Jaume Navarro - Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Резерфорд присоединился к Гейгеру и Марсдену, они пересмотрели эксперимент и получили сложный для понимания результат: при пропускании потока а-частиц через очень тонкую пластинку из золота большая их часть пересекала металл без изменений, но несколько частиц после столкновения с металлом «рикошетили» и отлетали в противоположном направлении (см. рисунок 1). Позже Резерфорд утверждал, что это было столь же удивительно, как если бы пули рикошетили от папиросной бумаги. Раз атом являлся, как считал Томсон, однородной массой положительного заряда с более или менее равномерным распределением электронов, этот результат не имел смысла: можно понять легкую, но не столь явную дисперсию.

РИС.1

Таким образом, в 1911 году Резерфорд предложил полностью изменить представление об атоме. Возможно, положительная часть неоднородна и не занимает весь атом, она могла быть сконцентрирована в центре атома, образуя очень маленькое ядро, вокруг которого двигались электроны. Это похоже на планетарную систему, где центр занимает ядро, обладающее большой массой и всем положительным зарядом атома. Это объясняло, почему большинство а-частиц (заряженных положительно) почти не диспергировались, но некоторые испытывали такую большую силу, что она заставляла их рикошетить: это были те частицы, которые случайно сталкивались с ядром одного из атомов.

Однако предложение Резерфорда осталось практически незамеченным. Это не было великой революцией, великим открытием, о нем не писали в газетах, его не обсуждали в кафе, оно даже не привлекло внимания ученых, которые восприняли его как частный случай поведения α-частиц. Кроме того, Резерфорд не интересовался теоретической физикой, он был экспериментатором и не мог развить теоретические следствия из данной модели.

С другой стороны, у Резерфорда эта идея возникла не только на основе его с Гейгером и Марсденом экспериментов: это предложение должно рассматриваться в контексте стремления понять, что же такое α-частицы. Уже было сказано, что они обладают массой, схожей с массой атома гелия, и заряд их в два раза превосходит заряд электрона, но при этом он положительный. Информация о радиоактивности оставалась такой скудной, что никто еще не знал, существуют α-частицы в атомах или образуются при испускании из них. Резерфорд был ярым сторонником первого варианта, поскольку уже некоторое время считал, что α-частицы входят в состав структуры атома. До представления об атоме с ядерной структурой оставалась пара шагов.

Если Кембридж на тот момент обладал семивековой историей, Манчестерскому университету было всего-то несколько десятилетий от роду. Город был эпицентром промышленной революции и в начале XX века в нем была сосредоточена большая часть британского производства, где каждый раз все более влиятельная и образованная буржуазия способствовала развитию науки и искусства. Так был учрежден местный университет, который в 1903 году получил имя королевы Виктории.

Нильс Бор приехал в Манчестер в марте 1912 года с надеждами, возродившимися после неудачного опыта с Томсоном. Поскольку это был мировой центр экспериментальной радиоактивности, Бор согласился пройти элементарную практику работы в лаборатории, после чего Резерфорд поручил ему изучение поглощения α-лучей в алюминии. Но Бор скучал в лаборатории: его большой страстью была теоретическая физика, великие понятия, математические и философские составляющие научных новшеств, а не изнуряющий и рутинный ручной труд экспериментатора. В этом Резерфорд и Бор были антиподами. Первый ненавидел громоздкие умозаключения и чрезвычайно сложные математические теории. У второго не хватало терпения на многочасовую работу с веществами и на бесконечные повторения экспериментов. Возможно, именно поэтому с годами их связала крепкая дружба и профессиональное сотрудничество на уровне организаций, когда после Первой мировой войны они возглавили самые значимые центры физики в Кембридже (Резерфорд) и Копенгагене (Бор).

Единственное, что было известно о структуре атомов к 1910 году,— то, что они содержат электроны, часть из которых может отделяться, после чего атом оказывается заряженным положительно; или, наоборот, атом может принять некий внешний электрон и обрести отрицательный заряд. За век до описываемых событий заряженные положительно или отрицательно атомы называли «ионами». Новое явление радиоактивности говорило о другом типе излучения, намного более сильном, чем потеря или поглощение электронов, и оно предполагало изменение химических (а не только электрических) свойств атомов. Во второй половине XIX века Дмитрий Менделеев создал таблицу, в которой организовал известные на тот момент химические элементы. Эта периодическая таблица, где по горизонтали они располагаются по возрастанию измеренной массы атомов, а по вертикали — по своим химическим свойствам, стала одним из самых простых и полезных инструментов развития химии; она даже служила для предсказания существования неизвестных до тех пор химических элементов. Один из компонентов таблицы, не все следствия которого еще были известны, — положение элемента согласно его «атомному номеру». Так, например, водород — первый элемент; углерод — шестой; хлор — 17- й, а золото занимает место 79. Этот атомный номер (обычно обозначаемый Z) оказался определяющим при понимании преобразований из-за радиоактивности: испускание α-частицы предполагает потерю двух порядковых номеров в периодической таблице (уменьшение Z на две единицы), в то время как испускание β-частиц увеличивает атомный номер Z на единицу. Значение всего этого еще предстояло определить.