Охота за кварками

Но удивительно, в вопросе о природе катодных лучей и об атомизме вообще Крукс-спирит оказался прав. Его правоту подтвердила серия классических работ, выполненных Дж. Томсоном и его сотрудниками. Эти исследования и привели к открытию электрона.

Дж. Томсон заставил катодные лучи падать на поставленную вертикально к ним фотографическую пластинку.

Затем он включил электрическое и магнитное поля. Они искривили траекторию лучей (одно изгибало лучи в горизонтальном, другое — в вертикальном направлениях). Эти смещения следов на фотопластике определялись скоростью движений лучей v и отношением их заряда к массе — е, т. Измерив горизонтальные и вертикальные смещения следа, Дж. Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными v и v, Оставалось лишь решить эту систему, что Дж. Томсон и сделал.

Результат этих почти школьных упражнений оказался революционным для физики. Получилось (более поздние опыты), что масса у электронов (корпускул, составляющих катодные лучи) в 1837 раз меньше, чем масса самого легкого и мелкого из атомов — атома водорода.

Дробление материи зашло ниже атомных размеров!

Год 1897-й считается годом открытия электрона — первой элементарной частицы — и началом совершенно новой эры в атомизме. Это выдающееся достижение Дж. Томсона было увенчано Нобелевской премией по физике (1906 год). У себя на родине ученый был удостоен высших почестей: в 1908 году Дж. Томсон был торжественно возведен в рыцарское достоинство — получил титул knight. И посмертно ему была оказана высокая честь: он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с останками И. Ньютона.

Начало XX века оказалось для физики трудным временем. Наконец-то были получены реальные доказательства правоты Демокрита и Д. Дальтона: атомы перестали быть фикцией. Но одновременно одним махом физики расправились и с идеей неделимости атомов, добровольно поставив крест на старых, довольно удобных представлениях.

Из пушек — по воробьям

Удивительно, как быстро освоили физики новые понятия.

Еще вчера они отрицали электрон, а сегодня (первые годы XX века) начали подыскивать для него местечко внутри атома.

Ход рассуждений был таков. Атомы электрически нейтральны. Если в них содержатся электроны, то там должны быть запрятаны и еще какие-то положительно заряженные сущности, которые нейтрализовали бы суммарный отрицательный заряд электронов. Отсюда естественным путем и возникла первая модель атома — модель «пудинга с изюмом». Ее предложил в 1903 году все тот же Дж. Томсон.

По Дж. Томсону, атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее (как изюм в пудинге) незначительными по размеру — в сравнении с атомом — электронами. Предполагалось, что силы притяжения положительно заряженной сердцевины атома уравновешиваются силами их (электронов) взаимного отталкивания.

В те же годы были выдвинуты и другие представления о структуре атома.

В 1901 году французский физик Ж. Перрен (1870–1942) в статье «Ядерно-планетарная структура атома» рассуждал о том, как электроны-планеты кружатся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра-Солнца.

Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга «Атомы», 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.

Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед — они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871–1937).

Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.

Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.

Однако — к великому счастью для пауки — первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.

Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.

Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: «Это последняя картошка, которую я выкопал», Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу — он был помолвлен — и уехал в Англию.

Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.

Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р) — и гамма (у) — лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.

Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.

И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.

С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были -частицы, мишенью — металлические экраны из фольги.

Результаты этих исследований вскоре потрясли научный мир, хотя все это было похоже на стрельбу из пушек по воробьям!

Действительно, подавляющее большинство атомных снарядов с легкостью пролетало сквозь толстенный слой золотой фольги (толщиной в несколько тысяч атомов), как если бы она была прозрачной, и регистрировалось на фотопластинке, помещенной за экраном. Следовательно, атом в целом представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей. (Так ученик опроверг модель своего учителя Дж. Томсона.)

Однако, к удивлению Э. Резерфорда, отдельные -частицы искривляли свою траекторию заметным образом.

Некоторые даже поворачивали назад! «Как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листа газетной бумаги» — так комментировал свои опыты экспансивный Э. Резерфорд. Он же дал и верную интерпретацию этому явлению. Вывод мог быть только один: частицы-пробники сталкивались с чем-то очень массивным, непроницаемым и заряженным положительно.

Так Э. Резерфорд в 1911 году открыл у атома ядро.

Атомно-артиллерийские залпы раздробили-таки атом, подтвердив верность планетарной модели Ж. Перрена.