Нобелевские лауреаты: Жан Батист Перрен. Как взвесить атом?

О человеке, который в своей жизни наработал минимум на три «Нобелевки», но получил одну, о человеке, предвосхитившем открытия Томсона и Резерфорда, о человеке, который понял, почему светит Солнце и сколько весит атом, рассказывает новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Жан Батист Перрен

Родился 30 сентября 1870 года, Лилль, Франция.

Умер 17 апреля 1942 года, Нью-Йорк, США.

Нобелевская премия по физике 1926 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За исследования дискретной структуры материи и особенно за открытие седиментационного равновесия» (for his work on the discontinuous structure of matter, and especially for his discovery of sedimentation equilibrium).

Про нашего героя можно смело сказать: маменькин сынок. Правда, не от хорошей жизни. Отец Жана Батиста и его двух сестер умер от ран, полученных на войне, и детей воспитывала мать. И неплохо воспитывала: после начального обучения в лилльских школах мальчик окончил престижный парижский лицей Жансон-де-Сайи, а затем поступил в элитную парижскую «вышку» — Эколь Нормаль Супериор. И там же остался работать — в качестве ученого на позиции ассистента.

Первое же его научное исследование, начатое в 1894 году, привело к Нобелевской премии. Правда, не 24-летнего кандидата в доктора наук, который писал свою диссертацию, а знаменитого Джозефа Джона Томсона. Перрен первым показал, что поток катодных лучей представляет собой поток отдельных частиц, отрицательно заряженных.

Томсон смог измерить соотношение заряда этих частиц к массе и получил Нобелевскую премию за открытие электрона. Если бы Нобелевский комитет присуждал премии, как он это делает сейчас, крайне редко отмечая одного ученого, у Перрена был бы шанс получить премию уже в 1906 году, а не как у Дюма, 20 лет спустя.

Тем не менее именно работы Перрена и Томсона стали важным этапом в понимании дискретности материи и существования атомов. И это стало частью формулировки Нобелевского комитета два десятилетия спустя.

В том же 1897 году, когда Томсон открыл электрон, а сам Перрен получил докторскую степень, он перебрался в Сорбонну, где начал читать курс физической химии (формально он оставался физхимиком до конца жизни, в 1910 году он возглавил соответствующую кафедру). Древняя Сорбонна стала его главной аффилиацией на сорок три года. И все сорок три года он был не только великим ученым, но и замечательным преподавателем. Среди его учеников можно отметить, например, Пьера Оже — будущего исследователя космических лучей, имя которого носит изучающая их обсерватория в Аргентине.

Несмотря на то, что числился Перрен физхимиком, он продолжал заниматься теорией атома. И именно Перрен в 1901 году выдвинул гипотезу, что атом представляет собой Солнечную систему в миниатюре. После него, в 1904 году Хантаро Нагаока выдвинул теорию, в которой атом представлялся неким подобием Сатурна: атом был ядром, а электроны — кольцами. В 1911 году предложил свою проработанную теорию Резерфорд, который в 1909 году экспериментально открыл атомное ядро, оказавшееся в десятки тысяч раз меньше самого атома.

А Жан Батист еще в 1908 году занялся уже другим — броуновским движением. В 1827 году ботаник Роберт Броун, изучая пыльцу под микроскопом, заметил, что в жидкости частички пыльцы немного дрожат. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил: броуновское движение вызвано хаотическим тепловым движением молекул жидкости. Статья Эйнштейна давала предсказания о характере этого движения, однако сам великий физик сомневался, что при его жизни получится проверить эти предсказания: слишком уж точные требовались измерения.

Перрен не читал статьи Эйнштейна и не знал о его опасениях. Он просто пять лет изучал броуновское движение и делал измерения. Он полагал: если движение взвешенных частиц вызывается столкновениями с молекулами, то, основываясь на хорошо описанных к началу века законах движения газов, можно предсказать их средние смещения за определенный промежуток времени. Но для этого нужно знать размер и массу частиц, плотность и некоторые характеристики жидкости: температуру, плотность, вязкость…

Если бы все получилось, это было бы экспериментальным подтверждением существования молекул. Дело было за малым. Точнее, за очень малым и очень однородным: требовалось получить стандартные крошечные частицы примерно одного заданного размера и известной плотности. Много месяцев ушло на эксперименты с центрифугой и млечным соком растений — гуммигутом. И вот наконец частицы получены, характеристики движения измерены — и они сошлись с предсказаниями Эйнштейна. Итак, молекулы существуют!

Можно было бы остановиться, но Перрену было мало, все-таки он был физхимиком. Он начал изучать оседание крошечных взвешенных частиц. Если молекулы существуют, то частицы меньше определенного размера вообще не будут оседать на дно из-за броуновского движения. Рано или поздно в суспензии образуется седиментационное равновесие.

Тысячи и тысячи наблюдений проводил Перрен, фокусируя свой микроскоп на разную глубину в капле суспензии в седиментационном равновесии, высчитывая число частиц в поле зрения с шагом в 0,12 миллиметра! Перрен установил, что концентрация частиц в жидкости экспоненциально убывает с уменьшением глубины, причем числовые характеристики столь хорошо согласовались с предсказаниями молекулярной теории, что в существовании молекул больше не было сомнения. Помимо этого, он «мимоходом» установил величину числа Авогадро и взвесил атомы и молекулы. В начале XX века это казалось удивительным. А Перрен тем временем потрудился и на фронтах Первой мировой войны, занимаясь разработкой методов обнаружения подводных лодок противника. До сих пор гидроакустики пользуются некоторыми находками Перрена.

В 1919 году Перрен, пожалуй, первым в современной физике высказал предположение, что синтез гелия из водорода, при котором дефект массы (четыре протона имеют массу больше, чем гелий-четыре) превращается в энергию и служит основным источником энергии звезд, заставляя их сиять. Затем эту идею разовьет Ганс Бете и заложит основы нуклеосинтеза (а заодно и получит Нобелевскую премию 1967 года).

В 1926 году пришла законная Нобелевская премия по физике. Впрочем, слава Перрена нисколько не заставила его почивать на лаврах. Он точно так же преподавал физику (в том числе и своему сыну Франсису Перрену, который станет сотрудником Жолио-Кюри, известным атомщиком и конструктором нового типа атомного реактора), организовывал целые научные институты, среди которых Национальный центр научных исследований Франции, знаменитый CNRS, некое подобие нашей Академии наук. Да, и в Академии наук Франции Перрен тоже был не самым последним человеком: в 1923 году он стал ее членом, а в 1938 году возглавил ее. Даже став лауреатом Нобелевской премии, Перрен не забывал о популяризации науки: благодаря ему во Франции в 1937 году появился Дворец открытий — первый в стране научный музей.

Увы, последние годы жизни нашего героя приятными не назовешь: Перрен был социалистом и яростно ненавидел фашизм, поэтому после оккупации Франции он уехал в США. Умер нобелевский лауреат по физике 1926 года в Нью-Йорке, в 1942 году, не дождавшись освобождения Франции. Впрочем, в 1946 году пароход «Жанна д'Арк» вернул его прах на родину. Теперь могила Перрена в Пантеоне.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.