Даниил Данин - Резерфорд

Для статистической картины рассеяния альфа-частиц на любые углы — малые и большие — знак заряда сердцевины атома совершенно безразличен. Если этот заряд «+», то альфа-частица, пролетая сквозь атом, отталкивается центральным телом. И отклоняется от прямого своего пути, скажем, вправо. Если знак заряда «-», то она притягивается сердцевиной атома. И отклоняется в своем полете влево. Атомов в мишени тьма. Частиц в альфа-луче множество. Отклонения во все стороны осуществляются с равной вероятностью. И если бы в опыте внезапно изменился знак заряда атомных сердцевин — был «+», а стал «-», или наоборот, — в картине рассеяния не изменилось бы ничего.

Но, может быть, отраженные частицы — рассеянные на столь большие углы, что они возвращаются от мишени назад, — давали информацию о знаке заряда центрального тела в атоме? Тоже нет. И по той же причине.

Хотя возвращение вспять — результат взаимодействия альфа-частицы с единичным атомом, она переживает это редкое событие под влиянием все тех же сил электрического отталкивания или притяжения. Такой частице просто очень повезло: ей удалось пролететь совсем близко от сердцевины одного из атомов мишени. Ведь силы взаимодействия быстро растут с уменьшением расстояния между зарядами. Когда расстояние мало, силы громадны. И если заряд сердцевины «+», она способна отбросить назад положительную частицу, осмелившуюся подлететь к ней слишком близко. А если заряд центрального тела «-»? Тогда действуют силы притяжения и начинает казаться непонятным, по какой причине альфа-частица должна повернуть обратно. Да по той же причине, по какой наша Земля, приближаясь к Солнцу, не может оторваться от него и улететь в мировое пространство. Именно силы притяжения — только не электрического, а гравитационного — заставляют планету, летящую мимо Солнца, огибать его и снова появляться по сю сторону сцены. Так и при отрицательно заряженной сердцевине атома альфа-частицу заставят обогнуть ее и вернуться обратно силы притяжения. Ив говорит, что для этого случая Резерфорд рисовал себе образ кометы, по гиперболе облетающей Солнце.

Вот так и получалось, что картина рассеяния совершенно не зависела от знака заряда центрального тела. Она зависела лишь от величины этого заряда. И от массивности этого тела. И от его малости.

Малость была особенно важна. Делалась тотчас понятной редкость актов отражения. Уже не вызывало удивления, почему из восьми тысяч альфа-частиц, упавших на мишень, всего одна получала шанс пролететь настолько близко от сердцевины какого-нибудь из атомов, чтобы испытать всю мощь ее отталкивания или притяжения.

А заодно легко объяснялось, почему с утолщением мишени росло число отраженных частиц. Сделать мишень толще значило поставить на пути каждого альфа-снаряда больше атомов. Естественно, увеличивалась вероятность «попадания в цель». Но вместе с тем становилось ясно, что у толщины мишени должен быть предел, за которым число отражений уже не сможет увеличиваться. Ведь каждая отраженная частица проделывала путь обратно и на этом обратном пути снова встречала толпу атомов. Поэтому с толщиной убывала вероятность вырваться после отражения наружу. Так одна вероятность росла, а другая уменьшалась. Должно было наступать равновесие. Гейгер и Марсден действительно наблюдали его на опыте.

В общем идея маленького, но могучего центрального тела в атоме работала хорошо! Однако какой же заряд оно несло: «+» или «-»? Не зная этого, можно ли было сконструировать атомную модель?! Из двух вариантов верным мог быть один. Следовало сделать выбор.

И тут-то захлопнулась мышеловка.

Стоило допустить, что сердцевина заряжена отрицательно, как снова выползали наружу неправдоподобные черты томсоновской модели. Если в центре заряд «-», значит там сосредоточены атомные электроны. Но там же, по исходной идее, сконцентрирована основная масса атома. Стало быть, снова появлялось на свет многотысячное скопление электронов. И снова появлялась призрачная — почти невесомая — сфера с положительным зарядом, ибо надо же было как-то обеспечить нейтральность атома в целом. А при распаде радиоактивных атомов откуда брались тяжелые положительно заряженные альфа-частицы?.. Смущающие и безответные вопросы обступали толпой.

Но стоило допустить, что сердцевина заряжена положительно, как возможная атомная модель вообще становилась эфемерной. На первый взгляд все получалось красиво и убедительно. Нейтральность достигалась естественно и просто: в центре тяжелый заряд «+», вокруг легкие электроны с зарядом «-». Понятно, почему электроны так легко отрываются от атомов и становятся свободными: они живут вдали от сердцевины и связь их с нею не очень прочна — ее несложно нарушить. Даже трением можно наэлектризовать многие тела. (Старые добрые школьные опыты!) И за атомный вес в такой модели несут ответственность не электроны, а центральный тяжелый положительный заряд. И становится понятно, откуда берутся при радиоактивном распаде альфа-частицы: их выбрасывает в результате каких-то внутренних процессов массивная атомная сердцевина. И наконец, легко удовлетворяются такой моделью требования теоремы Ирншоу. Конечно, электроны не покоятся вдали от центрального заряда; они вращаются вокруг него. Так, значит, в довершение всех достоинств этого атома, он еще и устойчив? Когда бы так, лучшего действительно нельзя было бы пожелать. Но в том-то и заключалась беда, что такой атом существовать не мог.