Становление теорії атома

Становление теорії атома

И.А. Изюмов, школа № 3, р. Аксай, Ростовська обл.

Есть річки, повноводні спочатку. Вони проливаються з великих озер, точно з переповненій чаші, ніби Святий Лаврентій з Онтаріо, Ангара з Байкалу, Ніл з Виктории-Ньянцы. Це річки без джерельного дитинства: їх верхів'я могутні, як інші гирла. Час колисковою немочі не знайома.

Д.Данин.

История первая

Оставляя в 1884 р. кавендишевскую професуру, Рэлей сам назвав свого наступника. Його вибір схвалили й Кельвін, і Габріел Стокс, та порівняно молодий ще син Чарльза Дарвіна — кембриджський професор математики астрономії Джордж Говард Дарвін. Були й противники. Один зарубіжний фізик, проходив практику в Кавендишевской лабораторії, відразу ж зібрав свій скарб і відбув там: «Безглуздо працювати під керівництвом професора, який лише на двох років старше тебе». Інший похмуро висловився: «…критичні часи наступають в університеті, якщо професорами робляться просто мальчики!».

«Просто хлопчику» було двадцять вісім років надійшло. Півстоліття потому у «Спогадах і роздумах» він зізнався, що обрання кавендишевским професором стало для нього приголомшливою несподіванкою: «Я почувався, як рибалка, який із занадто легким спорядженням витягнув рибу занадто важку, щоб доставити її до берегу».

У початківця дослідника була коротка, але переконлива наукова біографія. Син небагатого видавця, зростав серед книжок розвивалося швидше за однолітків. Чотирнадцятирічним підлітком надійшов Манчестерський університет. Професурі прецедент видався небезпечним: «Незабаром студентів привозитимуть до нас у невмілих дитячих візках». І щоб убезпечитися від такий катастрофи, вони підвищили вікової ценз поступающих.

Необычно рано розпочалася, і його життя науці. До дев’ятнадцяти років вона вже мав роботу, опублікованій у «Працях Королівського суспільства». Тим більше що час студентства була нього зовсім не від безтурботної. Він рано втратив батька. І його постійної турботою стало завоювання усіляких стипендій. Молодий учений ліпив долю власними руками.

Он виник лабораторії в 1880 р., невдовзі після урочистого посвяти в «бакалаври з відзнакою». Треба лише було здати грозно-знаменитый кембриджський трайнос — велемудру іспит. Юнак витримав його блестяще.

Рэлей привернув до себе неї відразу. Новий дослідник був плідний і невтомний, завжди сповнений ідей дуже проникливий. Перша само одержувати його робота удостоїлася наукової премії імені Т. Шевченка астронома Адамса. З неї йшла повна неспроможність бытовавшего тоді уявлення про атомах як вихрах в ефірі. Вчений як розчищав будівельний майданчик для власної майбутньої моделі атома — моделі більш обгрунтованою, та ще дуже туманной…

Словом, у Рэлея були вагомих підстав вірити на свій вибір. Серед кавендишевцев завжди було багато добрих фізиків. Але з їхньої когорти рэлеевской пори ніхто, крім нового керівника, стане згодом ученим світового масштабу. Про його правлінні чудово сказав Олівер Лодж: «Наскільки менше знав би світ, якби Кавендишевской лабораторії немає у світі; але наскільки зменшилася б слава навіть цього прославленої лабораторії, якби сер Дж.Дж.Томсон ні однією з її директоров!».

А директорував він тридцять п’ять років беззмінно — до 1919 р. Він створював школу. Він робив відкриття фізики й відкривав фізиків. Його одно приваблювали удачі вченого і удачі вчителя. Йому мало було Англії - хотілося, щоб Кавендишевская школа стала світової. Обставини цьому сприяли. Тут діяла все той самий «зворотний» між наукою і історією. У рибалки виявилася казкова мережу, і він зумів допровадити до березі безприкладний улов.

История вторая

У лабораторного столу мовчки працював чоловік у домашньої куртці. Довготерпіння в сутуловатом нахилі спини. Вкрадливість умілих пальців. У Біблії він виконував цю простеньку операцію і знав: вона вдається відразу. Досадувати було геть немає потім: хвилина, дві, і буде в порядке.

Однако інший — в солідному темному костюмі, зі звичним пильністю спостерігав над роботою першого, був у цього разу іншої думки. Несподівано жбурнув на підвіконня важку вересковую трубку і рушив до столу. Підняв сильні долоні важких рук і поніс перед собою. Владний голос його теж був важким, як руки, і значним, як і всі постать. Перед постаттю, покорствуя, розступалось пространство:

— Кроу, що ви там копаєтеся! Давайте сюди — я сам…

Человек в куртці розігнув спину і із подивом подивився на шефа. Мовчки поступився у лабораторного столу" й мовчки попрямував до підвіконню — зібрати просыпавшийся з трубки тютюн. Але хоча б владний голос вдарив його сзади:

— Не трясіть стол!

— Що?! — від подиву обернувся Кроу.

— Не трясіть стол!

— Послухайте, сер… — спаленів було Кроу, але стримався: він раптом побачив знамениті руки. Вони… тремтіли. Вперше за вісімнадцять років асистент побачив, що шеф чогось неспроможна. Тим часом на знову пролунало грозно-беспомощное:

— Чому трясете стол?!

За вісімнадцять років асистент не навчився розпізнавати напади поганого настрої у шефа. Вони повинні були завжди раптові, і це не перебувало розумного пояснення. На цього разу Кроу просто побачив причину. І тихенько присунувся до столу. І на насправді спробував похитнути ногою громіздке лабораторне ристалище. Шеф скоса подивився ассистента…

Потом галасливо ляснула двері, багато часу вщухали в коридорі важкі кроки. Кроу був при вікна, зважуючи на долоні забуту вересковую трубку, роздивлявся старі університетські камені та чекав, коли з’явиться постать розгніваного шефа. Вона з’явилася, і зазвичай, перед ній розступалось простір. Але був у ній не розмашиста разгневанность, а повільна пригніченість. Розгорнувши вікно, Кроу перегнувся через подоконник:

— Сер! Ви забули трубку!

Шеф зупинився. Підняв голову й подивилося непонимающе. Жестом показав: «Кидайте!» Цього Кроу не очікував. А жест повторився — вже нетерплячий і владний. І Кроу кинув. Шеф впіймав трубку на льоту, але з утримав в тремтячих долонях. Нагнувся підняти. Торкнувся пальцями тротуару і розвеселився від думки, що треба було крикнути комусь: «Чому трясете Англію?!» Розігнувся і кивнув прощання Кроу. Потім посміхнувся подумки і рушив далі по десятиліттями исхоженной улочке.

Так йшов одне із двадцяти чотирьох які живуть лицарів ордена «За заслуги» — лорд без аристократичної родоводу, барон без пологових маєтків, з семи синів безвісного новозеландського фермера і безвісної новозеландської вчительки, одне із найбільших творців фізики ХХ століття — людина, проникший в атом і яка вперше побачила його будову, відкрив атомне ядро і вперше його расщепивший, сучасник Альберта Ейнштейна, майже рівний йому по величі і заслугах над іншими людьми.

Под весняним небом повільно йшов, віддаляючись, лорд Резерфорд оф Нельсон — залишаючи життя веселий і серйозна людина з неправдоподібно далеких берегів протоки Кука…

В 1895 р. в Кембриджі була офіційно заснована своєрідна докторантура. Починає дослідник міг приїхати звідки завгодно. Томсоновская мрія про світової школі фізиків ставала реальністю. І дуже швидко в триповерховому будинку тихою Фри-Скул-лэйн зазвучали молоді голоси, говорили англійською із найнесподіванішими акцентами. Першим почувся новозеландський. Першим докторантом, котрий переступив поріг Кавендіша у жовтні 1895 р., був Ернест Резерфорд.

История третья

Ранним вересневого ранку 1911 р. юнак, занурений до своєї думки, раптом застиг себе бездіяльно хто стоїть біля якийсь лавчонки. Очі його ковзали по написи на вхідних дверях. У адресі торгової фірми написано було «Кембридж», і раптово до її свідомості дійшло, що він справді «у тому самому Кембриджі»! Весь день — але це зовсім не від був його приїзду — він бродив по старого міста і лише ввечері в недорогому пансіоні місіс Джордж, де йому вдалося влаштуватися, захоплено написав нареченій про своє ранковому відкритті. …Вона сама вибрав Кавендишевскую лабораторію. Із якими надіями готувався вона до майбутню поїздку! А ще пішов увесь літо після захисту дисертації. Усвідомлюючи цінність своєї роботи з електронної теорії, він був переконаний, що у томсоновском Кембриджі її опубликуют.

Томсон видавався йому великим людиною. Молодий дослідник прочитав, як стверджував згодом, усі його роботи. І височайше цінував ті, що пішли за відкриттям електрона. Особливо присвячені моделі атома. Старовинний Кембридж мав для нього лише музейної привабливістю, якби їх очікували на вуличці Фри-Скул-лэйн годинник живого спілкування з Джозефом Джоном Томсоном. Так чи міг не податися цю вуличку після приїзду? І із відкритою душой…

…В хвилини першій же його їх зустрічі він поклав перед Томсоном замість своєї дисертації томсоновскую статтю з відзначеними у тексті томсоновскими помилками і радісно зазначив них метру: «Не так, сер Джозеф, наскільки важливе, що помилки виявлено!» Десять років Петро Леонідович Капіца почув у Кавендиші іншу історію. Молодий Нільс Бор, нетвердий у «англійському, просто сказав: «Сер Джозеф, тут ви написали глупость!».

Может бути, цим пояснювалося все те що потом?

А поки… Поки приветливо-разговорчивый Дж. Дж. підкорив двадцатишестилетнего Бору як і легко, як свого часу двадцятичотирирічного Резерфорда.

«Томсон захопив мене…» -це Резерфорд в 1895-м — нареченій Мері Ньютон.

«Я побачив справді великої…» — це Бор 1911;го — нареченій Маргарет Норлунд.

А через день-два, що його дисертація занурилася нарешті у застарілу плутанину паперів і мудрих книжок на томсоновском столі, пішло захопленого листа братові: «…Я що розмовляв із Дж.Дж.Томсоном… Він було дуже милий зі мною… і запросив мене пообідати у неділю Тринити-колледже. Там він повісті балачки про моєї рукописи…».

Они пообідали. Але Томсон розмови не повів. І за тиждень теж. І за дві тижня теж. І за місяць. У душі Бору з’явилося відчуття безплідно який струменіє часу. Зазирнувши у кабінет Томсона, він, зазвичай розсіяний до дрібниць, з пильністю, загостреною очікуванням, відразу ж визначив, що його рукопис лежить на жіночих попередньому місці серед тих-таки паперів… Оптимізму треба було знайти нову опору — колишня початку обминіть. Саме тоді Бор побачив Ернеста Резерфорда.

Резерфорд приїхав із Манчестера, де після Монреаля з 1907 р. очолював кафедру в університеті Вікторії. Він завжди казав багато, і про нього говорили багато. Японський теоретик Нагаока писав: «Мені здається генієм той, хто може працювати з настільки примітивним обладнанням і збирати настільки багату жнива». Японець в початку 1911 р. відвідав Манчестер і вбачав той самий установку, з якою «всі у сутності, і почалося». Відкрилося: при бомбардуванню листка золотий фольги не все альфа-частинки пронизують її наскрізь — інші відкидаються назад! Навіть Резерфорд тоді казав: «…Це був майже так само неправдоподібно, що коли б ви справили постріл по обривку цигаркового паперу пятнадцатидюймовым снарядом, і повернувся б тому і потрапив у вас».

Резерфорд дійшов висновку: у затінках атома є масивна заряджена серцевина. Але через її дрібниці лише рідкісні частки прицільно потрапляють у неї, щоб позначитися тому. Існування атомного ядра було незаперечним. Та лише кінці 1910 р. Резерфорд своїм «величезним» голосом оголосив в манчестерской лабораторії: «Я тепер знаю, що таке атом!».

Выглядел атом, як сонячна мікросистема: з позитивним ядром у центрі й негативними електронами на планетних орбітах далеко від ядра. По класичним законам, такий устрій не міг: обертання змушувало б електрони, в злагоді із законами Максвелла, безупинно випромінювати енергію, а втрата енергії, в злагоді із законами Ньютона, наводила б до неминучого падіння на ядро. Резерфорд побачив приречений атом. І попередив теоретиків: «Питання стійкості запропонованого атома в цій стадії годі було піддавати розгляду…» З’явився теоретично протизаконний, але експериментально обгрунтований планетарний атом.

Возможность заговорити про багатою жнив випала всім. Однак із цієї можливістю ніхто з теоретиків не скористався. І навіть за тому кавендишевском обіді, у жовтні, слова атомне ядро і планетарний атом не обтяжувалися дружніх промов. …Спочатку чинно сиділи за столами. Пили традиційний портвейн і слухали завидні спогади ветеранів. Потім, змінивши англійську стриманість на англійську невимушеність, стали на стільці, схрестили по-дитячому руками і заспівали жартівливі лабораторні пісеньки. І Томсон стояв на стільці. І Резерфорд стояв на стільці. І Бор стояв на стільці. Він співав разом з усіма, за незнанням слів і мелодій, зате усміхався зніяковіло і щасливо. Його оптимізм раптом знайшов нову опору.

Бор із захопленням роздивлявся Резерфорда. Не оскільки встиг зачаруватися його новими ідеями. Та й є ще захоплений томсоновской моделлю. Здається, Дж.Дж. сам придумав нею смачне порівняння: атом нагадує кекс — негативно заряджені электроны-изюминки поцяткували в позитивно заряджене тісто. Воно заповнює все атомне простір. Проте цим «позитивно наелектризованим простором» нічого не виходило. Отут і останні досліди резерфордовцев: від пухкого атома з безліччю, розмазаної з усього обсягу, альфа-частинки могли б відбиватися назад…

Кавендишевец Рэлей-младший запевняв, що Томсону і наодинці невідь що подобалася його модель. Але чужі ідеї не порушували у ньому інтерес, а критика не розбурхувала уваги. Тепер, через двадцять сім багатьох років після початку кавендишевского «батьківства», він потай видав собі охоронну грамоту у разі будь-яких домагань «дітей»: «…Молодим людям не було б висловлювати що. Мені відомі про даному предметі вулицю значно більше, що вони, і це вже обміркував все…».

Это слова не самого Дж.Дж. Так було в 1962 р., розповідаючи історикам про далеке минуле, сформулював за Томсона його психологічну позицію старий Нільс Бор. А молодий Бор у години кавендишевского обіду всього цього не розумів. За його визнанню, нею справила тоді глибоке враження сама особистість Резерфорда. І почуття вже підказувало йому, що він шукати нової зустрічі з ним.

Их не познайомили під час обіду… Сталося це у затишній домашньої обстановці в Манчестері, у ній професора фізіології Лоуренса Сміта, у кризовій ситуації, уравнивающей співрозмовників. Так, за мінімальної сприянні випадку наприкінці листопада 1911 р. звела їхнє життя. Звела у тому, щоб дві катастрофи — планковский квант і резерфордовский атом — злилися у єдиний вибух розуміння, щоб фізикам зрозуміли щось важливе реальні причинах вещей.

Оставалось попрощатися з Кембриджем. Чутка про від'їзді Бору порушив здивування в кавендишевцев. Як можна і Томсон, вони його «прогавили»: вирушаючи на вокзал в самотині, Бор не залишав на берегах Кема нікого, хто устиг стати справжнім іншому. Через століття, в 1936 р., вісімдесятилітній Дж.Дж. опублікував свої розлогі «Спогади і роздуми». У вашій книзі був параграф «Нільс Бор». Десять рядків сдержанно-безличного визнання заслуг Бору в побудові теорії атома…

Может бути, Томсон все забув? Або відчув, що цим спогадам кращим предаваться?

18 березня 1912 р. Резерфорд написав з Манчестера старому другу: «Бор, датчанин, залишив Кембридж і з’явився здесь…».

После того як у самісінькому рубежі XIX-ХХ ст. — в 1900 р. — п'ятдесятилітній професор з Берліна Макс Планк вперше вимовив слово квант, в фізику ввійшло дивне уявлення про своєрідних атомах електромагнітної енергії. Світло став подібний до іншої матерії. Дробность будівлі замість безперервності. У рамках класичної фізики осмислити про це не вдавалося. І не слід було живити надію, що у класичному світі знайдеться законне місце для нової універсальної постійної, відкритої Планком. Багато фізики тоді ще вважали, що вона більш як вигадана величина, яка у теоретичних снах. Планк недарма назвав нову константу «таємничим послом з реального світу».

Каков ж вона, цей реальний світ? Як влаштовані надра матерії, звідки з’явився цей таємничий посол? Усі ставили одна одній питання — приватні та загальні. І що змістовнішим було питання, проте задовільний відповідь. Поки що ж… Поки справи складалися відмінно. Знайшовши розуміння та співчуття, Бор знайшов себе. 12 червня пішло знаменне лист до брата Харальду: «Щодня я почав розробляти маленьку теорію, яка… можливо, проллє певне світло на цілий ряд проблем, пов’язаних із структурою атомов…».

«Маленькая теорія» міцно прив’язала його за стіл. Доби раптом перестало хапати для роботи. Він був добровільним затворником. Через багато років, згадуючи Резерфорда, Бор написав: «У ранню пору мого перебування Манчестері… я переконався, що будова електронного рою в резерфордовском атомі управляється квантом дії (постійної Планка…)».

Однако далеко ще не уторованим виявився шлях від вірно угаданного принципу до життєздатною теорії. Бор говорив, Резерфорд мовчав. Він хотів вникати у математичні подробиці, а фізичними ні задоволений. Але Бор не почув: «Ступайте-ка додому, моє хлоп’я». Крім антирезерфордовского ради «не поспішати», Бор почув цілком резерфордовское побажання: кинути метушню зі складними атомними системами, а віддатися найпростішої - водородному атома… Прощалися вони недовго, і був це, точно Бор куди їхав, лише залишав на чверть години аудиторію, оскільки прозвучав дзвінок на перемену…

Возвращение з Англії восени 1912 р. став Бору пам’ятною кордоном. Нині в нього з’явилася посаду у Копенгагенском університеті: асистент професора Кнудсена. Але професор відчував з першого дня: його асистент, коли вони присутні, в дійсності відсутня. І за час він погодився — по проханні Бору — надати його себе… Між 3 і п’яти лютого 1913 р. в історію фізики хвилини зазирнув товариш Бору по студентським занять — Ганс Маріус Хансен. Бор говорив, що Хансен виявився тоді Копенгагені «єдиним фізиком, якому цікаві були ці речі». І серце його нового слушателя-спектроскописта позадкувало від надежды…

— А спектри? — раптом запитав Хансен. — Як твоя теорія пояснює спектральні формулы?

— Спектральні формулы?!

— Тобі необхідно подивитися ці формули. Ти побачиш, з яким чудовою простотою вони описують спектры!

— Я посмотрю…

Они попрощались…

Школьному вчителю, швейцарцю Йогану Якобу Бальмеру було шістдесят год, як у 1885 р. він опублікував свою формулу — плід великого довготерпіння. Він не знав про устрої атома нічого й мав лише таблицею даних про довжинах світлових хвиль в спектрі водню. Але, побачивши цієї формули, Бор не міг від нього відірватися. А Леон Розенфельд засвідчив: «Він казав мені раз: „Як лише я побачив формулу Бальмера, все негайно прояснилося переді мной“».

Что бачив Бор? Сходи дозволених Природою рівнів енергії в атомі. Рухатися за таку драбині можна була лише зі сходинки на сходинку. Затриматися між сходинок Природа не дозволяла. Крім електрона нікому бути її будівельником. І крім його планетних орбіт нічому служити її сходинками. Драбина дозволених рівнів енергії видалася як павутиння дозволених електронних орбіт. Чим більше від ядра пролягає орбіта — тим більша енергія атома. Чим ближче до до ядру, тим нижче енергетична сходинка. В кожній їх, досі випущення кванта електрон всупереч класиці щось випромінює. На момент випущення він звалюється вниз, та її підхоплює інша, ближча до ядру орбіта. І він починає тепер обертатися у ньому, знову випромінюючи. А квант залишає атом в процесі самого перескока електрона. І тільки глибини зниження економіки з орбіти на орбіту залежить величина улетающего кванта — його частота. Або колір спектральною лінії. Серед орбіт електрона є перша. Нижче — ядро. З цього нижньої орбіти електрону нікуди падати. І може обертатися у ньому безстроково. Її радіус і ставив нормальний розмір атома.

…Он з’явився на добре знайомий будинок на Уилмслоу-роуд просто з вокзалу. Резерфорды були на той будній вечір не одні. Але вони зупинився давнього друга з Канади — професор Ів. Ім'я Бору щось сказала Вербу. І тому йому особливо запам’яталася поспішність, з яким господар відразу ж повів молодого гостя у кабінет… Усі наступне відбувалося без свідків. Час йшло вечір за ввечері. Але навряд це мучило обох. Їм солодко було обтяжувати свої голови міркуваннями про реальної природі речей. І назавжди запам’ятали ті вечора, ті березневі вечора, у яких вони мали достатньо підстав не щадити времени.

…Меж тим скінчився березень, почався квітень. Вітер над Північним морем щосили возвещал весну. І на цілком весняному настрої повертався до дому доктор філософії Копенгагенського університету Нільс Бор. Позначений датою 5 квітня 1913 р. і споряджена благословенням члена Королівського суспільства Резерфорда, перша його стаття про квантової конституції атома вже тримала шлях у редакцію «Philosophical Magazine». Чи знав він, що ця стаття стане початком нової доби в теоретичному пізнанні мікросвіту? Наверняка!

«Краешком істини» назвав Ейнштейн те, що відкрилося Природі. «Шматочком реальності» назвав Бор те, що Природа відкрила ему.

Литература

1. Д. Данин. Нільс Бор//Серия ЖВЛ. — М.: Молода гвардія, 1978.

2. Д. Данин. Резерфорд//Серия ЖЗЛ. — М.: Молода гвардія, 1966.

3. Д. Данин. Резерфорд і Бор. — Природа, 1966, № 4, 5.

4. Лоуренс У. Люди і атоми. — М.: Атомиздат, 1966.

5. Капіца П. Мої згадки Резерфорді. — Новий світ, 1966, № 8.