Один из возможных методов был известен Резерфорду еще по работам Крукса: тот заметил, что экран из сернистого цинка светится, когда на него падают альфа-лучи. Резерфорд, повторив этот эксперимент, обнаружил, что свечение экрана представляет собой сумму отдельных маленьних вспышек, и предположил, что каждая такая вспышка, называемая сцинтилляцией, есть результат удара альфа-частицы об экран. А раз так, то по количеству вспышек, если бы их удалось подсчитать, можно судить о количестве альфа-частиц.
Вскоре этот метод усовершенствовал немецкий физик Эрих Регенерер из Берлинского университета. Он сконструировал изящный прибор. На стекло с одной стороны наносился тонкий слой сернистого цинка, а на другую сторону наводился окуляр микроскопа; и, когда перед стеклом помещали источник альфа-лучей, в поле зрения микроскопа были хорошо видны отдельные вспышки света, и можно было даже довольно точно подсчитать их количество в единицу времени.
Когда Резерфорд узнал об этом, он тут же попросил Гейгера сделать такой же счетчик у них в лаборатории; и когда он был сделан, то очень им понравился, хотя требовал колоссального напряжения при подсчете. Шутка сказать: в одну секунду из миллиграмма радия вылетает 130 тысяч альфа-частиц.
Конечно, не все их нужно уловить глазом, счет ведется на определенной площади, но напряжение все равно очень велико. Ганс Гейгер, которому больше других приходилось заниматься этой изнурительной работой и который даже стал своеобразным миллионером — за время работы в Манчестере он насчитал в общей сложности миллион альфа-частиц, — вспоминает, как это было обставлено. «В памяти возникает мрачный погреб, в котором Резерфорд устанавливал свои чувствительные приборы для изучения альфа-частиц. Тот, кто спускался туда по двум ступенькам, прежде всего слышал в темноте голос профессора, предупреждавшего, что помещение пересекает на высоте головы горячий трубопровод, и, кроме того, необходимо осторожно, чтобы не упасть, перешагнуть две водопроводные трубы. После этого наконец в слабом свете вошедший различал самого Резерфорда, сидящего у прибора». Вот в этом темном подвале, подолгу не выходя, чтобы глаза не теряли способность видеть в темноте все слабые вспышки, и работали Гейгер и Резерфорд.
В начале 1909 года к ним присоединился еще один исследователь — студент последнего курса Эрнест Марсден, которому суждено было сыграть в развитии атомной физики некоторую роль. Поначалу, его роль выражалась в том, что он попросил «папу» — так ученики любовно называли своего учителя, — чтобы он дал ему какое-нибудь самостоятельное исследование, но попроще. «Папа» задумался: что бы такое дать «мальчику» — так он, тоже любовно, называл своих учеников, чтобы и увлечь его работой, и вместе с тем не отпугнуть трудностью.
Сам он в то время интересовался рассеянием альфа-частиц — явлением, которое он впервые увидел еще в Монреале. Суть его заключалась в том, что альфа-частицы, проходя сквозь вещество, иногда немного отклонялись от своего прямолинейного пути. Это показалось тогда Резерфорду странным; было неясно, как альфа-частицы, летящие с огромной скоростью, успевают повзаимодействовать с отдельными атомами. Отклонения были, правда, небольшие — доли градуса, — но все равно, что-то же заставляло несущиеся стремглав частицы чуть сворачивать в сторону.
В то время в физике господствовало представление об атоме как о сферическом облаке, состоящем из положительных зарядов, в которое вкраплены отрицательно заряженные электроны. Эту модель разработал Дж. Дж. Томсон; иногда ее называли «пудинг с изюмом»; изюм — электроны, а рис, если это рисовый пудинг, — положительные заряды.
Так вот, рассеивание альфа-частиц как-то не вязалось с «пудингом». Если атом — равномерная смесь положительных и отрицательных зарядов, альфа-частицы должны бы легко пронизывать ее, никуда не отклоняясь. То есть складывалась ситуация, напоминающая басню Крылова «Слон и Моська»: масса электрона слишком мала, чтобы даже при столкновении оказать хоть малейшее влияние на альфа-частицу; по расчетам, нужно не меньше ста тысяч ударов, чтобы ее замедлить.
Но поскольку факты небольшого рассеивания все же существовали, они не давали Резерфорду покоя, как каждое необъяснимое явление, и он время от времени возвращался к нему, пытаясь подсчитать количественно, на какую величину отклоняются альфа-частицы. Он немало помучил Гейгера этими подсчетами; и по ним получалось, что некоторое небольшое рассеяние все же есть, и для него даже удалось установить закономерность.
И вот тут появляется Эрнест Марсден и ждет, чтобы его пристроили к какому-нибудь несложному исследованию. И «папе» приходит в голову счастливая, как вскоре оказалось, мысль: засадить «мальчика» считать отклонения альфа-частиц на большие углы — вдруг они тоже происходят. При этом он предупредил Марсдена, чтобы тот не рассчитывал увидеть что-нибудь интересное; по-видимому, частицы будут спокойно проходить сквозь золотую фольгу толщиной всего в пять стотысячных сантиметра, в крайнем случае немного отклоняться, как это уже не раз видели они с Гейгером в газах.
Марсден, довольный, что получил возможность приобщиться к высокой науке, причем на участке, на котором работает сам Резерфорд, отправился с Гейгером в знаменитый подвал, чтобы заняться делом.
Сначала они соорудили нехитрую установку, слегка видоизменив предыдущую схему. Раньше Гейгер ставил экран за исследуемым объектом, чтобы увидеть по вспышкам, насколько далеко от центра окуляра рассеиваются частицы. А здесь Марсден предложил поставить экран под углом к фольге, и не позади нее, а перед ней, а трубу микроскопа поместить, как и раньше, за экраном. А чтобы альфа-частицы не бились прямо об экран, между радиоактивным источником и экраном поставить толстую свинцовую пластину. Тогда в микроскопе будут видны только те частицы, которые отскочат от поверхности фольги — если они вообще отскочат. Но скорее всего этого не случится, потому что коль скоро сам Резерфорд не верит в такую возможность, то, значит, ее и быть не может. Но попробовать надо — чтобы не упрекать себя потом, что не убедились в справедливости предположения всеми возможными способами.
Итак, Марсден уселся за микроскоп, подержал немного глаза закрытыми, чтобы привыкнуть к темноте, потом прильнул к окуляру. То, что он увидел, поразило его: на экране вспыхивали сцинтилляции.
Сначала он решил, что это просто рябит в глазах от напряжения. Подождал немного, снова посмотрел: да нет, искры периодически вспыхивали. Что же получалось — альфа-частицы отскакивают от поверхности металла? Не веря глазам своим, Марсден позвал Гейгера. Тот уселся за микроскоп и увидел то же самое. Значит, это не мираж, не воспаленное воображение, это какой-то непонятный факт.
Побежали к «профу» — как называл Резерфорда Гейгер; его строгое немецкое воспитание не позволяло пользоваться фамильярным «папой». Резерфорд послушал их и сказал, что этого не может быть, что это «неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил вас самих». Это его подлинные слова, и они показывают, во-первых, как образно он видел предмет исследования, а во-вторых, как силен был гипноз атомной модели Томсона — она и впрямь не позволяла его сотрудникам видеть то, что они увидели.
Тем не менее факт оставался фактом, и Резерфорд тут же и сам в этом убедился. Отдельные альфа-частицы отскакивали от металлической фольги, словно на что-то натыкаясь. Тогда Марсден, по совету Резерфорда, продолжил опыт, увеличив толщину металла; вместо одной тонкой фольги взял две, потом три, потом целую пачку. Нужно было убедиться, происходит ли отскакивание частиц и в глубине металла, не есть ли это только поверхностный эффект. Толщина одной фольги соответствовала, согласно модели Томсона, двум тысячам атомов. Когда Марсден сложил пачкой пять пластинок, атомов стало десять тысяч. И все равно процесс отскока продолжался в глубине вещества, и, чем толще становилась пачка, тем больше частиц отлетало назад, и когда Марсден и Гейгер подсчитали их количество, то оказалось, что, хотя оно составляет небольшую долю по сравнению с проскочившими частицами — одна на восемь тысяч, — все же растет прямо пропорционально толщине пачки.
