ЕЩЕ ОДНА ЗАГАДКА ПРИРОДЫ
ВЕЛИКАЯ ПУСТОТА
Открытие радиоактивности показало ученым, что из атомов некоторых веществ непрерывно излучаются материальные частицы — атомы гелия и электроны и что электрические заряды — положительные и отрицательные — связаны с этими материальными частицами.
Многое еще было неясно в самом явлении радиоактивности, но ученые уже поняли, каким ценным средством оно может быть при исследованиях строения атома.
И вот, вооружившись этим новым, мощным орудием, уже знакомый нам английский физик Э. Резерфорд в 1903— 1912 годах занялся изучением строения атомов различных веществ, подвергая их бомбардировке частицами, излучаемыми радиоактивными элементами.
Суть его опытов заключалась в следующем.
На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.
Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы последние были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?
Так должны были бы рассеиваться альфа-частицы, если бы атомы бомбардируемого ими вещества были сплошными шариками.
Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, то есть вылетать из золотого листка по самым различным направлениям.
На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад.
Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил:
«Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышлений над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеяние могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен — за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».
На самом деле рассеивание альфа-частиц атомами вещества происходит так.
Действительно, единственным правдоподобным объяснением этому явлению могло быть только то, что положительно заряженные альфа-частицы встречали на своем пути прямо перед собой другие, еще более сильно заряженные положительным электричеством частицы, заряд и масса которых были столь велики, что альфа-частицы отлетали в сторону и даже назад, несмотря на свою огромную скорость (около 20 тысяч километров в секунду), а следовательно, и энергию.
Столь огромные силы отталкивания не могли появиться у атома, положительный заряд которого был бы равномерно распределен по всей сфере атома, как это предполагал Д. Томсон.
Но совсем другая картина получалась, если предположить, что весь положительный заряд и масса атома сосредоточены в очень небольшом объеме. Тогда двум положительным зарядам приближающейся альфа-частицы противодействовали бы силы собранных как бы в кулак 79 таких же положительных зарядов атомов золота. Не имея возможности преодолеть сопротивления столь мощного препятствия, альфа- частица, несмотря на свою скорость, вынуждена отклониться в сторону или, при попадании прямо «в лоб», отскакивать назад.
Тщательный двухлетний обстрел всех «закоулков» атома наконец подтвердил последнее предположение и позволил обнаружить положительно заряженную его часть — ядро атома, в котором сосредоточена почти вся его масса. Это ядро занимает лишь ничтожно малую часть объема всего атома. Примерно одну стотысячную его поперечника.
Атом оказался пуст!
Если увеличить размер атома до размера Земли, а его электроны, расположенные на самой внешней границе атома и образующие как бы оболочку, представить в виде футбольных мячей, катающихся по поверхности Земли, то положительно заряженное ядро атома будет иметь размер шара диаметром всего около 130 м, расположенного в самом центре Земли. Разделять же их будет пустое пространство в 6378 км.
В свою очередь, если сложить вместе ядра атомов так, чтобы они касались один другого, то 1 см3 такого чисто ядерного вещества весил бы... 114 миллионов тонн!
Так как нам все равно не миновать в дальнейшем одного очень любопытного вопроса, попробуем задать его сейчас, а отвечать на него будем в несколько приемов. Что же в таком случае мешает атомам уплотниться и образовать это ядерное вещество?
Почему атом можно назвать пустым.
Если сложить плотно одни только ядра атомов, то 1 см3 такого необыкновенно плотного ядерного вещества весил бы...
В первую очередь этому мешали бы отрицательные электрические заряды электронов атомов: они с такой силой отталкиваются один от другого, что не дают атомам возможности сблизиться на достаточно малое расстояние. Если же лишить атомы этой «первой линии обороны», то есть зарядов электронов, то все равно отталкиваться один от другого с еще большей силой будут положительно заряженные ядра атомов. Мы ведь уже видели, с какой легкостью, точно резиновый мячик, отталкивало от себя ядро атома золота приближающуюся к нему альфа-частицу, хотя та и летела со скоростью 20 тысяч километров в секунду.
На этом мы пока и остановимся, с тем чтобы вернуться к этой проблеме несколько позже.
КАК ЖЕ УСТРОЕН АТОМ?
Теория объяснила, как в данном опыте должны были двигаться альфа-частицы, пролетая мимо положительно заряженного ядра атома золота, на каких расстояниях от него должны были отклоняться и в какие точки светящегося экрана попадать.
Эти опыты, проведенные Резерфордом с безукоризненной точностью, позволили построить новую, «планетарную» модель строения атома. Согласно этой модели, атом состоит из расположенного в самом его центре положительно заряженного ядра, а вращающиеся электроны образуют вокруг него как бы внешнюю оболочку. Названа такая модель по аналогии с Солнечной системой. Подобно планетам, электроны вращаются вокруг ядра, как вокруг своего солнца.
От количества этих вращающихся электронов и их расположения в оболочке атома и зависят химические свойства элементов.
Мысли Резерфорда в дальнейшем развил его ученик — знаменитый датский физик Нильс Бор.
Собственно говоря, такую модель атома можно назвать моделью Резерфорда — Бора.
Простейшим атомом является атом водорода. Его ядро, названное протоном, в 1836 раз тяжелее вращающегося вокруг него единственного электрона, который к тому же еще вращается вокруг собственной оси.
Ядра атомов всех других элементов тяжелее протона. Вот, например, следующий за водородом гелий. Масса его ядра вчетверо превосходит массу протона. Вокруг этого ядра вращается уже два электрона.
А ядро урана в 238 раз тяжелее протона, и вращаются вокруг него 92 электрона.
Планетарные модели атомов водорода, гелия, кислорода и алюминия.
Атом урана.
Число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, всегда соответствует положительному заряду ядра, поэтому в целом атом нейтрален. И это число электронов в точности совпадает с порядковым номером элемента.
Д. И. Менделеев был прав, расположив некоторые элементы не в порядке возрастания их атомного веса, который по некоторым причинам — а они станут ясны читателю через несколько страниц — не мог быть точно измерен. Химические свойства этих элементов зависят исключительно от числа электронов на внешней оболочке атома. Это оказалось важнее атомного веса. Один из учеников Резерфорда, англичанин Дж. Чедвик. попробовал высчитать на основании рассеяния альфа-частиц заряд ядер атомов меди и серебра.
Порядковый номер серебра в таблице Д. И. Менделеева — 47, а Чедвик получил 46,3 ± 0,7. Для меди — 29-я клетка системы — опыты дали 29,3 ± 0,45 (знаки плюс-минус означают возможную ошибку, которую могли сделать ученые при измерениях).
Это, конечно, прекрасное совпадение теории с опытом.
В 1913 году английские ученые Фаянс и Содди самым точным образом установили, как же происходит радиоактивный распад.
Правило, установленное ими, так и называется правилом смещения Фаянса — Содди.
Каким образом меняется заряд ядра и его масса при радиоактивном распаде, согласно правилу смещения Фаянса — Содди.
Если ядро атома радиоактивного элемента испускает альфа-частицу, оно теряет две единицы положительного заряда и четыре единицы массы.
Образовавшийся более легкий элемент занимает в периодической системе место на две клетки левее исходного.
При бета-распаде масса ядра атома остается практически неизмененной, а положительный заряд его ядра увеличивается на единицу, так как ядро испускает отрицательную частицу. Атом, испустивший электрон, передвигается в периодической системе на одну клетку вправо.
Так, например, испустив альфа-частицу, ядро атома радия (порядковый номер 88, атомный вес 226), как мы уже рассказывали, превращается в радон (порядковый номер 86, атомный вес 222).
А вот бета-излучатель радий В (порядковый номер 82, атомный вес 214), испустив электрон, превращается в радий С (порядковый номер 83, атомный вес прежний).
Радиоактивный распад и всевозможные реакции, происходящие с ядрами, можно записывать аналогично химическим реакциям. Справа от символа элемента проставляется вверху атомный вес, а слева внизу — порядковый номер.
Тогда радиоактивный распад радия изобразится таким образом:
Этими способами обозначения мы в дальнейшем и будем пользоваться.
ЧТО ОЗНАЧАЮТ "УРОВЕНЬ ЭНЕРГИИ" И "ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ"
Планетарная модель строения атома очень приблизительно и весьма неточно описывает чисто внешнюю, умозрительную картину взаимного расположения ядра и вращающихся вокруг него электронов. Однако дальше аналогия будет становиться уже крайне условной и натянутой, ибо поведение и взаимодействие частиц, из которых складывается атом, подчиняются законам, не совпадающим с привычным для человеческого мышления «здравым смыслом». Короче говоря, понимать и описывать поведение электронов и их взаимодействие с ядром атома и атома в целом оказывается значительно легче и более правильно, если перейти от понятий оболочек, орбит, траекторий вращения, скоростей и т. п. к понятиям уровней энергии, хотя мы для упрощения изложения будем вынуждены все же довольно часто пользоваться этими терминами.
Каждому месту в пространстве, занимаемому вращающимся вокруг собственной оси и вокруг ядра атома электроном, соответствует строго определенный уровень энергии, и находиться на том пли ином уровне электрон может только в том случае, если количество энергии, отделяющее его от уровня энергии другого электрона (а следовательно, и расстояния от ядра атома), равно строго определенной величине. Чем дальше от ядра вращается электрон, тем выше уровень его энергии. На одном н том же уровне энергии в атоме может находиться не более двух электронов.
Когда в беспредельно бесконечном прошлом Вселенной складывались атомы, не каждая комбинация из ядер и электронов давала сразу же готовый атом того или иного элемента. Наоборот, элементы получались такими, какие они есть, только в тех случаях, когда в их оболочки после множества неудач наконец-то втискивалось строго определенное количество электронов. На Земле мы их застали уже готовыми, и нам не приходит в голову, что они могли бы сложиться как-то по-иному.
Электронвольт — единица для измерения энергии движущихся частиц и излучений.
Итак, для любого атома данного химического элемента существует ряд устойчивых (стационарных) состояний, в каждом из которых его электронная оболочка обладает вполне определенным запасом (уровнем) энергии. Когда атом находится в одном из таких стационарных состояний, он не излучает никакой энергии, ибо такое излучение возможно только в том случае, если электрон возвращается с одной из орбит неустойчивого состояния атома (возбужденного атома) на орбиту, соответствующую нормальному, устойчивому состоянию атома.
Поэтому излучение энергии происходит лишь в том случае, когда атом переходит из одного стационарного состояния в другое, обладающее меньшим запасом (уровнем) энергии. Излученная им энергия при этом будет в точности равна разности первоначального и конечного уровней энергии. Более подробно об этом будет сказано в главе четвертой.
Энергия атомных частиц, как бы они быстро ни двигались, ничтожно мала. Ее невозможно измерять обычными величинами. Ведь даже мельчайшая единица энергии — эрг1 не годится для этой цели!
Подняв со стола на полку книгу весом 900 г, вы увеличите энергию атомов, из которых она состоит, на 25 миллионов эргов!
Поэтому была принята особая единица, которой условились измерять энергию этих частиц. Она называется электронвольт (обозначается эв).
Что такое электронвольт?
Когда заряженная частица попадает в электрическое поле, оно разгоняет ее до большой скорости. При этом энергия частицы, естественно, увеличивается.
За новую меру энергии и принято увеличение энергии электрона, разогнанного полем в 1 вольт (с).
Пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 в, электрон приобретает скорость, равную 593 км/сек, и кинетическую энергию, равную произведению его заряда на разность потенциалов, то есть 1,6·10-12 эрга, или 1,6·10-19 джоуля . Эту энергию мы и называем 1 электронвольт. Выраженная в этих единицах, средняя энергия хаотического движения молекул и атомов газа при комнатной температуре (20°С) составляет около 0,03 эв. Тщательные измерения энергетических уровней частиц показали, что на поверхности Солнца, температура которой примерно 6000°, средняя энергия теплового движения частиц солнечной атмосферы равна приблизительно 0,5 эв. Энергии движения частиц, равной 1 эв, соответствует температура уже в 11 600°!
Джоуль — практическая единица работы, равная 107 эргов.
ОБ ОДНОМ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНОМ ВРАЧЕ
С того времени, когда ученым удалось впервые лишь приближенно определить атомный вес различных элементов, их поразила закономерность, с какой этот вес увеличивался от элемента к элементу. Если вес самого легкого элемента — водорода — принять за единицу, атомные веса всех остальных элементов почти точно выражались целым числом.
Эта удивительная закономерность дала повод лондонскому врачу Вильяму Прауту еще в 1816 году утверждать, что «если бы атомы всех химических элементов были первичными основными частицами, подлинными «кирпичами мироздания», не разложимыми на части и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в 14 раз тяжелее атома водорода, а кислородный атом ровно в 16 раз». По мнению Праута, атомы всех веществ сложены именно из атомов водорода. Атом азота — это 14 атомов водорода, тесно связанных один с другим, атом кислорода — 16 атомов водорода, и т. д.
Эта идея могла бы в дальнейшем оказать громадное влияние на развитие химии и физики, если бы при последующих, более точных измерениях атомных весов не выяснилось, что они все же не являются целыми кратными атому водорода и что это различие иногда столь значительно, что не может быть больше объяснено неточностями измерений, как это было во времена Праута.
Теорий, могущих сколько-нибудь удовлетворительно объяснить подмеченную Праутом закономерность, в то время предложено не было, и эта блестящая догадка любознательного врача была основательно забыта, чтобы снова явиться, на этот раз уже с большим успехом и в значительно видоизмененной форме, в начале XX века.
Резерфорд доказал, что ядра всех атомов заряжены положительно и что масса ядра практически является массой всего атома.
Но если считать все ядра атомов состоящими из ядер водорода — протонов, сразу становилось непонятным одно обстоятельство: заряд ядра и атомный вес численно совпадали только у водорода. У всех остальных элементов масса ядра оказалась гораздо большей.
Какие же тогда частицы, кроме протонов, входят в состав атомных ядер? Ведь на первый взгляд количество протонов не может быть больше суммарного положительного заряда ядра. Или, может быть, протоны у каждого атома разные?
Чтобы как-то обойти эту неприятность, была выдвинута и обоснована новая модель строения атомного ядра, учитывающая все, о чем мы сейчас говорили.
Таким представляли себе ученые устройство ядра атома, пытаясь объяснить непонятную разницу между его атомным номером (зарядом) и атомным весом (массой).
Выглядела она так.
Ядра всех атомов сложены из протонов, число которых в точности равно атомному весу элемента. Но вместе с протонами в состав ядра входят электроны, отрицательные заряды которых нейтрализуют часть этих положительно заряженных частиц. Число таких электронов и равно разности между атомным весом и суммарным зарядом ядра.
Это довольно убедительно объясняло все известные в то время факты, а о наличии в ядрах электронов свидетельствовал бета-распад, так как при этом процессе из ядер атомов радиоактивных веществ вылетали самые настоящие электроны.
Некоторые ученые даже предполагали, что в тяжелых ядрах, кроме протонов и электронов, могут находиться также и альфа-частицы.
ЧТО ТАКОЕ ИЗОТОПЫ?
Однако принять полностью картину протонно-электронного строения атомного ядра по-прежнему мешало то обстоятельство, на которое мы уже указывали.
Речь идет об упомянутом раньше непонятном противоречии между атомным номером, то есть целым числом пар положительных и отрицательных зарядов атома, определяющих химические свойства элемента, и его теперь уже точно установленным дробным атомным весом.
Если считать, что самый легкий из существующих в природе атомов — атом водорода — состоит из одного протона и вращающегося вокруг него одного электрона, то этот атом, как это вполне убедительно доказывал в свое время Праут, вполне мог явиться тем элементарным кирпичом, из которых составлены все другие более сложные атомы.
Атомный вес атома любого элемента первоначально определялся как вес его по отношению к весу атома водорода. Позднее атомным весом элемента стали считать отношение веса любого атома уже не к весу атома водорода, а к 1/16 веса атома кислорода. Вес 1/16 части атома кислорода равен 1,674· 10-24 г. Эту величину стали условно называть атомной единицей массы (а. е. м.). Следует, однако, заметить, что недавно ученые условились принимать за атомную единицу массы отношение веса атома к весу 1/12 части атома углерода 6С12.
Если бы прав был Праут, то и вес атома водорода и 1/16 веса атома кислорода равнялись бы точно единице. Но снова загвоздка — атомный вес каждого из всех других атомов не равен сумме атомных весов слагающих его атомов водорода, а принимает почему-то слишком явные дробные значения.
Например, атомный вес железа равен 55,75, и если еще можно было допустить, что атом железа во столько раз тяжелее атома водорода, то никакой силой воображения нельзя представить себе, что ядро атома железа составлено из 55 целых и 75 сотых ядра атома водорода.
Занявшись исследованиями радиоактивных элементов, ученые столкнулись и с некоторыми другими непонятными явлениями. Многие из вновь открываемых ими радиоактивных веществ по своим химическим свойствам оказались совершенно одинаковыми с ранее известными элементами. Например, открытое в 1906 году вещество ионий 901о230 оказалось одинаковым с давно известным элементом торием, и разъединить их любым применяемым тогда химическим способом было невозможно. Открытый на следующий год мезоторий химически ничем не отличался от радия. Свинец, полученный после полного распада радия, имел все свойства свинца, но отличался от обычного свинца атомным весом, и т. д.
В некоторые клетки периодической системы элементов Менделеева, таким образом, попадало несколько видов атомов, у которых имелся одинаковый заряд, но разная масса.
Эти атомы-двойники получили название изотопов (от греческих слов «изос» — «равный» и «топос» — «место»).
Мезоторий-1 оказался изотопом элемента радия, ионий — изотопом тория, радий В и радий D — изотопами свинца.
Но изотопы оказались не только у радиоактивных веществ.
С помощью специальных приспособлений, сложных приборов и установок ученые сумели доказать наличие изотопов у всех существующих элементов.
Как это было сделано? Как все-таки ученым удалось установить, что существуют одинаковые элементы с различным атомным весом? Ведь чтобы доказать это, надо было отделить такие атомы один от другого. Но как?
Химически этого сделать нельзя, так как химические свойства изотопов совершенно одинаковы. Электрическое поле также не может помочь — число электронов и заряд ядра у изотопов тоже одинаковы.
МАШИНА, СОРТИРУЮЩАЯ АТОМЫ
Для разделения этих столь близких один к другому атомов были придуманы специальные машины.
Мы уже говорили, что в обычном состоянии атом нейтрален.
Чтобы иметь возможность воздействовать на него электрическим или магнитным полем, надо создать в нем электрический заряд, то есть ионизировать атом, оторвав от него один или несколько электронов. Тогда он превратится в положительно заряженный ион, на который уже можно воздействовать электрическим или магнитным полем.
Схема устройства трубки, при помощи которой впервые были получены катодные электронные лучи и так называемые каналовые лучи (поток положительно заряженных ионов).
Для этого интересующий нас элемент необходимо привести в газообразное состояние и заключить в прибор (трубку), упрощенная схема которого показана на стр. 44.
По ряду причин в любом газе всегда имеется некоторое количество свободных электронов. Если к электродам прибора подвести достаточно высокое электрическое напряжение, то эти свободные электроны немедленно устремятся к положительно заряженному аноду. Сталкиваясь по дороге с остальными атомами газа, они будут ионизировать их. Появившиеся при этом новые свободные электроны, в свою очередь, тоже устремятся к аноду и по пути также будут отрывать электроны от встречных атомов, и т. д. Количество ионизированных атомов будет умножаться лавинообразно.
А что будет происходить с образующимися в сосуде положительными ионами газа?
Они устремятся в обратную сторону — к отрицательно заряженному электроду (катоду) трубки — тоже с очень большой скоростью, но значительно медленнее, чем электроны: ведь они в несколько тысяч раз тяжелее электронов.
В катоде имеется отверстие в виде узкого и длинного канала. В это отверстие попадут не все ионы, летящие к катоду, а только те, которые движутся по оси этого канала.
Разогнавшись под действием отрицательного напряжения, приложенного к катоду, ионы с ходу проскакивают сквозь узкий канал и вылетают во вторую, удлиненную часть трубки. Здесь при помощи электродов, к которым подведено высокое отрицательное напряжение, ионы сначала получают дополнительное ускорение, а затем влетают в сильное магнитное поле, под действием которого их путь искривляется, после чего они попадают на специальную пластинку — мишень.
Естественно, что ионы, имеющие различные массы, под действием магнитного поля отклонятся под разными углами. Чем легче изотоп, тем сильнее искривляет его траекторию магнитное поле.
В результате, пройдя магнитное поле, изотопы соберутся каждый в определенной части мишени.
Повторив такую операцию несколько раз, можно почти полностью разделить элемент на составляющие его изотопы.
На этом принципе и работает довольно сложный прибор, разделяющий изотопы — масспектрограф Астона, названный так по фамилии английского физика, предложившего эту конструкцию.
С помощью таких приборов ученые обследовали все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Оказалось, что одни элементы состояли из небольшого числа изотопов, у других их набралось более десятка.
Теперь очень просто было объяснить и загадку, причинявшую столько хлопот ученым, — дробные атомные веса некоторых элементов.
Дело в том, что изотопный состав каждого элемента, встречающегося на Земле, — величина постоянная.
А поскольку элемент состоит из различных по массе атомов, общий атомный вес его может оказаться дробным.
Возьмем, например, газ неон. Его атомный вес 20,2. Точные измерения показали, что на самом деле это смесь из трех изотопов: 90% составляет изотоп с атомным весом 20; 0,27% — с атомным весом 21; 9,73% — с атомным весом 22.
Масспектрограф — прибор, при помощи которого, как на веялке, удается сортировать изотопы атомов.
Так должны были бы выглядеть некоторые клетки таблицы Д. И. Менделеева, если бы в них были проставлены все природные изотопы одних и тех же элементов.
Подсчитаем теперь атомный вес всей смеси изотопов природного элемента неона:
20-0,9 + 21 х 0,0027 + 22 х 0,0973 х 20,1973 х 20,2.
Атомный вес неона, полученный опытным путем, составляет 20,2. Как видите, совпадение полное.
Природное железо состоит из четырех изотопов с атомным весом 54, 56, 57 и 58, которые в смеси дают атомный вес этого элемента, равный 55,84.
Даже некоторые из элементов (водород и кислород), атомные веса которых практически измерялись целыми числами, также оказались состоящими из нескольких изотопов.
Так, у кислорода было найдено три изотопа. Основным является изотоп с атомным весом 16 (99,76%), но, кроме него, имеются еще изотопы с атомным весом 18(0,2%) и 19(0,04%).
Таблица изотопов некоторых элементов изображена на рисунке.
Так была разгадана еще одна загадка, долгие годы путавшая ученых.
МИР КРОШЕЧНЫХ ЧАСТИЦ И ОГРОМНЫХ ЭНЕРГИЙ
Несмотря на ряд вольных и невольных отступлений, которые мы вынуждены были делать в ходе изложения предыдущих глав, нас все же продолжает интересовать основной вопрос всего повествования: почему все-таки самые разнообразные физические воздействия и химические реакции не влияют на ядро атома? Почему они оставляют его совершенно неизменным?
При сближении ядер атомов между ними начинают действовать непрерывно возрастающие силы отталкивания. Если расстояние между ядрами уменьшается вдвое, сила их отталкивания увеличивается в четыре раза.
Ответ на этот вопрос заключается в том, что под действием обычных сил и энергий атомы могут приблизиться один к другому лишь на расстояние, при котором начинают соприкасаться и взаимодействовать их самые внешние электронные оболочки.
Сами же ядра атомов, учитывая их ничтожно малые размеры, будут при этом находиться все еще на огромном расстоянии одно от другого и от точки соприкосновения их электронных оболочек.
Какие-либо реакции между ядрами, в ходе которых изменялись бы сами ядра, могли бы произойти только в том случае, если бы удалось заставить ядра соприкасаться. А этому, как мы видели, мешают положительные заряды ядер атомов. Действующие между ними силы отталкивания, согласно закону Кулона, прямо пропорциональны этим зарядам и обратно пропорциональны квадрату расстояния между центрами ядер.
На первый взгляд силы отталкивания, которые действуют между ничтожно малыми по объему и массе ядрами атома, могут показаться крайне незначительными. Однако это не так. Силы отталкивания электрических тел на расстояниях, сопоставимых с размерами ядер атомов, оказались невероятно большими.
Тем не менее у ученых возникла проблема: нельзя ли проникнуть, пробиться к ядру атома, и не только проникнуть, но и попытаться нарушить структуру и, может быть, даже разрушить его, чтобы узнать, как и из чего именно оно сложено?
"АТОМНАЯ АРТИЛЛЕРИЯ"
В случае успеха это, возможно, позволило бы решить древнюю мечту человечества о преобразовании элементов. Осуществить эту цель ученые надеялись с помощью «атомной артиллерии» — частиц, излучаемых самими радиоактивными веществами.
Только эти частицы или же частицы, разогнанные в специальных, появившихся в это время ускорителях, могли бы проникнуть сквозь надежную охрану ядра, разбить его или нарушить структуру этого довольно прочного образования.
При этом могло образоваться новое ядро или ядро просто могло полностью развалиться на составляющие его частицы.
Конечно, ученым хорошо были известны встающие перед ними трудности.
Ведь ядро атома как бы заковано в двойную броню. От проникновения к нему электронов оно защищено отталкивающей силой мощной электронной оболочки, а от проникновения внутрь ядра положительных ионов оно столь же надежно укрыто отталкивающей силой своего суммарного положительного заряда.
Как и в обычной артиллерии, решающими факторами являются скорость снаряда и его вес.
Электроны, выбрасываемые радиоактивными веществами, обладают огромными скоростями. Но зато их масса настолько мала, что отклонить их от прямолинейного пути очень легко.
В свою очередь, альфа-частицы, будучи намного тяжелее электрона (в семь с лишним тысяч раз), летят со скоростью, всего лишь в 15 раз меньшей.
В общем, шансов разбить ядро атома оказалось больше у альфа-частиц, чем у электронов. Но, чтобы достигнуть ядра атомов тяжелых элементов, частицы должны обладать энергией, равной по меньшей мере 25 Мэв. А энергия самых быстрых альфа-частиц, испускаемых естественными радиоактивными элементами, не превышает 10,6 Мэв.
Поэтому с самого начала было ясно, что пытаться бомбардировать частицами ядра атомов тяжелых элементов с их огромным положительным зарядом было делом заведомо безнадежным. Если и можно было на что-либо рассчитывать, то только на результаты обстрела ядер атомов самых легких элементов и то при попадании в них строго «лоб в лоб».
Но и здесь поистине уместна поговорка о «стрельбе из пушек по воробьям». Единственная, пожалуй, неправильность будет та, что стрельба из пушек по воробьям — дело более благодарное и дало бы больше результатов, потому что здесь и цель покрупнее и число попаданий наверняка обещает быть большим.
Так выглядело первое «орудие атомной артиллерии», примененное в опытах Э. Резерфорда.
С самыми оптимистическими надеждами и более чем скромными ресурсами приступил Э. Резерфорд в 1919 году к опытам по бомбардировке альфа-частицами атомов ряда устойчивых элементов, стремясь искусственно вызвать превращение одних элементов в другие.
Эти удивительно остроумные и блестящие по замыслу опыты были осуществлены исключительно простыми средствами.
Крошечное количество радиоактивного вещества, излучающего альфа-частицы, помещалось на острие, установленном в центре трубки, против отверстия, закрытого тонкой металлической фольгой. За фольгой находились люминесцирующий экран и микроскоп для наблюдения и счета появляющихся на экране вспышек. Затем из трубки тщательно откачивался воздух, и она наполнялась каким-нибудь газом.
Острие с крупинкой радия располагалось на таком расстоянии от экрана, чтобы выбрасываемые радием альфа- частицы никак не могли долететь до него.
Расчет опыта был таков: если тяжелая альфа-частица попадет в ядро атома наполняющего трубку газа, то это ядро разрушится совсем или от него отлетит какой-нибудь осколок. И в том, и в другом случае длина пробега более легких осколков, родившихся в недрах разрушающегося атома газа, может быть гораздо больше, чем длина пробега бомбардирующих альфа-частиц, и они долетят до экрана, вызывая его свечение (вспышку).
Опыты долго не давали результатов, пока в трубку не был введен азот. Тогда на люминесцирующем экране стали появляться отдельные яркие вспышки — следы выбитых из атомов азота частиц.
Когда были подсчитаны их скорость, длина пробега и масса, оказалось, что это протоны, то есть ядра атомов водорода, которого в трубке заведомо не было.
А спустя некоторое время в трубке можно было обнаружить еще и небольшое количество очень редкого изотопа кислорода с атомным весом 17.
Оставалось только предположить, что при прямом попадании в ядро атома азота альфа-частица не отскакивала, а застревала в нем, в результате чего образовалось ядро, имеющее заряд 9 и атомный вес 18. Это ядро принадлежало уже неустойчивому изотопу фтора, который сравнительно быстро распадался, выбрасывая протон. При этом образовалось ядро изотопа кислорода с атомным весом 17.
Таким путем впервые удалось превратить атом азота в атом кислорода.
Это преобразование ядер может быть записано таким образом:
Альфа-частица, соединяясь с ядром азота, превращает его в ядро фтора. который, распадаясь, в свою очередь, превращается в ядро кислорода и отдельный протон.
Первая в истории науки искусственная ядерная реакция — расщепление ядра атома. «Выстрел», который в один день был услышан во всем мире!
Продолжая дальше эти опыты, ученые нашли, что альфа- частицы могут выбивать протоны из ядер атомов остальных легких элементов, превращая их в ядра атомов более тяжелых элементов. Например, бомбардируя альфа-частицами ядра атомов алюминия, удалось превратить их в ядра атомов кремния.
Таким образом, путем бомбардировки атомов легких элементов альфа-частицами человеку впервые удалось превратить один химический элемент в другой. Правда, до получения реального золота и после этого было, пожалуй, столь же далеко, как и в средние века. Но то, что было открыто, явилось намного более важным, чем просто способ получения золота из свинца.
Тщательные измерения энергии вылетающих из ядра атома фтора-18 протонов неожиданно показали, что их энергия значительно превышала энергию выбивших их альфа- частиц, хотя последние были в четыре раза тяжелее и, казалось, все должно было бы происходить наоборот.
А раз так, то ядра атомов не только радиоактивных, но и всех обычных элементов можно было не без оснований считать своеобразным складом энергии, которая могла бы при некоторых благоприятных обстоятельствах быть высвобожденной.
Действительно, чем глубже ученые изучали ядро атома, тем все больше и больше поводов давало оно для сравнения с туго закрученной пружиной, которую удерживали какие-то неведомые защелки. И вот теперь ученым удалось пока еще вслепую нащупать и спустить некоторые из них.
Почему попытка использовать энергию, выделяющуюся при превращении атома алюминия в атом кремния, оказалась «стрельбой из пушки по воробьям».
О том, какие примерно энергии выделяются при химических и ядерных реакциях, говорят следующие числа: при горении углерода на один его атом приходится энергия, равная 4,2 эв. На расщепление же, например, ядра алюминия быстрой альфа-частицей и превращение его в ядро кремния с выбрасыванием протона требуется затратить 7,7 Мэв энергии. В результате же этого расщепления вместе с осколками выделяется 10,7 Мэв энергии, или чистый выигрыш в 3 Мэв. Это уже в 700 тысяч раз превосходит энергию, которую можно получить при сжигании угля.
Казалось бы, что такой колоссальный выигрыш энергии, получаемый при бомбардировке ядер атомов альфа-частицами, и является достижением той цели, к которой стремился человек. Реально сбылась головокружительная мечта о чудесной коробочке с неиссякаемой энергией.
Но из каждого миллиона атомных «снарядов» — альфа- частиц, выпущенных по ядрам алюминия, — только около 20 попадали в цель и производили расщепление с соответствующим выигрышем энергии.
Остальные 999 980 альфа-частиц пролетали мимо или отскакивали в стороны. Результаты стрельбы были неутешительными и даже необнадеживающими.
Достигнуть заветной цели и сложить оружие под давлением столь неопровержимых фактов! А факты явно говорили, что возможный выигрыш энергии от расщепления 20 атомов даже в ничтожнейшей доле не покроет расхода энергии, затраченной на эту «стрельбу по воробьям».
Было от чего прийти в отчаяние.
Но, прежде чем рассказывать дальше о волнующих открытиях ученых, ознакомимся с некоторыми основными методами исследования ядерных частиц. Об электроскопе и спинтарископе мы уже говорили. Теперь время рассказать о более сложных приборах.
