Открытие атомного ядра

Рассмотрим несколько подробнее одно из фундаментальных открытий Резерфорда —открытие атомного ядра и планетарной модели атома. Мы видели, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 г. начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели. Вильям Брэгг (1862—1942) в Австралии, изучая прохождение а-частиц через вещество, нашел, что частицы не рассеиваются веществом, а поглощаются им, проходя в веществе до поглощения определенный прямолинейный отрезок — длину пробега.

Одна из тем, выдвинутая Резерфордом в Манчестере,— рассеяние α-частиц. Она была поручена Гейгеру и Марсдену (1889-1970).

Метод, применявшийся этими исследователями, заключался в следующем: а-частицы, испускаемые источником, диафрагмировались щелью и попадали на экран из сернистого цинка, на котором получалось изображение щели в виде узкой полоски. Затем между щелью и экраном помещали тонкую металлическую пластинку, изображение щели размывалось, что указывало на рассеяние а-частиц веществом пластинки. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.

Рис. 45. Схема счётчика Гейгера

Но наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 г., — существование больших углов рассеяния. Некоторая, очень небольшая часть а-частиц (примерно 1/8000) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь, таким образом, обратно к источнику. Тонкая пластина отбрасывала частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 г. Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что а-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд говорил, что это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги.

Одно из возможных объяснений аномального рассеяния состояло в том, что оно складывается из многих небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающего вещества.

Рис. 64. Записи импульсов с первого счётчика Гейгера

Исходя из модели Томсона, Резерфорд подсчитал, что это не может давать больших отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.

Рис. 65. Лаборатория Резерфорда в Кембридже

Когда а-частица проходит мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной заряду ядра и заряду а-частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она движется по гиперболе, удаляясь по ее ветви после прохождения мимо ядра. Ее прямолинейный путь, таким образом, искривляется, и она отклоняется на угол рассеяния ф.

Рис. 48. Схема масс-спектрометра Астона

7 марта 1911 г. Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад «Рассеяние а- и в-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома а- и в-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала».

Резерфорд рассчитал вероятность такого отклонения и показал, что она пропорциональна числу атомов n в единице рассеивающего материала, толщине рассеивающей пластинки и величине b², выражаемой следующей формулой:

где Ne — заряд в центре атома, Е — заряд отклоняемой частицы, m — ее масса, u — ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния Φ , так что число рассеянных частиц на единицу площади пропорционально (cosec)4 Ф/2

Этот «закон косеканса» был проверен экспериментально Гейгером и был найден справедливым в пределах экспериментальных ошибок.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ± Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. «Точное значение заряда центрального ядра не было определено, — писал Резерфорд, — но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда».

В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими сцинтилляционным вспышкам «Это была трудная, кропотливая работа, — характеризовал Резерфорд работу своих сотрудников, — так как нужно было считать много тысяч частиц. Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласуются с теорией». Из этих утомительных и кропотливых исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд еще в 1913 г. считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Рис. 67. Здание каведишской лаборатории

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. Бор вспоминал, что в 1912—1913 гг. «в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра». Далее он писал: «С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом...»

В 1913 г Ван ден Брук показал, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. В том же 1913 г. ф. Содди и К. фаянс пришли к закону смещения Содди — фаянса, согласно которому при а-распаде радиоактивный продукт смещается в менделеевской таблице на два номера выше, а при (3-распаде — на номер ниже. С точки зрения представления о номере элемента как о заряде ядра этот закон получает простое истолкование. К этому же времени Содди пришел к представлению об изотопах как разновидностях одного и того же элемента, ядра атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы.

Рис. 68. Установка Резерфорда по расщеплению ядра

Заметим, что эта интерпретация пришла в голову Бору еще до того, как Содди и фаянс открыли закон смещения чисто эмпирически. Эта же модель, все плодотворное значение которой было осознано Бором во время его пребывания в Манчестере, была положена им в основу первой квантовой модели атома. В богатом событиями 1913 г. были опубликованы три знаменитые статьи Бора «О строении атомов и молекул», открывшие путь к атомной квантовой механике.

Бор. Нильс Бор родился 7 октября 1885 г. в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора. В 1903 г. Бор поступил в Копенгагенский университет. Еще в студенческие годы Бор выполнил конкурсную работу по поверхностному натяжению. Работа была удостоена золотой медали Датской Академии наук.

В 1909 г., спустя два года после окончания Бором университета, эта работа — «Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом колебания струи» — была опубликована в трудах Лондонского Королевского общества.

Весной 1911 г. состоялась защита докторской диссертации Бора на тему «Анализ электронной теории металла», в сентябре того же года Бор приехал на стажировку в Кембридж к Д. Д. Томсону. Д. Д. Томсон в это время занимался анализом положительных лучей. Им был разработан метод точного анализа метод парабол, с помощью которого он впервые обнаружил у неона существование двух разновидностей атомов: с атомным весом 20 и 22. Продолжая эти исследования уже после войны, ученик Томсона Астон открыл изотопы многих стабильных элементов. Исследования самого Томсона были обобщены им в монографии «Лучи положительного электричества и их применение к химическому анализу», вышедшей в 1913 г. Томсон поручил и Бору провести эксперимент с положительными лучами. Бор собрал вакуумную установку, однако дело дальше не пошло, и он начал готовить к изданию свою докторскую диссертацию. Томсон отнесся без внимания к работе Бора и не прочитал ее.

В том же, 1911 г., когда Бор приехал в Кембридж, сотрудник Томсона Чарлз Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный ныне под названием «камера Вильсона». Этот прибор позволяет видеть заряженную частицу по оставляемому ею туманному следу. Резерфорд, приехавший на традиционный ежегодный обед в Кембридж, в своей речи с энтузиазмом отозвался о приборе Вильсона и полученных первых результатах. Бор, который впервые увидел Резерфорда на этом обеде, вспоминал, «что наибольшее восхищение у Резерфорда, как это он подчеркивал в своей речи, вызвала настойчивость, с которой Вильсон (в то время они уже были связаны тесной дружбой в Кавендишской лаборатории. — П. К.) продолжал свои исследования по образованию тумана со все более и более усовершенствованными аппаратами». Великий исследователь ядра ясно видел возможности, открываемые камерой Вильсона в изучении ядерных процессов. Позднее в том же Кембридже ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет (1897—1974) получил вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота а-частицей, первой ядерной реакции, открытой Резерфордом.

Встреча с Резерфордом произвела на Бора огромное впечатление. Вскоре по своим личным делам он побывал в Манчестере, и ему удалось встретиться и побеседовать с Резерфордом. «Во время беседы, в которой Резерфорд с подлинным энтузиазмом говорил о многих новых перспективах развития физики, он любезно согласился на мою просьбу о том, чтобы присоединиться к группе, работающей в его лаборатории, после того как ранней весной 1912 г. я должен был закончить свои занятия в Кембридже; там я был сильно увлечен оригинальными идеями Дж. Дж. Томсона, касающимися электронного строения атомов».

В апреле 1912 г. Бор приехал в Манчестер. История позаботилась о том, чтобы создатель квантовой модели атома поработал сперва с автором первой модели атома, а затем приехал к автору планетарной модели, чтобы на основе этой модели создать теорию атома Резерфорда — Бора. Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории, начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их особенностей и различий. Бор послал свою статью Резерфорду. Резерфорд сразу понял революционный характер идей Бора и высказал критические замечания по самым фундаментальным пунктам теории Бора. Бор был вынужден поехать в Манчестер с переработанным вариантом статьи, чтобы договориться с Резерфордом. После длительных дискуссий статья Бора и две его последующие статьи были опубликованы. Однако окончательный ответ на возражения Резерфорда был дан только созданием квантовой механики, и Бор по существу всю жизнь разрабатывал теоретико-познавательные основы физики микромира, уточняя и развивая идеи, начало которым было положено его статьями 1913 г.

Сотрудничество Резерфорда и Бора обещало быть длительным и тесным. В мае 1914 г. Резерфорд прислал Бору предложение занять в Манчестере освободившееся место. Бор с радостью принял это предложение и послал заявление Резерфорду. Работа Бора в Манчестере началась в тяжелых условиях первой мировой войны. Резерфорд с рядом сотрудников был в Австралии и возвратился оттуда в разгар военных действий. Мозли был призван в армию и убит. Ему удалось сделать замечательное открытие в области рентгеновских спектров и установить связь между частотами линий характеристического излучения и порядковым номером элемента. В декабре 1913 г. была опубликована статья, в которой он писал: «Полученные результаты имеют большое значение для изучения структуры атома и полностью подтверждают точку зрения Резерфорда и Бора».

Генри Мозли родился 23 ноября 1887 г., умер 10 августа 1915 г. «Страшным потрясением для всех нас было трагическое известие о безвременной гибели Мозли в 1915 г. во время Галлипольской операции; его смерть вызвала скорбь у физиков всего мира», — писал Бор в своих воспоминаниях о Резерфорде. Сам Бор в 1916 г. покинул Манчестер и занял пост профессора теоретической физики в Копенгагенском университете.

Бор, несмотря на все трудности военного времени, продолжал разрабатывать свою теорию. В 1915 г. он опубликовал работы «О сериальном спектре водорода и строении атома» и «Спектр водорода и гелия», «О квантовой теории излучения в структуре атома». Он развил исследования, выполненные им в Манчестере в августе 1912 г., и опубликовал их под названием «Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество». Через три года, также в Манчестере, он закончил и опубликовал статью «О торможении быстро движущихся заряженных частиц при прохождении через вещество».

В декабре 1915 и январе 1916 г. Арнольд Зоммерфельд (1868—1951) развил теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщив правила квантования Бора. Зоммерфельд дал также теорию тонкой структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со скоростью. В его расчеты вошла безразмерная универсальная постоянная тонкой структуры:

Бор получил статью Зоммерфельда в Манчестере в марте 1916 г. и с восторгом отозвался о ней. Он писал, что «работа Зоммерфельда в значительной степени изменила современное понимание квантовой теории». Теория атома после открытия Зоммерфельда стала называться теорией Бора —Зоммерфельда.

По возвращении в Копенгаген Бор обнаружил пакет со статьей Эренфеста, содержащей теорию адиабатических инвариантов. Эта теория давала критерий квантующихся величин и до создания квантовой механики была единственной руководящей нитью при применении правил квантования, предвосхищавшей многие выводы, следующие из статьи Бора.

К 1916 г. теория Бора начала разрабатываться многими физиками. Была создана квантовая теория эффекта Зеемана и открытого в 1913 г. Штарком (1874-1957) эффекта влияния электрического поля на спектры. «Область нашей работы, — писал Бор Резерфорду, — после получения статьи Эренфеста превратилась из страны с довольно малочисленным населением в донельзя перенаселенное государство».

Продолжая развивать свои идеи, Бор сформулировал принцип соответствия (1918), означавший шаг вперед в ответе на вопросы, поставленные Резерфордом. Чрезвычайно существенно, что благодаря Бору Копенгаген превратился в центр теоретической физики.

Рис.69. Камера Вильсона

К Бору примкнул молодой физик, ставший его ассистентом, Гендрик Антон Крамере (1894-1952). Бор создал институт теоретической физики, в организации которого ему деятельную поддержку оказывал Резерфорд. Осенью 1920 г., когда сооружение здания института подходило к концу, в Копенгаген приехал Резерфорд, которому Копенгагенский университет присвоил почетную степень. Поддержка Резерфорда имела для Бора огромное значение, и он вспоминал об этом в своей статье «Памяти Резерфорда». В институте Бора работал радиомеханик Георг Хевеши (1885-1966), который в 1922 г., руководствуясь идеями Бора, открыл вместе с Костером (1889—1950) новый элемент — гафний. В 1922 г. к группе теоретиков института примкнули Паули и Гейзенберг, будущие создатели квантовой механики.

В 1922 г. Бор получил Нобелевскую премию по физике. В прочитанном им 11 декабря 1922 г. в Стокгольме нобелевском докладе он развернул картину состояния атомной теории к этому времени. Одним из наиболее существенных успехов теории было нахождение ключа к периодической системе элементов, которая объяснялась наличием электронных оболочек, окружающих ядра атомов. Огромная физическая интуиция позволила Бору, еще не зная принципа Паули и спина электрона, наметить правильную картину построения периодической системы, исправить ошибку химиков в классификации редких земель и предсказать существование нового элемента, который и был открыт Костером и Хевеши, давшими ему название гафний.

В 1925 г. работой Гейзенберга началось создание квантовой механики. В том же году Уленбек и Гаудсмит, работавшие у Эренфеста, открыли спин электрона, а Паули открыл принцип, носящий ныне его имя. С тех пор мысли Бора сосредоточились на проблемах квантовой механики, которые он горячо обсуждал со своими молодыми коллегами. После открытия Гейзенбергом в 1927 г. принципа неопределенности Бор выдвинул в качестве основной теоретической идеи квантовой теории принцип дополнительности.

В сентябре 1927 г. в связи со столетием со дня смерти Вольта на его родине, в Италии, на берегу озера Комо состоялся Международный конгресс физиков. На этом конгрессе Бор выступил с докладом «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории», которым было положено начало так называемой' «копенгагенской» интерпретации квантовой теории.

В октябре состоялся Сольвеевский конгресс в Брюсселе по теме «Электроны и фотоны». На конгрессе вспыхнула дискуссия между Бором и Эйнштейном по вопросу о копенгагенской интерпретации, которую Эйнштейн оспаривал. Дискуссия продолжалась с новой силой на Сольвеевском конгрессе 1930 г. В этих дискуссиях участвовал и Эренфест. Затем в 1935 г. дискуссия продолжалась в печати. Эйнштейн до самой смерти оставался противником копенгагенской точки зрения, а Бор до самой смерти продолжал развивать и уточнять свою концепцию.

В 1936 г. Бор выступил со статьей «Захват нейтрона и строение ядра», в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Ядерной физике была посвящена также работа 1937 г. «О превращении атомных ядер, вызванных столкновением с материальными частицами». Странно, ни Бор, ни кто другой не мог предсказать деления ядра, подсказываемого капельной моделью. Интерпретация опытов ферми 1934 г. затянулась, и лишь после опытов Гана и Штрассмана в конце 1938 — начале 1939 г. было открыто деление урана. Бор немедленно реагировал на это открытие и посвятил ему ряд работ, в том числе и совместную работу с Дж. А. Уиллером «Механизм деления ядер».

В 1939 г. началась вторая мировая война, а в 1940 г. Дания была оккупирована гитлеровцами. К этому времени уже началась работа по осуществлению цепной реакции деления. В 1942 г. в США под руководством ферми был построен первый реактор. Широким фронтом развернулась работа по изготовлению атомной бомбы. Пребывание Бора в оккупированной гитлеровцами Дании становилось опасным. Осенью 1943 г. Бор выехал в Швецию, а 6 октября 1943 г. его на самолете вывезли в Англию. Затем Бор уехал в США, где принял участие в работе над проектом атомной бомбы в Лос-Анджелесе, где он жил под именем Николаса Бейкера.

По окончании войны в августе 1945 г. Бор вернулся в Данию. Мир уже знал об атомной бомбе, разрушившей Хиросиму и Нагасаки. С этого момента и до конца жизни проблема предотвращения атомной войны волновала Бора. Он принял участие в работе Первой Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. В 1957 г. ему была присвоена первая премия «Атом для мира».

В 1961 г. Бор приехал в Советский Союз. Он посетил Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, физический институт Академии наук в Москве, Московский и Тбилисский университеты. Это была его последняя в.стреча с советскими учеными. 18 ноября 1962 г. он неожиданно скончался.

Эренфест. Говоря о Боре, мы упомянули имя Эренфеста. Его имя в истории физики XX в. встречается часто. Он был связан и с Бором, и с Эйнштейном, и с Лоренцем, и многими другими физиками. Он был связан и с русскими физиками и в последние годы жизни собирался перейти в один из советских университетов.

Пауль Эренфест, которого в России называли Павлом Сигизмундовичем, родился в Вене 18 января 1880 г. В 1899-1901 гг. и в 1903-1904 гг. он учился в Венском университете, где слушал лекции Больцмана, и в 1901—1903 гг. —в Геттингенском университете.

Вернувшись в 1903 г. из Геттингена в Вену, Эренфест стал активным участником семинара, которым руководил Больцман. На семинаре родилась и тема докторской диссертации Эренфеста «Движение твердых тел в жидкостях и механика Герца». Больцман, бывший его оппонентом, с большой похвалой отозвался о диссертации, которую Эренфест защитил в июне 1904 г. В том же году Эренфест вступил в брак с Т. А. Афанасьевой (1876-1964). Прожив в Вене и Геттингене до лета 1907 г., Эренфесты отправились в Россию. В России они прожили пять лет. В Петербурге Эренфест организовал на своей квартире семинар, в котором принимали участие молодые физики Петербурга Д. С. Рождественский, К. К. Баумгарт, Л. Д. Исаков и студенты-физики Ю. А. Крутков, В. Р. Бурсиан, В. Г. Хлопин, В. М. Чулановский и другие. Это были будущие советские ученые—академики и профессора. Семинар Эренфеста стал точкой роста будущей советской теоретической физики. Сам Эренфест готовился к магистерским экзаменам, которые держал в 1909—1910 гг., читал курс по проблемам математической физики в политехническом институте, писал статьи по вопросам теоретической физики. Среди этих работ поистине классической стала совместная статья П. С. Эренфеста и Т. А. Афанасьевой-Эренфест «Принципиальные основы статистического понимания в механике», опубликованная в Математической энциклопедии в 1912 г. Весьма интересной была его совместная заметка с Л. Д. Исаковым «О так называемой «групповой скорости», в которой Эренфест исправил ошибку Рэлея и показал, что методом аберрации измеряется не фазовая, а групповая скорость.

Однако получить прочное место в Петербурге Эренфесту не удалось. Как ни ценили его петербургские физики, как ни старались они помочь ему устроиться на кафедру какого-либо из петербургских институтов, министерство просвещения было непреклонно, и места в Петербурге Эренфесту получить не удалось. Начались поиски места в Вене, в Праге, во Львове. Поиски были безрезультатными. И здесь совершенно неожиданно судьба Эренфеста круто повернулась. В апреле 1912 г. Эренфест разослал оттиски статьи, напечатанной в Математической энциклопедии, различным ученым, в том числе и Лоренцу. 20 апреля 1912 г. Лоренц прислал Эренфесту письмо, в котором дал высокую оценку статье и задал Эренфесту вопрос о том, где он сейчас работает и как складывается его судьба.

Эренфеста несколько удивила озабоченность Лоренца его судьбой, но в следующем письме Лоренц разъяснил смысл своих вопросов. Он собирался оставить ординарную профессуру по кафедре теоретической физики Лейденского университета и подыскивал себе преемника. «Я подумал также и о Вас», —писал Лоренц. В результате Эренфест принял предложение Лоренца, и состоялось избрание Эренфеста профессором кафедры теоретической физики Лейденского университета. Профессором в Лейдене Эренфест пробыл двадцать один год, до трагической гибели 25 сентября 1933 г.

Эренфест был искренним другом Советского Союза. Он был другом многих советских физиков: А. ф. Иоффе, Д. С. Рождественского, Ю. А. Круткова и других, часто приезжал в Советский Союз. 6 декабря 1924 г. Эренфест по представлению А. ф. Иоффе и П. П. Лазарева был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР вместе с Бором, Ланжевеном, Майкельсоном,

Милликеном, Лауэ, Дебаем, Борном. В представлении Лазарев и Иоффе, перечисляя заслуги Эренфеста, писали: «В частности, П. С. Эренфест сыграл весьма крупную роль и в России. Его следует считать основателем школы теоретической физики, к которой принадлежали Г. Г. Вейхардт, В. Р. Бурсиан, Ю. А. Крутков».