«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010—2014 гг. и в №№ 1, 4—7, 2015 г.
Вечером перед сном Дзинтара, как всегда, открыла книгу и прочитала детям первую фразу новой сказки:
— История атомной физики сложилась бы иначе, не будь в Шотландии так мало пахотных земель.
— Ты уверена, что в этой фразе нет ошибки? — осторожно спросила Галатея. — Может, в ней случайно сошлись два предложения из разных историй?
— Сейчас увидим, — проговорила озадаченная Дзинтара и продолжила чтение.
— Из-за нехватки сельскохозяйственной земли в Шотландии британское правительство стало раздавать безземельным фермерам бесплатные билеты на пароходы, отправлявшие-ся в отдалённые и малонаселённые английские колонии, где бедняки могли получить собственный участок. Семейству Резерфордов достался билет не в Канаду, как многим другим, более удачливым фермерам, а гораздо дальше — в Новую Зеландию. Там глава семейства Джеймс стал заниматься выращиванием льна. У него было 12 детей. Четвёртого ребёнка звали Эрнест. Мальчик отличался прекрасной памятью, богатырской силой и здоровьем. Живя, можно сказать, на краю света, он увлёкся наукой и захотел переехать в Англию, где фермерам приходилось туго, а учёным было полное раздолье.
Сильное желание — главная составляющая успеха. Эрнест прекрасно закончил школу и получил стипендию для обучения в лучшем в Новой Зеландии Кентербери-колледже в Крайстчёрче. В те времена в нём насчитывалось всего 150 студентов и 7 профессоров. Сейчас это новозеландский университет.
В 21 год Эрнест закончил колледж, защитив магистерскую работу по радиоволнам, открытым несколькими годами ранее немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. Для регистрации волн новозеландский магистр придумал радиоприёмник нового типа, основанный на намагничивании железа при высокочастотном разряде. Но мечта об Англии пока оставалась мечтой.
— И что дальше? — спросил нетерпеливо Андрей.
— Эрнест подал заявку на стипендию, которая позволяла учиться в Англии. Такую стипендию — одну на всю Новую Зеландию — давали раз в два года. Ожидая ответа, Резерфорд устроился на работу учителем в среднюю школу. К сожалению, стипендию дали другому. Но случилось неожиданное — тот отказался от стипендии и остался в Новой Зеландии. А в Англию поехал Резерфорд. Он прибыл в Кембриджский университет, поступил на работу в Кавендишскую лабораторию и стал аспирантом знаменитого физика Джозефа Джона Томсона.
— Чем же он знаменит? — поинтересовалась Галатея.
— Томсон был директором прославленной Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Он исследовал катодные лучи и доказал, что вне зависимости от материала катода они состоят из одинаковых частиц с одним и тем же отношением заряда к массе. Это отношение Томсон измерил по отклонению траекторий частиц в электрическом и магнитном полях. Таким образом, Томсон стал открывателем электронов — мелких заряженных частиц материи. В 1906 году он получил за это Нобелевскую премию. Другой известный физик, нобелевский лауреат 1905 года Филипп Эдуард Антон фон Ленард тоже исследовал катодные лучи и был близок к доказательству того, что они состоят из частиц, но упустил право называться открывателем электронов.
— Он и с рентгеновскими лучами опоздал! — напомнил Андрей.
— Да, Ленарду хронически не везло, все самые яркие открытия, связанные с катодными лучами, уплыли из его рук.
Томсон не только открыл электроны, но и предположил, что они входят в состав любого вещества, то есть являются частичками атома. До него учёные рассматривали атомы как нечто целое и неделимое, а Томсон первым сделал попытку создать более детальную модель атома, которая включала бы отдельные частицы — электроны. Но электроны, заряженные отрицательно, отталкиваются друг от друга. Значит, их взаимное отталкивание должно компенсироваться присутствием материи с положительным зарядом, чтобы атом в целом был нейтральным. Томсон выдвинул следующую гипотезу: атом — это массивное облако положительно заряженной материи, в котором, как изюм в пудинге, находятся лёгкие отрицательные электроны. Эту модель стали называть «пудинговая модель атома».
Таково было состояние дел в атомной физике, в частности в Англии, когда туда приехал крепкий новозеландский парень, сын фермера Эрнест Резерфорд. Одной из первых его работ было открытие лучей нового типа. В 1898 году, используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд доказал, что в этом излучении присутствуют сразу два вида частиц: положительно заряженные массивные альфа-частицы и отрицательно заряженные лёгкие бета-частицы. Они по-разному реагируют на магнитное поле, отклоняясь в разных направлениях.
— Что это за частицы? — спросила Галатея.
— Бета-частицы — те самые электроны, которые открыл Томсон; альфа-частицы — ядра гелия, они в тысячи раз тяжелее электронов. Через год французский физик Поль Вийяр показал, что есть ещё и нейтрально заряженные частицы, не отклоняющиеся в магнитном поле, — их назвали гамма-лучами. Это электромагнитное излучение, только ещё более коротковолновое, чем рентгеновские лучи.
Работа молодого Резерфорда была очень успешной, но попасть в круг английских профессоров ему не удалось. Осенью 1898 года он получил предложение занять место профессора в Монреальском университете в Канаде. Там он познакомился с младшим лаборантом Фредериком Содди. За пять лет совместной работы они создали теорию радиоактивного распада. Молодые исследователи опровергли мнение о том, что атомы неделимы и неизменны. Они заявили: «В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества».
В 1910 году, через несколько лет после этих открытий, младший лаборант Содди стал академиком и членом Королевского общества, а позже, в 1921-м, — нобелевским лауреатом.
— Вот как помогла ему дружба с сыном новозеландского фермера! — засмеялась Галатея.
— Эрнест Резерфорд тоже приобрёл широкую известность. В 1903 году его выбрали в академики. После восьми с лишним лет работы он покинул Канаду и вернулся в Англию. Весной 1907 года Резерфорд получил должность профессора в Манчестерском университете с окладом в два с половиной раза больше, чем в Канаде. В следующем году ему присудили Нобелевскую премию «за проведённые им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Узнав о награждении, новоиспечённый лауреат произнёс ставшие крылатыми слова: «Вся наука — или физика, или коллекционирование марок».
В Манчестерском университете Резерфорд создал новую лабораторию, которая затмила результатами своей работы Кавендишскую. Ученик Резерфорда, физик из России Пётр Леонидович Капица дал Резерфорду прозвище Крокодил. «Это животное никогда не поворачивает назад, — объяснил он, — и потому может символизировать резерфордовскую проницательность и его стремительное продвижение вперёд».
Главное открытие Резерфорд сделал вскоре после присуждения ему Нобелевской премии. По его предложению в 1908 году физики Ханс Вильгельм Гейгер и Эрнест Марсден стали изучать процессы рассеяния альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Они получили загадочный результат: примерно десять тысяч альфа-частиц пролетали сквозь фольгу, лишь слегка отклоняясь от своего пути, зато одна из этих десяти тысяч частиц отклонялась очень сильно, а иногда даже летела назад.
— И как это объяснить? — спросила Галатея.
— Как вы помните, согласно Томсону, атом представлял собой рыхлое положительно заряженное облако с вкраплениями электронов. Электроны весили в семь тысяч раз меньше, чем альфа-частицы, и никак не могли отклонить их назад. Эрнест Резерфорд писал про отражение назад альфа-частиц: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар». Томсон не был обескуражен этим результатом, — он полагал, что большое количество мелких отклонений может, суммируясь, развернуть некоторые альфа-частицы назад. Но он не подкрепил свою догадку расчётами, и это не удовлетворило дотошного и упрямого Резерфорда.
В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил планетарную модель атома, в центре которой находилось массивное положительное ядро, а вокруг — как кольца Сатурна — кружились электроны.
Резерфорд долго размышлял над результатами Гейгера и Марсдена и в 1911 году создал собственную планетарную модель атома, в которой крошечное положительное ядро было в десять тысяч раз меньше самого атома, но благодаря своей массе и сильному электрическому полю могло развернуть назад быстро летящие альфа-частицы.
— Это верно и для чёрных дыр, и для атомных ядер! — просиял Андрей. — Ведь чем меньше радиус, тем сильнее поле. Только поля у них разные: у чёрных дыр — гравитационные, а у атомных ядер — электрические.
— Молодец, Андрей! — в свою очередь обрадовалась Дзинтара. — Быстро соображаешь!
Галатея недовольно покосилась на брата.
— Не перебивай!
— Ничего, — успокоила её Дзинтара, — это же интересно — по ходу сказки обсуждать самые важные моменты. Итак, Резерфорд предложил свою модель атома — и был ею очень доволен. «Теперь я знаю, как выглядит атом!» — говорил он. В то же время он рассматривал её как рабочую модель, которая помогает объяснить интересные эксперименты, но ещё далека до совершенства. И тут среди учеников Резерфорда появился человек, который принял эту модель всерьёз, но это уже новая история. А сегодня пора спать.
И Дзинтара закрыла книгу, несмотря на протестующие возгласы детей.
***
Хантаро Нагаока (1865—1950) — японский физик. В 1904 году предложил первую планетарную модель атома с массивным положительным ядром и кружащимися вокруг него отрицательными электронами.
Эрнест Резерфорд (1871—1937) — британский физик родом из Новой Зеландии. Лауреат Нобелевской премии по химии за 1908 год. Экспериментально доказал наличие крошечного плотного и тяжёлого ядра внутри сравнительно большого и почти пустого (в остальных областях) атома. Создатель известной школы физики: 12 учеников Резерфорда стали нобелевскими лауреатами.
Фредерик Содди (1877—1956) — английский радиохимик, член Лондонского королевского общества, лауреат Нобелевской премии по химии 1921 года. Вместе с Резерфордом работал над созданием теории радиоактивного распада.
Джозеф Джон Томсон (1856—1940) — английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года, президент Лондонского королевского общества и Лондонского общества физиков, директор Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где под его руководством работал Эрнест Резерфорд.
***
Уточнение
(См. статью Ник. Горькавого «Сказка о философском камне и гувернантке, получившей две Нобелевские премии» в № 6, 2015 г.)
Первое предположение о существовании неизвестных радиоактивных элементов было опубликовано в «Докладах академии наук» по материалам заседания от 12 апреля 1898 года. Их поиском занимались супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. Исследовав радиоактивные свойства урана, Мария начала изучать радиоактивность различных руд. Она обнаружила, что некоторые из них излучают гораздо интенсивнее, чем другие, и сделала смелое предположение: в руде содержится вещество, радиоактивность которого во много раз превышает радиоактивность урана. Супруги разделили руду на несколько химических фракций и стали отдельно измерять их радиоактивность. Оказалось, что высокой активностью обладают не одна, а две фракции. Это означало, что радиоактивных элементов тоже два. Об открытии первого из них — полония — Пьер и Мария заявили в июле 1898 года. А 26 декабря того же года на очередном заседании Академии наук вместе с сотрудником их лаборатории химиком Ж. Бемоном они сообщили, что обнаружили второе из разыскиваемых веществ, содержащее новый радиоактивный элемент. Ему дали название «радий».
0
210.00
