Физик Эмиль Ахмедов о модели атома Томсона, альфа-частицах и рассеянии Резерфорда

Что такое элементарная частица? Слово «частица» происходит от слова «часть», поэтому обычно представляется, что это какой-то кирпичик, из которого мы строим целое. Кирпичик ассоциируется с чем-то цельным, твердым, компактным, небольшим, а частица — с каким-нибудь шариком (это первое, что приходит в голову у обывателя, когда говорят «элементарная частица»).

У осведомленного человека возникает вопрос: как работают научные методы, из чего состоит этот шарик? Откуда следует предположение, что частица должна быть шариком? Кроме того, слово «частица» происходит из ассоциации с каким-то шариком. Провел ли человек, который представляет себе элементарную частицу в виде шарика, эксперименты по проверке того, как элементарная частица проявляет себя во всех ипостасях? Проверил ли он, что она ведет себя как шарик при таких условиях, при других условиях, и поставил ли все возможные эксперименты? Оказывается, что это не так.

Элементарные частицы иногда ведут себя как шарик или даже как безразмерная точка, а иногда совершенно по-другому. Так устроено природное явление, и я сейчас опишу экспериментальные наблюдения, из которых люди делают выводы о корпускулярно-волновом дуализме.

Начнем совсем издалека, с опыта Резерфорда, который был поставлен в начале XX века. Во-первых, в опытах Резерфорда проверялась модель атома Томсона. Считалось, что атом — это пудинг, состоящий из ваты, внутри которой вкраплены твердые шарики с отрицательным зарядом, электроны, а сама вата имеет положительный заряд. Чтобы проверить эту модель, Резерфорд решил рассеять альфа-частицы на тонкой пленке, сделанной из золота. Что такое альфа-частицы, тогда приблизительно было известно. Альфа-частицы приблизительно в четыре тысячи раз тяжелее электрона. И Резерфорд надеялся увидеть, что поток из альфа-частиц беспрепятственно пройдет через пленку — по аналогии с тем, что у вас кегли массой 1 грамм, а мимо идет четырехкилограммовый кегельбанный шар. Вряд ли он заметит эти кегли на своем пути. Резерфорд ожидал, что все альфа-частицы пройдут сквозь, и все.

Но сотрудники Резерфорда проверили поток частиц по всех направлениях, не только то, что прошло сквозь. И они увидели, что какие-то из альфа-частиц отражаются от пластинки и улетают обратно. Это было совершенно невероятно! Кегельбанный шар, пролетая через нечто, состоящее из ватной консистенции с вкрапленными туда шариками массой, которая в четыре тысячи раз меньше, пройдет через это, не заметив. Но была вторая альтернатива для модели атома, и естественный вывод, который Резерфорд сделал, — атом устроен по-другому. Это не пудинг, а нечто очень тяжелое с массой, сопоставимой с массой альфа-частицы, сосредоточенное в маленьком центре, вокруг которого летает электрон. Если это так, то альфа-частица имеет массу, сопоставимую с ядром атома, и при столкновении с ним она, безусловно, может отразиться, как если кегельбанный шар попадет по кегельбанному шару, то он может отлететь назад.

Резерфорд и его сотрудники измерили, какое количество из общего потока альфа-частиц летит в разных направлениях. Было составлено распределение — это называется сечение рассеяния: поток частиц в этом направлении, поделенный на общий поток падающих. После этого Резерфорд, будучи уже сорокалетним известным ученым, пошел учиться теории вероятности в университет, прослушал курс и вывел формулу для рассеяния. Эту формулу можно найти в первом томе курса Ландау — Лифшица (он называется «Механика»).

Формула устроена так. Рассматриваются рассеивающие центры, которых в пластинке много. Для простоты давайте рассмотрим один рассеивающий центр. На него летит поток из альфа-частиц. Какая доля этих альфа-частиц полетит в направлении, отличном от общего падающего потока? В этой формуле существенно используется то, что у вас поток альфа-частиц точечный, то есть используется какое-то прицельное расстояние. Чем больше прицельное расстояние, тем меньше отклонение альфа-частиц. Чем меньше прицельное расстояние, тем больше отклонение альфа-частиц. Так была написана формула с использованием законов классической механики.

Если же вы откроете третий том Ландау — Лифшица под названием «Квантовая механика», вы с удивлением увидите, что та же самая формула из первого тома выводится и использованием волн. В этой формуле рассматривается рассеивающий центр, он все еще точечный. На него идет поток волн, которыми являются альфа-частицы. Когда идет волна, она заполняет все пространство, и ей прицельного расстояния не нужно. Она рассеивается либо не рассеивается с какой-то вероятностью и с какой-то вероятностью летит в том или ином направлении. Дело в том, что эта волна является волной вероятности. Вы считаете с помощью волновой механики вероятность волны рассеиваться в том направлении и получаете ту же самую формулу, которую получил Резерфорд, рассеивая точечные частицы.

На этом история не заканчивается. Вы открываете четвертый том Ландау — Лифшица, который посвящен квантовой электродинамике, что является уже не квантовой механикой, а квантовой теорией поля. Там рассчитывается формула, — правда, не для альфа-частиц, а для электронов, но ситуация абсолютно аналогичная, и все можно пересчитать для альфа-частиц. Вы получите то же рассеяние волн на рассеивающем центре, дающее ту же формулу, только уже с использованием методов квантовой теории поля. Более того, вы можете рассмотреть ядро как волну и рассеять волну на волне и получите ту же самую формулу. Такой удивительный факт. Эксперимент дает просто формулу вероятности увидеть альфа-частицу, вылетающую в этом направлении. А расчеты вы можете провести как частицами точечными, не имеющими размера вообще, так и волнами, которые заполняют все пространство, и получить тот же ответ.

Можно пойти дальше и посмотреть, как происходит рассеяние частиц в ускорителях. Исходно на ускорителях рассеивали поток частиц на мишенях. Это было энергетически невыгодно. Если вы хотите структуру частиц изучать, то выгоднее рассеивать частицы на частицах, потому что тогда в центре масс энергия сильно выше, чем если мишень покоится, а на нее налетают частицы. Сильно больше выигрыш в энергии. Например, на Большом адронном коллайдере не на мишени рассеивается, а протоны на протоны. Когда Будкер предлагал рассеивать частицы на частицах, над ним смеялись известные ученые, потому что говорили, что он собирается число Авогадро рассеивать на числе Авогадро — попасть точкой в точку.

Когда вы на ускорителе рассеиваете потоки частиц, вам нужно два потока совместить так, чтобы они друг в друга попали. Там откалибровывают и в конце концов сводят два потока в одну точку. Они действительно сталкиваются друг с другом, и происходит рассеяние. Рассчитывают сечение рассеяния потока частиц в разных направлениях. И при расчетах сечения рассеяния частиц получается, что вы используете исключительно волны. Вы используете методы квантовой теории поля и рассеиваете волны. Получаются формулы, которые хорошо описывают то, что происходит в детекторах, какие частицы в каких направлениях летят в результате этого. Это одновременное описание одних и тех же явлений при помощи частиц и при помощи волн.

Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, профессор кафедры теоретической физики МФТИ.

ПостНаука