Неслучайные случайности

Азерников В.

Кстати, Содди, как оказалось, был ученым с сильно развитым поэтическим восприятием мира и даже таких сложных процессов, как радиоактивность. Вот как он писал о радии в своей книге: «Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды времени». Прекрасно сказано — и точно, и образно.

Но этот отрывок взят из популярной книги Фредерика; в статье, которую они с Резерфордом отправили в журнал, эти же идеи выражались

совсем иным языком — сухим и бесстрастным, как и положено в серьезной статье. Статья эта, названная «Причина и природа радиоактивности», произвела революцию в науке. В ней впервые высказывалась мысль о том, что радиоактивность — не что иное, как переход одних элементов в другие, сопровождаемый испусканием либо альфа-лучей, либо бета-лучей. Свои выводы ученые сделали из четких экспериментов с веществом, которое они обнаружили при исследовании радиоактивного распада тория и которое назвали, по примеру Крукса, торием-Х. При тщательном исследовании оказалось, что эманация тория получается не из самого тория, а из этого нового промежуточного тория-Х, который каждые четыре дня вдвое уменьшает свою радиоактивность. Как теперь мы понимаем, ученые имели дело с радиоактивным изотопом радия — радием-226.

Так впервые в лексиконе науки появились новые понятия: самопроизвольный распад элементов, период полураспада. Многие ученые, воспитанные на старых представлениях о неделимости атомов, не могли принять новые концепции. Даже такой великий физик, как лорд Кельвин, до самой своей смерти отказывался признать радиоактивный распад атомов. Но факты, неумолимые факты, добытые в изящных и точных экспериментах Резерфордом и Содди, неумолимо свидетельствовали: атом делим.

Свои исследования того периода Резерфорд суммировал в капитальном труде «Радиоактивные вещества и их излучения». Впервые эта книга вышла в 1904 году, но с тех пор много раз переиздавалась в разных странах мира и пополнялась новыми главами, написанными самим автором или вместе с учениками. Когда она вышла впервые, лорд Релей, один из ведущих английских физиков, написал о ней: «Книга Резерфорда не имеет себе равных в качестве авторитетного изложения известных свойств радиоактивных тел. Большей частью этих знаний мы обязаны самому автору. Его изумительная энергия на этом поприще заслужила всеобщее восхищение. В течение нескольких лет едва ли проходил месяц без его личного вклада или вклада его учеников, которых он увлек этой проблемой». Могу перевести эту качественную оценку Релея на язык цифр: пятьдесят научных статей за неполные девять лет, и каких статей — основополагающих.

Нет просто возможности рассказать обо всех них, хотя они стоят того, поскольку большей частью это описание экспериментов, а тут Резерфорд — волшебник, за действиями которого просто интересно наблюдать. Расскажу только об одном открытии, сделанном в Монреале, — не потому что оно венчает великий канадский период его жизни, а потому, что имеет непосредственное отношение к тому вроде бы случайному открытию, о котором я должен поведать в этой книге и которое было сделано в следующий великий период его жизни — манчестерский.

Итак, перед тем как распрощаться с гостеприимным Мак-Гиллским университетом, много сделавшим для славы Резерфорда, который в свою очередь много сделал для славы Мак-Гиллского университета, давайте посмотрим, как Эрнест показал, что из себя представляют открытые им альфа-лучи. Это исследование носит принципиальный характер, так как важно было понять, что же уносится из атома при его радиоактивном распаде.

Я уж приводил высказывание ученика Резерфорда академика П.Л. Капицы об экспериментальном мастерстве своего учителя. В опыте, который он поставил для изучения альфа-частиц, это качество проявилось в полной мере. Петр Леонидович, рассказывая о Резерфорде, привел любопытное наблюдение. По его мнению, физики делятся на два типа исследователей. «Одни — это тип скорее немецкой школы, экспериментатор исходит из известных теоретических предположений и старается их проверить на опыте». Я прерву здесь рассказ Капицы, чтобы пояснить его мысль и напомнить о работах Рентгена; до того, как он открыл свои лучи,

что было незапланированной находкой, он занимался как раз методичной работой с катодными лучами, проверяя правильность существовавших относительно них теоретических воззрений. Но послушаем дальше Петра Леонидовича: «Другой же тип ученого, скорее английской школы, исходит не из теории, а из самого явления — изучает его и смотрит, может ли это явление быть объяснено существующими теориями. Тут изучение явления, анализ его являются основным мотивом для эксперимента. И если такое деление возможно, Резерфорд был ярким представителем этого второго направления в экспериментальной физике. Главное для Резерфорда было — разобраться, понять явление. Эксперимент должен быть так построен, чтобы было ясно, в чем состоит явление».

Сейчас представиться случай убедиться, насколько точно подметил эту черту Резерфорда Капица. В чем суть опыта, который собирался поставить Эрнест? В том, чтобы понять, что из себя представляют альфа-лучи. Поскольку они вылетают из радиоактивных химических элементов, которые вследствие этого меняют свою природу, логично предположить, что альфа-лучи — это тоже какой-то химический элемент, достаточно легкий, чтобы иметь возможность вылететь. Но каждый элемент обладает определенной массой. И, следовательно, если точно измерить массу вылетающих частиц и их заряд, то можно судить о происхождении альфа-лучей.

Опыт ставится самым бесхитростным образом, чтобы наблюдать только то, что нужно в данном конкретном случае: заряд и массу. Резерфорд взял обычный электроскоп — сосуд с двумя золотыми листочками, расходящимися при получении заряда и опадающих, когда их разряжают. В дне электроскопа сделал щели для альфа-лучей; от щелей в коробку, расположенную под электроскопом, спускались двадцать металлических пластинок; между ними зазор в один миллиметр; на дне коробки радий — источник альфа-лучей. Вот и все. Да, еще одна маленькая деталь: чтобы удалять эманацию, образующуюся при распаде радия, через прибор продувается водород. Вот теперь всё.

Что же происходит?

Радий испускает альфа-лучи. Они идут параллельным пучком между двадцатью пластинками и ионизируют воздух в сосуде. Ионы попадают на листочки электроскопа, предварительно заряженные, и разряжают их. Листочки начинают опадать, сходиться, и по измерению угла между ними и по скорости схождения ученый судит об интенсивности альфа-лучей. Это первая часть опыта.

Теперь вторая. Резерфорд помещает пластинки в магнитное поле. Опадание листочков тут же замедляется. Что это значит? Это значит, что магнитное поле отклоняет альфа-частицы и они не могут все попасть в узкие щели. Резерфорд увеличивает ток. Листочки вовсе замирают. Значит, теперь альфа-частицы вообще не могут попасть в электроскоп, они отбрасываются на пластины. Следовательно, альфа-лучи — это заряженные быстрые частицы.

Следующий вопрос: как они заряжены — положительно или отрицательно? В магнитном поле и те и другие отклоняются одинаково, но в разные стороны. И Резерфорд носит в эксперимент маленькую остроумную деталь: он перекрывает узкие щели наполовину. И теперь при включении магнитного поля становится совершенно ясно, в какую сторону отклоняются альфа-лучи: если листочки опадают, значит, лучи проскакивают мимо экранчиков, если электроскоп неподвижен, значит, лучи отклонились именно в ту сторону, где их ожидает преграда. Так Резерфорд очень просто убедился, что альфа-частицы имеют положительный заряд.

Оставалось выяснить последнее — их скорость и отношение заряда к массе. И вновь это было сделано очень просто: Резерфорд подсоединил электрические провода к пластинкам и смотрел, как альфа-лучи отклоняются электрическим полем. А потом поменял местами полюса батареи, то есть как бы перезарядил пластинки, и вновь посмотрел, что изменилось. После этого осталось сделать несложные расчеты, которые привели к следующим выводам: масса альфа-частицы больше, чем масса атома водорода; заряд их положителен, и по величине вроде бы эквивалентен заряду примерно двух электронов. Это могло означать, что альфа-лучи не что иное, как атомы гелия, второго за водородом элемента, у которого отняты два электрона.