Основная идея эксперимента Резерфорда состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы судить о строении атома. Модель «пудинга с изюмом» не допускала существования в атоме столь плотных элементов структуры, которые могли бы отклонять быстрые и тяжелые альфа-частицы на значительные углы. Каково же было удивление Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на огромные углы, вплоть до 180°, то есть отскакивают назад! Он был вынужден заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре, а вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной. Из поведения рассеянных альфа-частиц следовало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал «ядрами», сосредоточен и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.
Годы спустя Эрнест Резерфорд любил приводить по поводу своего открытия такую аналогию. В одной южноафриканской стране таможню предупредили, что через границу собираются провезти крупную партию контрабандного оружия для повстанцев, причем оно будет спрятано в тюках с хлопком. И вот перед таможенником после разгрузки предстает целый склад, забитый тюками с хлопком. Как ему определить, в каких именно тюках находятся винтовки? Таможенник решил задачу просто: он стал стрелять по тюкам из револьвера, и, если пули рикошетили от какого-либо тюка, он по этому признаку выявлял наличие контрабандного оружия. Так и физик, увидев, как альфа-частицы «отскакивают» от золотой фольги, понял, что внутри ее атомов скрыта гораздо более плотная структура, чем считалось ранее.
В 1911 году Резерфорд опубликовал результаты своего эксперимента и предложил вниманию коллег модель атома, которой мы пользуемся по сей день. Согласно его выкладкам, почти вся масса атома сконцентрирована в очень небольшом ядре, расположенном в самом центре. Диаметр ядра составляет всего лишь одну десятитысячную от диаметра атома. Вся оставшаяся часть атома представляет собой облако из легких электронов, которые вращаются вокруг центра. Ядра атомов несут положительный заряд и уравновешиваются отрицательно заряженными электронами. С точки зрения Резерфорда, альфа-частицы – это и есть «чистые ядра». Поскольку новая модель атома походила по своей структуре на Солнечную систему, она получила название «планетарная модель».
Теперь предстояло выяснить, из чего состоит ядро атома. Бомбардируя электронами нейтральные атомы водорода, ученый обнаружил, что они превратились в положительно заряженные. Но было уже известно, что атомы водорода имеют один электрон и один положительный заряд в центре. Значит, решил Резерфорд, этот положительный заряд и является ядром атома водорода. Он назвал частицу, несущую положительный заряд, «протоном» (от греческого слова «первый» или «основной»). Очередное открытие состоялось в 1914 году, через три года после создания «планетарной модели» и спустя семнадцать лет после открытия Томсоном первой элементарной частицы, входящей в состав атома. Теперь их стало две – электрон и протон.
Когда Резерфорд определил массу протона, то оказалось, что он неимоверно тяжел. Разумеется, по отношению к другой элементарной частице – электрону. Масса протона примерно в 1840 раз больше массы электрона. В то же время заряды у них равны, то есть отрицательный заряд маленького электрона полностью нейтрализует положительный заряд протона.
В 1919 году Эрнест Резерфорд сделал еще одно открытие, которое смело может считаться триумфом его научной деятельности. Он осуществил фантастическую мечту средневековых алхимиков о превращении одних элементов в другие: из азота получил кислород!
Открытие протона во многом прояснило картину строения атома и расположения элементов в периодической таблице, придуманной и описанной Дмитрием Ивановичем Менделеевым в марте 1869 года. Через много лет после этого, в 1915 году, Генри Мозли, который был одним из многочисленных учеников Резерфорда, установил, что числу положительных зарядов в ядре (то есть числу протонов) соответствует порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Водород имеет один протон в ядре – он и стоит на первом месте в таблице. Уран стоит в таблице на 92-м месте – значит, он имеет 92 протона. Таким образом, числом протонов в ядре однозначно определяется, какой это элемент.
Получается, рассуждал Резерфорд, что если каким-либо способом изменить число протонов в ядре, то один элемент превратится в другой. Но как его изменить? Нужен некий снаряд, который ударит по ядру и отколет от него протон. В то время такими снарядами могли быть только альфа-частицы, испускаемые радием, – их скорость составляет 19 200 км/с. Можно было надеяться, что некоторые из альфа-частиц проникнут внутрь атомов азота и столкнутся с его ядром. В результате изменится число протонов в ядре.
Резерфорд так и сделал. После тщательных опытов он установил, что при обстреле альфа-частицами атомов азота число протонов в их ядрах изменяется на единицу. Новый получившийся элемент был кислородом – элементом, стоящим в таблице Менделеева в соседней клетке с азотом. Предположение Резерфорда блестяще подтвердилось.
Понятно, что эксперимент произвел сенсацию. Впервые в истории человек превратил один элемент в другой. В течение нескольких лет Резерфорд таким же путем осуществил искусственное превращение семнадцати других элементов, среди которых были бор, фтор, натрий, алюминий, литий, фосфор. Неслучайно впоследствии одну из своих лекций Резерфорд назвал «Современная алхимия».
Оружие будущего
Надо сказать, что в то же самое время состоялось еще одно фундаментальное открытие, которое потрясло мир. В 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал три статьи, утверждающие «специальную теорию относительности». В рамках этой теории Эйнштейн вывел формулу эквивалентности массы и энергии: E = mc2. Она поразила всех своей простотой и изяществом, но, главное, позволяла легко вычислить, какое количество энергии содержится в любом объеме вещества. И это количество оказалось огромным, ведь в формуле под обозначением с присутствует скорость света, да еще и в квадрате!
Открытие и выделение новых радиоэлементов супругами Кюри, формула Эйнштейна, опыты Резерфорда – всё это в совокупности давало надежду, что вскоре человечество овладеет колоссальной энергией, которую можно будет черпать повсюду, непосредственно из глубин окружающей материи.
Ученые практически сразу осознали как позитивные перспективы, так и угрозы, исходящие от очередного шага в постижении тайн атома. Еще до публикации теории Эйнштейна, в сентябре 1904 года, на Всемирной выставке в американском Сент-Луисе, Эрнест Резерфорд, выступая с докладом, заявил, что энергия атома может быть использована для разрушения. Он полагал, что если найдется подходящий «детонатор», то можно будет запустить самоподдерживающийся процесс распада вещества, который будет продолжаться до тех пор, пока Земля не превратится в «гелиевые отходы».
Подобные мысли можно встретить и у других физиков начала ХХ века. Они, конечно, ошибались, описывая возможность глобального распада, но в остальном были правы: высвобождение внутриатомной энергии могло стать благом, а могло – бедствием.
