Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

«…Два или три дня спустя Гейгер зашел ко мне в сильном волнении и сказал: „Мы добились того, что некоторые альфа-частицы вернулись…“ Это было самое невероятное событие в моей жизни. Оно было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отлетел бы от нее и поразил бы вас» 138.

Недоверчивость Резерфорда – пример оценки эксперимента задним числом. В физическом смысле слова описанная ситуация действительно была невероятна: тяжелая альфа-частица, выпущенная со скоростью примерно десять тысяч миль в секунду, отскакивает от жалкого кусочка фольги! Но даже грандиозное научное воображение Резерфорда далеко не сразу усвоило всю немыслимость происшедшего.

Поначалу он полагал, что широкоугольное рассеяние можно объяснить как частный случай феномена множественного рассеяния, то есть тем, что альфа-частицы сталкиваются с чрезвычайно большим числом атомов, которые и заставляют их отскакивать. Однако в течение следующего года, в ходе оценки результатов эксперимента и дальнейшей работы над теорией вероятностей, а также в силу ряда иных соображений, Резерфорд начал менять свой подход. К числу «иных соображений» принадлежало его все более укреплявшееся убеждение, что альфа-частица представляет собой не шарик и не пудинг, но может рассматриваться как точка. Это был грандиозный шаг вперед, так как, помимо всего прочего, чрезвычайно упростился математический аппарат теории рассеяния. Идея также помогла Резерфорду осознать, насколько ценным исследовательским инструментом является феномен рассеяния альфа-частиц. Если обладать достаточной информацией о рассеянии и о том, как на него воздействуют различные параметры (такие, к примеру, как заряд и распределение массы), то можно было обратить процесс и по характеру рассеяния альфа-частиц выяснить особенности самого источника рассеяния. Иначе говоря, рассеяние было не просто досадным явлением, с которым приходилось мириться, но интересным феноменом, на основании которого можно было многое сказать о других вещах.

Более того, Резерфорд начинал понимать, что характер рассеяния альфа-частиц способен многое сообщить о структуре самого атома. По словам Гейгера, незадолго до Рождества 1910 года на Резерфорда снизошло весьма значимое озарение:

«Однажды Резерфорд зашел ко мне в очень хорошем расположении духа и заявил, что ему известно, как выглядит атом и как объяснить большие отклонения альфа-частиц. В тот же самый день я приступил к эксперименту по проверке предполагаемого Резерфордом соотношения между числом рассеиваемых частиц и углом их рассеяния» 139.

Физик Чарльз Галтон Дарвин, внук знаменитого натуралиста, впоследствии вспоминал многозначительное заявление Резерфорда: «Очень приятно видеть зримое проявление того, что ты уже нарисовал в своем воображении» 140.

Упрощения, внесенные в теорию рассеяния, помогли Резерфорду понять, что поведение альфа-частиц нельзя объяснить концепцией множественного рассеяния: альфа-частицы отскакивали не в результате множественных столкновений, а из-за одного конкретного столкновения. Это могло произойти только в том случае, если почти вся масса атома сконцентрирована в одном заряженном узле в центре атома.

Что же такого увидел Резерфорд в своем воображении? Он увидел, что атом состоит из массивного заряженного ядра, окруженного в основном пустым пространством – еще более пустым, чем Солнечная система. Если бы атом можно было бы увеличить до размеров футбольного стадиона, его ядро имело бы размеры мухи в самом центре арены, а электроны представляли бы собой еще более мелкие крупинки, разбросанные по этой громадной площади. При этом практически вся масса такого стадиона будет содержаться в крошечном ядре. Однако Резерфорду все еще было непонятно, положительно или отрицательно заряжено само ядро.

В марте 1911 года он писал одному из своих коллег:

«Гейгер работает над вопросом большого рассеяния, и полученные им результаты представляются весьма многообещающими для теории. Законы большого рассеяния принципиальным образом отличаются от законов малого рассеяния… Я начинаю склоняться к мысли, что центральное ядро имеет отрицательный заряд» 141.

Скорее всего, ученый тогда полагал, что положительно заряженные альфа-частицы движутся вокруг отрицательно заряженного ядра, подобно тому как кометы движутся вокруг Солнца.

Однако Резерфорд не сразу решился обнародовать свои выводы: они противоречили модели «сливового пудинга», предложенной его наставником Джоном Джозефом Томсоном, ведущим авторитетом в атомной физике той эпохи. Но тут Резерфорду помогла удача. Джеймс Джеральд Кроутер, один из учеников Томсона, опубликовал данные эксперимента с бета-частицами, который, по его мнению, доказывал, что «положительный электрический заряд внутри атома… практически равномерно распределен по всему атому» 142. Это в определенном смысле развязало руки Резерфорду, так как мишенью в полемике становился не его уважаемый наставник, а молодой исследователь. Резерфорд мог изложить собственные взгляды и излить язвительную критику на Кроутера, сохранив теплые отношения с Томсоном.