Чтение онлайн

Неделимость, в связи с которой атом получил свое название, имеет место в химических превращениях, а также при соударениях атомов, о которых говорит кинетическая теория газов. Но более глубокие исследователи часто ставили вопрос, не состоит ли атом из меньших частей.

В 1815 г. Вильям Проут (1785-1850) думал, что можно из целочисленности атомных весов заключить, что все атомы состоят из атомов водорода как всеобщей первоматерии. Однако улучшение измерительных методов в течение XIX века привело к таким значительным отклонениям от этой целочисленности, что его гипотеза была погребена. Мысль о внутренней связи между всеми элементами появилась снова, когда в 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) и Лотар Мейер (1830-1895) независимо друг от друга упорядочили элементы, согласно их химическому поведению, в периодическую систему. Все величие этой гениальной идеи обнаружилось лишь через 40 лет. Действительно, в 1911 г. Эрнст Резерфорд (позднее лорд, 1871-1937) предложил для объяснения рассеяния -лучей в веществе такую модель атома, в которой положительно заряженное маленькое, но заключающее в себе почти всю массу атома ядро окружено «планетной системой» электронов. Исследования отклонений -частиц Гансом Гейгером (1881-1945) и Е. Марсденом и особенно исследование рентгеновских спектров Генри Мозли (1887-1915) и другими показали, что место элемента в системе, его атомный номер, определяется числом элементарных зарядов ядра. Периодическая система является просто упорядочиванием элементов соответственно числам ядерных зарядов. Этот вывод сделал уже в начале 1913 г. А. ван-ден-Брук на основе размышлений о радиоактивности. Однако сделанное им допущение, что заряд ядра всегда равен половине атомного веса, не подтвердилось. Почему существует периодичность (хотя и неточная) химических свойств? Это объясняют с точки зрения теории квант В. Коссель и прежде всего Н. Бор (гл. 14).

Современная физика считает неделимыми только немногие элементарные частицы. Одна - это электрон, другая - ядро атома водорода, протон, с которым исследователи встречались прежде всего при электрических разрядах в газах, например в каналовых лучах. В одном и том же 1932 г. Карл Давид Андерсон открыл в камере Вильсона позитрон - частицу с положительным зарядом и массой, приблизительно равной массе электрона, а Чадвик в опытах с радиоактивными явлениями - нейтрон, незаряженную частицу, имеющую почти ту же массу, что и протон. В космическом излучении, открытом в 1910 г. В. Ф. Гессом и вскоре подтвержденном Вернером Кольхерстером (1887-1946), Андерсон в 1937 г. обнаружил, опять-таки с помощью камеры Вильсона, мезон, теоретически предсказанный в 1935 г. Юкавой. Это, повидимому, - частица с коротким временем жизни, имеющая положительный или отрицательный заряд; она приблизительно в 200 раз тяжелее, чем электрон, и, следовательно, в 10 раз легче, чем протон. Но ядро атома состоит из протонов и нейтронов согласно мысли, высказанной в 1932 г., с одной стороны, В. Гейзенбергом и, с другой стороны, И. Таммом и Д. Иваненко; число зарядов ядра дает количество содержащихся в ядре протонов, а число нейтронов таково, что масса всех протонов и нейтронов дает массу атома. В этой теории, возникшей и подтвержденной на основе изучения радиоактивности, вновь воскресла старая гипотеза Проута.

Возражения, связанные с отклонением от целочис-ленности атомного веса, давно уже больше не существуют. Открытие изотопии многих видов атомов Фр. Содди (1910) установило кажущийся характер этих отклонений. Сначала Содди приписал изотопию только радиоактивным элементам, но постепенно становилось все яснее, что почти каждое место в периодической системе занято не одним, а несколькими видами атомов, которые, конечно, имеют один и тот же ядерный заряд, поэтому также одинаковый порядок распо-

ложения электронов в атоме и одинаковое валентно-химическое поведение, но отличаются по массе. Атомный вес отдельного вида атома теперь действительно очень близок к целым числам - «массовым числам», поскольку единицей считают теперь не массу атома водорода, a 1/16 часть массы наиболее часто встречающегося изотопа кислорода. Это изменение - не очень значительное, поскольку теперь атомный вес обычного водорода получается равным 1,00813. но оно имеет принципиальное значение. Химия постоянно имеет дело со смесями изотопов и получает поэтому только средние значения атомных весов элементов; они вычисляются.из истинных атомных весов и относительной частоты распространения в природе различных изотопов. Небольшие отклонения атомных весов от массовых чисел, которые еще остаются после этого, объясняются на основе эйнштейновского закона инертности энергии (гл. 2) как следствие потери энергии при соединении протонов и нейтронов в атомное ядро.

Химическими методами изотопы нельзя разделить. Но можно их разделить, подвергая, например, канало-вые лучи действию магнитного и электрического полей; тогда изотопы описывают разные пути, так как они при одинаковом заряде имеют разные массы. Эта «масс-спектроскопия» возникла в 1898 г. в связи с уже упомянутыми опытами Вина по отклонениям в электромагнитном поле. Таким путем Дж. Дж. Томсон дал возбудившее сенсацию доказательство изотопно-сти двух видов атома, возникших нерадиоактивным путем, а именно изотопов неона с массовыми числами 20 и 22; с 1919 г. это доказательство было настолько усовершенствовано Ф. Р. В. Астоном, что в 1938 г. уже было известно 260 различных видов атомов (вместо 92 химических элементов). На одном лишь 50-м месте периодической системы, занимаемом цинком, стоят 10 видов атома с массовыми числами от 112 до 124 (химически определенный средний атомный вес равен 118,7). На первом месте стоит вместе с обычным водородом дейтерий, открытый в 1932 г. Г. К. Ури,

имеющий атомный вес 2,014725. С тех пор мы знаем «тяжелую воду», в молекуле которой один или даже оба атома водорода замещены атомами дейтерия. Чтобы точно установить атомные веса и дать твердую основу для заключений о потере энергии при связывании протонов и нейтронов в атомное ядро, необходимо было превратить масс-спектроскопию в точный метод, что сделали А. Дж. Демпстер и особенно Дж. Маттаух.

Среди современных физиков имеет всеобщее распространение убеждение, что не только атомы, которые являются уже довольно сложными образованиями, но также элементарные частицы имеют полную реальность, как и другие вещи внешнего мира. Но даже в XX веке были сомнения в этом. Людвиг Больцман, например, до конца своей жизни страдал оттого, что некоторые ученые не считали созданную им кинетическую теорию газов полноценным физическим методом объяснения. Поворот, который произошел с тех пор, связан с некоторыми новыми знаниями. Мы уже упоминали о термодинамических флюктуациях, как одной из причин этого поворота. Мы могли бы привести еще многое другое, например то, что при интерференции рентгеновских лучей считаются реальными волны рассеяния, возбужденные каждым отдельным атомом, благодаря чему можно построить правильную теорию этого явления (гл. 12). Но больше всего здесь сделала камера Вильсона, которая дала возможность видеть пути отдельных заряженных элементарных частиц или ионизованных атомов и тем самым положила конец всяким сомнениям. Во всяком случае XX век принес полную победу атомистике.

И" все же мы должны существенно пересмотреть наши прежние субстанциональные представления об элементарных частицах. Эти представления связаны с идеей неразрушимости и несоздаваемости, когда каждую элементарную частицу рассматривают как

индивидуум, который при всех испытываемых им изменениях все же остается самим собой и если не фактически в опыте, то мысленно в любой момент может быть признан тождественным себе. Это неприменимо, по крайней мере, к электронам и позитронам. Как установлено в 1933-1934 гг. в исследованиях, примыкающих к открытию позитрона, например в работах П. С. М. Блэккета и Г. П. С. Оккиалини, достаточно большой у-квант при попадании в ядро превращается в электрон и позитрон. И наоборот: при столкновении электрона и позитрона они взаимно уничтожаются, порождая два у-кванта (Отто Клемперер, 1934). При этом вся их масса - не только масса покоя, но и возросшая с движением масса - превращается в энергию излучения соответственно закону Эйнштейна об инертности энергии. Длину волны этого «излучения аннигиляции» измерил в 1949 г. Дж. Дюмонд при помощи кристалл-спектрометра и получил в соответствии с предварительным вычислением результат: 2,43 • 10– 10см. Этот полностью подтвержденный во всех своих последствиях результат новейшей физики является самым потрясающим из всего, что когда-либо приносило развитие естествознания.

Едва ли что-либо другое так способствовало изменению представления об атоме, о котором говорилось в главе 10, как радиоактивность. Открыл ее в феврале 1896 г. Анри Беккерель (1852-1908) в связи с опубликованным в начале января 1896 г. открытием рентгеновских лучей (гл. 4).

Эти лучи исходили, при тогдашнем получении их в стеклянных трубках, из флюоресцирующих частей стенки сосуда; возникла мысль, что их причиной могут быть флюоресценция или фосфоресценция. Поэтому Беккерель испытывал ряд фосфоресцирующих тел под влиянием проникающего излучения, способного действовать на фотографическую пластинку. Он не имел никакого успеха, пока ему не попалась соль урана. Но тогда он должен был, конечно, вскоре признать, что найденное излучение не стоит ни в какой причинной связи с фосфоресценцией. То, что он наблюдал, как мы теперь знаем, было действием быстрых электронов. Беккерель обнаружил затем ионизацию воздуха лучами, исходившими из урановых соединений. Все это открыло путь для исследования огромной новой области. Многие сейчас же ринулись в нее, так как благодаря открытию Рентгена созрело время оценить по достоинству значение таких находок.

Среди них были также супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Кюри (1867-1934). Они подвергли систематическому исследованию все известные химические элементы в отношении радиоактивности (термин

«радиоактивность» впервые был введен ими). Они нашли ее также у тория (впрочем одновременно с Ге-рардом Шмидтом), но в миллионы раз сильнее она оказалась у двух новых элементов: полония и радия. Аналитикохимическая методика, примененная супругами Кюри при исследованиях элементов на радиоактивность, привела в течение двух следующих десятилетий в руках многочисленных исследователей к открытию других «естественных» радиоактивных элементов. Особенно пополнил их список Отто Ган открытием радиотория (1905), мезотория (.1906) и, совместно с Лизой Мейтнер, протактиния (1918). Несколько отличались своим поведением радиоактивные газы, эманации, из которых первую - эманацию тория - открыл в 1900 г. Резерфорд.

Уже в 1897 г. этот великий исследователь различал по проникающей способности два вида радиоактивного излучения: легче поглощаемые -лучи и более проникающие -лучи. В то время как последние благодаря их легкой отклоняемости в электрическом и магнитном полях были вскоре отождествлены с электронами, над природой первых Резерфорду пришлось потрудиться более долгое время. Но в 1903 г. он нашел, наконец, посредством опытов с отклонением этих лучей, что отношение их заряда к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизованным атомам гелия. Вильям Рамзай (1852-1916) и Фр. Содди установили в 1904 г. поразительное появление гелия в соединениях радия; единственным объяснением могло быть возникновение гелия из радия. Резерфорд и Т. Ройдс подтвердили в 1909 г. идентичность -частиц и ионов гелия, так как они обнаружили в собранных нейтрализованных -частицах характерную желтую линию спектра гелия. Так было доказано возникновение элемента гелия из других элементов. В то же самое время постепенно установили, что за небольшими исключениями радиоактивное тело посылает либо -лучи, либо -лучи;

обнаруженное в 1900 г. Паулем Виллардом неоткло-няемое -излучение может быть связано с обоими.

Но открытие Резерфорда не было первым указанием на радиоактивное превращение атомов. Уже в 1903 г. П. Кюри и А. Лаборд произвели сенсацию, обнаружив, что кусок очищенной соли радия всегда имеет более высокую температуру, чем температура окружающей среды. Причиной этого явления считали постоянное порождение теплоты, равное в течение часа 100 малым калориям на 1 грамм радия. Этот удивительный факт позднее (в 1908 г.) подтвердили Резер-форд и Гейгер. Подсчитывая число -частиц, испускаемых в 1 секунду, и измеряя энергию отдельной частицы методом магнитного отклонения, они получили то же количество энергии. Тотчас же возник вопрос: откуда берется эта постоянно освобождающаяся энергия? Уже в 1903 г. Резерфорд и Содди высказали взгляд, что всякий радиоактивный процесс есть превращение элементов. Потом стало ясно, что выделяющаяся при отдельном элементарном процессе энергия равна разности энергий нового и старого атомов. С тех пор говорят о радиоактивном распаде. Постепенно все «естественно» радиоактивные элементы распределили в три ряда распада, родоначальниками которых являются уран, протактиний и торий. Радий и полоний стоят в ряду урана. Упорядочение этих элементов в периодической системе привело в 1911-1913 гг. А. Ресселя, К. Фаянса и Фр. Содди к законам смещения, соответственно которым испускание одной -частицы снижает порядковый номер на два, одной -частицы - увеличивает его на единицу. Это находится в полном согласии с фактом тождественности порядкового номера и заряда ядра, окончательно установленным в 1913 г. посредством рентгеноскопии. Так пало старое воззрение о неразрушимости и несоздаваемости атомов.

–  излучение непосредственно не связано с превращением элементов. Оно возникает только тогда, когда образуется возбужденное, в смысле квантовой теории, ядро, которое переходит потом, после испускания

–  кванта, в первоначальное состояние. В 1926 г. Лиза Мейтнер экспериментально доказала, что -излучение обнаруживается только после радиоактивного превращения.

Очень скоро заметили, что уменьшение радиоактивности препарата со временем происходит у различных тел с различной скоростью. Закон радиоактивного распада открыли в 1899 г. Юлиус Эльстер (1854-1920) и Ганс Фридрих Гейтель (1855-1923): число испускаемых в секунду частиц уменьшается со временем экспоненциально. Постоянной этого закона является характерное для каждого элемента время полураспада, т. е. время, в течение которого это число уменьшается наполовину. Оно колеблется в очень широких границах - от 1,6 • 1010 лет у тория до 10– 4 сек. у радия и даже до еще меньших значений. Согласно установленному в 1912 г. Гансом Гейгером (1881-1945) и Дж. М. Нэт-толом правилу, это число связано в случае -лучей с энергией и вследствие этого также с пробегом испускаемых частиц, так что для каждого ряда радиоактивного распада энергия тем больше, чем меньше время полураспада. Объяснение этого правила на основе волновой механики дал Г. Гамов в 1928 г. (гл. 14).