Чтение онлайн

Большим достижением было данное в 1905 г. Э. Швейдлером объяснение эмпирического закона распада: вероятность распада для каждого атома независима от времени и тем больше, чем меньше время распада. Физика столкнулась здесь впервые с процессом, который не поддается причинному объяснению. До сегодняшнего дня мы не знаем, почему данный радиоактивный атом распадается именно в этот, а не в другой момент времени. Невозможность изменить распад какими-либо физическими влияниями как бы набрасывает завесу на ядро. Правильность вероятностной теории распада подтвердили в 1906-1908 гг. наблюдения Кольрауша, Эдгара Мейера и Э. Регенера, а также Г. Гейгера над требуемыми теорией флюктуациями числа частиц, испускаемых в единицу времени.

Значение теории Швейдлера ясно проявилось позднее, когда физика изучила многие другие атомные явления, для описания которых очень хорошо подходит понятие вероятности при невозможности причинно определить момент времени их наступления. Ко всем таким явлениям применимы вероятностные рассуждения Швейдлера.

Открытие радиоактивного распада атомов оживило алхимическую идею превращения одного элемента в другой. До 1930 г. в течение десятилетий проводились многочисленные опыты этого рода, особенно посредством вольтовой дуги. Но эти мнимые превращения не устояли перед критикой. Превращение достигается, как мы теперь знаем, только методом концентрации необходимого количества энергии на отдельном атоме при бомбардировке его другими атомами или -квантами. Но и в этих экспериментах вначале (1907) были ошибочные результаты. Первое действительное искусственное превращение атомов удалось в 1919 г. Резерфорду. Он облучал азот -частицами и получил при этом протоны с большой длиной пробега. Фотографии этого явления в камере Вильсона, сделанные в 1925 г. П. М. С. Блэккетом, ясно показали, наряду с длинным следом протона, короткий след возникшего кроме него изотопа кислорода с атомным весом 17. В период от 1921 до 1924 г. Резерфорд и Чадвик смогли доказать существование этой реакции - поглощения -частицы и испускания протона - также у всех элементов от бора (порядковое число 5) до калия (порядковое число 19), за исключением углерода и кислорода. Кроме протона в этих реакциях постоянно возникает элемент, следующий по порядку в периодической системе.

Важным годом для развития этой области был 1930 г. Прежде всего Боте и Беккер наблюдали проникающее -излучение при обстреле легких элемен-тов, особенно бериллия, -частицами. Как показал в 1935 г. К. Шнецлер, атомное ядро при столкновении

с -частицами приходит в возбужденное состояние, а после испускания -кванта возвращается в первоначальное состояние. Это явление происходит только при условии, что нижний предел энергии -частицы равен 2,3 • 106 электрон-вольт. И. Кюри и Ф. Жолио подтвердили основные наблюдения Боте и Беккера, но пришли при помощи измененной аппаратуры к другим результатам относительно поглощения возникающего излучения. Они показали с помощью камеры Вильсона, что это излучение приводит более легкие атомы в такое быстрое движение, которое невозможно, согласно теории столкновений, приписать действию -лучей. Отсюда потом Чадвик заключил, что здесь возникает, кроме -лучей, корпускула, которая имеет нулевой заряд и почти ту же самую массу, что и протон, т. е. нейтрон, существование которого давно предполагалось Резер-фордом. Действительно, как доказал позднее Шнецлер, при возбуждении ядер бериллия может происходить улавливание ими частицы с последующим выделением нейтрона при условии, что энергия -частицы равна по крайней мере 4,76 • 106 электрон-вольт. Остающееся ядро является ядром углерода.

Это представление впоследствии полностью подтвердилось; было открыто множество ядерных реакций, в которых захват а-частицы или дейтерия вел к испусканию нейтрона. Особенно обильный источник нейтронов был получен при столкновении быстрых дейтронов друг с другом М. Л. Е. Олифантом, П. Гартеком и Ре-зерфордом в 1934 г., что дало возможность проводить многочисленные опыты с нейтронами.

В 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио натолкнулись в этих опытах на ядерные реакции, при которых вновь возникшее ядро оказывается нестабильным; при отщеплении одного позитрона оно подвергается дальнейшему радиоактивному распаду. В случае этих «искусственно» радиоактивных атомов сохраняется также закон распада Швейдлера. Позднее стали известны случаи, в которых вместо позитрона появляется электрон, а также, при определенных обстоятельствах, наряду с ним

и -излучение. С 1934 г. Э. Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами (гл. 10).

Атомы, возникающие во всех этих ядерных реакциях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы - урана - происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада. Возникающие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше; у некоторых время полураспада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоящие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 • 1015 лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.

Расщепление урана посредством нейтронов дает теперь возможность того использования атомной энергии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна», но которое еще Резерфорд объявил иллюзией.

При расщеплении нейтронами изотопа урана с атомным весом 235 освобождаются в одном элементарном акте при применении одного нейтрона в среднем два нейтрона, как это показали еще в 1939 г. Ф. Жо-лио, Л. Коварский и Г. Халбан. Поскольку распад этого изотопа урана может быть произведен посредством нейтронов с очень малой энергией, при известных условиях становится возможной цепная реакция, которая ведет к дальнейшему расщеплению ядер, так что процесс протекает сам собой во все возрастающем темпе. Вторая мировая война, разразившаяся через 8 месяцев после опубликования открытия Гана, привела к тому, что первым применением этого открытия было создание нового страшного оружия. Большое деловое сотрудничество американских и английских ученых, опирающееся на огромные государственные средства, создало в течение этой войны атомную бомбу, которая взорвалась 16 июля 1945 г. в Новой Мексике, 6 августа над Хиросимой и вскоре после этого над Нагасаки. Подробное изложение этого развития выходит за рамки этой книги*). С точки зрения физики здесь занимаются величайшим экспериментом, который когда-либо ставили люди. Это - блестящее подтверждение смелого научного предвидения, основанного на убеждении в объективной истинности физики.

Как глубоко эти результаты внутренне и внешне преобразят человечество, пока еще трудно оценить. Возможно, что позднее написанная история будет рассматривать вышеупомянутые открытия как важнейшие во всей исторической эпохе, поскольку замедленное течение цепной реакции, приводящей ко взрыву бомбы, дает возможность использования энергии атомного ядра для мирных, созидательных целей.

*) См. Н. D. Smyth, Atomic energy for military purposes, Princeton University Press, 1945; русский перевод: С м и т, Атомная энергия для военных целей, М., 1948.

Наука о кристаллах принадлежит исключительно новому времени. Правильные формы некоторых алмазов, а также гладкие грани других кристаллов, правда, бросались в глаза и прежде; кажущееся беспорядочным изменение их величины и формы было, вероятно, причиной того, что не устанавливали закономерностей. В древности знания о минералах приобретались случайными наблюдениями и к тому же переплетались с мифологией и верой в волшебную силу драгоценных камней.

Совершенно изолированно стоит маленькое сочинение Иоганна Кеплера, появившееся в 1611 г.: из простого наблюдения над «шестиугольными снежинками», именем которых названо его сочинение, гениальный ученый пришел к идее симметрии и даже построения снежинок из плотно упакованных шаров. В его геометрических размышлениях мы узнаем опять тот ход мысли, который Кеплер применил в 1596 г. в своем «Prodromus» при выводе закона для радиусов орбит планет. Этот закон вскоре был признан неправильным; но взгляд на мир, как на творение духа, предпочитающего простые математические отношения, поставил Кеплера здесь на верный путь. Однако это случайное сочинение, которое он сам рассматривал отчасти как забаву, не оказало влияния.

В 1669 г. Нильс Стенсен (Николай Стено, 1638- 1686) открыл, что у кварца (от которого термин «кристалл» был постепенно перенесен на другие твердые

тела с определенной естественной формой), а также у некоторых других кристаллов, даже если они обработаны, между их плоскостями обнаруживается всегда один и тот же угол. В том же году Эразм Бертельсен (Бартолинус, 1625-1698) заметил у исландского шпата двойное лучепреломление, которое в 1678 г. Гюйгенс (гл. 4) объяснил на основе волновой теории. Доменико Гульельмини (1655-1710) распространил в 1688 г. закон постоянства углов на некоторые кристаллы соли. Целое столетие ушло на установление этих фактов. Кристаллография оставалась незатронутой большими успехами остальной физики; физики не имели в своем распоряжении хорошо обработанных кристаллов, а минералоги, правда, обладали ими, но занимались главным образом другими задачами. (Получение искусственных кристаллов является трудным искусством, и в систематической форме оно развилось только в XX веке). Исключением является открытие пироэлектричества в турмалине. В течение долгого времени давались неправильные объяснения этого явления. Лишь в 1758 г. Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724-1802) показал, что плоскости кристалла заряжаются при изменении температуры.

Только в 1772 г. появилось опять значительное произведение о формах кристаллов: Жан Батист Роме де Лиль (1736-1790) распространил закон постоянства углов, образуемых плоскостями, на многие другие кристаллы. Эти углы, т. е. положения плоскостей друг по отношению к другу, являются с тех пор, как известно, основной характеристикой любого вида кристаллов,, в то время как величина плоскостей определяется случайными побочными обстоятельствами при росте кристалла.

На основе этого закона развивалась геометрическая кристаллография в процессе трудного детального изучения и, конечно, не без заблуждений. Благодаря выдающимся работам Христиана Самуэля Вейса (1780-1856), исследованиям его ученика Франца Эрнста Неймана (1798-1895) (первого крупного физика, вплотную занявшегося кристаллами), работам Фридриха Моса (1773-1839) и Карла Фридриха Наумана (1797-1873), наконец, Вильяма Миллера (1801-1880) был установлен «закон рациональности». Он определяет положение любой кристаллической плоскости тремя небольшими целыми числами, ее «индексами», если известны три оси кристалла и длина каждой из них. Вышеуказанные исследователи старались также дать систематику кристаллов. Однако полная систематика удалась только в конце этого периода, в 1830 г., Иоганну Фридриху Христиану Гесселю (1796-1872). На основе закона рациональности он дал геометрическое доказательство того, что существуют 32 класса кристаллов, и не больше. Но на его работу также не обращали внимания в течение десятилетий. В 1867 г. Аксель Гадолин (1828-1892), не зная о своем предшественнике, весьма изящным образом вновь установил эту систематику. Таким образом, цель геометрической кристаллографии была достигнута.