Читать книгу "Квант - Манжит Кумар"

Бета-частицы, представляющие собой быстрые электроны, обладают отрицательным зарядом, равным минус единице. Если ядро испускает одну β-частицу, то его положительный заряд увеличивается на единицу. Это похоже на то, как если бы две частицы, одна заряженная положительно, а другая — отрицательно, мирно существовали в виде нейтральной пары, которая разрывается на части, испуская электрон и оставляя положительно заряженный осколок. Ядро нового атома, образующегося при β-распаде, обладает зарядом на единицу больше, чем распавшийся атом, и, следовательно, сдвигается в периодической таблице на одну клетку вперед.

Когда Бор решился рассказать обо всем этом Резерфорду, тот предостерег его и заметил, что опасно “экстраполировать достаточно скудные экспериментальные данные”73. Обескураженный холодным приемом, Бор попытался убедить Резерфорда, что такая теория “будет решающим доказательством справедливости его модели атома”74. Он потерпел фиаско. В какой-то степени это произошло из-за того, что Бор не сумел ясно изложить свои мысли. В это время Резерфорд писал книгу. Он был занят и не нашел времени, чтобы полностью осмыслить значение сделанного Бором. Резерфорд верил, что хотя альфа-частицы и испускаются ядрами, бета-частицы суть просто электроны, каким-то образом выталкиваемые из радиоактивного атома. Хотя Бор целых пять раз пытался переубедить Резерфорда, тот по-прежнему сомневался в логической последовательности его выводов75. Чувствуя, что Резерфорд “немного раздражен” и им самим, и его идеями, Бор решил оставить все, как есть76. Однако другие этого не допустили.

Очень скоро Фредерик Содди нащупал тот же “закон смещения”, что и Бор, однако он мог, в отличие от молодого датчанина, публиковать свои работы без согласия руководителя. Никто не был удивлен, что именно Содди может прорвать линию фронта. Но уж никто не мог предположить, что эксцентричный сорокадвухлетний голландский юрист станет автором такой принципиально важной идеи. В июле 1911 года Антониус Иоханнес ван ден Брук опубликовал в журнале “Нейчур” небольшую статью. Он предположил, что заряд ядра элемента определяется не его атомным весом, а местом в периодической таблице, его атомным номером. Хотя ван ден Брук исходил из модели атома Резерфорда, его выводы основывались на оказавшихся неверными предположениях. Например, он считал, что заряд ядра элемента равен половине его атомного веса. Резерфорд был заметно раздражен тем, что юрист опубликовал “смеха ради кучу догадок безо всякого научного обоснования”77.

Не дождавшись поддержки, 27 ноября 1913 года ван ден Брук опубликовал в “Нейчур” еще одну статью, в которой отбросил предположение о равенстве заряда ядра половине его атомного веса. Теперь он основывался на опубликованных Гейгером и Марсденом результатах детального исследования рассеяния альфа-частиц. А еще неделей позже Содди написал в “Нейчур” письмо, в котором утверждалось, что идея ван ден Брука объясняет сущность закона смещения. Затем последовало одобрение Резерфорда: “Мне кажется многообещающим предположение ван ден Брука о том, что заряд на ядре равен его атомному номеру, а не половине атомного веса”. Когда были написаны эти лестные слова в поддержку ван ден Брука, прошло чуть более восемнадцати месяцев с тех пор, как Резерфорд сам посоветовал Бору перестать заниматься похожей задачей.

Бор никогда не жаловался, что из-за отсутствия у Резерфорда энтузиазма не он первый опубликовал трактовку роли атомного номера. За работы на эту тему в 1921 году Содди была присуждена Нобелевская премия по химии78. “Уверенность в правильности своих оценок, восхищение его неординарной личностью вдохновляли всех, работавших в его лаборатории, и заставляли приложить максимум усилий, чтобы быть достойным того неподдельного неослабевающего интереса, который он проявлял к работе каждого”, — позднее вспоминал Бор о Резерфорде79. Одним словом, Бор продолжал работать, стараясь заслужить одобрение Резерфорда — “самую высокую оценку, о которой каждый из нас мог только мечтать”80. Он был великодушен там, где у других осталось бы чувство разочарования и горечи.

После того как Резерфорд отговорил Бора от публикации, тот наткнулся на статью, которая привлекла его внимание81. Это была работа Чарльза Галтона Дарвина — единственного теоретика из группы Резерфорда и внука великого натуралиста. Дарвин вычислил потери энергии α-частицами при прохождении через вещество, а не при рассеянии на атомных ядрах. Используя свою модель атома, эту задачу уже решил Джозеф Джон Томсон. Теперь Дарвин пересмотрел его решение, исходя из модели атома Резерфорда.

Модель атома Резерфорда опиралась на данные Гейгера и Марсдена о рассеянии α-частиц на большие углы. Резерфорд, понимая, что электроны атома не могут быть ответственны за рассеяние на такие углы, не учитывал их вовсе. При выводе закона рассеяния α-частиц, определяющего долю этих частиц, отклонившихся на заданный угол, Резерфорд считал атомы голыми ядрами. Затем он просто помещал ядро в центр атома и окружал его электронами, не заботясь об их расположении. Дарвин принял аналогичный подход, но он рассматривал не влияние ядра атома на проходящие через вещество α-частицы, а сосредоточился на том, как на них воздействуют электроны атома. Он указывал, что при прохождении α-частиц через вещество потери энергии определяются в основном их столкновениями с электронами атома.

Дарвин не знал твердо, как расположены электроны внутри атома. Лучшее, что он смог придумать, это что они равномерно распределены по объему атома либо по его поверхности: результат зависел только от величины заряда ядра и радиуса атома. Дарвин обнаружил, что полученные им значения радиусов различных атомов не согласуются с принятыми оценками. Читая его статью, Бор сразу нашел то место, где Дарвин ошибся: он считал отрицательно заряженные электроны внутри атома свободными, тогда как они связаны с положительно заряженным ядром.

Бор отлично умел видеть и использовать недостатки имеющихся теорий. Это искусство исправно служило ему всю его долгую научную жизнь. Часто свою работу он начинал с определения ошибок и противоречий в чужих работах. В данном случае отправной точкой послужила ошибка Дарвина. Резерфорд рассматривал только ядро, а Дарвин — только электроны атома, но не их влияние друг на друга. Бор понял, что теория, позволяющая объяснить, как альфа-частицы взаимодействуют с электронами в атоме, должна строиться с учетом его истинной структуры82. Оставив переживания, связанные с Резерфордом, Бор взялся за исправление ошибки Дарвина.

В это время Бор, обычно писавший много писем, замолчал. “Не волнуйся, у меня все в порядке, — успокаивал он Харальда. — Несколько дней назад мне пришло в голову кое-что, связанное с объяснением поглощения альфа-лучей. Это произошло так: работающий здесь молодой математик Ч.Г. Дарвин, внук того самого Дарвина, только что опубликовал статью по этому поводу. Мне кажется, что там не только есть математическая ошибка (хотя и не очень существенная), но, главное, что-то не так с основополагающими предположениями. Я занимаюсь построением теории, которая, если даже окажется не совсем правильной, возможно, поможет пролить свет на вопросы, касающиеся структуры атомов. Я планирую вскоре опубликовать небольшую статью по этому поводу”83. То, что ходить в лабораторию не обязательно, “очень помогает в работе над этой задачкой”84.