Резерфорд

I. ИСТОРИЯ РАДИОАКТИВНО СТИ Я намерен прочесть две лекции: первую - о развитии п редставлений о радиоактивности - и вторую - о современных воззрениях на с труктуру атомов. Я полагаю, что Комитет, организовавший эти лекции по ист ории современной науки, поступил очень разумно, избрав в качестве отправ ной даты 1895 год, ибо именно этот год отмечен в истории как рубеж, отделяющи й то, что мы называем старой, или классической, физикой, от новой, или совре менной, физики. Именно в том году Рентген сделал свое далеко идущее откры тие - Х-лучи, открытие, которое как само по себе, так и по следствиям оказало огромное влияние на прогресс науки. Мне самому посчастливилось в тот пер еходный 1895 год начать работу в Кавендишской лаборатории с Дж.Дж. Томсоном , и прежде всего я хочу рассказать немного о взглядах ученых того времени. Рассмотрим вкратце то, в чем мы, физики, тогда были уверены. Прежде всего, с уществовала знаменитая электромагнитная теория Максвелла, которая уст анавливала связь между светом и электрическими колебаниями, так что све т считался не чем иным, как формой электрических волн, распространяющихс я в пространстве. Отсюда следовало, что атомные спектры, такие, например, к ак яркие спектральные линии, испускаемые водородом при воздействии эле ктрического разряда, представляют собой типы электрического колебания и поэтому, видимо, образуются в результате колебания некоторого электри ческого заряда. В связи с этим многие теоретики, как, например, Лоренц и Ла рмор, считали, что в атоме должны находиться электрические вибраторы, хо тя сначала они и не представляли себе, как эти вибраторы заряжены - положи тельно или отрицательно. Другой общепринятой теорией была кинетическая теория газов, в которой п редполагалось, что свойства газов могут быть объяснены движением молек ул, и, как вам известно, на основе определенных экспериментальных резуль татов можно было вычислить число молекул в кубическом сантиметре газа и оценить размер и вес атомов. Однако сделанные тогда различными специали стами численные оценки время от времени значительно изменялись, и мы мог ли только очень приближенно вычислить массу или размер атома. Причина эт ой неопределенности частично связана с тем, что расчеты по кинетической теории были очень грубы и неполны, а частично с тем, что экспериментальны е данные были не очень надежны. Многие из вас не будут удивлены, услышав, что мы верили в кинетическую тео рию и молекулярное строение вещества. Однако имеется один вопрос, которы й теперешние молодые ученые легко забывают, и состоит он в том, что атомна я структура электричества в то время тоже в основном считалась правильн ой. Верно, конечно, что в то время не существовало однозначных эксперимен тов, ведущих к такому представлению, но оно принималось как результат зн аменитых выводов, сделанных много лет назад Фарадеем из экспериментов п о электролизу. Большая заслуга в широком распространении этих идей прин адлежит ученому Джонстону Стони из Дублина, которого я знал лично. Именн о он был тем, кто увидел, что должна существовать фундаментальная единиц а заряда, переносимая атомом водорода при электролизе воды, и для этого з аряда он придумал слово "электрон", применяемое теперь во всем мире. Рассмотрим теперь уровень знаний в тех областях химии, которых мы будем сегодня касаться. В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинств а элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещес тва все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы , и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет су ществовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме как о тв ердом "биллиардном шаре" в конце прошлого века полностью отказались, хим ики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении м етодов атомы неизменны и определенно неразрушаемы. Случалось, что кто-ни будь воображал, что он превратил один тип атома в другой, но всегда можно б ыло доказать, что он ошибся. Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодиче ский закон, на основе которого свойства элементов связывались с их полож ением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все а томы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом сделаны из боле е элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и ист инное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет. Теперь я подошел к началу моего рассказа. Возможно, лишь некоторые из вас отчетливо себе представляют ту необыкновенную сенсацию, которую вызва ло открытие Рентгеном Х-лучей в 1895 г. Оно заинтересовало не только ученых, но и простых людей, которые были потрясены возможностью увидеть собстве нные внутренности и кости. Все лаборатории мира использовали свои стары е круксовские трубки для получения Х-лучей, и Кавендишская лаборатория н е представляла исключения. Эти старые круксовские трубки показывали, чт о катодные лучи обладают способностью вызывать яркую фосфоресценцию в целом ряде веществ; кроме того, было замечено, что Х-лучи, по-видимому, испу скаются из точек падения этих катодных лучей. Это навело многих на мысль, что Х-лучи, возможно, связаны некоторым образом с фосфоресценцией и что, б ыть может, фосфоресцирующие вещества могут испускать Х-лучи. Многие исследователи на континенте экспериментировали в этом направле нии, в том числе и Анри Беккерель в Париже. Его отец, профессор, очень интер есовался фосфоресценцией, в частности измерением ее продолжительности , и его тоже интересовали довольно необычные свойства, наблюдаемые в ура новых соединениях. Анри помогал своему отцу в работе, и еще за 15 лет до того , т.е. в 1880 г., развлекался тем, что выращивал кристаллы бисульфата урана и ка лия, которые восхитительно сверкали после того, как их выставляли па све т. В своих поисках зависимости между фосфоресценцией и Х-лучами Беккерел ь помещал множество фосфоресцирующих веществ, обернутых черной бумаго й, над фотопластинкой, но результаты были полностью отрицательными. Тогд а ему пришло в голову испытать свои кристаллы солей урана. Сначала он экс понировал эти кристаллы на свету, чтобы заставить их фосфоресцировать, а затем завертывал в черную бумагу и помещал над фотопластинкой. После вы держки в течение нескольких часов и проявления был обнаружен отчетливы й фотоэффект. Эксперимент был повторен, причем между урановой солью и фо топластинкой был помещен осколок тонкого стекла, чтобы исключить эффек ты, связанные с возможными испарениями, однако фотоэффект был получен сн ова. Сначала Беккерель предположил, что испускание лучей, которые способ ны проникнуть сквозь черную бумагу, каким-то образом связано с фосфоресц енцией, но затем он показал, что эффект наблюдается и тогда, когда уранова я соль предварительно хранилась в течение нескольких недель в темноте, т ак что не было даже признаков фосфоресценции. Затем он заметил, что все со ли урана и сам металл обладают свойством испускать излучение, проникающ ее сквозь черную бумагу. Так он открыл явление, которое мы теперь именуем радиоактивностью. Теперь мы назовем всем нам знакомое имя - Мария Кюри. Она начала исследова ть активность различных веществ, изучая скорость, с которой радиация раз ряжает помещенные вблизи наэлектризованные тела. Она установила, что ур ановая смолка и некоторые другие минералы производят больший эффект, че м чистый уран, и пришла к выводу, что эти минералы должны содержать некое в ещество, обладающее большей активностью, чем уран. Поэтому она сделала х имический анализ этого минерала, последовательно проведя обычные проц ессы химического разделения, причем на каждой стадии оставляла ту часть , которая обладала большей радиоактивностью. Она обнаружила два особенн о активных вещества: одно, похожее химически на висмут, она назвала полон ием, другое, химически похожее на барий, - радием. Содержание радия в любых радиоактивных минералах чрезвычайно мало, пор ядка 1 части на 10 000 000, но, оперируя тоннами исходных минералов, М. Кюри смогла приготовить достаточно чистый бромид радия, чтобы определить атомный в ес радия и показать, что он имеет определенный спектр, т.е. иными словами, ч тобы показать, что радий ведет себя химически, как обычный элемент. Благодаря Гизелю, химику хининной фабрики в Брауншвейге, впервые в прода же появились почти чистые препараты радиевой соли. Говорят, не знаю наск олько это верно, будто ему удалось выделить радий чуть раньше, чем М. Кюри. Но, поскольку он использовал разработанную ею методику и его работа явил ась прямым следствием работ М. Кюри, он с истинно научным благородством о тказался претендовать на приоритет в этом деле. Как бы там ни было, его тру д имел важные последствия, так как его заинтересованность в этих веществ ах привела к тому, что рыночная цена бромида радия составляла 1 фунт стерл ингов за 1 мг. Я приобрел 30 мг, и Рамзай сделал то же. Немного позднее радий с тоил уже 12 фунтов стерлингов за 1 мг. Открытие радия имело огромное значение для науки, главным образом вслед ствие того, что его активность столь велика (более чем в миллион раз выше, чем урана), что нельзя было уже считать это небольшим второстепенным эфф ектом. То что радий обладает длительной жизнью (1600 лет) и легко выделяется химически, тоже увеличивает его значение. Интересно оглянуться назад и представить себе, что произошло бы, если бы радиоактивность урана была открыта раньше. Элемент, впоследствии назва нный ураном, был открыт более столетия назад, в 1789 г., Клапротом, и если бы он поместил это вещество вблизи электроскопа, то мог бы заметить, что оно ра зряжает электричество. По моему мнению, на этом бы все и закончилось. Люди сказали бы, что это любопытно, но не сделали бы отсюда никаких выводов. Ник то бы не задался вопросом, как этот эффект произошел. Для науки характерн о, что открытия происходят преимущественно тогда, когда общественная мы сль к ним уже подготовлена. Теперь, я надеюсь, мне позволено будет рассказать о моем знакомстве с сущ ностью радиоактивности. Когда я поступил в Кавендишскую лабораторию в 1895 г., я начал работу по ионизации газов Х-лучами. Я прочел статью Беккереля, и мне захотелось узнать, не одинаковы ли по своей природе ионы, образующие ся от излучения урана и от Х-лучей, и, в частности, меня заинтересовало мне ние Беккереля о том, что его излучение есть что-то промежуточное между св етом и Х-лучами. Поэтому я приступил к систематическому исследованию изл учения и установил, что существует два его типа: одно создает интенсивну ю ионизацию и поглощается в нескольких сантиметрах воздуха, а другое про изводит менее сильную ионизацию, но более проникающее. Я назвал их соотв етственно я - и я-лучами; когда же в 1898 г. Вийяр открыл еще более проникаю щий впд излучения, он назвал его яялучами. В 1898 г. я приехал в Мак-Гиллский университет в Монреале и там встретился с Р. Оуэнсом, новым профессором электротехники, который прибыл одновременн о со мной. Оуэнс имел стипендию, которая обязывала его проводить некотор ые физические исследования; он спросил, не могу ли я ему предложить тему, к оторую он мог бы исследовать для оправдания этой стипендии. Я предложил ему исследовать с помощью электроскопа торий, радиоактивность которог о была тем временем открыта Шмидтом. Я помогал ему в проведении эксперим ентов, и мы обнаружили некоторые очень странные явления. Оказалось, что р адиоактивное воздействие окиси тория может проходить сквозь дюжину ли стков бумаги, положенных поверх этой окиси, но задерживается тончайшей п ластинкой слюды, как будто излучается что-то, способное диффундировать с квозь поры бумаги. Тот факт, что прибор был очень чувствителен к движению воздуха, поддерживал эту диффузионную гипотезу. Затем мы провели экспер именты, в которых воздух проходил над окисью тория, а потом попадал в иони зационную камору. Эти опыты показали, что активность может переноситься воздухом. Однако, когда поток воздуха прекращался, активность в ионизаци онной камере не сразу исчезала, а уменьшалась постепенно по экспоненциа льному закону. Я назвал это газообразное вещество, которое может диффунд ировать сквозь бумагу, переноситься воздухом и в течение некоторого вре мени сохранять свою активность, исчезающую по характерному закону, "эман ацией тория". Я установил, что эта эманация обладает чрезвычайно своеобразным свойст вом делать радиоактивными тела, над которыми она проходит. Казалось, что это свойство скорее всего обусловлено осаждением некой материальной с убстанции, а не какой-либо активностью, возникшей в самих телах под дейст вием излучения, так как тогда количество осажденного вещества должно ув еличиваться при приложении электрического поля. В те времена многие пол учали неповторяющиеся и странные результаты, помещая предметы вблизи р адиоактивных веществ; по-видимому, все это могло объясняться наличием та ких же эманаций, как обнаруженная нами у тория. Прежде чем считать такое объяснение правильным, необходимо было выясни ть истинную природу эманации. Это было очень трудно, так как доступное ко личество ее всегда было очень мало. С самого начала Содди и я предположил и, что это, должно быть, инертный газ вроде гелия, неона или аргона, так как н ам никак не удавалось заставить ее соединиться с каким-либо химическим в еществом. Мы смогли грубо оценить ее молекулярный вес путем сравнения ск орости ее диффузии и других газов с известным молекулярным весом. Исполь зуя свойство эманации разряжать электроскоп в качестве меры наличного ее количества, нам удалось, имея в своем распоряжении очень малое количе ство эманации, измерить эту скорость диффузии. Мы пришли к заключению, чт о ее атомный вес должен быть примерно равен 100. Затем мы постарались опред елить, образуется ли эманация непосредственно из тория или же из какого- то промежуточного продукта. Применяя химические методы, мы смогли отдел ить промежуточное вещество, из которого образуется эманация, и назвали е го "торий X". Примерно в то же время Рамзай заметил, что в большинстве радиоактивных м инералов присутствует гелий и что он представляет собой другой газообр азный продукт превращений. Впоследствии я сам смог показать, что гелий о бусловливается накоплением я-частиц. До 1903 или 1904 г. количество радия было очень ограничено, и большей частью име вшегося в мире радия располагали супруги Кюри, которые выделили его из у рановой смолки путем долгого и трудного процесса. Одно из первых сделанн ых ими наблюдений заключалось в том, что температура радия весом около 100 мг выше температуры окружающего воздуха. Они подсчитали, что 1 г радия дол жен выделять тепло со скоростью около 100 кал/час. Этот эксперимент всех вз будоражил, ибо даже мысль о существовании какого-либо вещества, температ ура которого выше температуры окружающего воздуха, была нестерпима для старомодных физиков, и тогда всеобщее распространение получило предст авление о том, что радий обладает своеобразным свойством действовать в к ачестве термодинамической машины, использующей тепло воздуха. Я был тве рдо убежден в том, что тепловой эффект неизбежно есть следствие излучени я я - и я-частиц и что он уменьшается со временем точно так же, как и акти вность. Впоследствии мы смогли разобраться в причинах тепловых эффекто в радиоактивных тел и показать, что в этом процессе нет ничего загадочно го. Мы смогли показать, что теплота при этих радиоактивных превращениях может выделяться в огромных количествах. Эти количества, подсчитанные н а единицу массы, оказались в миллионы раз больше тех, которые были получе ны с помощью химических реакций, и мы смогли показать, что это характерно для всех радиоактивных превращений. Теперь я хочу немного остановиться на экспериментальных доказательств ах природы я-частиц. Различными экспериментами и с помощью разных сотр удников мне удалось показать, отклоняя я-частицы в магнитном поле, что эти частицы есть атомы гелия, несущие два положительных заряда; мы смогл и также измерить их скорость. Примерно в то же время (1903 или 1904 г.) Брэгг и Клим ан сделали свой весьма интересный и важный анализ ионизационной кривой я-лучей, показав, что ионизация изменяется вдоль их пути весьма характе рным образом. Теперь кривая, описывающая форму такого изменения, известн а как "кривая Брэгга". Я хочу рассказать также о двух важных открытиях, являющихся в большой ст епени заслугой Содди. Я говорю об открытии закона смещения и открытии из отопов среди радиоактивных элементов. Исследуя химические свойства радиоактивных веществ, Содди заметил, что часто имеется простое соотношение между положениями в периодической т аблице исходных и конечных элементов, участвующих в радиоактивных прев ращениях. Прежде чем он смог убедиться в общности такого вывода, необход имо было определить химические свойства всех известных радиоактивных элементов, что было далеко не простой задачей, так как многие из них имели сь в ничтожных количествах. Такую же работу провел Ган; в результате широ кое обобщение, теперь известное как "закон смещения", было сделано почти о дновременно А. Расселом, Фаянсом и Содди. Этот закон просто утверждает, чт о, если вещество испускает я-частицу, оно перемещается вниз на два мест а в периодической таблице, а когда оно испускает я-частицу, то оно подни мается в таблице на одно место вверх. Очевидно, что это связано с тем факто м, что я-частица несет два положительных заряда, а я-частица - один отри цательный заряд. В отношении изотопов положение было следующим. Многие исследователи пр и разделении определенных радиоактивных тел натолкнулись на невероятн ое, почти непреодолимое затруднение. Содди очень заинтересовался этим я влением и обнаружил несколько радиоактивных веществ, которые он не смог разделить. Эти вещества были совершенно различными и обладали характер ными радиоактивными свойствами, однако их нельзя было разделить с помощ ью химических операций. Он обратил также внимание, что в периодической т аблице для большой группы радиоактивных элементов даже пет места, и пред положил, что существуют элементы, не отделимые с химической точки зрения , но обладающие различными свойствами с точки зрения радиоактивности. Со дди назвал соответствующие элементы такого рода "изотопами", и так было п оложено начало большой области исследований, огромный вклад в которую в нес Астон. II. РАЗВИТИЕ НАШИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРУКТУРЕ АТОМА В сегодняшней лекции я попытаюсь рассказать очен ь кратко о развитии наших представлений о частицах, образующих атом, и ег о структуре. Одной из наиболее важных частиц в атоме является электрон, и я попытаюсь прежде всего очень коротко изложить вам, как изменились наши представле ния об электроне за по следние 40 лет. Это было в 1897 г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим р уководителем Дж.Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень бо льшой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную рол ь в этом открытии Дж.Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первый понял, что э лектрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал метод ы определения числа электронов в атоме. В первых же экспериментах было о бнаружено, что отношение заряда к массе электрона более чем в одну или дв е тысячи раз превышает таковое же для водорода, легчайшего из известных атомов; одновременно было показано, что электроны в откачанной трубке мо гут обладать огромными скоростями, приближающимися даже к скорости све та. Итак, масса электрона оставалась неизвестной, известно было лишь отн ошение заряда к массе, но все указывало на то, что электрон очень легок и п одвижен. Скотсмен и Сазерленд в Мельбурне высказали очень интересное пр едположение, что этот легкий электрон, возможно, не что иное, как движущий ся единичный электрический заряд, не обладающий связанной с ним материа льной массой. Еще в 1881 г. Дж.Дж. Томсон показал, что сфера радиуса a, обладающа я зарядом е, по-видимому, имеет дополнительную массу 2e 2 /3a, что соответствует тому факту, что при движении этой сферы энергия должна переходить в окружающее ее элект ромагнитное поле. Сазерленд отметил, что, если предположить радиус а дос таточно малым, не обязательно считать, что электрон обладает вообще како й-либо "обычной" массой. Если это справедливо, то радиус электрона будет ра вен около 2x10 -13 см. Это была з аманчивая идея, и ученые попытались проверить ее справедливость. Такие теоретики, как Абрахам, Хевисайд и Сирл, здесь, в Кембридже, пытались выяснить, как кажущаяся масса, обусловленная зарядом, должна зависеть о т скорости. Разные исследователи приходили к различным результатам, так как в основу клали различные начальные предположения, но при сравнитель но больших скоростях результаты были примерно одинаковыми. У всех получ алось, что масса должна увеличиваться со скоростью и становиться бескон ечной при приближении к скорости света. Тем временем стали доступными не большие количества радия, а поскольку он испускает электроны, движущиес я со скоростью, очень близкой к скорости света, то стало возможно провест и экспериментальную проверку этих теорий. В 1902 г. это сделал Кауфман, и полученные им результаты в пределах точности эксперимента находились в общем согласии со всеми теориями. Эти эксперименты привлекли очень большое внимание и приводили многих к неправильному выводу, что поскольку масса электрона, видимо, полностью о бусловлена его зарядом, то и вся масса не что иное, как проявление электри ческого заряда. Согласно этому представлению, масса атома водорода, в 1850 р аз большая массы электрона, просто объяснялась тем, что этот атом содерж ит 1850 электронов. Однако такое положение сохранялось недолго. В 1905 г. Эйншт ейн, исходя из соображений относительности, показал, что масса тела долж на изменяться со скоростью и что независимо от того, заряжено или не заря жено тело, изменение массы одно и то же. Любое тело независимо от того, из ч его оно состоит, должно подчиняться закону Эйнштейна, и все эксперименты , по-видимому, указывают на справедливость этого закона. Эксперименты Ка уфмана согласуются как со следствиями релятивистской, так и старой элек трической теорий, так что уже нельзя было больше допускать, что масса эле ктрона полностью обусловлена его зарядом. Единственный способ определ ения радиуса электрона заключался в допущении, что масса электрона полн остью обусловлена его зарядом, после чего использовалось приведенное в ыше выражение, поэтому еще раз ясно, что оценки размера электрона не суще ствовало. Вполне вероятно, что радиус электрона порядка 10 -13 см, и недавно Борн развил теорию, ко торая приводит к величине такого порядка, но рано судить о том, насколько эта теория верна. Нас вполне удовлетворяло в течение 10 или 15 лет представление об электрон е, как о сферическом распределении заряда, возможно, с некоторой "обычной" массой. В 1925 г., однако, для объяснения некоторых неясностей в спектрах вод орода и гелия Уленбек и Гоусмидт предположили, что электрон к тому же обл адает магнитным моментом, и так как они понимали, что моментом должен обл адать вращающийся сферический заряд, то высказали предположение о "вращ ающемся электроне". Вскоре после этого в 1930 г. Дирак развил общую теорию, в к оторой объединялись релятивизм и волновая механика, и он смог объяснить тонкую структуру спектра, не постулируя специально понятие "вращающего ся электрона". Вначале это выглядело, как если бы идея "вращающегося элект рона" была неверна, но потом Дирак пришел к выводу, что согласно его теории электрон ведет себя так, как будто обладает магнитным моментом, поэтому и не было нужды постулировать это отдельно. Во всяком случае, он не может с ебя вести иначе. Далее интересно уделить внимание определению электронного заряда е, та к как эта величина тесно связана с вычислениями атомных величин. Первые эксперименты были осуществлены Таупсендом в Кавендише в 1897 г., когда я уже был там. Он обнаружил конденсацию облачка на водороде, полученном при эл ектролизе и пробулькивающем через воду. Оказалось, что это облачко заряж ено, и Таунсенд следующим образом определил величину заряда одной капли . Вес всего облачка определялся путем осаждения его и взвешивания на вес ах. Средний вес каждой капли определялся измерением скорости падения об лачка на основе закона Стокса. Отсюда рассчитывалось число капель. Так к ак суммарный заряд, переносимый облачком, тоже мог быть измерен, то оказа лось возможным определить величину заряда одной капли. Этот метод не дал точного значения заряда электрона, так как многие капли были многократн о заряжены, но он интересен тем, что практически включал все идеи, которые в дальнейшем применялись при точных измерениях заряда. В 1908-1913 гг. Дж.Дж. Томсон применил метод, при котором облачко образовывалось при расширении и его вес определялся по известному коэффициенту расшир ения. Вильсон приложил электрическое поле, так что заряженные капли могл и либо оставаться в равновесии, либо двигаться вниз или вверх. В 1908 г. Гейге р и я подсчитали число я-частиц, испущенных определенным количеством р адия, а затем определили общий заряд, который они перенесли. Мы получили з начение 4,65x10 -10 эл.-стат. ед., зн ачительно больше величины 3,4x10 -10 эл.-стат. ед., выведенной Томсоном, но мы не считали наш метод в полне точным. В этой связи забавную историю однажды рассказал мне Планк. Когда он впер вые выдвинул свою квантовую теорию света, люди не очень охотно ей доверя ли, отчасти потому, что согласно этой теории заряд электрона должен быть равен 4,7x10 -10 , тогда как общеп ризнанной величиной считалась 3,4x10 -10 . У самого Планка вызывало сомнение это противоречие, но, когд а Гейгер и я обнародовали величину 4,65x10 -10 , Планк уверовал в справедливость своей теории. Величина заряда, как вы знаете, была точно измерена Милликеном между 1910 и 1917 гг. Сейчас имеются некоторые сомнения в том, действительно ли его резуль таты настолько точны, как это первоначально считалось, но я не хочу здесь разбирать этот вопрос. Теперь я перехожу к более интересному открытию последнего времени. Мног ие полагали, что в правильно построенной Вселенной должна быть определе нная степень симметрии, и там, где имеется отрицате льн ый электрон, должен иметься и положительный элект рон такой же малой массы. Хотя положительный электрон часто искали, его н е могли обнаружить до 1931 г. В том году Андерсон в Калифорнии фотографирова л следы космических частиц, прошедших через туманную камеру Вильсона. Ка мера находилась в сильном магнитном поле, и Андерсон обнаружил, что неко торые следы искривлены в одном направлении, а другие - в противоположном, т.е. одни были следами положительных частиц, а другие - отрицательных. Полу ченные другие данные свидетельствовали о том, что массы обеих частиц оче нь малы, порядка массы электрона. Андерсону очень редко удавалось получа ть фотографии этих следов, однако в 1933 г. Блэкетт и Оккиалини в Кавендишско й лаборатории разработали метод, при котором космические лучи, проходя ч ерез прибор, так сказать, "сами себя фотографировали". Благодаря этому мет оду стало возможным получать много фотографий следов положительных эл ектронов, или "позитронов", как их теперь называют. Блэкетт интерпретировал эти результаты на основе теории, развитой Дира ком в 1931 г. В этой теории предполагалось существование положительных эле ктронов, однако жизнь их должна быть очень короткой, ибо они соединяются с первым попавшимся отрицательным электроном, и это приводит к излучени ю энергии. В некотором смысле Дирак предсказал положительный электрон д о его открытия, однако это предсказание не было явно высказано в теории. К ак теория, так и эксперимент указывали на то, что при соответствующих усл овиях энергия очень коротковолнового излучения, подобная имеющейся, на пример, в космическом излучении, может исчезать и приводить к образовани ю пары электронов - одного положительного и одного отрицательного. Наибо лее легко это происходит в сильном электрическом поле, окружающем тяжел ые ядра, и возможно только в том случае, если квантовая энергия излучения превышает 1 Мэв, что эквивалентно массе электронной пары. Теперь вернемся к рассмотрению вопроса об атомной структуре. В 1895 г. Ленар д поставил свой известный опыт, в котором он направил электроны сквозь т онкое окно в разрядной трубке, в которой они образовались, и так стало воз можным наблюдать их вне трубки. Поскольку электроны могли так легко прон икать сквозь окно, он сделал вывод, что атомы окна должны иметь очень откр ытую структуру и между ними долиты быть сравнительно большие промежутк и. Он предположил, что в атомах должны быть сферы положительного электри чества, связанные как-то с отрицательными зарядами. Год или два спустя Дж. Дж. Томсон детально разработал эту мысль и подсчитал, как отрицательные электроны будут распределены в сфере положительного заряда. Он сумел об ъяснить таким путем основной принцип периодической таблицы. Поскольку мои личные интересы были тесно связаны со следующей стадией р азвития, то я изложу ее более подробно; мне хотелось бы использовать этот пример, чтобы показать, как часто вы натыкаетесь на факты случайно. Очень давно я наблюдал рассеяние я-частиц, а Гейгер в моей лаборатории подроб но его изучал. Он обнаружил, что на тонких листках тяжелых металлов рассе яние обычно невелико - порядка одного градуса. Однажды Гейгер пришел ко мне и сказал: "Не считаете ли Вы, что пора бы молод ому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, начать небольшое исследование?" Я думал так же, а поэтому ответил: "Почему бы не поручить ему посмотреть, не могут ли некоторые "-частицы рассеяться на большой угол?" Ск ажу вам по секрету, что я не предполагал, что они так могут рассеяться, пос кольку известно было, чтояяячастицы - это очень быстрые массивные частицы, обладающие чрезвычайно большой энергией. Можно убедиться, что е сли большое рассеяние есть результат накопления некоторого числа малы х рассеяний, то вероятность рассеяться назад для я-частицы очень мала. Помню, что через 2 или 3 дня ко мне пришел страшно возбужденный Гейгер и ска зал: "Нам удалось наблюдать я-частицы, возвращающиеся назад". Это было са мым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листо к папиросной бумаги, и он вернулся бы назад и угодил бы в вас. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, а когда я произвел расчеты, то увидел, что нев озможно получить величину того же порядка, разве что вы рассматриваете с истему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядр е. Вот именно тогда у меня родилось представление об атоме с малым массив ным центром, несущим заряд. Я математически вычислил, какому закону долж но подчиняться рассеяние, и нашел, что число частиц, рассеивающихся под д анным углом, должно быть пропорционально толщине рассеивающей фольги, к вадрату заряда ядра и обратно пропорционально четвертой степени скоро сти. Этот вывод в дальнейшем был проверен Гейгером и Марсденом в серии ве ликолепных экспериментов. Теперь давайте посмотрим, какие выводы можно было сделать на этом этапе. При рассмотрении вопроса о том, насколько близко к ядру может подойти я -частица, чтобы рассеяться на угол 90 о , я cмoг показать, что ядро должно иметь очень малые размеры. Я т акже оценил величину заряда и получил, что она должна быть примерно в 100 ра з больше заряда электрона е. Точной оценки сделать не было возможно, но вс е указывало на то, что ядро водорода должно иметь заряд е, заряд гелия 2е и т .д. Гейгер и Марсден исследовали рассеяние на различных элементах и уста новили, что степень рассеяния изменяется как квадрат атомного веса. Этот вывод был неточным, но вполне достаточным; он показывал, что заряд ядра пр иблизительно пропорционален атомному весу. К тому времени в нашей лаборатории преобладало представление о том, что заряд и атомный номер связаны между собой, и как раз тогда Мозли начал сво и знаменитые опыты с Х-лучами. Он показал, что рентгеновские спектры элем ентов изменяются регулярно и одинаково при переходе от одного элемента к следующему, причем все рентгеновские спектры элементов подобны, но сдв игаются по частоте при переходе от элемента к элементу. Согласно ядерной теории, рентгеновский спектр предположительно связан с движением элек тронов близ ядра, и экспериментальные результаты Мозли приводили к выво ду, что характеристики рентгеновских спектров элементов зависят от ква драта целого числа, которое изменяется на единицу от одного элемента к с ледующему. Мозли предположил, что атомный номер соответствует заряду яд ра, и, начиная с алюминия-13, он смог объяснить свойства рентгеновских луче й, испускаемых элементами вплоть до золота; в 1932 г. ряд этот был расширен до урана. Эта теория сразу же показала, каких элементов недостает в периодической таблице и куда следует обратить внимание для отыскания новых элементов. Тогда стало ясно, что атомный вес, который химики считали раньше важнейш им показателем в периодической системе, должен быть заменен атомным ном ером и свойства всех элементов должны объясняться в зависимости от их но мера. Существенный вопрос о тождественности атомного номера и заряда яд ра был экспериментально проверен Чедвиком после войны. Это ядерное представление сразу же в общем виде объясняет существовани е изотопов: ядерный заряд управляет расположением электронов, а оно, в св ою очередь, определяет химические свойства. Таким образом, мы должны пре дположить, что изотопы - это вещества с тем же самым зарядом, но с другой ма ссой ядра. Как известно, это полностью подтверждено последующими работа ми Астона. Теперь мы подошли к вопросу, с которым связано имя Нильса Бора: "Как распол ожены электроны во внешней части атома?" Я считаю первоначальную квантов ую теорию спектра, выдвинутую Бором, одной из наиболее революционных из всех когда-либо созданных в науке; и я не знаю другой теории, которая имела бы больший успех. Он был в то время в Манчестере и, твердо уверовав в ядерн ую структуру атома, которая выяснилась в экспериментах по рассеянию, ста рался понять, как надо расположить электроны, чтобы получить известные с пектры атомов. Основа его успеха лежит во внесении в теорию совершенно н овых идей. Он внес в наши представления идею кванта действия, а также идею , чуждую классической физике, о том, что электрон может вращаться по орбит е вокруг ядра, не испуская излучения. Выдвигая теорию ядерного строения атома, я вполне отдавал себе отчет в том, что, согласно классической теори и, электроны должны падать на ядро, а Бор постулировал, что по некоторым не известным причинам этого не происходит, и на основе такого предположени я он, как вы знаете, сумел объяснить происхождение спектров. Применяя впо лне разумные допущения, он шаг за шагом решил вопрос о расположении элек тронов во всех атомах периодической таблицы. Здесь было много трудносте й, так как распределение должно было соответствовать оптическим и рентг еновским спектрам элементов, но в конце концов он сумел предложить такое расположение электронов, которое показало смысл периодического закон а. В результате дальнейших усовершенствований, главным образом внесенных самим Бором, и видоизменений, произведенных Гейзенбергом, Шредингером и Дираком, изменилась вся математическая теория и были введены идеи волно вой механики. Совершенно независимо от этих дальнейших усовершенствов аний я рассматриваю труды Бора как величайший триумф человеческой мысл и. Чтобы осознать значение его работ, следует рассмотреть хотя бы только не обычайную сложность спектров элементов и представить себе, что в течени е 10 лет все основные характеристики этих спектров были поняты и объяснен ы, так что теперь теория оптических спектров настолько завершена, что мн огие считают это исчерпанным вопросом, подобно тому как это было несколь ко лет назад со звуком. Теперь мы должны перейти к рассмотрению последующих идей о структуре са мого ядра. В 1919 г. я показал, что при бомбардировке я-частицами легкие эле менты могут разрушаться с испусканием протона, т.е. ядра водорода. Поэтом у мы предположили, что протон должен быть одной из структурных единиц, из которых состоят ядра других атомов, а теоретики старались объяснить сво йства ядра комбинациями протонов и отрицательных электронов. Однако оч ень трудно объединить медленный и тяжеловесный протон с легким и подвиж ным электроном в таком ограниченном пространстве, как ядро, и, когда Чедв ик открыл существование незаряженной частицы - нейтрона, этот вопрос наш ел, по-видимому, свое теоретическое решение. Тогда стало возможным предп оложить, что ядра всех атомов состоят из комбинаций протонов и нейтронов , так что, например, кислород с зарядом 8 и массой 16 обладает 8 протонами и 8 н ейтронами. Это была очень простая идея, значение которой состояло в том, ч то составляющие ядро частицы обладали одинаковой массой. Однако встал в опрос, как объяснить тот факт, что отрицательный электрон часто вылетает из ядра при радиоактивных превращениях и что положительный электрон пр оявляется при некоторых искусственных превращениях? В ответ на это теор етики предположили, что в ограниченном пространстве ядра, где силы взаим одействия между частицами огромны, протоны превращаются в нейтроны, и на оборот. Например, если нейтрон теряет отрицательный электрон, он переход ит в протон, а если протон теряет положительный электрон, он становится н ейтроном, так что в первом случае может испускаться отрицательная части ца, а во втором - положительная. Электроны и позитроны не существуют в своб одном состоянии в ядре, они связаны с нейтроном или протоном в зависимос ти от обстоятельств и могут высвобождаться при определенных условиях, к огда происходят большие изменения энергии внутри ядра. Я попытался дать общую характеристику тех основных представлений, с кот орых мы начали исследование этой проблемы 40 лет назад, а также того пути, п о которому эти представления развивались. Я старался также показать, что никто не делает внезапных открытий. Наука продвигается вперед шаг за ша гом, и труд любого человека зависит от труда его предшественников. Если д о вас дошел слух о внезапном, неожиданном открытии, как говорится, гром ср еди ясного неба, можете быть уверены, что оно созрело в результате влияни я одних людей на других, и именно это взаимное влияние открывает необыча йные возможности прогресса науки. Успех ученых зависит не от идей отдель ного человека, а от объединенной мудрости многих тысяч людей, размышляющ их над одной и той же проблемой, и каждый вносит свою небольшую лепту в вел икое здание знания, которое постепенно воздвигается.