Через год после прибытия в Манчестер Резерфорд вместе с Содди получил Нобелевскую премию за открытие процессов радиоактивного распада. Эта награда больше обеспокоила ученого, нежели обрадовала, поскольку ему присудили премию по химии, а он обычно говорил, что наука — это или физика, или коллекционирование марок. Много лет спустя ему по-прежнему нравилось смеяться над тем, что многие химики предпочитают эксперименты абстрактному мышлению, которое казалось делом исключительно физиков. Так, около 1930 года во время одного неформального разговора со студентами-химиками из Оксфордского университета в клубе «Алембик» он сказал: «Если бы вы, химики, меньше работали и больше думали, какие чудесные достижения мы бы наблюдали в вашей науке в ближайшие годы!»
Нобелевская премия не была для Резерфорда целью, скорее наоборот, она знаменовала продолжение еще более блестящей творческой деятельности. Когда ученый обосновался в Манчестере, то вместе с самыми талантливыми учениками, которые когда-либо были у преподавателя, он навсегда перевернул наше понимание материи.
В начале XIX века Джон Дальтон — он также преподавал в Манчестере математику и то, что тогда называли натурфилософией, — воскресил понятие атома, предложенное Демокритом в V веке до н.э., и определил его как наименьшую часть материи, сохраняющую ее свойства. В его модели атомы были твердыми, плотными и неделимыми шарами. Открытия конца XIX века, касающиеся электрической природы материи, сделали очевидным существование субатомных частиц, несущих заряд. После определения отношения заряд/масса электронов Дж. Дж. Томсон предложил свою модель пудинга, в которой почти вся масса и весь положительный заряд атома были распределены равномерно, в то время как отрицательные заряды были вкраплены в эту массу, как изюминки в пудинг. Эта модель считалась рабочей, но когда Резерфорд раскрыл природу радиоактивного распада, то а-частицы, умело использованные в качестве снарядов его учениками Гейгером и Марсденом, доказывали ее ошибочность. Резерфорд рассказывал на лекции, которую прочитал в Кембридже спустя много лет, в 1936 году:
«Я не думал, что α-частицы могут быть рассеяны на большой угол, потому что мы знали, что они тяжелые и обладают большой энергией. […] Помню, через два или три дня Гейгер пришел очень возбужденный и сказал, что они «обнаружили несколько отраженных α-частиц». Это был самый невероятный факт, который произошел в моей жизни. Настолько невероятный, как если бы при выстреле 15-дюймовым пушечным ядром в лист бумаги ядро бы срикошетило. Я понял, что это отражение, должно быть, является результатом уникального столкновения, и когда я сделал подсчеты, увидел: невозможно, чтобы имелось что-то величины такого порядка, если только речь идет не о системе, в которой большая часть массы сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда мне пришла в голову идея об атоме с центром, массивным, крошечным и несущим заряд».
Распределение заряда и массы атома, которое представил себе Резерфорд в 1911 году, очень похоже на то, что мы знаем сегодня. Атом практически пуст, положительный заряд и большая часть массы концентрируются в крошечном ядре, которое находится в центре, в то время как электроны движутся по орбите вокруг него, образуя что-то вроде облака. Если представить, что весь атом, размер которого определяется электронными облаками, имеет размер, равный футбольному полю, то это ядро было бы диаметром с жемчужину. Все химические реакции — это всего лишь модификации распределения электронов, наиболее удаленных от ядра, как движение зрителей на самых верхних ступенях стадиона. Но, как это происходит и во время матча, когда вся публика сконцентрирована на том, что совершается в центре поля, как бы высоко ни находилось место, так и в атоме мельчайшие движения электронов в оболочке определяются взаимодействием с положительным зарядом ядра.
Противоречия планетарной модели атома Резерфорда, в которой электроны движутся по орбите вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, были сняты одним из его учеников, Нильсом Бором. Этот датский физик, адаптировав квантовую гипотезу Планка, заявил в 1913 году, что электроны стабильны на своих орбитах и не испускают энергию, в противоположность предсказанному классической физикой для заряженной частицы в круговом движении. Постулаты Бора не только делали жизнеспособной планетарную модель Резерфорда, но и объясняли многие предыдущие данные, особенно атомные спектры. В трудах Шрёдингера и Гейзенберга в конце 1920-х годов в итоге появилась квантовая модель атома. Вместе с этим важным теоретическим результатом в лаборатории Манчестера имела место экспериментальная разработка внешне небольшого масштаба, которая, однако, имела чрезвычайное значение: Гейгер разработал прибор, позволявший считать а-частицы по одной. Его счетчик стал необходимым инструментом для всех лабораторий, в которых изучали и изучают радиоактивность.
* * *
СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА
Когда думают о средах, загрязненных радиоактивностью, очень часто вспоминают особый звук, напоминающий стрекотание, — он ассоциируется со счетчиком Гейгера, обнаруживающим α- и β-частицы, возникающие в ядерных реакциях. Счетчиком воспользовалась Мария Кюри, когда ее дочь Ирен принесла радиоактивный алюминий — первый продукт с искусственной радиоактивностью. Аппарат был разработан в 1908 году Резерфордом и Гейгером, одним из его сотрудников в Манчестере. Резерфорд использовал α-частицы как снаряды для определения природы радиоактивных процессов. Для их количественной оценки кто-то должен был считать следы, которые α-частицы оставляли на флуоресцентном экране из сульфида цинка. Лучшим в этой задаче был Ханс Гейгер, который мог считать их часами, не допуская ошибок. Однако немецкий физик придумал устройство, освободившее его от этой изнурительной работы, — так возник первый прототип счетчика Гейгера, который затем улучшил ученик физика, Мюллер. Аппарат состоит из работающей как катод металлической трубки, наполненной инертным газом, таким как аргон; внутри нее проволока, которая работает как анод. У трубки должно быть окно, сделанное из очень тонкой пластинки, которое позволяло бы проникать радиации, но мешало бы выходу газа, обычно оно изготавливается из слюды или ПЭТ. Когда ионизационная радиация (α- или β-частицы) воздействует на атом аргона, она забирает у него электрон, который из-за своего отрицательного заряда притягивается анодом, в то время как произведенный катион Ar+ притягивается катодом. Вследствие этого в счетчике создается небольшой ток, пропорциональный интенсивности радиации. Ток, порождаемый радиацией, вызывает ионизацию газа — тот же процесс Мария измеряла своими пьезоэлектрическими кварцевыми весами, но его количественная оценка намного проще.
Схема счетчика Гейгера
* * *
Параллельно была раскрыта другая загадка радиоактивности. При изучении элементов, производимых в рядах радиоактивного распада, Содди в 1910 году заметил, что элементы, которые он назвал мезоторием и торием-Х, как и радий, невозможно было выделить, поэтому он начал думать о том, могут ли одно место в периодической таблице делить несколько элементов. В 1913 году эта догадка подтвердилась, когда немецкий ученый Казимир Фаянс — также работавший в Манчестере с Резерфордом — пришел к такому же выводу. В законах Содди — Фаянса о радиоактивном распаде устанавливалось, что когда элемент испускает а-частицу, он смещается на две позиции влево по периодической таблице, а когда он испускает β-частицу, он смещается на одну позицию вправо.
