Практикант Джозефа Дж. Томсона

Приехав поездом из Лондона в Кембридж, Резерфорд легко нашел в переулке Фри скул лейн известную любому местному жителю Кавендишскую лабораторию — трехэтажное здание в стиле английской го­тики.

Молодой человек не был уверен, что прославленный ученый, директор Кавендишской лаборатории, профессор и член Королевского общества Джозеф Томсон согласится взять его к себе практикантом. Но эти опасения рассеялись после первой же встречи. Джозефа Томсона студенты называли Джи-Джи — так произносились по-английски его инициалы J. J. Томсон поразил молодого Резерфорда своей исключительной сердечностью, учти­востью и, конечно же, ученостью. Профессор сказал Ре­зерфорду, что сейчас, когда он задумал повести «мощ­ное наступление» на новые, еще малоисследованные проблемы экспериментальной физики, он нуждается в молодых сотрудниках, кончивших университет и интересу­ющихся исследовательской работой.

В этом благоприятном для Резерфорда повороте судь­бы была особого рода закономерность. Ученые создавали новую физику — физику наступающего столетия. И эта бурно развившаяся область науки воспитывала первых «неклассических» физиков нового типа.

Почти одновременно с Резерфордом в Кавендишской лаборатории появились и другие физики, чьи имена во­шли в историю науки XX века. Это были, например, Джон Мак-Леннан, Джон Таунсенд, Поль Ланжевен. (Замечу в скобках, что Резерфорд долго работал в одной комнате с Ланжевеном. Вернувшись из Кембриджа к себе на ро­дину во Францию, Ланжевен выполнил исследования в области магнетизма и акустики, принесшие ему мировую известность. Он работал в Коллеж де Франс под руковод­ством Пьера Кюри, который вместе с женой открыл ра­диоактивные элементы. Это открытие послужило глав­ным импульсом для всего научного творчества Резер­форда, и о нем будет еще сказано в этой книге. После смерти Пьера Кюри его кафедру занял Ланжевен уже в должности профессора Коллеж де Франс. Впоследствии он так же, как и Резерфорд, снискал славу руководителя научной школы, из которой вышли знаменитые физики Луи де Бройль и Фредерик Жолио-Кюри.)

В ответ на вопрос Томсона, не занимался ли уже Резефорд какой-нибудь исследовательской работой, новичок подробно рассказал о проведенных им в Кентерберийском колледже опытах с электромагнитными волнами. Он показал профессору приемник радиоволн. Это произвело впечатление. Электромагнитные волны тоже относились к новым проблемам, как теперь говорят, «перспектив­ным», и Томсон заинтересовался исследованиями в этой области. Хотя сам Томсон не уделял внимания электро­магнитным волнам, он, не колеблясь, предложил Резерфорду продолжать в Кавендишской лаборатории свои эксперименты.

Резерфорд сразу приступил к опытам. Он использо­вал свой приемник и другие приборы, изготовленные им уже здесь, в Кавендише. Прошло около года упорной работы, и стажер получил хорошие результаты. Он уста­новил радиосвязь между астрономической лабораторией Кембриджского университета и Кавендишской лабора­торией на «громадном» по тем временам расстоянии — в три километра. Это было в 1896 году. До автоматиче­ских космических аппаратов, с которыми в наши дни поддерживается радиосвязь на расстоянии в десятки миллионов километров, было три четверти века. Отме­тим, справедливости ради, что в основе их работы лежит принцип, найденный Резерфордом.

Впоследствии Томсон говорил о результатах Резер­форда в области передачи радиосигналов: «Его успехи были так велики, что я с тех пор почувствовал себя ви­новатым в том, что убедил его посвятить себя новой области физики, возникшей после открытия рентгенов­ских лучей».

В дальнейшем исследование электромагнитных волн превратилось в техническую конструкторскую задачу. В частности, требовалось усовершенствовать приемно-передаточные устройства для осуществления радиосвя­зи. Такого рода проблемы мало интересовали Резерфор­да: уже в молодые годы он был твердо убежден, что его подлинное призвание — исследование нового в физике.

Вокруг него одно за другим совершались удивитель­ные открытия. Первым, как уже упоминалось, были рент­геновские лучи. Это открытие произвело громадное впе­чатление на всех физиков.

Никому дотоле не известный профессор физики Вюрцбургского университета полуголландец-полунемец Виль­гельм Конрад Рентген экспериментально изучал катод­ные лучи. 8 ноября 1895 года он наблюдал впервые воз­никновение новых удивительных лучей.

Томсон тоже изучал катодные лучи. Тем более остро его заинтересовало сообщение Рентгена «О новом роде лучей». Описывая наблюдавшиеся им Х-лучи, проникаю­щие сквозь непрозрачные тела (металл и картон), Рент­ген отметил, что «если держать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Таким образом, Рентген оказался человеком, совершившим первое в истории рент­геноскопическое исследование.

В сообщении об Х -лучах (всего было три сообщения, объединенных одним заглавием) Рентген привел любо­пытный список тел, которые он ставил на пути Х -лучей. В этом списке мы находим: переплетенную книгу пример­но в 1000 страниц, двойную колоду карт, несколько сло­женных вместе листов станиоля, еловые доски, алюминие­вые пластинки, эбонитовые диски, стеклянные пластинки, воду, платину, соли различных металлов, пластинки из­весткового шпата и кварца.

Хотя сообщения Рентгена занимали в общей слож­ности не более 30 страниц, они дали практически исчер­пывающее описание свойств рентгеновских лучей. Сотни работ, опубликованных после Рентгена во множестве стран на протяжении многих десятков лет, не могут при­бавить ничего существенного к сказанному профессором из Вюрцбурга.

Статья Рентгена, оттиски которой автор переслал уче­ным различных стран, вызвала сенсацию. Все внимание мировой прессы было приковано к Х -лучам. Многие поли­тические, военные и другие события, происходившие в то время на земном шаре, отодвинулись на второй план.

Газетные репортеры и обозреватели расписывали эти «ужасные» Х -лучи с подробностями, которые сейчас нам кажутся по меньшей мере наивными. В некоторых статьях и фельетонах утверждалось, например, что эти лучи мо­гут принести человечеству большие неприятности и даже подорвать семейные устои, так как интимную жизнь за толстыми стенами домов добропорядочных семей нель­зя будет скрыть от постоянных наблюдателей, вооружен­ных аппаратами с Х -лучами.

Одновременно с этим в научных журналах публико­вались серьезные статьи, где обсуждались различные факты, связанные с открытием профессора Рентгена. Естественно, ученые больше всего интересовались происхождением Х-лучей и пытались дать физическое объ­яснение этому явлению.

Открытие Рентгена сыграло выдающуюся роль в сов­ременной физике, в частности в развитии представлений о процессах, происходящих в атоме и атомном ядре.

Сам ученый до конца своих дней (он умер в 1923 году) был типичным представителем классической физики. Он не разделял взглядов Резерфорда даже тогда, когда они уже широко были приняты всей научной обществен­ностью.

После того как Резерфорд прекратил свои опыты по радиосвязи, он включился в исследования Томсона, для которых открытие рентгеновских лучей послужило новым мощным импульсом. Томсон к тому времени добился больших успехов в исследованиях свойств катодных лу­чей, изучавшихся до него другим английским ученым — Уильямом Круксом. (Крукс был «свободным исследователем», занимавшимся в своей частной лаборатории в Лондоне различными проблемами физики, химии и... спиритизма. Тогда такое сочетание тем не вызывало удивления.)

Мы не будем рассказывать о многолетних опытах Томсона, в ходе которых он изучал способность катодных лучей вызывать люминесценцию в откачанных катодных трубках. Но прежде чем сказать о наиболее выдающемся результате исследований Томсона, а именно об открытии электрона, напомним, что Резерфорд по предложению своего руководителя приступил к изучению ионизации воздуха рентгеновскими лучами.

Нельзя не отметить проницательности молодого Резер­форда, заинтересовавшегося исследованиями рентгенов­ских лучей. Вообще Резерфорд и Томсон — один в роли практиканта Кавендишской лаборатории, а другой в роли ее директора, профессора — были в числе первых физи­ков, считавших открытие вюрцбургского ученого исключительно важным и многообещающим.

В 1897 году Томсон триумфально завершил свои ис­следования открытием частицы, получившей название электрона. В октябрьском номере физического журнала «Philosofical Magazine» за 1897 год была помещена статья Томсона, утверждающего, что электричество — это движение элементарных частиц, несущих отрицательный заряд, электронов.

Новое представление об электроне позволило Томсону предположить, что атом является не чем иным, как сверх­миниатюрной сферой диаметром 10^–8 сантиметра, в ко­торой равномерно распределен положительный заряд и вкраплены электроны. Сфера в целом электрически нейт­ральна. Итак, Томсон предложил первую электронную модель атома.

Позже ей на смену пришла ядерная модель атома Ре­зерфорда. Еще позже было найдено, что структура, пред­ложенная Томсоном, в некоторых случаях наблюдается у ядерных частиц. Но тогда не было и речи об атомном ядре.

Наш соотечественник академик А. Ф. Иоффе, посетив­ший Кавендишскую лабораторию в начале века, писал, что там царила атмосфера электронной модели Томсона.

Сейчас мы не перестаем поражаться той последова­тельности, с которой в начале века одно открытие в об­ласти электричества и структуры вещества точно цепля­лось за другое. События величайшей важности следовали подряд, как бы боясь потерять связь между собой.

Лучи Рентгена способствовали успеху работ Томсона, открывшего электрон и создавшего электронную модель атома.

Не менее важную роль рентгеновские лучи сыграли в открытии, которое вскоре было совершено по другую сторону Ламанша — в Париже.

Как свидетельствуют историки науки, известный ма­тематик Анри Пуанкаре рассказал профессору Политех­нической школы в Париже Анри Беккерелю об открытии Рентгена. Беккерель, занимавшийся изучением люминесценции, сразу поставил перед собой вопрос: не связа­ны ли рентгеновские лучи с явлением люминесценции стекла рентгеновских трубок? Может быть, думал Бекке­рель, люминесценция, наблюдаемая в том месте рентге­новской трубки, куда попадают катодные лучи, сопровож­дается излучением рентгеновских лучей?

Сегодня тем, кто знаком с основами физики, такое предположение может показаться смешным. Однако тог­да то была «законная» гипотеза, требовавшая экспери­ментальной проверки.

И вот в физической лаборатории Музея естественной истории в Париже профессор Анри Беккерель начал опы­ты с различными люминесцирующими веществами (люминофорами). Прежде всего он попытался определить, не испускают ли рентгеновских лучей вещества, способ­ные после освещения люминесцировать, т. е. поглощать свет и затем его отдавать.

Об этих опытах, послуживших как бы предысторией к научным работам Резерфорда в области радиоактивности, расскажем несколько подробнее.

В конце прошлого века физики и химики знали раз­личные вещества, в том числе соли и минералы, облада­ющие способностью люминесцировать. Это явление изучали многие ученые. В их числе был и Джозеф Томсон.

В лаборатории Музея естественной истории имелась обширная коллекция люминесцирующих веществ. Ее собрал еще отец Беккереля, тоже крупный ученый, известный исследователь люминесценции, профессор Эдмонд Беккерель (1820 — 1891), который, в свою очередь, тоже был сыном профессора физики Антуана Сезара Бекке­реля (1788 — 1878).

Анри Беккерель (1852 — 1908) стал экспериментиро­вать с солями урана, люминесцирующими красивым жел­то-зеленым светом. Подлинной удачей для науки было то, что профессору пришло в голову взять для своих опытов именно соли урана.

Беккерель выставил на солнце пластинки, покрытые слоем урановой соли. Затем он завернул их в черную бу­магу и поместил в кассету с фотографической пластинкой. Он надеялся, что проникающее излучение, исходящее из люминесцирующей соли и проходящее сквозь черную бу­магу, будет обнаружено по его действию на фотоплас­тинку.

Опыт показал, что предполагаемое явление, а именно способность люминофоров испускать рентгеновские лучи, видимо, существует, поскольку соли урана после освеще­ния их солнцем испускают излучение, проходящее через черную бумагу. Об этом открытии Беккерель сообщил в Академии наук 24 февраля 1896 года. Казалось, оно полностью подтвердило идею, которой руководствовался Беккерель в своих предположениях.

Но далее Беккерель убедился, что он ошибся в истол­ковании наблюдаемого явления. Излучение не было рент­геновским.

Для продолжения своих опытов ученый подготовил несколько кассет с фотопластинками вместе с пластинкой, покрытой слоем соли урана и завернутой в черную бума­гу. Но так как в эти зимние дни солнце не показывалось над Парижем, он запер кассеты в ящик стола.

Воскресенье 1 марта 1896 года стало памятным для истории физики днем. Солнце залило крыши Парижа. Беккерель решил продолжить свои исследования. Но сна­чала он захотел проверить, не произошло ли чего-нибудь с пластинками во время их хранения в столе.

Проявив некоторые фотопластинки, он, к своему ве­личайшему удивлению, заметил, что пластинки потемне­ли точно так же, как и в предыдущих опытах.

Краткое сообщение об этом событии имеет большое историческое значение как первая в мире весть о наблю­дении радиоактивного излучения урана.

Открытие Беккереля вызвало интерес ученых к ура­ну. Уран был последним химическим элементом перио­дической системы. До открытия трансурановых элемен­тов было еще далеко. В металлическом виде уран не имел применения, только некоторые соли его использо­вались в фотографии и в стекольной промышленности. Никто тогда не подозревал, что урану, долго считавше­муся малоценным веществом, предстоит совершить головокружительную карьеру.

Как мы знаем сегодня, уран — ценный материал, при­меняемый в качестве ядерного горючего. Но прежде чем уран стал всемирно знаменит, ученым разных стран при­шлось проделать бесконечное количество исследований (некоторые из них продолжались многие годы) и, конеч­но, выполнить фундаментальные теоретические работы.

Сообщение об открытии Беккерелем радиоактивности произвело эффект и в Кавендишской лаборатории.

В первый период изучения загадочных урановых лучей Резерфорду казалось, что существует какая-то связь между излучением урана и рентгеновскими лучами. Поэтому сначала он считал свои опыты по радиоактивности естес­твенным продолжением исследований ионизующего дей­ствия рентгеновских лучей, проводившихся им совместно с Томсоном.

Излучение урановых препаратов, как и рентгеновские лучи, ионизировало воздух. Такое сходство в воздействии обоих излучений на окружающую среду привело Резер­форда к мысли о необходимости опытов для сравнения рентгеновских и беккерелевых лучей. Опыты эти, по его мнению, могли дать наиболее достоверные и точные све­дения о физических свойствах лучей.

Исследования продолжались почти год. Они показали, что связи между двумя излучениями, несмотря на их одинаковое ионизующее действие, нет. Резерфорд смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве излучения урана со световыми лучами ошибочно. Излучение урана не подчинялось законам световой оптики: не отражалось, не преломлялось и не поляризовалось.

Резерфорд ставил, казалось бы, скромную задачу: сравнить свойства двух видов излучения. И хотя он получил отрицательный результат — доказал, что природа этих явлений разная, связи между ними нет, — значение его опытов для истории физики очень велико. В ходе исследований ученый впервые обнаружил альфа-частицу. Появление этой первой вестницы из глубоких недр вещества, ревниво охраняемых самой природой, — величайшее событие в науке.

«Эти опыты показывают, что излучение урана является сложным и состоит, по крайней мере, из двух различных видов: одно очень быстро поглощаемое, назовем для удобства α-излучением; другое более проникающее, назовем β-излучением».

Эта фраза взята из статьи Резерфорда «Урановое излучение и производимая им электропроводность» (Electrical Conduction), напечатанной в январе 1899 года в «Philosofical Magazine». Это первое сообщение об α-частицах и β -излучении.

Понадобилось еще целых три года, чтобы французский физик Поль Вийар показал, что имеется третья составляющая уранового излучения, к тому времени уже названного супругами Кюри радиоактивностью. Появились γ-лучи — третий компонент радиоактивного излучения, сходный по природе с рентгеновскими лучами и не отклоняемый магнитным полем. Именно из-за этого свойства γ-лучи, вероятно, не были замечены Резерфордом, который в своих исследованиях помещал радиоактивный источник в магнитное поле.

«Тот факт, — отмечает итальянский историк физики Марио Льоцци, — что Резерфорд предугадал важность α-частиц для объяснения радиоактивных процессов и многие годы посвятил их изучению, является одним из самых ясных проявлений гениальности Резерфорда и одним из главных факторов, определивших успех его деятельности»1.

Уже при проведении этих опытов Резерфорд предвидел, что α-частицы могут служить инструментами для проникновения в атомы при исследовании их структуры. И действительно, в последующих работах Резерфорда главную роль играли миниатюрные, но мощные снаряды — α-частицы.

За три года стажировки Резерфорда в Кавендишской лаборатории им были выполнены такие талантливые работы, которые принесли молодому ученому известность в научных кругах Европы и Америки.

Самыми важными из них были, конечно, исследования радиоактивности урана и тория. Именно они указали начинающему экспериментатору его будущее поле деятельности и позволили в дальнейшем объяснить тончайшие процессы и явления, происходящие в атоме и атомном ядре.

Вскоре Резерфорд получил приглашение занять должность профессора физики в Мак-Гиллском университете в Монреале.

Летом 1898 года в Кембридж приехал ректор Мак-Гиллского университета Петерсон. Томсон сам представил ему Резерфорда. Петерсон совершил длительное путешествие в Англию, чтобы познакомиться с кандидатом в профессоры своего университета, молодым человеком, получившим необычайно лестную рекомендацию от знаменитого ученого того времени Томсона. В этой рекомендации говорилось следующее: «У меня никогда не было молодого ученого с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как г-н Резерфорд, и я уверен, что если он будет избран, то создаст выдающуюся школу физики в Монреале... Я считал бы счастливым то учреждение, которое закрепило бы за собой Резерфорда в качестве профессора физики».

Заметим, эту высокую оценку научной деятельности Резерфорд получил, когда ему было 26 лет. Впрочем, и здесь была своя закономерность. Жизнь показывает (и особенно в этом убеждает XX век), что ученые, посвятившие себя физике, математике и другим точным и естественным наукам, наиболее творчески активны именно в молодые годы.

В жизни Резерфорда начинается новый период, который историки классифицируют как монреальский. Этот период отмечен работами в новой области физики.

Прежде всего сюда относится создание совместно с английским химиком Фредериком Содди теории радиоактивного распада.

• 1. Льоцци Марио. История физики. М., «Мир», 1970, с. 364.