Ернест Резерфорд розкрив гносеологію атома та попередив людство
Основи атомістики були закладені античним філософом Левкліппом (V в. до н.е.). Великий вчений і античний філософ Демокрит (біля 460-370 р. до н.е.) розвинув вчення античної атомістики, виходячи з вічності матерії: ніщо не створюється з нічого, всякі зміни – це лише роз’єднання і з’єднання частинок. Основу всього складають незмінні і нероздільні атоми, які находяться в невпинному русі, діючі один на одного за допомогою ударів та тиску. Майже 2500 років людство не використовувало терміну „атом”.
Але щасливий збіг обставин допоміг з'явитися на світ знаменитій моделі атома. Вважають, що в науці є велика краса, і вчений у своїй лабораторії не тільки технік перед явищем природи, він відчуває такі почуття наче мала дитина годує лебедя з рук. Прозріння відвідує вчених по-різному, наприклад, випадкове спостереження може обернутися чудовим відкриттям. Саме так американський радіоінженер Карл Янський відкрив радіохвилі зоряного походження, а його співвітчизники Арно Пензіас та Вілсон Роберт Ратбан виявили космічне реліктове випромінювання, яке стало найвагомішим доказом справедливості теорії Великого Вибуху. Збіг обставин виявляє себе і раптовим осяянням блискучою ідеєю, і зустріччю з гарними партнерами по роботі, а то й просто знайомими. А буває й інакше. Великий французький математик і механік Жозеф Луї Лагранж (1736-1813) називав Ісаака Ньютона (1643-1729) не тільки геніальним за всю історію, але також і везучим, оскільки Ісаак Ньютон розкрив систему світу, а таке можна звершити лише одного разу. У цьому Жозеф Луї Лагранж помилився - ньютонівська єдина фізична програма опису всіх фізичних явищ, на базі механіки, пішла в минуле. „Щасливий, пізнавши причини” Ісаак Ньютон був в іншому. Йому випало з'явитися на світ саме тоді, коли молода європейська наука була вагітна двома великими революціями: математичною (розробка диференціального та інтегрального обчислення) та фізико-астрономічною (відкриття принципів класичної механіки і пояснення на їх основі законів з руху планет Коперника та Кеплера). З цими завданнями міг впоратися лише геній - і він з'явився у свій час і на своєму місці. На початку 60-х років XVII століття щасливий випадок привів обдаровану молоду людину Ісака Ньютона з англійської провінції до Кембриджського університету, де він отримав прекрасну освіту і реалізував свій фантастичний інтелектуальний потенціал. Сконструйований Ісаком Ньютоном у 1671 р. телескоп-рефлектор став перепусткою для обрання його в січні 1672 р. членом Лондонського королівського товариства, де з 1703 р. і до кінця життя він був незмінним президентом. У цьому Ісаак Ньютон був насправді успішним.
Не менш успішним був і новозеландець Ернест Резерфорд (1871-1937). Його заслужено називають батьком ядерної фізики і найбільшим фізиком-експериментатором ХХ століття. Ернест Резерфорд народився 30 серпня 1871 року в містечку Спрінг Гроув на Південному острові Нової Зеландії. У 1890 році він вступив у Кентербері-коледж, який закінчив з відзнакою в 1894-му році та отримав стипендію для продовження освіти в Кембриджі. Він працював над дисертацією у знаменитій Кавендишській лабораторії, яку тоді очолював Джозеф Джон Томсон (1856-1940), який у 1997 р. відкрив електрон. У 1919 році Резерфорд замінив Джозефа Джона Томсона на цій посаді і залишався директором лабораторії до останнього дня свого життя - 19 жовтня 1937 року. У Кембриджі аспірант, Ернест Резерфорд з Нової Зеландії, спочатку займався електромагнітними явищами і, зокрема, в лютому 1896 зібрав найчутливіший у світі детектор електромагнітних хвиль з радіусом дії в декілька сотень метрів, трохи випередивши Попова Олександра Степановича (1859-1905) і Марконі Гуільєльмо (1874-1937). Він міг би стати одним з винахідників радіо, але доля розпорядилася інакше. Джозеф Джон Томсон доручив Ернесту Резерфорду дослідження електропровідності іонізованих рентгенівськими променями газів. У ході роботи Резерфорд задумався над особливостями іонізації газів під дією тоді ще зовсім таємничого постійного випромінювання урану, яке французький фізик Антуан Анрі Беккерель (1852-1908) виявив 1 березня 1896 року, і яке ще називали променями Беккереля. Вибір виявився доленосним - молодий Резерфорд на все життя захопився цими променями, надалі (радіоактивністю і пов'язаними з нею) явищами. Марія Склодовська-Кюрі, після того, як у 1898 році спільно з П'єром Кюрі відкрила випромінювання торію, промені Бекереля назвала радіоактивними променями. Це був чудовий час - народжувалася нова наука про мікросвіт. Коли Резерфорд працював у Томсона, той поклав початок наукових досліджень і пошуку та ідентифікації субатомних об'єктів, зовсім не відомих науці. У 1897 році він встановив, що катодні промені являють собою потік негативно заряджених частинок, маса яких в 2000 разів менша за масу атома водню. Так відбулося відкриття елементарної частинки номер 1 - електрона (цю назву трохи пізніше запропонував великий голландський фізик Хендрік Антон Лоренц (1853-1928), використавши введений термін «електрон» давньогрецьким філософом Фалесом Мілетським за 600 років до н.е.. А наступний крок зробив вже сам Резерфорд. У 1899 р. Ернест Резерфорд відкрив неоднорідність випромінювання урану - легко захоплену частину випромінювання він назвав альфа-променями, з менше захоплену - бета-променями. 1898 року фізиками Канади йому було запропоновано очолити Мак-Гільску лабораторію і він залишив Кембридж, ставши першим аспірантом-дослідником, який не закінчив цього прославленого англійського університету. У Канаді він працював у 1898-1907 рр. на посаді професора Мак-Гільського університету Квебеку. У 1907-1919 рр. Резерфорд професор Манчестерського університету і директор фізичної лабораторії. З 1919 р. стає професором Кембриджського університету і директором Каведишської лабораторії. Природа бета-променів була досліджена в 1899 році, коли Фріц Гейзель, Беккерель і Марія Складовська-Кюрі (1867-1934) прийшли до висновку, що це просто миттєві електрони. Проблему альфа-часток в основному вирішив сам Резерфорд у щасливому для себе 1908 році, який приніс йому Нобелівську премію з хімії. Він довів, що там, де присутнє джерело альфа випромінювання, з'являються атоми гелію (зараз навіть школяр знає, що альфа-частинки - це ядра гелію (Не), але тоді поняття атомного ядра просто не існувало). В інтервалі між цими подіями француз Поль Віллар відкрив в урану ще один вид випромінювання, яке той же Резерфорд позначив третьою літерою грецького алфавіту „гамма” (згодом з'ясувалося, що гамма-промені – це електромагнітні кванти високих енергій).
Через два роки після повернення до Англії Резерфорд радикально оновив свою дослідницьку програму. Ще в Канаді використавши Демокритівську теорію, він почав здогадуватися, що „…атоми, діючі один на одного за допомогою ударів…” що альфа-частинки можна використовувати для зондування структури атомів, однак зайнявся цим на практиці вже в Манчестері. Ернест Резерфорд першим зрозумів, як влаштований атом, першим ідентифікував протон як самостійну елементарну частку (дав їй назву) і першим здійснив штучну ядерну реакцію, перетворивши азот на кисень. У Манчестерському університеті працював німецький фізик-експериментатор Ганс Вільгельм Гейгер (1882-1945), який став головним помічником Резерфорда. У 1909 році він сказав шефові, що старшокурсник Ернест Марсден (1889-1970) шукає тему дипломного дослідження. Резерфорд згадав про свій канадський задум і запропонував Ернесту Марсдену зайнятися відбиттям альфа-частинок від металевих поверхонь.
Марсден спроектував експериментальну установку і сам же її виготовив. Це була герметична свинцева камера, всередині якої лежав шматочок радію. Альфа-частинки, які випускав радій, проходили через вузький отвір у свинцевій пластині, з них утворювався добре колімірований пучок, який падав на мішень з найтоншої золотої фольги. Перед початком чергової серії спостережень з камери викачували повітря. У ній був покритий сірчистим цинком пересувний екран, що випускає під ударами альфа-частинок дуже слабкі спалахи світла. Змінюючи положення екрану, можна було реєструвати частинки, що відбилися від мішені під будь-яким кутом. Спалахи спостерігали через віконце у стінці камери за допомогою 50-кратного мікроскопа. Здавалося, що результати повністю відповідають очікуванням: частинки-снаряди легко пронизували фольгу, незначно змінюючи напрямок (пізніше Гейгер обчислив, що найбільш ймовірний кут розсіювання при товщині фольги 0,4 мікрона складає 0,87 градуса). На цьому експеримент міг би закінчитися, але Резерфорд запропонував подивитися, чи не йдуть альфа-частинки на великі кути. Пізніше він згадував, що не дуже вірив у цю можливість. Як би там не було, невдовзі сталося те, що Резерфорд назвав найнеймовірнішою подією свого життя. Виявилося, що деякі альфа-частинки не тільки розсіюються перпендикулярно до початкового пучка (для золотої фольги товщиною 0,4 мікрона приблизно одна з двадцяти тисяч), але навіть відкидаються назад. Модель Томсона такого практично не допускала. За словами Резерфорда, це було все одно неначебто п’ятнадцятидюймовий снаряд відбився від паперової серветки. Результати Гейгера і Марсдена були опубліковані в наукових журналах, але сенсації не спровокували. А ось Резерфорд поринув у роздуми. Протягом усього 1910 року він намагався підібрати для них пояснення, але завдання виявилося важким. Проте в грудні Резерфорд написав американському досліднику радіоактивності Бертраму Бордену Болтвуду (1870-1927), що розраховує незабаром запропонувати нову модель атома, набагато кращу, ніж Томсонівська. Вже через чотири місяці він відправив до філософського журналу статтю з докладним аналізом результатів своїх співробітників та інших вчених, отриманих при дослідженні розсіювання альфа-часток і електронів на різних металах. У кінці цієї роботи він констатує: «При розгляді даних в цілому, мабуть, найбільш простим є припущення, що атом має центральний заряд, розподілений по дуже малому об’єму». Це і було первісне формулювання резерфордівської ядерної моделі атома. Про те, що електрони обертаються навколо ядра на зразок планет, тут немає й мови, це питання Резерфорд залишив відкритим - і не випадково. Згідно з електродинамікою Максвела, будь-який заряд, що обертається, зобов'язаний випромінювати електромагнітні хвилі, а цього атом у спокійному стані не робить. Таке випромінювання повинно викликати втрату енергії і, отже, дезінтеграцію атома, чого теж не відбувається. У ці нетрі Резерфорд лізти не захотів, адже його гіпотеза і так вже переступила загальноприйняті уявлення про структуру атома. Об'єднавши рівняння ньютонівської механіки з законом Кулона, Резерфорд обчислив, з якою ймовірністю рухома в полі точкового заряду заряджена частинка відхиляється на певний кут від первісного напрямку. Це і була знаменита формула Резерфорда, вперше опублікована у цій же статті. Точний її вигляд наводити не обов'язково, досить сказати, що шукана ймовірність обернено пропорційна четвертому ступеню синуса половини кута розсіювання. Дані Гейгера і Марсдена чудово укладалися в цю математичну залежність. Жодна з конкуруючих моделей атома не змогла запропонувати настільки ж сильного доказу своєї справедливості. Ось тепер настала черга головного моменту істини. Справа в тому, що розсіювання мікрочастинок на інших частках чи атомних ядрах - чисто квантовий процес. Для його опису необхідне рівняння Шредінгера Ервіна (1887-1961), якого в 1911 році ще не було. Зокрема, перетин такого розсіювання залежить від спінів часток, що зіштовхуються, а в класичній фізиці такого поняття не існує. Так чому ж формула Резерфорда так добре узгоджувалася з експериментом? Виявляється, рішення рівняння Шредінгера приводить до тієї ж формули, що і рівняння Ньютона, якщо розсіювання відбувається за рахунок сили, величина якої обернено пропорційна квадрату відстані! При будь-якому іншому потенціалі класична і квантова механіка дають різні результати. Тому справедливість формули Резерфорда для розсіювання альфа-частинок на металевій фользі виявилася лише дуже щасливою випадковістю. А що якщо б природа розпорядилася інакше і результати вимірювань Гейгера і Марсдена не вклалися у резерфордівську формулу, хоч з точки зору колишніх фізичних уявлень вона була бездоганною? У цьому випадку Резерфорд міг би й не запропонувати свою модель, яка і так відверто вибивалася з теорії електродинаміки Максвелла. А тоді не було б і трьох геніальних статей Бора у 1913 році про квантову теорію одно-електронного атома. Звичайно, врешті-решт ці проблеми були б вирішені, але ким, коли і як, можна тільки гадати. Коротше кажучи, фортуна Резерфорда сильно прискорила появу на світ квантової механіки та привела до розщеплення атомного ядра і штучного одержання радіоактивних ізотопів. Везе ж іноді геніям! Дослідження учнів Резерфорда і співробітників дали такі результати:
- було винайдено іонізаційний лічильник заряджених частинок, Йоганес Гейгер (1882-1945);
- виявлено взаємозв'язок між місцем елемента в періодичній таблиці і спектром його рентгенівського випромінювання, Генрі Гвін Джефріс Мозлі (1887-1915);
- створено лінійний прискорювач протонів, який було використано для розщеплення атомного ядра і штучного одержання радіоактивних ізотопів, Джон Кокрофт (1897-1967) і Томас Уолтон (1903-1995);
- відкрито нейтрон, Джеймс Чедвік (1891-1974);
- виділено гелій та тритій, Оліфант Маркус Лоренс Ельвін (1901 -1964) і Пауль Хартек);
- отримано надсильні магнітні поля, Петро Капіця (1894-1984).
Це далеко не повний перелік. Але була в житті вченого ще одна, зовсім особлива удача, про яку нечасто згадують історики науки. Його найбільший внесок у фізику - модель атома, центром якої є ядро атома остаточно сформувалася на початку 1911 року. Щоб її сформулювати, крім геніального прозріння була потрібна виняткова сміливість - адже з точки зору класичної електродинаміки Максвелла Джемма Кларка (1831-1879) такий атом просто не міг існувати! Цей гордіїв вузол розрубати вдалося лише іншому улюбленому учню Резерфорда – Нільсу Хендріку Давіду Бору (1885-1962), який через два роки по тому, за допомогою квантових уявлень, повернув резерфордівському атому право на життя. При цьому Резерфорд запропонував теорію, що процес випромінювання, за своїм характеру квантовий. Він обґрунтував свою модель за допомогою формули, яку сам же запропонував і яка носить його ім'я. Але сьогодні відомо, що передумови, якими Резерфорд скористався для цього висновку, не відповідали фізичній реальності. І все ж у цю формулу, як не дивно, чудово вкладалися результати експериментів! Звідси не випливає, що модель атома, представлена Резерфордом, базувалася на його уяві - за чистою випадковістю її фундамент виявився міцним гранітом. Взагалі, батько ядерної фізики в своїх прогнозах і наукових уявленнях ніколи не помилявся і на цей раз він був абсолютно впевнений в своєму прогнозі. За 4 роки до своєї смерті в 1933 р. Ернест Резерфорд дав інтерв’ю своєму біографу і послідовнику Оліфанту Маркусу Лоренсу Ельвіну: „Безперечно ці радіоактивні перетворення перш за все цікаві науковцям. Але ми, можливо ніколи, не зможемо використовувати атомну енергію на такому рівні, щоб вона мала комерційну цікавість! І можливо ніколи не зможемо зробити цю роботу. Нас перш за все цікавить ця проблема з наукової точки зору…”. Цей прогноз, попередження Резерфорда був сприйнятий світовою науковою спільнотою, як помилковий. Але автор цієї статті так не вважає. Від того, якою буде точка зору у вдумливого читача після всіх трагічних подій в кінці ХХ та на початку ХХІ сторіччя, пов'язаних з використанням атомної енергетики у світі, та після широких протестів громадськості проти використання атомної енергетики, залежить майбутнє.
P.S.
Ернест Резерфорд народився четвертою дитиною із 12 дітей в сім’ї колісного майстра і шкільної місцевої вчительки Нової Зеландії. Переживши трагедію у молоді роки свого життя (у 19 років померла його єдина донька) свої батьківські почуття він віддавав улюбленим учням: Нільсу Бору та Петру Капиці. Хоча за свого життя Ернест Резерфорд не мав особливих розчарувань, але інколи відчував зверхнє відношення до себе представників панівної еліти, яка не вважала його «своїм». Однак нині з повним правом можна констатувати, що це був успішний та геніальний вчений.
Володимир Циганенко
Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua