II. Развитие наших представлений о структуре атома

В сегодняшней лекции я попытаюсь рассказать очень кратко о развитии наших представлений о частицах, образующих атом, и его структуре.

Одной из наиболее важных частиц в атоме является электрон, и я попытаюсь прежде всего очень коротко изложить вам, как изменились наши представления об электроне за последние 40 лет. Это было в 1897г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж.Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Дж.Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первый понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в атоме. В первых же экспериментах было обнаружено, что отношение заряда к массе электрона более чем в одну или две тысячи раз превышает таковое же для водорода, легчайшего из известных атомов; одновременно было показано, что электроны в откачанной трубке могут обладать огромными скоростями, приближающимися даже к скорости света. Итак, масса электрона оставалась неизвестной, известно было лишь отношение заряда к массе, но все указывало на то, что электрон очень легок и подвижен. Скотсмен и Сазерленд в Мельбурне высказали очень интересное предположение, что этот легкий электрон, возможно, не что иное, как движущийся единичный электрический заряд, не обладающий связанной с ним материальной массой. Еще в 1881 г. Дж.Дж. Томсон показал, что сфера радиуса a, обладающая зарядом е, по-видимому, имеет дополнительную массу 2e²/3a, что соответствует тому факту, что при движении этой сферы энергия должна переходить в окружающее ее электромагнитное поле. Сазерленд отметил, что, если предположить радиус а достаточно малым, не обязательно считать, что электрон обладает вообще какой-либо "обычной" массой. Если это справедливо, то радиус электрона будет равен около 2x10^{-13 см. Это была заманчивая идея, и ученые попытались проверить ее справедливость.}

Такие теоретики, как Абрахам, Хевисайд и Сирл, здесь, в Кембридже, пытались выяснить, как кажущаяся масса, обусловленная зарядом, должна зависеть от скорости. Разные исследователи приходили к различным результатам, так как в основу клали различные начальные предположения, но при сравнительно больших скоростях результаты были примерно одинаковыми. У всех получалось, что масса должна увеличиваться со скоростью и становиться бесконечной при приближении к скорости света. Тем временем стали доступными небольшие количества радия, а поскольку он испускает электроны, движущиеся со скоростью, очень близкой к скорости света, то стало возможно провести экспериментальную проверку этих теорий.

В 1902 г. это сделал Кауфман, и полученные им результаты в пределах точности эксперимента находились в общем согласии со всеми теориями.

Эти эксперименты привлекли очень большое внимание и приводили многих к неправильному выводу, что поскольку масса электрона, видимо, полностью обусловлена его зарядом, то и вся масса не что иное, как проявление электрического заряда. Согласно этому представлению, масса атома водорода, в 1850 раз большая массы электрона, просто объяснялась тем, что этот атом содержит 1850 электронов. Однако такое положение сохранялось недолго. В 1905 г. Эйнштейн, исходя из соображений относительности, показал, что масса тела должна изменяться со скоростью и что независимо от того, заряжено или не заряжено тело, изменение массы одно и то же. Любое тело независимо от того, из чего оно состоит, должно подчиняться закону Эйнштейна, и все эксперименты, по-видимому, указывают на справедливость этого закона. Эксперименты Кауфмана согласуются как со следствиями релятивистской, так и старой электрической теорий, так что уже нельзя было больше допускать, что масса электрона полностью обусловлена его зарядом. Единственный способ определения радиуса электрона заключался в допущении, что масса электрона полностью обусловлена его зарядом, после чего использовалось приведенное выше выражение, поэтому еще раз ясно, что оценки размера электрона не существовало. Вполне вероятно, что радиус электрона порядка 10^{-13 см, и недавно Борн развил теорию, которая приводит к величине такого порядка, но рано судить о том, насколько эта теория верна.}

Нас вполне удовлетворяло в течение 10 или 15 лет представление об электроне, как о сферическом распределении заряда, возможно, с некоторой "обычной" массой. В 1925 г., однако, для объяснения некоторых неясностей в спектрах водорода и гелия Уленбек и Гоусмидт предположили, что электрон к тому же обладает магнитным моментом, и так как они понимали, что моментом должен обладать вращающийся сферический заряд, то высказали предположение о "вращающемся электроне". Вскоре после этого в 1930 г. Дирак развил общую теорию, в которой объединялись релятивизм и волновая механика, и он смог объяснить тонкую структуру спектра, не постулируя специально понятие "вращающегося электрона". Вначале это выглядело, как если бы идея "вращающегося электрона" была неверна, но потом Дирак пришел к выводу, что согласно его теории электрон ведет себя так, как будто обладает магнитным моментом, поэтому и не было нужды постулировать это отдельно. Во всяком случае, он не может себя вести иначе.

Далее интересно уделить внимание определению электронного заряда е, так как эта величина тесно связана с вычислениями атомных величин. Первые эксперименты были осуществлены Таупсендом в Кавендише в 1897 г., когда я уже был там. Он обнаружил конденсацию облачка на водороде, полученном при электролизе и пробулькивающем через воду. Оказалось, что это облачко заряжено, и Таунсенд следующим образом определил величину заряда одной капли. Вес всего облачка определялся путем осаждения его и взвешивания на весах. Средний вес каждой капли определялся измерением скорости падения облачка на основе закона Стокса. Отсюда рассчитывалось число капель. Так как суммарный заряд, переносимый облачком, тоже мог быть измерен, то оказалось возможным определить величину заряда одной капли. Этот метод не дал точного значения заряда электрона, так как многие капли были многократно заряжены, но он интересен тем, что практически включал все идеи, которые в дальнейшем применялись при точных измерениях заряда.

В 1908-1913 гг. Дж.Дж. Томсон применил метод, при котором облачко образовывалось при расширении и его вес определялся по известному коэффициенту расширения. Вильсон приложил электрическое поле, так что заряженные капли могли либо оставаться в равновесии, либо двигаться вниз или вверх. В 1908 г. Гейгер и я подсчитали число -частиц, испущенных определенным количеством радия, а затем определили общий заряд, который они перенесли. Мы получили значение 4,65x1^-10 эл.-стат. ед., значительно больше величины 3,4x10^-10 эл.-стат. ед., выведенной Томсоном, но мы не считали наш метод вполне точным.

В этой связи забавную историю однажды рассказал мне Планк. Когда он впервые выдвинул свою квантовую теорию света, люди не очень охотно ей доверяли, отчасти потому, что согласно этой теории заряд электрона должен быть равен 4,7x10^-10, тогда как общепризнанной величиной считалась 3,4x10^-10. У самого Планка вызывало сомнение это противоречие, но, когда Гейгер и я обнародовали величину 4,65x10^-10, Планк уверовал в справедливость своей теории.

Величина заряда, как вы знаете, была точно измерена Милликеном между 1910 и 1917 гг. Сейчас имеются некоторые сомнения в том, действительно ли его результаты настолько точны, как это первоначально считалось, но я не хочу здесь разбирать этот вопрос.

Теперь я перехожу к более интересному открытию последнего времени. Многие полагали, что в правильно построенной Вселенной должна быть определенная степень симметрии, и там, где имеется отрицательный электрон, должен иметься и положительный электрон такой же малой массы. Хотя положительный электрон часто искали, его не могли обнаружить до 1931 г. В том году Андерсон в Калифорнии фотографировал следы космических частиц, прошедших через туманную камеру Вильсона. Камера находилась в сильном магнитном поле, и Андерсон обнаружил, что некоторые следы искривлены в одном направлении, а другие - в противоположном, т.е. одни были следами положительных частиц, а другие - отрицательных. Полученные другие данные свидетельствовали о том, что массы обеих частиц очень малы, порядка массы электрона. Андерсону очень редко удавалось получать фотографии этих следов, однако в 1933 г. Блэкетт и Оккиалини в Кавендишской лаборатории разработали метод, при котором космические лучи, проходя через прибор, так сказать, "сами себя фотографировали". Благодаря этому методу стало возможным получать много фотографий следов положительных электронов, или "позитронов", как их теперь называют.

Блэкетт интерпретировал эти результаты на основе теории, развитой Дираком в 1931 г. В этой теории предполагалось существование положительных электронов, однако жизнь их должна быть очень короткой, ибо они соединяются с первым попавшимся отрицательным электроном, и это приводит к излучению энергии. В некотором смысле Дирак предсказал положительный электрон до его открытия, однако это предсказание не было явно высказано в теории. Как теория, так и эксперимент указывали на то, что при соответствующих условиях энергия очень коротковолнового излучения, подобная имеющейся, например, в космическом излучении, может исчезать и приводить к образованию пары электронов - одного положительного и одного отрицательного. Наиболее легко это происходит в сильном электрическом поле, окружающем тяжелые ядра, и возможно только в том случае, если квантовая энергия излучения превышает 1 Мэв, что эквивалентно массе электронной пары.

Теперь вернемся к рассмотрению вопроса об атомной структуре. В 1895 г. Ленард поставил свой известный опыт, в котором он направил электроны сквозь тонкое окно в разрядной трубке, в которой они образовались, и так стало возможным наблюдать их вне трубки. Поскольку электроны могли так легко проникать сквозь окно, он сделал вывод, что атомы окна должны иметь очень открытую структуру и между ними долиты быть сравнительно большие промежутки. Он предположил, что в атомах должны быть сферы положительного электричества, связанные как-то с отрицательными зарядами. Год или два спустя Дж.Дж. Томсон детально разработал эту мысль и подсчитал, как отрицательные электроны будут распределены в сфере положительного заряда. Он сумел объяснить таким путем основной принцип периодической таблицы.

Поскольку мои личные интересы были тесно связаны со следующей стадией развития, то я изложу ее более подробно; мне хотелось бы использовать этот пример, чтобы показать, как часто вы натыкаетесь на факты случайно. Очень давно я наблюдал рассеяние -частиц, а Гейгер в моей лаборатории подробно его изучал. Он обнаружил, что на тонких листках тяжелых металлов рассеяние обычно невелико - порядка одного градуса.

Однажды Гейгер пришел ко мне и сказал: "Не считаете ли Вы, что пора бы молодому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, начать небольшое исследование?" Я думал так же, а поэтому ответил: "Почему бы не поручить ему посмотреть, не могут ли некоторые "-частицы рассеяться на большой угол?" Скажу вам по секрету, что я не предполагал, что они так могут рассеяться, поскольку известно было, чточастицы - это очень быстрые массивные частицы, обладающие чрезвычайно большой энергией. Можно убедиться, что если большое рассеяние есть результат накопления некоторого числа малых рассеяний, то вероятность рассеяться назад для -частицы очень мала. Помню, что через 2 или 3 дня ко мне пришел страшно возбужденный Гейгер и сказал: "Нам удалось наблюдать -частицы, возвращающиеся назад". Это было самым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, и он вернулся бы назад и угодил бы в вас.

Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно быть результатом однократного столкновения, а когда я произвел расчеты, то увидел, что невозможно получить величину того же порядка, разве что вы рассматриваете систему, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в малом ядре. Вот именно тогда у меня родилось представление об атоме с малым массивным центром, несущим заряд. Я математически вычислил, какому закону должно подчиняться рассеяние, и нашел, что число частиц, рассеивающихся под данным углом, должно быть пропорционально толщине рассеивающей фольги, квадрату заряда ядра и обратно пропорционально четвертой степени скорости. Этот вывод в дальнейшем был проверен Гейгером и Марсденом в серии великолепных экспериментов.

Теперь давайте посмотрим, какие выводы можно было сделать на этом этапе. При рассмотрении вопроса о том, насколько близко к ядру может подойти -частица, чтобы рассеяться на угол 9^о, я cмoг показать, что ядро должно иметь очень малые размеры. Я также оценил величину заряда и получил, что она должна быть примерно в 100 раз больше заряда электрона е. Точной оценки сделать не было возможно, но все указывало на то, что ядро водорода должно иметь заряд е, заряд гелия 2е и т.д. Гейгер и Марсден исследовали рассеяние на различных элементах и установили, что степень рассеяния изменяется как квадрат атомного веса. Этот вывод был неточным, но вполне достаточным; он показывал, что заряд ядра приблизительно пропорционален атомному весу.

К тому времени в нашей лаборатории преобладало представление о том, что заряд и атомный номер связаны между собой, и как раз тогда Мозли начал свои знаменитые опыты с Х-лучами. Он показал, что рентгеновские спектры элементов изменяются регулярно и одинаково при переходе от одного элемента к следующему, причем все рентгеновские спектры элементов подобны, но сдвигаются по частоте при переходе от элемента к элементу. Согласно ядерной теории, рентгеновский спектр предположительно связан с движением электронов близ ядра, и экспериментальные результаты Мозли приводили к выводу, что характеристики рентгеновских спектров элементов зависят от квадрата целого числа, которое изменяется на единицу от одного элемента к следующему. Мозли предположил, что атомный номер соответствует заряду ядра, и, начиная с алюминия-13, он смог объяснить свойства рентгеновских лучей, испускаемых элементами вплоть до золота; в 1932 г. ряд этот был расширен до урана.

Эта теория сразу же показала, каких элементов недостает в периодической таблице и куда следует обратить внимание для отыскания новых элементов. Тогда стало ясно, что атомный вес, который химики считали раньше важнейшим показателем в периодической системе, должен быть заменен атомным номером и свойства всех элементов должны объясняться в зависимости от их номера. Существенный вопрос о тождественности атомного номера и заряда ядра был экспериментально проверен Чедвиком после войны.

Это ядерное представление сразу же в общем виде объясняет существование изотопов: ядерный заряд управляет расположением электронов, а оно, в свою очередь, определяет химические свойства. Таким образом, мы должны предположить, что изотопы - это вещества с тем же самым зарядом, но с другой массой ядра. Как известно, это полностью подтверждено последующими работами Астона.

Теперь мы подошли к вопросу, с которым связано имя Нильса Бора: "Как расположены электроны во внешней части атома?" Я считаю первоначальную квантовую теорию спектра, выдвинутую Бором, одной из наиболее революционных из всех когда-либо созданных в науке; и я не знаю другой теории, которая имела бы больший успех. Он был в то время в Манчестере и, твердо уверовав в ядерную структуру атома, которая выяснилась в экспериментах по рассеянию, старался понять, как надо расположить электроны, чтобы получить известные спектры атомов. Основа его успеха лежит во внесении в теорию совершенно новых идей. Он внес в наши представления идею кванта действия, а также идею, чуждую классической физике, о том, что электрон может вращаться по орбите вокруг ядра, не испуская излучения. Выдвигая теорию ядерного строения атома, я вполне отдавал себе отчет в том, что, согласно классической теории, электроны должны падать на ядро, а Бор постулировал, что по некоторым неизвестным причинам этого не происходит, и на основе такого предположения он, как вы знаете, сумел объяснить происхождение спектров. Применяя вполне разумные допущения, он шаг за шагом решил вопрос о расположении электронов во всех атомах периодической таблицы. Здесь было много трудностей, так как распределение должно было соответствовать оптическим и рентгеновским спектрам элементов, но в конце концов он сумел предложить такое расположение электронов, которое показало смысл периодического закона.

В результате дальнейших усовершенствований, главным образом внесенных самим Бором, и видоизменений, произведенных Гейзенбергом, Шредингером и Дираком, изменилась вся математическая теория и были введены идеи волновой механики. Совершенно независимо от этих дальнейших усовершенствований я рассматриваю труды Бора как величайший триумф человеческой мысли.

Чтобы осознать значение его работ, следует рассмотреть хотя бы только необычайную сложность спектров элементов и представить себе, что в течение 10 лет все основные характеристики этих спектров были поняты и объяснены, так что теперь теория оптических спектров настолько завершена, что многие считают это исчерпанным вопросом, подобно тому как это было несколько лет назад со звуком.

Теперь мы должны перейти к рассмотрению последующих идей о структуре самого ядра. В 1919 г. я показал, что при бомбардировке -частицами легкие элементы могут разрушаться с испусканием протона, т.е. ядра водорода. Поэтому мы предположили, что протон должен быть одной из структурных единиц, из которых состоят ядра других атомов, а теоретики старались объяснить свойства ядра комбинациями протонов и отрицательных электронов. Однако очень трудно объединить медленный и тяжеловесный протон с легким и подвижным электроном в таком ограниченном пространстве, как ядро, и, когда Чедвик открыл существование незаряженной частицы - нейтрона, этот вопрос нашел, по-видимому, свое теоретическое решение. Тогда стало возможным предположить, что ядра всех атомов состоят из комбинаций протонов и нейтронов, так что, например, кислород с зарядом 8 и массой 16 обладает 8 протонами и 8 нейтронами. Это была очень простая идея, значение которой состояло в том, что составляющие ядро частицы обладали одинаковой массой. Однако встал вопрос, как объяснить тот факт, что отрицательный электрон часто вылетает из ядра при радиоактивных превращениях и что положительный электрон проявляется при некоторых искусственных превращениях? В ответ на это теоретики предположили, что в ограниченном пространстве ядра, где силы взаимодействия между частицами огромны, протоны превращаются в нейтроны, и наоборот. Например, если нейтрон теряет отрицательный электрон, он переходит в протон, а если протон теряет положительный электрон, он становится нейтроном, так что в первом случае может испускаться отрицательная частица, а во втором - положительная. Электроны и позитроны не существуют в свободном состоянии в ядре, они связаны с нейтроном или протоном в зависимости от обстоятельств и могут высвобождаться при определенных условиях, когда происходят большие изменения энергии внутри ядра.

Я попытался дать общую характеристику тех основных представлений, с которых мы начали исследование этой проблемы 40 лет назад, а также того пути, по которому эти представления развивались. Я старался также показать, что никто не делает внезапных открытий. Наука продвигается вперед шаг за шагом, и труд любого человека зависит от труда его предшественников. Если до вас дошел слух о внезапном, неожиданном открытии, как говорится, гром среди ясного неба, можете быть уверены, что оно созрело в результате влияния одних людей на других, и именно это взаимное влияние открывает необычайные возможности прогресса науки. Успех ученых зависит не от идей отдельного человека, а от объединенной мудрости многих тысяч людей, размышляющих над одной и той же проблемой, и каждый вносит свою небольшую лепту в великое здание знания, которое постепенно воздвигается.