километров - работают в радиоприемниках. Волны покороче - длиной в миллиметр
или в его десятые доли - воспринимаются как тепло. Волны в тысячные доли
миллиметра можно увидеть - это свет. Еще короче невидимые ультрафиолетовые
волны, от которых темнеет наша кожа. Но самые короткие волны у рентгеновых
лучей - они и сотни миллионов и миллиарды раз меньше сантиметра.
Когда Мозли определил длину волны у лучей Рентгена, он понял, что
получил наконец ключ к атому. Ведь у атомов именно такие размеры - в
миллиарды раз меньше сантиметра.
На третий год своей работы у Резерфорда Мозли занялся изучением
рентгеновского излучения разных металлов. Ото явленно было обнаружено
несколькими годами ранее: если подводить к рентгеновской трубке все более
высокое напряжение, то длина волны рентгеновых лучей будет постепенно
уменьшаться. Но только до тех пор, пока не вспыхнет более интенсивное
излучение, уже неизменное по длине волны. И эта волна уже не зависит от
напряжения, она зависит от материала, из которого сделан анод.
Рентгеновское излучение металла можно было, подобно свету, разложить и
получить рентгеновский спектр металла.
Уже первые рентгеновские спектры, полученные Мозли, поразили ученого
своей простотой. Если на оптических спектрах даже самых легких металлов были
сотни полосок, то на каждом рентгеновском спектре была только одна серия из
нескольких линий. А начиная с калия, появлялась еще одна серия линий;
начиная с рубидия - третья...
Такая простота сулила бесценные возможности для исследователя: одно
дело сравнивать между собой сложнейшие многолинейные оптические спектры,
другое - односложные рентгеновские.
Надо было поскорей набирать факты. Напылять на анод разные металлы,
получать их рентгеновские излучения, фотографировать спектры.
Мозли почти не спал и почты не ел, не выходил из лаборатории по
несколько суток.
Через три месяца у него набралась обширная коллекция рентгеновских
спектров. И в один прекрасный день или, что при характере Мозли еще
вероятнее, в одну прекрасную ночь, он разложил на столе эти фотографии.
Он разложил их в той последовательности, в какой металлы шли в
периодической таблице: под спектром титана располагался спектр ванадия, еще
ниже лежал спектр хрома, далее - марганца, железа, кобальта, никеля, меди,
цинка...
И Мозли увидел замечательную картину: на каждой следующей фотографии
серии линий смещались влево примерно на одинаковое расстояние. То есть у
каждого следующего элемента собственное рентгеновское излучение состояло из
лучей с меньшей длиной волны, или, что то же самое, с большей частотой и,
следовательно, с большей энергией квантов.
Мозли стал подсчитывать, как возрастает эта частота, и получил
удивительный результат - частота излучения возрастала почти в точности
пропорционально... порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
Почему?
Чтобы вонять это, надо было сначала найти ответы на некоторые другие
вопросы.
Прежде всего Мозли установил, чем отличается свечение поверхности анода
в рентгеновской трубке от свечения атомов в спектроскопе.
Катодный луч рентгеновской трубки - это поток электронов, несущихся со
скоростью десятков тысяч километров в секунду. Его энергия несравнима с
энергией горелки, на которой раскаляют вещества в обычном спектроскопе.
Сильнейший удар катодных лучей способен вырывать из атома металла не только
наружные электроны, но и тот электрон, который находится ближе всего к
атомному ядру, а значит, притягивается к нему с наибольшей силой.
И на место, освобожденное этим электроном, падает электрон, который
находится на более далеком от ядра уровне. Во время такого перескока
выделяется порция энергии, которая и дает на рентгеновском спектре
характерную линию.
Почему же эта линия у каждого элемента своя? Потому что соответствующие
порции излучаемой энергии разные. А почему порции разные? Потому что не
одинакова сила, с которой атомное ядро притягивает ближайший к нему
электрон. Она тем больше, чем больше положительных зарядов в ядре.
Именно положительный заряд ядра и определяет место того или иного
элемента в периодической таблице, его порядковый номер в естественной
системе элементов.
А раз так, то возрастание частоты линий рентгеновских спектров, которое
вызывается увеличением заряда ядра, должно быть пропорционально порядковому
номеру элемента.
Итак, атомный вес был заменен другим признаком - зарядом ядра. И сразу
же стало ясно, что Менделеев расположил элементы в своей таблице правильно
даже в тех случаях, когда последовательность атомных весов нарушалась.
Спектры свидетельствовали: у кобальта 27 положительных зарядов, а у
никеля - 28. Объяснились и два других мнимых нарушения закона - теллуром и
аргоном. У обоих оказалось в ядре на один положительный заряд меньше, чем у
следующих за ними в таблице йода и калия.
Теперь можно было разобраться и в путанице с несколькими свинцами,
радиями, радонами и прочими элементами, получавшимися при радиоактивных
превращениях. Атомы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра, надлежало
относить к одному и тому же элементу и помещать в одну и ту же клетку
периодической таблицы.
Стал понятен и главный закон новой алхимии, названный законом сдвига:
если при распаде атома из его ядра вылетает альфа-частица, то заряд ядра
уменьшается на две единицы и, значит, номер элемента также уменьшается на
две единицы, то есть атом сдвигается в таблице элементов на две клетки
влево; а если из ядра атома вылетает бета-частица, электрон, то заряд ядра
увеличивается на единицу, порядковый номер - тоже, и элемент сдвигается на
одну клетку вправо.
Фредерик Содди и Казимир Фаянс, сотрудники Резерфорда, открывшие закон
сдвига, дали атомам с одинаковым зарядом и разной массой название
"изотопы" - "занимающие одно и то же место" ("топос" по-гречески -" "место";
отсюда "топография" - "описание местности").
Лавина прошла, унеся с собой непонятные исключения из периодического
закона. Теперь он звучал так: химические свойства элементов находятся в
периодической зависимости от зарядов их ядер. Вопрос о том, почему
естественная система элементов начинается с водорода, решился сам собой -
заряд ядра атома водорода + 1.
И вопрос о числе электронов в каждом атоме был теперь ясен: раз атом
нейтрален, то есть его положительные заряды полностью уравновешиваются его
отрицательными зарядами, значит, число электронов в нем равно числу
положительных зарядов. То есть у водорода должен быть один электрон, у
гелия - два, у лития - три и так далее.
Решился вопрос и о числе элементов от водорода до урана (ведь каждый
новый заряд ядра давал новый элемент), и о пропущенных, еще не открытых
элементах - теперь они были очевидными разрывами в непрерывной очереди
зарядов, непрерывной очереди порядковых номеров.
Правда, оставалось неизвестным, почему система элементов заканчивалась
ураном, и заканчивалась ли она им на самом деле, или могли быть и другие -
еще не открытые элементы.
Кроме того, за полвека, прошедшие с момента открытия периодического
закона, появились новые вопросы, и самый волнующий из них был о том, что же
такое атомное ядро?
И не только потому, что неделимое оказалось делимым, а вечное - не
вечным. Куда важней было то, что в ядре атома таились какие-то огромные
силы - те самые, что разгоняли ядра гелия до скорости 25 000 километров в
секунду.
Может быть, для человечества было бы лучше не задумываться над этим, не
искать у природы ответа. Но стремление человека к разгадыванию тайн природы
неодолимо. И сколько бы раз ни обжигались люди, они вновь и вновь летят на
свет истины.
И они заглянули в ядро и увидели, что там есть.
Глава шестая,
в которой появляются протон и нейтрон
ВОДОРОДНЫЕ ЛУЧИ
Для того, чтобы узнать, что находится в орехе, нужно разбить орех. Для
того, чтобы узнать, что находится в ядре, нужно разбить ядро. Или,
обстреливая альфа-частицами какие-либо атомы, посмотреть, что происходит не
со снарядами, а с мишенью.
Если обстрелять, например, атомы водорода, вчетверо более легкие, чем
сами альфа-частицы, то при столкновении альфа-частица должна была бы так
толкнуть водородный атом, что он должен был пролететь вчетверо дальше, чем
она сама.
Резерфорд предложил Марсдену провести такой эксперимент.
И действительно, альфа-частицы отшвыривали водородные атомы, как бита
отшвыривает городок.
Но этим опытом Марсден не ограничился. Ему захотелось посмотреть, как
будут вести себя другие атомы, тоже легкие, но тяжелей водорода.
Проще всего было обстрелять альфа-частицами просто воздух, состоящий из
атомов азота и кислорода. Они примерно в полтора десятка раз тяжелей атомов
водорода, значит, и отлетать от удара альфа-частиц должны были не очень
далеко.
Марсден был прекрасным экспериментатором. Но тут произошла осечка. Как
ни очищал он воздух в приборе от водяных паров, все равно обнаруживались
ядра, летящие вчетверо дальше, чем альфа-частицы.
И Марсден выдвинул смелое предположение - эти водородные ядра несутся
оттуда же, откуда несутся альфа-лучи - из ядер радия.
Продолжению опытов с "водородными лучами" помешала первая мировая
война. Почти всех сотрудников Резерфорда - в том числе и Марсдена - забрали
в армию. Но когда война стала подходить к концу, Резерфорд начал планомерную
охоту за таинственным водородом. И в одном из опытов заменил воздух чистым
азотом. Теперь в приборе было ровно на четверть больше атомов азота, чем в
воздухе.
Резерфорд принялся считать вспышки на экране. И когда истекло
положенное время, оказалось, что и вспышек стало больше ровно на четверть -
двадцать пять лишних на каждую сотню.
Это значило, что водород вылетал из азота!
Это значило, что ядра атомов водорода входят в состав ядер атомов
других элементов.
И еще: не значило ли это, что Уильям Праут 100 лет назад верно угадал,
из чего состоят атомы?
Но за эти 100 лет люди узнали о природе вещей больше, чем за два
тысячелетия, прошедшие со времен Демокрита и Аристотеля. И потому Эрнст
Резерфорд, раздумывая о том, что он увидел, в конце концов пришел к выводам,
которые Прауту показались бы абсурдом. Касались они устройства атомного
ядра.
...Как же устроено атомное ядро, если из него могут вылетать ядра
водорода? Ну, хотя бы самое простое после водородного - ядро гелия?
Оно в четыре раза тяжелей - следовательно, в нем четыре водородных
ядра. Но зарядов у него не четыре, а всего два. Не значит ли это, что четыре
водородных ядра удерживаются вместе двумя электронами, находящимися внутри
ядра гелия? В таком случае на два водородных ядра приходился бы один
электрон. Но если электрон может удерживать в одном ядре два водородных
ядра, то тем легче ему удерживать в ядре одно водородное ядро... И тогда
получится удивительное ядро, состоящее из ядра водорода и электрона - ядро,
не имеющее заряда. Получится как бы нулевой атом - атом с пулевым зарядом
ядра и, следовательно, без электронной оболочки. Он не сможет химически
взаимодействовать с другими атомами. Но зато ни одно ядро не оттолкнет его.
Идеальный снаряд для обстрела ядер!
Так Резерфорд предсказал нейтрон - правда, еще не названный этим
словом.
А самому водородному ядру, составной части всех прочих атомных ядер,
Эрнст Резерфорд и английский физик Оливер Лодж дали имя "протон", от
греческого "протеос" - "первичный, первоначальный".
БЕРИЛЛИЕВЫЕ ЛУЧИ
Бериллий, тот самый элемент, что поначалу причинил столько беспокойств
Менделееву, в дальнейшем ничем особенно не выделялся. При добавлении его к
меди получали твердый упругий сплав - бериллиевую бронзу; вот, пожалуй, и
все.
И вдруг немецкие физики Вальтер Воте и Ганс Беккер обнаружили
бериллиевые лучи? Они обстреливали листок бериллия альфа-частицами, и на
экране никаких вспышек не появилось, но золотые листочке электроскопа,
стоявшего за экраном, опали. Значит, что-то спокойно проходило через экран.
Боте и Беккер попробовали отклонить это "что-то" магнитом. Не вышло.
Бериллиевыми лучами заинтересовались французские физики Фредерик Жолио
и его жена Ирен Кюри, дочь Марии и Пьера Кюри. Они проверили сообщение
немцев и убедились - так оно и есть: под ударами альфа-частиц бериллий дает
мощное излучение без признаков электрического заряда. Они решили подставить
под бериллиевые лучи водородную мишень. И сразу же обнаружили за ней поток
ядер водорода.
Ирен Кюри и Фредерик Жолио не читали журнала, в котором было напечатано
предсказание Резерфорда. И сами не догадались, в чем тут дело.
Но Джеймс Чедвик, который помогал Резерфорду расщеплять ядра азота и не
раз обсуждал с ним возможные последствия их алхимического эксперимента,
понял, что Боте и Беккер наткнулись на нейтрон. А 27 февраля 1932 года он
подтвердил это опытом.
В этот день стала известна вторая составная часть атомного ядра. Протон
и нейтрон - вот блоки, из которых природа соорудила атомные ядра; электрон в
этом случае был не нужен.
Ядро водорода? Один протон: масса 1, заряд 1.
Ядро гелия? Два протона плюс два нейтрона: масса 4, заряд 2.
Ядро урана? Девяносто два протона плюс сто сорок шесть нейтронов: масса
238, заряд 92.
Теперь, правда, затуманивалось дело с бета-лучами. Как могут вылетать
из ядер электроны, если их там нет, а есть лишь протоны и нейтроны?
Впрочем, появление бета-лучей можно было объяснить, предположив, что
сами по себе нейтроны способны в определенных условиях превращаться в
протон, остающийся в ядре, и электрон, покидающий ядро.
А вот как объяснить, что за сила удерживает в ядре положительно
заряженные протоны? Пока считалось, что в ядре находятся протоны и
электроны, можно было думать, что отрицательные электроны склеивают
положительные протоны электрическими силами. Но если электронного клея в
ядрах не существует, то что же тогда противодействует отталкиванию одинаково
заряженных протонов, что превращает их в монолит чудовищной прочности?
Это очень трудный вопрос, но мы забрались уже туда, где простых ответов
не знает никто.
В самом деле, что происходит, когда притягиваются два разноименных
заряда? Что их тянет друг к другу? Или - когда одноименные отталкиваются.
Что их оттаскивает?
В учебниках пишут, что притягивание и отталкивание - суть действия
электромагнитного поля. Но что такое это поле? Не последний ли потомок
последней тонкой материи - эфира?
...Когда в 1923 году шведский король вручал Нобелевскую премию физику
Роберту Милликену за многочисленные успехи в изучении природы электричества,
Милликен сказал: "Я прошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и
часто предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но
вместе с тем прост и определенен. Экспериментатор констатирует прежде всего,
что о последней сущности электричества он не знает ничего".
А другой известный ученый Герман Вейль утверждал, что "...различие
между обоими видами электричества (положительным и отрицательным)
представляет собой еще более глубокую загадку природы, нежели различие между
прошлым и будущим..."
Глава седьмая,
в которой Севре делает первый искусственный элемент, Ферми разбивает
ядро урана пополам, а Петржак и Флеров доходят до границы Менделеевской
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг