Еще вчера они отрицали электрон, а сегодня (первые годы XX века) начали подыскивать для него местечко внутри атома.
Ход рассуждений был таков. Атомы электрически нейтральны. Если в них содержатся электроны, то там должны быть запрятаны и еще какие-то положительно заряженные сущности, которые нейтрализовали бы суммарный отрицательный заряд электронов. Отсюда естественным путем и возникла первая модель атома - модель "пудинга с изюмом". Ее предложил в 1903 году все тот же Дж. Томсон.
По Дж. Томсону, атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее (как изюм в пудинге) незначительными по размеру - в сравнении с атомом - электронами. Предполагалось, что силы притяжения положительно заряженной сердцевины атома уравновешиваются силами их (электронов) взаимного отталкивания.
В те же годы были выдвинуты и другие представчения о структуре атома.
В 1901 году французский физик Ж. Перрен (1870- 1942) в статье "Ядерно-планетарная структура атома"
рассуждал о том, как электроны-планеты кружатся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра-Солнца.
Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга "Атомы", 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.
Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед - они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871 - 1937).
Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавепдншскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.
Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.
Однако - к великому счастью дтя пауки - первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.
Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.
Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: "Это последняя картошка, которую- я выкопал", Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу - он был помолвлен - и уехал в Англию.
Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.
Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р)- и гамма (у) -лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.
Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.
И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.
С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были а-частицы, мишенью - металлические экраны из фольги.
Результаты этих исследований вскоре потрясли научный мир, хотя все это было похоже на стрельбу из пушек по воробьям!
Действительно, подавляющее большинство атомных снарядов с легкостью пролетало сквозь толстенный слой золотой фольги (толщиной в несколько тысяч атомов), как если бы она была прозрачной, и регистрировалось на фотопластинке, помещенной за экраном. Следовательно, атом в целом представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей. (Так ученик опроверг модель своего учителя Дж. Томсона.)
Однако, к удивлению Э. Резерфорда, отдельные а-частпцы искривляли свою траекторию заметным образом.
Некоторые даже поворачивали назад! "Как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листа газетной бумаги" - так комментировал свои опыты экспансивный Э. Резерфорд. Он же дал и верную интерпретацию этому явлению. Вывод мог быть только один: частицы-пробники сталкивались с чем-то очень массивным, непроницаемым и заряженным положительно.
Так Э. Резерфорд в 1911 году открыл у атома ядро.
Атомно-артиллерийские залпы раздробили-таки атом, подтвердив верность планетарной модели Ж. Перрена.
Атом теперь можно было разбирать на части: ядра и электронные оболочки. И еще в атоме было преизобилие пустоты, того вакуума, о котором первым заговорил Демокрит.
Электроны способны перемещаться относительно ядра.
Они "размазаны" по пространству. Потому-то атомы и выглядят твердыми материальными образованиями. Но все это видимость, мишура. Легко показать, что пустота отвоевала себе в атоме львиную долю объема.
Размер атома 10^-8 см, его объем 10^-24 см3. Те же величины для ядра (следствие опытов и расчетов Э. Резерфорда): 10^-12 см (размер ядра) и 10^-36 см3. Так что на долю ядра в атоме приходится только 10^-36/10^-24 = = 10^-12 часть (!), где и сконцентрировано 99,9 процента всей массы атома.
Так вакуум еще раз, и очень весомо, напомнил о себе.
"Зоологический" период
Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться в том, что все вещества состоят из молекул. Еще через 200 лет ученые низвели молекулы до атомов, разъяв и их на составляющие. А всего примерно 20 лет спустя они осознали, какое скопище частиц скрывается под атомной оболочкой.
В 1914 году Э. Резерфорд подверг обстрелу электронами водород. При этом нейтральные атомы становились положительно заряженными. Ученый отождествил их с положительным зарядом, находящимся согласно ядернопланетарной модели Ж. Перрена в центре атома водорода. Так был открыт протон. Имя ему дал Э. Резерфорд.
Дальше - больше: в 1930-1932 годах тот же лихой артатомообстрел выбил из недр ядра новую частицу - нейтрон (он подобен протону, но лишен заряда, "нейтрум" по-латыни значит "ни то, ни другое"). Тогда же (1932) советский физик Д. Иваненко выдвинул гипотезу - она вскоре была подтверждена и общепринята, - что все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.
Наконец-то смысл таблицы Менделеева стал абсолютно ясен. Количество протонов в ядре и равное ему количество электронов на орбитах определяет тип атома, его точное место в таблице Менделеева. Суммарное же количество протонов и нейтронов в ядре обусловливает атомную массу.
На радостях физики собрались за праздничным столом. Однако заздравные тосты - славили стройность картины мироздания! - то и дело прерывали все новые и новые сообщения об открытии нежданных, казалось бы, даже лишних, непрошеных элементарных частиц.
Этот "бум" открытий требовал все новых имен. В спешке частицы сылп называть просто буквами. Так возникли А-частицы, Z-частицы и многие другие.
Позитрон, нейтрон, мю-, пи-, ка-мезоны, дельта-барионы, омега-гипероны, антипротон, антинейтрон, кси-минус-гиперон, анти-снгма-мииус-гиперон, многочисленные резонансы, о которых ученые долго спорили, считать ли их за элементарные частицы или нет, семейство пси-частиц...
Получилось, что в шутливом лозунге из фильма М. Ромма "9 дней одного года" (А. Баталов и И. Смоктуновский играли в нем физика-экспериментатора и физика-теоретика) - "Откроем новую частицу в третьем квартале!" - был вполне реальный смысл. Ведь примерно за 30 лет, считая с послевоенного 1945-го, в среднем в мире открывали одну частицу в месяц!
Было отчего сойти с ума. Демографический взрыв народонаселения на планете сопровождался "демографическим взрывом" и в ядерной физике. Число элементарных частиц достигло к 1974 году двух сотен - примерно в два раза больше, чем элементов в таблице Менделеева!