Охотники за частицами

Все это так. Но волны тоже переносят с собой количество движения. Тоже отдают его телам, на которые «натыкаются» при своем распространении. И формула этого давления, которую теоретики вывели для света — электромагнитных волн, — отлично согласуется с первыми же опытами Лебедева.

Да, к сожалению, давление света — это одно из тех немногих явлений, где результаты расчета что с помощью электромагнитных волн, что с помощью фотонов — абсолютно одинаковы. Потому-то фотону и пришлось ждать еще несколько лет, пока не применили мысль о нем к другому, более «удобному» для его открытия явлению. Если уж говорить более точно, то была открыта не новая частица. Открыто было новое важнейшее свойство света.

Почему же в обыденной жизни никто из нас не замечал отдельных квантов света? Прежде всего, конечно, потому, что каждый из них несет с собой чрезвычайно малую порцию энергии. Но даже и не в этом главное, а в том, что они слишком быстро следуют друг за другом. Обычная двадцатисвечовая лампочка испускает в каждую секунду неисчислимые их полчища — 60 миллиардов миллиардов!

Не то что глаз, никакой самый быстродействующий автомат не сосчитает их все поодиночке. А на глаз пенять нечего: с очень неважной быстротой срабатывания (на том и основана иллюзия непрерывности смены кадров в кино) он соединяет неимоверно высокую чувствительность.

Много лет спустя замечательный физик Сергей Иванович Вавилов провел очень поучительный опыт. Он посадил в темную комнату человека, выждал, пока глаза его привыкнут к темноте, а затем включил очень слабенький источник света. Такой слабенький, что по сравнению с ним светлячок показался бы солнцем! Этот источник давал считанные кванты света в секунду. И что же? Глаз сосчитал их почти поодиночке!

Так в жизнь вошла вторая частица, рядом с которой люди жили веками, даже не подозревая о ее существовании. Частица света — фотон.

И не только света. Из фотонов состоят и радиоволны, и инфракрасные лучи, и ультрафиолетовые, и рентгеновы, и гамма-лучи. Все то, что называется электромагнитными волнами, может быть с равным основанием названо фотонами.

Понятно, что свою двуликую природу фотоны проявляют в разных явлениях. В одних они волны, в других — частицы. Отдать предпочтение какой-либо из «сторон медали» нет никаких оснований. Нет оснований и не будет.

Атом «в целом» электрически нейтрален. Атом «в нецелом» выбрасывает электроны. И не только электроны. Магнит, поднесенный к радиоактивному препарату, расщепляет вылетающие из него частицы на три пучка. Одни магнитный ветер сбивает вправо, другие — влево, третьи — оставляет без влияния. Мы уже догадываемся, что частицы в одном луче несут на себе отрицательный заряд, в другом — положительный, в третьем нет никакого заряда.

Об этом догадался шестьдесят лет назад и молодой ученик почтенного профессора Томсона. Он только недавно работает в тихой кембриджской лаборатории — этот молодой новозеландец. Он покинул далекую идиллическую страну на краю света, страну тучных пастбищ и голых гор, склоны которых залиты окаменевшими потоками лавы и окутаны паром гейзеров. Он переплыл моря и океаны, чтобы «приземлиться» в старинном английском городке и заняться физикой.

Сегодня такой поступок не вызвал бы никаких особых эмоций. Но в начале века, когда физиков, занимавшихся атомом, было куда меньше, чем хотя бы электронов в атоме урана, — над ним и склонился молодой Эрнест Резерфорд, — что ж, в те годы это было подвигом.

Подвиг в ожидании научных подвигов! Они не заставляют себя долго ждать. Первый из них — «разбор по косточкам» радиоактивного излучения. Несколько лет напряженной работы — и в 1903 году Резерфорд может сообщить ученому миру, что альфа-лучи — это потоки дважды заряженных положительным электричеством частиц, по массе очень близких к атомам гелия, а бета-лучи — это потоки незадолго до того открытых электронов. Гамма-лучи, как определяет Мари Кюри, сходны с рентгеновыми лучами.

Секрет происхождения гамма-лучей будет ждать окончательной разгадки еще добрых два десятка лет. Лишь в 1926 году немецкая исследовательница Луиза Майтнер докажет, что это — электромагнитное излучение, возникающее после радиоактивных превращений.

То, что из атома урана выбрасываются положительные частицы, Резерфорда не удивляет. Еще не нашлось в природе такого повара, который мог бы состряпать атом из одних лишь электронов. Они же мгновенно разлетятся в разные стороны, распихиваемые могучими силами взаимного отталкивания.

Значит, в атоме должен обязательно найтись такой положительный цемент, чтобы он мог связать воедино враждующие электроны. Как выглядит атом в таком случае? Наподобие пирога, полагает Томсон. Электроны — словно изюмины, увязшие в клейком тесте пирога. Похоже на пудинг — излюбленное блюдо англичан. Что ж, может быть и так — Резерфорд до поры до времени не сомневается в такой «картине». Правда, он часто обсуждает с коллегами и другие модели атома.

В 1909 году он вместе со своими учениками Эрнстом Марсденом и Гансом Гейгером ставит на пути радиоактивных излучений небольшие листочки металла. Установка предельно проста: ампулка с радием, тонкий металлический листочек, да еще экран — стеклянная пластинка, покрытая слоем цинковой обманки. Как выяснил Крукс, такой экран светится каждый раз, когда на него попадает заряженная частица.

Меняются листочки, двигается экран, а наши исследователи все сидят месяцами в затемненной лаборатории и считают вспышки. Непонятное начинается, когда экран устанавливается по ту же сторону листочка, что и препарат радия. Экран вспыхивает и при этом!

Дайте понять… Пока экран за листочком, в его вспышках нет ничего необычного: альфа-лучи проходят через тесто «атомного пирога», конечно рассеиваясь в нем, и идут дальше, к экрану. Но вот экран обогнул листочек и стал перед ним по ту же сторону, что и препарат. Число вспышек резко уменьшилось, но они все же остались. Может быть, альфа-частицы попадают на экран прямо из ампулы? Это легко проверить — достаточно убрать листочек. Вспышки прекращаются, как по мановению волшебной палочки. Значит, не в ампуле дело.

Но тогда в чем же? Как могут альфа-частицы отразиться от «клейкого пирога» и вернуться назад? Вот где пища для раздумий Резерфорду!

…Что-то когда-то он читал о кометах. Кометами много занимались в начале века. Длинные хвосты, огибающие Солнце, издревле поражали людское воображение. «Грозят кометы мором и войной!» — изрекали взволнованные поэты, а на папертях церквей толкался испуганный народ, слушая грозные пророчества юродивых.

В начале века мрак рассеялся.

Петр Николаевич Лебедев доказал, что свет оказывает давление на тела. И хвосты оказались выбросами кометного вещества под действием солнечных лучей. Но тело кометы все же притягивается Солнцем. Да, что-то не то…

А что было бы, если комета вся отталкивалась бы Солнцем? Как бы она шла мимо Солнца? Здесь одно размышление не помогает, нужен расчет. Резерфорд считает… Через несколько дней, довольный и шумно веселый, он является в лабораторию, отряхивает снег с шапки и голосом, похожим на львиный рык, объявляет: «Теперь я знаю, как выглядит атом!»

«Белые рабы» Гейгер и Марсден вопросительно смотрят на учителя, а тот, не раздеваясь, присаживается к столу и рисует… солнечную систему. Вот он посадил в центре Солнце, жирно зачернил его, пририсовал орбиты планет. Возле Солнца крупно написал «ядрышко». А чтобы снять последние следы недоумения с лиц учеников, в центральном кружочке жирно поставил «+» и по планеткам разбросал «минусы». Планетки — электроны!..