приходил на публичные демонстрации, которые охотно устраивали физики, мог
полюбоваться контурами своего скелета. Разумеется, это было зрелище не для
слабонервных, но оно в высшей степени подогревало общественный интерес к
поиску новых явлений.
И открытия еще более удивительные и глубокие не заставили себя ждать.
Всего через 4 месяца после обнаружения рентгеновских лучей французский физик
А. Беккерель, достойный представитель научной династии Беккерелей (его дед,
отец и сын также известные физики), что называется, обручился со счастливой
случайностью. Настолько счастливой, что она стала чуть ли не хрестоматийным
примером редкого везения.
Разумеется, дело не только в везении. А. Беккерель по давно
установившейся семейной традиции тщательно изучал эффект фосфоресценции
различных веществ. После достаточно длительной экспозиции на обычном
солнечном свете некоторые вещества продолжали светиться (фосфоресцировать) и
при переносе в темное помещение. Это явление было известно довольно давно и
уже применялось на практике, например, в часах со светящимся циферблатом.
Одним из самых лучших фосфоресцентов считалась двойная сульфатная
калий-урановая соль, которая часто использовалась в экспериментах и А.
Беккерелем.
Вскоре после появления первых сообщений об открытии всепроникающих
рентгеновских лучей он решил проверить, не испускают ли фосфоресценты
подобного излучения. С этой целью А. Беккерель начал выставлять на солнечный
свет образцы урановой соли, расположенные на фотопластинках, тщательно
обернутых непрозрачной бумагой. Образцы достаточно четко отпечатывались на
пластинке, то есть проникающее излучение действительно существовало.
А. Беккерель был, несомненно, воодушевлен первыми успехами, но,
по-видимому, уверовал, что найден новый способ получения рентгеновских
лучей. Он с увлеченностью охотника, напавшего на верный след, ставил опыт за
опытом, пока не столкнулся с одной досадной помехой. Однажды он готовил
очередной эксперимент, но погода испортилась, и ему пришлось запереть все
устройство в ящик письменного стола. Собранная схема предназначалась для
изучения экранирующего действия металлов, в частности, между защищенной
фотопластинкой и образцом урановой соли помещался небольшой медный крест.
Примерно через сутки А. Беккерель установил, что пластинка безнадежно
испорчена - на ней виден довольно четкий отпечаток креста. История
умалчивает об этом, но я почему-то не сомневаюсь, что сразу после проявления
фотопластинки А. Беккерель испытал некоторое раздражение. Еще бы Опытнейший
43-летний экспериментатор должен был позаботиться о ее сохранности. Ведь к
этому времени многие (и он в том числе) знали, что прекрасные
фосфоресценты - соли урана - обладают вредным побочным действием, портят
фотопластинки. Я не сомневаюсь и в том, что чувство досады очень скоро
уступило место восторгу истинного первооткрывателя. Ведь результат
"эксперимента поневоле" позволял утверждать, что солнечное освещение было
вообще ни при чем, а соли урана сами испускали некоторое излучение. Вскоре
А. Беккерель убедительно показал - новое излучение связано только с
урансодержащими веществами; все остальные образцы независимо от их
фосфоресцентной способности никакого эффекта не давали.
Через несколько лет А. Беккерель и другие физики выяснили, что новое
излучение обладает сложным составом из трех компонент: одна из них - альфа
(a) - несет положительный электрический заряд и сильно поглощается в
веществе, вторая - бета (B) - отрицательно заряжена и, как и третья,
нейтральная - гамма (y ) - компонента, обладает значительно большей
проникающей способностью. Так в физику вошли представления об альфа-, бета-
и гамма-излучениях, которые были расценены как прямые сигналы о
превращениях, происходящих в самых глубинах атомного мира.
Забегая немного вперед, следует сказать, что альфа-излучение оказалось
потоком атомных ядер гелия, состоящих из четырех элементарных частиц: двух
протонов и двух нейтронов, а бета- и гамма-излучения - потоками элементарных
частиц: быстрых электронов и жестких фотонов (квантов электромагнитного
поля), соответственно. Они, действительно, были прямыми сигналами, но не из
атомного, а из ядерного мира, представляющего в определенном смысле более
глубокий уровень строения вещества.
Очевидно, физиков того времени не следует упрекать в неточности, ведь
они не успели еще как следует разобраться в атомной структуре. Само слово
"атом" зачастую употреблялось по отношению к иным объектам, например, как мы
помним, электрон тоже называли "атомом электричества". В следующей главе вы
увидите, что законы такого словоупотребления были связаны скорее с некоторой
философской традицией, а не с особым физическим содержанием
Замечательное открытие А. Беккереля заинтересовало многих физиков, в
том числе супругов П. и М. Кюри и Э. Резерфорда. Супруги Кюри, пожалуй,
самая выдающаяся в истории науки "семейная лаборатория", привнесли в дело
присущее им сочетание талантов и широкий размах. Именно они ввели термин
"радиоактивность", обозначив им способность некоторого вещества излучать,
подобно урану. Им же принадлежит заслуга в открытии некоторых радиоактивных
элементов.
Главное среди этих открытий, несомненно, радий, излучение которого
оказалось примерно в миллион раз сильнее, чем у урана. Для оценки роли,
сыгранной этим редчайшим элементом в становлении современной физики, не
хватит обилия всех похвальных слов, всех превосходных степеней, содержащихся
в русском языке. Благодаря огромной интенсивности радиации радий не только
дал возможность разгадать ее природу, но и стал на целых три десятилетия
уникальным инструментом для проникновения в микромир.
Работы в этих направлениях неразрывно связаны с именем Э. Резерфорда,
которого справедливо называют отцом современной ядерной физики. Научное
дарование и характер Э. Резерфорда как нельзя лучше соответствовали тому
бурному сокрушению основ, которое происходило в физике на рубеже столетий.
Он обладал феноменальной интуицией и, как правило, оказывался в самых
интересных и "горячих" точках научных разработок, совершенно фантастической
изобретательностью
в трудных, для подавляющего большинства современников непреодолимых,
экспериментальных ситуациях. И, наконец, ему было присуще поразительное
чутье на таланты - из резерфордовской школы вышло с добрый десяток лауреатов
Нобелевской премии.
Вклад Э. Резерфорда в изучение радиоактивности велик и многообразен.
Достаточно отметить, что свою Нобелевскую премию он получил именно за
фундаментальные работы в этой области. Одно из исследований Э. Резерфорда,
завершенное примерно в 1908 году, сыграло поистине определяющую роль в
дальнейшем штурме микромира: речь идет об установлении природы
альфа-излучения.
Это была сложная проблема, лишь постепенно поддававшаяся решению. Уже к
1903 году Э. Резерфорд доказал, что альфа-излучение представляет собой поток
положительно заряженных частиц. После многочисленных измерений традиционно
важного отношения заряда к массе стало ясно, что альфа-частицы принадлежат к
атомному миру; но доступная точность этих экспериментов, к сожалению, была
слишком мала для того, чтобы сделать окончательные количественные
заключения.
Казалось бы, прямой путь к разгадке природы альфа-частиц на
неопределенное время заказан; надо ожидать, пока технические
усовершенствования позволят должным образом улучшить точность опытов. Но не
был бы Резерфорд Резерфордом, если бы не предпринял очень характерный для
него блестящий обходной маневр - раз альфа-частицы не желают выдавать своих
секретов поодиночке, их надо собрать в большой коллектив и устроить в
образовавшемся газе электрический разряд. При этом должно возникнуть
определенного вида свечение со своим, присущим только данным атомам
спектром. Дальше остается только воспользоваться каталогом уже известных
спектров и отождествить по нему добытые результаты.
Конечно же, все это просто выглядит лишь на бумаге; на деле все
обстояло куда сложней. Так, для проведения данного эксперимента в
резерфордовской лаборатории был создан уникальный прибор, потребовавший
исключительно виртуозной работы стеклодувов. Но, несмотря на все трудности,
опыт прошел вполне успешно, и Э. Резерфорд увидел в некоторой мере
предугаданную им картину: альфа-частицы оказались не чем иным, как полностью
ионизированными атомами гелия.
Сразу же после этого открытия основные функции альфа-частиц в
резерфордовской лаборатории резко меняются - из загадочного объекта они
превращаются в надежный инструмент исследований.
Я бы хотел немного обсудить этот интересный и весьма типичный прием
научной работы.
В общем-то, любое известное явление несет в физике своеобразную двойную
нагрузку. Оно, если можно так выразиться, "учится и работает" одновременно,
точнее - оно само подвергается изучению и используется неким образом для
изучения других явлений. Любопытно, что правильное понимание механизма этого
явления нередко наступает уже после многократного и плодотворного
применения. Обратимся к примерам.
Катодные лучи помогли открыть рентгеновское излучение и установить
многие его свойства еще до знаменитой томсоновской работы. В свою очередь,
рентгеновские лучи стали активно применяться не только в физических, но и в
прикладных медицинских целях лет за 10-15 до установления их природы. Только
в 1912 году немецкий физик М. Лауэ доказал, что рентгеновские лучи
рассеиваются на элементах кристаллической решетки подобно тому, как обычные
волны рассеиваются на щелях или малых препятствиях. Этот замечательный
эксперимент вошел в историю науки, пожалуй, как самый яркий пример на тему:
"убить двух зайцев сразу" - ведь была не только обнаружена волновая природа
рентгеновского излучения, но и открыт путь к прямому изучению
атомно-молекулярной структуры кристаллов.
Показательна в этом плане судьба первой элементарной частицы -
электрона. Сразу же после "появления на свет" он зарекомендовал себя как
активнейший труженик науки, хотя даже основные его характеристики были
известны весьма приближенно - значение заряда и массы электрона подвергалось
в первые годы многим существенным уточнениям. Однако самая важная область
современной прикладной физики - электроника, без которой сейчас немыслимы ни
наука, ни техника, ни прямая трансляция хоккейных матчей из Канады, - на
пару лет старше самого электрона. Ее возраст отсчитывается, как правило, от
уже упоминавшейся работы Ж. Перрена, эксперименты которого велись в 1895
году с использованием самой настоящей электронно-лучевой трубки.
Честно говоря, мы и теперь не готовы к полному ответу на вопрос: что
такое электрон? Старейшина микромирa - 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.
Разумеется, в нарисованную здесь примитивную схему может поверить
только несведущий человек. Ни один опыт никогда не ставился без определенной
цели, по принципам известного сказочного персонажа - "пойди туда, не знаю
куда, принеси то, не знаю что". Экспериментатор всегда имеет некоторое
предварительное представление о том, что следует искать. Это представление
может быть весьма приближенным и даже в конечном счете неправильным, но оно
обязательно существует.
Физики часто характеризуют такую ситуацию мудреным на первый взгляд
оборотом: "Экспериментатор работает под определенную модель". По существу
же, идея крайне проста. До постановки опыта всякое угадывание конечных
результатов эквивалентно формулировке той или иной теоретической гипотезы.
Гипотезу можно выдвинуть на основе уже существующей модели или придумать
собственную оригинальную модель - это дело опыта и возможностей. Можно
вообще ничего не придумывать, а выяснять мнение у находящихся поблизости
авторитетных коллег! Но в любом случае поставленный эксперимент в первую
очередь послужит целям проверки той модели, на которую ориентируется его
автор.
Обратимся еще раз к истории открытия радиоактивности. Под какую модель
работал А. Беккерель?
Основная его гипотеза заключалась в том, что фосфоресцирующие вещества
могут испускать наряду с видимым светом еще и проникающее излучение типа
рентгеновского. Первым опытам А. Беккереля как раз и предстояло дать ответ
на вопрос: могут или не могут?
Результаты оказались положительными и были немедленно опубликованы. Их
ценность заключалась именно в том, что они не противоречили принятой модели,
более того, первоначально А. Беккерель был уверен, что доказал свою
гипотезу. И лишь после известного нам казуса (я уверен, что плохая погода
сослужила верную службу не одному выдающемуся достижению в физике) он
исключил из своей гипотезы предположение, будто таинственное излучение
связано с влиянием солнечного света, а вскоре и предположение, что оно
связано с фосфоресценцией. Постепенно у него сформировалась новая модель:
вещество испускает излучение неизвестной природы, если в состав образца
включен уран; причем основные свойства этого излучения - высокая проникающая
способность и независимость от внешних воздействий на источник. Именно
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг