Многие популярные работы по истории науки рассказывают, что идея атомов восходит к древним грекам, ко времени рождения науки, и восхваляют древних ученых за их раннее понимание истинной природы материи. Однако такой взгляд немного преувеличен. Демокрит из Абдеры, умерший около 370 года до н. э., действительно предполагал, что сложная природа мироздания может быть объяснена, если все предметы состоят из различных неизменяемых и находящихся в постоянном движении атомов, каждый тип которых имеет собственную форму и размер. «Существуют лишь атомы и пустота, все остальное – во мнении», – писал он, а позже Эпикур Самосский и римлянин Лукреций Кар заимствовали эту идею. Но этой опережающей свое время теории тогда не суждено было стать основой для объяснения мироздания, и мнение Аристотеля о том, что все во Вселенной состоит из четырех «элементов» – огня, земли, воздуха и воды, – оказалось гораздо более популярным и стойким. Тогда как идея об атомах была в основном позабыта ко времени появления Христа, четыре элемента Аристотеля продержались две тысячи лет.

Хотя в XVII веке англичанин Роберт Бойль использовал понятие атомов в своей работе по химии, а Ньютон подразумевал их в работах по физике и оптике, по-настоящему атомы стали частью научной мысли лишь в конце XVIII века, когда французский химик Антуан Лавуазье провел изучение причин горения. Лавуазье открыл множество настоящих элементов, чистых химических веществ, которые не могут быть разделены на другие химические вещества, и понял, что горение представляет собой процесс, в котором кислород из воздуха соединяется с другими элементами. В первые годы XIX столетия Джон Дальтон закрепил за атомами место в химии. Он утверждал, что вещество состоит из атомов, которые сами по себе делимы. При этом все атомы одного элемента идентичны, однако различные элементы состоят из различных атомов (по форме или размеру), при этом атомы не могут быть созданы или разрушены, но лишь реорганизованы посредством химических реакций. А химическая структура, включающая в себя два элемента и более, состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из небольшого фиксированного числа атомов от каждого из элементов структуры. Таким образом два столетия назад концепция атомного строения материи получила жизнь в той форме, как она преподносится в учебниках сегодня.

И все же в XIX веке эта идея получала одобрение со стороны химиков весьма медленно. Жозеф Гей-Люссак провел эксперимент, показав, что если соединить два газообразных вещества, то необходимый объем одного газа всегда будет пропорционален объему другого. Если получившаяся смесь также представляет собой газ, то ее объем тоже находится в прямой зависимости от объемов двух других. Это согласуется с идеей о том, что каждая молекула смеси состоит из одного или двух атомов одного газа и нескольких атомов другого. В 1811 году это наблюдение использовал итальянец Амедео Авогадро, который выдвинул знаменитую гипотезу, утверждающую, что вне зависимости от химической природы газа при любой постоянной температуре и давлении равные объемы газа содержат одинаковое число молекул. Чуть позже гипотеза Авогадро была подтверждена экспериментально. Было доказано, что каждый литр газа при температуре 0 градусов Цельсия и давлении в одну атмосферу содержит около 27 000 миллиардов миллиардов (27 × 10²¹) молекул. Но лишь в 1850-х годах соотечественник Авогадро Станислао Канниццаро развил эту идею настолько, что химики стали воспринимать ее всерьез. Впрочем, еще в 1890-х годах было очень много химиков, отвергавших идеи Дальтона и Авогадро. Однако тогда их обогнало развитие физики – шотландец Джеймс Клерк Максвелл и австриец Людвиг Больцман, используя концепцию атомов, детально объяснили поведение газов.

В 1860-х и 1870-х годах эти первооткрыватели развили идею о том, что газ состоит из огромного числа атомов и молекул (число из гипотезы Авогадро дает вам представление о том, насколько их много), которые можно представить в виде крошечных твердых хаотически движущихся сфер, сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда, содержащего газ. Это напрямую соотносилось с представлением о том, что теплота является формой движения – когда газ нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее, что повышает давление на стенки сосуда, и, если они не закреплены, газ будет расширяться.

Ключевой особенностью этих новых идей было то, что поведение газа может быть объяснено посредством законов механики – то есть законов Ньютона – только статистически, с помощью усреднения очень большого числа атомов или молекул. Любая из молекул газа может в любой момент двигаться в произвольном направлении, однако суммарный эффект от столкновения всех молекул со стенками сосуда создает постоянное давление. Это привело к развитию математического описания газовых процессов, получившего название статистической механики. Тем не менее прямое доказательство существования атомов все еще отсутствовало.

Некоторые ведущие физики того времени упорно противостояли атомной гипотезе, и даже сам Больцман в 1890-х годах чувствовал себя (возможно, ошибочно) одиночкой, плывущим против течения научной мысли. В 1898 году он опубликовал подробные вычисления в надежде, что, «когда теория газов снова оживет, открывать понадобится не слишком много». В 1906 году, находясь в депрессии из-за болезни и в подавленном состоянии в результате ^прекращавшегося противостояния многих ведущих ученых его кинетической теории газов, Больцман покончил жизнь самоубийством, не подозревая, что за несколько месяцев до этого малоизвестный теоретик по имени Альберт Эйнштейн опубликовал работу, развеявшую все сомнения насчет существования атомов.

Эта работа была лишь одной из трех, которые Эйнштейн опубликовал в одном номере журнала «Анналы физики» за 1905 год, и любая из них могла обеспечить ему место в анналах науки. Одна из работ рассказывала о специальной теории относительности и в целом выходит за рамки этой книги. Другая описывала взаимодействие света с электронами и позже стала считаться первой научной работой на тему того, что теперь зовется квантовой механикой, – именно за нее в 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Третья работа обманчиво просто решала задачу, которая терзала физиков с 1827 года, – она доказывала существование атомов (насколько теоретическая статья вообще могла сделать это).

Позже Эйнштейн сказал, что его главной целью в то время было «обнаружить факты, которые насколько возможно гарантируют существование атомов конечного размера». Эта цель, быть может, показывает важность этой работы в начале прошлого столетия. Когда эти статьи были опубликованы, Эйнштейн работал в Бернском патентном бюро – его нестандартный подход к физике не сделал его явным кандидатом на академическую должность после завершения обучения, так что ему пришлось с головой погрузиться в работу над патентами. Логический ум позволял ученому успешно отсеивать новые изобретения от чепухи, а проворность на работе оставляла достаточно много свободного времени, в которое он мог размышлять о физике даже во время рабочего дня. Некоторые из его мыслей касались открытий британского ботаника Томаса Брауна, сделанных восьмьюдесятью годами ранее. Браун заметил, что если исследовать пыльцу, плавающую в капле воды, под микроскопом, то можно увидеть, что она хаотически дергается в разные стороны, совершая так называемое теперь броуновское движение. Эйнштейн показал, что это движение, хотя и является хаотическим, подчиняется определенному статистическому закону, а также что модель поведения пылинок в точности соответствует тому, как если бы пылинку постоянно «толкали» невидимые микроскопические частицы, двигающиеся в соответствии со статистической механикой Больцмана и Максвелла, которая описывает движение атомов в газе или жидкости. Сегодня это выглядит настолько очевидно, что трудно оценить, какой прорыв произвела эта работа. Вы, как и я, привыкшие к представлению об атомах, можете наконец увидеть, что если пылинка подталкивается невидимыми столкновениями, то, вероятно, это атомы толкают ее. Однако до того как Эйнштейн сделал этот вывод, уважаемые ученые все еще питали сомнения в существовании атомов. После того как работа вышла, сомнений не осталось. Все стало легко после объяснения, простого, как падение яблока на землю. Но почему, если это было так очевидно, никто не воспринимал идею в течение прошлых восьмидесяти лет?

По иронии судьбы эта научная статья была опубликована на немецком (в журнале «Анналы физики»), хоть она и противоречила суждениям ведущих немецких физиков, включая Эрнста Маха и Вильгельма Оствальда, которые, казалось, убедили Больцмана в том, что он был одиночкой в пустыне. В действительности к началу XX столетия было множество свидетельств реальности существования атомов, даже если учесть, что, строго говоря, эти свидетельства могли считаться лишь частными. Британские и французские физики поверили в атомную теорию гораздо сильнее, чем многие их немецкие оппоненты. Именно англичанин Дж. Дж. Томсон в 1897 году открыл электрон, который, как мы сегодня знаем, является одним из компонентов атома.

В конце XIX века было много противоречий касательно природы излучения, исходящего от вакуумной трубки, по которой идет электрический ток. Эти катодные лучи, как их назвали, могли быть либо формой излучения, испускаемого колебаниями эфира, однако отличались от света и недавно открытых радиоволн, либо потоком крошечных частиц. Большинство немецких ученых поддержали идею эфирных волн. Большинство британских и французских ученых считали, что катодные лучи представляют собой частицы. Ситуация усложнилась, когда в 1895 году Вильгельм Рентген случайно открыл рентгеновские лучи (в 1901 году за это открытие Рентген получил первую в истории Нобелевскую премию по физике). Однако это не относилось напрямую к проблеме. Важным было то, что это быстрое открытие произошло до того, как был развит теоретический аппарат атомной физики, в который бы вписывались рентгеновские лучи. Мы встретимся с ними чуть позже в более подходящем контексте.

В 1870-х годах Томсон занимал должность первого в истории профессора физики Кавендишской лаборатории – основанного Максвеллом научного центра в Кембридже. Он разработал эксперимент, который основывался на уравновешивании электрических и магнитных свойств движущейся и заряженной частицы. Траектория такой частицы может отклоняться как магнитным, так и электрическим полем, и прибор Томсона был сконструирован таким образом, что эти два эффекта нивелировали друг друга, так что оставался лишь пучок катодных лучей, двигавшихся напрямую от отрицательно заряженной металлической пластины (катода) к экрану детектора. Этот трюк работает только для электрически заряженных частиц, поэтому Томсон установил, что катодные лучи на самом деле являются отрицательно заряженными частицами (теперь называемыми электронами). Он смог использовать уравновешивание электрических и магнитных сил, чтобы рассчитать отношение электрического заряда электрона к его массе (е/m). Какой бы металл ни использовался в качестве материала для катода, Томсон всегда получал один и тот же результат и сделал вывод, что электроны являются частью атомов и что, хотя различные элементы состоят из различных атомов, все атомы содержат одинаковые электроны.

Это было не случайное удачное открытие, как открытие рентгеновских лучей, а итог аккуратного планирования и мастерских экспериментов. Кавендишскую лабораторию создал Максвелл, но именно под руководством Томсона она стала лидером в экспериментальной физике и, возможно, лидирующей физической лабораторией в мире, и принесла множество открытий, которые в XX веке привели к новому пониманию физики. Кроме самого Томсона, Нобелевскую премию получили еще семь человек, работавших с ним в лаборатории до 1914 года. Кавендишская лаборатория и в наши дни остается мировым центром физики.

Катодные лучи, которые двигались по вакуумной трубке от отрицательно заряженной пластины, оказались отрицательно заряженными частицами, электронами. Атомы, однако, электрически нейтральны, а потому логично, что существуют и позитивно заряженные противоположности электронов – атомы, у которых отняли часть отрицательного заряда. В 1898 году Вильгельм Вин из университета Вюрцбурга впервые изучил эти положительные лучи, выяснив, что частицы, из которых они состоят, значительно тяжелее электронов, как будто бы это были атомы, которым просто не хватало электрона. Завершив эксперименты с катодными лучами, Томсон решил исследовать эти положительные лучи в серии сложных экспериментов, которые продолжались и в течение 1920-х годов. Сегодня эти лучи называются ионизированными атомами, или просто «ионами», а во времена Томсона их называли каналовыми лучами, потому что он изучал их, используя модифицированную трубку для катодных лучей, в которой вакуумный насос оставлял небольшое количество газа. Электроны, двигавшиеся сквозь этот газ, вступали во взаимодействие с его атомами и выбивали из них другие электроны, оставляя положительно заряженные ионы, на которые можно было оказывать воздействие при помощи электрического и магнитного полей таким же образом, как Томсон оказывал воздействие на сами электроны. К 1913 году группа Томсона произвела измерения отклонения положительно заряженных ионов водорода, кислорода и других газов. Одним из газов, которые Томсон использовал в этих опытах, был неон. Неон, через который проходит электрический заряд в вакуумной трубке, ярко вспыхивает, и аппарат Томсона стал предшественником современной неоновой трубки. Но его открытие было гораздо важнее, чем изобретение нового способа рекламы.

В отличие от электронов, которые имеют одно и то же отношение заряда к массе е/т, существует три различных типа ионов неона, которые имеют такой же заряд, как и электрон, однако не отрицательный (—е), а положительный (+е), но разные массы. Это стало первым свидетельством того, что химические элементы часто включают в себя атомы с разной массой (разной атомной массой), но одинаковыми химическими свойствами. Теперь такие варианты элементов называют «изотопами», но объяснение их существования смогли обнаружить лишь гораздо позже. Однако Томсон уже тогда располагал достаточным объемом информации, чтобы сделать первый шаг к описанию внутренней структуры атома, который был не неделимой основной частицей, как полагали некоторые древнегреческие философы, а совокупностью положительных и отрицательных зарядов, из которой можно вырывать электроны.

Томсон представил атом как своего рода арбуз – относительно крупную сферу, по которой был распределен весь положительный заряд и куда были, подобно семечкам, внедрены маленькие электроны, каждый из которых нес в себе частицу отрицательного заряда. Как выяснилось, он ошибался, но он предоставил ученым мишень для стрельбы – и постоянные тренировки привели их к более точному пониманию структуры атома. Чтобы узнать, как именно это произошло, нам нужно отступить на шаг назад в историю науки, а затем сделать два шага вперед.

Ключевым открытием для понимания структуры атома стало совершенное в 1896 году открытие радиоактивности. Как и обнаружение рентгеновских лучей, состоявшееся несколькими месяцами ранее, оно произошло по счастливому стечению обстоятельств, хотя в обоих случаях это счастливое стечение обстоятельств не могло не произойти в какой-нибудь физической лаборатории того времени. Как и многие физики в 1890-х годах, Вильгельм Рентген экспериментировал с катодными лучами. Когда эти лучи – электроны – сталкиваются с материальным объектом, в результате их столкновения происходит вторичное излучение. Это излучение невидимо, можно заметить только его воздействие на фотографическую пластинку или пленку либо на аппарат, называемый флуоресцентным экраном, который искрится, принимая на себя излучение. Случилось так, что во время проведения опытов с катодными лучами на столе в лаборатории Рентгена лежал такой экран, и ученый сразу заметил, что экран вспыхивал при работе отводящей трубки в опыте с катодными лучами. Это привело его к открытию вторичного излучения, которое он обозначил как «икс», ведь икс обычно используется в математических уравнениях в качестве неизвестной. Вскоре выяснилось, что рентгеновские лучи ведут себя, как волны (теперь мы знаем, что они представляют собой особую форму электромагнитного излучения и очень похожи на световые волны, но при этом длина этих волн значительно короче), и это открытие, сделанное в немецкой лаборатории, помогло подтвердить мнение большинства немецких ученых о том, что катодные лучи, должно быть, тоже являются волнами.

Об открытии рентгеновских лучей было объявлено в декабре 1895 года, и это вызвало переполох в научном сообществе. Другие ученые стали пытаться найти иные способы создания рентгеновских лучей или подобных форм излучения, и первым преуспел Анри Беккерель, который работал в Париже. Самым удивительным свойством рентгеновского излучения стало то, что оно могло беспрепятственно проходить через многие непрозрачные вещества, например сквозь черную бумагу, создавая снимок на фотографической пластине, не подвергавшейся воздействию света. Беккереля интересовало фосфоресцирование, то есть способность вещества, которое раньше поглощало свет, излучать его. Флуоресцентный экран наподобие того, который использовался при открытии рентгеновского излучения, испускает свет только тогда, когда его «раздражает» попадающее на него излучение, в то время как фосфоресцирующее вещество обладает способностью накапливать попадающее на него излучение и высвобождать его в форме постепенно меркнущего света в течение нескольких часов после того, как его поместили в темноту. Было естественно поискать связь между фосфоресценцией и рентгеновским излучением, но открытие Беккереля стало столь же неожиданным, как и само открытие рентгеновских лучей.

В феврале 1896 года он обернул фотографическую пластину двойным слоем черной бумаги, пропитал бумагу бисульфатом урана и калия и оставил все это на несколько часов под солнцем. Когда он достал пластину, на ней видна была граница пропитанной химикатами области. Беккерель решил, что солнце привело к возникновению рентгеновского излучения в слое химикатов – соли урана – по тому же принципу, по которому возникает фосфоресцирование. Через два дня он таким же образом подготовил еще одну пластину для повторения опыта, но в тот день и на следующий небо было затянуто облаками, а потому подготовленная пластина осталась в его кабинете. Первого марта Беккерель вытащил пластину и снова обнаружил на ней границу соли урана. Что бы ни воздействовало на обе пластины, это не имело отношения к солнечному свету или эффекту фосфоресцирования, а, как выяснилось, было ранее неизвестной формой излучения, которое производил сам уран – спонтанно, без какого-либо внешнего воздействия. Сейчас эта способность к спонтанному излучению называется радиоактивностью.

Вдохновленные открытием Беккереля, другие ученые принялись за изучение радиоактивности, и вскоре экспертами в новой ветви науки стали Мария и Пьер Кюри, работавшие в Сорбонне. За изучение радиоактивности и открытие новых радиоактивных элементов они в 1903 году получили Нобелевскую премию по физике, а в 1911 году Мария получила вторую Нобелевскую премию – уже по химии – за дальнейшую работу с радиоактивными материалами (в 1930-х годах дочь Марии и Пьера Кюри Ирен тоже получила Нобелевскую премию за изучение радиоактивности). В начале 1900-х годов экспериментальные открытия в сфере радиоактивности значительно опережали теорию: целая серия практических результатов лишь позже оказалась подкреплена теоретическими знаниями. В этот период один человек особенно выделялся своими исследованиями радиоактивности, и это был Эрнест Резерфорд.

Резерфорд происходил из Новой Зеландии и в 1890-х годах работал вместе с Томсоном в Кавендишской лаборатории. В 1898 году он стал профессором физики в университете Макгилла в Монреале, и там в 1902 году вместе с Фредериком Содди доказал, что радиоактивность предполагает трансформацию радиоактивного элемента в другой элемент. Именно Резерфорд выяснил, что в процессе радиоактивного «распада» (как он теперь называется) производится два типа излучения, которые он назвал альфа– и бета-излучениями. Когда позже был открыт третий тип излучения, его, естественно, назвали гамма-излучением. Альфа– и бета-излучения, как выяснилось, представляли собой поток быстро двигавшихся частиц. Вскоре было доказано, что бета-лучи представляют собой электроны и являются радиоактивным эквивалентом катодных лучей, а затем доказали, что гамма-лучи – это еще одна форма электромагнитного излучения, подобная рентгеновским лучам, но с еще более короткой длиной волны. Альфа-частицы, однако, оказались чем-то совершенно иным – масса этих частиц примерно в четыре раза превышала массу атома водорода, а электрический заряд был в два раза больше заряда электрона, при этом будучи положительным, а не отрицательным.

Никто еще не знал, что представляют собой альфа-частицы или как они на огромной скорости испускаются атомом, который в процессе этого превращается в атом другого элемента, но исследователи вроде Резерфорда нашли им применение. Такие высокоэнергетические частицы, будучи продуктом атомных реакций, могли использоваться в качестве моделей для изучения структуры атомов и, в очередной раз подтверждая цикличность научных исследований, помочь выяснить, откуда появляются сами альфа-частицы. В 1907 году Резерфорд уехал из Монреаля и стал профессором физики в университете Манчестера в Англии, а в 1908 году получил Нобелевскую премию по химии за свои исследования радиоактивности, и это позабавило ученого. Хотя изучение элементов рассматривалось Нобелевским комитетом как работа в области химии, сам Резерфорд считал себя физиком и не уделял химии, которая казалась ему наукой второго сорта, особенного внимания. (Новое понимание структуры атомов и молекул, предоставленное квантовой физикой, конечно, лишь подтвердило старую физическую шутку о том, что химия – это лишь ветвь физики.) В 1909 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден, работавшие на кафедре Резерфорда в Манчестере, провели серию опытов, в которых пучок альфа-частиц был направлен на тонкую металлическую фольгу и сквозь нее. В опытах использовались альфа-частицы, излучаемые естественно радиоактивными атомами, ведь в те времена еще не было генераторов искусственных частиц. Судьба частиц, направленных на металлическую фольгу, определялась сцинтилляционными детекторами, флуоресцентными экранами, которые вспыхивали при столкновении с такой частицей. Некоторые частицы прошли прямо сквозь фольгу, другие отклонились и прошли под углом к изначальному пучку, а третьи, к удивлению экспериментаторов, отразились от фольги и остались на той же стороне, с которой ее поразил пучок. Как это могло произойти?

Резерфорд дал этому объяснение. Каждая альфа-частица обладает массой, в 7000 раз превышающей массу электрона (фактически альфа-частица идентична атому гелия без двух электронов), и может двигаться на скорости, близкой к скорости света. Если такая частица сталкивается с электроном, она отбрасывает электрон в сторону и продолжает движение без каких-либо изменений. Отклонения должны объясняться положительным зарядом атомов металлической фольги (одинаковые заряды, как и одинаковые магнитные поля, отталкиваются друг от друга), но если арбузная модель Томсона была верной, частицы не могли отражаться. Если атом заполняла сфера положительного заряда, то альфа-частицы должны были проходить сквозь нее, ведь опыт показал, что большая часть частиц проходила прямо сквозь фольгу. Если арбуз пропустил сквозь себя одну частицу, он должен был пропустить и все остальные. Но если весь положительный заряд концентрировался в крошечном объеме, гораздо меньшем, чем объем целого атома, то время от времени альфа-частицы, со всего разбега налетающие на этот маленький сгусток материи и заряда, должны были отскакивать назад, в то время как большая часть альфа-частиц проходила бы сквозь пустое пространство между этими сгустками материи. Только таким образом положительный заряд атома мог иногда отталкивать положительно заряженные альфа-частицы, порой слегка сбивая их с пути, а порой практически не оказывая на них влияния.

Итак, в 1911 году Резерфорд предложил новую модель атома, которая стала основой нашего современного понимания атомной структуры. Он заявил, что в атоме должен быть маленький центр, который он назвал ядром. Ядро содержит в себе весь положительный заряд атома, который равен и противоположен отрицательному заряду облака электронов, окружающего ядро, и таким образом вместе ядро и электроны формируют электрически нейтральный атом. Последующие эксперименты показали, что размер ядра составляет всего около одной стотысячной размера всего атома: диаметр ядра обычно равняется 10^-13 см, а диаметр облака электронов – 10^-8 см. Чтобы вообразить себе это, представьте булавочную головку диаметром около миллиметра в центре собора Святого Петра, окруженную облаком микроскопических частичек пыли, выходящих далеко – скажем, на 100 метров – за пределы купола собора. Булавочная головка – это ядро атома, а частички пыли – это электроны. В атоме огромное количество свободного пространства, и все, казалось бы, твердые объекты материального мира состоят из таких пустых пространств, связанных вместе электрическими зарядами. Как вы помните, Резерфорд получил Нобелевскую премию, когда предложил новую модель атома (модель, основанную на опытах, которые он самостоятельно разработал). Но карьера его была еще далека от завершения, ведь в 1919 году он объявил о первой искусственной трансмутации элемента и в тот же год сменил Дж. Дж. Томсона на посту директора Кавендишской лаборатории. Его сначала посвятили в рыцари (в 1914 году), а затем, в 1931-м, сделали бароном Резерфордом Нельсоном. Несмотря на все это, включая Нобелевскую премию, самым значительным его вкладом в науку стала модель атома. Этой модели суждено было перевернуть всю физику, поставив очевидный вопрос: если противоположные заряды притягивают друг друга столь же сильно, как одинаковые заряды друг друга отталкивают, почему отрицательно заряженные электроны не падают на положительно заряженное ядро? Ответ нашелся в анализе взаимодействия атомов со светом, и это ознаменовало появление первого варианта квантовой теории.