Охотники за частицами: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Казалось бы, фотоны могли и не ждать до 1905 года. Еще за двадцать лет до того Аристарх Аполлонович Белопольский, замечательный русский астроном, заметил, что хвосты у комет можно объяснить отталкиванием кометного вещества солнечными лучами.

Световое давление! Его действительно открывает и измеряет несколько лет спустя — не в бескрайних космических просторах, а в тесных стенах скромной лаборатории — столь же скромный Петр Николаевич Лебедев.

Град фотонов, бомбардирующих поставленную на их пути поверхность! «Застревая» в ней, отражаясь от нее, фотоны передают телу то количество движения, которым они обладали «в полете». Пусть очень слабеньким будет этот град, пусть Лебедеву для обнаружения его потребуется потрясающая по своей чувствительности аппаратура, — давление света прямо указывает на существование фотонов. Так же, как давление газа на стенки сосуда было за много лет до того объяснено существованием молекул, их ударами о стенки.

Все это так. Но волны тоже переносят с собой количество движения. Тоже отдают его телам, на которые «натыкаются» при своем распространении. И формула этого давления, которую теоретики вывели для света — электромагнитных волн, — отлично согласуется с первыми же опытами Лебедева.

Да, к сожалению, давление света — это одно из тех немногих явлений, где результаты расчета что с помощью электромагнитных волн, что с помощью фотонов — абсолютно одинаковы. Потому-то фотону и пришлось ждать еще несколько лет, пока не применили мысль о нем к другому, более «удобному» для его открытия явлению. Если уж говорить более точно, то была открыта не новая частица. Открыто было новое важнейшее свойство света.

Почему же в обыденной жизни никто из нас не замечал отдельных квантов света? Прежде всего, конечно, потому, что каждый из них несет с собой чрезвычайно малую порцию энергии. Но даже и не в этом главное, а в том, что они слишком быстро следуют друг за другом. Обычная двадцатисвечовая лампочка испускает в каждую секунду неисчислимые их полчища — 60 миллиардов миллиардов!

Не то что глаз, никакой самый быстродействующий автомат не сосчитает их все поодиночке. А на глаз пенять нечего: с очень неважной быстротой срабатывания (на том и основана иллюзия непрерывности смены кадров в кино) он соединяет неимоверно высокую чувствительность.

Много лет спустя замечательный физик Сергей Иванович Вавилов провел очень поучительный опыт. Он посадил в темную комнату человека, выждал, пока глаза его привыкнут к темноте, а затем включил очень слабенький источник света. Такой слабенький, что по сравнению с ним светлячок показался бы солнцем! Этот источник давал считанные кванты света в секунду. И что же? Глаз сосчитал их почти поодиночке!

Так в жизнь вошла вторая частица, рядом с которой люди жили веками, даже не подозревая о ее существовании. Частица света — фотон.

И не только света. Из фотонов состоят и радиоволны, и инфракрасные лучи, и ультрафиолетовые, и рентгеновы, и гамма-лучи. Все то, что называется электромагнитными волнами, может быть с равным основанием названо фотонами.

Понятно, что свою двуликую природу фотоны проявляют в разных явлениях. В одних они волны, в других — частицы. Отдать предпочтение какой-либо из «сторон медали» нет никаких оснований. Нет оснований и не будет.

Атом «в целом» электрически нейтрален. Атом «в нецелом» выбрасывает электроны. И не только электроны. Магнит, поднесенный к радиоактивному препарату, расщепляет вылетающие из него частицы на три пучка. Одни магнитный ветер сбивает вправо, другие — влево, третьи — оставляет без влияния. Мы уже догадываемся, что частицы в одном луче несут на себе отрицательный заряд, в другом — положительный, в третьем нет никакого заряда.

Об этом догадался шестьдесят лет назад и молодой ученик почтенного профессора Томсона. Он только недавно работает в тихой кембриджской лаборатории — этот молодой новозеландец. Он покинул далекую идиллическую страну на краю света, страну тучных пастбищ и голых гор, склоны которых залиты окаменевшими потоками лавы и окутаны паром гейзеров. Он переплыл моря и океаны, чтобы «приземлиться» в старинном английском городке и заняться физикой.

Сегодня такой поступок не вызвал бы никаких особых эмоций. Но в начале века, когда физиков, занимавшихся атомом, было куда меньше, чем хотя бы электронов в атоме урана, — над ним и склонился молодой Эрнест Резерфорд, — что ж, в те годы это было подвигом.

Подвиг в ожидании научных подвигов! Они не заставляют себя долго ждать. Первый из них — «разбор по косточкам» радиоактивного излучения. Несколько лет напряженной работы — и в 1903 году Резерфорд может сообщить ученому миру, что альфа-лучи — это потоки дважды заряженных положительным электричеством частиц, по массе очень близких к атомам гелия, а бета-лучи — это потоки незадолго до того открытых электронов. Гамма-лучи, как определяет Мари Кюри, сходны с рентгеновыми лучами.

Секрет происхождения гамма-лучей будет ждать окончательной разгадки еще добрых два десятка лет. Лишь в 1926 году немецкая исследовательница Луиза Майтнер докажет, что это — электромагнитное излучение, возникающее после радиоактивных превращений.

То, что из атома урана выбрасываются положительные частицы, Резерфорда не удивляет. Еще не нашлось в природе такого повара, который мог бы состряпать атом из одних лишь электронов. Они же мгновенно разлетятся в разные стороны, распихиваемые могучими силами взаимного отталкивания.

Значит, в атоме должен обязательно найтись такой положительный цемент, чтобы он мог связать воедино враждующие электроны. Как выглядит атом в таком случае? Наподобие пирога, полагает Томсон. Электроны — словно изюмины, увязшие в клейком тесте пирога. Похоже на пудинг — излюбленное блюдо англичан. Что ж, может быть и так — Резерфорд до поры до времени не сомневается в такой «картине». Правда, он часто обсуждает с коллегами и другие модели атома.

В 1909 году он вместе со своими учениками Эрнстом Марсденом и Гансом Гейгером ставит на пути радиоактивных излучений небольшие листочки металла. Установка предельно проста: ампулка с радием, тонкий металлический листочек, да еще экран — стеклянная пластинка, покрытая слоем цинковой обманки. Как выяснил Крукс, такой экран светится каждый раз, когда на него попадает заряженная частица.

Меняются листочки, двигается экран, а наши исследователи все сидят месяцами в затемненной лаборатории и считают вспышки. Непонятное начинается, когда экран устанавливается по ту же сторону листочка, что и препарат радия. Экран вспыхивает и при этом!

Дайте понять… Пока экран за листочком, в его вспышках нет ничего необычного: альфа-лучи проходят через тесто «атомного пирога», конечно рассеиваясь в нем, и идут дальше, к экрану. Но вот экран обогнул листочек и стал перед ним по ту же сторону, что и препарат. Число вспышек резко уменьшилось, но они все же остались. Может быть, альфа-частицы попадают на экран прямо из ампулы? Это легко проверить — достаточно убрать листочек. Вспышки прекращаются, как по мановению волшебной палочки. Значит, не в ампуле дело.

Но тогда в чем же? Как могут альфа-частицы отразиться от «клейкого пирога» и вернуться назад? Вот где пища для раздумий Резерфорду!

…Что-то когда-то он читал о кометах. Кометами много занимались в начале века. Длинные хвосты, огибающие Солнце, издревле поражали людское воображение. «Грозят кометы мором и войной!» — изрекали взволнованные поэты, а на папертях церквей толкался испуганный народ, слушая грозные пророчества юродивых.

В начале века мрак рассеялся.

Петр Николаевич Лебедев доказал, что свет оказывает давление на тела. И хвосты оказались выбросами кометного вещества под действием солнечных лучей. Но тело кометы все же притягивается Солнцем. Да, что-то не то…

А что было бы, если комета вся отталкивалась бы Солнцем? Как бы она шла мимо Солнца? Здесь одно размышление не помогает, нужен расчет. Резерфорд считает… Через несколько дней, довольный и шумно веселый, он является в лабораторию, отряхивает снег с шапки и голосом, похожим на львиный рык, объявляет: «Теперь я знаю, как выглядит атом!»

«Белые рабы» Гейгер и Марсден вопросительно смотрят на учителя, а тот, не раздеваясь, присаживается к столу и рисует… солнечную систему. Вот он посадил в центре Солнце, жирно зачернил его, пририсовал орбиты планет. Возле Солнца крупно написал «ядрышко». А чтобы снять последние следы недоумения с лиц учеников, в центральном кружочке жирно поставил «+» и по планеткам разбросал «минусы». Планетки — электроны!..

Только так можно понять странное отражение альфа-частиц назад, взволнованно говорит Резерфорд Гейгеру и Марсдену. Словно альфа-частицы в глубине атома наталкиваются на высокую электрическую горку. Как саночки! — те из них, что попадают на горку сбоку, проходят дальше, только немного сбившись с пути. А те, что налетают на горку в лоб, — те скатываются назад. Назад — в этом весь секрет!