Атомный юбилей

Юрий Кирпичев

7 марта 1911 года в Манчестерском философском обществе был заслушан доклад, из которого явствовало, что атом подобен Солнечной системе. 

Не успели завершиться симпозиумы и конференции, посвященные столетию эпохального открытия Резерфордом атомного ядра, как 11 марта 2011 года произошло событие, печальным образом «увенчавшее» юбилей и невольно выстроившее непраздничные вехи ядерного века.

Так, даже через 25 лет после этой знаменательной работы сам Резерфорд не подозревал о возможности использования ядерных реакций, объявив ее иллюзорной. Но понадобилась всего лишь четверть века, чтобы человечество совершило беспрецедентно стремительный рывок именно в практическом, прежде всего военном, освоении нового вида энергии — и добралось до испытания самой мощной в истории вооружений термоядерной бомбы. Еще через два с половиной десятилетия грянул «мирный» Чернобыль. Снова тот же срок — и вот Фукусима…

Горько и удивительно к месту звучат сегодня слова ученика Резерфорда  академика Петра Капицы: «Хотя мы все надеемся, что у людей хватит ума, чтобы в конечном итоге повернуть научно-техническую революцию по правильному пути для счастья человечества, но все же в год смерти Резерфорда безвозвратно ушла та счастливая и свободная научная работа, которой мы так наслаждались в годы нашей молодости. Наука потеряла свою свободу. Она стала производительной силой. Она стала богатой, но она стала пленницей, и часть ее покрывается паранджой. Я не уверен, продолжал ли бы сейчас Резерфорд по-прежнему шутить и смеяться». 

Но вспоминаются и другие строки — великого Нильса Бора — из письма к тому же Капице о том же учителе и друге, которые вполне могли бы послужить эпиграфом к публикуемой статье: «В усилиях, направленных на то, чтобы избежать новых опасностей для цивилизации, в стремлении направить на общее благо человечества это великое достижение, нам очень будет не хватать его мудрости, его авторитета».

Сто лет назад профессор манчестерского университета Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. Ее изображение стало символом XX века. К тому времени сорокалетний ученый был уже признанным мэтром, ведущим специалистом в области радиоактивности. Но самостоятельную работу он начинал в далеком Монреале. 

Монреаль — город студентов и по их числу на душу населения уступает лишь Бостону. А лучший университет Канады — это Мак-Гилл, уютно пристроившийся у подножия горы Мон Рояль. На его 21 факультете учатся 30 000 студентов, и в рейтинге газеты The Guardian за 2010 год он занял 19 место в мире. Почтенное учебное заведение, славное также и тем, что не только в Париже и Кембридже, но и здесь, в его лабораториях, занималась заря атомного века! Сейчас там музей Резерфорда, именно за монреальские работы получившего Нобелевскую премию по химии в 1908 году. 

Девять лет он ходил сюда на работу и по рю Университет поднимался к физическому корпусу, который, как и парк в центре студенческого городка, с тех пор носит его имя. О лучевой болезни в те времена еще не знали, работали бесстрашно, и в лаборатории Физикс-билдинг не только слегка фонит, но и до сих пор живет радиоактивная тень великого Резерфорда. 

В 1962 году ее демонстрировали профессору В. Гольданскому, советскому делегату Международного конгресса радиохимиков в Монреале. Возле грифельной доски, где чертил схемы и уравнения самый, пожалуй, великий физик-экспериментатор XX века, отчетливо потрескивают счетчики Гейгера. Резерфорд протягивал руку с мелком и писал на доске — там осталась активность. Он расхаживал у доски — и на полу осталась активность. Даже сегодня можно установить, как высоко доставала его рука и где он любил останавливаться. 

Осенью 1898 года он прибыл из Кембриджа в Монреаль, чтобы занять место профессора на Макдональдовой кафедре экспериментальной физики. Декан факультета профессор Джон Кокс ездил в Кембридж в поисках подходящей кандидатуры на эту вакансию, и сам Джи-Джи (знаменитый Дж. Дж. Томсон) порекомендовал ему Резерфорда. В рекомендации было сказано: «У меня никогда не было молодого ученого с таким энтузиазмом и способностями к оригинальным исследованиям, как г-н Резерфорд, и я уверен, что, если он будет избран, он создаст выдающуюся школу физики в Монреале... Я считал бы счастливым то учреждение, которое закрепило бы за собой Резерфорда в качестве профессора физики». 

Джи-Джи не ошибся: через двадцать лет, в 1919 году, Резерфорд сменит его самого на посту руководителя прославленной Кавендишской лаборатории (Кембридж) — и останется ее директором до последнего дня своей жизни, до 19 октября 1937 года. 

Поначалу молодой ученый колебался покидать главный центр мировой науки ради далекого Монреаля, но перспектива к 27 годам стать полным профессором и годовая зарплата в 2500 долларов решили выбор. К тому же физический корпус Мак-Гилла, построенный на средства табачного миллионера Уильяма Макдональда, был новым и прекрасно оборудованным, что позволяло вести так любимую им исследовательскую работу. Выбор оказался верным — именно монреальские работы Резерфорда принесли ему заслуженную славу отца ядерной физики и величайшего физика-экспериментатора ХХ столетия. 

Да, Джи-Джи не ошибся в Резерфорде. Более того, он определил выбор темы исследований и тем самым — его научную судьбу. Но, между прочим, в Кембридже аспирант из Новой Зеландии поначалу занимался электромагнитными явлениями. 

И на основе своего любительского прибора, привезенного с затерянных в дальних морях островов, в феврале 1896 года собрал детектор электромагнитных волн с радиусом действия до трех километров — самый чувствительный в мире. Иными словами, он опередил и Маркони, и тем более Попова! Он мог бы стать одним из изобретателей радио, но Томсон поручил ему исследование электропроводимости ионизированных рентгеновскими лучами газов. 

Тогда же Резерфорд задумался и над ионизацией газов под действием излучения урана, обнаруженного Анри Беккерелем в феврале 1896 года. 

И на всю жизнь увлекся радиоактивностью. Впрочем, этот термин Мария Склодовская-Кюри ввела позже, после того, как в 1898 году (как раз в то время, когда пароход увозил Резерфорда за океан) она с Пьером Кюри завершила работу по выделению новых элементов, полония и радия, более радиоактивных, чем уран и торий. 

Это было замечательное время, когда рождалась не умозрительная, как во времена Демокрита, но практическая, экспериментальная атомистика! В 1897 году сам Томсон установил, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, масса которых в 2000 раз меньше массы атома водорода. Так была открыта первая элементарная частица (название «электрон» чуть позже предложил голландский физик Лоренц). Следующий шаг сделал уже Резерфорд в 1899 году в Монреале. Он обнаружил, что уран испускает два вида эманации, и назвал их альфа- и бета-лучами. 

В том же году Гизель, Беккерель и мадам Кюри пришли к заключению, что бета-лучи — это просто быстрые электроны. Проблему альфа-частиц в основном решил сам Резерфорд. В начале 1903 года он определил их химический состав, причем опыт представлял собой исключительный образец изобретательности и экспериментального искусства и позволил идентифицировать альфа-частицы с атомами гелия. Однако его пришлось дополнить некоторыми расчетами, что оставляло место для критики. Лишь в 1908 году, став профессором Манчестерского университета и получив доступ к более совершенному оборудованию, он провел чистый прямой опыт и спектроскопически получил характерные линии гелия. Идентификация была абсолютно точной. За это время Поль Виллар открыл еще один вид излучения урана, которое Резерфорд обозначил третьей буквой греческого алфавита. Позднее выяснилось, что гамма-лучи — это высокоэнергетичное электромагнитное излучение.

В Монреале им были сделаны фундаментальные открытия. Он нашел, что соединения тория и радия испускают радиоактивные частицы, эманацию, которая увлекается движением воздуха, поглощается веществом и теряет со временем способность к радиоактивности — это были изотопы радона. Кстати, открытие радиоактивности и радона совпало с повышением интереса к биологическим эффектам радиации. Было установлено, что вода многих источников минеральных вод богата эманацией радия и вслед за этим последовала волна моды «на радиацию». В рекламе того времени радиоактивность минеральных вод выдавалась за главный показатель их полезности и эффективности... 

В 1900 году Резерфорд разгадал загадку открытой супругами Кюри индуцированной радиоактивности, обусловленной испускаемой торием эманацией. Ее интенсивность убывала с течением времени по экспоненте, и в совместной с Фредериком Содди статье 1903 года он окончательно утверждает гипотезу и формулирует закон радиоактивного распада, выписывает цепочки радиоактивных превращений урана, тория и радия. Трансмутация! Превращение элементов! Многовековая мечта алхимиков! 

Впрочем, чувство юмора никогда не покидало новозеландца, и в своей Нобелевской речи (а премию он получал за исключительные заслуги в области химии) он отметил, что поражен собственной трансмутацией, своим мгновенным превращением из физика, каковым он всегда себя считал, в химика.

Да, молодой профессор не зря занимал кафедру в Мак-Гилле. Ученик Резерфорда тех лет, впоследствии известный радиохимик, нобелевский лауреат профессор Отто Ган, прославившийся открытием в 1938 году реакции расщепления ядер, «отец ядерной химии», назовет свои мемуары «От радиоактивного тория до расщепляющегося урана». Этим он подчеркнет, что канадские опыты Резерфорда послужили началом большого этапа науки, включающего в себя ядерную физику и завершившегося расщеплением урана.

Похоже, что уже в Монреале Резерфорд задумался о применении альфа-частиц для анализа структуры атома, что привело к знаменитым манчестерским экспериментам Гейгера—Марсдена с золотой фольгой. Частицы легко пронизывали ее, незначительно изменяя направление, но Резерфорд предложил посмотреть, не отскакивают ли они на большие углы — и произошло то, что он назвал самым невероятным событием своей жизни. Оказалось, что некоторые альфа-частицы рассеиваются перпендикулярно первоначальному направлению пучка и даже отбрасываются назад.

В 1911 году он отправил в журнал Philosophical Magazine статью с подробным анализом результатов своих сотрудников и других ученых, полученных при исследовании рассеяния альфа-частиц и электронов на различных металлах. В конце этой работы он констатирует: «При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему». Это и была первоначальная формулировка резерфордовской модели атома, опрокинувшая общепринятые представления о его структуре и приведшая вскоре к знаменитой планетарной модели Бора! С тех пор и рисуют везде и всюду знакомую всем с детства модель! 

В начале XX века Мак-Гилл превратился в крупнейший мировой центр изучения радиоактивности. Однако самому Резерфорду казалось, что здесь его работы тормозятся из-за того, что круг его сотрудников узок. Он хотел бы привлечь к исследованиям одаренных молодых ученых, окончивших лучшие европейские университеты, но в те времена трудно было уговорить их выпускников отправиться в далекую Канаду для многолетней работы. Резерфорд еще в 1901 году писал в Кембридж Дж. Томсону: «После пяти лет, проведенных в Кавендише, я чувствую себя несколько в стороне от науки; мне очень не хватает общения с людьми, интересующимися физикой». Ему не хватало научного общения. 

Это очень интересно и важно. Дело в том, что гений Резерфорда проявился не только в удивительном искусстве экспериментатора, хотя Резерфорд первым понял, как устроен атом, первым идентифицировал протон как самостоятельную элементарную частицу (и дал ему имя) и первым же осуществил искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород. Он обладал исключительным педагогическим даром и создал настоящую школу современной физики (у Эйнштейна вот учеников не было). Где бы он ни был, вокруг него тут же собирались молодые ученые — и не только собирались, но и чрезвычайно плодотворно работали! 

Очевидно, он был чрезвычайно эффективным катализатором научного творчества. Что и нашло свое отражение в феноменальных результатах его школы. Исследования его учеников и сотрудников привели к изобретению ионизационного счетчика заряженных частиц (Гейгер) и выявлению связи между местом элемента в таблице Менделеева и спектром его рентгеновского излучения (Мозли), к созданию линейного ускорителя протонов и использованию его для расщепления атомного ядра и получения радиоактивных изотопов (Кокрофт и Уолтон), к открытию нейтрона (Чедвик), выделению гелия-3 и трития (Олифант и Хартек), получению сверхсильных магнитных полей (Капица). О чем еще говорить, если его учеником был сам Нильс Бор! 

Для Петра Капицы Крокодил (такую кличку дал Резерфорду сам Капица, и она приклеилась намертво) выбил огромные по тем временам деньги, 15 000 фунтов, и построил ему прекрасно оборудованную лабораторию. Там были заложены основы нового, технологичного, крупномасштабного научного эксперимента, так что можно уверенно считать гигантский ЦЕРНовский БАК (Большой адронный коллайдер) потомком удивительно простых лабораторных установок Резерфорда! 

Кстати, в возрасте 75 лет Капица посетил Монреаль, причем (дело было в 1969-м) прибыл туда на широко известном в свое время новейшем советском теплоходе «Александр Пушкин». Разумеется, побывал он и в музее своего учителя в Мак-Гиллском университете. Можно представить себе, с каким чувством ученый рассматривал приборы, о которых сам Крокодил рассказывал ему, повторяя с гордостью, что все они сделаны его собственными руками. В Монреальском физическом обществе Капица прочитал свои «Воспоминания о Резерфорде», побывал и в атомном центре в Чок-Ривер, Онтарио, созданном его покойным другом Джоном Кокрофтом. Здесь ему подарили яблоко с того самого дерева, под которым сидел Исаак Ньютон. Он передал его сотруднику московского Института физических проблем, и тот обещал яблоко размножить...

Не знаю, удалось ли это сделать, сохранились ли эти яблони, достанется ли хоть одно дерево Сколкову, но будем надеяться. Преемственность в науке — большое дело, гораздо легче и плодотворнее нести эстафету научного огня, чем высекать его заново.

ЗС 07/2011