Резерфорд

…На протяжении почти полувека истинным казался менделеевский принцип расположения элементов: они следовали в периодической системе один за другим в порядке возрастания их атомных весов. Однако уже самому Менделееву пришлось дважды нарушить этот принцип и поставить более тяжелый кобальт перед более легким никелем, а теллур — перед йодом, иначе элементы в обеих парах не попадали на правильные места по своей химической характеристике. А в XX веке исследование продуктов радиоактивных распадов совсем уж смешало все карты: было обнаружено немало элементов, химически совершенно неразличимых, но обладающих разными атомными весами. Появилось несколько свинцов, несколько ториев, несколько радиев… Такие элементы Фредерик Содди и назвал изотопами, то есть занимающими одно и то же место — одну и ту же клетку в менделеевской таблице. Словом, постепенно стало ясно, что химические элементы принципиально отличаются один от другого не атомным весом, а чем-то другим. Чем же? Ответ на этот вопрос и хотел получить Мозли.

Сегодня уже едва ли можно с точностью установить, как возник замысел знаменитой работы, решившей эту проблему: принадлежал ли он целиком Мозли или отчасти еще и математику Дарвину, не была ли руководящая идея подсказана Бором или внушена Резерфордом? Одно несомненно: ранним летом 13-го года, когда «Philosophical magazine» со статьей Бора в свет еще не вышел, Манчестер был единственным местом на земле, где подобный замысел мог прийти в голову экспериментатору. А Мозли был в Манчестере единственным исследователем, безусловно пригодным для его осуществления.

Дело в том, что уже около года Мозли занимался рентгеновскими спектрами. А для Манчестерской лаборатории такая тема была отнюдь не традиционной. Сам Резерфорд, наверное, с кавендишевских времен не держал в руках ренгтеновской трубки: спровоцировав когда-то Беккереля на открытие урановой радиации, Х-лучи стали в дальнейшем областью экспериментирования, не пересекавшейся с радиоактивностью. И молодому физику, пленившемуся в те времена именно Х-лучами, следовало искать себе вакантное место или в Вюрцбурге, где они были открыты; или в Мюнхене, где теперь работал Рентген и где в 1912 году Макс фон Лауэ предсказал, а его ученики открыли диффракцию этих лучей в кристаллах; или в Ливерпуле, где в 1911 году старый кавендишевец Чарльз Баркла обнаружил особое — характеристическое для каждого элемента — рентгеновское излучение; или в Лиддсе, где Вильям Генри и Вильям Лоуренс Брэгги — отец и сын — разрабатывали рентгеновский метод анализа кристаллических структур; или, скажем, в Париже, где Морис де Бройль-старший упорно изучал эту невидимую радиацию… Словом, где угодно — только не в Манчестере стоило искать пристанище для занятий рентгеновыми лучами. И конечно, бакалавр Мозли вовсе не ими собирался заниматься, когда летом 1910 года, окончив оксфордский колледж Святой троицы, написал Резерфорду письмопрошение с просьбой принять его в штат Манчестерской лаборатории. Его увлекали радиоактивность и строение вещества. И принятый, подобно Марсдену, на самый низший лабораторный пост, он два года самоотреченно трудился то над короткоживущими продуктами распада (с Казимиром Фаянсом), то над гамма-радиацией (с Уолтером Маковером), то над беталучами (вполне самостоятельно)… Острый интерес к рентгену возник у него только в 1912 году, когда в работах Баркла, Лауэ, Брэггов он вдруг почуял верный путь к обильному источнику новой информации о глубинном устройстве атомов.

Жаждой такой информации жила вся лаборатория. Мозли не стоило труда склонить к совместной работе над рентгеновскими спектрами своего давнего — еще доманчестерского — приятеля Чарльза Дарвина. Труднее было получить одобрение Резерфорда.

Шеф не выносил в научных делах ни малейшего привкуса прожектерского легкомыслия. А тут этот привкус ощущался. И тем явственнее, что на вопрос, какую задачу они, собственно, собираются решать, оба довольно беззаботно, судя по воспоминаниям Дарвина, ответили: «У нас нет никаких идей, мы просто хотим узнать, что за штука эти Х-лучи, поскольку Баркла считает их электромагнитными волнами, а Брэгг-отец — частицами…» Они лукавили: открытие диффракции уже подтвердило правоту Баркла — огибать препятствия, узлы кристаллической решетки, могли только волны. А до одновременного признания правоты и Брэгга — до квантовомеханической идеи о всеобщем дуализме волн-частиц — было еще далеко. Молодые люди лукавили, не желая взваливать на плечи груз обещаний, быть может невыполнимых. Резерфорд насмешливо спросил, нравится ли им роль слабых лошадок в гандикапе. И полюбопытствовал, ясно ли им рисуется перспектива трудного соперничества с лабораториями, где на Х-лучах давно собаку съели.

Этот довод, как и другие, их решимости не поколебал. Они настаивали. Молча глядя на них, шеф перебирал в памяти детали двухлетнего знакомства с ними: ни тот, ни другой пока не сделали ни одного опрометчивого шага. Еще он прикинул в уме, что особых затрат их замысел не потребует. И взвесил возможный прибыток: лаборатория обзаведется собственными специалистами по рентгену. И наконец, вспомнил девиз Максвелла, нравившийся ему со времен кавендишевской молодости:

Я никогда не пробую отговорить человека от попытки провести тот или другой эксперимент. Если он не найдет того, что ищет, он, может быть, откроет нечто иное.

Резерфорду не пришлось жалеть о согласии, которое он дал. Прибыток превзошел ожидания. (С течением жизни он все чаще убеждался, что широта и терпимость самая выгодная линия поведения для правителя лаборатории. Да и для любого правителя вообще. Широта и терпимость — это не обещание наград за успех, а избавление от наказания за неудачу. Но ищущим это-то всего более и необходимо — право на риск.)

Совместная работа молодых друзей продолжалась до начала 13-го года, и в итоге они выполнили исследование, ставшее одним из классических в истории изучения рентгеновых лучей. Через полвека Дарвин резюмировал сделанное ими в полуфразе: «… мы убедились, что Х-лучи подобны обычному свету, но частота их гораздо выше». А главное произошло чуть позже, когда Мозли, отделившись от Дарвина, ушедшего с головой в математические заботы, стал в одиночестве исследовать характеристические рентгеновские спектры разных металлов — спектры Баркла.

Это были такие же линейчатые атомные спектры, как и обычные, те, что получаются в диапазоне частот видимого света. Они тоже являли собою визитные карточки химических элементов: у каждого был свой набор высокочастотных спектральных линий. Мозли начал размышлять над их происхождением как раз тогда, когда в весеннем Манчестере 13-го года появился вслед за объемистым пакетом из Копенгагена сам Бор и пошли разговоры о бурных дискуссиях между датчанином и шефом. Неважно от кого из них — от шефа или от датчанина — впервые услышал Мозли о квантовой теории водородного атома. В обоих случаях информация была надежной. Существенно, что Мозли сразу пустил ее в дело. В его руках «h-гипотеза» начала служить физике еще до ее опубликования.

Он не сомневался: линейчатость характеристических рентгеновских спектров тоже объясняется скачкообразными переходами возбужденных атомов в состояние устойчивости.

В теории Бора тогда еще не было представления об электронных оболочках в атомах и о правилах их заполнения. И Мозли пришлось отчасти предвосхитить этот шаг в развитии планетарной модели. Схема событий, порождающих рентгеновский спектр, рисовалась ему так. Когда катодный луч — а этот агент посерьезней пламени горелки — вырывает из атома электрон, обитавший на самом глубинном уровне, там возникает как бы вакантное место. Один из электронов, сидящих на следующем — втором — энергетическом уровне, падает вниз, заполняя дыру. Такие перескоки со второй орбиты на первую выглядели наиболее вероятными. Естественно было думать, что они-то и создают в высокочастотном спектре каждого элемента самую интенсивную линию.

А далее возникала мысль о зависимости между зарядом атомного ядра и частотой этой линии. В самом деле: чем больше ядерный заряд, тем сильнее связан с ядром электрон на наинизшей орбите, тем больше нужно энергии, чтобы оттащить его от ядра, иначе говоря — перебросить на другой уровень, скажем, на второй; но, стало быть, тем солидней — высокочастотней! — квант, испускаемый атомом, когда электрон снова падает вниз и расстается с этой избыточной энергией возбуждения.

У Мозли появилась надежда: изучая рентгеновские спектры, может быть, удастся установить, как от элемента к элементу изменяется заряд атомного ядра!

Ни модель Резерфорда, ни теория Бора не содержали на сей счет никаких определенных утверждений. И обе были без этого существенно не полны. А все, что об этом думали физики к середине 13-го года, ограничивалось двумя гипотезами. Первая уверяла: «Заряд ядра численно равен примерно половине атомного веса элемента». Вторая была определенней: «Заряд ядра равен номеру элемента в менделеевской таблице». Первую гипотезу высказал еще в 1911 году Баркла. Вторую — в начале 1913 года голландец Ван дер Брок. Oбе были известны Мозли. Гипотезу Ван дер Брока поддерживал Бор, и, видимо, Резерфорд тоже ее разделял. И Мозли она нравилась своей ясностью и простотой. И он мог рассматривать намеченное исследование, как опытную проверку этой гипотезы «Атомного Номера». Другими словами, он заранее предвкушал то, что получит: окажется, что от элемента к элементу заряд атомного ядра возрастает на единицу!..

Его открытие нередко изображается, как счастливая находка, вознаградившая трудолюбие. Между тем это яркий пример более редкого события в истории науки: выдающееся свершение было запланировано и сделано без малейшего соучастия Случая. В воспоминаниях о Резерфорде Бор рассказал, как летом 13-го года в Манчестере он обсуждал с Дарвином и Мозли проблему «правильного расположения элементов в соответствии с их атомными номерами». Мозли объявил тогда, что собирается «решить эту проблему систематическими измерениями высокочастотных спектров».

…Он работал с фантастической быстротой.

На свете было немного вещей, которые могли доставить такое же удовольствие вечно нетерпеливому — и тоже быстродействующему — шефу. Но даже Резерфорд, по словам Ива, был поражен стремительностью, с какой во второй половине 1913 года Мозли осуществил свой замысел.

Дарвин писал:

У него было два рабочих правила. Первое: если вы начали налаживать установку для эксперимента, вы не должны останавливаться, пока она не будет налажена. Второе: когда установка налажена, вы не должны останавливаться, пока эксперимент не будет завершен.