Страница:
Эта гипотеза не шла ни в какое сравнение с прежней, так она была содержательна. Только-только родившаяся и еще не оформившаяся до конца, теория превращения элементов уже работала, как должна работать всякая настоящая физическая теория: она подсказывала новые проблемы и предсказывала новые эффекты!
Тотчас перестало казаться странным поведение полония.
А вскоре Резерфорд убедился, что полоний вообще не исключение: чистый уран и чистый торий тоже испускали лишь альфа-лучи и не испускали бета-электронов. Он установил это к весне 1902 года с помощью молодого А. Грайера, чье имя уже упоминалось мельком, когда речь шла о возникновении в Мак-Гилле школы Резерфорда. Инженер-электрик Грайер, подобно своему коллеге Оуэнсу, без раздумий пленился предложеннем Резсрфорда поработать вместе над сравнительным излучением альфа- и бета-радиаций.
Впрочем, на первый взгляд в той работе все еще не было равноправия между альфа- и бета-лучами. Грайеру пришлось придумывать установку для изучения ионизационного действия одних лишь бета-частиц: пущенный в дело магнит был достаточно мощен для заметного отклонения от прямолинейного пути только электронов. И само название для той работы Резерфорд выбрал одностороннее - «Отклоняемые лучи радиоактивных субстанций». Однако истинным героем всего исследования было альфа-излучение. Резерфорд прощался со старым заблуждением - с гипотезой о побочном происхождении альфа-лучей.
Но расставание со старой гипотезой еще не торжество новой. И хотя совместная работа с Грайером была завершена в апреле 1902 года, альфа-роман Резерфорда начался позднее, когда он уверился, что альфа-радиация - поток тяжелых частиц.
Это отняло еще полгода, ибо потребовало двух специальных исследований. Первое было закончено в июле и снова носило обманчивое название - такое, точно вовсе не альфа-лучи его интересовали: «Возбужденная радиоактивность…» Но снова все сводилось к размышлениям о природе альфа-лучей.
И на этот раз, совсем как в детской игре «холодно-горячо», он уже близко подошел к правде. Близко, но еще не вплотную. Безупречное логическое рассуждение привело его в последний момент к ошибке.
Он обнаружил: эманация, превращаясь в вещество возбужденной радиоактивности - в «Е. R.», - испускает только альфа-излучение. А налет «Е. R.» при этом легче всего образуется на отрицательно заряженной пластинке. Значит, это вещество заряжено положительно. Но атомы эманации нейтральны. Следовательно, альфа-лучи уносят из них заряды со знаком минус.
Так, летом 1902 года Резерфорд имел еще совсем превратное представление об альфа-лучах: да, это поток тяжелых частиц, но заряженных не положительно, а отрицательно!
К счастью, такая ошибка была легко исправимой. Может быть, поэтому о ней обычно не вспоминают ни биографы Резерфорда, ни историки атомной физики. А между тем это очень выразительная черта в летописи познания микромира: элементарнейшие вещи вовсе не давались сами в руки исследователей,
Резерфорд исправил свою ошибку осенью, после каникул.
А почему не сразу? Разве так уж сложно было поставить очевидный опыт: поместить источник альфа-лучей меж полюсов магнита и посмотреть, в какую сторону магнитное поле отклоняет эти гадательно заряженные частицы? Если в ту же, что и электроны, значит и заряд у них тот же: отрицательный. Если в противоположную - положительный...
Ну, разумеется, он это сделал. Но результат-то был неутешительный: альфа-лучи вообще не претерпевали отклонения, словно заряд их был равен нулю! Резерфорд был уже не первым, кого постигала такая неудача. Недаром в научной литературе того времени повелось называть альфа-радиацию неотклоняемыми лучами. Однако Резерфорд стал, кажется, первым, кого эта явная неудача не обескуражила. Он, представлявший себе атом в виде некой электрической системы, настолько не сомневался теперь в зараженности альфа-частиц, что их неотклоняемость в магнитном поле только подхлестнула его воображение. Из этого-то нелепого факта он и сделал вывод о массивности альфа-частиц. Маленький предположительный расчет - и он уверенно объявил в своей июльской работе, что слабое поле его лабораторного магнита просто не могло с ними справиться. Вот и все! А заряженность их несомненна.
Нужен был сильный магнит. И осенью, в дни майкл-терма 1902 года, он однажды зашел в электротехническую лабораторию Мак-Гилла. Старый друг Оуэнс понял его с полуслова.
Едва ли не в тот же день начался демонтаж самой большой университетской динамо-машины Эдисона мощностью в 30 киловатт. «Благодаря доброте профессора Оуэнса… я получил возможность создать достаточно сильное поле, чтобы полностью отклонить альфа-лучи».
Это не из частного письма и не из застольной речи. Это из текста статьи Резерфорда, в само название которой впервые проникли, наконец, альфа-лучи (правда, все еще под псевдонимом): «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей радия». С обычной своей обязательностью Резерфорд спешил отдать должное тем, кто помог ему в исканиях. Он не забыл указать даже, что только благодаря посредничеству Пьера Кюри у него в руках оказался довольно сносный радиевый препарат. И не забыл сделать ссылку на Стрэтта и Крукса, которые еще в 1900 году высказали предположение, что альфа-лучи, быть может, состоят из положительно заряженных частиц. Он сделал эту ссылку, хотя то были всего лишь словесные догадки, решительно ничем не обогатившие его собственное исследование. Но когда он с изумлением обнаружил, что альфа-частицы отклоняются в старону, противоположную электронам, он тотчас вспомнил о пророчестве своих коллег.
Но, конечно, смысл той памятной работы Резерфорда заключался отнюдь не в определении знака заряда альфа-частиц.
Свою июльскую ошибку он исправил попутно. За него это сделали сами альфа-частицы, отклонившись «не в ту сторону».
Главным же было другое: степень искривления их траекторий в магнитном поле. И еще: степень отклоняющего действия поля электрического. По двум этим величинам можно было составить количественное представление об альфа-частицах.
Так пятью годами раньше, весной 1897 года, Дж. Дж. Томсон с помощью подобных измерений набросал портрет своих корпускул-электронов. Он узнал, что они способны двигаться с колоссальными скоростями, близкими к световой. Но всего существенней, что он смог оценить отношение их заряда «е» е к массе «т». Знаменитое отношение: e/m! Сколько тонких экспериментаторских ухищрений вызвало к жизни стремление физиков все точнее и точнее определять эту величину. При лабораторной технике тех времен раздельное определение ничтожного заряда и ничтожной массы микротелец оказывалось почти недоступным. А величина e/m входила в формулы для многих макрособытий, и потому попытки все более точного ее измерения не были тщетными.
Нетрудно понять, ожиданием какого результата томился Резерфорд.
Не отвлеченные философические рассуждения привели к открытию электрона: громадная величина для этих заряженных корпускул - вот что в свое время ошеломило Дж. Дж.
Вот что заставило его объявить о существовании в природе телец с массой в тысячу раз меньшей, чем у легчайшего из атомов - водородного. А Резерфорд уже знал, как трудно отклонить магнитным полем альфа-частицы. Он не сомневался, что величина e/m для них сравнительно невелика. Причин m могло быть две: малость заряда «е» или значительность массы «m». Либо то и другое вместе. Но весь опыт физики убеждал, что заряда меньше электронного не бывает. Следовало ожидать, что у альфа-частиц масса велика - сравнима с массой целых атомов!
Но если это правда, думал он, то теория атомного распада срузу получит внушительное подтверждение. Станет ясно, почему испускание альфа-лучей приводит к таким глубоким последствиям, как превращение одного элемента в другой. Атом теряет ощутимую часть своей массы - изменяется его атомный вес! (Различие в атомных весах еще казалось тогда самым фундаментальным различием атомов - на этом построена была периодическая система Менделеева) Когда рассказывают об экспериментаторском гении Резерфорда, в ряду обязательных примеров всегда вспомигают и ту его осеннюю работу 1902 года. Но ее красота впечатляет только физиков-экспериментаторов. Они прщают ему, что он преодолел лишь половину технических трудностей дела, ибо знают им цену. Он сумел надежно измерить отклонение альфа-частиц лишь в магнитном поле, а в электрическом - не сумел. Эффект был замаскирован побочными явлениями.
Все же к ноябрю он имел все основания дать первую правдоподобную оценку e/m , а заодно и скорости этих частиц. Но, готовя статью для «Philosophical magazine», он вынужден был предупредить читателей-коллег:
Эти результаты - только грубые приближения и просто показывают порядок величин. А величины были такие: скорость - примерно 25 тысяч километров в секунду, около о,1 скорости света и e/m - примерно 6000. В тех же единицах по тогдашним заниженным данным e/m для водородного иона достигало 10 тысяч, а для электрона превышало 10 миллионов.
В тот день, когда Резерфорд сумел сделать свой подсчет, из его профессорской комнаты громко доносилось: «Вперед, со-о-лдаты Христа...» И живо представляется, как повторялся один и тот же кадр: приоткрывалась дверь, и в ее проеме поочередно возникали фигуры его «мальчиков» - то Бэрнс, то Мак-Кланг, то Грайер, то Аллен, то Кук, то Оуэнс наконец: у каждого улыбка на лице и молчаливый вопрос в глазах: «сколько?» И каждому в ответ короткое: «Шесть тысяч, мальчики!»
Все понимали, что это значит для шефа. Для шефа и для атомной физики. Шесть тысяч почти в два раза меньше десяти. И следовательно, альфа-частицы почти в два раза тяжелее атомов водорода! Это при условии, что заряд у них минимальный, такой же, как у водородного иона: e=+1. А если заряд их больше - скажем, 2e? Тогда и масса вдвое больше...И они уже равны по массе учетверенным атомам водорода...Скромнейшая арифметика кружила голову. В конце отчетной статьи Резерфорд позволил себе напророчествовать:
Так 10 ноября 1902 года Эрнст Резерфорд дал первый набросок своей будущей модели атома. Набросок грубый, как наскальный рисунок дикаря, но и столь же выразительный. Замечательны были незаметные слова - «по крайней мере частично». В них заключался намек на возможность неоднородного строения атома. При большем желании в них можно увидеть предвосхищение идеи атомного ядра, пространсвенно отделенного от электронов...
Вот когда действительно начался его альфа-роман
Однако всю зиму 1902/03 года он не углублялся в новые иссзиму ледования альфа-частиц: недоставало времени. У него в работе была первая его книга - обширная монография, задуманная как энциклопедия радиоактивности. Он приступил к делу еще летом и 1 августа написал матери, что надеется справится с этой нелегкой задачей в течение года. Уведомление, что он пишет большую книгу, показалось ему хвастливым, и он, как всегда в таких случаях, постарался тут же отшутиться. Ему вспомнились строки из Экклезиаста: «Ты видишь, я пренебрег предписанием царя-Соломона: «...составлять много книг - конца не будет, и много читать утомительно для тела». За зиму из-под его пера вышел целый том - около 400 страниц энергичного текста. Мудрено ли, что той зимой он заставил себя все остальное отодвинул на задний план. Даже альфа-частицы.
Но как всякий влюбленный он думал о них беспрестанно. Думал и тогда, кога прощался в Монреале с отъезжающим Сонди и составлял свою разграничительную схему дальнейших исследований. И тогда, когда покупал у Изенталя брауншвейгский бромид. И когда встречался с Кюри. И когда выступал в Саутспорте. Именно памятным летом 1903 года, в дни его путешествия по Европе - на отдыхе! - пришли ему в голову две догадки, столь важные, что он поспешил тогда же высказать их вслух.
Одна была очень определенной и прямо звала к действию. Другая этим достоинством не обладала, но была несравненно значительней: в ней дремало все будущее атомно-ядерной физики. И его собственное будущее. И как показало время, наше - всечеловеческое - будущее тоже.
В Уэльсе шли дожди. Они шли с осенней безнадежностью, хотя над Британскими островами стоял август. Они наводили тоску на вдову де Рензи Ньютон, на Мэри, на маленькую Эйлин. И всего больше на главу святого семейства: он без компромиссов любил летом - лето, зимою - зиму. Нелегкая понесла их после Парижа, после Швейцарии в этот Северный Уэльс с его непроизносимыми географическими названиями и климатом, менее всего пригодным для каникул. Оставалось одно избавленье: работать! И обнесенный стенами дождя в местечке Беттуси-Коэд, профессор Резерфорд работал.
Он правил кипы гранок своей «Радиоактивности» (так, через дефис, писал он это слово). Их ждало издательство Кембриджского университета: как и сам Резерфорд, оно торопилось первым выпустить в свет всеобъемлющую монографию по предмету, который теперь, после открытия превращения элементов, волновал научные круги уже во всем мире. Для поспешности была и другая причина - не приоритетная, а существенная. Каждый месяц приносил немаловажные новости.
Итоги семилетнего изучения радиоактивности подводились в этой книге на ходу. И сам автор был из тех, кто развивал новую науку быстрее, чем работала типография. Оттяжки приводили бы к непрерывному и неизбежному расширению текста. Книга обещала успешную распродажу и переиздания с дополнениями. (Переиздание понадобилось уже в следующем году, и было в нем не 382 страницы, как в первом, а 558!) Да, автор работал быстрее типографии. Пока под нескончаемо ровный метроном дождя рука Резерфорда правила огрехи в гранках, его мысль вела поиск далеко за пределами набранного текста. Однажды - было это, очевидно, 15 августа 1903 года - вымокший почтальон принес ему письма и бандероли из Лондона. Среди них последний номер «Nature», вышедший два дня назад. Он пробежал статью Рамзая и Содди. Подумал, сколько разговоров вызовет она среди ученых.
Но для него, единственного, там не было ничего нового: доказывалось, что радий и эманация порождают гелий. Однако приятно было прочесть, что это поработали на Говер-стрит его заветные 30 миллиграммов изенталевского бромида.
Он уже снова склонился над гранками, как вдруг неотлучная мысль об альфа-частицах заставила его схватить чистый лист бумаги. Мысль была коротка и неотразима- удивительно, что раньше она не приходила ему на ум: «Да ведь эти атомы гелия, рождаемые радием, просто альфа-частицы!»
К вечеру он закончил двухстраничную статью для «Nature» - краткие соображения в пользу новой идеи и возможная программа их экспериментальной проверки. Он сделал остроумный оценочный подсчет количества альфа-частиц, испускаемых граммом радия за секунду. Все нужные для этого данные были под рукой - в гранках его собственной книги. Но, впрочем, он помнил эти данные наизусть, а считать любил в уме. Получилось - 2,4-10" альфа-частиц в секунду. Весьма приблизительная величина… Однако не столько само число тут было интересно, сколько руководящая нить его расчета.
Пьер Кюри давно обнаружил: радий теплее окружающей его атмосферы. А недавно вместе с Лабордом измерил этот тепловой эффект. Резерфорд подумал: источник «лишнего» тепла - движение альфа-частиц. Они вылетают из атомов радия во всей массе препарата и легко поглощаются в его толще, передавая свою кинетическую энергию молекулам радиевой соли и повышая ее температуру. Другими словами, препарат нагревается за счет энергии движения всех альфа-частиц, излучаемых радием: можно пренебречь той их малой долей, что все-таки прорывается наружу и растрачивает свою энергию в воздухе. Скорость альфа-частиц известна - он сам дал ей приблизительную оценку. И масса известна, если верно, что они - ионы гелия. А масса и скорость - все, что нужно для определения энергии каждой частицы в отдельности…
Он написал:
Так, разделив величину теплового эффекта Кюри - Лабода на величину энергии одной частицы, он получил число: 2,4-10". А по данным Томсона и Таунсенда, он так же легко прикинул, сколько ионов должно содержаться в кубике полностью ионизованного газа: 3,6-1019 при нормальном давлении. Теперь, взяв отношение первого числа ко второму, он узнал, какой объем гелия или «альфа-газа» должен выделяться из грамма радия за секунду: примерно шесть миллионных долей кубического миллиметра. Вот и основа для возможного эксперимента!
Он еще не знал тогда, что через пять лет, уже не в Монреале, а в Манчестере, найдет красивейший способ прямо продемонстрировать равнозначность гелия и альфа-частиц. И та его маленькая статья 1903 года сегодня интересна главным образом с психологической точки зрения. Так обычно рождались его замыслы: томление мысли приводило к внезапной догадке; пробужденное воображение тотчас отыскивало наглядную модель явления; завидная память выплескивала всю нужную количественную информацию; жажда новых результатов торопила поиск решения, и оно созревало безотлагательно…
С момента появления вымокшего почтальона до отправки в Лондон той статьи не прошло и суток. Во всяком случае, дождь затихнуть не успел. …Тихая бомбардировка дождя. Может быть, это она укрепила тогда в его воображении образ самобомбардировки радия - непрерывной бомбардировки атомов альфа-частицами.
Конечно, этот образ и до Резерфорда встречался если не в атомной, то в статистической физике. Но после Резерфорда он стал популярнейшей метафорой в науке о микромире. А все оттого, что Резерфорд увидел в нем нечто большее, чем удачную метафору: ему открылся прямой артиллерийский - наступательный! - смысл атомной бомбардировки.
С этим-то и связана была вторая догадка, осенившая его под дождями Уэльса.
Дожди его так донимали, что он пожаловался на небеса Дж. Дж. Томсону, точно тот был господом богом и мог разогнать облака над уэльским местечком. Дж. Дж. утешил его наилучшим образом: написал в ответ, что все это знакомо ему самому по горькому опыту, но зато, добавил он, Резерфорд будет вознагражден хорошими днями в Саутспорте. Он имел в виду не погоду, а признание и аплодисменты. (Дж. Дж. не предвидел столкновений с Кельвином и Армстронгом.) Резерфорд начал обдумывать свою будущую, отчасти уже известную нам речь на конгрессе Би-Эй. Представил себе море голов, в котором лишь островками будут разбросаны истинно сведущие в предмете люди. И решил: надо будет, кроме всего прочего, рассказать о вещах, поражающих воображение.
Он вспомнил об опытах со спинтарископом Крукса. В общем-то к этому простенькому прибору относились тогда как к «научной игрушке» (Андраде). Продолговатый ящик. Одна из стенок - экран, покрытый сернистым цинком. Напротив - линза. Перед экраном крупинка радия на тонкой игле. Радиация вызывает мгновенные вспышки на экране. Они хорошо видны через линзу. Их можно при желании даже считать. …В спинтарископе Резерфорда вместо радия излучала крупинка полония. Это означало, что сцинцилляции наверняка вызывались только альфа-бомбардировкой. В сущности, никакого опыта и не было. Было размышление над физическим смы слом этих завораживающе красивых микрособытий. Объяснить их физика еще не умела. Но Резерфорд реально представил себе происходящее: летит тяжелый снаряд, соизмеримый с самими атомами экрана-мишени; он врезается в один из них, принеся с собою огромную энергию; и встретившийся с такой альфа-частицей атом не просто отлетает в сторону; что-то важное совершается в его недрах; воочию наблюдаемое световое излучение пострадавшего атома - последствие такого вторжения.
Инструмент для проникновения во внутриатомный мир - вот что такое альфа-частицы!
В Саутспорте, заговорив о сцинцилляциях, он выразил эту мысль в словах, действительно поразивших воображение многих: «Впервые мы наблюдали некий, вероятно единичный, атомный эффект»!
…Хмурые валлийцы в Беттус-и-Коэд не знали, как благодатен был тот угнетающий августовский дождь. И не подозревали, какие всходы он даст. Не на полях - в лабораториях.
А чертыхавшийся чужеземец., канадский профессор, не выдержавший, наконец, испытания сыростью и до срока бежавший от разверзшихся над Уэльсом хлябей небесных, он-то сполна ли представлял себе будущий урожай? Даже его необъятного воображения было для этого мало.
Одно он знал с несомненностью: отныне и надолго с альфа- частицами будут связаны все его главные помыслы и большие ожидания. И теперь уже о них, а не об ионах, начал говорить он с гулливеровской нежностью - «веселые малыши».
Оттого-то, возвращаясь осенью 1903 года из Европы в Канаду, он все время помнил о свинцовой коробочке с 30 миллиграммами бромида радия.
Однако кончилось все миролюбиво: профессор сказал, что готов подписать обязательство провезти конфликтный ящичек по территории Штатов в полной сохранности, другими словами - не спекулируя по дороге миллиграммами непонятной драгоценности. Американские чиновники тотчас согласились с профессором. Это перекладывало решение пошлинной проблемы на совесть их канадских коллег. На канадской таможне возникло лишь пустяковое затруднение: американцы в сопроводительном письме назвали его мак-гилльским профессором из Торошо. Дело не в том. что они не знали, где находится Мак-Гилл. Дело в том, что имя Эрнста Резерфорда еще не было настолько знаменито, чтобы их ошибку следовало считать непростительной.
Далеко еще было до эпохи, когда физики стали в глазах человечества сопричастны судьбам истории. Еще не вошло в употребление слово «атомник». И хотя журналисты уже осаждали Мак-Гилл и газеты плели небылицы о превращениях материи, слава Резерфорда была всесветной только в ученом мире. Но зато в этой профессиональной и ревнивой среде он слыл уже не просто «львом сезона». Ободряющая острота Джозефа Лармора была слишком светской, чтобы быть еще и достаточно точной. Коллеги видели в Резерфорде отнюдь не сенсационного героя - баловня внезапного успеха. Они сознавали: это был калиф не на час, а на жизнь!
Положение обязывает. И где-то на рубеже 1903-1904 годов весь распорядок жизни Резерфорда стал не похож на прежний.
В это именно время вышла в Кембридже его всеобъемлющая «Радиоактивность». Дж. Дж. отозвался о ней так: «Резерфорд не только расширил границы знания в этой области, но оккупировал целую новую провинцию». Молодая наука, уже дав обещание открыть пути в глубины материи, подытоживала первые свои завоевания - оглядывалась назад и заглядывала вперед. Только что разделили - заслуженно и, как всегда, с опозданием - Нобелевскую премию 1903 года Анри Веккерель и супруги Кюри. Резерфорд удостоился этой чести позднее. Но книга его уже как бы оповестила о превращении в столицу радиоактивности провинциального Монреаля.
Город на Святом Лаврентии сделался «радиоактивней» Парижа, а Резерфорд - суверенней своих парижских коллег и друзей. Он вырос в правителя революционного и отчаянно жизнеспособного государства. Ему давали это понять отовсюду и на каждом шагу. А у власти есть не только преимущества: тот, кого она наверняка лишает свободы, это сам правитель. Он перестает принадлежать себе. Канадец оказался нужен всем - для суда и совета, для дела и представительства, для миссионерских проповедей и для защиты новой веры.
А он был равно пригоден для любой из этих ролей. Главное - ему самому, не отшельнику, а жизнелюбу, была по душе такая власть. Ее обременительность его не обременяла.
«Силы в нем было много, и сочеталась она с легкостью». Ему по вкусу пришлось проявлять свою силу в разнообразном действии.
Кончилась простая сосредоточенность жизни, ясно поделенной между четырехэтажной громадой Физикс-билдинга и маленьким домом на улице Св. Семейства. Не сама сосредоточенность кончилась, а прежняя простота ее воплощения.
Не рассеянность появилась в жизни, а дробность. И мы, идущие за ним следом, теперь - в последние годы Монреаля - словно застаем его на лестнице со множеством зеркал: он-то все тот же, поднимающийся вверх, единый и цельный, но отражений много и ракурсы различны.
Тотчас перестало казаться странным поведение полония.
А вскоре Резерфорд убедился, что полоний вообще не исключение: чистый уран и чистый торий тоже испускали лишь альфа-лучи и не испускали бета-электронов. Он установил это к весне 1902 года с помощью молодого А. Грайера, чье имя уже упоминалось мельком, когда речь шла о возникновении в Мак-Гилле школы Резерфорда. Инженер-электрик Грайер, подобно своему коллеге Оуэнсу, без раздумий пленился предложеннем Резсрфорда поработать вместе над сравнительным излучением альфа- и бета-радиаций.
Впрочем, на первый взгляд в той работе все еще не было равноправия между альфа- и бета-лучами. Грайеру пришлось придумывать установку для изучения ионизационного действия одних лишь бета-частиц: пущенный в дело магнит был достаточно мощен для заметного отклонения от прямолинейного пути только электронов. И само название для той работы Резерфорд выбрал одностороннее - «Отклоняемые лучи радиоактивных субстанций». Однако истинным героем всего исследования было альфа-излучение. Резерфорд прощался со старым заблуждением - с гипотезой о побочном происхождении альфа-лучей.
Но расставание со старой гипотезой еще не торжество новой. И хотя совместная работа с Грайером была завершена в апреле 1902 года, альфа-роман Резерфорда начался позднее, когда он уверился, что альфа-радиация - поток тяжелых частиц.
Это отняло еще полгода, ибо потребовало двух специальных исследований. Первое было закончено в июле и снова носило обманчивое название - такое, точно вовсе не альфа-лучи его интересовали: «Возбужденная радиоактивность…» Но снова все сводилось к размышлениям о природе альфа-лучей.
И на этот раз, совсем как в детской игре «холодно-горячо», он уже близко подошел к правде. Близко, но еще не вплотную. Безупречное логическое рассуждение привело его в последний момент к ошибке.
Он обнаружил: эманация, превращаясь в вещество возбужденной радиоактивности - в «Е. R.», - испускает только альфа-излучение. А налет «Е. R.» при этом легче всего образуется на отрицательно заряженной пластинке. Значит, это вещество заряжено положительно. Но атомы эманации нейтральны. Следовательно, альфа-лучи уносят из них заряды со знаком минус.
Так, летом 1902 года Резерфорд имел еще совсем превратное представление об альфа-лучах: да, это поток тяжелых частиц, но заряженных не положительно, а отрицательно!
К счастью, такая ошибка была легко исправимой. Может быть, поэтому о ней обычно не вспоминают ни биографы Резерфорда, ни историки атомной физики. А между тем это очень выразительная черта в летописи познания микромира: элементарнейшие вещи вовсе не давались сами в руки исследователей,
Резерфорд исправил свою ошибку осенью, после каникул.
А почему не сразу? Разве так уж сложно было поставить очевидный опыт: поместить источник альфа-лучей меж полюсов магнита и посмотреть, в какую сторону магнитное поле отклоняет эти гадательно заряженные частицы? Если в ту же, что и электроны, значит и заряд у них тот же: отрицательный. Если в противоположную - положительный...
Ну, разумеется, он это сделал. Но результат-то был неутешительный: альфа-лучи вообще не претерпевали отклонения, словно заряд их был равен нулю! Резерфорд был уже не первым, кого постигала такая неудача. Недаром в научной литературе того времени повелось называть альфа-радиацию неотклоняемыми лучами. Однако Резерфорд стал, кажется, первым, кого эта явная неудача не обескуражила. Он, представлявший себе атом в виде некой электрической системы, настолько не сомневался теперь в зараженности альфа-частиц, что их неотклоняемость в магнитном поле только подхлестнула его воображение. Из этого-то нелепого факта он и сделал вывод о массивности альфа-частиц. Маленький предположительный расчет - и он уверенно объявил в своей июльской работе, что слабое поле его лабораторного магнита просто не могло с ними справиться. Вот и все! А заряженность их несомненна.
Нужен был сильный магнит. И осенью, в дни майкл-терма 1902 года, он однажды зашел в электротехническую лабораторию Мак-Гилла. Старый друг Оуэнс понял его с полуслова.
Едва ли не в тот же день начался демонтаж самой большой университетской динамо-машины Эдисона мощностью в 30 киловатт. «Благодаря доброте профессора Оуэнса… я получил возможность создать достаточно сильное поле, чтобы полностью отклонить альфа-лучи».
Это не из частного письма и не из застольной речи. Это из текста статьи Резерфорда, в само название которой впервые проникли, наконец, альфа-лучи (правда, все еще под псевдонимом): «Магнитное и электрическое отклонение легко поглощаемых лучей радия». С обычной своей обязательностью Резерфорд спешил отдать должное тем, кто помог ему в исканиях. Он не забыл указать даже, что только благодаря посредничеству Пьера Кюри у него в руках оказался довольно сносный радиевый препарат. И не забыл сделать ссылку на Стрэтта и Крукса, которые еще в 1900 году высказали предположение, что альфа-лучи, быть может, состоят из положительно заряженных частиц. Он сделал эту ссылку, хотя то были всего лишь словесные догадки, решительно ничем не обогатившие его собственное исследование. Но когда он с изумлением обнаружил, что альфа-частицы отклоняются в старону, противоположную электронам, он тотчас вспомнил о пророчестве своих коллег.
Но, конечно, смысл той памятной работы Резерфорда заключался отнюдь не в определении знака заряда альфа-частиц.
Свою июльскую ошибку он исправил попутно. За него это сделали сами альфа-частицы, отклонившись «не в ту сторону».
Главным же было другое: степень искривления их траекторий в магнитном поле. И еще: степень отклоняющего действия поля электрического. По двум этим величинам можно было составить количественное представление об альфа-частицах.
Так пятью годами раньше, весной 1897 года, Дж. Дж. Томсон с помощью подобных измерений набросал портрет своих корпускул-электронов. Он узнал, что они способны двигаться с колоссальными скоростями, близкими к световой. Но всего существенней, что он смог оценить отношение их заряда «е» е к массе «т». Знаменитое отношение: e/m! Сколько тонких экспериментаторских ухищрений вызвало к жизни стремление физиков все точнее и точнее определять эту величину. При лабораторной технике тех времен раздельное определение ничтожного заряда и ничтожной массы микротелец оказывалось почти недоступным. А величина e/m входила в формулы для многих макрособытий, и потому попытки все более точного ее измерения не были тщетными.
Нетрудно понять, ожиданием какого результата томился Резерфорд.
Не отвлеченные философические рассуждения привели к открытию электрона: громадная величина для этих заряженных корпускул - вот что в свое время ошеломило Дж. Дж.
Вот что заставило его объявить о существовании в природе телец с массой в тысячу раз меньшей, чем у легчайшего из атомов - водородного. А Резерфорд уже знал, как трудно отклонить магнитным полем альфа-частицы. Он не сомневался, что величина e/m для них сравнительно невелика. Причин m могло быть две: малость заряда «е» или значительность массы «m». Либо то и другое вместе. Но весь опыт физики убеждал, что заряда меньше электронного не бывает. Следовало ожидать, что у альфа-частиц масса велика - сравнима с массой целых атомов!
Но если это правда, думал он, то теория атомного распада срузу получит внушительное подтверждение. Станет ясно, почему испускание альфа-лучей приводит к таким глубоким последствиям, как превращение одного элемента в другой. Атом теряет ощутимую часть своей массы - изменяется его атомный вес! (Различие в атомных весах еще казалось тогда самым фундаментальным различием атомов - на этом построена была периодическая система Менделеева) Когда рассказывают об экспериментаторском гении Резерфорда, в ряду обязательных примеров всегда вспомигают и ту его осеннюю работу 1902 года. Но ее красота впечатляет только физиков-экспериментаторов. Они прщают ему, что он преодолел лишь половину технических трудностей дела, ибо знают им цену. Он сумел надежно измерить отклонение альфа-частиц лишь в магнитном поле, а в электрическом - не сумел. Эффект был замаскирован побочными явлениями.
Все же к ноябрю он имел все основания дать первую правдоподобную оценку e/m , а заодно и скорости этих частиц. Но, готовя статью для «Philosophical magazine», он вынужден был предупредить читателей-коллег:
Эти результаты - только грубые приближения и просто показывают порядок величин. А величины были такие: скорость - примерно 25 тысяч километров в секунду, около о,1 скорости света и e/m - примерно 6000. В тех же единицах по тогдашним заниженным данным e/m для водородного иона достигало 10 тысяч, а для электрона превышало 10 миллионов.
В тот день, когда Резерфорд сумел сделать свой подсчет, из его профессорской комнаты громко доносилось: «Вперед, со-о-лдаты Христа...» И живо представляется, как повторялся один и тот же кадр: приоткрывалась дверь, и в ее проеме поочередно возникали фигуры его «мальчиков» - то Бэрнс, то Мак-Кланг, то Грайер, то Аллен, то Кук, то Оуэнс наконец: у каждого улыбка на лице и молчаливый вопрос в глазах: «сколько?» И каждому в ответ короткое: «Шесть тысяч, мальчики!»
Все понимали, что это значит для шефа. Для шефа и для атомной физики. Шесть тысяч почти в два раза меньше десяти. И следовательно, альфа-частицы почти в два раза тяжелее атомов водорода! Это при условии, что заряд у них минимальный, такой же, как у водородного иона: e=+1. А если заряд их больше - скажем, 2e? Тогда и масса вдвое больше...И они уже равны по массе учетверенным атомам водорода...Скромнейшая арифметика кружила голову. В конце отчетной статьи Резерфорд позволил себе напророчествовать:
Способность радиоактивных веществ испускать по-видимому, самопроизвольно, большие массы с громадными скоростями подтверждает ту точку зрения, что атомы этих субстанций устроены, по крайней мере частично, как быстро вращающиеся или колеблющиеся системы заряженых телец, весьма тяжелых по сравнению с электроном.
Так 10 ноября 1902 года Эрнст Резерфорд дал первый набросок своей будущей модели атома. Набросок грубый, как наскальный рисунок дикаря, но и столь же выразительный. Замечательны были незаметные слова - «по крайней мере частично». В них заключался намек на возможность неоднородного строения атома. При большем желании в них можно увидеть предвосхищение идеи атомного ядра, пространсвенно отделенного от электронов...
Вот когда действительно начался его альфа-роман
Однако всю зиму 1902/03 года он не углублялся в новые иссзиму ледования альфа-частиц: недоставало времени. У него в работе была первая его книга - обширная монография, задуманная как энциклопедия радиоактивности. Он приступил к делу еще летом и 1 августа написал матери, что надеется справится с этой нелегкой задачей в течение года. Уведомление, что он пишет большую книгу, показалось ему хвастливым, и он, как всегда в таких случаях, постарался тут же отшутиться. Ему вспомнились строки из Экклезиаста: «Ты видишь, я пренебрег предписанием царя-Соломона: «...составлять много книг - конца не будет, и много читать утомительно для тела». За зиму из-под его пера вышел целый том - около 400 страниц энергичного текста. Мудрено ли, что той зимой он заставил себя все остальное отодвинул на задний план. Даже альфа-частицы.
Но как всякий влюбленный он думал о них беспрестанно. Думал и тогда, кога прощался в Монреале с отъезжающим Сонди и составлял свою разграничительную схему дальнейших исследований. И тогда, когда покупал у Изенталя брауншвейгский бромид. И когда встречался с Кюри. И когда выступал в Саутспорте. Именно памятным летом 1903 года, в дни его путешествия по Европе - на отдыхе! - пришли ему в голову две догадки, столь важные, что он поспешил тогда же высказать их вслух.
Одна была очень определенной и прямо звала к действию. Другая этим достоинством не обладала, но была несравненно значительней: в ней дремало все будущее атомно-ядерной физики. И его собственное будущее. И как показало время, наше - всечеловеческое - будущее тоже.
В Уэльсе шли дожди. Они шли с осенней безнадежностью, хотя над Британскими островами стоял август. Они наводили тоску на вдову де Рензи Ньютон, на Мэри, на маленькую Эйлин. И всего больше на главу святого семейства: он без компромиссов любил летом - лето, зимою - зиму. Нелегкая понесла их после Парижа, после Швейцарии в этот Северный Уэльс с его непроизносимыми географическими названиями и климатом, менее всего пригодным для каникул. Оставалось одно избавленье: работать! И обнесенный стенами дождя в местечке Беттуси-Коэд, профессор Резерфорд работал.
Он правил кипы гранок своей «Радиоактивности» (так, через дефис, писал он это слово). Их ждало издательство Кембриджского университета: как и сам Резерфорд, оно торопилось первым выпустить в свет всеобъемлющую монографию по предмету, который теперь, после открытия превращения элементов, волновал научные круги уже во всем мире. Для поспешности была и другая причина - не приоритетная, а существенная. Каждый месяц приносил немаловажные новости.
Итоги семилетнего изучения радиоактивности подводились в этой книге на ходу. И сам автор был из тех, кто развивал новую науку быстрее, чем работала типография. Оттяжки приводили бы к непрерывному и неизбежному расширению текста. Книга обещала успешную распродажу и переиздания с дополнениями. (Переиздание понадобилось уже в следующем году, и было в нем не 382 страницы, как в первом, а 558!) Да, автор работал быстрее типографии. Пока под нескончаемо ровный метроном дождя рука Резерфорда правила огрехи в гранках, его мысль вела поиск далеко за пределами набранного текста. Однажды - было это, очевидно, 15 августа 1903 года - вымокший почтальон принес ему письма и бандероли из Лондона. Среди них последний номер «Nature», вышедший два дня назад. Он пробежал статью Рамзая и Содди. Подумал, сколько разговоров вызовет она среди ученых.
Но для него, единственного, там не было ничего нового: доказывалось, что радий и эманация порождают гелий. Однако приятно было прочесть, что это поработали на Говер-стрит его заветные 30 миллиграммов изенталевского бромида.
Он уже снова склонился над гранками, как вдруг неотлучная мысль об альфа-частицах заставила его схватить чистый лист бумаги. Мысль была коротка и неотразима- удивительно, что раньше она не приходила ему на ум: «Да ведь эти атомы гелия, рождаемые радием, просто альфа-частицы!»
К вечеру он закончил двухстраничную статью для «Nature» - краткие соображения в пользу новой идеи и возможная программа их экспериментальной проверки. Он сделал остроумный оценочный подсчет количества альфа-частиц, испускаемых граммом радия за секунду. Все нужные для этого данные были под рукой - в гранках его собственной книги. Но, впрочем, он помнил эти данные наизусть, а считать любил в уме. Получилось - 2,4-10" альфа-частиц в секунду. Весьма приблизительная величина… Однако не столько само число тут было интересно, сколько руководящая нить его расчета.
Пьер Кюри давно обнаружил: радий теплее окружающей его атмосферы. А недавно вместе с Лабордом измерил этот тепловой эффект. Резерфорд подумал: источник «лишнего» тепла - движение альфа-частиц. Они вылетают из атомов радия во всей массе препарата и легко поглощаются в его толще, передавая свою кинетическую энергию молекулам радиевой соли и повышая ее температуру. Другими словами, препарат нагревается за счет энергии движения всех альфа-частиц, излучаемых радием: можно пренебречь той их малой долей, что все-таки прорывается наружу и растрачивает свою энергию в воздухе. Скорость альфа-частиц известна - он сам дал ей приблизительную оценку. И масса известна, если верно, что они - ионы гелия. А масса и скорость - все, что нужно для определения энергии каждой частицы в отдельности…
Он написал:
Такая самобомбардировка радия, вероятно, и создает большую часть тепла, которое поддерживает в препарате температуру более высокую, чем у окружающей атмосферы. Предположив в данном случае, что все тепло имеет своим источником эту непрерывную бомбардировку, можно легко оценить число альфа-частиц, испускаемых за секунду граммом радия.
Так, разделив величину теплового эффекта Кюри - Лабода на величину энергии одной частицы, он получил число: 2,4-10". А по данным Томсона и Таунсенда, он так же легко прикинул, сколько ионов должно содержаться в кубике полностью ионизованного газа: 3,6-1019 при нормальном давлении. Теперь, взяв отношение первого числа ко второму, он узнал, какой объем гелия или «альфа-газа» должен выделяться из грамма радия за секунду: примерно шесть миллионных долей кубического миллиметра. Вот и основа для возможного эксперимента!
Он еще не знал тогда, что через пять лет, уже не в Монреале, а в Манчестере, найдет красивейший способ прямо продемонстрировать равнозначность гелия и альфа-частиц. И та его маленькая статья 1903 года сегодня интересна главным образом с психологической точки зрения. Так обычно рождались его замыслы: томление мысли приводило к внезапной догадке; пробужденное воображение тотчас отыскивало наглядную модель явления; завидная память выплескивала всю нужную количественную информацию; жажда новых результатов торопила поиск решения, и оно созревало безотлагательно…
С момента появления вымокшего почтальона до отправки в Лондон той статьи не прошло и суток. Во всяком случае, дождь затихнуть не успел. …Тихая бомбардировка дождя. Может быть, это она укрепила тогда в его воображении образ самобомбардировки радия - непрерывной бомбардировки атомов альфа-частицами.
Конечно, этот образ и до Резерфорда встречался если не в атомной, то в статистической физике. Но после Резерфорда он стал популярнейшей метафорой в науке о микромире. А все оттого, что Резерфорд увидел в нем нечто большее, чем удачную метафору: ему открылся прямой артиллерийский - наступательный! - смысл атомной бомбардировки.
С этим-то и связана была вторая догадка, осенившая его под дождями Уэльса.
Дожди его так донимали, что он пожаловался на небеса Дж. Дж. Томсону, точно тот был господом богом и мог разогнать облака над уэльским местечком. Дж. Дж. утешил его наилучшим образом: написал в ответ, что все это знакомо ему самому по горькому опыту, но зато, добавил он, Резерфорд будет вознагражден хорошими днями в Саутспорте. Он имел в виду не погоду, а признание и аплодисменты. (Дж. Дж. не предвидел столкновений с Кельвином и Армстронгом.) Резерфорд начал обдумывать свою будущую, отчасти уже известную нам речь на конгрессе Би-Эй. Представил себе море голов, в котором лишь островками будут разбросаны истинно сведущие в предмете люди. И решил: надо будет, кроме всего прочего, рассказать о вещах, поражающих воображение.
Он вспомнил об опытах со спинтарископом Крукса. В общем-то к этому простенькому прибору относились тогда как к «научной игрушке» (Андраде). Продолговатый ящик. Одна из стенок - экран, покрытый сернистым цинком. Напротив - линза. Перед экраном крупинка радия на тонкой игле. Радиация вызывает мгновенные вспышки на экране. Они хорошо видны через линзу. Их можно при желании даже считать. …В спинтарископе Резерфорда вместо радия излучала крупинка полония. Это означало, что сцинцилляции наверняка вызывались только альфа-бомбардировкой. В сущности, никакого опыта и не было. Было размышление над физическим смы слом этих завораживающе красивых микрособытий. Объяснить их физика еще не умела. Но Резерфорд реально представил себе происходящее: летит тяжелый снаряд, соизмеримый с самими атомами экрана-мишени; он врезается в один из них, принеся с собою огромную энергию; и встретившийся с такой альфа-частицей атом не просто отлетает в сторону; что-то важное совершается в его недрах; воочию наблюдаемое световое излучение пострадавшего атома - последствие такого вторжения.
Инструмент для проникновения во внутриатомный мир - вот что такое альфа-частицы!
В Саутспорте, заговорив о сцинцилляциях, он выразил эту мысль в словах, действительно поразивших воображение многих: «Впервые мы наблюдали некий, вероятно единичный, атомный эффект»!
…Хмурые валлийцы в Беттус-и-Коэд не знали, как благодатен был тот угнетающий августовский дождь. И не подозревали, какие всходы он даст. Не на полях - в лабораториях.
А чертыхавшийся чужеземец., канадский профессор, не выдержавший, наконец, испытания сыростью и до срока бежавший от разверзшихся над Уэльсом хлябей небесных, он-то сполна ли представлял себе будущий урожай? Даже его необъятного воображения было для этого мало.
Одно он знал с несомненностью: отныне и надолго с альфа- частицами будут связаны все его главные помыслы и большие ожидания. И теперь уже о них, а не об ионах, начал говорить он с гулливеровской нежностью - «веселые малыши».
Оттого-то, возвращаясь осенью 1903 года из Европы в Канаду, он все время помнил о свинцовой коробочке с 30 миллиграммами бромида радия.
18
Эта свинцовая коробочка вызвала смятение среди служителей таможни в нью-йоркском порту. Случай не имел прецедентов. Государства еще не успели обзавестись законами на предмет ввоза и вывоза радия. Драгоценность или просто химикат? Обкладывать ли пошлиной и какой? Чиновники всех времен и народов в общем одинаковы: таможенники решили переслать ящичек д-ра Резерфорда начальству - в оценоч- ный оффис государственного казначейства. Но одержимые исследователи всех времен и народов в общем тоже одинаковы: таможенникам пришлось ограничиться рапортом с указанием, что «доктор Резерфорд наотрез отказался расстаться со своим сокровищем».Однако кончилось все миролюбиво: профессор сказал, что готов подписать обязательство провезти конфликтный ящичек по территории Штатов в полной сохранности, другими словами - не спекулируя по дороге миллиграммами непонятной драгоценности. Американские чиновники тотчас согласились с профессором. Это перекладывало решение пошлинной проблемы на совесть их канадских коллег. На канадской таможне возникло лишь пустяковое затруднение: американцы в сопроводительном письме назвали его мак-гилльским профессором из Торошо. Дело не в том. что они не знали, где находится Мак-Гилл. Дело в том, что имя Эрнста Резерфорда еще не было настолько знаменито, чтобы их ошибку следовало считать непростительной.
Далеко еще было до эпохи, когда физики стали в глазах человечества сопричастны судьбам истории. Еще не вошло в употребление слово «атомник». И хотя журналисты уже осаждали Мак-Гилл и газеты плели небылицы о превращениях материи, слава Резерфорда была всесветной только в ученом мире. Но зато в этой профессиональной и ревнивой среде он слыл уже не просто «львом сезона». Ободряющая острота Джозефа Лармора была слишком светской, чтобы быть еще и достаточно точной. Коллеги видели в Резерфорде отнюдь не сенсационного героя - баловня внезапного успеха. Они сознавали: это был калиф не на час, а на жизнь!
Положение обязывает. И где-то на рубеже 1903-1904 годов весь распорядок жизни Резерфорда стал не похож на прежний.
В это именно время вышла в Кембридже его всеобъемлющая «Радиоактивность». Дж. Дж. отозвался о ней так: «Резерфорд не только расширил границы знания в этой области, но оккупировал целую новую провинцию». Молодая наука, уже дав обещание открыть пути в глубины материи, подытоживала первые свои завоевания - оглядывалась назад и заглядывала вперед. Только что разделили - заслуженно и, как всегда, с опозданием - Нобелевскую премию 1903 года Анри Веккерель и супруги Кюри. Резерфорд удостоился этой чести позднее. Но книга его уже как бы оповестила о превращении в столицу радиоактивности провинциального Монреаля.
Город на Святом Лаврентии сделался «радиоактивней» Парижа, а Резерфорд - суверенней своих парижских коллег и друзей. Он вырос в правителя революционного и отчаянно жизнеспособного государства. Ему давали это понять отовсюду и на каждом шагу. А у власти есть не только преимущества: тот, кого она наверняка лишает свободы, это сам правитель. Он перестает принадлежать себе. Канадец оказался нужен всем - для суда и совета, для дела и представительства, для миссионерских проповедей и для защиты новой веры.
А он был равно пригоден для любой из этих ролей. Главное - ему самому, не отшельнику, а жизнелюбу, была по душе такая власть. Ее обременительность его не обременяла.
«Силы в нем было много, и сочеталась она с легкостью». Ему по вкусу пришлось проявлять свою силу в разнообразном действии.
Кончилась простая сосредоточенность жизни, ясно поделенной между четырехэтажной громадой Физикс-билдинга и маленьким домом на улице Св. Семейства. Не сама сосредоточенность кончилась, а прежняя простота ее воплощения.
Не рассеянность появилась в жизни, а дробность. И мы, идущие за ним следом, теперь - в последние годы Монреаля - словно застаем его на лестнице со множеством зеркал: он-то все тот же, поднимающийся вверх, единый и цельный, но отражений много и ракурсы различны.