Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

• Название: У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

---

А в 1906 году наконец поступило предложение его мечты.

В Манчестерском университете была одна из лучших физических лабораторий того времени, и возглавлял ее Артур Шустер.

Шустер собирался покинуть свой пост, но, уходя, поставил условие: его место должен занять Резерфорд. Для Эрнеста это был прекрасный повод вернуться в Соединенное Королевство и приступить к реализации своих передовых исследований в лаборатории столь высокого уровня. Одной из первых своих аспиранток в Макгилле Харриет Брукс, которая с ним, а также с Марией Кюри работала над вопросом определения атомной массы радона, Резерфорд предложил последовать за ним и воспользоваться одной из стипендий. Однако Брукс отказалась, так как собиралась замуж и намеревалась окончательно оставить карьеру.

Даже в The New York Times напечатали заметку об отъезде Резерфорда из Канады. В Макгилле Резерфорд опубликовал 60 научных работ, 19 из которых — в соавторстве с Содди. Он снискал мировую славу, его работы получили широкое признание, при этом его отъезд отнюдь не означал закат карьеры.

Огромное хранилище скрытой энергии находится в самих радиоактивных атомах.

Эрнест Резерфорд

Резерфорд прибыл в Манчестер осенью 1907 года, и первой его заботой стало получение радиоактивного материала. Институт радия Австрийской академии наук предложил Резерфорду разделить материал, отправленный также Рамзаю. После споров между учеными (Рамзай собирался передать Резерфорду образцы по завершении своих опытов) из Вены прислали подтверждение, что вышлют отдельные образцы для Резерфорда. Другой важной задачей было найти первоклассного помощника. На этот раз им стал Ханс Гейгер, приехавший в 1906 году из немецкого Эрлангена, чтобы работать с Шустером.

В Манчестере первые исследования Резерфорда были посвящены анализу альфа-частиц, который он начал в 1902 году. Он хотел убедиться в их составе, о чем писал несколько лет назад, и намеревался доказать, что это один и тот же вид излучения вне зависимости от источника. До сих пор это была просто гипотеза, поэтому ее требовалось подтвердить.

Резерфорд и Гейгер придумали трубку, которая позволяла подсчитать альфа-лучи. После некоторых усовершенствований Гейгера данный аппарат стал называться счетчиком Гейгера. Благодаря счетчику ученые смогли установить количество частиц, испускаемых радиоактивным источником. Так как они уже могли определить общий заряд, который производил поток частиц, это позволило им выяснить заряд одной частицы, для чего общий заряд частиц был разделен на их количество. Получив это число, идентификацию альфа-излучения с ядрами гелия больше не подвергали сомнению. Таким образом, альфа-частицы являлись ядрами гелия, атомами гелия с недостающими двумя электронами. В тот момент Резерфорд наконец нашел экспериментальное подтверждение, а позднее упрочил его еще более изящным экспериментом, в ходе которого можно было оценить спектр поглощения альфа-частиц, также идентичный спектру гелия. Именно тогда, будучи полностью занятым своими опытами, он получил новость о том, что ему присуждена желанная Нобелевская премия по химии 1908 года. Премия вручалась "за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ".

После поездки в Стокгольм его жена написала родственникам следующее: "Он объяснил, как долго ему пришлось работать над трансформациями разной длительности, но ни одна из них не была такой быстрой, как его собственное превращение из физика в химика". В речи он рассказал о своих исследованиях альфа-лучей, которые были начаты в Кавендише, когда он первым обратил внимание на этот вид излучения, а затем продолжены в Макгилле. Именно тогда у него зародились подозрения, что это могли быть частицы гелия, так как в месторождениях радиоактивных элементов было большое количество этого газа, как отметил Рамзай; наконец, в своих последних исследованиях в Манчестере он нашел экспериментальное подтверждение своей теории.

Резерфорд всегда был до суровости далек от роскоши, так как вырос в небогатой семье, но на этот раз он воспользовался полученной премией и купил автомобиль. Его старый друг Отто Ган устроил для своего учителя триумфальный тур по немецким университетам, где тот проводил лекции и встречался со многими учеными, имена которых ему были знакомы лишь по публикациям.

После возвращения в Манчестерскую лабораторию Резерфорд быстро достиг нового великого успеха в своей карьере, о котором упоминалось в главе 1: с помощью альфа-лучей он обнаружил ядро атома. Это излучение стало его талисманом, его штурвалом, который помогал ему двигаться вперед по волнам науки.

ГЛАВА 4 К расщеплению ядра

Путь к расщеплению атомного ядра начался с простого эксперимента Резерфорда, когда ему удалось выбить два протона из ядра атома азота. Однако научные опыты с незначительными средствами и простейшими инструментами в распоряжении ученого практически исчерпали себя. Резерфорд осознавал, что для осуществления новых открытий большой науке необходим толчок, предполагающий эксперименты, которые сегодня проводятся на ускорителях частиц.

Чтобы узнать, как работает та или иная вещь, самое лучшее — разобрать ее. Именно так поступает любопытный ребенок. Резерфорд смог применить этот деконструктивистский подход к атомному ядру и раздробить его, получив доступ к тому, что было скрыто от человеческих глаз.

Резерфорд прибыл в Манчестер в 1907 году, через год он получил Нобелевскую премию, а в 1909-м уже работал с Гейгером и Марсденом над атомной моделью, занимавшей его до 1912 года. Тогда же к группе присоединился Бор, привнесший квантовую теорию в субатомную вселенную. Через короткое время разгорелась Первая мировая война (1914-1918), отголоски этого конфликта потрясли и научный мир: погибли многие выдающиеся и подающие надежды ученые, перед лицом боевых действий научные проекты развеивались как сон, рушились здания и оборудование, сокращалось финансирование, раскалывались рабочие группы...

Марсден, сотрудник Резерфорда, эмигрировал в Новую Зеландию в 1914 году. Резерфорд подергал за нужные ниточки, чтобы в Новозеландском университете Марсдена без проблем приняли профессором физики. Однако прежде чем покинуть Соединенное Королевство, он до последнего работал над серией экспериментов своего руководителя. Последний опыт, который он осуществил перед отъездом, заключался в бомбардировке атомов азота в газообразном состоянии альфа-частицами. На этот раз Марсден наблюдал, как из ядра выделились частицы, которые он не смог идентифицировать. В начале он подумал, что перед ним новый вид радиоактивных пучков, которые могли бы дополнить собой уже известные альфа-, бета- и гамма-излучение. В этом месте его исследования внезапно прервались, так как ему нужно было отправляться на фронт.

РАССЕЧЕНИЕ ЯДРА

Резерфорд, однако, не был удовлетворен этой предварительной гипотезой. Интерпретация Марсдена не убедила его, поэтому он попросил позволения продолжить его эксперименты. После некоторого усовершенствования экспериментальной системы Резерфорд повторил бомбардировку газа азота альфа-частицами и смог убедиться, что экран мерцал под воздействием не- идентифицированных частиц. Он понял, что это не новый вид излучения, а ядра водорода (имеющие положительный заряд). Таким образом, гипотеза Марсдена была ошибочной, но открытие требовало понимания происхождения данной эманации. Все сошлось, просто и очень гармонично, когда выяснилось, что эманация исходила от самого ядра атома азота. В ходе данного процесса атомы азота одновременно трансмутировали в кислород. На его глазах происходил необычный, хотя и довольно малоэффективный пируэт: только одна из 300 тысяч альфа-частиц превращала азот в кислород. В любом случае речь шла о значительном количестве, в связи с низкой плотностью атомов азота, поскольку азот был в газообразном состоянии.

Эрнест сделал вывод, что альфа-частицы сталкивались и поглощались ядром азота. В результате ядро становилось нестабильным, поэтому некая частица должна была испускаться ядром, для того чтобы стабилизировать его. Этими частицами, вылетающими из ядра и имеющими положительный заряд и характеристики, идентичные ядру водорода, были те, которые сегодня называют протонами. Впервые в истории удалось идентифицировать частицы, составляющие ядро. Наименование "протон" было официально утверждено в 1920 году.

Протоны идентифицируют атом, электроны персонифицируют его.

Билл Брайсон (р. 1951), британский писатель

Если окинуть взглядом периодическую таблицу, мы увидим, что кислород и водород находятся в смежных ячейках.