Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

В это время вокруг Резерфорда группировалось большое число молодых физиков из разных стран мира, привлеченных его чрезвычайной одарённостью как физика и редкими способностями как организатора научного коллектива. Хотя Резерфорд был всегда поглощён ходом своих собственных работ, у него всё же хватало терпения выслушивать каждого из этих молодых людей, если он ощущал у них наличие каких-то идей, какими бы скромными с его собственной точки зрения они ни казались. С другой стороны, будучи чрезвычайно независимым человеком, он не очень почитал авторитеты и терпеть не мог «напыщенной болтовни». В таких случаях он мог иногда говорить о достопочтенных коллегах даже совсем по-мальчишески, однако он

никогда не позволял себе пускаться в споры; он любил повторять, что «никто не может лишить человека доброго имени, кроме его самого».

Естественно, что в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра. В первые недели моего пребывания в лаборатории я последовал совету Резерфорда и прослушал вводный курс экспериментальных методов исследования радиоактивности, который был организован для студентов и вновь прибывающих сотрудников под весьма квалифицированным руководством Гейгера, Маковера и Марсдена. Однако довольно быстро я оказался полностью захваченным общими теоретическими соображениями, которые следовали из новой модели атома, в особенности теми возможностями, которые открывались этой моделью для отчётливого разделения физических и химических свойств материи на те, которые непосредственно определялись самим атомным ядром, и те, которые существенно зависели от распределения электронов, связанных с ядром, но находящихся на расстояниях, весьма больших по сравнению с ядерными размерами.

Если объяснение радиоактивного распада следовало искать в особенностях строения ядра, то было очевидно также, что обычные физические и химические характеристики элементов отражают свойства окружающих ядро электронных систем. С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом; теперь всем известно, что это число является атомным номером, выражающим заряд ядра в виде целого кратного элементарного электрического заряда.

Развивая эти взгляды, я получил значительную поддержку в беседах с Георгом Хевеши, который выделялся среди всей манчестерской группы своими необыкновенно широкими познаниями в химии. В частности, уже в 1911 г. он владел остроумным методом трассирующего состава (меченых атомов), который со временем стал столь могущественным инструментом в химических и биологических исследованиях. Как это описал не без юмора сам Хевеши, он пришёл к этому методу в результате безуспешной, но чрезвычайно сложной работы, предпринятой как ответ на «вызов» Резерфорда, который как-то сказал ему, что «если он не хочет даром есть свой хлеб», то он должен помочь выделить ценный радий D из большого количества хлорида свинца, полученного из уранинита и подаренного Резерфорду правительством Австрии.

Мои взгляды приняли более определённую форму под влиянием разговоров с Хевеши, посвящённых тем удивительным годам в Монреале и Манчестере, когда Резерфорд со своими сотрудниками после открытий Беккереля и мадам Кюри создавал учение о радиоактивности, последовательно распутывая непрерывный ряд взаимосвязанных радиоактивных распадов. И когда я узнал, что общее число уже обнаруженных стабильных и неустойчивых элементов превышает число мест в знаменитой таблице Менделеева, мне пришло в голову, что те неразличимые химические вещества, на существование которых недавно обратил внимание Содди и которые позже были названы им «изотопами», обладают одним и тем же зарядом ядра, а отличаются

лишь массой и особенностями строения ядра. Отсюда непосредственно вытекало, что при радиоактивном распаде элемента, совершенно независимо от каких-либо изменений его атомного веса, происходит его смещение в таблице Менделеева на два номера влево или на один номер вправо, в соответствии с уменьшением или увеличением заряда ядра, сопровождающим испускание - или -лучей соответственно.

Когда я обратился к Резерфорду, чтобы узнать его мнение по поводу этих мыслей, то он, как всегда, проявил живой интерес к столь простым и заманчивым предположениям, однако с характерной для него осторожностью предостерег от чрезмерного доверия к модели атома и опасности экстраполяции относительно скудных экспериментальных данных. Тем не менее эти мысли, по-видимому, вновь возникавшие по различным поводам, оживлённо дискутировались среди манчестерской группы, а экспериментальные данные в их пользу быстро нарастали, особенно в результате химических исследований Хевеши, а также Рессела.

В частности, серьёзным подтверждением идеи о том, что атомный номер является определяющим для общих физических свойств элементов, явились спектроскопические работы Рессела и Росси; они исследовали смесь иопия и тория и обнаружили тождественность оптического спектра обоих веществ, несмотря на различие в их радиоактивных свойствах и атомных весах. На основе анализа всех доступных в то время данных поздней осенью 1912 г. на лекции в Химическом обществе Рессел указал общее соотношение между конкретными радиоактивными процессами и возникающим при этом изменением атомного номера элемента.

В связи с этим интересно отметить, что, когда после дальнейших исследований, в особенности исследований Флека, закон радиоактивного смещения в полностью завершённой форме был сформулирован несколькими месяцами позже Содди (работавшим в Глазго) и Фаянсом (работавшим в Карлсруэ), оба эти автора не осознавали его тесной связи с основными особенностями модели атома Резерфорда; Фаянс даже считал, что изменение химических свойств, очевидно, связанное с электронным строением атомов, является сильным аргументом против этой модели, согласно которой как -, так и -излучение зарождается в атомном ядре. Примерно в то же самое время представление об атомном номере элемента было независимо введено ван-ден Бруком из Амстердама, однако согласно его классификации элементов различные заряды ядра приписывались каждому стабильному или радиоактивному веществу.

Вплоть до этого времени доминирующим вопросом всех дискуссий манчестерской группы был вопрос о непосредственных следствиях открытия атомного ядра. Общая программа интерпретации имеющихся экспериментальных данных, касающихся обычных физических и химических свойств вещества, на основе резерфордовской модели атома представляла собой значительно более сложную проблему, которая лишь постепенно прояснялась в последующие годы. Таким образом, в 1912 г. мог лишь ставиться вопрос о предварительной ориентации в общей ситуации.

С самого начала было очевидно, что если принять резерфордовскую модель атома, характерная устойчивость атомных систем никакими способами не может быть согласована с классическими принципами механики и электродинамики. Действительно, согласно механике Ньютона никакая статическая система точечных зарядов не может находиться в устойчивом равновесии, а любое движение электронов вокруг ядра — согласно электродинамике Максвелла — связано с диссипацией энергии через излучение; диссипация энергии в свою очередь ведёт к постоянному уменьшению размеров системы; в конце концов это приводит к тесному сближению ядра и электронов внутри области, размеры которой значительно меньше, чем размеры самого атома.