Краткая история науки

Первый намек на то, что атомы не просто мельчайшие частицы вещества, появился вместе с открытием первого компонента атома – электрона. Эксперименты давно показывали, что атомы могут обладать электрическим зарядом, поскольку электрический ток в растворе привлекал одни из атомов к положительному, а другие к отрицательному полюсу.

Физики вовсе не были уверены, что электрические свойства атомов играют какую-то роль в химических реакциях. Они измеряли их электрический заряд, и обнаружили, что он дискретен, то есть состоит из отдельных единиц, их и поименовали «электронами» в 1894 году, сразу после того как Дж. Дж. Томсон (1856–1940) в Кембридже начал использовать катодную трубку в экспериментальной работе.

Катодная трубка очень проста, и удивительным выглядит то, как столь несложное устройство может рассказать нам столько о фундаментальной структуре атома и Вселенной. Большая часть воздуха из трубки удаляется, чтобы создать частичный вакуум, и на каждом из концов устанавливается по электроду. Когда через трубку проводится электрический ток, то происходит множество интересных вещей, начиная с испускания разного рода лучей (радиации).

Радиация – это потоки частиц или энергии, и ее разновидность, порождаемая в катодной трубке, состоит большей частью из быстро движущихся заряженных частиц. Томсон и его коллеги из Кавендишской лаборатории начали измерять электрический заряд и вес некоторых из них, и еще они попытались понять, как эти два параметра связаны между собой.

В 1897 году Томсон высказал гипотезу, что эти лучи – потоки заряженных субатомных частиц, иначе говоря, кусочков атомов. Он оценивал, что они весят в разы меньше самого легкого из атомов, водорода. Несколько лет понадобилось ученым, чтобы согласиться с тем, что Томсон в самом деле обнаружил электрон, ту самую единицу заряда, которую он и другие уже измеряли некоторое время.

Итак, внутри атома есть электроны. Но что еще там находится?

Ответ на этот вопрос удалось получить не сразу, а постепенно, после многочисленных экспериментов с катодной трубкой. Вакуум внутри нее становился все более разреженным, и все более сильные электротоки проходили через прибор.

Среди тех, кто сумел получить выгоду от этих технических усовершенствований, оказался студент, потом сотрудник и в конце концов наследник Томсона в Кавендишской лаборатории, новозеландец Эрнест Резерфорд (1873–1937). В конце девятнадцатого века Резерфорд и Томсон идентифицировали два разных вида излучения, испускаемых ураном, элементом, который сыграл важную роль в развитии физики.

Один из видов лучей, производимых ураном, изгибался, попав в магнитное поле, другой не изгибался. Не имея представления, с чем он столкнулся. Резерфорд назвал их просто «альфа» и «бета» по именам двух первых букв греческого алфавита. Термины прижились, а Резерфорд продолжил экспериментировать с той и другой разновидностью излучения десятилетиями.

Вскоре стало ясно, что не только уран, но целая группа элементов испускает такие лучи. Эти элементы вызвали большое воодушевление в начале двадцатого века, и сохраняют значение и сейчас. Их называют радиоактивными, и в число наиболее известных помимо урана входят радий и торий. Начав изучать их особые свойства, физики узнали много интересного о структуре атомов.

Альфа-лучи оказались в числе фундаментальных вещей (их часто еще называют альфа-частицами – различие между тем и другим часто размывается в очень маленьком и быстром мире атомной науки). Резерфорд и его коллеги направляли эти лучи на очень тонкие пластинки металла и смотрели, что выйдет. Обычно лучи проходили через металл, но иногда отражались, точно свет от зеркала.

Вообразите изумление Резерфорда, когда он понял, что произошло на его глазах. Выглядит все так, словно вы выстрелили из пушки в лист бумаги и обнаружили, что ядро отскочило.

Такой результат подразумевал, что альфа-частица встретила на пути очень плотную часть атома того металла, из которого состоит частица, наткнулась на ядро атома. Эксперименты показали, что атомы состоят большей частью из пустого пространства, и именно поэтому альфа-частицы легко пробивают пластину. И только когда они сталкиваются с концентрацией массы в центральном ядре, они отражаются.

Дальнейшая работа позволила продемонстрировать, что ядро обладает положительным зарядом. Физики начали подозревать, что позитивный заряд ядра балансируется отрицательными зарядами электронов и что электроны вращаются вокруг ядра в огромном пустом пространстве атома.

Резерфорда сейчас называют основателем ядерной физики, в 1908 он получил Нобелевскую премию по химии. Премия была названа в честь основателя, шведского миллионера, она стала высшим знаком отличия в научном мире после ее учреждения в 1901 году. Так что многие амбициозные ученые стали стремиться к тому, чтобы получить ее. Новозеландец оказался еще и хорошим наставником, и несколько его студентов и сотрудников тоже получили Нобелевку.

Датчанин Нильс Бор (1885–1962) был в их числе.