У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро

Roger Corcho Orrit

У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Еженедельное издание

ISSN 2409-0069

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 160 с.

© Roger Corcho Orrit, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

Введение

«Все тела состоят из атомов». По мнению американского ученого Ричарда Фейнмана, этот тезис является самым важным в истории физики и его нужно постараться сохранить даже в случае катастрофы, которая уничтожит все приобретенные на настоящий момент знания.

Атомы можно считать элементами, формирующими реальность вокруг нас. Они располагаются изолированно или соединяются друг с другом, создавая молекулы и кристаллические структуры, а ядра атомов могут сливаться, образуя более крупные атомы, как это происходит в недрах звезд. Результатом такого разнообразия атомов является Вселенная, какой мы ее знаем. На заре западной цивилизации один греческий философ взял на себя смелость утверждать, что во Вселенной есть только атомы и пустота (речь идет о Левкиппе из Милета, V в. до н.э.), но до начала XX века физики, и Эрнест Резерфорд в их числе, не могли объяснить, из чего состоит материя.

Атомы — мельчайшие частицы. Для того чтобы говорить об их размере, необходимо было ввести специальную единицу измерения, ангстрем. Один ангстрем равен 10-1⁰ метра, то есть это десятимиллионная доля миллиметра; размер атома соответствует примерно одной такой доле. Физики XX века доказали, что атом не является неделимым, его внутренняя структура сформирована из более мелких элементов, субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. На сегодняшний день считается, что материю можно описать в виде множества частиц (с общим названием фермионы), среди которых различают два основных типа: кварки и лептоны. Они в свою очередь разделяются на подтипы, обладающие дифференцирующими свойствами; кроме того, определенные их комбинации делают материю такой, какой мы ее знаем. Данная гипотеза, описывающая фундаментальные силы и взаимодействия между частицами, позволяет объяснить формирование, распад и особенности атомов, и в физике частиц известна как «стандартная модель».

Учитывая «зернистость» окружающей материи, объяснение, почему такое множество частиц объединяется в совершенный механизм, — это вызов всему человечеству. Согласно оценкам, Вселенная состоит из 10⁷⁸ атомов (число с 78 нулями!); с другой стороны, тело человека содержит 10²⁷ атомов: в основном это кислород, углерод и водород, формирующие клетки, которые полностью обновляются в течение пятилетних циклов.

Возникает вопрос: если все состоит из атомов, дает ли их изучение ключ к пониманию Вселенной? Как подчеркнул нидерландский физик Мартинус Велтман, «узнать все о физике элементарных частиц — значит, узнать все обо всем». Хотя Велтман подразумевает пристрастное видение «всего», благодаря изучению атомов стало возможным научное объяснение происхождения и эволюции Вселенной. Вместе с тем пришло и понимание, как после Большого взрыва сформировалась первоначальная смесь кварков, образовавшая ядра дейтерия и гелия, и те в комбинации с электронами стали основой атомов. Из уплотнений материи и энергии сформировались звезды, галактики и так далее, где начались процессы, ведущие к более массовому «производству» атомов и их комбинаций, вплоть до такой сложной системы, как жизнь.

Исторически атом можно представить в виде своеобразного предела человеческого любопытства. Атомы, неделимые частицы, были некими базовыми единицами, подобными аксиомам евклидовой геометрии. Возможности их глубокого познания ограниченны для нас, как и возможности понимания безграничности Вселенной.

Осознание, что Вселенная не оканчивается там, где человечество представляло это с древних времен, что атомы не являются минимальной составляющей материи, стало основной вехой в истории науки, в особенности за последние два столетия.

Как изучать атомы? Сегодня считается, что все окружающее нас состоит из атомов. Однако их размер настолько незначителен, что ученые веками сомневались в самом их существовании. В начале XX века проблему атома физики рассматривали, как в индийской притче про шестерых слепых мудрецов, в которой один ощупывал хобот, другой — бок, третий — бивень, четвертый — ногу, пятый — хвост, шестой — уши... Таким образом, восприятие реальности основывалось на несопоставимых явлениях. С разных точек зрения, то есть при рассмотрении излучения, броуновского движения, спектров испускания и поглощения, были очевидны признаки существования атомов, но только косвенные признаки, поэтому для многих ученых атомная гипотеза представлялась скорее метафизической, иначе говоря, была пустословием.

Физик Эрнест Резерфорд, человек крепкого сложения и любитель регби, стал тем, кто взломал сейф, который на тот момент представляла собой проблема атома, и это помогло увидеть атом изнутри. Такова одна из причин, почему Резерфорд считается крупнейшим физиком-экспериментатором XX века. Благодаря его методам и исследовательским приемам стало возможным изучение фундаментальной структуры, общей для всех атомов. Для решения этой глобальной задачи он воспользовался простыми и изящными приемами. Сегодня в нашем распоряжении — сложные ускорители частиц и совершенные детекторы, позволяющие исследовать еще более фундаментальные элементы материи на основе столкновений и при высоком уровне контроля и точности. Но в распоряжении Резерфорда не было устройств, даже отдаленно напоминающих эти. Тем не менее он смог обнаружить, что внутри атома находится еще более мелкая структура, размером сопоставимая с мухой, пролетающей под сводами собора, или с булавочной головкой на футбольном стадионе, — и дал ей название «ядро». Вслед за этим открытием прояснился следующий парадокс: в ядре сконцентрирована большая часть массы атома. Гигантскую пустоту, составляющую атом, пересекают только электроны. По своей эпохальности обнаружение ядра сравнимо с открытием Америки или высадкой первого человека на Луну.

Новозеландский физик доказал, что до сих пор об атоме ничего не было известно и что атомы дают огромное поле для исследований и открытий, которые нужно и предстоит сделать. Это был не конец пути, а скорее доступ к новому миру, который, как выяснилось позже, управлялся другими законами, отличными от тех, что мы наблюдаем каждодневно. Детали стали складываться в единую картину благодаря другим физикам, начиная с Нильса Бора. Атом больше не рассматривали с классической позиции и наконец отнесли его к понятиям удивительного и загадочного квантового мира.

Но Резерфорд не просто открыл целую вселенную внутри атомов, но также реализовал мечту, казавшуюся безумной. Трансмутация (превращение одного вещества в другое) была заветным стремлением человека со времен Средневековья — именно так возникла алхимия. Получение из латуни золота считалось одним из трюков, вроде сгибания ложек, до тех пор, пока Резерфорд не доказал, что химическое превращение — по сути физическое явление, которое возможно как в естественных, так и в искусственных условиях.