Строение атома

   Опыты продолжались почти год. Они показали, что сходства между двумя исследовавшимися излучениями, несмотря на их одинаковое ионизирующее действие, нет. Резерфорд также смог убедиться также в том, что предположение Беккереля о сходстве урановых лучей со световыми ошибочно. Излучение урана вопреки заявлению Беккереля (правда, не подкрепленному опытами) не обнаружило свойств, характерных для света. Оно не подчинялось законам световой оптики: отражению, преломлению и поляризации.

   В результате этих работ Резерфорда были открыты a-частицы. Резерфорд поместил радиоактивный источник в магнитное поле и получил три вида излучений, испускаемых ураном: a-, b-частицы и g-лучи.

   Уже при проведении этих опытов Резерфорд  предвидел, что a-частицы помогут исследовать структуру атома в качестве мощных инструментов для проникновения в атом.

   В сентябре 1898 года Резерфорд был приглашен  в университет Мак-Гила в Монреале (Канада) в качестве профессора кафедры  теоретической физики. В Монреале он пробыл до 1907 года. Здесь он сделал фундаментальные открытия: им была открыта эманация теория и разгадана природа так называемой «индуцированной радиоактивности»; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон. Здесь им была написана книга «Радиоактивность». В Монреале он начал тщательные исследования природы a-частиц, закончившееся уже в Манчестере полной разгадкой их природы. Здесь же он начал свои исследования по происхождению a-частиц через вещество.

   Огромный  размах научной работы Резерфорда в  Монреале принес ему славу первоклассного исследователя. Им было опубликовано как лично, так и совместно с другими учеными 66 статей, не считая книги «Радиоактивность». Он получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Начался новый период в его жизни.

   Почти немедленно по прибытии в Манчестер Резерфорд начал систематические исследования рассеяния a-частиц веществом. Он установил, что каждая a-частица, попадая на экран из сернистого цинка, создает вспышку света. Поэтому для исследования рассеяния a-частиц был сконструирован прибор, изображенный схематически на рис.1 (стр. 18). С помощью свинцового коллиматора выделялся узкий конус a-частиц из радиоактивного источника. Испытав рассеивание в золотой фольге, a-частицы ударялись затем в экран из сернистого цинка и регистрировались с помощью небольшого микроскопа, в который можно было наблюдать вспышки света. Вращая детектор, можно было изменять относительное число a-частиц, рассеянных под различными углами q. Прибор помещался внутри откачанной камеры с целью устранить поглощение a-частиц в воздухе. Эти опыты были проведены Гейгером и Марсденом под руководством Резерфорда. Исследуя угол рассеяния, Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.

   Но  наиболее поразительным оказался факт, открытый Гейгером и Марсденом в 1909 году, – существование больших  углов рассеяния. Некоторая, очень  небольшая часть a-частиц (примерно одна из восьми тысяч) рассеивается на угол, больший прямого, отбрасываясь таким образом обратно к источнику. Тонкая пластина (толщиной примерно 4·10^-4 см) отбрасывала a-частицы, летящие с большой скоростью. Как раз в том же, 1909 году Резерфорд и Ройдс неопровержимо доказали, что a-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для таких тяжелых быстро движущихся частиц рассеивание на углы, большие прямого, казалось весьма невероятным. Резерфорд по этому поводу говорил: «Это было самое невероятное событие, с которым мне когда-либо приходилось сталкиваться. Это было почти также невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».

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

   Согласно  предложенной Томсоном модели атома, a-частицы должны были бы свободно проходить сквозь атомы золота и только отдельные a-частицы могли слегка отклоняться в кулоновском поле электрона. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.

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

   7 марта 1911 года Резерфорд сделал  в философском обществе в Манчестере  доклад «Рассеивание a- и b-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеивание заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, расположенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома a- и b-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, выраженной следующей формулой:

     где N_e–заряд в центре атома, Е–заряд отклоняемой частицы, m–ее масса, u–ее скорость. Кроме того, эта вероятность зависит от угла рассеяния j так, что число, рассеянных частиц на единицу площади пропорционально . 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 ±N_e. 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 году Гейгер и Марсден предприняли  новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, подсчитывая  рассеивание частиц по производимым ими сцинтиляционным 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 году считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

   Тем не менее классические модели строения атома страдали весьма глубокими  недостатками. С их помощью никак  не удавалось объяснить спектральные закономерности и устойчивость движения электронов внутри атома. Рано или поздно электроны в модели Резерфорда должны были прекратить движение, что прекращало существование атома. В действительности же атомы существовали, не обращая внимания на мрачные пророчества теории. Налицо было вопиющее противоречие между теорией и действительностью, причем противоречие на уровне самой исходной, самой бедной по содержанию – категорией существования. Спектральные закономерности еще можно было как-то надеяться вывести, представляя очень хитрым образом движение электронов вокруг ядра. Здесь же теория подрубалась под корень. 
 

   Атом  Бора. 

   Идеи  о непримиримости законов классической механики и электродинамики во всей их полноте к исследованию внутреннего  строения атома высказывались и  до Бора. Мысли о необходимости  учета квантового характера излучения  были также не новыми. Тем не менее  именно Нильс Бор заслуженно считается пионером квантовой теории атома. Имена его предшественников на этом пути – Никольсона, Штарка, Бьеррума и других, на которых Бор не устает ссылаться в своих первых статьях, сейчас мало кому известны. Это можно объяснить тем, что упомянутые авторы достигали только частных результатов, не объединенных в сколько-нибудь стройную систему, которая могла бы служить программой целого круга исследований и допускала бы количественную проверку на опыте.

   Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора. В 1903 году 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 году, спустя два года после окончания Бором университета, эта работа – «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» – была опубликована в трудах Лондонского Королевского общества.

   Весной 1911 года состоялась защита докторской диссертации Бора на тему «Анализ электронной теории металла», в сентябре того же года Бор приехал на стажировку в Кембридж к Дж.Дж. Томсону. 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 году. 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 году, когда Бор приехал  в Кембридж, сотрудник Томсона  Чарльз Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный ныне под названием «камера Вильсона». Этот прибор позволяет видеть 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] продолжал свои исследования по образованию тумана с 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 a-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 года 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 года 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. Интересно следующее замечание Бора: «Принципиальная разница между моделями атома, предложенными Томсоном и Резерфордом, заключается в том обстоятельстве, что силы, действующие на электрон в атоме Томсона, допускают определенные конфигурации и движение элементов, при которых система находится в устойчивом равновесии: такие конфигурации, очевидно, не существуют во второй модели атома. Природу этой разницы можно, по-видимому, сделать предельно ясной, если заметить, что среди величин, характеризующих первый атом, фигурирует некоторая величина – радиус положительной сферы размерности длины и того же порядка, что и линейные размеры атома, в то время как среди величин, характеризующих второй атом, – зарядов и масс элементов положительного ядра – такой длины не только не имеется, но она не может быть определена только с помощью этих последних величин». Иными словами в модели Дж.Дж. Томсона определенность пространственных размеров атома вытекает из жесткой количественной определенности элементарного свойства положительно заряженной части атома, что было естественным с точки зрения классического понимания категории структуры. В модели же Резерфорда определенность размеров атома требовала количественной определенности элементарного отношения (расстояние между ядром и самым удаленным электроном), в то время как классическое понимание категории структуры устанавливало только качественную определенность элементарных отношений.

   Кроме того, с моделью Резерфорда было не совместимо допущение о квазиупругом характере сил связи электрона  с ядром, поскольку все силы взаимодействия между частями атома изменялись согласно закону Кулона обратно пропорционально квадрату расстояния. Модель Томсона, в которой электрон находился внутри положительно заряженного «ядра», допускала существование таких сил.