Становлення теорії атома
І.А. Ізюмом, школа № 3, м. Аксай, Ростовська обл.
Є
річки, повноводні спочатку. Вони проливаються з великих озер, наче з
переповненій чаші, як Святий Лаврентій з Онтаріо, Ангара з Байкалу, Ніл з
Вікторії-Ньянци. Це річки без джерельного дитинства: їх верхів'я могутні, як інші
гирла. Пора колискової немочі їм не знайома.
Д. Данин
Історія перша
Залишаючи
у 1884 р. кавендішевскую професуру, Релей сам назвав свого наступника. Його
вибір схвалили та Кельвін, і Габріел Стокс, і порівняно молодий ще син
Чарльза Дарвіна - кембриджський професор математики і астрономії Джордж Говард
Дарвін. Були й противники. Один зарубіжний фізик, що проходив практику в
Кавендішевской лабораторії, негайно зібрав свої пожитки і відбув на батьківщину:
«Безглуздо працювати під керівництвом професора, який всього на два роки старший
тебе ». Інший похмуро висловився: «... критичні часи настають у
університеті, якщо професорами робляться просто хлопчики! »
«Просто
хлопчику »було двадцять вісім років. Через півстоліття в своїх «Спогадах і
міркуваннях »він зізнався, що обрання кавендішевскім професором стало для
нього приголомшливою несподіванкою: «Я відчував себе, як рибалка, який з
занадто легким спорядженням витягнув рибу дуже важку, щоб доставити її до
березі ».
У
Син
небагатого видавця, він ріс серед книжок і розвивався швидше однолітків.
Чотирнадцятирічним підлітком він поступив в Манчестерський університет.
Професурі прецедент здався небезпечним: «Скоро студентів будуть привозити до нас
в дитячих колясках ». І щоб вберегтися від такої катастрофи, вони підвищили
віковий ценз вступників.
Незвично
рано почалася і його життя в науці. До дев'ятнадцяти років він уже мав роботу,
опубліковану в «Працях Королівського товариства». Тим часом пора студентства
була для нього зовсім не безтурботним. Він рано втратив батька. І його постійної
Молодий вчений ліпив свою долю
власними руками.
Він
з'явився в лабораторії в 1880 р., незабаром після урочистого посвячення у
«Бакалаври з відзнакою». Для цього потрібно було здати грізно-знаменитий
кембриджський трайнос - багатоскладовий іспит. Молодий чоловік витримав його
блискуче.
Релей
звернув на нього увагу відразу. Новий дослідник був плідний і невтомний,
завжди сповнений ідей і дуже проникливий. Перша ж його робота удостоїлася
наукової премії імені астронома Адамса. З неї слідувала повна
неспроможність існувала тоді подання про атомах як вихори в ефірі.
Вчений ніби розчищав будівельний майданчик для власної майбутньої моделі
атома - моделі більш обгрунтованою, але поки ще досить туманною ...
Словом,
у Релея були вагомі підстави вірити у свій вибір. Серед кавендішевцев завжди
було багато гарних фізиків. Але з їх когорти Релеєвське пори ніхто, крім
нового керівника, не став згодом ученим світового масштабу. Про його
правлінні прекрасно Лодж сказав Олівер: «Наскільки менше знав би світ, якби
Кавендішевской лабораторії не було на світі, але наскільки зменшилася
б слава навіть цієї славетної лабораторії, якби сер Дж.Дж.Томсон не був
одним з її директорів! »
А
директорував він тридцять п'ять років беззмінно - до 1919 р. Він створював школу.
Він робив відкриття у фізиці і відкривав фізиків. Його одно приваблювали удачі
вченого і удачі вчителя. Йому мало було Англії - хотілося, щоб Кавендішевская
школа стала світовою. Обставини цьому сприяли. Тут діяла все
та ж «зворотний зв'язок між наукою та історією. У рибалки виявилася казкова
мережа, і він зумів доставити до берега безприкладний улов.
Історія друга
У
лабораторного столу мовчки працювала людина в домашній куртці. Довготерпіння в
сутулуватий нахилі спини. Вкрадливість умілих пальців. Десятки разів він
робив цю простеньку операцію і знав: вона не завжди вдається відразу.
Гнівається було рішуче не на що: хвилина, дві, і все буде в порядку.
Однак
інша людина - в солідному темному костюмі, зі звичною пильністю спостерігав
за роботою перший, був на цей раз іншої думки. Раптом він кинув на
підвіконня важку вересових трубку і рушив до столу. Підняв сильні долоні
важких рук і поніс їх перед собою. Владний голос його теж був важким, як
руки, і значним, як вся фігура. Перед цією фігурою, покорствуя,
розступалися простір:
--
Кроу, що ви там копаєтесь! Давайте сюди - я сам ...
Людина
в куртці розігнув спину і здивовано подивився на шефа. Мовчки поступився місцем у
лабораторного столу і мовчки попрямував до підвіконня - зібрати прокидаєшся з
трубки тютюн. Але той же владний голос вдарив його ззаду:
--
Чи не трусіть стіл!
--
Що?! - У подиві обернувся Кроу.
--
Чи не трусіть стіл!
--
Послухайте, сер ... - Розлютився було Кроу, але стримався: він раптом побачив
знамениті руки. Вони ... тремтіли. Уперше за вісімнадцять років асистент побачив,
що шеф чогось не може. А тим часом знову почулося грізно-безпорадне:
--
Чому ви трясе стіл?!
За
вісімнадцять років асистент так і не навчився розпізнавати напади поганого
настрої у шефа. Вони були завжди раптові, і їм не було розумного
пояснення. Цього разу Кроу просто побачив причину. І непомітно присунувся до
столу. І справді спробував похитнути ногою громіздке лабораторне
перегонах. Шеф скоса глянув на асистента ...
Потім
шумно стукнули двері, і довго затихали в коридорі важкі кроки. Кроу стояв біля
вікна, зважуючи на долоні забуту вересових трубку, дивився на старі
університетські каміння і чекав, коли з'явиться фігура розгніваного шефа. Вона
з'явилася, і, як завжди, перед нею розступалися простір. Але була в ній не
розгонистим разгневанность, а повільна пригнічений. Розгорнувши вікно, Кроу
перехилився через підвіконня:
--
Сер! Ви забули трубку!
Шеф
зупинився. Підняв голову і подивився здивовано. Жестом показав: «Кидайте!»
Цього Кроу не очікував. А жест повторився - вже нетерплячий і владний. І Кроу
кинув. Шеф піймав трубку на льоту, але не втримав у тремтячих долонях. Нагнувся
підняти. Торкнувся пальцями тротуару і розвеселився від думки, що треба б крикнути
кому-то: «Чому ви трясе Англію?!» розігнувся і кивнув на прощання Кроу.
Потім посміхнувся про себе і рушив далі по десятиліттями виходжених вуличці.
Так
йшов один з двадцяти чотирьох живуть лицарів ордена «За заслуги» - лорд без
аристократичної родоводу, барон без родових помість, другий з семи
синів невідомого новозеландського фермера і невідомої новозеландської
вчительки, один з найбільших творців фізики двадцятого століття - людина,
проникнув у атом і вперше побачив його будову, що відкрив атомне ядро і
вперше його розщепили, сучасник Альберта Ейнштейна, чи не рівний йому
за величчю і заслуг перед іншими людьми.
Під
весняним небом повільно йшов, віддаляючись, лорд Резерфорд оф Нельсон - залишає
життя веселий і серйозна людина з неправдоподібно далеких берегів протоки
Кука ...
В
1895 р. в Кембриджі була офіційно заснована своєрідна докторантура.
Початківець дослідник міг приїхати звідки завгодно. Томсонівське мрія про
світової школі фізиків ставала реальністю. І дуже скоро в триповерховому
будинку на тихій Фрі-Скул-лейн залунали молоді голоси, які говорили по-англійськи
із самими несподіваними акцентами. Першим почувся новозеландський. Першим
докторантом, що переступили поріг Кавендіша в жовтні 1895 р., був Ернест
Резерфорд.
Історія третя
Рано
вересневим ранком 1911 молода людина, заглиблений у свої думки, раптом
застиг себе без праці стоять біля якоїсь крамнички. Очі його ковзали по
написи на вхідних дверях. В адресі торговельної фірми написано було «Кембридж», і
раптово до його свідомості дійшло, що він справді перебуває «у тому самому
Кембриджі »! Весь день - а це зовсім не був день його приїзду - він блукав
старому місту і ввечері в недорогому пансіоні місіс Джордж, де йому вдалося
влаштуватися, захоплено написав нареченій про своєму ранковому відкритті. ... Він сам
вибрав Кавендішевскую лабораторію. З якими надіями готувався він до
майбутню поїздку! На це пішло все літо після захисту дисертації. Усвідомлюючи
цінність своєї роботи по електронній теорії, він був упевнений, що в Томсонівське
Кембриджі її опублікують.
Томсон
представлявся йому великою людиною. Молодий дослідник прочитав, як
стверджував згодом, всі його роботи. І найвище цінував те, що послідували
за відкриттям електрона. Особливо присвячені моделі атома. Старовинний Кембридж
володів би для нього лише музейної привабливістю, якби його не чекали на
вуличці Фрі-Скул-лейн години живого спілкування з Джозефом Джоном Томсоном. Так чи міг
він не відправитися на цю вуличку одразу по приїзду? І з відкритою душею ...
... У
хвилини першого ж їх зустрічі він поклав перед Томсоном замість своєї дисертації
Томсонівське статтю із зазначеними у тексті Томсонівське помилками і радісно
вказав на них метру: «Чи не правда, сер Джозеф, як важливо, що помилки
виявлені! »Через десять з гаком років Петро Леонідович Капіца почув у
Кавендіш іншу історію. Молодий Нільс Бор, нетвердою в англійському, просто
сказав: «Сер Джозеф, ось тут ви написали дурість!»
Може
Можливо, цим пояснюється все, що сталося потім?
А
поки ... Поки привітно-балакучий Дж. Дж. підкорив двадцятишестирічного Бора
так само легко, як свого часу Двадцятичотирилітній Резерфорда.
«Томсон
захопив мене ... »-це Резерфорд в 1895-м - нареченій Мері Ньютон.
«Я
побачив дійсно великої людини ... »- це Бор у 1911-му - нареченій
Маргарет Норлунд.
А
через день-два, коли його дисертація занурилася нарешті в застарілу
плутанину паперів і книг на Томсонівське столі, пішло захоплений лист братові:
«... Я тільки що розмовляв з Дж.Дж.Томсоном ... Він був дуже милий зі мною ... і
запросив мене пообідати в неділю в Трініті-коледжі. Там він збирається
повести розмову про мою рукописи ...»
Вони
пообідали. Але Томсон розмови не повів. І через тиждень теж. І через два
тижня теж. І через місяць. В душі Бора з'явилося відчуття марно проходить
часу. Зазирнувши до кабінету Томсона, він, зазвичай неуважний до дрібниць, з
пильністю, загостреної очікуванням, одразу визначив, що його рукопис лежить на
колишньому місці в оточенні все тих же паперів ... Оптимізм треба було знайти нову
опору - колишня початку вислизати. Ось тоді-то Бор побачив Ернеста Резерфорда.
Резерфорд
приїхав з Манчестера, де після Монреаля з 1907 р. очолював кафедру в
університеті Вікторії. Він говорив багато, і про нього говорили багато. Японська
теоретик Нагаока писав: «Мені представляється генієм той, хто може працювати з
настільки примітивним обладнанням і збирати настільки багату жнива ». Японець в
початку 1911 р. відвідав Манчестер і бачив ту саму установку, з якої «все, в
суті, і почалося ». Відкрилося: при бомбардуванні листка золотої фольги НЕ
всі альфа-частинки пронизують її наскрізь - інші відкидаються назад! Навіть
Резерфорд потім казав: «... То було майже настільки ж неправдоподібно, як якщо
б ви зробили постріл по уривка цигаркового паперу пятнадцатідюймовим
снарядом, а він повернувся б назад і влучив у вас ».
Резерфорд
прийшов до висновку: в глибинах атома є масивна заряджена серцевина. Але
з-за її малість тільки рідкі частинки прицільно потрапляють в неї, щоб
відбитися тому. Існування атомного ядра було незаперечною. Але лише наприкінці
1910 Резерфорд своїм «величезним» голосом оголосив у манчестерської
лабораторії: «Тепер я знаю, як виглядає атом!»
Виглядав
атом, як сонячна мікросистема: з позитивним ядром в центрі і
негативними електронами на орбітах планетних далеко від ядра. За класичними
законами, такий пристрій було неможливо: обертання змушувало б електрони, в
згоді з законами Максвелла, безупинно випромінювати енергію, а втрата енергії, в
згоді з законами Ньютона, призводила б до їх неминучого падіння на ядро.
Резерфорд побачив приречений атом. І попередив теоретиків: «Питання про
стійкості пропонованого атома на цій стадії не слід піддавати
розгляду ... »З'явився теоретично протизаконний, але експериментально
обгрунтований планетарний атом.
Можливість
заговорити про багату жнив випала всім. Однак цією можливістю ніхто
з теоретиків не скористався. І навіть на тому кавендішевском обіді, в жовтні,
слова атомне ядро і планетарний атом не чинили дружніх речей. ... Спочатку
чинно сиділи за столами. Пили традиційний портвейн і слухали завидні
спогади ветеранів. Потім, змінивши англійську стриманість на англійську
невимушеність, стали на стільці, схрестили по-дитячому руки і заспівали жартівливі
лабораторні пісеньки. І Томсон стояв на стільці. І Резерфорд стояв на стільці. І
Бор стояв на стільці. Він не співав разом з усіма, за незнанням слів і мелодій,
зате посміхався ніяково і щасливо. Його оптимізм раптом знайшов нову опору.
Бор
пильно дивився на Резерфорда. Але не тому, що встиг полонили його
новими ідеями. Та й ще був захоплений Томсонівське моделлю. Здається, Дж.Дж. сам
придумав для неї смачне порівняння: атом схожий на кекс - негативно
заряджені електрони-родзинки вкраплені в позитивно заряджену тісто. Воно
заповнює всі атомне простір. Однак з цим «позитивно
наелектризованим простором »нічого доброго не виходило. Ось і останні
досліди резерфордовцев: від рихлого атома з масою, розмазати по всьому об'єму,
альфа-частинки не могли б відображатися тому ...
Кавендішевец
Релей-молодший запевняв, що Томсону і самому не дуже подобалася його модель. Але
чужі ідеї вже не порушували в ньому інтересу, а критика вже не розбурхувала
уваги. Тепер, через двадцять сім років після початку свого кавендішевского
«Батьківства», він таємно видав собі охоронну грамоту на випадок будь-яких скарг
«Дітей»: «... Молодим людям не варто було б висловлювати всяку всячину. Я знаю про
даному предметі набагато більше, ніж вони, і я вже обдумав все ...»
Це
слова не самого Дж.Дж. Так у 1962 р., розповідаючи історикам про далеке минуле,
сформулював за Томсона його психологічну позицію старий Нільс Бор. А
молодий Бор в години кавендішевского обіду всього цього ще не розумів. За його
визнанням, на нього справила тоді глибоке враження сама особистість
Резерфорда. І почуття вже підказувало йому, що він буде шукати нової зустрічі з
цією людиною.
Їх
НЕ познайомили під час обіду ... Сталося це в затишній домашній обстановці в
Манчестері, в сім'ї професора фізіології Лоуренса Сміта, у ситуації,
зрівнює співрозмовників. Так, при мінімальному сприяння випадку в кінці
Листопад 1911 звела їх життя. Звела для того, щоб дві катастрофи --
планковской квант і резерфордовскій атом - злилися в єдиний вибух розуміння,
щоб фізикам стало зрозуміло дещо важливе про реальні причини речей.
Залишалося
попрощатися з Кембриджем. Чутка про від'їзд Бора порушив здивування в
кавендішевцев. Як і Томсон, вони його «прогавили»: відправляючись на вокзал в
самоті, Бор не залишав на берегах КЕМА нікого, хто встиг би стати для нього
справжнім другом. Через чверть століття, в 1936 р., вісімдесятирічний Дж.Дж.
опублікував свої розлогі «Спогади і роздуми». У книзі був параграф
«Нільс Бор». Десять рядків стримано-безособового визнання заслуг Бора в
побудові теорії атома ...
Може
бути, Томсон все забув? Або відчув, що цих спогадів краще не
віддаватися?
18
Березень 1912 Резерфорд написав з Манчестера старому другові: «Бор, датчанин,
залишив Кембрідж і з'явився тут ...»
Після
того як на самому зламі XIX-ХХ ст. - В 1900 р. - пятідесятітрехлетній
професор з Берліна Макс Планк вперше вимовив слово квант, у фізику увійшло
дивне уявлення про своєрідні атомах електромагнітної енергії. Світло
став подібний решті матерії. Дробність будови замість безперервності. У
рамках класичної фізики осмислити ці новини не вдавалося. І не можна було
плекати надію, що в класичному світі знайдеться законне місце для нової
універсальної постійною, відкритої Планком. Багато фізики тоді ще вважали,
що вона не більше ніж вигадана величина, яка народилася у теоретичних снах.
Планк недарма назвав нову константу «таємничим послом з реального світу».
Який
ж він, цей реальний світ? Як влаштовані надра матерії, звідки з'явився цей
таємничий посол? Всі задавали один одному питання - ч?? стние і загальні. І чим
змістовної було питання, тим менш задовільний відповідь. А поки що ... Поки
справи складалися відмінно. Знайшовши розуміння і співчуття, Бор знайшов себе. 12
Червень пішло знаменна лист до брата Харальду: «Я почав розробляти
маленьку теорію, яка ... можливо, проллє певне світло на ряд проблем,
пов'язаних із структурою атомів ...»
«Маленька
теорія »міцно прив'язала його до столу. Діб раптом перестало вистачати для
роботи. Він став добровільним самітником. Через багато років, згадуючи
Резерфорда, Бор написав: «У ранню пору мого перебування в Манчестері ... я
прийшов до переконання, що будова електронного рою в резерфордовском атомі
управляється квантом дії (постійної Планка ...)»
Однак
далеко не раторних виявився шлях від вірно вгаданих принципу до життєздатної
теорії. Бор казав, Резерфорд мовчав. Він не хотів вникати в математичні
подробиці, а фізичними не був задоволений. Але Бор не почув: «Ідіть-ка
додому, мій хлопчик ». Крім антірезерфордовского ради «не поспішати», Бор
почув цілком резерфордовское напуття: кинути метушню зі складними атомними
системами, а віддатися найпростішої - водневого атому ... Прощалися вони недовго,
і виглядало це так, наче Бор нікуди не виїжджав, а тільки залишав на чверть
години аудиторію, оскільки пролунав дзвінок на зміну ...
Повернення
з Англії восени 1912 р. стало для Бора пам'ятним кордоном. Тепер у нього
з'явилася посаду в Копенгагенському університеті: асистент професора
Кнудсена. Але професор відчував з першого дня: його асистент та присутня, в
дійсності відсутній. І через деякий час він погодився - по
прохання Бора - надати його самому собі ... Між 3 і 5 лютого 1913 р. у
історію фізики на хвилину заглянув товариш Бора по студентських занять - Ханс
Маріус Хансен. Бор казав, що Хансен опинився тоді у Копенгагені
«Єдиним фізиком, якому цікаві були ці речі». І серце його нового
слухача-спектроскопіста здригнулося від надії ...
--
А спектри? - Раптом запитав Хансен. - Як твоя теорія пояснює спектральні
формули?
--
Спектральні формули?!
--
Тобі необхідно подивитися ці формули. Ти побачиш, з якою чудовою
простотою вони описують спектри!
--
Я подивлюся ...
Вони
попрощалися ...
Шкільному
вчителю, швейцарцю Іоганну Якобу Бальмером було шістдесят років, коли в 1885 р.
він опублікував свою формулу - плід великого довготерпіння. Він не знав про
пристрої атома нічого і мав у своєму розпорядженні лише таблицею даних про довжинах світлових
хвиль у спектрі водню. Але, побачивши цю формулу, Бор вже не міг від неї
відірватися. А Леон Розенфельд засвідчив: «Він говорив мені не раз:" Як
тільки я побачив формулу Бальмером, всі негайно прояснилося переді мною "».
Що
ж побачив Бор? Сходи дозволених Природою рівнів енергії в атомі. Рухатися
по таких сходах можна було лише зі сходинки на сходинку. Затриматися меж
сходинок Природа не дозволяла. Крім електрона нікому бути її будівельником. І
крім його планетних орбіт нічому служити її сходинками. Сходи дозволених
рівнів енергії побачилася як павутина дозволених електронних орбіт. Чим далі
від ядра пролягає орбіта - тим вище енергія атома. Чим ближче до ядра, тим нижче
енергетична сходинка. На кожній з них, до моменту випускання кванта
електрон всупереч класиці нічого не випромінює. А в момент випускання він
звалюється вниз, і його підхоплює інша, більш близька до ядра орбіта. І він
тепер починає обертатися на ній, знову не випромінюючи. А квант покидає атом у
процесі самого перескока електрона. І лише від глибини падіння з орбіти на
орбіту залежить величина відлітає кванта - його частота. Або колір спектральної
лінії. Серед орбіт електрона є першою. Нижче - ядро. З цією нижній орбіти
електрону нікуди падати. І він може обертатися на ній безстроково. Її радіус і
ставив стандартний розмір атома.
... Він
з'явився в добре знайомий будинок на Уілмслоу-роуд прямо з вокзалу. Резерфорд були
в той будній вечір не одні. У них зупинився давній друг з Монреаля --
професор Ів. Назва Бора нічого не сказало Ів. І тому йому особливо запам'яталася
поспішність, з якою господар негайно відвів молодого гостя до себе в кабінет ... Всі
подальше відбувалося без свідків. Час минав вечір за вечором. Але навряд
Чи це мучило обох. Їм солодко було обтяжувати свої голови роздумами про
реальної природі речей. І обидва назавжди запам'ятали ті вечори, ті березневі
вечора, до яких у них було достатньо підстав не шкодувати часу.
... Між
тим скінчився березня, почався квітень. Вітер над Північним морем з усіх сил
розповідав про весну. І в абсолютно весняному настрої повертався додому доктор
філософії Копенгагенського університету Нільс Бор. Позначена датою 5 квітня
1913 р. і забезпечена благословенням члена Королівського товариства Резерфорда,
перша його стаття про квантову конституції атома вже тримала шлях до редакції «Philosophical Magazine». Чи знав він, що
ця стаття стане початком нової епохи в теоретичному пізнанні мікросвіту?
Напевно!
«краєчком
істини »назвав Ейнштейн те, що йому відкрилося в Природі. «Шматочком реальності»
Бор назвав те, що Природа відкрила йому.
Література
1.
Д. Данин. Нільс Бор// Серія ЖЗЛ. - М.: Молода гвардія, 1978.
2.
Д. Данин. Резерфорд// Серія ЖЗЛ. - М.: Молода гвардія, 1966.
3.
Д. Данин. Резерфорд і Бор. - Природа, 1966, № 4, 5.
4.
Лоуренс У. Люди й атоми. - М.: Атомиздат, 1966.
5.
Капіца П. Мої спогади про Резерфорд. - Новий світ, 1966, № 8.
