Резерфорд. Атомное ядро

Как изучать атомы? Сегодня считается, что все окружающее нас состоит из атомов. Однако их размер настолько незначителен, что ученые веками сомневались в самом их существовании. В начале XX века проблему атома физики рассматривали, как в индийской притче про шестерых слепых мудрецов, в которой один ощупывал хобот, другой — бок, третий — бивень, четвертый — ногу, пятый — хвост, шестой — уши... Таким образом, восприятие реальности основывалось на несопоставимых явлениях. С разных точек зрения, то есть при рассмотрении излучения, броуновского движения, спектров испускания и поглощения, были очевидны признаки существования атомов, но только косвенные признаки, поэтому для многих ученых атомная гипотеза представлялась скорее метафизической, иначе говоря, была пустословием.

Физик Эрнест Резерфорд, человек крепкого сложения и любитель регби, стал тем, кто взломал сейф, который на тот момент представляла собой проблема атома, и это помогло увидеть атом изнутри. Такова одна из причин, почему Резерфорд считается крупнейшим физиком-экспериментатором XX века. Благодаря его методам и исследовательским приемам стало возможным изучение фундаментальной структуры, общей для всех атомов. Для решения этой глобальной задачи он воспользовался простыми и изящными приемами. Сегодня в нашем распоряжении — сложные ускорители частиц и совершенные детекторы, позволяющие исследовать еще более фундаментальные элементы материи на основе столкновений и при высоком уровне контроля и точности. Но в распоряжении Резерфорда не было устройств, даже отдаленно напоминающих эти. Тем не менее он смог обнаружить, что внутри атома находится еще более мелкая структура, размером сопоставимая с мухой, пролетающей под сводами собора, или с булавочной головкой на футбольном стадионе, — и дал ей название «ядро». Вслед за этим открытием прояснился следующий парадокс: в ядре сконцентрирована большая часть массы атома. Гигантскую пустоту, составляющую атом, пересекают только электроны. По своей эпохальности обнаружение ядра сравнимо с открытием Америки или высадкой первого человека на Луну.

Новозеландский физик доказал, что до сих пор об атоме ничего не было известно и что атомы дают огромное поле для исследований и открытий, которые нужно и предстоит сделать. Это был не конец пути, а скорее доступ к новому миру, который, как выяснилось позже, управлялся другими законами, отличными от тех, что мы наблюдаем каждодневно. Детали стали складываться в единую картину благодаря другим физикам, начиная с Нильса Бора. Атом больше не рассматривали с классической позиции и наконец отнесли его к понятиям удивительного и загадочного квантового мира.

Но Резерфорд не просто открыл целую вселенную внутри атомов, но также реализовал мечту, казавшуюся безумной. Трансмутация (превращение одного вещества в другое) была заветным стремлением человека со времен Средневековья — именно так возникла алхимия. Получение из латуни золота считалось одним из трюков, вроде сгибания ложек, до тех пор, пока Резерфорд не доказал, что химическое превращение — по сути физическое явление, которое возможно как в естественных, так и в искусственных условиях.

Превращение выявляло, что атомы подчинены определенному порядку и тесно взаимосвязаны. Элементы (железо, золото, кислород и др.) — не чуждые друг другу несовместимые категории. Несмотря на различия, обнаруживалось необыкновенное сходство, делавшее возможным превращение одного элемента в другой. Так же как Дарвин обосновал, что все живые существа имеют общего предка, было доказано, что все атомы происходят от водорода. Превращение элементов показало, что ядро можно разделить надвое. Для Резерфорда этот процесс — названный расщеплением ядра, который изучал физик Отто Ган, работавший с Резерфордом и Лизой Мейтнер, — был незначительным и практически не выделял энергии. Однако согласно известному уравнению Эйнштейна Е - mc², существует прямая взаимозависимость между массой и энергией, что позволяет понять энергетические явления, которые влечет за собой изменение массы внутренней структуры материи.

Нобелевская премия, которую Резерфорд получил в 1908 году, к его удивлению, была присуждена в сфере химии за «проведенные исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Это одна из многочисленных наград, которых он удостоился за свою работу. В результате нескольких случайностей Резерфорд также открыл альфа-, бета- и гамма-излучение. В своих исследованиях он находился на уровне выдающихся исследователей своей эпохи: семьи Кюри и Антуана Анри Беккереля.

Будучи экспериментатором, Резерфорд любил работу в лаборатории, упрямо отвергал чисто теоретические модели, не переносил математические трудности. Он был очень дисциплинированным и методичным, обладал способностью обнаруживать связь между понятиями и явлениями. Так, впервые благодаря радиоактивности он определил возраст Земли. Радиоактивность проливала свет на фундаментальную геологическую проблему, по которой ученые в ту пору еще не пришли к консенсусу.