Парадокс, каких в науке немало: слово «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый». Так, по мнению античных философов, следовало называть мельчайшую частицу любого вещества, основу основ, если угодно. Идея о существовании атомов, по сути своей очень здравая, была забыта больше чем на тысячу лет. Лишь становление науки как таковой и переход от рассуждений к экспериментам позволил не только открыть существование атомов, но и начать изучать их внутреннюю структуру, по сути – само устройство Мироздания, что открывает перед людьми как невероятные возможности, так и огромные риски.

Интересно еще и то, что вследствие невероятно малых размеров атомов и элементарных частиц, из которых они состоят, мы можем изучать их только косвенно, лишь изображения с огромным увеличением дают людям возможность хоть как-то увидеть атомы. Тем не менее наука добилась впечатляющих успехов на этом пути.

Идеи об атомарном строении вещества действительно родились из размышлений о природе всего сущего еще в «золотом веке» древнегреческой философии. Однако потом, не без деятельного влияния господствующих религиозных воззрений, на первый план вышла концепция Аристотеля, который видел мир иначе.

В результате систематические исследования строения вещества продолжили лишь тогда, когда в Европе набрала силы эпоха Возрождения. Вернулась и идея существования мельчайших неделимых частиц вещества. Многие естествоиспытатели, такие как Исаак Ньютон и Роберт Бойль, во второй половине XVII века пытались добраться до атома, но при тогдашнем уровне развития науки и ее приборного обеспечения они сделать этого не смогли. Более того, даже необходимость в серьезной разработке атомистической теории в то время еще не потребовалась.

Нужда в ней возникла лишь два с лишним века спустя. К этому времени стало ясно, что построить модель атома, основываясь на принципах классической механики и электродинамики, невозможно.

Благодаря открытию Д.И. Менделеевым периодического закона стало очевидным существование закономерной связи между всеми химическими элементами и того, что их роднит нечто общее.

К концу XIX века наука поняла, что атом – не конечная неделимая частица, но только в начале XX века появились новые публикации, посвященные этой теме.

Первым указанием на сложную структуру атома стали опыты по изучению катодных лучей, которые возникают при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Стеклянную трубку, из которой выкачан воздух, снабжали двумя металлическими электродами и пропускали через нее ток высокого напряжения.

При этом от катода трубки перпендикулярно к его поверхности начиналось распространение катодных лучей, вызывающих ярко-зеленое свечение там, куда они попадали. Более того, эти лучи могли влиять на характер движения легких тел в магнитном и электрическом поле. Лучи не могли проникать сквозь стекло и состояли из мельчайших отрицательно заряженных частиц, скорость которых достигала половины скорости света. Были вычислены величина заряда (1,602 на 10 в минус 19 степени) и масса каждой частицы (0,00055 углеродной частицы).

Эти параметры не менялись ни при каких условиях, а найденные частицы были известны лишь в заряженном состоянии, то есть электрический заряд был, по большому счету, их сущностью. Так были открыты электроны – составная часть атомов.

Другими доказательствами стали открытие рентгеновского излучения (знаменитых «X-лучей») в 1895 году Вильгельмом Рентгеном и радиоактивности, которую год спустя обнаружил Антуан Беккерель.

Японский физик Хантаро Нагаока в 1904 году предположил, что атом по своему строению подобен Солнечной системе. Вокруг положительно заряженного ядра по кольцеобразным орбитам, по его мнению, двигались «планеты», электроны, при этом незначительные смещения электронов должны были порождать электромагнитные волны, а размер самого атома представлялся равным 10 в минус 10-й степени метра.

Однако совсем скоро новые идеи и результаты экспериментов заставили смотреть на строение атома совершенно иными глазами. Во многом случилось это благодаря трудам Эрнста Резерфорда, который считается отцом ядерной физики и величайшим физиком-экспериментатором XX столетия.

Эрнст Резерфорд. 1905 г.

Уроженец Новой Зеландии (1871 год), Эрнст Резерфорд учился на родине в Кентерберийском колледже и к 23 годам получил сразу три степени: бакалавра гуманитарных и бакалавра естественных наук, а также магистра гуманитарных наук. Спустя год после окончания учебы и работы учителем в средней школе он выиграл стипендию на обучение в Кембриджском университете в Англии, где на протяжении трех лет работал в Кавендишской лаборатории и стал первым докторантом Дж. Дж. Томсона. Здесь он вместе с Томсоном открыл явление насыщения тока при ионизации газа, а в 1898 году – альфа– и бета-лучи. Вскоре последователи Резерфорда открыли и гамма-излучение.

В 27 лет Резерфорд стал профессором физики в университете Макджил в Канаде. В 1907 году он вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета, а через 12 лет вернулся в Кембридж, став директором теперь уже знаменитой Кавендишской лаборатории. На этом посту он оставался до конца жизни. Именно Резерфорд, занимаясь изучением явления радиоактивности, смог доказать, что эта энергия не внешняя, а внутренняя, что она исходит изнутри отдельных атомов урана. Так было положено начало концепции атомной энергии, значительно более мощной, чем та, которая была доступна человечеству в ходе химических реакций.

В 1908 году за эти открытия Резерфорд получил Нобелевскую премию по физике.

Продолжение опытов по исследованию бета-частиц позволило Резерфорду и его сотрудникам в 1909–1911 годах провести зондирование атома. В результате выводы по итогам экспериментов были неожиданными для самих экспериментаторов. Оказывается, атом (в конкретном опыте – атом золота) почти полностью состоял из пустого пространства, а атомная масса находилась в центральной его части, в ядре.

Это полностью противоречило всем существовавшим теориям, но вывод был единственно возможным. Диаметр ядра атома по результатам расчетов не превышал 10^–14–10^–15 метра, то есть оно занимает лишь 10^–12 объема, но содержит почти 100 процентов массы и, соответственно, обладает колоссальной плотностью – примерно 10¹⁵ г/см³. Заряд же ядра, как оказалось, равен суммарному заряду всех электронов, которые входят в состав атома, а если заряд одного электрона принять за единицу, то заряд ядра окажется в точности равным номеру конкретного элемента в Периодической таблице Менделеева…

Надо сказать, что эти выводы были столь радикальны, что заставили сомневаться в их справедливости не только других ученых, но и самих первооткрывателей. Резерфорд, уже признанный физик, нобелевский лауреат, решился опубликовать результаты экспериментов лишь два года спустя, в 1911 году. Их результатом стала планетарная модель атома, предложенная Резерфордом.

Два 10-летия спустя стало ясно, что и планетарная модель Резерфорда не удовлетворяет новейшим данным. Последовали новые поиски, которые привели к обнаружению других закономерностей, открытию элементарных частиц, появлению атомной энергетики и страшного ядерного оружия.

Наверное, все эти достижения – как мирные, так и те, которые угрожают единомоментно уничтожить жизнь на планете, есть не что иное, как всего лишь начало исследований тайн атома – тайн устройства Вселенной на микроуровне. Познание это продолжается по сей день и сулит множество открытий.