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.

---

Билл Брайсон (р. 1951), британский писатель

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

Можно сказать, их разница заключается в одном-единствен- ном протоне. Сегодня расчеты в эксперименте Резерфорда можно представить так: вначале к азоту добавлялись два протона от альфа-частиц, а затем отнимался тот, который сразу же испускался. Не более чем простая вычислительная операция, но чтобы сделать этот вывод, требовалось глубинное понимание материи. Резерфорд применил свой обычный метод к разработке и выполнению экспериментов, так что их интерпретация была окончательна и однозначна, он сумел подтвердить некоторые свои догадки относительно атомов. Итак, впервые удалось идентифицировать положительный заряд атомов с помощью протонов. Число протонов в ядре атома определяет тип элемента, к которому относится атом (увеличение или уменьшение этого числа меняет природу данного элемента). Все это также означало, что удалось извлечь содержимое ядра, пусть пока был отделен лишь мельчайший его фрагмент. Результат достигался искусственным путем с помощью бомбардировки альфа-снарядами. То есть впервые в истории трансмутация элементов была выполнена искусственным путем.

В декабре 1917 года Резерфорд писал Бору, сообщая об этих новых открытиях:

"Я получил результаты, которые, думаю, должны иметь большую важность. Я обнаружил и сосчитал самые легкие атомы, двигающиеся под воздействием альфа-частиц. Результаты проливают свет на характер и распределение ближайших к ядру сил [...].

С помощью такого метода я пытаюсь рассечь атом... Мои наилучшие пожелания и поздравления с наступающим Рождеством".

Ближайшие сотрудники Резерфорда уже знали о его открытии, но чтобы донести новость до научного сообщества, требовалось дождаться окончания запрета на публикации. Запрет распространялся на срок всего вооруженного конфликта, чтобы результатами исследований не воспользовался противник. Резерфорд опубликовал серию статей в престижном научном английском журнале Philosophical Magazine. В заключение статьи "Столкновения альфа-частиц с легкими атомами" говорилось следующее:

"Принимая во внимание полученные к настоящему моменту результаты, нельзя не прийти к выводу, что большая часть атомов, возникающих при столкновении альфа-частиц с азотом, являются не атомами азота, а, скорее, атомами водорода [...]. Если это справедливо, нам следует заключить, что под действием сил от ближайшего столкновения с быстрой альфа-частицей атом азота распадается и высвобождается атом водорода, являющийся составной частью азота".

В этой же статье высказаны некоторые провидческие мысли касательно дальнейшего развития науки:

"Если для грядущих экспериментов возможно использование альфа-частиц или сходных снарядов, обладающих большей энергией, то ожидаемым результатом будет расщепление ядра большинства атомов наиболее легких элементов".

Резерфорд мог предвидеть, что экспериментальная физика будет ориентироваться на ускорители частиц. Но война затормозила развитие науки. Пришлось ждать более десятилетия, чтобы эти идеи воплотились в жизнь.

Пресса с готовностью отозвалась на данную публикацию, развивая идею, что субатомный мир таит в себе невероятное количество энергии, которая рано или поздно станет доступной. Во многих газетах, в частности в New York Times, писали:

"По теплу, высвобождающемуся при распаде, нам известно, что количество энергии в ядре (...) в миллионы раз больше, чем количество энергии, выделяемой при любой химической реакции или при горении угля".

------------начало врезки-------------

АЛЬФА-ЧАСТИЦЫ И АЗОТ

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов (то есть они аналогичны ядрам гелия). Направленные на ядра азота, имеющего семь протонов, протоны альфа-частиц могут сталкиваться с ядром атома и на время встраиваться в него. Тогда в ядре уже девять протонов. По завершении распада восемь протонов соединяются, формируя ядро атома кислорода, а еще один протон испускается. Процесс, затрагивающий количество нейтронов, хотя в ту эпоху они еще не были открыты, можно выразить следующей формулой:

147N + 42He → 178O + 11p

(Нижний индекс элемента обозначает атомное число или количество протонов, верхний указывает на количество частиц в ядре, то есть это сумма протонов и нейтронов. См. Приложение А.)

Ядро азота состоит из сами протонов и сами нейтронов. Альфа-частицы несут в саба два протона и два нейтрона. В качестве продукта реакции возникает атом кислорода (О), имеющий восемь протонов и девять нейтронов, еще один протон (р*).

Открытие Резерфорда давало "практически неисчерпаемый источник энергии, который изменит все, что мы знали раньше".

В то время Резерфорд работал на флот Соединенного Королевства и чередовал исследования с длинными, скучными заседаниями. Однажды, извиняясь за свое отсутствие, он отправил следующую телеграмму: "Если мне удалось (и имеются основания думать так) расщепить ядро атома, для меня это имеет гораздо большее значение, чем война". Резерфорду удалось отделить небольшой фрагмент ядра атома, пока мир был охвачен войной.

ПЕРВАЯ МИРОВАЯ ВОЙНА

Пока Австро-Венгрия захватывала Сербию, Германия решительно надвигалась на Францию, так что вскоре неприятель оказался у ворот Парижа. Тогда началась позиционная, стоившая жизни миллионам молодых людей война, в которой продвижение на несколько метров обходилось огромными человеческими и материальными потерями. Французские поля были усеяны трупами, стремительно росло число жертв, которое по подведенным итогам составило девять миллионов.

Эту способность убивать и разрушать войскам давала новая военная техника, в основе которой были последние научные достижения. Фриц Габер, немецкий ученый еврейского происхождения, создал так называемый горчичный газ, ставший одним из самых страшных изобретений за всю историю. Этот имевшийся на вооружении немецкой армии газ провоцировал ужасные ожоги и волдыри. Когда через несколько десятилетий к власти пришли нацисты, Габер был вынужден бежать из Германии и в конце концов обосновался в Палестине. Резерфорд был космополитом, но не простил ему изобретение смертоносного газа и отказался от всякого общения с Габером, хотя тому пришлось туш в его собственной стране.

Однако достижения науки имели не только разрушительный эффект. На французском фронте Мария Кюри и ее дочь Ирен использовали рентгеновский аппарат. Радиография позволила устанавливать более точные диагнозы и уточнять состояния раненых. В годы войны удалось оборудовать передвижными аппаратами 20 автомобилей "рено". Считается, что в этот период было сделано около миллиона радиографий.

В войну университеты не работали. Парижская Высшая нормальная школа была переоборудована под госпиталь. В Оксфорде осталось нескольких сот студентов. В Манчестерском университете катастрофически сократилась численность команды Резерфорда. Молодежь была отправлена на фронт, хотя со временем военное командование осознало, что некоторые ученые принесут больше пользы в лаборатории, чем в окопе. Как бы то ни было, война прервала многообещающие научные проекты и карьеры, и в большинстве случаев навсегда.

НАУКА, И НА ВОЙНЕ ТОЖЕ

"Война заставила науку отправиться на фронт",— так очень емко высказался Джордж Эллери Хейл (1868-1938). Действительно так, и не стоит рассматривать это только с негативной позиции. До начала войны академические центры работали независимо от промышленности и правительства. После Первой мировой все изменилось навсегда: исследования стали получать щедрые инвестиции и поддержку государства. Установилась близкая связь промышленности с академическими учреждениями, научные исследования начали представляться двигателем экономики и инновации. Ветры войны сделали мир таким, каким мы знаем его сегодня.

С другой стороны, горячка войны оставила заметные шрамы в отношениях между учеными стран Антанты и Тройственного союза. Исследователи, недавно работавшие вместе, неожиданно оказались в разных лагерях и включились в проекты, предполагавшие уничтожение противника. Война с ее националистическими лозунгами и патриотическими призывами стала драматичным моментом на пути развития науки.

Варварство, которому предавалась немецкая армия на французских землях, порицалось во всем мире. В ответ на критику в Германии возникла группа, объединившая 93 немецких интеллектуалов и ученых; среди них выделялся Макс Планк, который в конце концов вышел из ее состава. Группа разработала манифест, вступившись за немецких солдат и отрицая пропагандистскую критику. Большинство были уверены в честности солдат, многие из которых получили прекрасное образование, поэтому не представлялось возможным, чтобы эти самые солдаты были способны на разрушения и убийства, им приписываемые. После войны конфликтные встречи немецких, с одной стороны, и французских и английских ученых, с другой, закончились исключением немецких ученых из основных европейских научных организаций.