Н.А. Шилов
Лаборатория профессора Резерфорда
(Письмо из Манчестера)

Это письмо было опубликовано в качестве заметки в журнале "Природа", № 7-8 за 1914 г.

Лаборатория Резерфорда в Манчестере - один из самых главных центров исследования радиоактивности. Отсюда выходит в последнее время целый ряд работ о строении атома. Самому Резерфорду принадлежит теория распада атомов радиоактивных элементов, она теперь принята без возражений и заслужила автору Нобелевскую премию. Все это дает мне право поделиться с читателями впечатлениями о научной жизни в лаборатории Резерфорда.

Предварительно несколько слов о самом Манчестере, его Университете и студенческой жизни вообще. Манчестер - крупный фабричный центр, типичный промышленный город Англии, черный от копоти и смрада, скучный, грязный и шумный в деловом квартале и только несколько более уютный на окраинах. Туда бегут жители, и там они живут в узких двухэтажных домиках, как две капли воды похожих друг на друга, вплотную примыкающих один к другому, по одной квартире в каждом, с маленьким палисадничком по фасаду и с неизбежным тройным окном, выступающим вперед. Жилые кварталы отделены от центра города более или менее обширными парками с чахлыми, закопченными деревьями. Это, впрочем, мало помогает - и здесь чувствуется близость Манчестера. С непривычки трудно дышать, постоянно першит в горле, а в воздухе висит черный дым, заслоняющий солнце даже в те редкие дни, когда оно выглядывает из-за сплошных тяжелых туч.

Манчестерский университет, так называемый Оуэнс-колледж, был основан в 1845 г. на средства, пожертвованные Оуэнсом, и считался сначала отделением Университета Виктория (два других отделения - в Ливерпуле и Лидсе). С 1903 г. он признан самостоятельным научным центром, имеет хорошую библиотеку, естественно-исторический музей и ряд лабораторий. Все это помещается в красивом здании, строго выдержанном в специфически английском, условно готическом стиле,

Жизнь английского студента и характер преподавания резко отличаются от университетской жизни на континенте. В Англии к студенту относятся немного по школьному, лекции походят на уроки, занятия поставлены мало самостоятельно, существуют репетиции. Сообразно с этим и общий уклад жизни носит характер некоторой патриархальности и строгости. Даже внешние формы студенческой жизни очень характерны. Так, например, в определенный час (между часом и двумя) в университетской столовой собираются на обед не только студенты, но и большинство профессоров и преподавателей, которые потом за чашкой чая и трубкой дебатируют самые разнообразные вопросы политики, науки и жизни.

Распорядок занятий строго регламентирован по часам. Рано начинается академическая жизнь, но зато в 6 часов заканчиваются лекции и работы во всех аудиториях и лабораториях, и студенческая жизнь замирает, запирается даже калитка в университетской решетке.

Среди студентов много женщин, и нельзя не отметить, по крайней мере по беглому внешнему впечатлению, очень простого и спокойного, чисто товарищеского отношения между студентами и студентками. Нет и тени того недружелюбного отношения, которое можно было так часто наблюдать в Германии. То же надо сказать и об отношении к иностранцам, которых, впрочем, здесь немного.

Несмотря на строгий режим, здесь нет, однако, никакой канцелярской волокиты. Если вы хотите заниматься по специальному вопросу, то, не требуя никакого диплома, вас записывают в качестве студента-исследователя; в течение семестра, продолжающегося 4 месяца, вы платите около 40 рублей и без всяких формальностей тотчас приступаете к делу. В жизни простого студента много условных внешних форм, пережитков старых традиций. Но это не стесняет студента, точно так же, как вообще в английской жизни уживается величайшая свобода личности с чисто средневековыми формами и традициями. Чтобы наблюдать такой контраст жизни у студенчества, надо видеть здешний университетский акт, когда провозглашают вновь достигнутые степени и приветствуют лиц, их получивших.

Торжественная обстановка строгого актового зала, выдержанного в стиле капеллы, с органом и стрельчатыми расписными окнами. Под звуки органа важно движутся кандидаты в черных тогах, отороченных разноцветным шелком и опушенных горностаем, в средневековых беретах и шапочках. Еще более важно выступают за ними профессора в ярких, цветных шелковых тогах. Потом несут какие-то золоченые жезлы и величественно шествует проректор (ректором числится кто-нибудь из сильных мира и обыкновенно не появляется) в мантии, с цепью. Он занимает трон в середине эстрады, приветствует собрание и произносит несколько высокопарных слов; затем следуют приветствия некоторых профессоров и рукопожатия поочередно всем кандидатам.

Торжественно и театрально; в зале приподнятое настроение. А на хорах университетская молодежь. Она любит свой университет и своих профессоров. Гордится ими, пожалуй, не менее, чем своим футбольным чемпионом. Любит своих товарищей, которых собралась приветствовать. Любит самую эту церемонию и заранее с бою берет места, но ведет себя, как самая отчаянная галерка. Каждое неудачное слово, каждый промах, нескладное движение или просто неуклюжая манера или фигура лица, выходящего на эстраду, тотчас отмечается и подчеркивается градом громких шуток, острот или метким звукоподражанием. Галерка подсвистывает, улюлюкает и гогочет, как блаженной памяти бурса.

Невольно вспоминается шекспировская шутка: грубоватая и тяжеловатая, большей частью чисто внешняя и потому в сущности безобидная и незлобивая. Когда с невольной улыбкой наблюдаешь эту студенческую галерку, из которой выходят Томсоны, Резерфорды и Круксы, то вспоминается, что в одной голове зародился тип Лира и Фальстафа, что одна страна дала культуре Ньютона и футбол и создала понятие "джентльмен" и "хулиган".

Лаборатория Резерфорда помещается в отдельном здании внутри двора. Ни снаружи, ни внутри она не отличается роскошью. Приборы - самые простые. Многое приходится налаживать или мастерить самому - в этом, конечно, большая польза. Все дается работающим бесплатно. Единственное материальное богатство лаборатории - это раствор полуграмма радиевой соли (для получения эманации) и значительный запас мезотория, радиотория и актиния.

Занятия ведутся в двух направлениях: чисто научные специальные темы разрабатываются под руководством самого Резерфорда, который принимает в них самое деятельное участие. Приятно видеть, как он увлекается и ничего не видит и не слышит вокруг себя, когда поглощен какой-нибудь научной мыслью или научной беседой с учеником.

Кроме чисто научных работ, в лаборатории поставлены практические занятия для изучения главнейших методов и вопросов радиологии. Этот практикум ведется под руководством энергичного, неутомимого Марсдена - ассистента Резерфорда.

Практикум задуман и поставлен образцово. Постепенно в течение 5-6 недель изучаются:

1) методы радиологических измерений (электроскопы для a-, b- и g-лучей, эманационный электроскоп, электрометр, счет сцинтилляций на люминесцирующем экране);

2) свойства a-, b- и g-лучей (поглощение их в веществе, пробег a-частиц, вторичные лучи);

3) методы отделения радиоактивных веществ (электрохимический метод, чисто химические способы, радиоактивная "отдача");

4) характеристика отдельных радиоактивных элементов, их распада и новообразования. Эта последняя группа работ особенно интересна.

Много раз приходится, конечно, читать о различных радиоактивных продуктах и о более или менее мимолетном их существовании. Но надо самому промерить и проделать опыты, чтобы получить реальное представление об эфемерных элементах: то, что иногда казалось чуть ли не научной мечтой, становится живым образом. Для примера приведу получение ThD (тория D) - эфемерного элемента из третьей группы периодической системы (дальнего родича алюминия); это последний радиоактивный член в семье элементов ряда тория. Природа не наделила его долговечностью; все его существование длится около десятка минут, но за это время его легко удается отделить и следить в электроскопе за его жизнью и смертью до последнего вздоха последнего атома. Как легкая мечта зарождается и исчезает он на глазах наблюдателя. Нельзя не испытывать научного волнения от красоты самого явления и красоты опыта. Не менее, впрочем, интересны и другие опыты изучения жизни целого ряда радиоактивных элементов из ряда тория и актиния - этого мира вечной смены и вечных превращений. И чем особенно приходится поражаться на каждом шагу - это простотой и изяществом методов исследования и получения. Как бы ни были увлекательны практические занятия, но они являются, конечно, повторением известных фактов. Гораздо важнее научные работы, которые ведутся специалистами и ассистентами Резерфорда под его личным руководством. Всего специально работающих в лаборатории около 12 человек (из них трое русских), и темы большей частью очень интересны.

Резерфорд в настоящее время поглощен мыслями о внутреннем строении атома и подходит к этому вопросу с разных сторон. С его точки зрения, атом представляет собой центральное ядро, состоящее из положительных и отрицательных зарядов или электронов. Вокруг этого ядра в определенной плоскости, наподобие колец Сатурна, расположены и движутся отдельные отрицательные электроны (их, вообще говоря, немного). Атомные ядра различны у различных элементов. Ядро атома водорода состоит, вероятно, из одного положительного электрона, и простое соображение приводит к выводу, что размеры этого ядра, т.е. вообще положительного электрона, должны быть в тысячи раз меньше отрицательного электрона.

Атом водорода, кроме ядра, должен заключать один отрицательный электрон. Этот последний настолько удален от ядра, как спутники от планеты, а потому размеры атома опять-таки в тысячи раз больше, чем размеры отрицательного электрона. Атом гелия в четыре раза тяжелее атома водорода, он состоит, вероятно, из 4 положительных и 2 отрицательных электронов - спутников. Атомы более тяжелых элементов должны нести в себе еще более сложные ядра, состоящие из целой системы положительных и отрицательных электронов.

Такая "нуклеарная" теория строения атомов вылилась, как известно, под влиянием исследования прохождения a-частиц через атомы различных веществ и их рассеяния при этом. (Рассеяние и отражение a-частиц возможно лить при столкновении с тяжелым внутренним ядром. Оно было бы немыслимо, если бы атом представлял собой равномерное распределение массы во всем объеме.) Интересно было слышать от Резерфорда на одной из его лекций о том, как впервые зародилась у него мысль о существовании атомного ядра, когда он наблюдал, что некоторые a-частицы вместо того, чтобы пронизывать тонкий металлический листок, возвращаются обратно. "Это поразило меня так же, - говорит Резерфорд, - как если бы, стреляя в картонный круг, я наблюдал бы, что некоторые пули отскакивают от него и возвращаются обратно".

Нуклеарная теория строения атома неизбежно ведет к представлению о том, что свойства атомов должны зависеть главным образом от строения внутреннего ядра и от числа электронов в нем. Отсюда вытекают работы, инспирированные Резерфордом, над изменением спектра Х-лучей металлов в зависимости от числа зарядов в ядре их атомов (такова законченная уже работа Мозли); сюда же относятся работы, касающиеся сходства химических признаков элементов при сходстве внутреннего ядра, - мысли, аналогичные с мыслями Фаянса и Содди о положении радиоактивных элементов в периодической системе.

В применении к радиоактивным процессам нуклеарная теория приводит к выводу, что при этого рода процессах нарушается целость внутреннего ядра, причем выбрасываются с громадной скоростью отрицательные электроны, (b-частицы и целые сложные системы, ядра атомов гелия - a-частицы. Почему же не выбрасываются отдельные положительные электроны - ядра атомов водорода? Вопрос этот служит исходной точкой исследований, обещающих много интересного.

Разработка этого вопроса натолкнула, между прочим, на интересные наблюдения над столкновением a-частиц с более легкими атомами водорода. При ударе тяжелого ядра в более легкое, это последнее должно отлететь с большой скоростью, то же наблюдается при полете a-частиц через вещество, содержащее водород, например через пленку парафина или через газообразный водород, атомы которого частью получают скорость в направлении движения a-частиц, если a-частица ударила в самое сердце водородного атома. Этот вопрос разработан теоретически ассистентом Резерфорда Дарвином - внуком знаменитого биолога - и экспериментально изучен Марсденом.

Цикл интересных работ сделан другим ассистентом Резерфорда - Андраде. Им измерены длины волн мягких и жестких g-лучей радиоактивных веществ, что представляет громадный интерес в связи с новейшими работами Брэгга по вопросу об отражении Х-лучей - работами, открывающими не только природу этих таинственных лучей, но позволяющими заглянуть в самые тайники кристаллов и судить о расположении в них стройных рядов атомов. В работе Андраде поражает остроумие и простота примененных методов и приборов. Не верится, что с такими простыми средствами можно заглянуть в самые недра вещества.

Вопросу о g- и Х-лучах посвящено несколько других работ, еще не законченных. В противоположность лучам обыкновенного света, которые зарождаются во внешних кольцах электронов, g-лучи, как и Х-лучи, возникают, вероятно, в самых глубоких кольцах вблизи атомного ядра. Поэтому их поглощение п веществах, их длины волн и другие признаки являются атомными свойствами, не зависящими от характера соединения, от строения молекулы. Это позволяег видеть в g- и Х-лучах одно из возможных средств изучить внутренние области атома, и в этом интерес их исследования.

Вот самый беглый очерк научной жизни в лаборатории Резерфорда. Я не касаюсь, конечно, многих весьма интересных работ, имеющих эпизодический характер. Не касаюсь также тех манипуляций, которые здесь вошли в обиход. Таково, например, собиранпе эманации радия и продуктов ее дальнейшего распада. Собирание это производится в знаменитых "трубочках a-лучей", при помощи которых Резерфорд и Гейгер впервые доказали образование гелия из a-частиц. Это тончайшие стеклянные полые нити, стенки которых пропускают a-лучи. Когда в них заключена эманация радия, они светятся сами и заставляют экран из сернистого цинка блестеть, как перо жар-птицы, ярким голубым сиянием неописуемой красоты.

В лаборатории Резерфорда есть еще один хороший обычай, который я хочу отметить. Не стану говорить о "коллоквиумах", на которых от времени до времени докладываются новые работы сотрудников Резерфорда или кого-нибудь из посторонних; такого рода коллоквиумы обыкновенно устраиваются во всех крупных лабораториях. Но, кроме этого, ежедневно часа в 4-5 вся лабораторная публика собирается на чай (файф-о-клок) в специальную комнату; приходит обыкновенно и профессор. Беседа вращается исключительно вокруг научных вопросов, делятся" свежими впечатлениями о своих успехах и неудачах, никто не думает скрытничать о своей работе и ее результатах, советуются друг с другом, обсуждают сообща. Приятно наблюдать, как Резерфорд, чуть-чуть заикаясь, ясно и точно формулирует вопрос и умеет быстро разобраться в чужой работе и наметить план дальней тих действий. Я уверен, что в этой обстановке товарищеской научной беседы, полной взаимного доверия и общего интереса, нередко зарождались мысли, которые послужили ядром позднейших работ.

В заключение без преувеличения можно сказать, что когда живешь жизнью здешней лаборатории, то почти каждый день несет с собой новую и большую научную радость.

Манчестер, 25 мая 1914 г.