Страница:
…Старик откинулся на подушки и залился мелким смехом, тут же перешедшем в сухой кашель. Вытерев выступивший пот, он окончательно выбрался из-под вороха разноцветных покрывал и, сунув ноги в толстые войлочные туфли, проковылял к глубокому креслу-качалке. По пути он подхватил стопку бумаг с «журнального столика» и перебросил их на похожее кирпичное сооружение у камина, игравшее роль письменного стола. Покачавшись в кресле, старик набросил на колени толстый шотландский плед и привычным движением поворошил каминными щипцами холодные угли.
Неожиданно раздалось жужжание, сопровождаемое скрежетом и гулкими ударами часов. С восьмым ударом пронзительно заскрипели несмазанные петли входной двери, и в комнату вошел, аккуратно стряхивая с плаща и шляпы капли дождя, моложавый человек с объемистой дорожной сумкой в руках. Мистер Три был управляющим делами Института инженеров-электриков и, судя по всему, хорошо знал хозяина этой «неистощимой пещеры», как называли Хоумфилд в письмах оксфордские физики, имея в виду его неистощимого на идеи и выдумки владельца.
На лице гостя явно читалось желание сообщить какую-то приятную новость, но старик неожиданно упруго подскочил с раскачивающегося кресла и, коротко кивнув гостю в знак приветствия, принялся с жаром рассказывать давнюю историю о том, как его заокеанский друг по переписке Никола Тесла еще в начале 90-х годов открыл проникающее действие Х-излучения. Впоследствии выяснилось, что именно электронные лампы Теслы сыграли большую, если не определяющую роль в исследовании природы Х-лучей, которые стали грандиозной сенсацией конца позапрошлого века, поражая всех своими удивительными способностями проникать сквозь непрозрачные предметы.
Тесла много экспериментировал с Х-лучами и предложил использовать их для изучения предметов, не видимых глазом. Когда в конце 1895 года Вильгельм Рентген обнаружил эти лучи и в начале 1896 года опубликовал результаты своих наблюдений в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества, Тесла немедленно откликнулся на это сообщение. В апреле 1896 года он выпустил первую из десяти статей, указав на возможность применения Х-лучей для обнаружения и лечения опухолей и воспалений. В других статьях этой серии Тесла подробно остановился на различных случаях будущего использования рентгеновских лучей, на технике работы с ними и на мерах предосторожности при обращении с трубками Рентгена и Ленарда.
Сам Рентген провел вторую серию своих знаменитых опытов, пользуясь для получения токов высокого напряжения резонансным трансформатором Теслы. Между исследователями завязалась переписка, продолжавшаяся до 1901 года. В одном из последних сохранившихся писем Рентген писал:
«…Вы крайне удивили меня прекрасными фотографиями чудесных разрядов, и я очень благодарен Вам за них. Если бы мне только знать, как Вы достигаете таких вещей! С выражением глубокого уважения остаюсь… 20 июля 1901 года»[9].
– Это, мистер Три, была бесподобная шутка! Тесла давно уже забросил свои опыты, выжав из них все что можно, и тут появляется статья нашего немецкого друга. Никола тут же собрал целую кучу «проскопических» фотографий и отослал их с краткими комментариями в Германию. Причем там не было ни одного слова о приоритете открытия, представляете, мистер Три, ни слова о том, ради чего иные ученые всю жизнь обливают друг друга грязью! А вот что пишут об этом всякие современные писаки, – старческая рука подхватила полураскрытый томик, и хозяин «неистощимой пещеры», Хоумфилда, стал читать язвительным тоном, парадируя оксфордских менторов:
– В 1895 году с трубками Крукса – Ленарда начал экспериментировать профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген. Однажды по окончании опыта, закрыв трубку чехлом из черного картона и погасив свет, но еще не выключив питающий ее индуктор, он заметил свечение находящегося вблизи нее экрана из синеродистого бария. Удивленный этим обстоятельством, Рентген начал экспериментировать с самыми разными экранами. Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895 года. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они возникают там, где стенки трубки сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей. Рентген подробно рассказал о своих первых опытах в статье «О новом роде лучей», датированной 28 декабря 1895 года, где писал:
«Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием, при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать. Флюоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносить ли бумагу стороной, покрытой или не покрытой платиносинеродистым барием, флюоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки». Тщательное исследование показало Рентгену, «что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию»[10].
Исследуя проникающую способность открытого излучения, названного для краткости «Х-лучами», Рентген достоверно выяснил, что они свободно проходят через металлическую фольгу, бумагу, эбонит (обожженный каучук) и дерево, но сильно задерживаются тяжелыми металлами, такими как свинец. Вскоре последовал и сенсационный опыт, сделавший Х-лучи по-настоящему знаменитыми во всем мире: «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки»[11].
Первые рентгеноскопические снимки человеческого тела произвели очень большое впечатление на врачей-диагностов, породив новую отрасль медицины – рентгенодиагностику. Уже во время первых экспериментов Рентген твердо установил, что открытые им «…Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки»[12], они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем.
…Старик возмущенно отбросил книгу и стал смешно ковылять по комнате на скрюченных подагрой ногах.
– И это еще не все, мистер Три, далеко не все! Сегодня многие почему-то забыли, что, анализируя природу открытого им излучения, Рентген исходил из ложной гипотезы Герца – Ленарда, по которой катодные лучи, – тут старик издевательски воздел вверх палец в нитяной перчатке, – «есть некое явление, происходящее в мировом светоносном эфире».
Однако ему так и не удалось обнаружить волновые свойства лучей, поскольку в опытах выяснилось, что они, – тут хозяин «неистощимой пещеры» просеменил к кирпичному «письменному столу» и, найдя нужную страницу, сардонически прокаркал: Ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи»[13]. А ведь, мистер Три, обо всем этом Никола говорил мне, причем упоминал между прочим, за три года до того, как открытие нашего германского профессора вызвало огромный интерес в научном мире и его эксперименты были продублированы во многих лабораториях.
На очередную кирпичную конструкцию под названием «обеденный стол» был расстелен старый номер газеты Times. На нем расположилась горка принесенных гостем бисквитов, к которым хозяин добавил пару банок джема разных сортов. Прихлебывая мелкими аккуратными глотками крепчайший чай, сдобренный изрядной порцией сгущенного молока, и с наслаждением поглощая сдобу, старик продолжал свой рассказ, сопровождая его жестикуляцией рукой с надкусанным бисквитом.
– Видите ли, милейший Три, – тональность речей хозяина в процессе чаепития явно смягчилась, – история науки глубоко диалектична в своей основе и напоминает спираль, – бисквит прочертил несколько оборотов, означающих данную геометрическую фигуру. – Эту загадку исторической науки современные служители Клио решить просто не в силах, – старик возмущенно фыркнул. – Ведь что это за наука, в которой нет экспериментальной части исследований! Между тем, дорогой Три, вернемся к нашим баранам. Мысль о внутренней структуре атома, конечно, не столь уж и необычна, хотя на фоне глупостей из учебников о «единой и неделимой всеобщей частице вещества» еще тогда, в начале 90-х, выглядела достаточно новой. Поэтому, когда кембриджский профессор Джи-Джи (Джозеф Джон Томсон) 30 апреля 1897 года доложил на очередном заседании Королевского общества об открытии неких «корпускул», составляющих катодные лучи, я мгновенно понял, что это и есть отрицательная компонента атомарных структур, ныне называемая электронами. – При этих словах брови гостя удивленно поползли вверх и он, не выдержав, попытался что-то вставить в поток красноречия хозяина Хоумфилда:
– Однако, дорогой Оливер, не хотите ли вы сказать…
– А почему бы и нет, милейший Три? – казалось, глубокое изумление гостя весьма позабавило старика. Налив себе еще одну порцию черного, как деготь, чая, он не спеша влил в него несколько столовых ложек сгущенного молока и, ловко подхватив очередной бисквит, хитро прищурился: Дело в том, дорогой Три, что свою модель «луковичного атома» я сконструировал за десятилетие до дурацкого «пудинга» Джи-Джи… И сконструировал на основе опытных данных! – видя, что его гость не в силах больше сдерживать эмоции, вот-вот готов вскочить из-за «обеденного стола», хозяин успокаивающе поднял вверх ладонь.
– Спокойствие милейший Три, только спокойствие! Все дело в том, что как-то я получил письмо из Америки от тогда лично мне совершенно неизвестного изобретателя-электротехника Николы Теслы. Он выразил мне всяческую поддержку в споре с этим лжеученым Присом (Уильям Прис был техническим экспертом Главного почтового управления Великобритании) и в конце рассказал о своих опытах по применению ионизирующего действия Х-лучей для изучения прохождения электричества через газы. Оказывается, Тесла еще в те годы в совершенстве освоил мастерство стеклодува и создал множество вакуумированных трубок собственной конструкции. Помещая эти трубки с электродами между полюсами сильных магнитов и обкладок мощных конденсаторов, мой американский знакомый выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости движения неких отрицательно заряженных частиц, составляющих катодные лучи.
И тут мне сразу же стало ясно, что электроны должны располагаться где-то в составе атомов и что представление об их «абсолютной неделимости» следует выбросить на свалку истории. Разумеется, я еще не мог сделать из этого какие-либо практические выводы, но вспомните, дорогой Три, что приблизительно в этот же период велись еще и опыты по радиоактивности…
Между тем мой друг Джи-Джи после переоткрытия Х-лучей Рентгеном организовал бурную экспериментальную деятельность в данном направлении и в 1903 году издал свою известную монографию «Прохождение электричества через газы». Вот так и были «открыты» электроны, представление о которых в виде «корпускулярных составляющих электроэфирной консистенции» уже много лет использовал Тесла.
Ну а теперь, мой дорогой Три, позвольте представить вам вещественные доказательства сказанного, – старик просеменил к «письменному столу», и покопавшись в ворохе бумаг, достал пару помятых листков. – Вот это, – передал он один из них гостю, – схема ранних экспериментов с катодными лучами Теслы. А здесь я вам прочту комментарии моего друга, полученные после того, как Джи-Джи доложил о своих результатах в Королевском обществе:
«Действие магнитного поля на катодные лучи было обнаружено многими исследователями, однако в отношении действия электрического поля всегда существовали определенные разногласия. Одни авторы утверждали, что они наблюдали действие электрического поля на катодные лучи, другие отрицали это. Еще в начале девяностых годов мне удалось показать, что это расхождение обусловлено низкой техникой откачки газа. Остатки ионизированного газа нейтрализуют влияние внешнего электрического поля. Когда я усовершенствовал технику откачки, то тут же получил заметные отклонения катодного пучка электрическим полем…»[14]
Усовершенствованная катодно-лучевая трубка, конструкция Томсона, включала электрические катушки-соленоиды, создававшие внутри трубки направленное магнитное поле, и несколько параллельных пластин электрических конденсаторов, образующих внутри трубки электрическое поле. Подвергая катодный пучок действию электрического и магнитного полей, Томсон получил возможность определить отношение заряда к массе для катодных лучей. Оно оказалось независимым от природы газа в трубке и в тысячу раз большим, чем подобное отношение для ионов водорода, полученное из законов электролиза. Соответственно, и при равенстве зарядов катодных частиц и ионов водорода масса катодной корпускулы оказывалась в тысячу раз меньше массы атома водорода как самого легкого атома. В последующих экспериментах исследовалось отношение заряда к массе для частиц, вырываемых ультрафиолетовым светом, и для частиц, испускаемых накаленным катодом.
– Дорогой Оливер, – в отчаянии вскричал гость, – а как же все это? – его руки простерлись к каминной полке с собранием ежегодных трудов Королевского общества. – Ведь общепризнанно, что именно профессор Томпсон доказал, что порядок отношения заряда к массе универсален вне всякой зависимости от природы катодных лучей. И также общепризнанно, что именно он первым назвал эти мельчайшие частицы вещества корпускулами электричества, для которых в 1891 году наш видный соотечественник Джордж Джонсон Стони придумал название «электроны» …
– Ну что вы, право, дорогой Три, – казалось, что хозяин Хоумфилда откусил половину лимона, – ведь я же ясно вам говорю, что мы с мистером Теслой обсуждали модели, где электроны являются составными частями атомов всех веществ, за много лет до того, как ваш ирландский профессор произнес само слово «электрон». К тому же, – старик недоуменно пожал плечами, – сам Джи-Джи построил довольно несуразную электромагнитную модель атома, предположив, что, наподобие изюма в пудинге, отрицательно заряженные корпускулы-электроны располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. А у вашего покорного слуги с самого начала возникла куда более реальная схема оболочечного строения атома, напоминающего кочан капусты, в котором орбиты электронов заметают последовательность «листов», а внутри находится очень компактная ядерная «кочерыжка». Причем скорость движения электронов в моей модели была близка к скорости света, а «оболочечное» распределение определялось волновыми законами. Ну чем это хуже наисовременнейших моделей «атома Резерфорда – Бора»? – последнюю фразу хозяин «неистощимой пещеры» сопроводил взрывом саркастического смеха.
– Знаете, что, дорогой Оливер, – гость просто задыхался от возмущения, – должен же быть предел вашим критическим замечаниям! Ведь методы мистера Томсона имеют фундаментальное значение и лежат в основе устройства всех современных электронно-лучевых трубок, первые модели которых были построены в Кембридже еще самим Джи-Джи. И все современные ученые считают, что мистер Томпсон не только заложил основы электронной оптики, но и первым создал прообразы электронных ламп, продемонстрировав, как надо ускорять и регулировать потоки мельчайших частиц электричества. Если хотите, дорогой Оливер, мистер Томсон впервые научил физиков управлять электронами! В этом его основная заслуга, за которую, а точнее, за его исследование прохождения электричества через газы, ему в 1906 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
– Дорогой Три, – хозяин «неистощимой пещеры» неожиданно успокоился и, схватив очередную кружку крепчайшего чайного напитка, стал раскачиваться в кресле, – я вовсе не имею претензий к сути ваших замечаний, к тому же считаю Джи-Джи милейшим человеком, разработавшим методы изучения отрицательных и положительных частиц. Читал я и его довольно дельную монографию 1913 года «Лучи положительного электричества», которая положила начало масс-спектроскопии. Однако не надо забывать, что первый прообраз современных масс-спектрометров для разделения изотопов построил все же мой друг Никола. А вот в разработке методов анализа и измерения элементарного электрического заряда пальму первенства вполне можно отдать кавендишской команде, тем более что ее сотрудники умудрились наблюдать за движениями заряженного облака в электрическом поле. И все же, – тут хозяин наконец скинул нитяные перчатки, и изумленному взору гостя предстал аккуратный маникюр с ярко-красными ногтями, – именно мы с Теслой самыми первыми разглядели эти еще слабые проблески зарождающегося атомного века.
Глава 3
Сидят (слева направо): Эрвин Шредингер, Ирен Жолио-Кюри, Нильс Бор, Абрам Федорович Иоффе, Мария Кюри, Поль Ланжевен, Оуэн Ричардсон, Эрнест Резерфорд, Теофил де Донде, Морис де Бройль, Луи де Бройль, Лиза Мейтнер, Джеймс Чедвик.
Стоят (слева направо): Эмиль Анрио, Франсис Перрен, Фредерик Жолио-Кюри, Вернер Гейзенберг, Хендрик Антони Крамерс, Эрнст Штаэль, Энрико Ферми, Эрнест Уолтон, Поль Дирак, Петер Дебай, Невилл Франсис Мотт, Брас Кабрера, Георгий Антонович Гамов, Вальтер Боте, Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт, Майкл Розенблюм, Жак Эррера, Эдмонд Бауэр, Вольфганг Паули, Жюль Эмиль Вершаффельт, Макс Козинс, Эдуард Герцен, Джон Кокрофт, Чарльз Эллис, Рудольф Пайерлс, Огюст Пикар, Эрнест Лоуренс, Леон Розенфельд.
Эрнест Гастон Сольве, видный бельгийский химик-технолог, предприниматель и глава одноименной химической компании, был известен далеко за пределами своей маленькой родины разработками аммиачных способов получения соды из поваренной соли. Однако в историю этот представитель редкого типа ученых-предпринимателей вошел как инициатор международных форумов физиков, именуемых в честь него Сольвеевскими конгрессами.
Считается, что к организации серии представительных конгрессов Сольве подтолкнул выдающийся немецкий физикохимик, будущий нобелевский лауреат Вальтер Герман Нернст, широко известный своими работами по термодинамике. В 1911 году под руководством основанного Сольве Международного института физики состоялся первый конгресс под председательством Хендрика Лоренца, посвященный теме «Излучение и кванты». Так возникла уникальная возможность обсудить самые различные и актуальнейшие фундаментальные проблемы в физике и смежных разделах науки. В силу сложившихся обстоятельств довоенные Сольвеевские конгрессы во многих отношениях стимулировали развитие атомной и ядерной физики.
Самым значимым для предвоенной науки стал VII Сольвеевский конгресс «Структура и свойства атомного ядра», состоявшийся в октябре 1933 года под председательством Поля Ланжевена. Наверное, это была одна из последних встреч ведущих представителей научного сообщества, еще не разделенных на враждующие политические лагеря. Давайте и мы, читатель, заглянем на этот авторитетнейший научный форум, участники которого незримыми нитями связаны со многими тайнами атомного века.
– Вернемся к радиоактивности, когда Беккерель продолжал исследование открытого им явления и считал его свойством урана, аналогичным фосфоресценции. Уран, по мнению Беккереля, представлял собой первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции. Именно поэтому он считал свойства излучения урана подобными свойствам световых волн. Природа нового явления, таким образом, была еще совершенно непонятна, даже не существовало и самого слова «радиоактивность».
Неожиданно раздалось жужжание, сопровождаемое скрежетом и гулкими ударами часов. С восьмым ударом пронзительно заскрипели несмазанные петли входной двери, и в комнату вошел, аккуратно стряхивая с плаща и шляпы капли дождя, моложавый человек с объемистой дорожной сумкой в руках. Мистер Три был управляющим делами Института инженеров-электриков и, судя по всему, хорошо знал хозяина этой «неистощимой пещеры», как называли Хоумфилд в письмах оксфордские физики, имея в виду его неистощимого на идеи и выдумки владельца.
На лице гостя явно читалось желание сообщить какую-то приятную новость, но старик неожиданно упруго подскочил с раскачивающегося кресла и, коротко кивнув гостю в знак приветствия, принялся с жаром рассказывать давнюю историю о том, как его заокеанский друг по переписке Никола Тесла еще в начале 90-х годов открыл проникающее действие Х-излучения. Впоследствии выяснилось, что именно электронные лампы Теслы сыграли большую, если не определяющую роль в исследовании природы Х-лучей, которые стали грандиозной сенсацией конца позапрошлого века, поражая всех своими удивительными способностями проникать сквозь непрозрачные предметы.
Тесла много экспериментировал с Х-лучами и предложил использовать их для изучения предметов, не видимых глазом. Когда в конце 1895 года Вильгельм Рентген обнаружил эти лучи и в начале 1896 года опубликовал результаты своих наблюдений в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества, Тесла немедленно откликнулся на это сообщение. В апреле 1896 года он выпустил первую из десяти статей, указав на возможность применения Х-лучей для обнаружения и лечения опухолей и воспалений. В других статьях этой серии Тесла подробно остановился на различных случаях будущего использования рентгеновских лучей, на технике работы с ними и на мерах предосторожности при обращении с трубками Рентгена и Ленарда.
Сам Рентген провел вторую серию своих знаменитых опытов, пользуясь для получения токов высокого напряжения резонансным трансформатором Теслы. Между исследователями завязалась переписка, продолжавшаяся до 1901 года. В одном из последних сохранившихся писем Рентген писал:
«…Вы крайне удивили меня прекрасными фотографиями чудесных разрядов, и я очень благодарен Вам за них. Если бы мне только знать, как Вы достигаете таких вещей! С выражением глубокого уважения остаюсь… 20 июля 1901 года»[9].
– Это, мистер Три, была бесподобная шутка! Тесла давно уже забросил свои опыты, выжав из них все что можно, и тут появляется статья нашего немецкого друга. Никола тут же собрал целую кучу «проскопических» фотографий и отослал их с краткими комментариями в Германию. Причем там не было ни одного слова о приоритете открытия, представляете, мистер Три, ни слова о том, ради чего иные ученые всю жизнь обливают друг друга грязью! А вот что пишут об этом всякие современные писаки, – старческая рука подхватила полураскрытый томик, и хозяин «неистощимой пещеры», Хоумфилда, стал читать язвительным тоном, парадируя оксфордских менторов:
Ко времени открытия Рентгену было 50 лет, он вел размеренную жизнь немецкого профессора, отличался строгостью суждений и независимостью взглядов. Он был учеником Рудольфа Клаузиуса, а также известного немецкого физика-экспериментатора Августа Адольфа Кундта, школу которого прошли также знаменитые русские физики Петр Николаевич Лебедев и Борис Борисович Голицын. К 1859 г. Рентген был автором 50 научных работ, а его экспериментальный талант был общепризнан в среде профессионалов.
Л. И. Пономарев. Под знаком кванта
– В 1895 году с трубками Крукса – Ленарда начал экспериментировать профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген. Однажды по окончании опыта, закрыв трубку чехлом из черного картона и погасив свет, но еще не выключив питающий ее индуктор, он заметил свечение находящегося вблизи нее экрана из синеродистого бария. Удивленный этим обстоятельством, Рентген начал экспериментировать с самыми разными экранами. Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895 года. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они возникают там, где стенки трубки сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей. Рентген подробно рассказал о своих первых опытах в статье «О новом роде лучей», датированной 28 декабря 1895 года, где писал:
«Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием, при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать. Флюоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносить ли бумагу стороной, покрытой или не покрытой платиносинеродистым барием, флюоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки». Тщательное исследование показало Рентгену, «что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию»[10].
Исследуя проникающую способность открытого излучения, названного для краткости «Х-лучами», Рентген достоверно выяснил, что они свободно проходят через металлическую фольгу, бумагу, эбонит (обожженный каучук) и дерево, но сильно задерживаются тяжелыми металлами, такими как свинец. Вскоре последовал и сенсационный опыт, сделавший Х-лучи по-настоящему знаменитыми во всем мире: «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки»[11].
Первые рентгеноскопические снимки человеческого тела произвели очень большое впечатление на врачей-диагностов, породив новую отрасль медицины – рентгенодиагностику. Уже во время первых экспериментов Рентген твердо установил, что открытые им «…Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки»[12], они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем.
…Старик возмущенно отбросил книгу и стал смешно ковылять по комнате на скрюченных подагрой ногах.
– И это еще не все, мистер Три, далеко не все! Сегодня многие почему-то забыли, что, анализируя природу открытого им излучения, Рентген исходил из ложной гипотезы Герца – Ленарда, по которой катодные лучи, – тут старик издевательски воздел вверх палец в нитяной перчатке, – «есть некое явление, происходящее в мировом светоносном эфире».
Однако ему так и не удалось обнаружить волновые свойства лучей, поскольку в опытах выяснилось, что они, – тут хозяин «неистощимой пещеры» просеменил к кирпичному «письменному столу» и, найдя нужную страницу, сардонически прокаркал: Ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи»[13]. А ведь, мистер Три, обо всем этом Никола говорил мне, причем упоминал между прочим, за три года до того, как открытие нашего германского профессора вызвало огромный интерес в научном мире и его эксперименты были продублированы во многих лабораториях.
…Это лаборатория Вильгельма Конрада Рентгена (1845–1923) в Вюрцбургском университете. В канун рождества 1895 г.…в этой комнате впервые удалось заглянуть в глубь атома…Между тем гость отнюдь не сидел без дела. Втащив с собой еще и большую вязанку дров с кулем угля, он тут же развел огонь в камине и заварил в большом фарфоровом чайнике полпачки отличного «Липтона». Все так же слушая разошедшегося не на шутку хозяина, мистер Три разыскал на кирпичной полке две выщербленные фарфоровые чашки и, ловко вскрыв большую банку сгущенного молока, приготовил божественный напиток, – по крайней мере, так его назвал после первых глотков хозяин «неистощимой пещеры».
Глядя на эту фотографию, трудно поверить, что бесстрастная логика исследований всего через 50 лет неумолимо приведет из этого кабинета на полигон в пустыне Аламогордо и на пепелище Хиросимы и Нагасаки. Не мог этого знать и Нобелевский комитет Шведской академии наук, но все же именно Рентгена он избрал в 1901 г. первым лауреатом Нобелевской премии. Будущее подтвердило правильность его выбора: именно с работы Рентгена началась цепь блистательных открытий, которую Резерфорд назвал героическим периодом в истории физики, плоды которого мы сейчас пожинаем.
Л. Пономарев. Под знаком кванта
На очередную кирпичную конструкцию под названием «обеденный стол» был расстелен старый номер газеты Times. На нем расположилась горка принесенных гостем бисквитов, к которым хозяин добавил пару банок джема разных сортов. Прихлебывая мелкими аккуратными глотками крепчайший чай, сдобренный изрядной порцией сгущенного молока, и с наслаждением поглощая сдобу, старик продолжал свой рассказ, сопровождая его жестикуляцией рукой с надкусанным бисквитом.
– Видите ли, милейший Три, – тональность речей хозяина в процессе чаепития явно смягчилась, – история науки глубоко диалектична в своей основе и напоминает спираль, – бисквит прочертил несколько оборотов, означающих данную геометрическую фигуру. – Эту загадку исторической науки современные служители Клио решить просто не в силах, – старик возмущенно фыркнул. – Ведь что это за наука, в которой нет экспериментальной части исследований! Между тем, дорогой Три, вернемся к нашим баранам. Мысль о внутренней структуре атома, конечно, не столь уж и необычна, хотя на фоне глупостей из учебников о «единой и неделимой всеобщей частице вещества» еще тогда, в начале 90-х, выглядела достаточно новой. Поэтому, когда кембриджский профессор Джи-Джи (Джозеф Джон Томсон) 30 апреля 1897 года доложил на очередном заседании Королевского общества об открытии неких «корпускул», составляющих катодные лучи, я мгновенно понял, что это и есть отрицательная компонента атомарных структур, ныне называемая электронами. – При этих словах брови гостя удивленно поползли вверх и он, не выдержав, попытался что-то вставить в поток красноречия хозяина Хоумфилда:
– Однако, дорогой Оливер, не хотите ли вы сказать…
– А почему бы и нет, милейший Три? – казалось, глубокое изумление гостя весьма позабавило старика. Налив себе еще одну порцию черного, как деготь, чая, он не спеша влил в него несколько столовых ложек сгущенного молока и, ловко подхватив очередной бисквит, хитро прищурился: Дело в том, дорогой Три, что свою модель «луковичного атома» я сконструировал за десятилетие до дурацкого «пудинга» Джи-Джи… И сконструировал на основе опытных данных! – видя, что его гость не в силах больше сдерживать эмоции, вот-вот готов вскочить из-за «обеденного стола», хозяин успокаивающе поднял вверх ладонь.
Исследования, которые привели к открытию электрона, начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил.
Д. Томсон. Прохождение электричества через газы
– Спокойствие милейший Три, только спокойствие! Все дело в том, что как-то я получил письмо из Америки от тогда лично мне совершенно неизвестного изобретателя-электротехника Николы Теслы. Он выразил мне всяческую поддержку в споре с этим лжеученым Присом (Уильям Прис был техническим экспертом Главного почтового управления Великобритании) и в конце рассказал о своих опытах по применению ионизирующего действия Х-лучей для изучения прохождения электричества через газы. Оказывается, Тесла еще в те годы в совершенстве освоил мастерство стеклодува и создал множество вакуумированных трубок собственной конструкции. Помещая эти трубки с электродами между полюсами сильных магнитов и обкладок мощных конденсаторов, мой американский знакомый выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости движения неких отрицательно заряженных частиц, составляющих катодные лучи.
И тут мне сразу же стало ясно, что электроны должны располагаться где-то в составе атомов и что представление об их «абсолютной неделимости» следует выбросить на свалку истории. Разумеется, я еще не мог сделать из этого какие-либо практические выводы, но вспомните, дорогой Три, что приблизительно в этот же период велись еще и опыты по радиоактивности…
Между тем мой друг Джи-Джи после переоткрытия Х-лучей Рентгеном организовал бурную экспериментальную деятельность в данном направлении и в 1903 году издал свою известную монографию «Прохождение электричества через газы». Вот так и были «открыты» электроны, представление о которых в виде «корпускулярных составляющих электроэфирной консистенции» уже много лет использовал Тесла.
Ну а теперь, мой дорогой Три, позвольте представить вам вещественные доказательства сказанного, – старик просеменил к «письменному столу», и покопавшись в ворохе бумаг, достал пару помятых листков. – Вот это, – передал он один из них гостю, – схема ранних экспериментов с катодными лучами Теслы. А здесь я вам прочту комментарии моего друга, полученные после того, как Джи-Джи доложил о своих результатах в Королевском обществе:
Моей главной целью было указать на новые феномены или черты явлений, распространяя идеи, которые, я надеюсь, будут служить отправными точками для новых исследований.
Н. Тесла. Статьи и речи
«Действие магнитного поля на катодные лучи было обнаружено многими исследователями, однако в отношении действия электрического поля всегда существовали определенные разногласия. Одни авторы утверждали, что они наблюдали действие электрического поля на катодные лучи, другие отрицали это. Еще в начале девяностых годов мне удалось показать, что это расхождение обусловлено низкой техникой откачки газа. Остатки ионизированного газа нейтрализуют влияние внешнего электрического поля. Когда я усовершенствовал технику откачки, то тут же получил заметные отклонения катодного пучка электрическим полем…»[14]
Усовершенствованная катодно-лучевая трубка, конструкция Томсона, включала электрические катушки-соленоиды, создававшие внутри трубки направленное магнитное поле, и несколько параллельных пластин электрических конденсаторов, образующих внутри трубки электрическое поле. Подвергая катодный пучок действию электрического и магнитного полей, Томсон получил возможность определить отношение заряда к массе для катодных лучей. Оно оказалось независимым от природы газа в трубке и в тысячу раз большим, чем подобное отношение для ионов водорода, полученное из законов электролиза. Соответственно, и при равенстве зарядов катодных частиц и ионов водорода масса катодной корпускулы оказывалась в тысячу раз меньше массы атома водорода как самого легкого атома. В последующих экспериментах исследовалось отношение заряда к массе для частиц, вырываемых ультрафиолетовым светом, и для частиц, испускаемых накаленным катодом.
– Дорогой Оливер, – в отчаянии вскричал гость, – а как же все это? – его руки простерлись к каминной полке с собранием ежегодных трудов Королевского общества. – Ведь общепризнанно, что именно профессор Томпсон доказал, что порядок отношения заряда к массе универсален вне всякой зависимости от природы катодных лучей. И также общепризнанно, что именно он первым назвал эти мельчайшие частицы вещества корпускулами электричества, для которых в 1891 году наш видный соотечественник Джордж Джонсон Стони придумал название «электроны» …
– Ну что вы, право, дорогой Три, – казалось, что хозяин Хоумфилда откусил половину лимона, – ведь я же ясно вам говорю, что мы с мистером Теслой обсуждали модели, где электроны являются составными частями атомов всех веществ, за много лет до того, как ваш ирландский профессор произнес само слово «электрон». К тому же, – старик недоуменно пожал плечами, – сам Джи-Джи построил довольно несуразную электромагнитную модель атома, предположив, что, наподобие изюма в пудинге, отрицательно заряженные корпускулы-электроны располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. А у вашего покорного слуги с самого начала возникла куда более реальная схема оболочечного строения атома, напоминающего кочан капусты, в котором орбиты электронов заметают последовательность «листов», а внутри находится очень компактная ядерная «кочерыжка». Причем скорость движения электронов в моей модели была близка к скорости света, а «оболочечное» распределение определялось волновыми законами. Ну чем это хуже наисовременнейших моделей «атома Резерфорда – Бора»? – последнюю фразу хозяин «неистощимой пещеры» сопроводил взрывом саркастического смеха.
– Знаете, что, дорогой Оливер, – гость просто задыхался от возмущения, – должен же быть предел вашим критическим замечаниям! Ведь методы мистера Томсона имеют фундаментальное значение и лежат в основе устройства всех современных электронно-лучевых трубок, первые модели которых были построены в Кембридже еще самим Джи-Джи. И все современные ученые считают, что мистер Томпсон не только заложил основы электронной оптики, но и первым создал прообразы электронных ламп, продемонстрировав, как надо ускорять и регулировать потоки мельчайших частиц электричества. Если хотите, дорогой Оливер, мистер Томсон впервые научил физиков управлять электронами! В этом его основная заслуга, за которую, а точнее, за его исследование прохождения электричества через газы, ему в 1906 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
– Дорогой Три, – хозяин «неистощимой пещеры» неожиданно успокоился и, схватив очередную кружку крепчайшего чайного напитка, стал раскачиваться в кресле, – я вовсе не имею претензий к сути ваших замечаний, к тому же считаю Джи-Джи милейшим человеком, разработавшим методы изучения отрицательных и положительных частиц. Читал я и его довольно дельную монографию 1913 года «Лучи положительного электричества», которая положила начало масс-спектроскопии. Однако не надо забывать, что первый прообраз современных масс-спектрометров для разделения изотопов построил все же мой друг Никола. А вот в разработке методов анализа и измерения элементарного электрического заряда пальму первенства вполне можно отдать кавендишской команде, тем более что ее сотрудники умудрились наблюдать за движениями заряженного облака в электрическом поле. И все же, – тут хозяин наконец скинул нитяные перчатки, и изумленному взору гостя предстал аккуратный маникюр с ярко-красными ногтями, – именно мы с Теслой самыми первыми разглядели эти еще слабые проблески зарождающегося атомного века.
Глава 3
Атом Резерфорда – Бора и радиоактивность
Радиоактивность есть новое свойство материи, наблюдаемое у некоторых веществ. Ничто в настоящее время не позволяет утверждать, что это есть общее свойство материи, хотя такое мнение ничего неправдоподобного a priori не имеет и даже должно являться естественным. Радиоактивные тела представляют источники энергии, выделение которой обнаруживается разнообразными эффектами: особого рода излучениями, испусканием теплоты, света, электричества. Это выделение энергии существенно связано с атомом вещества; оно представляет атомическое явление; кроме того, оно самопроизвольно.
М. Склодовская-Кюри. Радиоактивность
Стоят (слева направо): Эмиль Анрио, Франсис Перрен, Фредерик Жолио-Кюри, Вернер Гейзенберг, Хендрик Антони Крамерс, Эрнст Штаэль, Энрико Ферми, Эрнест Уолтон, Поль Дирак, Петер Дебай, Невилл Франсис Мотт, Брас Кабрера, Георгий Антонович Гамов, Вальтер Боте, Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт, Майкл Розенблюм, Жак Эррера, Эдмонд Бауэр, Вольфганг Паули, Жюль Эмиль Вершаффельт, Макс Козинс, Эдуард Герцен, Джон Кокрофт, Чарльз Эллис, Рудольф Пайерлс, Огюст Пикар, Эрнест Лоуренс, Леон Розенфельд.
Эрнест Гастон Сольве, видный бельгийский химик-технолог, предприниматель и глава одноименной химической компании, был известен далеко за пределами своей маленькой родины разработками аммиачных способов получения соды из поваренной соли. Однако в историю этот представитель редкого типа ученых-предпринимателей вошел как инициатор международных форумов физиков, именуемых в честь него Сольвеевскими конгрессами.
Считается, что к организации серии представительных конгрессов Сольве подтолкнул выдающийся немецкий физикохимик, будущий нобелевский лауреат Вальтер Герман Нернст, широко известный своими работами по термодинамике. В 1911 году под руководством основанного Сольве Международного института физики состоялся первый конгресс под председательством Хендрика Лоренца, посвященный теме «Излучение и кванты». Так возникла уникальная возможность обсудить самые различные и актуальнейшие фундаментальные проблемы в физике и смежных разделах науки. В силу сложившихся обстоятельств довоенные Сольвеевские конгрессы во многих отношениях стимулировали развитие атомной и ядерной физики.
Самым значимым для предвоенной науки стал VII Сольвеевский конгресс «Структура и свойства атомного ядра», состоявшийся в октябре 1933 года под председательством Поля Ланжевена. Наверное, это была одна из последних встреч ведущих представителей научного сообщества, еще не разделенных на враждующие политические лагеря. Давайте и мы, читатель, заглянем на этот авторитетнейший научный форум, участники которого незримыми нитями связаны со многими тайнами атомного века.
…соединения тория кроме обычных радиоактивных лучей непрерывно испускают какие-то радиоактивные частицы, сохраняющие радиоактивные свойства в течение нескольких минут… я называю эти частицы «эманацией». По своим фотографическим и электрическим действиям эманация похожа на уран. Она способна ионизировать окружающий газ и действует в темноте на фотопластинку при экспозиции в несколько дней…Несомненно, что одной из самых колоритных фигур на конгрессе был сэр Эрнест Резерфорд. Всегда в окружении своих учеников, коллег и друзей, он никогда не упускал момента, чтобы, энергично жестикулируя, громогласно не поделиться своими воспоминаниями о «яростном периоде становления новой науки»:
…на опытах с соединениями тория подтвердилось их свойство возбуждать в любом твердом веществе, расположенном рядом с ним, радиоактивность, которая со временем исчезает, причем между эманацией тория и возбужденной радиоактивностью существует тесная связь… Эманация в некотором смысле есть непосредственная причина возбуждения радиоактивности, в то же время не обнаружено испускания эманации имевшимся в нашем распоряжении образцом не совсем чистого радия. Однако Дорн позднее использовал более чистый образец радия и показал, что радий обладает такой же способностью испускать эманацию, как и торий.
Э. Резерфорд. Строение атома и искусственное превращение элементов
– Вернемся к радиоактивности, когда Беккерель продолжал исследование открытого им явления и считал его свойством урана, аналогичным фосфоресценции. Уран, по мнению Беккереля, представлял собой первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции. Именно поэтому он считал свойства излучения урана подобными свойствам световых волн. Природа нового явления, таким образом, была еще совершенно непонятна, даже не существовало и самого слова «радиоактивность».