У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро

Никто не мог интерпретировать результаты эксперимента.

А Резерфорд, имея на руках полученные данные, снова взялся за учебу. Понимая, что если он хочет распространить основанные на небольшом образце идеи об атоме на все атомы Вселенной, ему придется овладеть теорией вероятностей и математической статистикой. И несмотря на полученную Нобелевскую премию, Резерфорд не смущаясь поступил на соответствующий курс университета.

Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями.

Эрнест Резерфорд

Шаг к принятию атомного ядра и обнаружению протона — несущей электрический заряд частицы — был непростым. После статистического анализа данных об альфа-частицах, которые проходили насквозь и отклонялись, стало очевидно, что должна существовать небольшая внутренняя структура. В конце 1910 года Резерфорд объявил, что решение найдено, и 7 марта 1911 года появилась статья "Рассеивание альфа- и бета-частиц веществом и структура атома". В статье говорилось не об атомном ядре, ученый упомянул только о "центральном заряде, распределенном по малому объему", он также не решился настаивать на знаке заряда этой центральной частицы. Два года спустя в книге Radioactive Substances and Their Radiations ("Радиоактивные вещества и их излучение>) он все же ввел понятие атомного ядра и предположил, что ядро имеет положительный заряд, а отрицательно заряженные частицы вращаются вокруг него.

В 1911 году Резерфорд опубликовал статью "Рассеивание альфа- и бета- частиц веществом и структура атома", в которой описал свою новую теорию атома:

"Хорошо известно, что альфа- и бета- частицы при столкновениях с атомами вещества испытывают отклонения от прямолинейного пути. [...] Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. [...] Наблюдения, проведенные Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа-лучей, показали, что некоторое количество альфа-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол, больший 90°. [...] По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением. [...] Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле. [...] При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему. [...] При сопоставлении излагаемой в данной статье теории с экспериментальными результатами предполагалось, что атом состоит из сконцентрированного в точке центрального заряда*.

Немецкий физик Ханс Гейгер, 1928 год.

Резерфорд смог определить, что диаметр внутренней структуры в атоме должен соответствовать примерно 10^-14 м, то есть быть в десять тысяч раз меньше атома. Принято сравнивать размер атомного ядра с мухой внутри огромного собора, однако в таком незначительном объеме, который представляет собой ядро, сконцентрировано 99% массы атома. Оставшееся пространство представлялось загадочно пустым и не имеющим точных пределов, лишь иногда эту пустоту пересекали электроны.

Согласно интерпретации Резерфорда частицы отскакивали друг от друга под воздействием отталкивающей силы. На тот момент было уже доказано, что частицы с одним знаком заряда отталкиваются, с противоположными знаками — притягиваются. В 1913 году этот ход рассуждений позволил Резерфорду сделать вывод, что поскольку альфа-лучи имеют положительный заряд, их отклонение при прохождении сквозь золотую фольгу обусловлено столкновением с частицами того же знака заряда. Так можно было объяснить, почему большинство альфа-частиц проходит сквозь фольгу без отклонения: им на пути не встречаются положительные заряды. Протон был обнаружен позднее, в 1918 году, когда Резерфорд понял, что открытия атомного ядра недостаточно и что нужно разделить его на составляющие и изучить его строение.

Открытие Резерфорда пришлось на несколько сумбурный период в истории физики. Модель атома Томсона предложена сравнительно недавно, еще не достигнуто согласие в отношении существования атомов, химики и физики почти столетие разделены на два лагеря: одни полагают, что атомизм — лишь бездоказательное пустословие, в другом лагере утверждают, что атомы — основа всех элементов. Имелось множество моделей, по-разному соотносящихся с экспериментальными данными, но результаты были неоднозначными.

Путь атомной гипотезы оказался долгим. Во все времена она становилась предметом полемики, ее сторонники обвинялись в неверии и материализме, подвергались преследованиям. Первые атомисты жили еще в Древней Греции. Демокриту (460-370 до н. э.) атомы представлялись конечными составляющими бытия, которые не могли быть разделены, разрушены, подвержены действию времени, из них образовалось все вокруг. Как считал он сам: "Лишь в общем мнении есть сладкое и горькое, теплое и холодное; в общем мнении существуют разные цвета; на самом деле существуют только атомы и пустота*.

Эпикур (341-270 до н. э.) — древнегреческий философ, родился на острове Самос. Его семья происходила из Афин, куда он перебрался позднее и где разбил сад, чтобы взращивать в нем знания и дружбу. В центр человеческой жизни Эпикур ставил удовольствие, понимание которого сближало его со скептиками. Он боролся со страхами, в том числе со страхом смерти, показывая, что в основе их всех лежат неправильные верования. Для Эпикура число атомов бесконечно (так же как и Вселенная), сами атомы вечны, неделимы и неизменны, они обладают формой, величиной и весом. Атомизм ведет к механистическому восприятию Вселенной, в которой нет места свободе воли. И, защищая свободу воли, Эпикур был вынужден включить идею о клинамене, случайном отклонении атомов. После этого можно было говорить о присутствии некоторой неопределенности во Вселенной.

Эпикур, гравюра из книги Томаса Станли "История философии-, 1655 год.

На протяжении веков атомизм был философским течением с небольшим количеством сторонников. Эпикур, например, полагал, что атомы закручиваются в вихри, создавая бесконечность "миров" со своими богами. К царству атомов относилась также и душа, состоящая из тончайших атомов. В ходе истории многие выдающиеся ученые, среди которых Галилей и Ньютон, защищали атомизм, чем способствовали развитию мысли в этой сфере. Однако отсутствовало самое главное — привязка атомизма к реальной жизни. У гипотезы не было доказательной базы, для того чтобы безоговорочно найти себе место в ряду других философских концепций. В первом издании Британской энциклопедии (между 1768 и 1771 годами) в статье "Атом" его привязка к философскому течению едва затронута: "В философии — мельчайшая частица материи, не поддающаяся делению. Атомы являются minima naturae (мельчайшими телами) и представляются началом любой физической величины".

С XIX века развитие физики и химии вынудило значительно расширить данное определение.

Новый этап возрождения идей атомизма в XIX веке наступил в основном благодаря химии и был обусловлен различными причинами, среди которых выделяется крушение доктрины о четырех стихиях, подчинявшей себе интерпретацию природы почти целое тысячелетие. Антуан Лавуазье (1743-1794) обнаружил, что вода, прежде считавшаяся одной из стихий, наряду с огнем, землей и воздухом, на самом деле состоит из кислорода и водорода. Это открытие дало новое понимание природы вещей на основе химической науки. Несмотря на это сам Лавуазье скептически относился к атомной теории.