7. Атом нагаока - резерфорда
Кельвин лишь упомянул о возможности существования внутри атома центрального положительно заряженного ядра. Эта идея, оставленная без внимания Томсоном, была развита японским физиком Хантаро Нагаока (1865-1950) в сообщении, сделанном им в декабре 1903 г. в Токийском физико-математическом обществе; в следующем году это сообщение было опубликовано в английском журнале «Nature». Томсон выдвигал свою модель, учитывая прежде всего электрические явления, тогда как Нагаока решил заняться изучением сатурноподобной системы, чтобы попытаться объяснить спектры эмиссии.
«Система, - разъясняет ученый, - состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через равные угловые интервалы и взаимно отталкивающихся, с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; в центре круга помещается большая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону».
Заметив, что при движении частиц вокруг центра система остается устойчивой по отношению к малым поперечным или продольным колебаниям, Нагаока добавляет:
«Очевидно, рассмотренная здесь система будет приблизительно реализована, если мы разместим электроны по кольцу, а положительный заряд в центре. Такой атом не будет противоречить результатам недавних опытов с катодными лучами, радиоактивностью и другими связанными с этим явлениями» (Н. Nagаоka, On a Dynamical System Illustrating the Spectrum Lines and the Phenomena of Radioactivity, Nature, 69, 392 (1904)).
И все же первое время модель Нагаока не имела особого успеха.
В 1908 г. Гейгер и Марсден начали экспериментальное изучение прохождения α-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов. Они заметили, что большинство частиц проходит через пластинку почти по прямой и продолжает дальше за пластинкой свой путь так, как будто никакого препятствия со стороны вещества и не было. Аналогичное наблюдение было проведено Уильямом Брэггом в 1904 г. Но Гейгер и Марсден заметили, что наряду с таким поведением большинства α-частиц иногда какая-нибудь частица - примерно одна из 10 000 - все же сильно отклонялась, причем отклонение было больше прямого угла.
Здесь, несомненно, речь шла о явлении столкновения а-частицы с атомами вещества. Но как в модели атома Томсона, так и в модели Нагаока предполагалось радикальное изменение понятия столкновения атомов по сравнению с тем, которое существовало в кинетической теории газов. В кинетической теории атомы уподоблялись упругим шарикам и проблемы столкновения рассматривались точно так же, как рассматривается столкновение двух бильярдных шаров. Новые модели атомов больше не допускали такого уподобления, потому что при сближении двух атомов со своими электрическими зарядами между соответствующими электрическими зарядами возникают довольно значительные силы отталкивания, изменяющие первоначальные траектории атомов: «удара» в механическом смысле не происходит. Теория, объясняющая изменение движения двух таких сильно сближающихся атомов, гораздо сложнее с математической точки зрения. В первом приближении, однако, движение двух таких атомов с соответствующими зарядами изменяется приблизительно так же, как и при механическом столкновении, поэтому можно еще продолжать говорить о столкновениях, помня, однако, что это не настоящие столкновения.
Имея все это в виду, Томсон истолковывал сильное отклонение, наблюдавшееся Гейгером и Марсденом, не как отклонение, вызванное одним-единственным столкновением α-частицы с атомом, а как сумму многочисленных мелких отклонений частицы в ее последовательных столкновениях с атомами проходимого вещества. Напрасно было бы ждать, чтобы Томсон объяснил, каким же образом последовательные мелкие отклонения направлены все в одну сторону так, что складываются в одно общее большое отклонение, которое и наблюдается.
Модель Томсона не допускала другой интерпретации опыта Гейгера и Марсдена, ибо очевидно, даже если не вникать в расчеты Томсона, что размазанный положительный электрический заряд (α-частица), проходя через другой размазанный электрический заряд с примесью электронов (атом), может претерпеть лишь незначительные отклонения.
Модель Томсона не могла удовлетворительно объяснить опыт Гейгера и Марсдена. Решить эту задачу смог в 1911 г. бывший ассистент Томсона Эрнест Резерфорд. Он пришел к убеждению, что сильное отклонение, наблюдавшееся Гейгером и Марсденом у некоторых α-частиц, должно объясняться резким отклоняющим действием, испытываемым α-частицей при прохождении через интенсивное электрическое поле атома, или, иначе говоря, в результате одного-единственного столкновения с атомом. Но если отклонение вызывается одним столкновением, то неизбежно приходится предположить, что в центре атома имеется некое ядро чрезвычайно малых размеров, заряженное положительно и заключающее в себе большую часть массы атома. Одним словом, нужно было принять модель атома Нагаока, устойчивость которого, подвергавшаяся сомнению, по мнению Резерфорда, не должна вызывать особого беспокойства, ибо этот вопрос должен рассматриваться лишь во вторую очередь, когда будет подробно изучена структура атома.
С помощью модели Нагаока сильное отклонение получает очень простое объяснение: α-частица пересекает электронную атмосферу атома металлической пластинки, приближается к ядру и благодаря большой силе кулоновского взаимодействия между двумя положительными зарядами сильно отклоняется, описывая траекторию гиперболического типа.
Ланжевен обратил внимание на то, что модель атома Нагаока как будто не совсем соответствовала данным о радиоактивных явлениях, поскольку радиоактивные вещества испускают также и β-лучи, которые, как кажется, выходят из самых глубин атома. Поэтому в атомном ядре должны находиться также и электроны, так что с этой точки зрения модель Томсона казалась более приемлемой. Мария Кюри настаивала на необходимости признать существование электронов в ядре. Эти «основные» электроны, как она их назвала, или «ядерные», как их стали называть позже, не могут быть испущены без разрушения самого атома, тогда как другие, получившие название «периферических», могут быть оторваны от атома без изменения его химической природы. В течение двадцати лет ядерные электроны считались частью атомной структуры (запоздалая дань уважения модели Томсона?). По предложению Резерфорда им была приписана функция склеивания положительных зарядов ядра, которые сила взаимного кулоновского отталкивания стремилась разделить.
Модель Нагаока - Резерфорда была лишь качественным представлением строения атома, и необходимо было перейти к количественным характеристикам, подобно тому как это было сделано для модели Томсона. Эксперименты, которые привели к выводу, что ядерный заряд равен половине атомного веса, очевидно, были применимы и к новой модели. Но Резерфорд заметил, что эта закономерность, по крайней мере для легких ядер, не вполне точна. В самом деле, трудно допустить, что отдельная α-частица, испущенная радиоактивным веществом в виде иона гелия с двумя положительными зарядами, сохраняет какой-нибудь из своих периферических электронов. Поэтому нейтральный атом гелия должен иметь два электрона, а атом водорода по аналогии - один электрон, причем заряд ядра тоже должен быть равен единице, из чего ясно, что указанный закон здесь несправедлив.
Решающим, или, как назвал его Содди, «драматическим», годом для модели Резерфорда был 1913 год. Четыре основных факта, установленных почти одновременно, сильно помогли уверовать в достоверность ядерной модели атома. Эти четыре факта взаимно связаны и взаимно обусловлены не только потому, что все они (за исключением одного) установлены в географически близких друг другу местах (Кембридж, Манчестер и Глазго), но и благодаря общему для всех них более или менее непосредственному влиянию самого Резерфорда. Мы уже говорили о первом из этих фактов, об экспериментальном правиле смещения, ясно сформулированном Содди весной 1913 г. Расскажем теперь об остальных трех: о понятии «атомного номера», выдвинутом незадолго до этого Ван ден Брейком (1870-1926), о квантовании электронных орбит, сформулированном Бором летом того же года, и об опытном законе Мозли, установленном зимой.
Ван ден Брейк заметил, что данные по рассеянию α-частиц лучше объясняются моделью Резерфорда, если предположить ядерный заряд равным порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, названному им «атомным номером». Отношение атомного номера к атомному весу приблизительно равно 0,5 для легких атомов и постепенно уменьшается, достигая примерно 0,4 для урана, последнего элемента системы. Таким образом, идея Ван ден Брейка, не удаляясь сильно от ранее найденного экспериментального закона, обладала соблазнительной простотой.
Однако основание ее было довольно хрупким. Твердый экспериментально обоснованный фундамент ей придало лишь последнее из важных событии того года (о третьем мы будем подробно говорить в § 12) - закон Мозли.
Генри Мозли (1887-1915), безвременно погибший в сражении на полуострове Галлиполи, начал в Манчестере в качестве добровольного ассистента Резерфорда свои исследования спектров рентгеновских лучей 5 помощью незадолго до этого введенного Брэггом метода вращающегося кристалла. По словам Резерфорда, целью его исследований было решить, что существеннее для жестких рентгеновских спектров - атомный номер элемента или его атомный вес. Баркла уже показал, что достаточно жесткие рентгеновские лучи, попадая на простое вещество, порождают другие рентгеновские лучи, названные вторичными, которые однородны, т. е. имеют одну и ту же частоту, характерную для облучаемого вещества и не зависящую от частоты первичных рентгеновских лучей. Мозли измерил частоту основных спектральных линий, открытых Баркла для ряда элементов периодической системы, и нашел, что она пропорциональна квадрату числа, которое изменяется на единицу при переходе от одного элемента периодической системы к соседнему. Это был опытный факт, не предполагавший никакого теоретического представления о строении атома и о происхождении его излучения. Но он приобрел глубокий смысл, как только Мозли показал, что наблюдаемый факт может служить доказательством того, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть не чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».
Кроме этих опытных данных Мозли, правило Содди также подтверждало простую идею Ван ден Брейка. Поскольку каждое испускание одной α-частицы уменьшает массу атома на 4, а атомный номер на 2, тогда как выбрасывание β-лучей увеличивает заряд на 1 и оставляет неизменной массу атома, то достаточно узнать тип излучения данного радиоактивного семейства и атомный номер его родоначальника, чтобы непосредственно определить атомный номер и массу всех элементов данного семейства и сопоставить их с данными опыта. Сопоставление давало результаты, полностью соответствующие теории.
Деятельная группа Резерфорда искала способ непосредственного определения величины ядерного заряда, но первая мировая война замедлила, если не совсем остановила работу, потому что тогда в отличие от положения, сложившегося в период второй мировой войны, никто не считал, что эти исследования смогут в будущем иметь какое-то военное значение; они целиком принадлежали к области «доброй старой философии», которой нужно было пожертвовать ради военных нужд. Вот почему только в 1920 г. Джемс Чэдвик произвел первое точное измерение ядерного заряда некоторых элементов, определив его по доле α-частиц, отклоняющихся на определенный угол при столкновении с атомами исследуемого элемента. Этим методом он нашел ядерные заряды для меди, серебра и платины, оказавшиеся соответственно равными 29,3; 46,3 и 77,4, а их атомные номера 29, 47 и 78; соответствие вполне удовлетворительное.