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

Вид материала

Документы

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.

17

В который уже раз на страницах этой книги легко произно­сятся слова — «открыть новую эпоху...». Между тем двери истории ходят на тугих петлях. Как и перед ядерной моделью атома, они не распахнулись с готовностью перед теорией Бора. Но по крайней мере она не была встречена молчанием.

Преимущественной реакцией были оппозиция и скептицизм. Правда, совсем не воинственная оппозиция и не очень огор­чительный скептицизм, ибо жила еще надежда, что все неприят­ности разъяснятся классически.

Когда летом 13-го года Рэлей-младший спросил своего от­ца — тогдашнего президента Королевского общества, прочел ли он статью Бора о происхождении водородного спектра, Рэ-лей-старший ответил: «Да, я просмотрел ее, но увидел, что пользы из нее извлечь не смогу... Это не по мне». Еще можно было относиться к квантовым идеям, как к чему-то необяза­тельному. Вскоре, осенью того же года, лорд Рэлей вынужден был отвечать на тот же вопрос не в домашней обстановке и не сыну, а на очередном конгрессе Би-Эй в Бирмингаме целому сонму своих коллег — британских и чужеземных. Среди пос­ледних были Пуанкаре и Бор. Шла дискуссия о проблемах излучения.

— Резерфорда и всех нас позабавил один эпизод,— рассказывал позднее Бор.— Сэр Джозеф Лармор весьма торжественно предложил лорду Рэлею выразить свое мне­ние о самых последних шагах в этой области. Незамедли­тельный ответ великого ветерана, в прежние годы внес-

395

шего решающий вклад в понимание проблем радиации, был таков: «В молодости я строжайше исповедовал немало добропорядочных правил и среди них убеждение, что че­ловек, переваливший за шестьдесят, не должен высказы­ваться по поводу новейших идей. Хотя мне следует при­знаться, что ныне я не придерживаюсь такой точки зре­ния слишком уж строго, однако все еще достаточно стро­го, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!

Всего же забавней — а Бор упомянуть об этом забыл! — что старый ветеран тут же, вслед за этим признанием, не удержался и высказался по поводу новейших идей. И разумеет­ся, без сочувствия:

— Мне трудно,— сказал он,— принять все это в ка­честве реальной картины того, что действительно имеет место в природе.

Старик был откровенней других, а принять это было трудно всем. Даже манчестерцам. И даже в их среде, судя по словам Андраде, выделялся как редкостное исключение один молодой исследователь, сумевший сразу безоглядно довериться идеям Бора и «распознать их фундаментальную важность».

Однако среди его заслуг была не только понятливость. Бы­ло открытие первостепенной значимости. Впрочем, без востор­женного признания теории Бора это открытие, обессмертившее имя оксфордского магистра искусств Генри Гвина Д. Мозли, просто не состоялось бы.

Мозли называл боровскую теорию атома «h-гипотезой» и писал Резерфорду, что всем существом своим чувствует ее справедливость. И говорил, что готов сделать все возможное, дабы положить конец широко распространенному убеждению, будто построения Бора сводятся к удачному жонглированию хорошо подобранными числами. В энтузиазме он уверял Ре-зерфорда, что для количественного постижения структуры ато­ма вообще ничего не нужно, кроме трех величин: постоянной Планка «h», массы электрона «т» и элементарного заряда «е». Такой безоговорочный культ простоты природы психологически помог Мозли уверенно искать — ив конце концов найти! — закономерную связь между зарядом атомного ядра и порядком расположения элементов в «естественной последовательности».

...На протяжении почти полувека истинным казался менде­леевский принцип расположения элементов: они следовали в пе­риодической системе один за другим в порядке возрастания их атомных весов. Однако уже самому Менделееву пришлось дваж­ды нарушить этот принцип и поставить более тяжелый кобальт перед более легким никелем, а теллур — перед йодом, иначе

396

элементы в обеих парах не попадали на правильные места по своей химической характеристике. А в XX веке исследование продуктов радиоактивных распадов совсем уж смешало все кар­ты: было обнаружено немало элементов, химически совершенно неразличимых, но обладающих разными атомными весами. Появилось несколько свинцов, несколько ториев, несколько ра-диев... Такие элементы Фредерик Содди и назвал изотопами, то есть занимающими одно и то же место — одну и ту же клетку в менделеевской таблице. Словом, постепенно стало ясно, что химические элементы принципиально отличаются один от другого не атомным весом, а чем-то другим. Чем же? Ответ на этот вопрос и хотел получить Мозли.

«

Сегодня уже едва ли можно с точностью установить, как возник замысел знаменитой работы, решившей эту проблему:

принадлежал ли он целиком Мозли или отчасти еще и матема­тику Дарвину, не была ли руководящая идея подсказана Бором или внушена Резерфордом? Одно несомненно: ранним летом 13-го года, когда «Philosophical magazine» со статьей Бора в свет еще не вышел, Манчестер был единственным местом на земле, где подобный замысел мог прийти в голову эксперимен­татору. А Мозли был в Манчестере единственным исследовате­лем, безусловно пригодным для его осуществления.

Дело в том, что уже около года Мозли занимался рентге­новскими спектрами. А для Манчестерской лаборатории такая тема была отнюдь не традиционной. Сам Резерфорд, наверное, с кавендишевских времен не держал в руках ренгтеновской трубки: спровоцировав когда-то Беккереля на открытие ура­новой радиации, Х-лучи стали в дальнейшем областью экспери­ментирования, не пересекавшейся с радиоактивностью. И моло­дому физику, пленившемуся в те времена именно Х-лучами, следовало искать себе вакантное место или в Вюрцбурге, где они были открыты; или в Мюнхене, где теперь работал Рентген и где в 1912 году Макс фон Лауэ предсказал, а его ученики открыл» диффракцию этих лучей в кристаллах; или в Ливер­пуле, где в 1911 году старый кавендишевец Чарльз Баркла обнаружил особое — характеристическое для каждого элемен­та — рентгеновское излучение; или в Лиддсе, где Вильям Ген­ри и Вильям Лоуренс Брэгги — отец и сын — разрабатывали рентгеновский метод анализа кристаллических структур; или, скажем, в Париже, где Морис де Бройль-старший упорно изучал эту невидимую радиацию... Словом, где угодно — только не в Манчестере стоило искать пристанище для занятий рентге-новыми лучами. И конечно, бакалавр Мозли вовсе не ими со-

397

бирался заниматься, когда летом 1910 года, окончив оксфорд­ский колледж Святой троицы, написал Резерфорду письмо-прошение с просьбой принять его в штат Манчестерской лабо­ратории. Его увлекали радиоактивность и строение вещества. И принятый, подобно Марсдену, на самый низший лаборатор­ный пост, он два года самоотреченно трудился то над коротко-живущими продуктами распада (с Казимиром Фаянсом), то над гамма-радиацией (с Уолтером Маковером), то над бета-лучами (вполне самостоятельно)... Острый интерес к рентге­ну возник у него только в 1912 году, когда в работах Баркла, Лауэ, Брэггов он вдруг почуял верный путь к обиль­ному источнику новой информации о глубинном устройстве атомов.

Жаждой такой информации жила вся лаборатория. Мозли не стоило труда склонить к совместной работе над рентгеновски­ми спектрами своего давнего — еще доманчестерского — прия­теля Чарльза Дарвина. Труднее было получить одобрение Ре-зерфорда.

Шеф не выносил в научных делах ни малейшего привкуса прожектерского легкомыслия. А тут этот привкус ощущался. И тем явственнее, что на вопрос, какую задачу они, собствен­но, собираются решать, оба довольно беззаботно, судя по вос­поминаниям Дарвина, ответили: «У нас нет никаких идей, мы просто хотим узнать, что за штука эти Х-лучи, поскольку Барк­ла считает их электромагнитными волнами, а Брэгг-отец — частицами...» Они лукавили: открытие диффракции уже под­твердило правоту Баркла — огибать препятствия, узлы крис­таллической решетки, могли только волны. А до одновремен­ного признания правоты и Брэгга — до квантовомеханической идеи о всеобщем дуализме волн-частиц — было еще далеко. Молодые люди лукавили, не желая взваливать на плечи груз обещаний, быть может невыполнимых. Резерфорд насмешливо спросил, нравится ли им роль слабых лошадок в гандикапе. И полюбопытствовал, ясно ли им рисуется перспектива трудно­го соперничества с лабораториями, где на Х-лучах давно соба­ку съели.

Этот довод, как и другие, их решимости не поколебал. Они настаивали. Молча глядя на них, шеф перебирал в памяти детали двухлетнего знакомства с ними: ни тот, ни другой пока не сделали ни одного опрометчивого шага. Еще он прикинул в уме, что особых затрат их замысел не потребует. И взвесил возможный прибыток: лаборатория обзаведется собственными специалистами по рентгену. И наконец, вспомнил девиз Макс­велла, нравившийся ему со времен кавендишевской молодости:

398

Я никогда не пробую отговорить человека от попыт­ки провести тот или другой эксперимент. Если он не найдет того, что ищет, он, может быть, откроет нечто иное.

Резерфорду не пришлось жалеть о согласии, которое он дал. Прибыток превзошел ожидания. (С течением жизни он все чаще убеждался, что широта и терпимость самая выгодная линия поведения для правителя лаборатории. Да и для любого правителя вообще. Широта и терпимость — это не обещание наград за успех, а избавление от наказания за неудачу. Но ищущим это-то всего более и необходимо — право на риск.)

Совместная работа молодых друзей продолжалась до нача­ла 13-го года, и в итоге они выполнили исследование, ставшее одним из классических в истории изучения рентгеновых лучей. Через полвека Дарвин резюмировал сделанное ими в полуфра­зе: «..; мы убедились, что Х-лучи подобны обычному свету, но частота их гораздо выше». А главное произошло чуть позже, когда Мозли, отделившись от Дарвина, ушедшего с головой в математические заботы, стал в одиночестве исследовать ха­рактеристические рентгеновские спектры разных металлов — спектры Баркла.

Это были такие же линейчатые атомные спектры, как и обычные, те, что получаются в диапазоне частот видимого све­та. Они тоже являли собою визитные карточки химических элементов: у каждого был свой набор высокочастотных спект­ральных линий. Мозли начал размышлять над их происхожде­нием как раз тогда, когда в весеннем Манчестере 13-го года появился вслед за объемистым пакетом из Копенгагена сам Бор и пошли разговоры о бурных дискуссиях между датчани­ном и шефом. Неважно от кого из них — от шефа или от дат­чанина — впервые услышал Мозли о квантовой теории водо­родного атома. В обоих случаях информация была надежной. Существенно, что Мозли сразу пустил ее в дело. В его руках «h-гипотеза» начала служить физике еще до ее опубликования.

Он не сомневался: линейчатость характеристических рент­геновских спектров тоже объясняется скачкообразными пере­ходами возбужденных атомов в состояние устойчивости.

В теории Бора тогда еще не было представления об электронных оболочках в атомах и о правилах их заполне­ния. И Мозли пришлось отчасти предвосхитить этот шаг в развитии планетарной модели. Схема событий, порож­дающих рентгеновский спектр, рисовалась ему так. Когда катодный луч — а этот агент посерьезней пламени го­релки — вырывает из атома электрон, обитавший на

399

самом глубинном уровне, там возникает как бы вакантное место. Один ич электронов, сидящих на следующем — втором — энергетическом уровне, падает вниз, заполняя дыру. Такие перескоки со второй орбиты на первую выглядели наиболее вероятными. Естественно было ду­мать, что они-то и создают в высокочастотном спектре каждого элемента самую интенсивную линию.

А далее возникала мысль о зависимости между за­рядом атомного ядра и частотой этой линии. В самом деле: чем больше ядерный заряд, тем сильнее связан с ядром электрон на наинизшей орбите, тем больше нуж­но энергии, чтобы оттащить его от ядра, иначе говоря — перебросить на другой уровень, скажем, на второй; но, стало быть, тем солидней — высокочастотней! — квант, испускаемый атомом, когда электрон снова падает вниз и расстается с этой и&быточной энергией возбуждения.

У Мозли появилась надежда: изучая рентгеновские спектры, может быть, удастся установить, как от элемента к элементу изменяется заряд атомного ядра!

Ни модель Резерфорда, ни теория Бора не содержали на сей счет никаких определенных утверждений. И обе были без этого существенно не полны. А все, что об этом думали физи­ки к середине 13-го года, ограничивалось двумя гипотезами. Первая уверяла: «Заряд ядра численно равен примерно поло­вине атомного веса элемента». Вторая была определенней:

«Заряд ядра равен номеру элемента в менделеевской таблице». Первую гипотезу высказал еще в 1911 году Баркла. Вторую— в начале 1913 года голландец Ван дер Брок. Обе были извест­ны Мозли. Гипотезу Ван дер Брока поддерживал Бор, и, ви димо, Резерфорд тоже ее разделял. И Мозли она нравилась своей ясностью и простотой. И он мог рассматривать намечен­ное исследование, как опытную проверку этой гипотезы «Атом­ного Номера». Другими словами, он заранее предвкушал то, что получит: окажется, что от элемента к элементу заряд атомного ядра возрастает на единицу!..

Его открытие нередко изображается, как счастливая наход­ка, вознаградившая трудолюбие. Между тем это яркий пример более редкого события в истории науки: выдающееся сверше­ние было запланировано и сделано без малейшего соучастия Случая. В воспоминаниях о Резерфорде Бор рассказал, как ле­том 13-го года в Манчестере он обсуждал с Дарвином и Мозли проблему «правильного расположения элементов в соответствии с их атомными номерами». Мозли объявил тогда, что собирает­ся «решить эту проблему систематическими измерениями высо­кочастотных спектров».

...Он работал с фантастической быстротой.

400

На свете было немного вещей, которые могли доставить такое же удовольствие вечно нетерпеливому — и тоже быстро­действующему — шефу. Но даже Резерфорд, по словам Ива, был поражен стремительностью, с какой во второй половине 1913 года Мозли осуществил свой замысел.

Дарвин писал:

У него было два рабочих правила. Первое: если вы начали налаживать установку для эксперимента, вы не должны останавливаться, пока она не будет налажена. Второе: когда установка налажена, вы не должны оста­навливаться, пока эксперимент не будет завершен.

Эти правила вынуждали Мозли вести совершенно нерегу­лярный образ жизни. И порою донельзя истощали его силы. Но давать ему благие советы было бесполезно. Следя за Мозли и наблюдая его одержимость, Резерфорд видел, что -перед ним не совсем обычный случай усердия и одухо­творенности.

Хоть это и звучит полумистически, но, право, создается впе­чатление, будто Мозли чувствовал, что ему недолго жить, и потому спешил, превращая ночи в дни. Он наслаждался лабо­раторным уединением. И в среде резерфордовцев, где господ­ствовал стиль легкого панибратства, он выделялся некоторой своей замкнутостью и чуть демонстративной независимостью. Андраде говорил, что он был не из тех, кто со всеми на ко­роткой ноге. И пояснял: «В отличие от большинства из нас». Может быть, и в нем, как некогда-в Содди, говорила оксфорд­ская гордыня? Хотя у него было больше оснований для такой вздорной гордыни, ибо в Оксфорде профессорствовали его отец и оба деда, а сам он значился еще и воспитанником арис­тократического Итона, эта черта была ему не свойственна. К своей степени магистра он в отличие от Содди не добав­лял — «Охоп». Иерархического и светского тщеславия в нем не было. Он просто принадлежал к не очень многочисленной и одинаковой во все века человеческой разновидности монахов познания. И в свои двадцать с небольшим уже отличался чуда­чествами, обычно украшающими старых зубров науки.

Так, он в самом деле не любил, чтобы ему мешали! И вся­чески защищал свою сосредоточенность. Рассказывали «спичеч­ную историю». В подражание Резерфорду он курил трубку и, подобно Резерфорду, изводил множество спичек. Но следовать резерфордовской манере — у всех и всюду одалживаться спич­ками, а потом не возвращать их, он не мог: это рассеивало и каждый раз нарушало уединение. Зато другие, зная, что у педантичного Мозли спички всегда найдутся, часто загля-

дывали к нему с той микробесцеремонностью, на какую в ин­тернационале курильщиков не принято досадовать. Чаще дру­гих наведывался шеф. В один прекрасный день его встретил в лабораторной комнате Мозли маленький плакат: «Пожалуй­ста, возьмите одну из этих коробок и оставьте в покое мои спички!» Плакатик был воткнут в пирамидальную гору спичеч­ных коробков. Купив за шиллинг и шесть пенсов гросс — дю­жину дюжин — этого добра, Мозли приобрел право на лишние минуты сосредоточенного молчания.

Во второй половине 13-го года его лабораторное окно све­тилось ночами гораздо чаще, чем прежде. И это был не тот случай, когда Резерфорд мог бы запросто сказать: «Ступайте-ка домой, мой мальчик, и думайте!» Да, случай был не тот... И мальчик был не тот... Напротив, легче представить, как вече­рами, заглядывая перед уходом из лаборатории к Мозли, чтобы осведомиться о его успехах. Резерфорд, словно заго­ворщику, сообщал ему адрес ночной таверны, где в любое вре­мя можно отлично перекусить да еще послушать при этом за­нятные рассказы о жизни. А на следующий день допытывался:

«Ну как, Гарри, там неплохо было, а?» Невиннейший Мозли приобрел среди манчестерцев славу человека, знающего в го­роде злачные места, где тебя накормят и в три часа утра. Не без консультаций шефа приобрел Мозли эту славу, которая ужаснула бы его любящую мать, узнай она у себя в Оксфорде об изнуряющем стиле жизни сына.

А может, она об этом и узнала, потому что в конце 13-го го­да настояла на скором возвращении Генри домой. И этим заставила его еще усилить темп работы. Во всяком случае, он успел до отъезда закончить исследование спектров для группы элементов от кальция до цинка. И успел вывести свой закон. «...Уже в ноябре 1913 года я получил от него интереснейшее письмо с изложением важных результатов», —. писал Бор, вспоминая свое тогдашнее удивление стремительностью проис­шедшего. Его удивление возросло еще больше, когда вскоре он увидел работу Мозли уже напечатанной в «Philosophical magazine».

Резерфорд не позволил статье оксфордца пролежать в ла­боратории и часу лишнего! Для судьбы самой ядерно-плане­тарной модели атома эта статья была в известном смысле так же решающе важна, как и недавняя статья Бора. Замечательно совпадение: обе работы были опубликованы в одном и том же 26-м томе 6-й серии «Philosophical magazine» за 1913 год. Бор в июльском выпуске открывал этот том (стр. 1—25), а Мозли в декабрьском — закрывал (стр. 1024—1034). Ровно тысяча

402

журнальных страниц, переполненных всяческой научной инфор­мацией, отделяла одну от другой две эти великие вехи в исто­рии ядерно-планетарной модели атома.

Итоги исследования Мозли обладали редкой наглядностью. При сравнении фотографий характеристических рентгеновских спектров (а он научился их фотографировать) было отчетливо видно, как в последовательности элементов — титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк — самая интенсивная линия шаг за шагом закономерно сдвигается в сто­рону все больших частот. А тем временем в математической формуле для этих частот некая величина в той же последова­тельности меняет свое значение с каждым шагом ровно на единицу! Если же линия в спектре сдвигается сразу на два шага — как при сравнении спектров кальция и титана, — то и эта величина возрастает не на единицу, а сразу на две... Мозли назвал ее фундаментальной характеристикой атома и из простых соображений умозаключил:

Эта величина может быть только зарядом центрально­го положительного ядра, существование которого уже с определенностью доказано.

Тотчас разрешилось много застарелых недоумений. И среди них — вопрос о количестве электронов в атомах разных эле­ментов. Многие авторы давали резко противоречивые оценки этого количества: в атоме водорода оказывалось от 1 до 3 элек­тронов, а в атоме урана — от 120 до 700 с лишним! И ни одна оценка заведомо не претендовала на точность: всякий раз го­ворилось — «приблизительно столько-то...». Странно подумать сегодня, что в числе других этот вопрос обсуждался той осенью в Брюсселе на 2-м Сольвеевском конгрессе и представ­лялся отнюдь не элементарным мозговому тресту европейской физики. Перед отъездом в Брюссель, в конце сентября, Ре­зерфорд еще не зйал уверенного ответа на этот вопрос: работа Мозли была не кончена. (Открытия не приурочиваются к конг­рессам и праздникам. Во всяком случае, школе Резерфорда та­кой способ ускорять научный поиск был совершенно чужд.) Месяцем бы позже собрался конгресс — Резерфорд мог бы объявить, что его сотрудник Г. Г. Дж. Мозли получил «силь­нейшее и убедительнейшее доказательство справедливости гипотезы Ван дер Брока» и, следовательно, число электронов в атоме равно атомному номеру элемента, ибо таков по вели­чине положительный заряд ядра, а в целом атом нейтрален.

Эти слова о сильнейшем и убедительнейшем доказательстве гипотезы Атомного Номера были произнесены Резерфордом

в декабре на страницах «Nature» и немедленно вызвали репли­ку Фр. Содди — неожиданную и написанную в обидчиво-раз­драженном тоне. В письме из Глазго он утверждал, что хи­мики в Глазго раньше Мозли доказали то же самое, да к тому же «более просто и убедительно». Редакция «Nature» напечатала реплику Содди, но притязания, выражен­ные в ней, были столь неразумны и ничтожны, что Резерфорд не стал отвечать на нее. (Конечно, Содди понимал, что описа­нием химических свойств элементов — а только на это он и ссылался, — не решаются количественные проблемы в физике атома. Но провокации тщеславия были сильнее доводов логи­ки.) Эта маленькая история осталась, кажется, единственным темным пятнышком на блистательной судьбе открытия Мозли.

Между прочим, сравнивая спектры кобальта и никеля, Моз­ли тотчас увидел, что Менделеев был абсолютно прав, когда поставил более тяжелый кобальт перед никелем: для заряда кобальтового ядра получилось число +27, а'для заряда нике­ля — +28. Такого рода подробности производят особенно силь­ное впечатление на современников. А работа Мозли была пол­на такими деталями. Она была принята и признана сразу — всеми и повсеместно. Бор написал об этом так:

В новейшей истории физики и химии немногие собы­тия привлекали к себе с самого начала такое всеобщее внимание, как совершенное Мозли открытие простого за­кона, позволяющего однозначно приписать атомный но­мер элементу по его высокочастотному спектру. Это бы­ло немедленно осознано не только как решительное подтверждение атомной модели Резерфорда, но и как по­трясающе выразительное свидетельство силы интуиции Менделеева, заставившей его в определенных местах пе­риодической таблицы отступить от последовательности возрастающих атомных весов.

Бор мог бы добавить, что открытие закона атомного номера было осознано и как выдающийся успех только что родившейся квантовой теории атома.

А в декабре 13-го года Мозли был уже в Оксфорде. Нехотя оставил он Манчестерскую лабораторию, повинуясь, очевидно, материнской воле. Через неделю он написал Резер-форду из дому пространное письмо — полуделовое, полулири­ческое. Там были строки:

Дела здесь движутся медленно по сравнению с Ман­честером... Однако я, естественно, и не ожидал найти тут такие же хорошие условия для работы, какие созданы в Манчестерской лаборатории; да, впрочем, я уверен, что