Читать книгу Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц - - Страница 4

Эрнест Резерфорд пробыл в Монреале всего несколько месяцев, когда получил приглашение на дебаты от местного физического общества. Это был 1900 год, и тема была сформулирована так: «Существование тел, меньших, чем атомы». Резерфорд горел желанием принять участие в дебатах и написал своему бывшему наставнику Дж. Дж. Томсону, что надеется победить своего оппонента Фредерика Содди, химика, получившего образование в Оксфорде. Содди был младше Резерфорда на шесть лет. Его всегда интересовали проблемы на стыке физики и химии, но в Резерфорде он нашел физика, который потряс саму основу химии[27]. Эти дебаты положили начало одной из самых удивительных серий открытий в науке и побудили не только ученых, но и художников, философов и историков полностью пересмотреть свои представления об окружающем мире.

Содди заговорил первым. Это был высокий серьезный блондин с голубыми глазами. Младший из семи братьев, родившийся на юге Англии, еще школьником преодолел дефект речи и превратил свою бывшую детскую в химическую лабораторию, где мог проводить эксперименты, пускай иногда и был близок к тому, чтобы поджечь дом. У него были две непоколебимые ценности – правдолюбие и красота[28].

Содди пришел защищать атом. Его позиция заключалась в том, что электрон, открытый Томсоном и другими, должен быть чем-то отличным от «материи», известной ему и другим химикам. «Химики сохранят веру и благоговение перед атомами как постоянными сущностями, если не неизменными, то уж точно еще не преобразованными», – сказал Содди. Затем он бросил вызов Резерфорду: «Возможно, профессор Резерфорд сможет убедить нас в том, что материя, известная ему, действительно та же самая, что известна и нам»[29].

Резерфорд выступил в защиту своей позиции. Электроны, согласно его теории, составляли часть обычной материи. Он описал работу Томсона и тех, кто был до него: Генриха Герца и Филиппа Ленарда в Германии, Жана Перрена во Франции и Уильяма Крукса в Англии. Резерфорд проанализировал эксперименты Томсона по открытию электрона и объяснил, что, поскольку электроны, по-видимому, происходят из материи, они должны составлять часть атома. Он так хорошо объяснил новые экспериментальные результаты, что покинул аудиторию студентов и сотрудников университета Макгилла, будучи уверенным, что теперь уж они изменят свое давнее представление об атомах как о мельчайших неделимых строительных блоках материи. Но хотя Резерфорд и выиграл дебаты, оставалось много вопросов о том, что происходит внутри материи. Химики и физики так и не достигли согласия.

Эрнест Резерфорд – Эрн для друзей – был физиком, но он был настолько далек от стереотипа физика-интроверта, насколько можно себе представить. Он был высоким, атлетически сложенным и говорил таким громким голосом, что мог нарушить работу чувствительного научного оборудования в лаборатории. В отчаянии его ученики в конце концов соорудили светящуюся вывеску, которая висела над их экспериментами и гласила: «Говорите тише, пожалуйста». По словам научного писателя Ричарда П. Бреннана, у Резерфорда было «глубоко укоренившееся убеждение, что брань во время эксперимента помогает ему лучше работать, и, учитывая его результаты, он, возможно, был прав»[30].

Когда Резерфорд прибыл в университет Макгилла, он выглядел слишком молодым для своей новой роли профессора физики: его карьерный путь набрал обороты благодаря настоятельной рекомендации его старого советника Томсона. Всего за несколько лет до этого Резерфорд переехал из своей родной Новой Зеландии в Англию, ступив на путь новых открытий в области радиации с энтузиазмом блестящего молодого ума, стремящегося себя проявить. Он быстро стал звездным студентом в Кембридже, демонстрируя независимость в исследованиях, пока его наставник был занят (справедливости ради, его наставник в то время открывал электрон).

Открытие радиоактивности произошло несколько случайно в 1896 году, когда французский физик Анри Беккерель изучал светоизлучающие эффекты кристаллов урана. В 1898 году Мария Кюри обнаружила излучение, испускаемое элементом торием, и вместе со своим мужем Пьером, присоединившимся к ней в исследованиях, она объявила об открытии полония[31] и радия, дав радиоактивности ее название, – и все это в один знаменательный год. Еще учась в аспирантуре в Кембридже, Резерфорд присоединился к этой работе и продемонстрировал, что существует по крайней мере два различных типа излучения: альфа-излучение, которое можно остановить листом бумаги, и бета-излучение, которое можно остановить куском дерева[32]. Альфа, бета и, несколько лет спустя, гамма-излучение были названы с использованием первых трех букв греческого алфавита. Сначала их природа была неизвестна, хотя прошло совсем немного времени, прежде чем в 1899 году Беккерель идентифицировал бета-излучение как электроны, а в 1907 году Резерфорд выяснил, что альфа-излучение состоит из атомов гелия, потерявших два электрона, что дает им двойной положительный электрический заряд. Хотя в то время об этом не было известно, гамма-излучение состояло из высокоэнергетического света, похожего на рентгеновские лучи. Открытия Резерфорда в области радиоактивности, безусловно, привлекли внимание Томсона.

Получив должность профессора в Макгилле, свою первую исследовательскую группу и собственную лабораторию, Резерфорд хотел еще глубже проникнуть в феномен радиоактивности. В Канаде царила атмосфера, несколько отличающаяся от Кембриджской, но она, казалось, освободила его от социальных ограничений старого английского университета, так что он мог поступать так, как ему хотелось. Он поставил перед собой высокую цель: понять структуру атома.

После их первых дебатов в 1900 году между Содди и Резерфордом возник неподдельный интерес, который привел к сотрудничеству: каждый все больше хотел понять работу другого. Содди так увлекся изучением радиации, что прослушал продвинутый курс Резерфорда, в котором ученый рассказывал о рентгеновских лучах, излучении урана и тория, а также о практическом применении электрометра. Как химика, Содди больше всего впечатлил электрометр, который мог обнаруживать даже мельчайшее количество тория по испускаемому им излучению. Этот метод оказался гораздо более точным, чем простое взвешивание материалов, как это делали химики. Электрический метод мог обнаружить количество материала в 10¹² (1 триллион) раз меньшее, чем самые лучшие аналитические весы.

Тем временем Резерфорд принял на работу свою первую аспирантку: женщину по имени Гарриет Брукс. Женщины-аспирантки в то время были чрезвычайно редки, хотя, возможно, успех Марии Кюри оказал некоторое влияние. Брукс, третья из девяти детей, родилась в маленьком городке в западном Онтарио. Ее отец продавал муку, семье часто недоставало еды. К сожалению, мало что известно о том, как она обнаружила свою любовь к физике, а также о ее личности или характере: все это просто не было записано[33]. Что кажется очевидным, так это тот шанс, который может дать ей высшее образование: возможность покинуть семейный дом и стать независимой. После четырех лет учебы в Макгилле Гарриет получила степень бакалавра с отличием и несколько стипендий по математике и немецкому языку, что избавило семью от необходимости ее содержать. Она была очень способной студенткой, и неудивительно, что Резерфорд – который не питал никаких предрассудков касательно женщин в науке, – пригласил ее работать с ним.

Вместе Резерфорд и Брукс исследовали элемент торий, обнаружив, что он испускает таинственную «эманацию», своего рода газ, который не был похож ни на что из виденного ими прежде. Но еще более странным показалось то, что излучение, судя по всему, делало радиоактивными близлежащие объекты. То есть, когда излучение вступало в контакт с объектом, оно, казалось, воздействовало на объект так, что он спонтанно испускал альфа-, бета- или гамма-излучение, точно так же, как это делают природные радиоактивные материалы, такие как радий и полоний.

Брукс получила стипендию за свою докторскую работу с Резерфордом и потратила ее на поездку из Канады в Англию в 1902 году, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном. Она стала первой женщиной, обучавшейся в Кавендишской лаборатории.

Пытаясь понять полученные результаты, Резерфорд начал думать, что ему мог бы помочь кто-то, владеющий химическими методами, и пригласил Содди, который немедленно согласился, отказавшись от своей предыдущей исследовательской работы[34].

Содди продолжил работу Брукс, используя химические методы, чтобы выяснить, вступит ли эманация тория в реакцию с различными химическими агентами, но безрезультатно. Он обнаружил, что температура не имела никакого значения, равно как и то, где протекал эксперимент: в углекислом газе или воздухе. Излучение казалось каким-то инертным газом. Содди был уверен, что это не сам торий, а что-то им образованное.

Наконец, все прояснилось. Торий превращался в газ. Атомы тория самопроизвольно меняли форму. Это было не совсем похоже на мечту алхимика превратить свинец в золото, но атомы менялись. Содди «стоял, потрясенный колоссальным значением этого явления», и воскликнул: «Резерфорд, это трансмутация!»[35]

Теперь мы знаем, что Резерфорд и Содди наблюдали распад радиоактивных элементов, которые превращаются в другие элементы, испуская альфа- и бета-частицы, и в конечном итоге образуя стабильные вещества. Природа все это время занималась алхимией бесплатно. Содди, который всего несколькими годами ранее настаивал на неизменности химических атомов, нашел доказательства того, что полностью перевернуло его мировоззрение.

Далее они определили, что радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону. В течение определенного времени, известного как период полураспада, половина атомов в куске радиоактивного материала превращается в атом другого типа. Если вы начнете со 100 атомов кислорода-15 (радиоактивный изотоп кислорода с атомной массой, в пять раз превышающей атомную массу атома водорода), то через две минуты останется всего 50 атомов. Остальные 50 замените на азот-15. В последующие две минуты останется всего 25 атомов (50 ÷ 2). В следующие две минуты останется 12,5 атомов, и так далее. (Технически у вас не может быть половины атома, но период полураспада в две минуты остается прежним.) Материя больше не представлялась стабильной, неизменной субстанцией, как раньше.

Идеи Резерфорда и Содди были радикальными по меркам начала ХХ века, поэтому реакция научного сообщества оказалась неоднозначной. В Лондоне лорд Кельвин (Уильям Томсон), самая высокопоставленная фигура в британской физике, просто отказывался верить в распад атомов. Химики, которые верили в нерушимость материи, тоже восстали против этой работы. В Макгилле выходки Резерфорда и его теории радиоактивности также начали беспокоить других профессоров. Остальные преподаватели считали, что его неортодоксальные идеи о материи могут навлечь на университет дурную славу: члены Физического общества, где он и Содди дискутировали, были настроены крайне критично и посоветовали Резерфорду отложить публикацию и быть осторожнее[36]. Как-то его коллеги-профессора затащили его на встречу и недвусмысленно посоветовали оставить эту ситуацию. Резерфорд выбежал из аудитории, с трудом скрывая негодование.

Резерфорд не стал ходить по струнке. В 1904 году, прогуливаясь по кампусу, он наткнулся на профессора геологии Фрэнка Доусона Адамса. Без всяких предисловий он спросил Адамса, сколько предположительно лет Земле. Адамс рискнул дать цифру в 100 миллионов лет, основываясь на различных методах оценки того времени. Резерфорд сунул руку в карман, вытащил черный камень и выпалил: «Адамс, я без всяких сомнений знаю, что этому куску смоляной обманки 700 миллионов лет», – а затем ушел.

Постоянно распадающееся радиоактивное вещество в природе, как предположил Резерфорд, можно использовать для оценки возраста Земли. Камни содержали небольшое количество радиоактивных атомов, которые он и Содди изучали. Если бы он знал скорость распада от одного атома к другому, он мог бы подсчитать количество неразложившихся атомов по сравнению с количеством «превращенных» частиц и вычислить, как долго просуществовал этот объект. Резерфорду пришла в голову идея радиометрического датирования. Свои первые оценки он проводил с ураном-238, где 238 означает массовое число атомного ядра. Элементы с различным массовым числом называются изотопами