Бег за бесконечностью

Честно говоря, мы и теперь не готовы к полному ответу на вопрос: что такое электрон? Старейшина микромира — сплошной клубок проблем. Но это не мешает постигать с его помощью тончайшие детали строения материи и тем более не мешает, скажем, Министерству электронной промышленности планировать выпуск точных и сверхточных приборов.

Один из впечатляющих примеров на эту тему как раз и связан с альфа-частицами. После экспериментов 1908 года Э. Резерфорд решил применить их в качестве снарядов для прямого зондирования структуры вещества, пока еще не догадываясь, что в его руках находятся натуральные атомные ядра. Но, даже выступая инкогнито, альфа-частицы блестяще справились со своей задачей и, к немалому удивлению Э. Резерфорда, значительно «перевыполнили план». Бомбардируя тонкие образцы золотой фольги этими замечательными снарядами, Э. Резерфорд и его ученики заметили любопытное явление. Подавляющее большинство альфа-частиц без труда пронизывали образец, но в отдельных случаях они отскакивали почти в противоположном направлении, или, выражаясь физическим слогом, рассеивались на углы, превышающие 90 градусов. Характеризуя степень недоумения, возникшего в лаборатории сразу же вслед за первыми наблюдениями подобного «чуда», Э. Резерфорд сравнивал резкое отклонение альфа-частицы с отскоком могучего артиллерийского снаряда от листка папиросной бумаги.

Между тем этот великий эксперимент, принципиальная схема которого легла в основу всей экспериментальной ядерной физики XX века, впервые позволил увидеть строение атомов. А непосредственная интерпретация сводилась к следующему. Вещество образца в основном прозрачно для альфа-частиц, но в него как бы вкраплены отдельные центры, несущие довольно большой положительный электрический заряд и имеющие чрезвычайно малый (по сравнению с атомным!) размер, причем именно в них сосредоточена вся масса вещества. Изредка налетая на такие центры, положительно заряженные альфа-частицы испытывали сильное отталкивание согласно закону Кулона для одноименных зарядов и рассеивались на очень большие углы. Отсюда и был сделан вывод о существовании атомных ядер. Поскольку атомы в целом электронейтральны, большой целочисленный (в единицах заряда электрона) положительный заряд каждого ядра должен компенсироваться соответствующим числом отрицательно заряженных электронов в атоме.

Так появилась знаменитая резерфордовская модель атома, работа над которой была завершена к 1911 году. В настоящее время картинка — несколько электронных орбит вокруг центрального ядра, наглядное изображение этой модели — стала своеобразным символом ядерных исследований.

Впрочем, рассказ об этом открытии нуждается, по крайней мере, в одном очень полезном уточнении. Планетарный (по аналогии с изображением солнечной системы) образ атома отнюдь не обязан своим появлением результатам резерфордовских экспериментов. Он зародился гораздо раньше. Еще в 1903 году японский физик X. Нагаока в докладе на заседании Токийского физико-математического общества выдвинул модель, где электронные оболочки располагались вокруг центрального тела наподобие колец планеты Сатурн. Через пару лет к разработке планетарной схемы строения атомов приступил Дж. Стони. Существовали и конкурирующие модели. Самая важная среди них была сформулирована учителем Э. Резерфорда Дж. Дж. Томсоном вскоре после открытия электрона. Дж. Дж. Томсон полагал, что электроны атома плавают в некотором облаке положительно заряженного вещества; и до поры до времени его идеи не противоречили результатам измерений.

В общем, исследования Э. Резерфорда и его сотрудников возникли не на пустом месте, более того, они были специально направлены на выяснение роли положительного электричества в атомной структуре. Значение их открытия трудно переоценить, но нельзя и забывать, что оно было серьезно подготовлено предшествующими теоретическими гипотезами.

Такая подготовка играет в физике всегда очень большую роль, поскольку эксперимент и теория состоят, вообще говоря, в весьма сложных взаимоотношениях. Казалось бы, куда проще: экспериментатор задал вопрос Природе, получил ясный ответ, потом пришел теоретик, написал нужное уравнение, получил подходящее решение и нарисовал несколько простых картинок для объяснения своей заумной математики нормальными человеческими понятиями. Если экспериментатор ошибся и через какое-то время даст теоретику совсем противоположные результаты, то последний волей-неволей начнет говорить о совсем иных решениях, нарисует новые картинки и… снова не менее успешно объяснит новые данные. Недаром ведь по поводу способности теоретиков «объяснять что угодно» едва ли не в каждой крупной лаборатории существуют анекдотические, но вполне правдивые истории.