существование частицы, имевшей равную с электроном массу, но в то же время обладавшую положительным зарядом. Это был антиэлектрон, или, как в конце концов его назвали, позитрон, частица антиматерии Дирака. Андерсон смог наблюдать ее, когда понял, что при воздействии магнитного поля она имеет такую же траекторию, как электроны, но обладая такой же массой, отклоняется в другую сторону из-за наличия у нее положительного заряда. Ее масса идентична электрону, но их заряды противоположны. Аппараты Жолио — Кюри также обнаружили эту необычную частицу, но она вновь осталась незамеченной ими. После открытия супруги решили, что позитроны представляют интересное поле для исследований. Они вновь воспользовались полонием как источником альфа- частиц и начали бомбардировку алюминиевой пластины. В определенный момент испускались позитроны, но внимание ученых привлек другой факт: после прекращения альфа-излучения алюминий — в ходе воздействия на него превратившийся в фосфор — продолжал испускать радиацию. Они проверяли свой прибор вновь и вновь, но все работало верно. Таким образом им удалось искусственно трансформировать стабильный материал, каким был алюминий, в радиоактивный. В результате наблюдений они также пришли к выводу, что распад, который приводил к радиоактивности, мог быть источником электронов и позитронов (β+- и β-радиоактивность). На этот раз их усилия были вознаграждены Нобелевской премией по химии в 1935 году.

Открытие Чедвика, с другой стороны, привело к развитию исследований по расщеплению ядра, в котором нейтроны играют решающую роль. Отто Ган и Лиза Мейтнер, сотрудничавшие с Резерфордом, были первыми, кому удалось осуществить это. Расщепление ядра основано на бомбардировке нейтронами разных материалов, таких как уран, который выбрали, потому что он был самым распространенным в ту эпоху. Как предсказал Резерфорд, нейтрон с большей легкостью мог проникать в ядро, воздействие нейтрона приводило к делению и расщеплению первоначального ядра. Это высвобождало большое количество энергии, а в результате реакции вместо одного атома урана возникали два атома меньшей массы: барий и криптон (см. рисунок 1). Это вызвало большое удивление Отто Гана, так как оба элемента были значительно более легкими по сравнению с ураном. На самом деле когда Ган впервые обнаружил барий, он не знал, откуда взялся этот элемент. Но в беседе они с Мейтнер установили, что его происхождение было связано с бомбардировкой урана нейтронами.

Еще одним продуктом деления атома являются нейтроны, которые используются для расщепления многих других атомов урана. Таким образом, можно вызвать цепную реакцию радиоактивного распада (см. рисунок 2).

Капица, Уолтон и Кокрофт... Эти имена связаны со строительством первого ускорителя частиц. Тогда и началась эпоха Большой науки, названная так по количеству и качеству задействованного оборудования, финансирования, а также сотрудничества и координации многочисленных научных групп.

Сам Резерфорд сказал в 1927 году на собрании Королевского общества: "Будущее за Большой наукой". Далее он отметил, что получение "электронов на большой скорости и атомов на большой скорости откроет необыкновенно интересное поле для исследований".

РИС. 1:

В процессе расщепления ядра уран бомбардируется нейтронами. Ядро разделяется на две почти равные части, образуя атом бария (Ва) и атом криптона (Kr).

РИС. 2:

Когда уран расщепляется нейтроном, кроме разделения атома на две части, возникают три нейтрона, которые, в свою очередь, могут вызывать расщепление трех атомных ядер. За несколько мгновений эта цепная реакция может высвобождать невероятное количество энергии, что положено в основу атомной бомбы.

Ускоритель стал необходимостью. Резерфорд, гений манипулирования естественными альфа-частицами в деле разгадки тайн атома, признавал, что этот метод исследования фундаментальных частиц достиг предела своих возможностей. Для получения дальнейших знаний было необходимо приложить к частицам большую энергию искусственным путем.

Секрет заключался в получении достаточной энергии для расщепления ядер атомов. Хотя первоначальные расчеты показывали, что количество энергии, необходимой для разделения ядра, получить невозможно, некоторые исследователи не пасовали перед этими пессимистичными оценками, и среди них был Петр Капица. Побывав в Кавендишской лаборатории в 1921 году, он остался работать с Резерфордом, и их сотрудничество длилось в течение 15 лет.

Это совершенно необыкновенный физик и весьма оригинальный человек.

Слова П. Л. Капицы, демонстрирующие его восхищение своим учителем Э. Резерфордом

Капица был очень активным и хорошо умел убеждать, так что на его проекты Резерфорд выделял большие суммы, чем на проекты других членов команды. Этот факт дифференцированного подхода к участникам группы вызвал не один возглас недовольства. При этом Капица устраивал неформальные встречи ученых для обмена мнениями. В его клубе царила расслабленная атмосфера, и именно здесь Чедвик впервые рассказал об открытии нейтрона. Капица состоял в отличных отношениях с Резерфордом и был одним из немногих, кто мог шутить и критиковать его идеи в его присутствии. Оба они разделяли одну концепцию науки и связи теории с практикой. Для Капицы "отделение теории от практики, от экспериментальной работы негативно сказывалось на самой теории". Капица ясно понимал, что для исследования материи нужно было получить очень интенсивные магнитные поля, для этого требовались мощные динамо-машины. Благодаря генерируемым магнитным полям можно было изменить траекторию любых частиц, имеющих электрический заряд. Он добивался самых мощных магнитных полей в свою эпоху, его результат смогли превзойти только через несколько десятилетий. Исследования Капицей магнитного поля были использованы Уолтоном и Кокрофтом для создания ускорителя частиц.

Британский физик Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967), ассистент Капицы в лаборатории Монда, получил математическое образование и работал также в электропромышленности. Этот опыт сыграл важнейшую роль, когда он перешел в Кавендиш- скую лабораторию. Ирландский физик Эрнест Томас Синтон Уолтон (1903-1995) специализировался на гидродинамике. Он был восхищен исследованиями Резерфорда, и несмотря на то что ему не хватало опыта и необходимых знаний о строении атома, он был убежден, что ускоритель частиц станет величайшим проектом эпохи, поэтому хотел участвовать в нем. В 1927 году он показал Резерфорду одну из своих работ, связанную с цилиндрами и течениями воды, сделанную благодаря стипендии имени Всемирной выставки 1851 года (той, которую в свое время получил Резерфорд). Профессор убедился, что сотрудничество будет успешным.

Совместная деятельность Резерфорда, Кокрофта и Уолтона продолжалась пять лет, и ее целью было искусственное деление атома с помощью ускорителя частиц (см. Приложение Б). Сначала они работали вместе с Капицей и пытались ускорить электроны, используя высокое напряжение. Казалось, что для получения результата надо задействовать напряжение в несколько миллионов вольт, и задача выглядела недостижимой. Но Кокрофт прочитал работу советского физика и астрофизика Георгия Гамова (1904-1968), в которой говорилось, что достичь такой цели можно с меньшим напряжением. Гамов пришел к выводу, что учитывая квантовые феномены, частицы, которые априори не имеют достаточной энергии, чтобы вылетать из ядра согласно классическим законам физики, на самом деле могут достигнуть своей цели благодаря так называемому "туннельному эффекту". Цель команды стала реальной.

Когда в 1932 году Чедвик открыл нейтрон, казалось, что был обнаружен последний фрагмент пазла. Найденная частица дополняла открытие электрона. сделанное Томсоном, и открытие протона, сделанное Резерфордом. Создалось впечатление, что открыты самые элементарные компоненты материи. Однако развитие ускорителей частиц в 1950-х привело к возникновению идеи, что ядерные частицы — протоны и нейтроны — имеют некоторую внутреннюю структуру. Это означало возможность существования более фундаментальных частиц. В 1964 году американский физик Марри Гелл-Ман в ответ на экспериментальные данные ввел понятие кварка. Дальнейшие исследования позволили установить, что имеется шесть типов (их еще называют "ароматы") кварков: верхний (u), нижний (d), очарованный (с), странный (s), верхний (t), нижний (b). Согласно Гелл-Ману. когда кварки объединены в триаду, они генерируют протоны и нейтроны (то. что называется также "барионной материей"). Например, комбинация двух верхних кварков и одного нижнего составляет протон; одного верхнего кварка и двух нижних — нейтрон (см. рисунок ниже).

В любом случае кварки не были единственными элементарными частицами. открытыми тогда. В 1937 году исследование космического излучения позволило обнаружить новую частицу, которую назвали мю. или мюон. Так же как у электрона, у нее был отрицательный заряд, но она была в 200 раз тяжелее. В 1975 году к ней добавилась частица тау, также отрицательно заряженная, но в 3500 раз более тяжелая, чем электрон. Электроны, мюоны и частица тау стали называться пептонами. К этой группе также относятся три типа нейтрино, каждый из которых симметрично компенсирует предшествующие частицы: электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино. Кроме этих частиц, физики указали на существование частиц, появляющихся при взаимодействии частиц между собой. Самая известная из них — фотон, к которой нужно добавить глюон, возникающий при сильных взаимодействиях и объясняющий причину, почему ядерные частицы крепко связаны между собой и преодолевают электростатические силы отталкивания. Частицы, возникающие при взаимодействии, называют бозонами, к перечисленным бозонам нужно добавить бозоны W и Z, появляющиеся при слабых взаимодействиях (в таблице показаны эти "новые" элементарные частицы). Когда Резерфорд и Томсон приоткрыли завесу, скрывавшую элементарные частицы атома, никто не мог предположить, что за ней будет обнаружен кипящий котел частиц.

Уолтон и Кокрофт взялись за дело, и в 1928 году в подвал Кавендишской лаборатории стали приходить первые детали для ускорителя частиц. В этот период между несколькими лабораториями в разных частях света началась ожесточенная конкуренция.

В начале 1930 года насчитывалось не менее пяти участников в этой гонке за ускорением частиц и за возможностью продолжать разгадывать атомное ядро. Только в Соединенных Штатах, например, было несколько проектов, один из них под руководством Эрнеста Лоуренса в Калифорнийском университете.

Петр Леонидович Капица (1894-1984) родился в Кронштадте, его отец был военным, а мать учительницей. Он учился на инженерном факультете в университете Петрограда и пережил революцию. Его жена и двое детей умерли в 1918 году от ужасной пандемии гриппа, которая в тот год коснулась многих стран по всему миру. В 1919 году Капицу пригласили на работу в университет. Два года спустя его включили в университетскую делегацию, которая должна была проехать по всей Европе, собрать материалы и обменяться идеями с коллегами. Попав в Кавен- дишскую лабораторию, Капица остался работать с Резерфордом. Он получил докторскую степень в Кембридже в 1923 году и был назначен ассистентом директора по магнитным исследованиям. В 1929 году он стал членом Королевского общества. Капица открыто говорил о своей родине и поддерживал связь с Советским Союзом, ему удавалось совмещать успешную профессиональную карьеру и постоянные поездки домой. Резерфорд поставил ему только одно условие: запрет на разговоры о политике в лаборатории. Капица убедил Резерфорда в необходимости построить лабораторию для своих исследований. Резерфорд согласился использовать часть средств из бюджета Королевского общества на строительство, и в 1932 году началось возведение лаборатории Монда Королевского общества. На одной из ее стен Капица попросил изобразить крокодила в честь своего учителя, воплотившего в жизнь его мечты о блистательной научной карьере. На самом деле он и наградил этим ласковым прозвищем Резерфорда. В новой лаборатории Капица создал первый ожижитель гелия. В 1978 году это исследование принесло ему Нобелевскую премию за открытия в области магнетизма, жидкого гелия и физики низких температур.

В 1934 году по приказу Сталина власти запретили Капице выезд из страны и сообщили ему, что отныне его научная карьера будет развиваться на родине. Резерфорд развернул кампанию по возвращению Капицы, но советские власти дали ему безапелляционный ответ: "Несомненно, Кембриджу хотелось бы, чтобы один из величайших ученых в мире работал в его лабораториях, так же и Советскому Союзу хотелось бы иметь в распоряжении лорда Резерфорда". Капица был назначен директором Института физических проблем в Москве, туда он перевез все оборудование из своей лаборатории в Кембридже (фактически было перевезено все здание целиком, и в Кембридже затем построили его копию). В 1938 году на основании наблюдения за гелием, не имевшим вязкости, он открыл состояние материи, известное как сверхтекучесть. Также он изобрел аппарат по промышленному производству жидкого кислорода. Капица смог установить дружеские отношения со Сталиным, который пообещал ему, что его лаборатория будет иметь некоторые привилегии. Капица работал вместе со Львом Ландау, советским физиком, который смог объяснить сверхтекучесть с точки зрения квантовой теории. Однако когда в 1945 году Капица отказался участвовать в советском проекте разработки атомной бомбы, его сместили со всех постов. Только после смерти Сталина в 1953 году ученому удалось вновь занять место главы Института физических проблем. Капица умер в Москве в 1984 году.

Там началось строительство циркулярного ускорителя, который позже стал называться циклотроном. В Карнеги Мер- ле Туве планировал создать настолько большой ускоритель, что он не помещался ни в какое здание. Ему пришлось строить его несмотря на непогоду, в результате чего постоянно портилось оборудование.

Высокое напряжение должно было создать интенсивные электромагнитные поля, которые, в свою очередь, должны подтал кивать частицы к вступлению в поле действия. Эти частицы должны были двигаться к фиксированной цели, такой как тонкая металлическая пластина. В проекте Кокрофта — Уолтона под контролем Резерфорда ученые стремились достичь ускорения протонов, для того чтобы те сталкивались с литиевой пластинкой (самый легкий металл). Когда ускоренная частица ударялась об атомы, ее высокая скорость давала основания полагать, что некоторые из ее ядер испытывают воздействие. Не было понятно, удастся ли разделить ядро, как предсказывал Резерфорде 1917 году. Никто по сути не знал, будет ли эксперимент успешным, но все же существовало глубокое убеждение, что он откроет путь к более глубокому пониманию природы.

Посередине этой интенсивной и волнующей гонки Резерфорд перенес один из сильнейших ударов судьбы. В 1930 году во время родов четвертого ребенка умерла его дочь Эйлин. Эрнест так и не оправился после трагедии. Он быстро состарился и посвятил себя внукам. Его поездки за границу переносились или вовсе отменялись. Лаборатория и интеллектуальные занятия привлекали его, но уже в меньшей степени. Через несколько недель после смерти дочери он получил титул барона и стал именоваться лордом Резерфордом Нельсоном. На гербе по его желанию поместили изображения воина маори и птицы киви в память о его родине. Также он выбрал образ греческого бога Гермеса Трисмегиста, покровителя алхимиков, и девиз на латинском: Primordia quaerere rerum, что означает: "Доискивайся первоосновы вещей".

В это время Кокрофт и Уолтон начали осознавать, что им необходима большая разность потенциалов, чем они рассчитывали изначально. Их соперникам удавалось достичь напряжения более миллиона вольт, поэтому казалось, что они проигрывают. Однако пока никому не удалось расщепить атомное ядро, поэтому надежда оставалась. Резерфорд, со своей стороны, настойчиво требовал результатов. Кроме того, он подозревал, что его ученики намеренно откладывали начало испытаний, опасаясь провала.

В 1930 году циклотрон заработал под напряжением в 1,2 миллиона вольт. Причем с его помощью не удалось расщепить ни один атом. Аппарат Уолтона и Кокрофта представлял собой башню высотой 4,5 м, и вместе с генератором он с трудом умещался в подвале. В 1932 году они сообщили, что получили напряжение в 800 тысяч вольт и, по их расчетам, его будет достаточно для разделения атома.

Ирен Кюри и Фредерик Жолио, 1935 год. В этом году паре получила Нобелевскую премию.

Резерфорд (в центре), Уолтон (справа) и Кокрофт вместе работали в лаборатории над разрешением проблемы искусственного разделении атома.

Когда 14 апреля 1932 года Уолтон запустил ускоритель, других свидетелей первых проблесков, которые начала улавливать машина, рядом не было. Уолтон знал, что происходит нечто важное, и немедленно известил Кокрофта и Резерфорда, чтобы те посмотрели результаты. Резерфорд сразу же стал проверять природу вспышек и обнаружил, что это были альфа- частицы, его старые знакомые, вновь навестившие его. В этот момент Резерфорд сказал:

"Эти вспышки сильно напоминают альфа-частицы. Если кто и может идентифицировать вспышку невооруженным глазом, так это я, потому что присутствовал при самом ее рождении".

Альфа-частицы на самом деле были фрагментами лития, разделившегося на две половины. Аппарат улавливал альфа- частицы, которые, как мы говорили, состоят из двух протонов и двух нейтронов. Ускоритель частиц запустил протон на изотоп лития, состоящий из трех протонов и четырех нейтронов в ядре. При воздействии на литий первый протон поглощался ядром, так формировалось нестабильное ядро из четырех протонов и четырех нейтронов, начинался процесс дезинтеграции атома на две равные половины (см. рисунок на с. 140). Разделение оказывалось ровным, так что возникали две частицы, у каждой из которых имелось по два протона и два нейтрона. Это были альфа-частицы, улавливаемые детектором. Исследователям удалось разделить атомное ядро пополам.

Резерфорд потребовал, чтобы оба ученых немедленно написали научную статью с подтверждением открытия. Они первыми добились желанной цели, и никто не должен был их опередить в последний момент. Через две недели в журнале Nature было объявлено об открытии, Кокрофт и Уолтон утверждали:

"Блеск вспышек и плотность треков, которые наблюдались на камере расширения, дают основания полагать, что эти частицы являются обычными альфа-частицами. Если эта точка зрения верна, возможно, что изотоп лития с массовым числом 7 время от времени притягивает протон и получившееся ядро из восьми протонов разделяется на две альфа-частицы, у каждой из которых массовое число равно 4, а энергия — примерно восемь миллионов электрон- вольт. Эволюция энергии с этой точки зрения — примерно шестнадцать миллионов электронвольт из-за разделения, что примерно совпадает с ожидаемым, исходя из уменьшения атомной массы, задействованной в дезинтеграции".

Работа Кокрофта и Уолтона состояла в основном в создании большого генератора, то есть электрической цепи, дающей высокое напряжение при постоянном токе, начиная от низкого напряжения при переменном. С помощью этого генератора им впервые в истории удалось ускорить частицы до скорости, достаточной для разделения атома. Генератор состоял из сети в форме лестницы из конденсаторов и диодов, удваивающих напряжение. Эта система была очень эффективной и более экономичной, чем использование трансформаторов.

Эрнест Уолтон настраивает работу генератора Кокрофта — Уолтона детектором, на котором можно было производить наблюдение вспышек при разделении лития, 1940 год.

Ускоренный протон воздействует из ядро лития, возникает энергия, а ядро в тоже время разделяется на две равные части, идентифицированные как альфа-частицы.

По странному стечению обстоятельств через несколько недель в лабораторию должен был приехать Эйнштейн. Немецкий физик познакомился с Кокрофтом и Уолтоном, осмотрел оборудование. Именно для ядерных реакций было необходимо прибегать к формуле Е - mc², чтобы объяснить, как часть задействованной в начале процесса массы превращалась в энергию.

В течение нескольких лет Резерфорд не мог объявить о каком-либо значимом открытии, и вот он снова оказался на вершине. В том же году Чедвик сообщил об открытии нейтрона. Эти вехи развития науки всегда будут ассоциироваться с великим профессором.

Резерфорд находился в авангарде передовых научных исследований в течение трех десятилетий и продолжал удерживать центральные позиции. Ему уже было за 60, и все же у него оставалась достаточно энергии и энтузиазма, чтобы приступить к изучению дейтерия, тяжелого водорода, прогноз о котором он дал когда-то давно, но открыт он был недавно. Резерфорд до сих пор переписывался с самыми значимыми учеными, среди которых были и представители нового поколения. Одно из убеждений, которые он настойчиво защищал именно в эпоху великих социальных и политических потрясений, заключалось в том, что научные идеи должны распространяться, сообщаться и передаваться. Научный дискурс по своей природе противоположен закрытости и упорству ура-патриотов. В основе науки лежит космополитизм.

В 1933 году Резерфорд участвовал в научном споре, касающемся возможного использования большого количества энергии, высвобождаемой при расщеплении атомных ядер. Он критически относился к возможности коммерческого использования этой энергии, так как для разделения атома было необходимо использовать невероятные количества энергии для ускорения частиц. С его точки зрения, этот процесс никогда не мог стать эффективным. Ему пришлось уточнить это мнение три года спустя, когда он понял, что нейтронам не требуется так много энергии для разделения ядра и для освобождения хранившейся внутри ядра энергии. "Было необходимо только, чтобы появился метод, позволявший производить медленные нейтроны в достаточном количестве, чтобы не тратить больше энергии". Однако на тот момент не существовало ничего отдаленно похожего.

Резерфорд был уверен, что сотрудничество является базой научного прогресса, и хотя он никогда не высказывал открыто свои политические взгляды, когда в 1933 году к власти в Германии пришел Адольф Гитлер, он понял, что политика по- настоящему угрожает его научным идеалам.

Эти трансформации атомов представляют необыкновенный интерес для ученых, но мы не можем контролировать атомную энергию до такой степени, чтобы она приобрела коммерческую ценность. Думаю, мы далеки от этого.

Эрнест Резерфорд

В Германии начали публиковать законы, запрещавшие евреям занимать должности в органах власти и других учреждениях. Университеты не стали исключением, так что многие коллеги Резерфорда были уволены из учебных заведений и исследовательских центров. Один из блистательных научных коллективов оказался в трудной ситуации и подвергался гонениям.

Нацисты не только преследовали еврейских ученых, но также старались уничтожить их научные идеи. Они хотели искоренить "еврейскую физику", в которой выделялась теория относительности Эйнштейна, чтобы защитить арийскую физику. Среди вдохновителей были Йоханнес Штарк (1874— 1957) и Филипп Ленард (1862-1947), требовавшие уничтожения книг еврейских авторов и публичного их сожжения.

Резерфорд лично помогал ученым. Так, он позаботился о том, чтобы Борна приняли в Эдинбургском университете, руководил Советом академической помощи, действовавшим как сеть, содействующая ученым по устройству в университетах за границей.

В эпоху обострившегося экономического кризиса и антисемитизма Эрнесту Резерфорду довелось столкнуться с множеством трудностей и непониманием соотечественников. Совету пришлось работать с 1300 просьбами о помощи.

Резерфорд никогда не прекращал свои лекции, а также постоянно занимался внуками. Напряжение, в котором он непрерывно держал студентов и сотрудников Кавендишской лаборатории (что в прошлом приносило хорошие результаты), снижалось. Это имело неприятное следствие: ближайшие сотрудники покидали Резерфорда. После огромного успеха ускорителя частиц Уолтон согласился возглавить кафедру в Тринити-колледже. Чедвик, получивший в 1935 году Нобелевскую премию, решил отправиться в Ливерпульский университет, уставший от препятствий, которые чинил на его пути Резерфорд, не дававший ему построить циклотрон. Марку Олифанту, с 1927 года работавшему в лаборатории и принимавшему участие в искусственном разделении атомного ядра, в 1937 году было предложено возглавить лабораторию в Бирмингеме.

Узнав о его отъезде, Резерфорд только сказать: "Меня окружают неблагодарные коллеги". Несмотря на разочарование, которым для него становился каждый отъезд, Эрнест всегда поддерживал "своих мальчиков", как он их называл, давал им рекомендации и предлагал помощь в случае необходимости.

В 1937 году Резерфорд упал, когда подрезал дерево в саду. На боль наложилось общее недомогание: его постоянно рвало. Это была грыжа, обострившаяся от падения. Жена сначала пыталась лечить его народными средствами, но потом вызвала хирурга, который должен был сделать простую по тем временам операцию. Хотя казалось, что операция прошла успешно, его состояние ухудшилось. Конец был неизбежен, поэтому с помощью жены он написал несколько прощальных писем, одно из них — Чедвику. Эрнест Резерфорд скончался 19 октября 1937 года.

Один из студентов однажды назвал Резерфорда "силой самой природы". Именно таким он оставался вплоть до конца. Смерть потрясла его коллег, сотрудников и почитателей. "Профессор умер", — эта фраза обошла все научные круги мира, и никто даже не уточнял, о ком шла речь. Бор находился на конгрессе, когда получил телеграмму от жены Резерфорда, и не мог сдержать слез, рассказывая ассистентам и коллегам о трагической развязке. Газеты, среди них New York Times, собрали целое досье его подвигов и достижений и опубликовали некрологи:

"Мало кому уготована честь обрести бессмертие, еще меньше людей достигают Олимпа при жизни. Лорд Резерфорд смог и то и другое. Он относился к поколению, ставшему свидетелем одной из величайших революций в истории науки, он был всемирно признан как лидер в области исследований необъятной и бесконечной сложности вселенной, находящейся внутри атома".

Пепел Резерфорда погребен в Вестминстерском аббатстве рядом с могилой Ньютона. Годы спустя резерфордий (Rf) занял 104-е место в периодической таблице: синтетический высокорадиоактивный элемент был впервые получен в 1964 году и назван в честь ученого.