Становление теории атома
Становление теории атома
И.А. Изюмов, школа № 3, г. Аксай, Ростовская обл.
Есть реки, полноводные изначально. Они проливаются из великих озер, точно из переполненной чаши, как Святой Лаврентий из Онтарио, Ангара из Байкала, Нил из Виктории-Ньянцы. Это реки без родникового детства: их верховья могучи, как иные устья. Пора колыбельной немощи им не знакома.
Д.Данин
История первая
Оставляя в 1884 г. кавендишевскую профессуру, Рэлей сам назвал своего преемника. Его выбор одобрили и Кельвин, и Габриэл Стокс, и сравнительно молодой еще сын Чарльза Дарвина – кембриджский профессор математики и астрономии Джордж Говард Дарвин. Были и противники. Один зарубежный физик, проходивший практику в Кавендишевской лаборатории, тотчас собрал свои пожитки и отбыл на родину: «Бессмысленно работать под началом профессора, который всего на два года старше тебя». Другой мрачно высказался: «...критические времена наступают в университете, если профессорами делаются просто мальчики!»
«Просто мальчику» было двадцать восемь лет. Через полвека в своих «Воспоминаниях и размышлениях» он признался, что избрание кавендишевским профессором явилось для него ошеломляющей неожиданностью: «Я чувствовал себя, как рыбак, который со слишком легким снаряжением вытащил рыбу слишком тяжелую, чтобы доставить ее к берегу».
У начинающего исследователя была короткая, но убедительная научная биография. Сын небогатого издателя, он рос среди книг и развивался быстрее сверстников. Четырнадцатилетним подростком он поступил в Манчестерский университет. Профессуре прецедент показался опасным: «Скоро студентов будут привозить к нам в детских колясках». И дабы уберечься от такой катастрофы, они повысили возрастной ценз поступающих.
Необычно рано началась и его жизнь в науке. К девятнадцати годам он уже имел работу, опубликованную в «Трудах Королевского общества». Между тем пора студенчества была для него вовсе не безмятежной. Он рано лишился отца. И его постоянной заботой стало завоевание всяческих стипендий. Молодой ученый лепил свою судьбу собственными руками.
Он появился в лаборатории в 1880 г., вскоре после торжественного посвящения в «бакалавры с отличием». Для этого нужно было сдать грозно-знаменитый кембриджский трайнос – многосложный экзамен. Молодой человек выдержал его блестяще.
Рэлей обратил на него внимание сразу. Новый исследователь был плодовит и неутомим, всегда полон идей и очень проницателен. Первая же его работа удостоилась научной премии имени астронома Адамса. Из нее следовала полная несостоятельность бытовавшего тогда представления об атомах как вихрях в эфире. Ученый словно расчищал строительную площадку для собственной будущей модели атома – модели более обоснованной, но пока еще весьма туманной...
Словом, у Рэлея были веские основания верить в свой выбор. Среди кавендишевцев всегда было много хороших физиков. Но из их когорты рэлеевской поры никто, кроме нового руководителя, не стал со временем ученым мирового масштаба. О его правлении прекрасно сказал Оливер Лодж: «Насколько меньше знал бы мир, если бы Кавендишевской лаборатории не существовало на свете; но насколько уменьшилась бы слава даже этой прославленной лаборатории, если бы сэр Дж.Дж.Томсон не был одним из ее директоров!»
А директорствовал он тридцать пять лет бессменно – до 1919 г. Он создавал школу. Он делал открытия в физике и открывал физиков. Его равно прельщали удачи ученого и удачи учителя. Ему мало было Англии – хотелось, чтобы Кавендишевская школа стала мировой. Обстоятельства этому способствовали. Тут действовала все та же «обратная связь» между наукой и историей. У рыбака оказалась сказочная сеть, и он сумел доставить к берегу беспримерный улов.
История вторая
У лабораторного стола молча работал человек в домашней куртке. Долготерпение в сутуловатом наклоне спины. Вкрадчивость умелых пальцев. Десятки раз он проделывал эту простенькую операцию и знал: она не всегда удается сразу. Досадовать было решительно не на что: минута, две, и все будет в порядке.
Однако другой человек – в солидном темном костюме, с привычной зоркостью наблюдавший за работой первого, был на этот раз иного мнения. Внезапно он швырнул на подоконник тяжелую вересковую трубку и двинулся к столу. Поднял сильные ладони тяжелых рук и понес их перед собой. Властный голос его тоже был тяжелым, как руки, и внушительным, как вся фигура. Перед этой фигурой, покорствуя, расступалось пространство:
– Кроу, что вы там копаетесь! Давайте сюда – я сам...
Человек в куртке разогнул спину и с удивлением посмотрел на шефа. Молча уступил место у лабораторного стола и молча направился к подоконнику – собрать просыпавшийся из трубки табак. Но тот же властный голос ударил его сзади:
– Не трясите стол!
– Что?! – в изумлении обернулся Кроу.
– Не трясите стол!
– Послушайте, сэр... – вспылил было Кроу, но сдержался: он вдруг увидел знаменитые руки. Они... дрожали. Впервые за восемнадцать лет ассистент увидел, что шеф чего-то не может. А тем временем снова раздалось грозно-беспомощное:
– Почему вы трясете стол?!
За восемнадцать лет ассистент так и не научился распознавать приступы дурного настроения у шефа. Они были всегда внезапны, и им не находилось разумного объяснения. На сей раз Кроу просто увидел причину. И незаметно придвинулся к столу. И в самом деле попробовал поколебать ногой громоздкое лабораторное ристалище. Шеф искоса взглянул на ассистента...
Потом шумно хлопнула дверь, и долго затихали в коридоре тяжелые шаги. Кроу стоял у окна, взвешивая на ладони забытую вересковую трубку, смотрел на старые университетские камни и ждал, когда появится фигура разгневанного шефа. Она появилась, и, как обычно, перед ней расступалось пространство. Но была в ней не размашистая разгневанность, а медлительная удрученность. Распахнув окно, Кроу перегнулся через подоконник:
– Сэр! Вы забыли трубку!
Шеф остановился. Поднял голову и посмотрел непонимающе. Жестом показал: «Кидайте!» Этого Кроу не ожидал. А жест повторился – уже нетерпеливый и властный. И Кроу кинул. Шеф поймал трубку на лету, но не удержал в дрожащих ладонях. Нагнулся поднять. Коснулся пальцами тротуара и развеселился от мысли, что надо бы крикнуть кому-то: «Почему вы трясете Англию?!» Разогнулся и кивнул на прощанье Кроу. Потом усмехнулся про себя и двинулся дальше по десятилетиями исхоженной улочке.
Так уходил один из двадцати четырех живущих рыцарей ордена «За заслуги» – лорд без аристократической родословной, барон без родовых поместий, второй из семи сыновей безвестного новозеландского фермера и безвестной новозеландской учительницы, один из величайших создателей физики двадцатого века – человек, проникший в атом и впервые увидевший его строение, открывший атомное ядро и впервые его расщепивший, современник Альберта Эйнштейна, едва ли не равный ему по величию и заслугам перед другими людьми.
Под весенним небом медленно шел, удаляясь, лорд Резерфорд оф Нельсон – покидающий жизнь веселый и серьезный человек с неправдоподобно далеких берегов пролива Кука...
В 1895 г. в Кембридже была официально учреждена своеобразная докторантура. Начинающий исследователь мог приехать откуда угодно. Томсоновская мечта о мировой школе физиков становилась реальностью. И очень скоро в трехэтажном здании на тихой Фри-Скул-лэйн зазвучали молодые голоса, говорившие по-английски с самыми неожиданными акцентами. Первым послышался новозеландский. Первым докторантом, перешагнувшим порог Кавендиша в октябре 1895 г., был Эрнест Резерфорд.
История третья
Ранним сентябрьским утром 1911 г. молодой человек, погруженный в свои мысли, вдруг застиг себя праздно стоящим возле какой-то лавчонки. Глаза его скользили по надписи на входной двери. В адресе торговой фирмы начертано было «Кембридж», и внезапно до его сознания дошло, что он действительно находится «в том самом Кембридже»! Весь день – а это вовсе не был день его приезда – он бродил по старому городу и вечером в недорогом пансионе миссис Джордж, где ему удалось устроиться, восторженно написал невесте о своем утреннем открытии. ...Он сам выбрал Кавендишевскую лабораторию. С какими надеждами готовился он к предстоящей поездке! На это ушло все лето после защиты диссертации. Сознавая ценность своей работы по электронной теории, он был уверен, что в томсоновском Кембридже ее опубликуют.
Томсон представлялся ему великим человеком. Молодой исследователь прочитал, как утверждал впоследствии, все его работы. И высочайше ценил те, что последовали за открытием электрона. Особенно посвященные модели атома. Старинный Кембридж обладал бы для него лишь музейной привлекательностью, если бы его не ожидали на улочке Фри-Скул-лэйн часы живого общения с Джозефом Джоном Томсоном. Так мог ли он не отправиться на эту улочку тотчас по приезду? И с открытой душой...
...В минуты первой же их встречи он положил перед Томсоном вместо своей диссертации томсоновскую статью с отмеченными в тексте томсоновскими ошибками и радостно указал на них мэтру: «Не правда ли, сэр Джозеф, как важно, что ошибки обнаружены!» Через десять с лишним лет Петр Леонидович Капица услышал в Кавендише другую историю. Молодой Нильс Бор, нетвердый в английском, просто сказал: «Сэр Джозеф, вот тут вы написали глупость!»
Может быть, этим объяснялось все происшедшее потом?
А пока... Пока приветливо-разговорчивый Дж. Дж. покорил двадцатишестилетнего Бора так же легко, как в свое время двадцатичетырехлетнего Резерфорда.
«Томсон восхитил меня...» –это Резерфорд в 1895-м – невесте Мэри Ньютон.
«Я увидел действительно великого человека...» – это Бор в 1911-м – невесте Маргарет Норлунд.
А через день-два, когда его диссертация погрузилась наконец в застарелую неразбериху бумаг и книг на томсоновском столе, ушло восторженное письмо брату: «...Я только что беседовал с Дж.Дж.Томсоном... Он был очень мил со мной... и пригласил меня отобедать в воскресенье в Тринити-колледже. Там он собирается повести разговор о моей рукописи...»
Они отобедали. Но Томсон разговора не повел. И через неделю тоже. И через две недели тоже. И через месяц. В душе Бора появилось чувство бесплодно проходящего времени. Заглянув в кабинет Томсона, он, обычно рассеянный к мелочам, с зоркостью, обостренной ожиданием, тотчас определил, что его рукопись лежит на прежнем месте в окружении все тех же бумаг... Оптимизму надо было найти новую опору – прежняя начала ускользать. Вот тогда-то Бор увидел Эрнеста Резерфорда.
Резерфорд приехал из Манчестера, где после Монреаля с 1907 г. возглавлял кафедру в университете Виктории. Он говорил много, и о нем говорили много. Японский теоретик Нагаока писал: «Мне представляется гением тот, кто может работать со столь примитивным оборудованием и собирать столь богатую жатву». Японец в начале 1911 г. посетил Манчестер и видел ту самую установку, с которой «все, в сущности, и началось». Открылось: при бомбардировке листка золотой фольги не все альфа-частицы пронизывают ее насквозь – иные отбрасываются вспять! Даже Резерфорд потом говорил: «...То было почти столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги пятнадцатидюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».
Резерфорд пришел к заключению: в глубинах атома есть массивная заряженная сердцевина. Но из-за ее малости только редкие частицы прицельно попадают в нее, чтобы отразиться назад. Существование атомного ядра было неоспоримым. Но лишь в конце 1910 г. Резерфорд своим «громадным» голосом объявил в манчестерской лаборатории: «Теперь я знаю, как выглядит атом!»
Выглядел атом, как солнечная микросистема: с положительным ядром в центре и отрицательными электронами на планетных орбитах вдали от ядра. По классическим законам, такое устройство было невозможно: вращение вынуждало бы электроны, в согласии с законами Максвелла, непрерывно излучать энергию, а потеря энергии, в согласии с законами Ньютона, приводила бы к их неминуемому падению на ядро. Резерфорд увидел обреченный атом. И предупредил теоретиков: «Вопрос об устойчивости предлагаемого атома на этой стадии не следует подвергать рассмотрению...» Появился теоретически противозаконный, но экспериментально обоснованный планетарный атом.
Возможность заговорить о богатой жатве представилась всем. Однако этой возможностью никто из теоретиков не воспользовался. И даже на том кавендишевском обеде, в октябре, слова атомное ядро и планетарный атом не отягощали дружеских речей. ...Сначала чинно сидели за столами. Пили традиционный портвейн и слушали завидные воспоминания ветеранов. Потом, сменив английскую сдержанность на английскую непринужденность, встали на стулья, скрестили по-детски руки и запели шутливые лабораторные песенки. И Томсон стоял на стуле. И Резерфорд стоял на стуле. И Бор стоял на стуле. Он не пел вместе со всеми, за незнанием слов и мелодий, зато улыбался смущенно и счастливо. Его оптимизм вдруг обрел новую опору.
Бор во все глаза смотрел на Резерфорда. Но не потому, что успел плениться его новыми идеями. Да и был еще увлечен томсоновской моделью. Кажется, Дж.Дж. сам придумал для нее вкусное сравнение: атом похож на кекс – отрицательно заряженные электроны-изюминки вкраплены в положительно заряженное тесто. Оно заполняет все атомное пространство. Однако с этим «положительно наэлектризованным пространством» ничего хорошего не получалось. Вот и последние опыты резерфордовцев: от рыхлого атома с массой, размазанной по всему объему, альфа-частицы не могли бы отражаться назад...
Кавендишевец Рэлей-младший уверял, что Томсону и самому не очень нравилась его модель. Но чужие идеи уже не возбуждали в нем интереса, а критика уже не будоражила внимания. Теперь, через двадцать семь лет после начала своего кавендишевского «отцовства», он втайне выдал себе охранную грамоту на случай любых притязаний «детей»: «...Молодым людям не следовало бы высказывать всякую всячину. Я знаю о данном предмете гораздо больше, чем они, и я уже обдумал все...»
Это слова не самого Дж.Дж. Так в 1962 г., рассказывая историкам о далеком прошлом, сформулировал за Томсона его психологическую позицию старый Нильс Бор. А молодой Бор в часы кавендишевского обеда всего этого еще не понимал. По его признанию, на него произвела тогда глубокое впечатление сама личность Резерфорда. И чувство уже подсказывало ему, что он будет искать новой встречи с этим человеком.
Их не познакомили во время обеда... Произошло это в уютной домашней обстановке в Манчестере, в семье профессора физиологии Лоуренса Смита, в ситуации, уравнивающей собеседников. Так, при минимальном содействии случая в конце ноября 1911 г. свела их жизнь. Свела для того, чтобы две катастрофы – планковский квант и резерфордовский атом – слились в единый взрыв понимания, дабы физикам стало ясно кое-что важное о реальных причинах вещей.
Оставалось проститься с Кембриджем. Слух об отъезде Бора возбудил недоумение у кавендишевцев. Как и Томсон, они его «прозевали»: отправляясь на вокзал в одиночестве, Бор не покидал на берегах Кема никого, кто успел бы стать для него настоящим другом. Через четверть века, в 1936 г., восьмидесятилетний Дж.Дж. опубликовал свои пространные «Воспоминания и размышления». В книге был параграф «Нильс Бор». Десять строк сдержанно-безличного признания заслуг Бора в построении теории атома...
Может быть, Томсон все забыл? Или почувствовал, что этим воспоминаниям лучше не предаваться?
18 марта 1912 г. Резерфорд написал из Манчестера старому другу: «Бор, датчанин, покинул Кембридж и появился здесь...»
После того как на самом рубеже XIX–ХХ вв. – в 1900 г. – пятидесятитрехлетний профессор из Берлина Макс Планк впервые произнес слово квант, в физику вошло странное представление о своеобразных атомах электромагнитной энергии. Свет стал подобен остальной материи. Дробность строения вместо непрерывности. В рамках классической физики осмыслить эту новость не удавалось. И нельзя было питать надежду, что в классическом мире найдется законное место для новой универсальной постоянной, открытой Планком. Многие физики тогда еще полагали, что она не более чем вымышленная величина, родившаяся в теоретических снах. Планк недаром назвал новую константу «таинственным послом из реального мира».
Каков же он, этот реальный мир? Как устроены недра материи, откуда явился сей таинственный посол? Все задавали друг другу вопросы – частные и общие. И чем содержательней был вопрос, тем менее удовлетворителен ответ. А пока... Пока дела складывались отлично. Найдя понимание и сочувствие, Бор нашел себя. 12 июня ушло знаменательное письмо к брату Харальду: «Я начал разрабатывать маленькую теорию, которая... быть может, прольет некоторый свет на ряд проблем, связанных со структурой атомов...»
«Маленькая теория» накрепко привязала его к столу. Суток вдруг перестало хватать для работы. Он стал добровольным затворником. Много лет спустя, вспоминая Резерфорда, Бор написал: «В раннюю пору моего пребывания в Манчестере... я пришел к убеждению, что строение электронного роя в резерфордовском атоме управляется квантом действия (постоянной Планка...)»
Однако далеко не торным оказался путь от верно угаданного принципа до жизнеспособной теории. Бор говорил, Резерфорд молчал. Он не хотел вникать в математические подробности, а физическими не был удовлетворен. Но Бор не услышал: «Ступайте-ка домой, мой мальчик». Кроме антирезерфордовского совета «не спешить», Бор услышал вполне резерфордовское напутствие: бросить возню со сложными атомными системами, а отдаться простейшей – водородному атому... Прощались они недолго, и выглядело это так, точно Бор никуда не уезжал, а только оставлял на четверть часа аудиторию, поскольку прозвучал звонок на перемену...
Возвращение из Англии осенью 1912 г. стало для Бора памятным рубежом. Теперь у него появилась должность в Копенгагенском университете: ассистент профессора Кнудсена. Но профессор чувствовал с первого дня: его ассистент, присутствуя, в действительности отсутствует. И спустя некоторое время он согласился – по просьбе Бора – предоставить его самому себе... Между 3 и 5 февраля 1913 г. в историю физики на минуту заглянул товарищ Бора по студенческим занятиям – Ханс Мариус Хансен. Бор говорил, что Хансен оказался тогда в Копенгагене «единственным физиком, которому интересны были эти вещи». И сердце его нового слушателя-спектроскописта дрогнуло от надежды...
– А спектры? – вдруг спросил Хансен. – Как твоя теория объясняет спектральные формулы?
– Спектральные формулы?!
– Тебе необходимо посмотреть эти формулы. Ты увидишь, с какой замечательной простотой они описывают спектры!
– Я посмотрю...
Они попрощались...
Школьному учителю, швейцарцу Иоганну Якобу Бальмеру было шестьдесят лет, когда в 1885 г. он опубликовал свою формулу – плод великого долготерпения. Он не знал об устройстве атома ничего и располагал лишь таблицей данных о длинах световых волн в спектре водорода. Но, увидев эту формулу, Бор уже не мог от нее оторваться. А Леон Розенфельд засвидетельствовал: «Он говорил мне не раз: “Как только я увидел формулу Бальмера, все немедленно прояснилось передо мной”».
Что же увидел Бор? Лестницу разрешенных Природой уровней энергии в атоме. Двигаться по такой лестнице можно было лишь со ступеньки на ступеньку. Задержаться меж ступенек Природа не позволяла. Кроме электрона некому быть ее строителем. И кроме его планетных орбит нечему служить ее ступеньками. Лестница разрешенных уровней энергии увиделась как паутина дозволенных электронных орбит. Чем дальше от ядра пролегает орбита – тем выше энергия атома. Чем ближе к ядру, тем ниже энергетическая ступенька. На каждой из них, до момента испускания кванта электрон вопреки классике ничего не излучает. А в момент испускания он сваливается вниз, и его подхватывает другая, более близкая к ядру орбита. И он начинает теперь вращаться на ней, снова не излучая. А квант покидает атом в процессе самого перескока электрона. И только от глубины падения с орбиты на орбиту зависит величина улетающего кванта – его частота. Или цвет спектральной линии. Среди орбит электрона есть первая. Ниже – ядро. С этой нижней орбиты электрону некуда падать. И он может вращаться на ней бессрочно. Ее радиус и задавал нормальный размер атома.
...Он явился в хорошо знакомый дом на Уилмслоу-роуд прямо с вокзала. Резерфорды были в тот будний вечер не одни. У них остановился давний друг из Монреаля – профессор Ив. Имя Бора ничего не сказало Иву. И оттого ему особенно запомнилась поспешность, с какой хозяин тотчас увел молодого гостя к себе в кабинет... Все последующее происходило без свидетелей. Время уходило вечер за вечером. Но вряд ли это мучило обоих. Им сладостно было утруждать свои головы размышлениями о реальной природе вещей. И оба навсегда запомнили те вечера, те мартовские вечера, в которые у них было достаточно оснований не щадить времени.
...Меж тем кончился март, начался апрель. Ветер над Северным морем изо всех сил возвещал весну. И в совершенно весеннем настроении возвращался домой доктор философии Копенгагенского университета Нильс Бор. Помеченная датой 5 апреля 1913 г. и снабженная благословением члена Королевского общества Резерфорда, первая его статья о квантовой конституции атома уже держала путь в редакцию «Philosophical Magazine». Знал ли он, что эта статья станет началом новой эпохи в теоретическом познании микромира? Наверняка!
«Краешком истины» назвал Эйнштейн то, что ему открылось в Природе. «Кусочком реальности» назвал Бор то, что Природа открыла ему.
Литература
1. Д. Данин. Нильс Бор//Серия ЖЗЛ. – М.: Молодая гвардия, 1978.
2. Д. Данин. Резерфорд//Серия ЖЗЛ. – М.: Молодая гвардия, 1966.
3. Д. Данин. Резерфорд и Бор. – Природа, 1966, № 4, 5.
4. Лоуренс У. Люди и атомы. – М.: Атомиздат, 1966.
5. Капица П. Мои воспоминания о Резерфорде. – Новый мир, 1966, № 8.