Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Формула Ридберга отлично работает для объяснения длин волн всех известных линий водорода и с некоторыми небольшими уточнениями может объяснять некоторые серии линий от других элементов. Формула Ридберга, может быть, и не годится для всех элементов вообще, но она была единственной успешной системой, с которой кто-либо вообще выступил. Ее математическая простота указывала на такую же элегантную структуру в основе явления. К несчастью, в течение следующих 25 лет ни у кого не возникло даже идеи, что за структура могла бы лежать в основе.

Самая невероятная вещь внутри атома

Настоящий прорыв в объяснении света, излучаемого и поглощаемого водородом и в конце концов и всеми другими элементами, произошел в 1913 году в работе датского физика-теоретика Нильса Бора. Однако этому предшествовало другое поразительное открытие, сделанное в лаборатории Эрнеста Резерфорда[82] в Манчестере, Англия.

В 1909 году Резерфорд уже был одной из главных сил, движущих физику, причем его только что наградили Нобелевской премией по химии в 1908 году за исследования, выполненные в университете МакГилла в Монреале в 1898–1907 годы. Эта работа дала нам классификацию радиоактивности в терминах «альфа», «бета» и «гамма» излучения, которые мы используем до сих пор. Он показал, что альфа-частицы были ядрами гелия (мы подробнее поговорим про альфа распад в 10-й главе), и продемонстрировал, что это их излучение превращает один химический элемент в другой. Это открытие об изменении химической идентичности оказалось причиной того, что Резерфорду дали Нобелевскую премию в области химии, что достаточно иронично. Ученый был известен тем, что достаточно пренебрежительно относился ко всем другим наукам, кроме физики, и открыто заявлял, что физика – единственная настоящая наука, а все остальное – это «собирание коллекции марок». Он рассказал об этом в одном из разговоров на Нобелевском банкете, пошутив, что из всех превращений, которые он изучал, ни одно не было более быстрым или неожиданным, чем его собственное превращение из физика в химика.

Но Резерфорд был не из тех, кто почивает на лаврах, и сразу запустил новую программу исследований, перебравшись в Манчестер в 1907 году. Его идеей было направить поток альфа-частиц, получившихся в результате радиоактивного распада радия, на кусочек золотой фольги. Он хотел использовать следы от этих частиц, чтобы уточнить некоторые детали о структуре материи. Наилучшей моделью атома в то время была модель Дж. Дж. Томпсона – модель «свинцового пуддинга», которая представляла атом как пузырь положительного заряда, наполненный по всему объему отрицательно заряженными электронами, встроенными внутрь него. Такой атом должен был оказывать лишь слабое сопротивление прохождению через него высокоэнергетических частиц из источника излучения Резерфорда, отклоняя их на крайне малое значение – несколько градусов самое большее.

Первоначальные эксперименты с альфа-частицами по этим небольшим отклонениям в основном показали, что ученые и ожидали. Для того чтобы перепроверить эти результаты, Резерфорд дал задание своему помощнику по исследованию, Хансу Гейгеру[83], и студенту старших курсов Эрнесту Марсдену задачу найти альфа-частицы, которые отклонились больше чем на 90 градусов и остались на той же стороне фольги, что и источник радиоактивного излучения.

Хотя принятая в то время теория говорила, что таких частиц им не найти, Марсден и Гейгер на самом деле обнаружили достаточное количество альфа-частиц, отклонившихся на большие углы, до 150 градусов, то есть практически повернувшихся назад к источнику. Назвать это неожиданностью – это слабо сказано; сам Резерфорд несколько лет спустя говорил:

«Возможно, это было самое невероятное событие, которое случилось в моей жизни. Это было так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок туалетной бумаги, и он отскочил прямо в вас».

Согласно атомной модели «свинцового пудинга», большие иглы отклонения, зафиксированные Марсденом и Гейгером, были просто невозможны. Электростатическое отталкивание между альфа-частицами высокой энергии и размазанный пузырь положительного заряда не могли сделать золотые атомы фольги настолько сильными, чтобы они повернули вспять.