О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус Дю Сотой

Даже когда Томсон использовал катод из другого металла, масса испускаемых им частиц не изменилась. Казалось, что такие частицы являются составляющими всех атомов. Сначала предположили, что атом водорода, масса которого в 2000 раз больше массы электрона, должен состоять из 2000 таких электронов. Но атом гелия приблизительно в 2 раза тяжелее атома водорода. Почему же число электронов перескакивает с 2000 на 4000, а между этими числами ничего нет? Целочисленные отношения масс атомов периодической системы были одной из причин считать, что они имеют действительно атомарную природу. Как же объяснить такие ступенчатые изменения массы? Кроме того, атомы электрически нейтральны. Существуют ли другие частицы, заряд которых уравновешивает отрицательный заряд электронов? Можно ли заставить атомы испускать положительно заряженные частицы, содержащиеся в них в дополнение к отрицательно заряженным электронам?

На самом деле экспериментальные свидетельства испускания лучей положительно заряженных частиц, вылетающих в противоположном направлении, существовали. Такие лучи было значительно труднее отклонить при помощи магнитного поля, что заставляло предположить, что эти частицы массивнее электронов. В этом случае интересная особенность заключалась в том, что масса таких частиц, по-видимому, изменялась в зависимости от того, каким газом была заполнена трубка. В случае водорода их масса была приблизительно равна массе исходного атома. Казалось, что у атомов водорода, содержащегося в трубке, отбирали электроны, причем оставались крупные положительно заряженные частицы, притягивавшиеся к противоположному электроду.

Томсону удалось добиться аналогичного эффекта в других газах – гелии, азоте, кислороде. Массы были равны произведениям целых чисел на массу положительно заряженных частиц, полученных из атомов водорода. Снова получалась атомная гармония. И тем не менее не было никаких оснований полагать, что существует множество типов положительно заряженных частиц, соответствующих множеству типов атомов. Томсон предложил модель атома, известную под названием «пудинга с изюмом». Положительно заряженная часть атома, более массивная, чем отрицательно заряженные электроны, образует «пудинг», занимающий большую часть объема атома, а электроны соответствуют маленьким изюминкам, расположенным внутри пудинга.

Затем наступила эпоха бомбардировки атомов, которая в конце концов привела к созданию самого мощного из существующих ускорителей – Большого адронного коллайдера в ЦЕРН[38]. Честь открытия протона, частицы-кирпичика, из которого построены все положительно заряженные частицы, исследовавшиеся Томсоном, обычно приписывают британскому физику Эрнесту Резерфорду, родившемуся в Новой Зеландии.

Резерфорда увлекла новая в то время тема радиоактивности. Атомы урана, по-видимому, испускали частицы, которые можно было регистрировать на фотопластинках. Казалось, что существуют два типа радиоактивности, которые стали называть альфа-частицами и бета-частицами. Альфа-частицы было легче зарегистрировать. Резерфорд обнаружил, что при помощи магнитного поля такие альфа-лучи можно отклонять так же, как Томсон отклонял свои отрицательно заряженные частицы. Расчеты показали, что масса альфа-частиц совпадает с массой атома гелия, лишенного электронов. Догадка о том, что альфа-лучи, испускаемые ураном, есть не что иное, как фрагменты атомов гелия, получила подтверждение, когда альфа-лучи объединили с потоком электронов, в результате чего произошло образование устойчивого газа. Химический анализ вскоре подтвердил, что этот газ действительно был гелием.

Экспериментальные результаты в очередной раз вступили в противоречие с теоретической моделью атома, когда ученик Резерфорда Ханс Гейгер поместил тонкий лист золотой фольги между потоком альфа-частиц и пластиной, регистрирующей частицы. В соответствии с моделью атома, в которой положительный заряд распределен равномерно, как тесто в пудинге, положительно заряженные альфа-частицы, пролетающие сквозь металл, должны испытывать отталкивание со стороны положительного заряда атома. Поскольку заряд распределен равномерно по всему объему атома, значительного отклонения частиц ожидать не приходится.

Гейгер обнаружил, что, вопреки ожиданиям, некоторые альфа-частицы отклонялись в самые разные стороны, вплоть до отражения от золотой фольги непосредственно в том направлении, с которого они прилетели. Резерфорд был ошеломлен: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».

Отклонение альфа-частиц ядрами атомов золота

Новая модель и на этот раз возникла из математических расчетов. Подсчитав, сколько альфа-частиц отклонилось и на какой угол, исследователи обнаружили, что данные соответствуют конфигурации, в которой заряд и масса сосредоточены в малоразмерном объекте в центре атома, который стали называть ядром. Было ли такое ядро неделимым, оставалось неясным.

Когда Резерфорд стал бомбардировать альфа-частицами более легкие атомы, появились свидетельства того, что ядро не является единым объектом, но образовано некими составляющими частицами. Отслеживая траектории альфа-частиц в камере Вильсона, он обнаружил траектории, которые были в 4 раза длиннее, чем ожидалось. Такое могло произойти, если бы попадание альфа-частицы выбивало из ядра другую частицу, в 4 раза более легкую. Эксперименты с разными газами дали одинаковые результаты. Более того, Резерфорд обнаружил, что чистый азот в результате такого столкновения превращается в кислород. Выбивание одной из этих частиц приводило к преобразованию химического элемента.

Так было получено свидетельство существования элементов, из которых построены атомные ядра. Они вели себя в точности как атом водорода, лишенный своего электрона. Резерфорд открыл протон. Атомные ядра оказались построены путем соединения нескольких протонов. Единственное затруднение состояло в том, что электрический заряд не сходился. К примеру, масса ядра гелия в 4 раза больше массы атома водорода, а его заряд больше всего вдвое. Возможно, в ядрах существуют электроны, связанные с протонами и уравновешивающие их заряд. Но физические принципы, которые были разработаны для объяснения поведения этих частиц, исключали столь близкое существование электронов и протонов, так что такой ответ не подходил.

В 1920-х гг. это натолкнуло Резерфорда на догадку о возможном существовании третьей составляющей частицы, названной им нейтроном, имеющей приблизительно ту же массу, что и протон, но не имеющей заряда. Получить свидетельства ее существования оказалось крайне непростой задачей. Резерфорд обсуждал со своим коллегой Джеймсом Чедвиком самые безумные способы, которыми можно было бы обнаружить нейтроны. В конце концов в экспериментах, проведенных в 1930-х гг. в Германии и Франции, были обнаружены частицы, испускаемые при бомбардировке различных ядер альфа-частицами, и частицы эти, в отличие от протонов, по-видимому, не имели заряда. Но экспериментаторы ошибочно считали их каким-то типом электромагнитного излучения наподобие высокочастотных гамма-лучей, которые открыл в начале XX в. французский физик Поль Виллар.