100 великих научных открытий

Продолжая изыскания Ленарда, посвященные взаимодействию заряженных частиц с разными веществами, подчиненный Томсона — Чарлз Вильсон (1869–1959) сконструировал камеру с насосом, который регулировал объем и давление газа. (Изначально, кстати, ученый планировал сделать аппарат для создания искусственных облаков путем конденсации пара, что дало бы возможность устраивать в лаборатории грозы.) Когда Вильсон направлял в камеру катодные и рентгеновские лучи, те превращали атомы газа в ионы, а капли пара позволяли увидеть их невооруженным взглядом. Ученый чуть видоизменил свой прибор, и пар стал оседать по следу электронов, проявляя дорожку из ионизированных атомов, подобно тому как атмосферный пар формирует конденсационный след самолета.

Так был открыт новый способ изучения ионизированных газов, более того, камера Вильсона помогла ученым точно определить электрический заряд. Самый достоверный результат — 4,796×10 — получил американец Роберт Милликен, который догадался вдувать в камеру из распылителя масляную каплю. При трении о распылитель капля электризовалась, и по скорости ее падения в электрическом поле и вне его рассчитывалась величина заряда.

Последующие эксперименты Томсона показали: количество электронов в атоме совпадает с его номером в таблице химических элементов Менделеева. Это открытие помогло Резерфорду определить заряд ядра и, рассчитав по нему численность положительных частиц, выяснить, что она равна количеству отрицательных частиц. Поэтому атом не имеет заряда, то есть нейтрален.

В 1906 г. Томсону вручили Нобелевскую премию. Несмотря на то, что Резерфорд своими исследованиями поставил крест на его атомной модели, она стала важным шагом на пути к пониманию структуры материи.

Протоны, позитроны и другие элементарные частицы

На заре XX в. ученые уже знали, что представляет собой атом ― это ядро, окруженное электронами. Но как устроено ядро? Долгое время это оставалось загадкой, и первым за ее разгадывание взялся английский физик Эрнст Резерфорд (1871–1937). Что, если во всех атомах, независимо от того, какому элементу они принадлежат, ядра водородные? — подумал ученый и для проверки пронаблюдал за тем, как альфа-лучи, состоящие из положительных ядер гелия (которые образуются, например, при распаде тяжелых ядер урана), атакуют атомы азота. Время от времени из азотных ядер вылетали какие-то частицы — фотопленка запечатлевала их, но из-за невыразительности изображения Резерфорду и его студентам сложно было что-либо разглядеть. Приходилось почти всю ночь сидеть без света и ждать, пока глаза привыкнут к темноте, а уже потом приступать к эксперименту. Только так исследователи смогли изучить световые отпечатки, и их форма показалась Резерфорду схожей с траекториями кислородных и водородных ядер. Догадка вроде как подтвердилась, и обнаруженные частицы были названы протонами (от греч. «первый») — поскольку водород стоит в таблице Менделеева под номером 1.

Впрочем, дальнейшие исследования показали: протон — это вовсе не то же самое, что ядро водорода; это лишь часть ядра. Водород действительно располагает всего одним протоном, а у остальных элементов атомные ядра могут вмещать и две, и три, и больше таких частиц. Впоследствии ученые выяснили, что протон заряжен положительно и в каждом атоме количество протонов совпадает с численностью отрицательных частиц — электронов, так что они взаимно уравновешиваются. Именно поэтому в обычном состоянии, в отсутствие внешних воздействий, атомы (а соответственно и материя) не заряжены — заряд у них появляется только внутри электрического поля.

Потом Резерфрод заметил, что порядковые номера атомов, соответствующие количеству протонов в ядре, и массы ядер не совпадают. Это натолкнуло его на мысль, что должны существовать еще какие-то частицы, без заряда, не нарушающие равновесие положительных и отрицательных частиц. В 1930 г. данное предположение было подтверждено экспериментами немецких ученых Герберта Бекера и Вальтера Боте. «Обстреливая» легкие атомы лития и бериллия ядрами гелия (альфа-частицами), физики наблюдали излучение, обладающее свойством проходить сквозь любые объекты. Поначалу Бекер и Боте приняли его за высокочастотные электромагнитные гамма-лучи, однако дальнейшие исследования показали: фотонное излучение, как бы глубоко ни проникало в толщу материалов, все же отстает по этим параметрам от излучений лития и бериллия. Ученые рассчитали, сколько весят все протоны атома бериллия, и получили 4 единицы, что весьма удивило их: ядро-то весит 9 единиц — кому принадлежат еще пять?!