Научная революция

Оставался открытым вопрос: что же именно происходит в атомах урана, тория, полония и радия? Почему они излучают частицы и энергию?

В 1903 году, просуммировав открытия, сделанные физиками, Джозеф Томсон выдвинул принципиально новую модель строения атома. Он предположил, что атом представляет собой облако материи с положительным зарядом. Облако имеет форму сферы, в которую вкраплены электроны. «Что-то вроде пудинга с изюмом», как сказал однажды Томсон, когда его спросили о строении атома. Сумма всех положительных зарядов равна сумме отрицательных, и в целом атом нейтрален. При этом электроны расположены в атоме симметрично, но под действием внешних условий (например, под действием электрического поля) они могут смещаться в сторону, колеблясь около некоторого положения равновесия.

Модель Томсона не прожила слишком долго. Его талантливый ученик Эрнест Резерфорд сумел превзойти учителя. Чтобы экспериментально подтвердить существование «пудинга с изюмом» и развеять все сомнения, в 1906 году Резерфорд занялся изучением свойств альфа-частиц. Он установил, что они несут положительный электрический заряд, причем вдвое больший, чем отрицательно заряженный электрон. Если электрон нес заряд, который можно условно обозначить как «-», тогда заряд альфа-частицы оказывался «++». Кроме того, альфа-частица оказалась более тяжелой, чем электрон. Она была такой же массивной, как атом гелия (второй из известных самых легких атомов), и в четыре раза тяжелее атома водорода. Тем не менее альфа-частица проходила сквозь вещество, чего не могли сделать атомы. Поэтому Резерфорд предположил, что она имеет меньший диаметр, чем атомы. Следовательно, несмотря на свою массу, альфа-частица является еще одной субатомной частицей наряду с электроном.

Тогда Эрнест Резерфорд придумал простой и изящный эксперимент. Он построил своего рода пушку, которая представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью; внутрь нее был помещен радий, полученный супругами Кюри. Частицы, испускаемые радием во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень была сделана из тончайшего листа золотой фольги. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

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.