Неслучайные случайности

Итак, перед тем как распрощаться с гостеприимным Мак-Гиллским университетом, много сделавшим для славы Резерфорда, который в свою очередь много сделал для славы Мак-Гиллского университета, давайте посмотрим, как Эрнест показал, что из себя представляют открытые им альфа-лучи. Это исследование носит принципиальный характер, так как важно было понять, что же уносится из атома при его радиоактивном распаде.

Я уж приводил высказывание ученика Резерфорда академика П. Л. Капицы об экспериментальном мастерстве своего учителя. В опыте, который он поставил для изучения альфа-частиц, это качество проявилось в полной мере. Петр Леонидович, рассказывая о Резерфорде, привел любопытное наблюдение. По его мнению, физики делятся на два типа исследователей. «Одни — это тип скорее немецкой школы, экспериментатор исходит из известных теоретических предположений и старается их проверить на опыте». Я прерву здесь рассказ Капицы, чтобы пояснить его мысль и напомнить о работах Рентгена; до того, как он открыл свои лучи, что было незапланированной находкой, он занимался как раз методичной работой с катодными лучами, проверяя правильность существовавших относительно них теоретических воззрений. Но послушаем дальше Петра Леонидовича: «Другой же тип ученого, скорее английской школы, исходит не из теории, а из самого явления — изучает его и смотрит, может ли это явление быть объяснено существующими теориями. Тут изучение явления, анализ его являются основным мотивом для эксперимента. И если такое деление возможно, Резерфорд был ярким представителем этого второго направления в экспериментальной физике. Главное для Резерфорда было — разобраться, понять явление. Эксперимент должен быть так построен, чтобы было ясно, в чем состоит явление».

Сейчас представиться случай убедиться, насколько точно подметил эту черту Резерфорда Капица. В чем суть опыта, который собирался поставить Эрнест? В том, чтобы понять, что из себя представляют альфа-лучи. Поскольку они вылетают из радиоактивных химических элементов, которые вследствие этого меняют свою природу, логично предположить, что альфа-лучи — это тоже какой-то химический элемент, достаточно легкий, чтобы иметь возможность вылететь. Но каждый элемент обладает определенной массой. И, следовательно, если точно измерить массу вылетающих частиц и их заряд, то можно судить о происхождении альфа-лучей.

Опыт ставится самым бесхитростным образом, чтобы наблюдать только то, что нужно в данном конкретном случае: заряд и массу. Резерфорд взял обычный электроскоп — сосуд с двумя золотыми листочками, расходящимися при получении заряда и опадающих, когда их разряжают. В дне электроскопа сделал щели для альфа-лучей; от щелей в коробку, расположенную под электроскопом, спускались двадцать металлических пластинок; между ними зазор в один миллиметр; на дне коробки радий — источник альфа-лучей. Вот и все. Да, еще одна маленькая деталь: чтобы удалять эманацию, образующуюся при распаде радия, через прибор продувается водород. Вот теперь всё.

Что же происходит?

Радий испускает альфа-лучи. Они идут параллельным пучком между двадцатью пластинками и ионизируют воздух в сосуде. Ионы попадают на листочки электроскопа, предварительно заряженные, и разряжают их. Листочки начинают опадать, сходиться, и по измерению угла между ними и по скорости схождения ученый судит об интенсивности альфа-лучей. Это первая часть опыта.

Теперь вторая. Резерфорд помещает пластинки в магнитное поле. Опадание листочков тут же замедляется. Что это значит? Это значит, что магнитное поле отклоняет альфа-частицы и они не могут все попасть в узкие щели. Резерфорд увеличивает ток. Листочки вовсе замирают. Значит, теперь альфа-частицы вообще не могут попасть в электроскоп, они отбрасываются на пластины. Следовательно, альфа-лучи — это заряженные быстрые частицы.

Следующий вопрос: как они заряжены — положительно или отрицательно? В магнитном поле и те и другие отклоняются одинаково, но в разные стороны. И Резерфорд вносит в эксперимент маленькую остроумную деталь: он перекрывает узкие щели наполовину. И теперь при включении магнитного поля становится совершенно ясно, в какую сторону отклоняются альфа-лучи: если листочки опадают, значит, лучи проскакивают мимо экранчиков, если электроскоп неподвижен, значит, лучи отклонились именно в ту сторону, где их ожидает преграда. Так Резерфорд очень просто убедился, что альфа-частицы имеют положительный заряд.