За последние пятьдесят-шестьдесят лет физики сделали немало ошеломляющих открытий, среди которых трудно назвать наиболее значительное.
Однако по своим последствиям для науки, — а конечные результаты начинают сказываться лишь сегодня, — едва ли не самым важным было одно совершенно неожиданно открытое явление. В 1896 году, в самом конце прошлого века, французский физик Анри Беккерель неожиданно обнаружил, что препарат соли металла урана испускает невидимые лучи, проникающие через непрозрачные слои вещества и вызывающие почернение фотографической пластинки. После ряда опытов выяснились следующие загадочные обстоятельства.
Лучеиспускание препарата не зависело ни от каких внешних причин: ни нагревание, ни охлаждение, ни химические превращения не изменяли излучения. Опыты с чистым ураном (химический знак U) показали, что это он является источником лучей. И — что удивительнее всего — излучение урана не ослабевало со временем, словно оно не производило никаких изменений в металле, словно запас энергии в уране, испускаемый в виде лучей, был неисчерпаем. Лучи урана ионизуют воздух и разряжают заряженный электрометр: листочки прибора, разъединенные электрическим нарядом, спадают вблизи лучащегося уранового препарата, (это позволяет грубо прикинуть примерную интенсивность лучей по скорости разрядки).
Вскоре работами Беккереля заинтересовалась полька Мария Склодовская-Кюри, тогда еще молодой ученый, жена известного французского физика Пьера Кюри. Она стала исследовать различные вещества, чтобы обнаружить у них это свойство испускать лучи, — она назвала это свинство радиоактивностью (от слова «радиус» — луч). В своих поисках она неожиданно обнаружила, что урановая руда из чешского городка Иоахимсталя излучает сильнее чистого урана. Вместе с Пьером Кюри они пришли к единственно возможному объяснению этого явления: они решили, что в руде содержится другой элемент, которого так мало, что его не обнаруживает химический анализ, но который настолько радиоактивен, что даже при такой ничтожной примеси дает значительное увеличение радиоактивности. Мария и Пьер Кюри ценою четырех лет кропотливого труда выделили из урановой руды два других сильно радиоактивных элемента (в виде солей); один из них был назван в честь родины Марии Кюри полонием, другой, в 900 раз более радиоактивный, чем уран, — радием — Ra.
Последний элемент — редкое, но замечательное вещество. Содержание его в рудах крайне мало, и добывание очень трудно. Во всем мире добыто сегодня не более килограмма радия. Лучи радия действуют на организм, разрушая ткани, причем особенно быстро разрушают раковые опухоли. Поэтому радиотерапия рака сегодня широко распространена. Радий испускает много энергии: грамм радия выделяет в час 140 малых калорий тепла. Правда, грамм угля, сгорая, отдает в 50 раз больше энергии, но радий нисколько не изменяется от лучеиспускания и может отдавать энергию тем же темпом, казалось бы, неограниченно долго. Этот как будто бы неограниченный запас энергии в радии и есть самое загадочное его свойство, так озадачивавшее физиков в 1900 году. Откуда берется энергия радиоактивности, медленно, точно тоненькой струйкой истекающая из вещества? Нельзя ли открыть шлюз, чтобы она хлынула оттуда водопадом?
Исследование радиоактивности связано прежде всего с именем знаменитого английского физика Эрнеста Резерфорда. Резерфорд вместе с Содди впервые остроумными опытами установил, что радий испускает лучи ценою собственного разрушения: часть его — правда, незначительная — превращается в газ, названный эманацией радия (то есть тем, что выделяется из радия), а теперь называемый радоном. Радон также радиоактивен и примерно в течение месяца распадается целиком. Так было установлено, что радиоактивные элементы не бессмертны и запас энергии в них не бесконечен. Что важнее всего — оказалось, что радиоактивное лучеиспускание сопровождает превращение элементов.
Исследование излучения радия показало, что оно состоит из трех частей: одна отклоняется сильным магнитом в одну сторону, другая — в противоположную, третья не меняет своего пути. Они были названы альфа-, бэта — и гамма-лучами.
- Бэта-лучи оказались очень быстрыми электронами: скорости их — порядка скорости света.
- Гамма-лучи — очень коротковолновое, жесткое электромагнитное излучение.
- Альфа-лучи оказались потоком частиц, с массой, вчетверо большей массы атома водорода, и с зарядом, равным двойному заряду электрона, только противоположным ему по знаку: они отклонялись в магнитном поле в противоположную стопину.
Резерфорд установил, что альфа-частицы — это ионизованные, положительно заряженные атомы элемента гелия. Этим объясняется присутствие гелия в природе в минералах, где содержится торий или уран. Он попросту выделился из них. Альфа-частицы менее быстры, чем бэта-частицы, но, превышая их по массе в 7 000 раз, несут гораздо большую энергию: это тяжелые снаряды атомной пушки.
В 1903 году Резерфорд вместе с Содди предложил теорию радиоактивных процессов, которая в современном ее виде только дополнена, но не изменена.
Атомы не вечны. В радиоактивных явлениях атомы одних элементов ценой своей жизни рождают другие атомы. Атом радия взрывается, как динамит, из него выбрасывается с огромной энергией атом гелия. Остается атом радона (который вскоре тоже взрывается). Атом радия, — а значит, вероятно, и атомы других элементов, — чудовищный арсенал энергии, неизмеримо больший, чем все известные нам источники. Только расход энергии у радия очень медленный: в секунду из одного грамма радия распадается 37 миллиардов атомов, то есть около одной стомиллиардной его части! Половина всего количества радия распадается в 1 600 лет. В следующие 1 600 лет распадается половина оставшейся половины — и так далее.
Радиоактивные превращения составляют длинные ряды. Радий превращается в радон, радон — дальше в «радий А» и т. д. У радия оказалась цепь предков и потомков. Постепенно выделяя гелий и выбрасывая электроны, радиоактивные элементы переходят друг в друга, пока не получается уже устойчивое, прочное вещество. Сам радий происходит от урана, то есть атом урана испытав ряд превращений, обращается в атом радия. Так как у каждого радиоактивного элемента своя скорость распада, зависящая от наличного его количества, то устанавливается радиоактивное равновесие: каждый элемент находится в природе в таком количестве, чтобы число распадающихся его атомов было равно числу рождающихся от ближайшего предка. Вот почему радий всегда находится в урановой руде и почему его так мало: он распадается, не накапливаясь. Расчет показывает, что грамм радия в природе приходится на 3 тонны урана. Конечным элементом рядов радиоактивных превращений является свинец. Известны три династии, одна ведет начало от урана, другая — от тория, третья — от элемента актиния.
Некоторые радиоактивные элементы очень долговечны: уран распадается наполовину за 4,5 миллиарда лет. Некоторые совершенно эфемерны: элемент «радий С1», один из потомков радия, распадается наполовину за одну миллионную долю секунды.
Открытие радиоактивных превращений окончательно опрокинуло классическую атомистику «неразрушимых атомов» и заставило вспомнить о фантазиях алхимиков. Однако сокровища, заключенные в радиактивных веществах, важнее золота: ведь грамм радия, превращаясь в радон, отдает 490 миллионов калорий тепла! Один атом радия, превращаясь в атом радона, выделяет в полтора миллиона раз больше энергии, чем получается при образовании каждой молекулы воды из гремучего газа — смеси водорода и кислорода.
Но чтобы понять механизм радиоактивных явлений и подчинить себе эти чудовищно сконденсированные внутри атома силы, нужно узнать его строение, заглянуть внутрь атома, убедиться, содержит ли он то, что испускает: электроны и альфа-частицы — атомы гелия.
Решения всех этих вопросов следовали друг за другом с головокружительной быстротой. Ясно, что атом содержит положительные и отрицательные электрические заряды, в нормальном состоянии уравновешивающие друг друга, то есть в сумме равные нулю. Но как распределены эти заряды внутри атома? Очевидно, заряженные альфа-частицы, пропускаемые через вещество, должны, пролетая сквозь атомы, изменять свои пути, отталкиваясь или притягиваясь атомными зарядами. Исследуя прохождение альфа-частиц через тонкий листок металла, в 1906 году Резерфорд обнаружил, что пучок их в самом деле «рассеивается», — пути частиц слегка искривляются, и след пучка на фотографии расплывается. Но при тщательном изучении обнаружилось, что хотя большинство частиц испытывает незначительные отклонения, некоторые из них отбрасываются резко в сторону или даже назад, точно их оттолкнула какая-то огромная сила. Таких частиц наблюдалось очень мало.
Объяснение было найдено Резерфордом сразу. Очевидно, в атомах имеются чудовищные концентрации зарядов — а значит вещества, несущего заряд, — достаточные для отбрасывания с такой силой альфа-частицы с ее чудовищной скоростью. В местах такой концентрации сосредоточено практически все вещество, но расположены эти сгустки очень редко; подавляющее большинство альфа-частиц пролетает от них настолько далеко, что едва замечает их присутствие. Лишь одна альфа-частица из 8 000 случайно «натыкается» на сгусток вещества-заряда и, конечно, тотчас с силой отбрасывается: чем ближе подлетает частица, тем больше угол отброса; если частица летит «в лоб», она оттолкнется назад.
Атом, вещество оказались пустыми! Представьте себе настолько редкий лес, что мчащийся сквозь него напрямик автомобиль со слепым шофером имеет лишь один шанс из восьми тысяч налететь на ствол дерева! Атом состоит из центрального ядра, где сосредоточен весь его положительный заряд, и из облака электронов вокруг него, сквозь которое альфа-частица пролетает, едва отклоняясь от своего пути. Число электронов равно числу единиц заряда ядра.
Резерфорд разработал теорию рассеяния альфа-лучей. Математическое выражение закона рассеяния позволило ему из данных опыта определять заряд ядра разных элементов. Оказалось, что число единиц этого заряда равно номеру места элемента в таблице Менделеева! Так, медь стоит на 29-м месте в списке — заряд ее ядра по Резерфорду равен 29; серебро и платина занимают соответственно 47-е и 78-е места — формула дала именно эти заряды. Простой порядковый номер элемента, лишь для удобства стоящая в первой графе списка цифра, оказался имеющим глубокий физический смысл. Число это называется атомным номером и обозначается Z.
По этой гипотезе, сразу принятой химиками, хотя непосредственное ее доказательство пришло позднее, устройство атомов представляет такую картину: первый, самый легкий атом — водород. Заряд его ядра равен 1, в пространстве вокруг ядра у него движется один электрон. Заряд ядра равен заряду электрона с обратным знаком. Атом гелия состоит из ядра и двух электронов. Заряд ядра равен + 2. Если отнять у атома гелия два электрона, получится альфа-частица — очевидно, она представляет собой ядро гелия. Атом лития (Z = 3) — ядро с зарядом + 3 и три электрона.
Этот список можно продолжить дальше, пока не дойдем до урана с зарядом ядра + 92 и столькими же электронами вокруг ядра.
Химические свойства атомов определяются зарядом ядра и этой его «электронной оболочкой» — недаром Z определяет положение элемента в периодической системе Менделеева. Изучение электронной оболочки привело к объяснению всех тайн элементов, кроме радиоактивности.
Химические явления оказались «внешними» по сравнению с ядерными, радиоактивными явлениями.
После этих основных открытий изучение атома пошло вперед семимильными шагами. Мы уже говорки выше о квантовой механике, о том, что в мире микроскопических явлений совершенно неприменимы обычные законы движения. Нильс Бор занимался теоретическим изучением движения электронов в атоме и установил era законы. Исходя из его исследований, физики установили, что химические свойства элементов зависят от характера движения электронов вокруг ядра, от их распределения — словом, от строения электронной оболочки. А оно, в свою очередь, определяется зарядом ядра, то есть «местом элемента в периодической системе, числом электронов оболочки и некоторыми другими свойствами такой системы движущихся электронов.
И вот оказалось, что по мере возрастания числа электронов в атоме от элемента к элементу одни и те же типы строения электронной оболочки повторяются закономерным образом, и повторяемость эта вытекает из законов квантовой механики. Элементы с однотипным строением электронной оболочки атомов по химическим свойствам похожи друг на друга. В этом и заключается разгадка периодического закона Д. И. Менделеева: сходство в свойствах различных элементов объясняется сходством в строении их атомов. Величина «периодов», через которые повторяются свойства элементов в таблице Менделеева, нарушения этой величины и отступления от простой периодичности, а также множество других деталей периодического закона — все это было блестяще объяснено квантовой механикой. Тем самым тайна периодической системы была раскрыта.
Как же устроено атомное ядро? Из каких простейших частиц оно составлено? Из него вылетают альфа-частицы и электроны. Вес последних ничтожен, а альфа-частица, ядро атома гелия, сама должна быть сложной частицей. Наиболее простым из всех ядер, сравнимым по весу со всеми другими атомными ядрами, является ядро водорода. И вот физики вернулись к гипотезе Праута: ядра всех атомов состоят из ядер водорода. Резерфорд обстреливал атомы азота альфа-частицами и наблюдал, как некоторые частицы, попав прямо в ядро азота, выбивали из него водородное ядро. Такие же водородные ядра обнаружились в ядрах некоторых других элементов. Гипотеза подтверждалась. Ядро водорода, частица с массой, в 1 840 раз большей массы электрона, и с зарядом, равным и противоположным по знаку его заряду, было признано одной из основных, первичных составных частей вещества наряду с электроном. Его назвали греческим словом протон — «первичный».
Однако, так как и вес и заряд протона равны каждый единице (вес водородного атома ведь и взят за единицу), то ядро, составленное из одних протонов, должно было бы иметь столько единиц заряда, сколько в нем единиц массы. Иными словами, атомный вес его должен быть равен атомному номеру. На деле, однако, наблюдается иное. Атомный вес элементов, как правило, примерно вдвое больше заряда их атомных ядер. Если ядра состоят из протонов, то добрая половина последних должна быть каким-то образом лишена заряда. Или в ядре должны содержаться иные, незаряженные, частицы. Мы увидим ниже, как физика ответила на этот вопрос.
Кроме того, ведь не у всех элементов вес атома составляет целое кратное веса водородного атома. Поэтому и была некогда отвергнута мысль Праута. Как обойти это затруднение? Ответ оказался неожиданным.
Химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, а в конечном счете — зарядом ядра его атома. Но не весом! Между тем, мы видели, что заряд ядра не определяется его весом. Если представить себе атомы, ядра которых имеют один и тот же заряд, но слегка отличаются по весу, то такие ядра во всех химических реакциях будут вести себя совершенно одинаково, и химик не сможет разделить их в своих приборах.
Оказывается, обычные элементы состоят из смеси таких атомов с ядрами разного веса. Так, элемент хлор с атомным весом 35,437 состоит из смеси атомов трех сортов: 59 процентов атомов имеют вес 35; 4 процента — вес 36, и 1 процент — вес 39. Если, не зная об этом различии, вычислить атомный вес хлора из химических явлений, получится средняя величина, равная по правилам арифметики 35,437. Собственно говоря, мы имеем не один хлор, но три разных элемента, не отличимые химически, смешанные всегда в одинаковой пропорции и помещающиеся в одной и той же клетке таблицы Менделеева; по последней причине они названы изотопами, то есть занимающими одно и то же место.
Английский физик Астон сумел разделить изотопы в специальном приборе — «масс-спектрографе», где быстро летящие атомы, впущенные в прибор в виде пучка, подвергались действию электрического и магнитного полей; они испытывали, благодаря разной массе, разное отклонение и собирались в разных местах фотографической пластинки; картина напоминала обычные спектры — распределение световых лучей. Отсюда и название «спектр масс».
У многих веществ оказалось большое число изотопов. Так, свинец состоит из четырех изотопов с весами от 204 до 208.
В нескольких случаях удалось достичь разделения изотопов и обычными методами. Особенно важен случай изотопов водорода с весом 1 — обычного водорода — и с весом 2 — «дейтерия». Ядро первого — протон; ядро второго назвали дейтроном. Здесь различие в весе так значительно, что свойства атомов оказываются различными. Вода, содержащая два легких атома водорода, и «тяжелая» вода, куда входит, по крайней мере, один тяжелый атом, имеют разные удельный вес и точку замерзания. С большими трудами тяжелую воду удается собрать в заметных количествах. Она оказалась биологически неактивной: заменить обычную воду в жизненных процессах она не может.
Ядра очень тяжелых элементов, типа тория и урана, содержат столько частиц, что оказываются неустойчивыми. Постепенно они распадаются — одни быстрее, другие медленней. Это и есть радиоактивные элементы. При распаде они испускают альфа-частицу (альфа-распад), теряя в весе 4 единицы и в заряде — 2 единицы, унесенных альфа-частицей, или выбрасывают электрон (бэта-распад), не изменяясь в весе и прибавляясь в заряде на одну единицу, что соответствует передвижению вправо на одно место.
Таким образом, главное возражение против гипотезы Праута — дробные числа атомных весов — было опровергнуто открытием изотопов. Веса атомов оказались целыми кратными веса протона. Только несовпадение атомного веса с зарядом ядра заставляло думать, что часть протонов в ядре — особого свойства. Может быть, в ядре содержатся электроны? Теоретические расчеты показали, что ядра с электронами должны иметь свойства, не наблюдающиеся на опыте. Почему же из ядра вылетают электроны?
Впрочем, оказалось, что из ядра могут вылетать и еще другие, новые частицы…