Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Резерфорд это понял практически мгновенно и осознал, что шокирующий результат Марсдена и Гейгера может быть объяснен, только если положительный заряд атома был не «размазан», а сконцентрирован, то есть если бы позитивно заряженное ядро содержало большую часть массы атома. Предположение Резерфорда было рождением современной версии атома, как его рисуют в комиксах, изображая маленькое положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электрически заряженные электроны. На основе предположения, что большая часть массы атома находится в маленьком ядре, Резерфорд проработал уравнение, которое предсказывает, как те альфа-частицы, которые отклонились на определенный угол, должны зависеть от энергии альфа-частиц и от состава «мишени». Марсден и Гейгер выполнили новую серию экспериментов, и они полностью подтвердили все предсказания формулы Резерфорда.

Однако, как и с фотоэлектрической моделью Эйнштейна, заявление о практическом успехе модели Резерфорда не сразу завоевало общее признание. Причина этого проста: согласно хорошо понятной классической физике, атомная модель Резерфорда невозможна. Электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, будет постоянно изменять направление движения, а это означает, что он будет иметь ускорение. Это ускорение должно привести атом Резерфорда к быстрой смерти. Ускорение излучает радиацию: этот принцип использовал Герц для генерирования электромагнитных волн в своих экспериментах, а также для радиопередатчика, построенного полтора века до этого. Электрон, вращающийся по орбите, должен испускать высокочастотные световые волны – х-лучи (рентгеновские лучи) и гамма-лучи во всех направлениях.

При этом эти волны должны уносить прочь энергию, вызывая замедление электрона и его спиральное падение внутрь атома, пока он не врежется в ядро. Атом Резерфорда, похожий на Солнечную систему, был просто абсурдом с точки зрения классической физики.

Войдите в квантовый мир

Итак, модель атома Резерфорда с большей частью массы в ядре хорошо работала для объяснения экспериментов, проделанных Марсденом и Гейгером, но из-за принципиальных противоречий между представлением электронов, движущихся по орбитам, и классической физикой эту модель не слишком серьезно приняли за пределами Манчестера. К счастью, приехал Нильс Бор и несколько месяцев проработал с Резерфордом, что привело, в конце концов, к разрешению проблемы и полному изменению нашего представления об атоме. Бор и Резерфорд представляли странную пару: Бор был известен как человек, склонный к мягким формулировкам, и говорил обиняками, в то время как Резерфорд был громогласным и представительным. Контраст между учеными был виден и в работе: хотя Резерфорд и был весьма одарен математически, он часто недооценивал чистую теорию, а вот Бор был в основном теоретиком. Когда над Резерфордом подшучивали, что он работал с Бором, тот парировал: «Бор другой. Он футболист!» (Младший брат Бора, Гаральд, был вратарем и играл за датскую олимпийскую команду, а Нильс в молодости был сам довольно талантливым футболистом.)

Несмотря на огромную разницу в темпераменте, Бор и Резерфорд стали большими друзьями. Молодой датчанин оказался способным спасти модель атома Резерфорда, похожую на Солнечную систему. Бор признал, что проблема структуры атома означает решительный разрыв с классической физикой, равно как и проблема излучения черного тела. Как и в «ультрафиолетовой катастрофе», где физика говорила, что горячие предметы должны испускать огромное количество коротковолновых световых лучей, чего явно не наблюдалось; так и тут классическая физика говорила, что ядро атома не может существовать долгое время, хотя атомы были стабильны. Подобно Планку, Бор представил новую модель атома, просто заявив, что при определенных обстоятельствах правила классической физики неприменимы.