Чтение онлайн

Спустя несколько лет было открыто, что другой изотоп, U-235, может распадаться на две или три части под действием тепловых нейтронов, которые производят большое количество энергии. Эго открытие легло в основу разработки ядерных реакторов и бомб. В качестве примера ядерного превращения мы можем привести изотоп U-238. При поглощении нейтрона (U-239) он испускает бета-излучение и образует Np-239 и Pu-239. Последний содержался в первой атомной бомбе, испытанной в штате Нью-Мексико в 1945 году. Естественная, а позднее и искусственная радиоактивность, полученная в результате бомбардировки атомных ядер нейтронами или ядрами гелия, представляет собой исключение из правила неделимости и неизменности атомов, провозглашенного Дальтоном.

Этот сын столяра и английской учительницы с юности поражал блестящими успехами в науках, с одной стороны, и физической силой — с другой. Резерфорд решил побороться за единственную стипендию, которая в то время предоставлялась для изучения математики. Оказавшись в Великобритании, он продолжил занятия в лаборатории Кавендиша в Кембридже вместе с наставником Джозефом Томсоном, который открыл электрон. Через три года Резерфорд получил кафедру в Мак- Гиллском университете Монреаля, в Канаде. Там он сконцентрировал исследования на радиоактивности Беккереля и Кюри и обнаружил два типа радиации — обладающие менее и более проникающей способностью (альфа- и бета- соответственно). Вместе со своим учеником, юным химиком Фредериком Содди (1877-1956), он выяснил, что радиация урана и тория сопровождается распадом атома. Это открытие взволновало все научное сообщество: атомы могут делиться! Резерфорд установил, что во время ядерного распада выделяется примерно в 100 тысяч раз больше тепловой энергии, чем при соответствующей химической реакции. Он заявил, что Солнце — это ядерная печь.

В 1907 году ученый вернулся в Великобританию, в Манчестер, где работал вместе в Гансом Гейгером (и стал членом Lit & Phil). Вместе с Гейгером они изобрели счетчик альфа-частиц, который позволил установить число Авогадро. В 1908 году Резерфорд уже знал, что альфа-частицы являются ядрами гелия, и осуществил бомбардировку этими ядрами листа золотой фольги. Некоторые частицы отклонились от предполагаемой траектории более чем на 90 градусов. Так ученый нашел атомное ядро. В результате бомбардировки атомов азота он открыл протон. По возвращении в Кембридж, где Резерфорд занял место своего бывшего учителя Томсона, он руководил работами Чедвика, открывшего нейтрон, Нильса Бора и Роберта Оппенгеймера. Резерфорд был учителем девяти нобелевских лауреатов и получил бесконечное количество наград, среди которых — первая в истории Нобелевская премия по химии 1908 года. Он похоронен рядом с Исааком Ньютоном и лордом Кельвином в Вестминстерском аббатстве.

Открытие супругов Кюри вызвало любопытство других ученых, и самым гениальным среди них был Эрнест Резерфорд, родившийся в Новой Зеландии, но очень скоро перебравшийся в Кембридж. Он работал в знаменитой лаборатории Кавендиша с 1895 годавместес Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), которому мы обязаны открытием электрона. Резерфорд получил известность благодаря изучению Х-лучей, или ионизированных лучей, открытых в 1895 году физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном при помощи трубки Крукса, а с помощью этих лучей практически сразу же был открыт электрон. Также он изучал влияние рентгеновских лучей на газы: Резерфорд и Томсон открыли, что эти лучи можно ионизировать, испуская положительные и отрицательные частицы, которые соединяются в нейтральный атом. Кафедра в университете Монреаля была предложена Резерфорду, когда ему было всего 27 лет (1898). В Канаде он познакомился с Фредериком Содди, и вместе ученые доказали, что радиоактивные элементы, каталогизированные Пьером и Марией Кюри, способны трансформироваться, испуская при этом разное излучение. Атом урана мог превращаться в атом свинца или родия, который мог произвести атом гелия. Так физика опровергла еще один постулат Джона Дальтона: некоторые атомы способны к трансформации. Другими словами, алхимия была не такой уж и химерой. Однако эти алхимические превращения были опасны для тех, кто ими занимался. Губительное воздействие радиации на человеческий организм теперь известно. Мария Кюри умерла от лейкемии в 1934 году, через три года после того, как подверглась большим дозам облучения. Радиация сохраняется так долго, что личные вещи, книги и документы Пьера и Марии Кюри все еще хранятся в свинцовых ящиках.

Менделеев открыл периодичность атомных элементов, основываясь на их сходстве, но он не знал причин этого сходства. Ученый классифицировал элементы просто на основе их подобия. Чтобы объяснить это явление, одной химии было недостаточно, нужно было обратиться к физике, а конкретнее — к электричеству, которое оставалось таинственной областью.

Начало исследованиям в этой области положил современник Дальтона Майкл Фарадей, драгоценный ассистент сэра Гемфри Дэви, который после смерти последнего занял его пост в Лондонском королевском обществе. Несмотря на то что Фарадей был не очень силен в математике, он обладал огромной фантазией и легко придумывал невероятные опыты. Например, он решил пропустить электрический заряд через пустоту и посмотреть, что произойдет. Но ничего не произошло, поскольку его пустой сосуд был недостаточно хорош, в отличие от сосуда немецкого физика Генриха Гейсслера (1814-1879), который в 1854 году обнаружил любопытную зеленую вспышку в положительном электроде, или аноде. Поскольку сосуд был пуст, с отрицательным анодом, или катодом, тоже должно было что-то происходить. Чуть позже, в 1876 году, немец Ойген Гольдштейн предположил, что это взаимодействие, происходящее между отдаленными друг от друга электродами, есть не что иное, как "излучение катодных лучей".

У этой тайны было два возможных объяснения. Первое заключалось в том, что это излучение было простым электромагнитным излучением, а второе, предложенное англичанином Уильямом Круксом (1832-1919), состояло в том, что излучение связано с потоком невидимых частиц. Крукс поднес к сосуду магнит, и... катодные лучи отклонились в сторону. Для окончательной разгадки тайны катодных лучей надо было дождаться 1897 года, когда уже упоминавшийся Джозеф Джон Томсон доказал, что лучи отклоняются не только в магнитном, но и в электрическом поле. В то время из заряженных частиц были известны только ионизированные газы Резерфорда. Но если катодные лучи были ионами, они должны были быть очень легкими, примерно в тысячу раз легче атома водорода, или должны были обладать значительным зарядом. Первое объяснение соответствовало другим опытам с электричеством: электрический ток — это движение крошечных частиц, электронов. Томсон показал также, что отрицательно заряженные частицы, испускаемые металлическими пластинами при высоком облучении (знаменитый фотоэлектрический эффект, который будет объяснен в знаменательном для Эйнштейна 1905 году), идентичны катодным лучам.

Электрон был первой открытой частицей атома, это произошло во время опытов с использованием трубок с катодными лучами. Трубки запаивались, а затем между двумя электродами внутри них пропускали ток высокого напряжения. Джозеф Джон Томсон в 1897 году установил, что от электрического заряда на стенках сосуда за катодом образуются вспышки. Он предположил, что дело в испускаемых катодом лучах (откуда и название — катодные). Однако он увидел, что в отличие от обычного электромагнитного излучения лучи распространялись по прямой линии, даже если отклонялись от магнитного или электрического поля. То есть лучи имеют электрический заряд, массу и универсальные частицы, поведение которых не меняется даже при изменении газа или типа электрода. Томсон рассчитал, что масса этих новых "частиц" равна 1/1000 массы атома водорода, и сделал вывод, что они скорее всего являются частью этого атома. Чтобы объяснить нейтральный заряд атома, он предположил, что частицы — позднее названные электронами по предложению Джорджа Стони в 1894 году — плавают в непрерывной положительно заряженной среде атома. Это была первая модель, в которой неделимый атом Джона Дальтона делился.

Опыт Томсона с катодной трубкой.

Это поведение электронов привело к выводу, что они на самом деле являются частью атома, что масса электрона составляет 1/1837 массы атома водорода и что раз электроны не могут с легкостью отсоединяться от атомов — под воздействием электрического поля или других значительных энергий, — то логично предположить, что они находятся снаружи атома. Все сходилось. Если атом нейтрален, но на его периферии находится отрицательный заряд, то для равновесия внутри должен находиться положительный. Это также объясняло некоторые загадки периодической таблицы, особенно классификацию элементов по свойствам и способности образовывать соединения с другими элементами. Электрический заряд объяснял и тот факт, что атомы обязаны своим атомным числом количеству электронов в основном состоянии. Все эти открытия были отмечены нобелевскими премиями. Чтобы не утомлять читателя, скажем только, что в 1906 году Нобелевскую премию по физике получил Томсон за открытие электрона, а в 1921-м ее получил Эйнштейн за обоснование фотоэлектрического эффекта (а вовсе не за теорию относительности, как многие думают).

Открытие электрона и определение его как составляющей частицы атома к 1900 году стало еще одним ударом, который перенесла теория Дальтона. Речь уже не просто шла о способности некоторых тяжелых атомов излучать радиоактивность и превращаться в более легкие элементы. Все без исключения атомы образованы из более мелких частиц. То есть атомы делимы. Но атомные идеи Дальтона, разработанные 100 лет назад, оставались справедливыми для огромного количества химических реакций.

Первая атомная модель была предложена Томсоном. Он представлял атом в виде пудинга (или булочки с изюмом): основа состоит из большого положительного заряда, а сверху разбросаны отрицательно заряженные электроны (см. рисунок).

В этой модели на периферии положительно заряженного атома равномерно распределены электроны, в результате чего заряды уравновешиваются.

Модель Томсона (1904): отрицательно заряженные электроны равномерно распределены в положительно заряженной оболочке атома. Результирующий заряд — нейтральный.

Упрощенная модель повлекла за собой несколько проблем. Первая заключалась в том, что эта модель не объясняла радиоактивности. Резерфорд показал, что тяжелые элементы Беккереля и супругов Кюри излучают три вида радиоактивных лучей. Для простоты он назвал их альфа, бета и гамма. Резерфорд также показал, что электроны — это бета-частицы. До сих пор все было понятно, но таинственные альфа-частицы тоже взаимодействовали электрически, хотя и противоположным образом по сравнению с бета-частицами. Соответственно, их заряд должен быть положительным. Кроме того, они значительно меньше отклонялись, а значит, должны быть гораздо более тяжелыми, нежели электроны. Резерфорд рассчитал, что масса альфа-частиц в четыре раза больше массы атома водорода.

Чтобы покончить с путаницей, в 1908 году Резерфорд отделил альфа-частицы, поместив радиоактивный материал в стеклянную трубку, в которой находилась другая, более тонкая трубка. Первый барьер преодолевали только альфа-частицы. Отделив их, он выяснил их электрический заряд. Так появились спектральные линии гелия. Резерфорд знал, что один из загадочных видов радиоактивности образован положительными частицами гелия (второго элемента периодической таблицы), испускаемыми из его атомного ядра.

В том же 1908 году Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии, однако остался неудовлетворен — не самой премией, а областью, в которой она была вручена. Самый важный свой опыт ученый провел между 1910 и 1911 годами. Вместе со своим немецким ассистентом Гансом Гейгером, более известным как изобретатель счетчика радиоактивных частиц, он пропустил ионизированные атомы гелия — альфа-частицы — через лист золотой фольги. К огромному удивлению исследователей — и к удивлению всего человечества, — некоторые частицы отскакивали обратно: можно сказать, что ученые обстреливали тонкий лист бумаги, но сквозь него проходили далеко не все пули. Вывод: атом практически пуст, но в центре него содержится очень плотное ядро.