П. БЛЭКЕТТ

О достижениях Резерфорда

Эта статья написана на основе мемориальной лекции, прочитанной перед Физическим обществом в 1954 г.
Печатается с разрешения Института физики.

Мне посчастливилось в самом начале своен научной деятельности работать под руководством Резерфорда. И уже позже, когда передо мной вставали проблемы тактики и стратегии научного исследования, я зачастую задавал себе вопрос: "Что бы сделал на моем месте Резерфорд?" Поэтому я хочу сейчас коснуться некоторых моментов блестящей научной деятельности Резерфорда и сделанных им открытий, которые помогают нам решать стоящие перед нами сегодня проблемы. Такой взгляд на наследие и деятельность великого человека прошлого имеет, конечно, свои опасные стороны, поскольку условия изменились, так что необходимо внести соответствующие изменения и в тактику и в стратегию исследований. Более того. мы должны учиться не только на многочисленных успехах Резерфорда, но и на немногочисленных его ошибках.

* * *

Первый выдающийся взлет 42-летней научной деятельности Резерфорда относится к его работе в Монреале в период с 1898 по 1907 г. Общеизвестно, что в 1896 г. Беккерель открыл радиоактивность, а вскоре Мария и Пьер Кюри выделили сначала полоний, а затем радий. Резерфорд начал энергично исследовать это новое явление и за несколько лет экспериментирования и поисков развил вместе с Содди теорию радиоактивного превращения. Оказалось, что радиоактивные атомы неустойчивы и самопроизвольно преобразуются в другие атомы в течение строго определенного среднего времени жизни и испускают при этом характерные излучения.

Особенно интересно напомнить, что выделение первого вещества, показавшего характерный экспоненциальный распад с течением времени, было произведено при исследованиях, в которых па первый взгляд казалось невозможным осуществить согласующиеся измерения радиоактивности тория. Резерфорд и его сотрудники вскоре обнаружили, что величина ионизации, вызываемая ториевым источником, зависит от того, открыта или закрыта дверь их лаборатории. Вскоре было установлено, что виной тому воздушные потоки, и стало ясно, что из тория выделяется радиоактивный газ, который разносится воздухом по комнате и временами влияет на показания электроскопа. Резерфорд немедленно исследовал свойства этого газа. Он медленно пропускал этот газ по трубке и показал, что после прохождения по трубке длиной несколько сантиметров активность газа уменьшается наполовину. По известной скорости газа было выведено, что активность радиоактивного газа за минуту уменьшается наполовину от первоначальной величины.

Так был открыт Закон экспоненциального распада эманации тория. Пусть каждый молодой ученый помнит эту историю и будет очень внимателен к любым раздражающим неполадкам в работе аппаратуры; возможно, что за неполучением результатов однажды, а быть может и дважды в жизни, скрываются важные открытия.

Второй взлет научной деятельности Резерфорда относится к манчестерскому периоду с 1907 по 1919 г., когда он быстро собрал вокруг себя великолепную плеяду молодых сотрудников,- таких, как Гейгер, Марсден, Нэттол, Мозли, Чадвик, Робинсон, Андраде, Дарвин, Бор.

Неожиданное экспериментальное открытие того, что иногда a-частицы рассеиваются на большие углы, привело Резерфорда к созданию ядерной теории атома. В характерной для него манере Резерфорд говорил, что он был столь же поражен рассеянием a-частиц от тонкой золотой пластинки на угол, больший 90°, как если бы он увидел, что выпущенный из 15-дюймовой пушки снаряд отклонился листочком бумаги на угол, больший 90°. Это замечание и бесчисленные другие примеры показывают, что Резерфорд обладал чрезвычайно конкретным и очень образным мышлением, основанным на механистических представлениях. Он наглядно представлял себе a-частицы и атомы как материальные объекты, взаимодействующие, подобно взаимодействию твердых тел, согласно элементарным законам обычной динамики. Резерфорд понял, что силы, способные отклонить a-частицу на большой угол, могут возникать лишь в том случае, если положительный электрический заряд атома сконцентрирован в очень малом объеме. Таким путем он пришел к очень простой и красивой теории рассеяния a-частиц ядром, которая легла в основу ядерной теории атома. Это, пожалуй, величайшее из великих открытий Резерфорда. Вскоре после этого Нильс Бор объединил ядерную теорию Резерфорда с квантовой теорией Планка и создал прекрасную модель электронной структуры атома, носящую его имя.

Третья вершина в личных научных достижениях Резерфорда - доказательство в 1919 г., к концу манчестерского периода, что некоторые легкие атомные ядра могут расщепляться при столкновении с быстрыми a-частицами, испускаемыми радиоактивными веществами. Резерфорд вместе со своим талантливым ассистентом Кэем, используя удивительно простой прибор, показал, что a-частицы, испускаемые радием С, разрушают ядро азота, в результате чего вылетают быстрые ядра водорода. Так родилась обширная область современной физики, в которой возникли многочисленные плодотворные исследовательские проблемы для огромного числа физиков во всем мире и которая совершенно непредвиденно не дает покоя повсюду государственным деятелям.
 

П. Блэкетт (снимок 1923 г.)

В 1921 г. Резерфорд поставил передо мной задачу - попытаться использовать великолепный метод туманной камеры Вильсона для фотографирования распада азота, который он наблюдал с помощью сцинтилляций. Так как для этого требовалось получить большое число фотографий, то тем самым это означало, что камеру Вильсона необходимо было автоматизировать. Затратив три года на предварительную работу, мне удалось за несколько месяцев 1924 г. сделать около 25 тысяч фотографий, на которых видно было 400 тысяч треков a-частиц, из коих обнаружено шесть, определенно отражающих процесс атомного распада, открытый ранее Резерфордом. Новым результатом, полученным на основе этих фотографий, было то, что a-частица при таком процессе захватывается ядром азота с испусканием атома водорода, и таким образом получался новый и неизвестный дотоле изотоп кислорода ¹⁷О.

* * *

Последний подъем величественного творческого пути Резерфорда - середина кавендишского периода, в частности 1932 и 1933 гг. За эти два года мир узнал об открытии Чадвиком нейтрона и о расщеплении ядра с помощью искусственно ускоренных частиц Кокрофтом и Уолтоном. Вдохновляемые предсказанием и поддержкой Резерфорда, эти открытия были все же меньше результатом личной его работы, а больше - плоды труда его сотрудников. Инженерные масштабы таких экспериментов, как работы Кокрофта и Уолтона, для большинства физиков того времени были недостижимы. Подобно академику Капице, Кокрофт был инженером-электриком, превратившимся в физика. Работы Кокрофта и Уолтона вместе с трудами Лоуренса в Беркли положили начало Машинному веку в ядерной физике, высшими достижениями которого сегодня являются Серпухов, Брукхэйвен и Женева. С другой стороны, открытие нейтрона Чадвиком было осуществлено полностью в традициях Резерфорда и потребовало простой аппаратуры, но много вдохновения и физической интуиции. В статье Чадвика, посвященной открытию нейтрона, описываются простые, хорошо продуманные эксперименты, и она представляет собой образец ясного физического мышления.

Волнующие открытия происходили тогда и в других лабораториях. В 1932 г. Карл Андерсон в Калифорнии открыл в составе космических лучей позитрон. Используя новую автоматическую туманную камеру, Оккиалини и я подтвердили это в начале 1933 г. в Кавендише, открыв космические ливни положительных и отрицательных электронов. В 1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио открыли радиоактивность, образующуюся при бомбардировке элементов a-частицами, а Ферми - подобную радиоактивность при облучении нейтронами. Годы 1932-1934 не имеют себе равных в истории науки по этому потоку первоклассных открытий. Резерфорд скончался незадолго до совершенно неожиданного открытия в 1938 г. Ганом деления урана, которое в известном смысле явилось последним из великих открытий в собственно ядерной физике, отличающейся от физики элементарных частиц. Резерфорд не дожил до кульминационного пункта развития направления, которое фактически было областью всей его научной деятельности.

Обозревая этот удивительный перечень важных открытий, нельзя не поражаться тому, что некоторые из них не были сделаны на много лет ранее. Это особенно относится к открытию позитрона и наведенной радиоактивности. На протяжении 1919 и 1920 гг. ряд исследовителей в различных лабораториях производили измерения спектра b-частиц от радиоактивных источников, испускающих сильное g-излучение и окруженных свинцовой или платиновой фольгой. Как теперь известно, помимо отрицательных электронов, вылетающих из металла под действием g-излучения, испускается еще несколько процентов положительных электронов. Так что во многих b-спектрометрах, которые тогда использовались, должны были иметься позитроны в количестве, достаточном для их открытия. Если бы кто-нибудь поменял направление магнитного поля и сделал бы большую экспозицию, он несомненно открыл бы позитрон по крайней мере за десять лет до его фактического открытия Андерсоном.

С другой стороны, открытие наведенной радиоактивности но существу было довольно простым делом, если знать, как это сделать. Нужно было только применить сильный источник a-частиц для бомбардировки такого легкого элемента, как бор, и проверить его радиоактивность, чтобы обнаружить возникновение нового неустойчивого элемента. В случае бора это будет новый вид азота. Эти новые элементы при их самопроизвольном распаде испускают позитроны. Кокрофт считал, что это открытие не было сделано в Кавендишской лаборатории потому, что там не пользовались счетчиками Гейгера. Сам Резерфорд сосредоточил свое внимание на a-частицах и протонах, а не на b-частицах. Однако многие из его молодых коллег изучали b-активность, а все-таки пропустили открытие наведенной радиоактивности. Оглядываясь на историю этого вопроса и учитывая, что лично Резерфорд был первым, кто применил технику подсчета a-частиц, и принимая во внимание огромное число всякого рода экспериментов по радиоактивности, осуществлявшихся под руководством самого Резерфорда, и что, более того, некоторые из его учеников осуществляли поиски наведенной радиоактивности, - все более и более удивляешься, что это открытие было сделано лишь в 1934 г. Современным исследователям из этих двух случаев нужно извлечь урок, что не следует предполагать, что все очевидные эксперименты уже осуществлены, и помнить, что их предшественники могли и пропустить какие-то удивительные явления.

Увлеченность и страстный интерес Резерфорда к ядру приводили его иногда к отрицанию важности и значения других отраслей физики и тем более других наук. Хотя это пренебрежение было скорее шутливым, чем серьезным, престиж Резерфорда был столь высок, что даже шутка в его устах могла переродиться в представлении некоторых людей в догму. Не только молодых физиков обескураживало его знаменитое изречение "Все науки - это либо физика, либо коллекционирование марок" или же часто высказывавшееся предположение о том, что необходим совсем незначительный прогресс физики, после чего можно будет из фундаментальных законов физики вывести факты и законы "меньших" наук, таких, как химия! Резерфорд несомненно был бы солидарен с иерархией наук Конта, в которой физика расположена во главе, а каждая следующая наука в принципе является производной от расположенной перед ней. Однако какая бы "философская истина" ни была заложена в основе этой схемы, ограниченность расчетов, даже с учетом электронных машин будущего, оставит различные науки в сильной степени автономными в своих областях.

Резерфорд был, конечно, прав, полагая, что в те годы ядерная физика была одной из главнейших, если даже не самой главной областью физики. Я думаю, что он себе не представлял так ясно, как мог бы себе представить (несмотря на дружбу и восхищение Нильсом Бором), что это явилось следствием изучения электронной структуры атома, в которой проявились новые законы квантовой и волновой теорий, ставшие неотъемлемым средством для понимания природы ядра. Объяснение феноменологической теории радиоактивного распада Резерфорда, имевшей двадцатилетнюю давность, возникло тогда, когда Гамов и Гарни независимо применили к ядру новые принципы волновой механики, вытекающие из изучения оболочки атомов и их взаимодействия с излучением.

Теперь нам понятно, что непосредственное изучение самого ядра вследствие свойственной ему сложности и экспериментальных трудностей не могло привести тогда, да и едва ли привело бы сейчас, к необходимому изменению методов нашего физического мышления. Это должно было вытекать из более простой и экспериментально более доступной электронной структуры атомов.

Многие писали об удивительном чутье Резерфорда как в постановке экспериментов, так и в правильном толковании полученных результатов. Казалось, он всегда знал заранее верный ответ. Он обладал не только способностью образно представить себе поведение атомных частиц, но прекрасно знал еще порядки величин физических характеристик. Резерфорд отлично считал в уме и всегда знал порядок значений соответствующих величин. Но в целом он не любил абстрактной физики.

Хорошо известен эпизод, относящийся к 1910 г., когда профессор Вилли Винн объяснял Резерфорду, что Ньютон был неправ в вопросе об относительной скорости, которая не является векторной суммой двух скоростей U+V, а, согласно Эйнштейну, ее нужно разделить на 1+UV/c².

Винн добавил: "Но англосаксы не в состоянии понять относительность".

"Нет, - засмеялся Резерфорд, - у них слишком много здравого смысла".

Годом позже он писал:

"Я был чрезвычайна удивлен в Брюсселе тем. что континентальных ученых, по-видимому, ничуть не привлекает формирование физического представления для обоснования теории Планка. Их вполне удовлетворяет объяснение всего на свете на основе некоторых предположений и не волнует истинная природа явления. И я думаю, что английская точка зрения более физична и более предпочтительна".

Последующее развитие квантовой теории и волновой механики лежало в стороне от круга интересов Резерфорда, если только при этом не выдвигались новые экспериментальные задачи. Но очень быстро он схватывал самое существо некоторых новых теорий. В 1913 г. он писал Бору:

"Ваши идеи относительно происхождения спектра водорода весьма изобретательны и, по-видимому, разработаны очень хорошо; однако смешивание идей Планка со старой механикой чрезвычайно затрудняет понимание физических основ всего этого. Кроме того, в Вашей гипотезе, по-моему, имеется одна серьезная трудность, которую, несомненно, Вы и сами понимаете, а именно: как электрон выбирает ту частоту, с которой он собирается колебаться при переходе из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, что Вы должны предположить при этом, что электрон знает заранее, где он остановится".

Здесь Резерфорд, конечно, правильно указывает на один из наиболее важных моментов новой квантовой теории.

Значительно позже, уже в Кембридже, он шутливо отозвался о теоретиках:

"Они манипулируют своими символами, а мы в Кавендише выясняем реальные факты природы".

Часто отмечалось, что Резерфорд очень редко применял математику, но когда он обращался к математике, то всегда с большим успехом. Теория экспоненциального распада и ее разработка в раннем периоде деятельности Резерфорда были очень изящны и совсем не столь очевидны, как это представляется теперь. Конечно, наибольшим успехом приложения математики было использование им ньютоновских законов движения по гиперболическим орбитам к рассеянию a-частиц.

Я полагаю, что будет справедливо сказать, что Резерфорд намеренно выбирал такие области исследования, для истолкования которых не требовалось привлечения математического аппарата, и он блестяще преуспевал в нахождении таких областей. И, несмотря на необычайно большое развитие теоретической физики за последнпе десятилетия, и сейчас еще осталось много таких областей для исследования. На ранней стадии физики новых нестабильных элементарных частиц Резерфорд чувствовал бы себя в своей стихии.