Резерфорд Эрнст
Это время знаменательно и важным событием в личной жизни Резерфорда: через 5 лет после помолвки состоялась его свадьба с Мэри Джорджине Ньютон, дочерью хозяйки того пансиона в Крайстчерче, в котором он некогда жил. З0 марта 1901 родилась единственная дочь четы Резерфордов. По времени это почти совпало с рождением новой главы в физической науке — физики ядра. Важным и радостным событием явилось и избрание Резерфорда в 1903 членом Лондонского королевского общества.
Планетарная модель атома
Итоги научных поисков и открытий Резерфорда составили содержание двух его книг. Первая из них называлась «Радиоактивность» и вышла в 1904. Через год вышла вторая — «Радиоактивные превращения». А их автор уже начинал новые исследования. Он уже понял, что радиоактивное излучение исходит из атомов, но место его возникновения оставалось абсолютно неясным. Нужно было исследовать устройство атома. И здесь Резерфорд обратился к методике, с которой он начинал работу у Дж. Дж. Томсона — к просвечиванию альфа-частицами. В опытах исследовалось, как поток таких частиц проходит через листочки тонкой фольги.
Первая модель атома была предложена, когда стало известно, что электроны имеют отрицательный электрический заряд. Но они входят в атомы, которые в целом электронейтральны; что же является носителем положительного заряда? Дж. Дж.Томсон предложил для решения этой проблемы такую модель: атом — нечто вроде положительно заряженной капли радиусом в стомиллионную долю (10-8) сантиметра, внутри которой находятся крохотные отрицательно заряженные электроны. Под действием кулоновских сил они стремятся занять положение в центре атома, но если что-то выведет их из этого положения равновесия, они начинают совершать колебания, что сопровождается излучением (таким образом, модель объясняла и известный тогда факт существования спектров излучения). Из опытов уже было известно, что расстояния между атомами в твердых телах примерно такие же, как и размеры атомов. Поэтому казалось очевидным, что альфа-частицы почти не могут пролететь даже сквозь тонкую фольгу, подобно тому, как камень не пролетит сквозь лес, деревья в котором растут почти вплотную друг к другу. Но первые же опыты Резерфорда убеждали, что это не так. Подавляющее большинство альфа-частиц пронизывало фольгу, даже почти не отклоняясь, и лишь у некоторых это отклонение наблюдалось, порой даже весьма значительное.
И здесь вновь проявилась исключительная интуиция Резерфорда и его умение понимать язык природы. Он решительно отказывается от модели Томсона и выдвигает принципиально новую модель. Она получила название планетарной: в центре атома, подобно Солнцу в Солнечной системе — ядро, в котором, несмотря на его относительно малые размеры, сосредоточена вся масса атома. А вокруг него, подобно планетам, двигающимся вокруг Солнца, вращаются электроны. Их массы значительно меньше, чем у альфа-частиц, которые поэтому почти не откланяются, пронизывая электронные облака. И только когда альфа-частица пролетает близко от положительно заряженного ядра, кулоновская сила отталкивания может резко искривить ее траекторию.
Формула, которую вывел Резерфорд, опираясь на эту модель, прекрасно согласовалась с данными эксперимента. [В 1903 идею планетарной модели атома доложил в Токийском физико-математическом обществе японский теоретик Хантаро Нагаока, назвавшей эту модель «сатурноподобной», но его работа (о которой Резерфорд не знал) не получила дальнейшего развития.]
Но планетарная модель не согласовывалась с законами электродинамики!
Эти законы, установленные, в основном, трудами Фарадея и Максвелла, утверждают, что ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны и поэтому теряет энергию. Электрон в атоме Резерфорда движется ускоренно в кулоновском поле ядра и, как показывает теория Максвелла, должен был бы, потеряв примерно за десятимиллионную долю секунды всю энергию, упасть на ядро. Это называется проблемой радиационной неустойчивости резерфордовской модели атома, и Резерфорд ее отчетливо понимал, когда в 1907 пришло время его возвращения в Англию.
Возвращение в Англию
Труды Резерфорда в Мак-Гилльском университете принесли ему такую известность, что его стали наперебой приглашать на работу в научные центры различных стран. Весной 1907 он принял решение оставить Канаду и прибыл в университет Виктории в Манчестере. Работы тут же были продолжены. Уже в 1908 вместе с Хансом Гейгером Резерфорд создает новый замечательный прибор — счетчик альфа-частиц, что сыграло важную роль для выяснения того, что они представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. В 1908 Резерфорду была присуждена Нобелевская премия (но не по физике, а по химии!).Планетарная модель атома тем временем все больше занимала его мысли. И вот в марте 1912 начинается дружба и сотрудничество Резерфорда с Нильсом Бором. Бор — и это явилось его величайшей научной заслугой — внес в планетарную модель Резерфорда принципиально новые черты — идею квантов. Эта идея возникла еще в начале века благодаря работам великого Макса Планка, понявшего, что для объяснения законов теплового излучения нужно допустить, что энергия уносится дискретными порциями — квантами. Идея дискретности была органически чужда всей классической физике, в частности, теории электромагнитных волн, но вскоре Альберт Эйнштейн, а затем и Артур Комптон показали, что эта квантовость проявляется и при поглощении, и при рассеянии.
Бор выдвинул «постулаты», которые на первый взгляд выглядели внутренне противоречивыми: в атоме существуют такие орбиты, двигаясь по которым электрон, вопреки законам классической электродинамики, не излучает, хотя и имеет ускорение; Бор указал правило нахождения таких стационарных орбит; кванты излучения появляются (или поглощаются ) только при переходе электрона с одной орбиты на другую, в соответствии с законом сохранения энергии. Атом Бора — Резерфорда, как его по праву начали называть, не только принес решение многих проблем, он ознаменовал прорыв в мир новых идей, что вскоре привело к радикальному пересмотру многих представлений о материи и ее движении. Работу Нильса Бора «О структуре атомов и молекул» направил в печать Резерфорд.