Новый золотой листок, тонкий, вибри­рующий, не хотел прилаживаться к стерженьку старого элек-|| троскопа

Вид материала

Документы

Содержание 312 Конечно, это было смешно придумано. Неважно, что

Подобный материал:

• Старая сказка о Золотой рыбке на новый лад, 47.62kb.
• Лек­ция №2 элек­Т­ричес­кие сиг­НА­лы ин­ТЕ­граль­ных ми­К­РО­схем, 64.56kb.
• Этот старый Новый год!, 113.66kb.
• На маршруте «От Николая до Иордана» новогодний тур для детей и взрослых восточный экспресс, 106.11kb.
• * Законный представитель, 30.63kb.
• Изо­бре­те­ние элек­три­че­ской свар­ки, 31.46kb.
• Московский новый юридический институт мировая экономика контрольные вопросы по курсу, 55.8kb.
• Листок нетрудоспособности. Заполняем новый бланк проверка заполнения больничного листка, 216.67kb.
• Новый год в индии: золотой треугольник + гоа, 215.15kb.
• Сказки "золотой клетки", 811.87kb.

306

сток или алюминиевую фольгу, чуть расширялся — рассеи­вался. Эффект казался пустячным: фотопластинки зарегистри­ровали отклонения примерно на 2 градуса — не больше. Мо­жет быть, и даже наверное, доля частиц отклонялась и на большие углы от оси луча, но доля эта была так невелика, что вызванное ею почернение пластинки обнаружить не удавалось. Однако и малого рассеяния для Резерфорда было достаточно, чтобы тотчас почуять за этим ничтожным физическим собы­тием нечто чрезвычайно важное.

Толщина слюдяного листка была всего 0,003 сантиметра. Три тысячных сантиметра... И на таком малом пути электриче­ские силы внутри вещества успевали заметно отклонить летя­щие с громадными скоростями довольно массивные частицы! Он тогда же сделал небольшой расчет и убедился: для того, чтобы сместить линию полета альфа-частицы даже всего на 2 градуса, требуется силовое поле с разностью потенциалов. примерно в 100000 вольт на сантиметр. И в июне 1906 года в статье для «Philosophical magazine» он написал:

Такой результат ясно показывает, что атомы веще­ства должны быть средоточием очень интенсивных элек­трических полей; этот вывод гармонирует с электриче­ской теорией материи.

Вот какую важную информацию принесло первое же коли­чественное исследование рассеяния альфа-частиц. Так резонно ли предполагать, будто годом позже, в Манчестере, он потому поставил эту проблему на седьмое место, что не догадывался об ее первостепенном значении?

Едва ли Фезер прав, что Резерфорд записывал темы в совершенно случайном порядке. Отчего одно всплывает в па­мяти раньше другого? Тут сказываются какие-то неявные по­велевающие стимулы... В тот день и в тот час Резерфорд был прежде всего шефом лаборатории — распорядителем ра­бот. И, составляя перечень возможных исследований, он ду­мал не столько об их относительной важности, сколько о сво­их мальчиках, еще мало ему знакомых, но уже доверившихся его власти. Он примерял проблемы к их прежним интересам и лабораторным репутациям. «Что увлечет Ретцеля из Лейп­цига? Пожалуй, вот это... А что будет перспективней всего для японца Киношиты? Пожалуй, эманация актиния... А для Брил-ля, когда он переберется сюда от Рамзая?.. А для Маковера?.. А для Ройдса?..» Словом, он составлял свой перечень про­блем, менее всего размышляя о будущей истории физики. И по­тому «Рассеяние» попало на седьмое место. И потому совсем не случайно другая первостепенная тема, в тот момент наи-

важнейшая для него,— «Число альфа-частиц, испускаемых ра­дием»,— очутилась лишь в самом конце списка — под пунк­том 21.

Он оставлял ее за собой — оттого она и очутилась в конце. А кого он возьмет себе в помощники? Естественно было предложить эту роль ассистенту прежнего шефа. Такое реше­ние было и достаточно надежным — ассистентом у Шустера не мог быть слабый физик и дурной человек.

Итак, всего лишь продолжался его альфа-роман.

27 января 1908 года Резерфорд написал Отто Хану длин­ное деловое письмо. Там были строки:

Я забыл, рассказывал ли вам, что мы научились детектировать единичную альфа-частицу электрическим методом...

Я работаю с д-ром Гейгером — одним из Ваших сооте­чественников... Он превосходный экспериментатор, и это большая подмога для меня... Вы-то сумеете по достоин­ству оценить важность счета альфа-частиц.

Сомнительно звучит начало этого дружеского сообщения — «я забыл...»! Вообразите письмо Наполеона: «Я забыл, рас­сказывал ли вам, что выиграл битву при Риволи...» Это отдает наигранной небрежностью победителя, для которого очеред­ная победа — зауряднейшее происшествие. Но верно и дру­гое: в обширной своей переписке Резерфорд привык так щед­ро оповещать коллег об Осенивших его замыслах и лаборатор­ных свершениях, что мог и вправду забыть, кому о чем успел уже рассказать.

В те же дни он известил о первом своем манчестерском успехе и профессора Ива, оставшегося в Монреале его преем­ником. Между тем в Физикс-билдинге еще хорошо помнили, как негодовал их недавний шеф на безуспешность всех своих тамошних попыток засечь отдельную альфа-частицу именно электрическим методом. Помнили, как он придумал остроум­ную уловку, чтобы пропускать частицы в ионизационную ка­меру не толпой, а гуськом — поодиночке: повесил на пути альфа-потока качающийся маятник с крошечным отверстием посредине. Удачливая частица, успевшая проскочить сквозь это отверстие, должна была вызывать ионизацию газа в ка­мере. Скачок стрелки электрометра показывал бы, что части­ца сделала свое дело. Может быть, затея с маятником была

308

и удачна, но убедиться в этом он не смог: ионизационный эф­фект от одной частицы оказался в обычной камере столь ни­чтожным, что зарегистрировать его не удалось... Теперь, по­лучив письмо из Манчестера, Ив ломал голову, пытаясь догадаться, какое же решение сумел найти Резерфорд вме­сте с никому еще не ведомым д-ром Гейгером. Зная Резер-форда, он был только уверен, что найдено нечто совсем простое.

А Отто Хану не нужно было мучиться догадками. Возмож­но, оттого, что был он химиком, Резерфорд постарался в двух словах объяснить ему физическую суть найденного метода:

Метод состоит в том, чтобы через маленькое отвер­стие, закрытое тонкой слюдой, выстреливать альфа-ча­стицей в цилиндр длиною около 60 сантиметров, в ко­тором воздух находится при давлении примерно • в 30 сантиметров. Там по центру протянута тонкая про­волока и приложено напряжение приблизительно в 1000 вольт, готовое вот-вот вызвать разряд. При та­ких условиях ионизация, производимая в газе одной аль­фа-частицей, возрастает благодаря столкновениям ионов в 2000 раз.

Ив не обманулся. Придуманное отличалось обычной ре-зерфордовской простотой.

Когда-то, в дни докторантуры у Томсона, Таунсенд открыл, что ионы, порожденные в газе внешним облучением, сами мо­гут, в свой черед, ионизировать встречные молекулы. Надо только снабдить их достаточной энергией и помешать все но­вым и новым ионам вновь воссоединяться, нейтрализуя друг друга. Тогда ионизация пойдет нарастать лавиной. В принципе для этого довольно создать в ионизационной камере сильное электрическое поле. В этом и состоял замысел Резерфорда — Гейгера. Для этого-то они и протянули по оси бронзового ци­линдра тонкую проволоку. Они присоединили ее к одному по­люсу батареи, а поверхность цилиндра — к другому. Внутри камеры появилось нужное поле.

-Слабенький процесс ионизации, спровоцированный всего лишь одной альфа-частицей, ворвавшейся извне, мог теперь стремительно развиваться. Происходил почти мгновенный раз­ряд. Так один камешек, свалившийся на неустойчивую осыпь, вызывает обвал.

Вместо маятника с дыркой Резерфорд и Гейгер придумали более верный способ пропускать альфа-частицы в камеру по одиночке. Крупицу радия-С — хороший источник альфа-лу­чей- — они поместили в дальнем конце узенькой стеклянной

трубки длиною в четыре с половиной метра. Элементарное

л

309

соображение: лишь малая доля частиц, разлетавшихся от ис­точника во все стороны» могла попасть в этот канал и благо­получно долететь до другого его конца — до слюдяного око­шечка в стенке бронзового цилиндра. Ясно, что из трубки был откачан воздух, иначе ни одна альфа-частица вообще не доле­тела бы до камеры: всю свою энергию она растрачивала бы по дороге на столкновения с молекулами.

Эта странная, распластанная в длину, опутанная провода­ми, обросшая насосами, батареями, измерительными прибора­ми, вздыхающая и потрескивающая экспериментальная уста­новка показалась бы совершенно непонятной в эпоху доатомной физики. А сегодня она рисуется нашему воображению уже как паровозик Стефецсона, как бипланчик братьев Райт...

Через слюдяное окошко в камеру проникали три-четыре альфа-частицы в минуту. Иногда их бывало только две, иног­да — пять. Но в том-то и заключался успех, что можно было безошибочно сказать, сколько их посетило бронзовый цилиндр! Появление каждой сопровождалось коротким всплеском элект­рического тока, и стрелка электрометра совершала скачок в среднем на десять делений шкалы. Незримое микроявление усиливалось до легко наблюдаемого макрособытия.

Та цилиндрическая ионизационная камера с проволочкой-приманкой была первой моделью ныне столь популярного счет­чика Гейгера — несложного лабораторного инструмента, ставше­го в наш ядерный век одной из тревожащих «примет времени» вместе с тяжелой водой и стронцием-90. Резерфорд и Гейгер смотрели тогда в атомное грядущее беспечально. И в заключи­тельных строках своей совместной работы, опубликованной ле­том 1908 года «Трудами Королевского общества», без всякого исторического глубокомыслия предсказали большое будущее электрическому методу регистрации радиоактивных излучений. Они отметили, между прочим, что этим методом «можно бу­дет детектировать и единичные бета-частицы». Других излуче­ний, несущих заряд, тогда еще не знали.

И других применений для научных приборов не предви­дели...

Когда Резерфорд написал Отто Хану, что тот сумеет по достоинству оценить важность счета альфа-частиц, он, разу­меется, вовсе не льстил своему младшему другу. Да и согласи­тесь, трудновато вообразить себе льстящего Резерфорда! Ко­нечно, Отто Хан сразу понял, что теперь в Манчестере будет,

310

наконец, достоверно установлена природа альфа-лучей. И преж­де всего — величина электрического заряда этих телец.

Со времени памятных дождей в Северном Уэльсе Резер­форд не сомневался в тогдашней своей догадке, что альфа-лу­чи — поток ионизированных атомов гелия. Но даже самая жаркая убежденность исследователя еще не служит доказа­тельством его правоты.

Да, отношение заряда к массе у альфа-частиц позволя­ло утверждать, что это тяжелые атомные тельца. Помни­те, измерения дали для альфа-частиц примерно 5000, а для водородных ионов — примерно 10 000. Иначе говоря,

е если для ионов водорода Н+ это —', то для альфа-частиц

m е

получалось —. Но ионы гелия не в два, а в четыре раза 2т

. массивней водородных: их масса в водородных единицах равна 4 т. Для того чтобы гелиевая гипотеза не рухнула сразу, оставалось предположить удвоенную щедрость природы: снабдив альфа-частицы массой не в 2 т, а в 4 т, она придала им и удвоенный заряд — не 1е, а 2е. Тогда отношение заряда к массе сохранялось как раз таким, ка­кое показали измерения. Так получалось, что если альфа-частицы действительно атомы гелия, то наверняка дважды ионизированные атомы. Короче — ионы Не++. Вот эту малость и требовалось доказать, дабы жаркая убежден­ность стала еще и достоверным знанием.

Почти пять лет Резерфорду приходилось довольствоваться

косвенными соображениями в пользу гелиевой гипотезы. А те­перь заряд альфа-частицы можно было определить чуть ли не прямым измерением! Надо было экспериментально получить два числа: суммарное количество электричества, переносимое всем альфа-излучением крупинки радия за определенное вре­мя, и количество частиц, испускаемых такой же крупинкой за тот же срок. А потом разделить первое число на второе... За­дача необременительная.

Но и вправду необременительной была лишь эта послед­няя процедура — арифметическая. Хан, наверное, ожидал, что уже в следующем письме Резерфорд сообщит ему найден­ную в Манчестере величину заряда альфа-частицы. Однако время шло, а до арифметической процедуры дело все не до­ходило. Тремя десятилетиями позже уже стареющий профессор Берлинского университета Ганс Гейгер, вспоминая о той пер­вой работе с Резерфордом, написал: «Было много затруднений, которых сегодня даже нельзя понять». Столкнулись тонкость экспериментальной программы и примитивность лабораторных средств. В своей статье о счете альфа-частиц они вынуждены были дать тогда целую главу — «Экспериментальные трудно-

сти». Не для того, чтобы снискать аплодисменты коллег, а для того, чтобы предупредить о возникающих сложностях всех, кто захочет повторить их измерения.

Гейгер говорил, что замысел той работы принадлежал Ре-зерфорду. А Резерфорд утверждал, что без Гейгера он ничего бы не сделал. Оба говорили правду.

Очень хочется снова сказать, как повезло Резерфорду! В несчетный раз. Надо же было, чтобы в университете Викто­рии ему тотчас встретился такой великолепный помощник и соавтор. Но на примере Гейгера зарождается подозрение: а не делал ли сам Резерфорд столь великолепными своих помощ­ников и соавторов?

Актеру нужна достойная роль, чтобы раскрылся его та­лант. И режиссерская воля, чтобы выявился максимум его воз­можностей. Если так, то не вернее ли, что в Манчестере по­везло Гансу Гейгеру?! Он нашел для себя эпохального драма­турга и эпохального режиссера. (Как всегда в таких случаях, пьеса варьировала миф о Пигмалионе.)

Он появился в Манчестере на год раньше Резерфорда. Двадцатипятилетний доктор философии из Эрлангена стал ассистентом у Артура Шустера. И никаких громких дел за ми- нувший год не совершил. Вел вполне солидные и тихие лабо­раторные работы. И сам был не по возрасту вполне солиден и тих. Видимо, ему недоставало английского чувства юмора или чувства английского юмора: он единственный из манче­стерских «мальчиков Резерфорда» не позволял себе даже за-глазно называть шефа общепринятым «Папа»,

...Юмористический повод послужил катализатором для воз­никновения этого прозвища, хоть и фамильярного, но искрен­нейше-почтительного. Физики не пропускали новых программ в старом манчестерском мюзик-холле. И очень смеялись, ког­да популярные актеры Формби и Тэйт однажды показали скетч на модную тему — «Езда на автомобиле». Там, в веселой перепалке автомобилистов, отца и сына, промелькнула шутка, названная Андраде «научной».

— Я знаю, почему твои колеса не желают вертеться, папа...

— Ну, почему, мой мальчик, почему?

— Да потому что им полагается иметь два-пи-эр, а у тво­их — четыре-пи-эр... .

312

Конечно, это было смешно придумано. Неважно, что мно­гим зрителям, забывшим школьные премудрости геометрии, приходилось спрашивать у соседей: «А что тут смешного?» Физикам не приходилось... Они стали называть Резерфорда Папой: все в нем самом и все, связанное с ним, было сверх­обычным, словно и впрямь посягающим даже на законы мате­матики и требующим для полноты своего описания не два-пи-эр, а четыре... А колеса его при этом вертелись — да еще как!

Однако Гансу Гейгеру чудился в этом прозвище, по свиде­тельству Гарольда Робинзона, недостаток уважительности. («Ес­ли он так думал, то ошибался»,— излишне пояснил Робинзон.) Вместо «Папа» Гейгер придумал для шефа свое прозвище — «Проф». И можно поручиться, что он еще внутренне содрогал­ся от собственной отваги: для его немецкой дисциплинированно­сти это было подвигом — уступить вольному духу резерфор-довского клана половину должной почтительности к шефу! Но с немецкой точностью уступил он ровно половину.

Был он величайшим аккуратистом. И редким знатоком ла­бораторного инструментария. И воплощенным долготерпением. И сверх того — прекрасно образованным физиком. И конечно, этих добродетелей вполне достало бы, чтобы попасть когда-ни­будь в рай. Но бури в науке поднимают грешники, повинные в непослушании...

Резерфорд превратил Гейгера в грешника. Он соблазнил его ролью, какую тот едва ли рискнул бы взять на себя сам. И потому, вспоминая через тридцать лет, как начиналось от­крытие структуры атома, Ганс Гейгер написал в своих мемо­риальных заметках о Резерфорде.

Никто из нас, молодых людей, работавших в лабора­тории, не знавал его прежде, но теперь, когда он по­явился здесь, мы достаточно быстро почувствовали, что идем навстречу великим временам.

Признание, которому можно, безусловно, поверить, ибо Гейгер был из тех, кто не умеет восторженно преувеличивать.

Но что он, собственно,'хотел сказать? Неужели и вправду, занимаясь всего лишь успешным счетом альфа-частиц, можно было уже почувствовать, что наступают великие времена, то есть эпоха расшифровки атомной структуры?

Ганс Гейгер думал о другом — об окрыляющей атмосфере подъема, какая воцарилась в лаборатории с приходом нового шефа. Нечаянно он объяснил секрет возвышающего влияния Резерфорда. Отчего так популярен рассказ о французе, по­велевшем слуге будить его каждое утро словами: «Вставайте, граф, вам предстоят великие дела!»? Впечатляет энергия опти-

я

313

мизма. И откровенность веры в свою предназначенность. Поко­ряет стремление поддерживать эту веру негаснущей.

Резерфорд был ежеутренним слугой оптимизма у себя и сво­их мальчиков.

Гансу Гейгеру следовало добавить фразу: «И мы, молодые люди, быстро почувствовали, что становимся иными, чем бы­ли прежде».

Итак, решалась проблема № 21. До самой весны 1908 го­да Резерфорд и Гейгер боролись с экспериментальными труд­ностями, «которых сегодня нельзя даже понять». Зато, когда летом дело дошло, наконец, до арифметических процедур, они смогли уверенно заявить: величина заряда альфа-частицы рав­на 9,3-10—¹⁰ электростатических единиц.

9,3... — это было интересное число. Ожидавшееся и неожи­данное. Ожидавшееся — потому что оно подтверждало гелие­вую гипотезу: да, альфа-частицы — это ионы с удвоенным водородным зарядом — 2е. И неожиданное — потому что оно заставляло признать слишком малыми все предшествовавшие оценки самой величины «е».

Таких оценок существовало уже довольно много, ибо речь шла о значении фундаментальной физической константы на­шего мира — о величине элементарного электрического заря­да! Как скорость света «с» или постоянную Планка «h», ее нужно было знать со всею доступной точностью. (Надо ли на­поминать, что «е» у иона водорода по абсолютному значению то же, что у электрона, но только у водородного иона «+е», а у электрона «—е».) С того самого времени, когда электрон был достоверно открыт в Кавендишевской лаборатории, раз­ные исследователи на разные лады многократно измеряли эту величину. Все получали для «е» десятимиллиардные доли электростатической единицы заряда (Ю-¹⁰), однако число та­ких долей у всех было разным:

у Таунсенда — 3,0-Ю-¹⁰ (1898 и 1904);

у Дж. Дж. Томсона — 3,4... (1903);

у Г. Вильсона — 3,1... (1903);

у Р. Милликена — 4,06... (февраль 1908);

у Б. Болтвуда — 4,1... (июль 1908).

Ни одно из этих чисел не могло обрадовать Резерфорда и Гейгера. Сравнивая с ними свое 9,3 для альфа-частицы, что они должны были подумать?

314

Неужели правы были Таунсенд, Томсон, Вильсон и «е» равно примерно 3,0.10—¹⁰? Тогда число 9,3 показывает, что альфа-частица несет не два, а три элементарных за­ряда. Но если у альфа-частицы утроенный водородный заряд (Зе), то она обладает ушестеренной водородной массой (6т). Этого требует надежно установленное отно­шение заряда к массе для альфа-частицы. И стало быть, она вовсе не ион гелия, чей атомный вес равен 4т. А ес­ли так, то и энергия ее движения в полтора раза больше предполагавшейся. И следовательно, прежние расчеты теплового эффекта радия становятся несостоятельными. Словом, хорошего мало...

Числа Милликена и Болтвуда были утешительней. Все-таки «е» у них равнялось примерно 4,0.10—¹⁰, и ва­риант тройной заряженности альфа-частицы отпадал сра­зу: 3.4 =12 — неправдоподобно много по сравнению с найденным числом 9,3. Но до благополучия и тут было далеко: двойная заряженность должна была бы, по Мил-ликену, выразиться цифрами 8,12, а по. Болтвуду—8,2. Расхождение с величиной 9,3 снова оказывалось слиш­ком грубым. Правда, не настолько, чтобы усомниться в ге­лиевой гипотезе, но достаточно грубым, чтобы не считать ее корректно подтвержденной.

Конечно, у Резерфорда и Гейгера был простейший выход:

взглянуть друг на друга с досадой и признать, что электриче­ский метод счета альфа-частиц ввел их в обман. Но они слиш­ком заботливо вынашивали свое детище, чтобы осудить его так легко. Само число 9,3-10—¹⁰ появилось в их расчетах пос­ле того, как они критически взвесили вероятные ошибки из­мерений; Оно заслуживало доверия.

Оно, безусловно, заслуживало доверия. И потому оставал­ся еще один выход: объявить не заслуживающими доверия все предшествовавшие оценки «е». Резерфорд и Гейгер подвергли анализу условия экспериментов, в которых эти оценки были получены, и установили: ошибки опытов у их предшественни­ков могли достигать 15—30 процентов, если не больше! Это спасало положение. Это позволяло не сравнивать 9,3 с чужи­ми данными для «е», а напротив — дать свою собственную оценку величины элементарного заряда. Так, решая уравненьи-це 2е=9,3..., они проделали последнюю арифметическую про­цедуру и провозгласили:

е= 4,65-Ю—¹»

Может быть, все это не заслуживало бы такого подробно­го рассказа, если б не одно знаменательное обстоятельство.

Резерфорд сообщил этот результат Иву в частном письме еще до того, как уселся с Гейгером за отчетную статью для «Трудов Королевского общества». Ив без колебаний послал

315

своему недавнему шефу протестующий ответ. Он отказывался признать достоверной оценку, превышавшую общепринятую — томсоновскую —на 36 процентов! «...Этот результат должен оказаться ошибочным». Однако обнаружилось, что у Резерфор-да была в запасе довольно неожиданная теоретическая защи­та числа 4,65. Она опиралась на побочное следствие кванто­вой гипотезы Макса Планка. И в новом письме к Иву Резер-форд сослался на Планка. Но существенней, что эта ссылка не осталась случайным упоминанием, надолго похороненным в частной переписке Резерфорда.

Вместе со статьей об электрическом методе счета альфа-частиц редакция «Трудов Королевского общества» получила 17 июля 1908 года другую статью Резерфорда и Гейгера — «Заряд и природа альфа-частицы». Там была короткая сноска:

Интересно отметить, что из общей оптической теории естественной тепловой радиации Планк вывел оцен­ку — е = 4,69 • 10—¹⁰ электростатических единиц.

«Интересно отметить...» — это было сказано с должной академической сдержанностью. Между тем совпадение чисел 4,65 и 4,69 выглядело удивительно. А самое интересное за­ключалось в том, что планковская оценка «е» была известна уже в течение восьми лет — с 1900 года, да только никто не принимал ее всерьез. Она ведь тоже почти на 40 процентов расходилась с томсоновской. И сама квантовая гипотеза еще представлялась многим физикам тех лет крайне невероятной. А потому и число 4,69 было в их глазах скорее уликой против Планка, чем аргументом в его пользу.

Среди англичан было не меньше скептиков, чем среди фи­зиков континента. В 1955 году Макс Борн говорил в Берли­не; «...Сколько мне помнится, в Геттингене я ничего не слы­шал о квантах; не слыхал я о них и в Кембридже, где весной и летом 1906 года слушал лекции Дж. Дж. Томсона и Лар-мора и проходил экспериментальный курс в Кавендишевской лаборатории».

Не принадлежал ли до 1908 года к разряду скептиков и Резерфорд? Ответить на это трудно. Но так или иначе, а за годы Монреаля он ни в письмах, ни в статьях, кажется, ни разу даже словом не обмолвился о Планке и о квантах. Прав­да, «умозаключать от молчания» рискованно. Тем более рис­кованно, что в монреальские годы квантовые идеи Планка, а потом и Эйнштейна ничем не могли бы облегчить ему про­никновение в суть радиоактивности. Любое участие в дискус­сии о квантах было бы для него в ту пору выступлением «не