Открытие атомного ядра. Открытие субатомных частиц. Альфа-частицы, страница 2

Мы также отмечали, что в атоме должны существовать положительные заряды, которые могли бы скомпенсировать отрицательные заряды электронов, и что в атоме должно иметься нечто значительно более массивное, чем электрон, заключающее в себе массу атома. И, наконец, атомы должны были представлять собой в основном пустое пространство, поскольку, как показали наблюдения Ленарда, катодные лучи могут проходить в газах огромные расстояния. С учетом этих данных естественнее всего было предположить, что атом имеет небольшую сердцевину, или ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома и которое несет положительный заряд, притягивающий электроны и таким образом удерживающий их на орбите, по которой они обращаются вокруг ядра.

Все эти аргументы создают обманчивую иллюзию простоты вставшей перед Резерфордом задачи — объяснить рассеяние на большие углы. Надо полагать, он выдвигал немало ошибочных толкований. В самом деле, можно было, например, предположить, что альфа-частицы рассеиваются не единичными атомами или субатомными частицами, а взаимодействуя с достаточно большим участком золотой фольги. Возможно, альфа-частица рассеивается электронами атома, но такими, которые с огромной скоростью движутся ей навстречу. Не исключено также, что силы, вызывающие рассеяние альфа-частицы, вообще не имеют ничего общего с электрическим притяжением или отталкиванием. Можно было даже допустить, что импульс и энергия не сохраняются внутри атомов. И так далее. Мы не знаем, какого рода объяснения Резерфорд мог ненадолго выдвигать, а затем отбрасывать. (Ученые обычно избегают обнародования гипотез, которые в конце концов оказываются «недееспособными».) Единственное, что нам известно,—это то, что к 1911 г. Резерфорд остановился на мысли, что атом состоит из небольшого массивного, положительно заряженного ядра, окруженного движущимися по орбитам электронами. Вот что по этому поводу писал Гейгер: «[в начале 1911 г.] Резерфорд однажды зашел ко мне в комнату, находясь, по-моему, в прекрасном настроении, и сообщил, что теперь он знает, как, вероятно, выглядит атом и как следует объяснить большие отклонения альфа-частиц». Резерфорд сосредоточил свое внимание на идее атомного ядра.

Свои выводы ученый огласил в докладе, прочитанном в Манчестерском обществе литераторов и философов 7 марта 1911 г.  Сохранились только отрывки из этого доклада Резерфорда, но позднее в том же 1911 г. он отправил в журнал Philosophical Magazine пространную статью под названием «Рассеяние a- и b-частиц в веществе и строение атома», где подробно описал свою работу [7]. Значение этой работы Резерфорда состояло не только в том, что он совершенно справедливо предположил, что атом состоит из небольшого тяжелого, положительно заряженного ядра, окруженного орбитальными электронами, но и в том, что он нашел способ, как проверить свою гипотезу.

Метод анализа результатов, которым пользовался Резерфорд, был повторен начиная с 1911 г. бессчетное множество раз во многих исследованиях строения атомов, ядер и элементарных частиц.

Каким же образом можно использовать результаты таких расчетов для анализа экспериментальных данных? В конце концов альфа-частицы не нацелены на какие-то определенные атомы — они просто «вслепую» падают на фольгу, содержащую огромное множество невидимых атомов. Резерфорд сумел ответить на этот вопрос — он понял, что нужен статистический анализ; следует измерять не угол рассеяния отдельной альфа-частицы, рассеивающейся с определенным параметром соударения, а распределение по углам рассеяния многочисленных альфа-частиц, которые проходят вблизи того или иного атома со случайными значениями параметра соударения. Можно предположить, что ядро представляет собой маленький диск, стоящий на пути падающей альфа-частицы, причем радиус диска соответствует максимальному значению параметра соударения для такого рассеяния. В этом случае только альфа-частицы, падающие на один из таких дисков, и будут рассеяны на угол не менее данного. Следовательно, доля альфа-частиц, рассеянных на такие углы, просто равна части площади фольги, которую занимают диски, — другими словами, площади каждого диска, умноженной на среднее число атомов, приходящихся на единицу площади фольги.