slidy.jpg

2014-05-10

Везіння Резерфорда

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Іноді везіння здатне зіграти не меншу роль, ніж знання чи геніальне осяяння. Саме везіння допомогло з'явитися на світ знаменитій планетарній моделі атома.

Не родись красивою, а родися щасливою, свідчить народна мудрість, яка, природно, стосується і людей науки. Удача відвідує вчених дуже по-різному - наприклад, ненавмисне спостереження може обернутися чудовим відкриттям. Саме так американський радіоінженер Карл Янський відкрив радіохвилі зоряного походження, а його співвітчизники Арно Пензіас та Роберт Вілсон через 32 роки виявили космічне реліктове випромінювання, яке стало найвагомішим доказом справедливості теорії Великого Вибуху. Фортуна виявляє себе і раптовим осяянням блискучою ідеєю, і зустріччю з гарними партнерами по роботі, і навіть своєчасною відправкою рукопису в редакцію.

А буває й інакше. Великий французький математик і механік Жозеф Луї Лагранж називав Ісаака Ньютона не тільки найгеніальнішим, але також і найщасливішим з учених, оскільки Ньютон розкрив систему світу, а таке можна звершити лише одного разу. У цьому Лагранж помилився - ньютонівська космологія пішла в минуле. Основне везіння Ньютона полягало в іншому. Йому випало з'явитися на світ саме тоді, коли юна європейська наука була вагітна двома великими революціями: математичною (розробка диференціального та інтегрального числення) та фізико-астрономічною (відкриття принципів класичної механіки і пояснення на їх основі кеплерівських законів руху планет). З цими завданнями міг впоратися тільки геній - і він з'явився в свій час і на своєму місці. На початку 60-х років XVII століття прихильність долі закинула феноменальну обдаровану молоду людину з англійської провінції в Кембриджський університет, де він повною мірою реалізував свій фантастичний інтелектуальний потенціал. У цьому Ньютон був насправді щасливий.

Не менш щасливим був і новозеландець Ернест Резерфорд. Його заслужено називають батьком ядерної фізики і найбільшим фізиком-експериментатором ХХ століття. Резерфорд першим зрозумів, як влаштований атом, першим ідентифікував протон як самостійну елементарну частку (і дав йому ім'я) і першим же здійснив штучну ядерну реакцію, перетворивши азот на кисень. Дослідження його учнів і співробітників привели до винаходу іонізаційного лічильника заряджених частинок (Йоганес Гейгер), виявлення взаємозв'язку між місцем елемента в періодичній таблиці і спектром його рентгенівського випромінювання (Генрі Гвін Мозлі), створення лінійного прискорювача протонів і використання його для розщеплення атомного ядра і штучного одержання радіоактивних ізотопів (Джон Кокрофт і Томас Уолтон), відкриття нейтрона (Джеймс Чедвік), виділення гелію-3 та тритію (Маркус Оліфант і Пауль Хартек), отримання надсильних магнітних полів (Петр Капіца) - і це далеко не повний список. І хоча в старості Резерфорд не уникнув тривог і розчарувань, в молоді та зрілі роки він із повним правом міг вважатися улюбленцем фортуни.

Проте була в житті вченого і ще одна, зовсім особлива удача, про яку нечасто згадують історики науки. Його найбільший внесок у фізику - ядерна модель атома, остаточно склалася десь на початку 1911 року. Щоб її сформулювати, крім геніального прозріння була потрібна виняткова сміливість - адже з точки зору класичної електродинаміки Максвела такий атом просто не міг існувати! Цей гордіїв вузол розрубати вдалося лише Нільсу Бору, який два роки по тому за допомогою квантових уявлень повернув резерфордівському атому право на життя. 

Резерфорд обґрунтував свою модель за допомогою формули, яку сам же вивів і яка носить його ім'я. Але сьогодні ми знаємо, що передумови, якими Резерфорд скористався для цього висновку, не відповідали фізичній реальності. І все ж у цю формулу, як не дивно, чудово вкладалися результати експериментів! Однак звідси не випливає, що будівля видатного відкриття Резерфорда основувалась на піску - за чистою випадковістю його фундамент виявився міцним гранітом. Загалом, батькові ядерної фізики пощастило абсолютно особливим чином.

Ернест Резерфорд народився 30 серпня 1871 року в містечку Спрінг Гроув на Південному острові Нової Зеландії. У 1890 році він поступив в Кентербері-коледж, а в 1894-му отримав стипендію для продовження освіти в Кембриджі, де став першим аспірантом-дослідником, який не закінчив цього прославленого англійського університету. Він працював над дисертацією в знаменитій Кавендишській лабораторії, яку тоді очолював Джозеф Джон Томсон. У 1919 році Резерфорд замінив Томсона на цій посаді і залишався директором лабораторії до останнього дня свого життя - 19 жовтня 1937 року.

У Кембриджі аспірант з Нової Зеландії спочатку займався електромагнітними явищами і, зокрема, в лютому 1896 зібрав найчутливіший у світі детектор електромагнітних хвиль з радіусом дії в декілька сотень метрів, трохи випередивши і Попова, і Марконі. Він міг би стати одним з винахідників радіо, але доля розпорядилася інакше. Томсон доручив Резерфорду дослідження електропровідності іонізованих рентгенівськими променями газів. У ході роботи Резерфорд задумався над особливостями іонізації газів під дією тоді ще зовсім таємничого мимовільного випромінювання урану, яке французький фізик Антуан Анрі Беккерель виявив у лютому 1896 року. Вибір виявився доленосним - молодий фізик на все життя захопився радіоактивністю і пов'язаними з нею явищами. Слід зазначити, що самого терміна у той час ще не існувало - Марія Склодовська-Кюрі придумала його після того, як у 1898 році спільно з П'єром Кюрі відкрила випромінювання торію.

Це був чудовий час - народжувалася нова наука про мікросвіт. Коли Резерфорд працював у Томсона, той поклав початок епосі пошуку та ідентифікації субатомних об'єктів, зовсім не відомих науці. У 1897 році він встановив, що катодні промені являють собою потік негативно заряджених частинок, маса яких в 2000 разів менша за масу атома водню. Так відбулося відкриття елементарної частинки номер 1 - електрона (цю назва трохи пізніше запропонував великий голландський фізик Хендрік Антон Лоренц). А наступний крок зробив вже сам Резерфорд. У 1899 році 25-річний дослідник виявив, що уран випускає два види еманації, і назвав їх альфа-і бета-променями. До того часу він покинув Кембридж і працював у Канаді, в Монреальському університеті імені Мак-Гіла. Там він залишався до травня 1907 року, після чого повернувся до Англії новообраним професором фізики Манчестерського університету.

Природа бета-променів з'ясувалася в 1899 році, коли Фріц Гейзель, Беккерель і мадам Кюрі прийшли до висновку, що це просто швидкі електрони. Проблему альфа-часток в основному вирішив сам Резерфорд в щасливому для себе 1908 році, який приніс йому Нобелівську премію з хімії. Він довів, що там, де присутнє джерело альфа-випромінювання, з'являються атоми гелію (зараз навіть школяр знає, що альфа-частинки - це ядра гелію-4, але тоді поняття атомного ядра просто не існувало). А в інтервалі між цими подіями француз Поль Віллар відкрив у урану ще один вид випромінювання, яке той же Резерфорд позначив третьою літерою грецького алфавіту (згодом з'ясувалося, що гамма-промені – це електромагнітні кванти високих енергій).

Для опису всіх робіт Резерфорда, пов'язаних з вивченням радіоактивності, нам просто не вистачить місця. Проте через два роки після повернення до Англії він радикально оновив свою дослідницьку програму. Ще в Канаді він почав здогадуватися, що альфа-частинки можна використовувати для зондування структури атомів, однак зайнявся цим на практиці вже в Манчестері.

Але повернемося до Резерфорда і його альфа-частинок. У Манчестерському університеті працював німецький фізик-експериментатор Йоганес Гейгер, який став основним помічником Резерфорда. У 1909 році він сказав шефові, що старшокурсник Ернест Марсден шукає тему дипломного дослідження. Резерфорд згадав про свій канадський задум і запропонував Марсдену зайнятися відбиттям альфа-частинок від металевих поверхонь.

Марсден спроектував експериментальну установку і сам же її виготовив. Це була герметична свинцева камера, всередині якої лежав шматочок радію. Альфа-частинки, які випускав радій, проходили через вузький отвір у свинцевій пластині, з них утворювався добре колімірований пучок, який падав на мішень з найтоншої золотої фольги. Перед початком чергової серії спостережень з камери викачували повітря. У ній був покритий сірчистим цинком пересувний екран, що випускає під ударами альфа-частинок дуже слабкі спалахи світла. Змінюючи положення екрану, можна було реєструвати частинки, що відбилися від мішені під будь-яким кутом. Спалахи спостерігали через віконце у стінці камери за допомогою 50-кратного мікроскопа.

Здавалося, що результати повністю відповідають очікуванням: частинки-снаряди легко пронизували фольгу, незначно змінюючи напрямок (пізніше Гейгер обчислив, що найбільш вірогідний кут розсіювання при товщині фольги 0,4 мікрона складає 0,87 градуса). На цьому експеримент міг би закінчитися, але Резерфорд запропонував подивитися, чи не йдуть чи альфа-частинки на великі кути. Пізніше він згадував, що не дуже вірив у цю можливість. Як би там не було, невдовзі сталося те, що Резерфорд назвав найнеймовірнішою подією свого життя. Виявилося, що деякі альфа-частинки не тільки розсіюються перпендикулярно до початкового пучка (для золотої фольги товщиною 0,4 мікрона приблизно одна з двадцяти тисяч), але навіть відкидаються назад. Модель Томсона такого практично не допускала. За словами Резерфорда, це було все одно неначебто п’ятнадцятидюймовий снаряд відбився від паперової серветки.

Результати Гейгера і Марсдена були опубліковані в наукових журналах, але сенсації не спровокували. А ось Резерфорд поринув у роздуми. Протягом усього 1910 року він намагався підібрати для них пояснення, але завдання виявилося важким. Проте в грудні Резерфорд написав американському досліднику радіоактивності Бертраму Болтвуду, що розраховує незабаром запропонувати нову модель атома, набагато кращу, ніж Томсонівська. Вже через чотири місяці він відправив до філософського журналу статтю з докладним аналізом результатів своїх співробітників та інших вчених, отриманих при дослідженні розсіювання альфа-часток і електронів на різних металах. У кінці цієї роботи він констатує: «При розгляді даних в цілому, мабуть, найбільш простим є припущення, що атом має центральний заряд, розподілений по дуже малому об’єму». Це і було первісне формулювання резерфордівської моделі атома. Про те, що електрони обертаються навколо ядра на зразок планет, тут немає й мови, це питання Резерфорд залишив відкритим - і не випадково. Згідно з електродинамікою Максвела, будь-який заряд, що обертається, зобов'язаний випромінювати електромагнітні хвилі, а цього атом у збудженому стані не робить. Таке випромінювання повинно викликати втрату енергії і, отже, дезінтеграцію атома, чого теж не відбувається. У ці нетрі Резерфорд лізти не захотів, адже його гіпотеза і так вже переступила загальноприйняті уявлення про структуру атома.

Об'єднавши рівняння ньютонівської механіки з законом Кулона, Резерфорд обчислив, з якою ймовірністю рухома в полі точкового заряду заряджена частинка відхиляється на певний кут від первісного напрямку. Це і була знаменита формула Резерфорда, вперше опублікована у цій же статті. Точний її вигляд наводити не обов'язково, досить сказати, що шукана ймовірність обернено пропорційна четвертому ступеню синуса половини кута розсіювання. Дані Гейгера і Марсдена чудово укладалися в цю математичну залежність. Жодна з конкуруючих моделей атома не змогла запропонувати настільки ж сильного доказу своєї справедливості.

Ось тепер і настала черга головного моменту істини. Справа в тому, що розсіювання мікрочастинок на інших частках чи атомних ядрах - чисто квантовий процес. Для його опису необхідне рівняння Шредінгера, якого в 1911 році ще не було. Зокрема, перетин такого розсіювання залежить від спінів часток, що зіштовхуються, а в класичній фізиці такого поняття не існує. Так чому ж формула Резерфорда так добре узгоджувалася з експериментом?

Виявляється, рішення рівняння Шредінгера приводить до тієї ж формули, що і рівняння Ньютона, якщо розсіювання відбувається за рахунок сили, величина якої обернено пропорційна квадрату відстані! При будь-якому іншому потенціалі класична і квантова механіка дають різні результати. Тому справедливість формули Резерфорда для розсіювання альфа-частинок на металевій фользі виявилася лише дуже щасливою випадковістю.

А що якщо б природа розпорядилася інакше і результати вимірювань Гейгера і Марсдена не вклалися у резерфордівську формулу, хоч з точки зору тодішніх фізичних уявлень вона і була бездоганною? У цьому випадку Резерфорд міг би й не запропонувати своїй моделі, яка і так відверто вибивалася з електродинаміки Максвелла. А тоді не було б і трьох геніальних статей Бора 1913 з квантовою теорією одноелектронного атома. Звичайно, врешті-решт ці проблеми були б вирішені, але ким, коли і як, можна тільки гадати. Коротше кажучи, резерфордівська фортуна сильно прискорила появу на світ квантової механіки. Щастить же іноді геніям!

За матеріалами popmech.ru.

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus