velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Мужчины спорят о моделях

Время от времени везение способно сыграть не наименьшую роль, чем познания либо превосходное озарение. Конкретно везение посодействовало показаться на свет известной планетарной модели атома.





Не родись прекрасным, а родись счастливым, говорит народная мудрость, которая, естественно, касается и людей науки. Фортуна посещает ученых очень по-разному – к примеру, ненамеренное наблюдение может обернуться восхитительным открытием. Конкретно так южноамериканский радиоинженер Карл Янски открыл радиоволны звездного происхождения, а его сограждане Арно Пензиас и Роберт Уилсон через 32 года нашли галлактическое реликтовое излучение, ставшее самым весомым подтверждением справедливости теории Огромного Взрыва. Удача проявляет себя и неожиданным озарением блестящей мыслью, и встречей с неплохими партнерами по работе, и даже своевременной отправкой рукописи в редакцию.


А бывает и по другому. Величавый французский математик и механик Жозеф Луи Лагранж называл Исаака Ньютона не только лишь самым превосходным, но также самым счастливым из ученых, так как Ньютон раскрыл систему мира, а такое можно свершить только единожды. В этом Лагранж ошибся – ньютоновская космология ушла в прошедшее. Основное везение Ньютона заключалось в другом. Ему выпало показаться на свет вот тогда, когда молодая европейская наука была беременна 2-мя величавыми революциями: математической (разработка дифференциального и интегрального исчисления) и физико-астрономической (открытие принципов традиционной механики и разъяснение на их базе кеплеровских законов движения планет). С этими задачками мог совладать только гений – и он появился в свое время и на собственном месте. Сначала 60-х годов XVII века доброжелательность судьбы забросила феноменально даровитого юного человека из британской провинции в Кембриджский институт, где он полностью воплотил собственный умопомрачительный умственный потенциал. В этом Ньютон оказался по-настоящему счастлив.


Фортуны Резерфорда


Более везучим был и новозеландец Эрнест Резерфорд. Его заслуженно именуют папой ядерной физики и величайшим физиком-экспериментатором ХХ столетия. Резерфорд первым сообразил, как устроен атом, первым идентифицировал протон как самостоятельную простую частичку (и отдал ему имя) и первым же выполнил искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород. Исследования его учеников и служащих привели к изобретению ионизационного счетчика заряженных частиц (Иоганнес Гейгер), выявлению связи меж местом элемента в таблице Менделеева и диапазоном его рентгеновского излучения (Генри Гвин Мозли), созданию линейного ускорителя протонов и использованию его для расщепления атомного ядра и искусственного получения радиоактивных изотопов (Джон Кокрофт и Томас Уолтон), открытию нейтрона (Джеймс Чедвик), выделению гелия-3 и трития (Маркус Олифант и Пауль Хартек), получению сверхсильных магнитных полей (Петр Капица) – и это далековато не полный перечень. И хотя в старости Резерфорд не избежал тревог и разочарований, в юные и зрелые годы он с полным правом мог считаться баловнем удачи.


Но была в жизни ученого и еще одна, совершенно особенная фортуна, о которой нечасто вспоминают историки науки. Его наикрупнейший вклад в физику – ядерная модель атома, совсем сложившаяся кое-где сначала 1911 года. Чтобы ее сконструировать, кроме превосходного прозрения была нужна исключительная смелость – ведь исходя из убеждений традиционной электродинамики Максвелла таковой атом просто не мог существовать! Сей гордиев узел удалось разрубить только Нильсу Бору, который два года спустя при помощи квантовых представлений вернул резерфордовскому атому право на жизнь.


Резерфорд доказал свою модель при помощи формулы, которую сам же вывел и которая носит его имя. Но сейчас мы знаем, что предпосылки, которыми Резерфорд пользовался для этого вывода, не соответствовали физической действительности. И все таки в эту формулу, как ни удивительно, отлично укладывались результаты тестов! Но отсюда не следует, что здание величайшего открытия Резерфорда покоилось на песке – по незапятанной случайности его фундамент оказался прочнейшим гранитом. В общем, папе ядерной физики подфартило совсем особым образом.


Время Резерфорда


Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года в городе Спринг Гроув на Южном полуострове Новейшей Зеландии. В 1890 году он поступил в Кентербери-колледж, а в 1894-м получил стипендию для продолжения образования в Кембридже, где оказался первым аспирантом-исследователем, не закончившим этого прославленного британского института. Он работал над диссертацией в известной Кавендишской лаборатории, которую тогда возглавлял Джозеф Джон Томсон. В 1919 году Резерфорд сменил Томсона на этом посту и оставался директором лаборатории до последнего денька собственной жизни – 19 октября 1937 года.


В Кембридже аспирант из Новейшей Зеландии поначалу занимался электрическими явлениями и, а именно, в феврале 1896 года собрал самый чувствительный в мире сенсор электрических волн с радиусом деяния в несколько сотен метров, малость опередив и Попова, и Маркони. Он мог бы стать одним из изобретателей радио, но судьба распорядилась по другому. Томсон поручил Резерфорду исследование электропроводимости ионизированных рентгеновскими лучами газов. В процессе работы Резерфорд задумался над особенностями ионизации газов под действием тогда еще совсем загадочного самопроизвольного излучения урана, которое французский физик Антуан Анри Беккерель нашел в феврале 1896 года. Выбор оказался решающим – юный физик на всю жизнь увлекся радиоактивностью и связанными с ней явлениями. Необходимо подчеркнуть, что самого термина в то время еще не было – Мария Склодовская-Кюри выдумала его после того, как в 1898 году вместе с Пьером Кюри открыла излучение тория.


Это было замечательное время – рождалась новенькая наука о микромире. Когда Резерфорд работал у Томсона, тот положил начало эре поиска и идентификации субатомных объектов, совсем неведомых науке. В 1897 году он установил, что катодные лучи представляют собой поток негативно заряженных частиц, масса которых в 2000 раз меньше массы атома водорода. Так состоялось открытие простой частички номер 1 – электрона (это заглавие малость позднее предложил величавый голландский физик Хендрик Антон Лоренц). А последующий шаг сделал уже сам Резерфорд. В 1899 году 25-летний исследователь нашел, что уран испускает два вида эманации, и именовал их альфа- и бета-лучами. К тому времени он покинул Кембридж и работал в Канаде, в Монреальском институте имени Мак-Гилла. Там он оставался до мая 1907 года, после этого возвратился в Великобританию новоизбранным доктором физики Манчестерского института.


Природа бета-лучей выяснилась в 1899 году, когда Фриц Гейзель, Беккерель и мадам Кюри пришли к заключению, что это просто резвые электроны. Делему альфа-частиц в главном разрешил сам Резерфорд в счастливом себе 1908 году, принесшем ему Нобелевскую премию по химии. Он обосновал, что там, где находится источник альфа-излучения, возникают атомы гелия (на данный момент даже школьник знает, что альфа-частицы – это ядра гелия-4, но тогда понятия атомного ядра просто не было). А в интервале меж этими событиями француз Поль Виллар открыл у урана очередной вид излучения, которое тот же Резерфорд обозначил третьей буковкой греческого алфавита (с течением времени выяснилось, что гамма-лучи представляют собой электрические кванты больших энергий).


Для описания всех работ Резерфорда, связанных с исследованием радиоактивности, нам просто не хватит места. Но через два года после возвращения в Великобританию он конструктивно обновил свою исследовательскую программку. Еще в Канаде он начал догадываться, что альфа-частицы можно использовать для зондирования структуры атомов, но занялся этим на практике уже в Манчестере.


Опыт и формула


Но вернемся к Резерфорду и его альфа-частицам. В Манчестерском институте работал германский физик-экспериментатор Иоганнес Гейгер, который стал главным ассистентом Резерфорда. В 1909 году он произнес шефу, что старшекурсник Эрнест Марсден отыскивает тему дипломного исследования. Резерфорд вспомнил о собственном канадском плане и предложил Марсдену заняться отражением альфа-частиц от железных поверхностей.


Марсден спроектировал экспериментальную установку и сам же ее сделал. Это была герметичная свинцовая камера, снутри которой лежал кусок радия. Испускаемые радием альфа-частицы проходили через узенькое отверстие в свинцовой пластинке, вырезавшее из их отлично коллимированный пучок, который падал на мишень из тонкой золотой фольги. До очередной серии наблюдений из камеры выкачивали воздух. В ней имелся покрытый сернистым цинком передвижной экран, испускавший под ударами альфа-частиц очень слабенькие вспышки света. Изменяя положения экрана, можно было регистрировать частички, отразившиеся от мишени под хоть каким углом. Вспышки следили через окошко в стене камеры при помощи 50-кратного микроскопа.


Казалось, что результаты стопроцентно соответствуют ожиданиям: частицы-снаряды просто пронизывали фольгу, некординально изменяя направления (позднее Гейгер вычислил, что более возможный угол рассеяния при толщине фольги 0,4 микрона составляет 0,87 градуса). На этом опыт мог бы окончиться, но Резерфорд предложил поглядеть, не уходят ли альфа-частицы на огромные углы. Позднее он вспоминал, что не очень веровал в эту возможность. Вроде бы то ни было, скоро вышло то, что Резерфорд именовал самым неописуемым событием собственной жизни. Оказалось, что некие альфа-частицы не только лишь рассеиваются перпендикулярно начальному направлению пучка (для золотой фольги шириной 0,4 микрона приблизительно одна из 20 тыщ), но даже отбрасываются вспять. Модель Томсона такового фактически не допускала. По словам Резерфорда, это было все равно как если б пятнадцатидюймовый снаряд отразился от картонной салфетки.
Результаты Гейгера и Марсдена были размещены в научных журнальчиках, но сенсации не произвели. А вот Резерфорд опустился в раздумья. В течение всего 1910 года он пробовал подобрать для их разъяснение, но задачка оказалась трудной. Но в декабре Резерфорд написал южноамериканскому исследователю радиоактивности Бертраму Болтвуду, что рассчитывает скоро предложить новейшую модель атома, много наилучшую, ежели томсоновская. Уже через четыре месяца он выслал в журнальчик Philosophical Magazine статью с подробным анализом результатов собственных служащих и других ученых, приобретенных при исследовании рассеяния альфа-частиц и электронов на разных металлах. В конце этой работы он констатирует: «При рассмотрении данных в целом, по-видимому, более обычным является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему». Это и была начальная формулировка резерфордовской модели атома. О том, что электроны обращаются вокруг ядра наподобие планет, тут нет и речи, этот вопрос Резерфорд оставил открытым – и не случаем. Согласно электродинамике Максвелла, хоть какой крутящийся заряд должен источать электрические волны, а этого атом в невозбужденном состоянии все таки не делает. Такое излучение должно вызывать энергопотерю и, как следует, дезинтеграцию атома, чего тоже не происходит. В эти дебри Резерфорд лезть не возжелал, ведь его догадка и так уже опрокинула принятые представления о структуре атома.


Объединив уравнения ньютоновской механики с законом Кулона, Резерфорд вычислил, с какой вероятностью передвигающаяся в поле точечного покоящегося заряда заряженная частичка отклоняется на определенный угол от начального направления. Это и была именитая формула Резерфорда, в первый раз размещенная в этой же статье. Четкий ее вид приводить не непременно, довольно сказать, что разыскиваемая возможность назад пропорциональна четвертой степени синуса половины угла рассеяния. Данные Гейгера и Марсдена отлично укладывались в эту математическую зависимость. Ни одна из конкурирующих моделей атома не смогла предложить настолько же сильного подтверждения собственной справедливости.


Феномен


А вот и настал черед самого головного, момента правды. Дело в том, что рассеяние наночастиц на других частичках либо атомных ядрах – чисто квантовый процесс. Для его описания нужно уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще не было. А именно, сечение такового рассеяния находится в зависимости от спинов сталкивающихся частиц, а в традиционной физике такового понятия не существует. Так почему же формула Резерфорда так отлично согласовалась с тестом?


Оказывается, решение уравнения Шредингера приводит к той же формуле, что и уравнение Ньютона, если рассеяние происходит за счет силы, величина которой назад пропорциональна квадрату расстояния! При любом другом потенциале традиционная и квантовая механика дают разные результаты. Поэтому-то справедливость формулы Резерфорда для рассеяния альфа-частиц на железной фольге оказалась только очень счастливой случайностью.


А что если б природа распорядилась по другому и результаты измерений Гейгера и Марсдена не уложились в резерфордовскую формулу, хоть исходя из убеждений тогдашних физических представлений она и была идеальной? В данном случае Резерфорд мог бы и не предложить собственной модели, которая и так откровенно выбивалась из электродинамики Максвелла. А тогда не было бы и 3-х превосходных статей Бора 1913 года с квантовой теорией одноэлектронного атома. Естественно, в конце концов эти трудности могли быть разрешены, но кем, когда и как, можно только гадать. Короче говоря, резерфордовская удача очень поторопила возникновение на свет квантовой механики. Везет же время от времени гениям!






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments