После возвращения из Канады Резерфорд начал ставить новые эксперименты: бомбардировать атомы альфа-частицами. Эти столкновения происходят в таком малом масштабе, что наблюдать их непосредственно мы не можем. Но можно о многом догадаться, наблюдая за их последствиями. В результате столкновений скорость и направление альфа-частиц меняются; то же самое происходит и с атомами, подвергшимися бомбардировке. Этот процесс называют рассеянием. Скорость и направление движения альфа-частиц до и после столкновения можно измерить соответствующей аппаратурой. По этим данным можно рассчитать, что произошло с атомами мишени.

В эксперименте Резерфорда альфа-частицы испускались из радиоактивного образца. Узкий пучок этих частиц формировался с помощью экрана из толстого листа свинца с дырочкой. За дырочкой был установлен лист золота так, чтобы альфа-частицы ударялись в атомы золота. Поскольку скорость альфа-частиц была очень высокой, то ожидалось, что они будут проходить сквозь лист золота, почти не меняя траекторию. В качестве детектора альфа-частиц использовался лист из сульфида цинка, который при столкновении с ним частицы дает небольшую вспышку света (рис. 16.9).

У Резерфорда был помощник из Германии Ганс Гейгер. В 1909 году к их группе присоединился студент Эрнест Марсден. О том, что случилось в следующем 1910 году, рассказал сам Резерфорд:

«Однажды Гейгер предложил дать Марсдену тему для самостоятельного исследования. Я ответил: «Почему бы ему не посмотреть, будут ли некоторые частицы рассеиваться под большим углом? Скажу тебе по секрету — я думаю, что не будут, ведь мы знаем, что альфа-частицы очень массивны и несут большой запас энергии». Насколько я помню, через два или три дня Гейгер пришел ко мне очень взволнованный и сказал: «Некоторые альфа-частицы у нас возвращаются обратно». Это было самое невероятное событие, случившееся за всю мою жизнь. Это было так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отскочил бы обратно и ударил вас».

Рис. 16.9. Эксперимент по рассеянию, поставленный Гансом Гейгером (1882–1945) и Эрнстом Марсденом (1889–1970). Альфа-частицы рассеиваются в золотой фольге и затем ударяются в экран, покрытый сульфидом цинка, вызывая на нем вспышки света.

Спустя несколько недель, в течение которых Резерфорд размышлял над этой загадкой, он заявил: «Теперь я знаю, что произошло в эксперименте, и, кроме того, я знаю структуру атома». Он сказал, что почти вся масса и весь положительный электрический заряд сконцентрированы в ядре атома, размер которого не более 1/10 000 размера атома. Остальная часть атома пуста, за исключением электронов с их отрицательным зарядом (рис. 16.10).

Теория Нагаока о строении атома оказалась в принципе верной. В нашей Солнечной системе основная доля массы сосредоточена в Солнце. Так же и в ядре атома сосредоточена большая часть его массы. Как Солнечная система в основном состоит из «пустого» пространства между Солнцем и планетами, так же и атом «пустой» между ядром и электронами. В атоме концентрация вещества к центру даже более сильная: в масштабе Солнечной системы размер атомного ядра не больше размера планеты. Точных данных о размере электрона пока не существует, но в этом масштабе он наверняка не больше самого мелкого астероида.

Рис. 16.10. Модель атома Резерфорда. Тяжелое ядро состоит из многих ядерных частиц, а вокруг него обращаются электроны.

Проникнув в тайны строения вещества, мы вновь можем вернуться к свету. Как нам уже известно, в XIX веке волновая теория восторжествовала над более ранней теорией Ньютона о частицах света — корпускулах. Но для волны нужна среда, в которой может распространяться волна. Для звуковых волн нужен воздух, а в космосе нет ни звуковых волн, ни воздуха. Предполагалось, что средой для световых волн служит эфир, заполняющий космос, но эта идея лишь усложняла проблему. Важнейшим шагом вперед стала первая статья Эйнштейна, вышедшая в 1905 году, в которой он показал, что в некоторых ситуациях свет ведет себя странно: его поведение напоминает поведение частиц, которые сейчас называют фотонами.

Теория Максвелла рассматривает свет как электромагнитные колебания. Но при использовании этой теории для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела возникли проблемы. Было известно, что излучение черного тела обладает наибольшей силой на определенной длине волны и ослабевает по обе стороны от этого максимума в спектре. Но классическая теория не могла объяснить уменьшение интенсивности на высоких частотах. Немецкий физик Макс Планк понял, как можно объяснить наблюдаемый спектр черного тела: нужно предположить, что атом может излучать энергию только порциями определенного размера. Связанная с излучением энергия похожа на частицы: излучиться может одна, две, три и т. д. «частицы», но доля «частицы» излучиться не может.

Минимальная порция энергии, по предположению Планка, пропорциональна частоте волны: чем выше частота, тем больше энергии в каждой порции. Коэффициент пропорциональности называют постоянной Планка. Таким образом,

Энергия = Постоянная Планка x частота.

Поскольку частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу, порция энергии обратно пропорциональна длине волны. Постоянная Планка очень мала, поэтому в быту мы не замечаем отдельных порций света, как не замечаем, что на вид сплошное вещество состоит из крошечных атомов.

Макс Планк был родом из Киля, но большую часть своих исследований провел в Мюнхене, где и защитил диссертацию (рис. 17.1). До этого Планк слушал лекции Кирхгофа и Гельмгольца в Берлине. Довольно неожиданно его избрали преемником Кирхгофа в Берлине. Планк исследовал излучение черного тела, и в 1900 году это привело его к важнейшему открытию. Похоже, Планк не очень высоко оценивал значение своего открытия, что энергия может излучаться только определенными порциями, называемыми квантами. Он считал, что это свойство атомов, и думал, что нет причин, мешающих электромагнитной волне переносить любое количество энергии.

Рис. 17.1. (а) Макс Планк (1858–1947) и (б) Нильс Бор (1885–1962).

Следующий шаг сделал Эйнштейн, который показал, что квантование энергии в порции связано не только с колебаниями в атоме, но и с самим электромагнитным излучением. Доказательством существования квантов света (фотонов) стало объяснение, которое Эйнштейн дал фотоэлектрическому эффекту — испусканию металлом электронов под действием падающего на него света. Это явление в 1880-х годах неожиданно открыл Генрих Герц во время экспериментов с радиоволнами. Ультрафиолетовые фотоны с высокой энергией могут выбивать электроны из металла, даже если свет имеет очень малую интенсивность. Даже один высокоэнергичный квант высокочастотного излучения способен совершить работу по «выдергиванию» электрона из металла. Но отдельные низкоэнергетичные кванты красного или инфракрасного низкочастотного излучения (даже если таких квантов много при ярком освещении) не могут выбить электрон. Грубый аналог этого явления — бросок в лицо пригоршни песка или тяжелого камня; ясно, что последствия этих ударов будут разными.

Свет состоит из своего рода частиц, как полагал Ньютон, но нельзя игнорировать и признаки волновой природы света. Наш повседневный опыт затрудняет понимание этой двойственной, «корпускулярно-волновой» природы света и вообще электромагнитного излучения. Мы по привычке связываем волны и частицы с совершенно разными явлениями. Но почему-то в масштабе атомов оба этих понятия ассоциируются с одними и теми же явлениями. Бесполезно пытаться представить себе нечто, одновременно являющееся и волной, и частицей.