Резерфорд
Шрифт:
Однако среди его заслуг была не только понятливость. Было открытие первостепенной значимости. Впрочем, без восторженного признания теории Бора это открытие, обессмертившее имя оксфордского магистра искусств Генри Гвина Д. Мозли, просто не состоялось бы.
Мозли называл боровскую теорию атома «h-гипотезой» и писал Резерфорду, что всем существом своим чувствует ее справедливость. И говорил, что готов сделать все возможное, дабы положить конец широко распространенному убеждению, будто построения Бора сводятся к удачному жонглированию хорошо подобранными числами. В энтузиазме он уверял Резерфорда, что для количественного постижения структуры атома вообще ничего не нужно, кроме трех величин: постоянной Планка «h», массы электрона «m» и элементарного заряда «е». Такой безоговорочный культ простоты природы психологически помог Мозли уверенно искать — ив конце концов найти! — закономерную связь между зарядом атомного ядра и порядком расположения элементов
…На протяжении почти полувека истинным казался менделеевский принцип расположения элементов: они следовали в периодической системе один за другим в порядке возрастания их атомных весов. Однако уже самому Менделееву пришлось дважды нарушить этот принцип и поставить более тяжелый кобальт перед более легким никелем, а теллур — перед йодом, иначе элементы в обеих парах не попадали на правильные места по своей химической характеристике. А в XX веке исследование продуктов радиоактивных распадов совсем уж смешало все карты: было обнаружено немало элементов, химически совершенно неразличимых, но обладающих разными атомными весами. Появилось несколько свинцов, несколько ториев, несколько радиев… Такие элементы Фредерик Содди и назвал изотопами, то есть занимающими одно и то же место — одну и ту же клетку в менделеевской таблице. Словом, постепенно стало ясно, что химические элементы принципиально отличаются один от другого не атомным весом, а чем-то другим. Чем же? Ответ на этот вопрос и хотел получить Мозли.
Сегодня уже едва ли можно с точностью установить, как возник замысел знаменитой работы, решившей эту проблему: принадлежал ли он целиком Мозли или отчасти еще и математику Дарвину, не была ли руководящая идея подсказана Бором или внушена Резерфордом? Одно несомненно: ранним летом 13-го года, когда «Philosophical magazine» со статьей Бора в свет еще не вышел, Манчестер был единственным местом на земле, где подобный замысел мог прийти в голову экспериментатору. А Мозли был в Манчестере единственным исследователем, безусловно пригодным для его осуществления.
Дело в том, что уже около года Мозли занимался рентгеновскими спектрами. А для Манчестерской лаборатории такая тема была отнюдь не традиционной. Сам Резерфорд, наверное, с кавендишевских времен не держал в руках ренгтеновской трубки: спровоцировав когда-то Беккереля на открытие урановой радиации, Х-лучи стали в дальнейшем областью экспериментирования, не пересекавшейся с радиоактивностью. И молодому физику, пленившемуся в те времена именно Х-лучами, следовало искать себе вакантное место или в Вюрцбурге, где они были открыты; или в Мюнхене, где теперь работал Рентген и где в 1912 году Макс фон Лауэ предсказал, а его ученики открыли диффракцию этих лучей в кристаллах; или в Ливерпуле, где в 1911 году старый кавендишевец Чарльз Баркла обнаружил особое — характеристическое для каждого элемента — рентгеновское излучение; или в Лиддсе, где Вильям Генри и Вильям Лоуренс Брэгги — отец и сын — разрабатывали рентгеновский метод анализа кристаллических структур; или, скажем, в Париже, где Морис де Бройль-старший упорно изучал эту невидимую радиацию… Словом, где угодно — только не в Манчестере стоило искать пристанище для занятий рентгеновыми лучами. И конечно, бакалавр Мозли вовсе не ими собирался заниматься, когда летом 1910 года, окончив оксфордский колледж Святой троицы, написал Резерфорду письмопрошение с просьбой принять его в штат Манчестерской лаборатории. Его увлекали радиоактивность и строение вещества. И принятый, подобно Марсдену, на самый низший лабораторный пост, он два года самоотреченно трудился то над короткоживущими продуктами распада (с Казимиром Фаянсом), то над гамма-радиацией (с Уолтером Маковером), то над беталучами (вполне самостоятельно)… Острый интерес к рентгену возник у него только в 1912 году, когда в работах Баркла, Лауэ, Брэггов он вдруг почуял верный путь к обильному источнику новой информации о глубинном устройстве атомов.
Жаждой такой информации жила вся лаборатория. Мозли не стоило труда склонить к совместной работе над рентгеновскими спектрами своего давнего — еще доманчестерского — приятеля Чарльза Дарвина. Труднее было получить одобрение Резерфорда.
Шеф не выносил в научных делах ни малейшего привкуса прожектерского легкомыслия. А тут этот привкус ощущался. И тем явственнее, что на вопрос, какую задачу они, собственно, собираются решать, оба довольно беззаботно, судя по воспоминаниям Дарвина, ответили: «У нас нет никаких идей, мы просто хотим узнать, что за штука эти Х-лучи, поскольку Баркла считает их электромагнитными волнами, а Брэгг-отец — частицами…» Они лукавили: открытие диффракции уже подтвердило правоту Баркла — огибать препятствия, узлы кристаллической решетки, могли только волны. А до одновременного признания правоты и Брэгга — до квантовомеханической идеи о всеобщем дуализме волн-частиц — было еще далеко. Молодые люди лукавили, не желая взваливать на плечи груз обещаний, быть может невыполнимых.
Этот довод, как и другие, их решимости не поколебал. Они настаивали. Молча глядя на них, шеф перебирал в памяти детали двухлетнего знакомства с ними: ни тот, ни другой пока не сделали ни одного опрометчивого шага. Еще он прикинул в уме, что особых затрат их замысел не потребует. И взвесил возможный прибыток: лаборатория обзаведется собственными специалистами по рентгену. И наконец, вспомнил девиз Максвелла, нравившийся ему со времен кавендишевской молодости:
Я никогда не пробую отговорить человека от попытки провести тот или другой эксперимент. Если он не найдет того, что ищет, он, может быть, откроет нечто иное.
Резерфорду не пришлось жалеть о согласии, которое он дал. Прибыток превзошел ожидания. (С течением жизни он все чаще убеждался, что широта и терпимость самая выгодная линия поведения для правителя лаборатории. Да и для любого правителя вообще. Широта и терпимость — это не обещание наград за успех, а избавление от наказания за неудачу. Но ищущим это-то всего более и необходимо — право на риск.)
Совместная работа молодых друзей продолжалась до начала 13-го года, и в итоге они выполнили исследование, ставшее одним из классических в истории изучения рентгеновых лучей. Через полвека Дарвин резюмировал сделанное ими в полуфразе: «… мы убедились, что Х-лучи подобны обычному свету, но частота их гораздо выше». А главное произошло чуть позже, когда Мозли, отделившись от Дарвина, ушедшего с головой в математические заботы, стал в одиночестве исследовать характеристические рентгеновские спектры разных металлов — спектры Баркла.
Это были такие же линейчатые атомные спектры, как и обычные, те, что получаются в диапазоне частот видимого света. Они тоже являли собою визитные карточки химических элементов: у каждого был свой набор высокочастотных спектральных линий. Мозли начал размышлять над их происхождением как раз тогда, когда в весеннем Манчестере 13-го года появился вслед за объемистым пакетом из Копенгагена сам Бор и пошли разговоры о бурных дискуссиях между датчанином и шефом. Неважно от кого из них — от шефа или от датчанина — впервые услышал Мозли о квантовой теории водородного атома. В обоих случаях информация была надежной. Существенно, что Мозли сразу пустил ее в дело. В его руках «h-гипотеза» начала служить физике еще до ее опубликования.
Он не сомневался: линейчатость характеристических рентгеновских спектров тоже объясняется скачкообразными переходами возбужденных атомов в состояние устойчивости.
В теории Бора тогда еще не было представления об электронных оболочках в атомах и о правилах их заполнения. И Мозли пришлось отчасти предвосхитить этот шаг в развитии планетарной модели. Схема событий, порождающих рентгеновский спектр, рисовалась ему так. Когда катодный луч — а этот агент посерьезней пламени горелки — вырывает из атома электрон, обитавший на самом глубинном уровне, там возникает как бы вакантное место. Один из электронов, сидящих на следующем — втором — энергетическом уровне, падает вниз, заполняя дыру. Такие перескоки со второй орбиты на первую выглядели наиболее вероятными. Естественно было думать, что они-то и создают в высокочастотном спектре каждого элемента самую интенсивную линию.
А далее возникала мысль о зависимости между зарядом атомного ядра и частотой этой линии. В самом деле: чем больше ядерный заряд, тем сильнее связан с ядром электрон на наинизшей орбите, тем больше нужно энергии, чтобы оттащить его от ядра, иначе говоря — перебросить на другой уровень, скажем, на второй; но, стало быть, тем солидней — высокочастотней! — квант, испускаемый атомом, когда электрон снова падает вниз и расстается с этой избыточной энергией возбуждения.
У Мозли появилась надежда: изучая рентгеновские спектры, может быть, удастся установить, как от элемента к элементу изменяется заряд атомного ядра!
Ни модель Резерфорда, ни теория Бора не содержали на сей счет никаких определенных утверждений. И обе были без этого существенно не полны. А все, что об этом думали физики к середине 13-го года, ограничивалось двумя гипотезами. Первая уверяла: «Заряд ядра численно равен примерно половине атомного веса элемента». Вторая была определенней: «Заряд ядра равен номеру элемента в менделеевской таблице». Первую гипотезу высказал еще в 1911 году Баркла. Вторую — в начале 1913 года голландец Ван дер Брок. Oбе были известны Мозли. Гипотезу Ван дер Брока поддерживал Бор, и, видимо, Резерфорд тоже ее разделял. И Мозли она нравилась своей ясностью и простотой. И он мог рассматривать намеченное исследование, как опытную проверку этой гипотезы «Атомного Номера». Другими словами, он заранее предвкушал то, что получит: окажется, что от элемента к элементу заряд атомного ядра возрастает на единицу!..