Дальтон. Атомная теория

ГЛАВА 5 Наследие Дальтона. Атомный взрыв XX века

Работая в своей маленькой лаборатории в Манчестере, Джон Дальтон и представить не мог, какие последствия вызовет его атомная теория. Прошел целый век, прежде чем существование атомов было доказано экспериментально. Ученые решили не вводить новые данные по крупицам, а изменить вообще весь мир. Для того чтобы объяснить поведение атомов, были созданы новые невероятные теории, такие как квантовая физика.

Четвертая глава закончилась фразой, которая некоторым могла показаться слишком дерзкой — особенно из-за того, что она написана физиком. Но это не так. Мы уже рассказывали, как родилась современная химия и как она превратилась из магического искусства алхимии в науку в привычном нам смысле слова. Мы также говорили о том, какую важную роль сыграл Дальтон в изучении конечных частиц материи. Сегодня достаточно отрыть любой словарь, чтобы найти в нем определение химии, согласно которому она является наукой, изучающей атомный и молекулярный состав материи и особое взаимодействие ее составляющих.

Странным образом работы Бойля, Лавуазье, самого Дальтона и многих других ученых, которых мы уже перечислили, легли в основу нового взгляда на мир. В конце предыдущей главы мы упомянули важный конгресс в Карлсруэ, организованный в 1860 году. Это не только был первый международный конгресс по химии — мероприятие имело серьезные последствия для будущего химии, такие как практически немедленное принятие системы обозначений Берцелиуса и международное признание закона Авогадро.

Если бы нужно было свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучало бы так: все вещи созданы из атомов.

Ричард Фейнман (1918-1988), лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года

Именно благодаря работам Авогадро, Гей-Люссака и особенно Джона Дальтона итальянский химик Станислао Канниццаро распространил среди участников конгресса короткую брошюру под названием "Краткий очерк развития философии химииР (1856). В этой работе Канниццаро утверждал, что поскольку атомы неделимы, молекула должна содержать целое число — и почти всегда простое — атомов каждого вида. Если мы можем рассчитать молекулярный вес составляющих элемента и процент, в котором он присутствует в соединении, полученное количество является кратным простым числом атомного веса элементов. Чтобы определить относительную атомную массу некоторых элементов среди наиболее известных, Канниццаро применил закон Авогадро и рассчитал, что один моль газа — в нормальных условиях, то есть при давлении, равном 1 атмосфере, и температуре О °С — занимает объем 22, 4 литра. Из веса этих объемов в разных соединениях можно вычислить процент, относительную атомную массу и количество атомов элемента в молекулах реакций.

После того как стала понятна разница между атомом, молекулой и грамм-молекулой (или молем, единицей количества вещества), будущее химии прояснилось. Благодаря американцу Теодору Ричардсу (1868-1928) способ расчета массы известных элементов почти достиг совершенства, поскольку ему удалось определить атомную массу более 25 элементов с точностью до четырех знаков после запятой — за это Ричардс получил Нобелевскую премию по химии в 1914 году.

Однако без ответа оставался еще один вопрос: где находятся атомы? И он порождал следующие. Какой они формы? Действительно ли они неделимы, как это предположил в 1808 году Джон Дальтон? Сможем ли мы когда-либо их увидеть? Как они объединяются в молекулы? Хотя большинство ученых получили исключительные результаты, используя атомную теорию и ее определения атома и молекулы, никто на протяжении всего XIX века не смог представить убедительное доказательство существования этих частиц. Однако теория работала. В области химии практически все можно было объяснить с помощью атомов — при условии, что атом является конечной частицей. Но как обнаружить конечные частицы физически?

Самое сильное сопротивление теории существования атомов возникло в Германии и в сфере ее влияния — Австрии и балтийских странах. Возможно, связано это с тем, что в этих странах исследования в области физики и химии шли рука об руку с гуманитарными науками, в частности с философией. Атомизм был логичной гипотезой, возникшей в Древней Греции, потом это учение перешло в экспериментальную стадию — в Манчестере вместе с Джоном Дальтоном. И тем не менее, хотя атомы были "полезным понятием", для ученых их не существовало.

Самым серьезным критиком атомной теории был, наверное, австриец Эрнст Мах. В первой главе мы уже упоминали об этом ученом, так как он был наставником гениального физика-теоретика Людвига Больцмана, который в своих работах — особенно в области статистической механики — опирался на представления о реальности существования атомов. Австриец Больцман и шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) независимо друг от друга создали молекулярно-кинетическую теорию газов. Она предполагала справедливость теории существования атомов, предложенной Дальтоном, и, помимо прочего, утверждала, что атомы и состоящие из них молекулы находятся в постоянном движении. Также теория гласила, что размер частиц не имеет значения по отношению к расстояниям, разделяющим их (в веществе есть огромные пустоты), и, наконец, поскольку молекулы находятся в постоянном движении, они сталкиваются по законам упругого удара.

Главным вкладом Больцмана в атомно-молекулярную теорию было введение понятия движения: оно важнее для газов — самого простого состояния вещества, — нежели для твердых и жидких тел, поскольку сила сцепления усложняет теорию. Людвиг Больцман и Максвелл обобщили уже упомянутые работы Бойля, Шарля, Авогадро и Гей-Люссака, добавив к отношению давления и объема температуру. В законе идеального газа PV=nRT или PV=NkT первая связывает давление и объем идеального газа в количестве молей n с температурой Т и универсальной газовой постоянной R, которая будет результатом отношения числа Авогадро и постоянной Больцмана.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет поведение газов и их макроскопические свойства через микроскопическое поведение молекул, используя статистический подход. Естественно, она предполагает существование очень большого числа молекул или атомов в газе, что заставляет принять атомно-молекулярную гипотезу и, значит, теорию Дальтона. Макроскопические экспериментальные результаты рассматриваются с точки зрения предложенного статистического подхода и представляют собой первое убедительное доказательство постулатов атомной теории. Модель опирается на статистику Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана. Она описывает распределение частиц в силовом поле в условиях теплового равновесия, то есть когда температура является достаточно высокой (а плотность достаточно низкой), квантовые эффекты при этом пренебрежительно малы. На рисунке изображено распределение скоростей 10^е частиц кислорода при разных температурах газа (-100 °С, 20 °С, 100 °С), где п — число частиц. Необходимо учесть, что количество молекул огромно, как и количество операций их разделения, и следует учитывать точную массу; молекулы перемещаются по законам Ньютона на случайной, но в среднем постоянной скорости; при упругом столкновении направления движения молекул изменяются, а их кинетическая энергия сохраняется. Так, для одного идеального газа и N молекул каждая молекула, имеющая массу т, перемещается со средней постоянной скоростью V в определенном объеме V. Когда молекула сталкивается со стенкой сосуда и меняет направление, можно рассчитать силу, действующую на стенку сосуда, или давление, и получить следующий результат:

P = Nmx2/3V

Эта формула определяет отношение давления (измеряемого) и средней кинетической энергии на одну молекулу. Кроме того, она соответствует закону идеального газа (PV=nRT), согласно которому средняя молекулярная энергия пропорциональна температуре, а постоянная Больцмана связана с универсальной газовой постоянной и числом Авогадро.

Распределение скоростей 104 частиц кислорода при разных температурах газа (-100ºС, 20ºС, 100ºС).

Можно выразить его другим способом, через число частиц и постоянную Больцмана k. Эта постоянная, как и число Авогадро, была рассчитана Жаном Перреном во время его опытов с броуновским движением, и она равна kB = 1, 3806504 x 10^-23 Дж/К.

Атомов не существует.

Фридрих Вильгельм Оствальд

Трагический уход Больцмана, покончившего с собой в 1906 году, можно объяснить его неудачным выбором авторитетов. Уважаемый латышский химик и философ Фридрих Вильгельм Оствальд последовал примеру немца Маха. Лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года за работы в области катализа так никогда и не признал существования атомов.

Удивительно, но одно из самых важных наблюдений XIX века, дающее первое неопровержимое доказательство существования молекул, было сделано не химиком и не физиком, а ботаником. В 1827 году шотландец Роберт Броун заметил, что маленькие частицы пыльцы на поверхности воды двигаются в случайном порядке. Вначале Броун подумал, что пыльца живет собственной жизнью. Потом он повторил опыты с другими неорганическими веществами, например с пылью, и получил те же удивительные результаты. Это движение, названное в его честь броуновским, было описано похожим образом в связи с турбулентностью воздуха в 60 году до н.э. философом Лукрецием в поэме "О природе вещей*. В этом произведении автор раскрывает сущность знаний об атомах его предшественников Демокрита и Эпикура:

"Так, исходя от начал, движение мало-помалу Наших касается чувств, и становится видимым также Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит"*.

* Перевод с латыни Ф. Петровского.

В 1863 году появилось предположение, что это движение возникает из-за неравномерного действия бесконечного числа частиц воды (или молекул), которые толкают с одной или с другой стороны пылинки либо частицы пыльцы. Беспорядочное действие этих частиц вызывает наблюдаемое движение. Вывод: молекулы существуют.

Математическое описание броуновского движения было разработано Альбертом Эйнштейном в его первых статьях, опубликованных в 1905 году. По мнению многих специалистов, описание Эйнштейна представляет собой первое физическое доказательство атомной теории: молекулы, состоящие из атомов, действуют на более крупные частицы, поскольку одна молекула воды равна примерно одному нанометру, а частица пыльцы — одному микрометру, то есть она в тысячу раз больше.

В этом исследовании Эйнштейн не только осуществлял теоретический анализ движения, но также объяснял, как проверить истинный размер молекул воды, используя частицы на поверхности. В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен, о котором мы уже говорили, изучил то, как частицы оседали под действием притяжения. Эта сила оседания, связанная с весом, противоречила броуновскому движению. Расчеты Перрена упростили работу Эйнштейна, и французский ученый рассчитал размер молекулы воды. За исследование знаменитых коллоидов он получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году. Формулировка звучала следующим образом: "за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия". Мы могли бы сказать, что благодаря усилиям Перрена неуступчивый Вильгельм Оствальд признал, наконец, к концу жизни существование молекул и, следовательно, атомов.

Так в начале XX века ученые получили убедительное доказательство существования атомов, и они превратились из гипотетических объектов в реальные частицы, которые почти можно потрогать. Но последняя цель — разделить атомы, понять их структуру, если таковая есть, — еще не была достигнута. Итак, все состоит из атомов, начиная с нас самих. Предвосхищая исторические и теоретические объяснения природы и структуры атомов, нелишним будет сказать несколько слов о современных представлениях.

Все состоит из атомов. Абсолютно все. Атомы объединяются в молекулы (от латинского "маленькая масса"). В кубическом сантиметре воздуха — то есть примерно в наперстке — содержится около 50 тысяч миллиардов молекул. Любое соотнесение этого объема — с человеческим телом, с городом, с планетой и в особенности с размерами космоса — ошарашивает.

Еще одной основополагающей характеристикой атомов является их неизменность. Мы знаем сегодня, что атомы крайне долговечны, за исключением радиоактивных атомов — самых тяжелых и самых нестабильных. Но обычные частицы, из которых состоит наш организм, могут оставаться неизменными в течение 10³⁵ лет и переходить от одного носителя к другому. Это в определенном смысле форма реинкарнации в микроскопическом масштабе.

Размеры и масса атомов действительно крошечные. О массе мы уже говорили. В качестве примера вспомним, что один атом углерода весит примерно 1, 66 х 10^-27 кг. Размеры атомов могут отличаться, но это всегда маленькое число. Мы увидим, что атом пуст, его ядро относится к его размеру как яблоко к планете Земля. Если использовать цифры, мы скажем, что диаметр ядра атома составляет от 0, 3 до 3 ангстрем (1 ангстрем — 10^-10 метров). Нужно будет разделить один миллиметр на тысячу и каждую полученную часть — еще на тысячу, а потом каждую новую полученную часть — еще на десять. Это и будет размер ядра.

За несколько десятилетий до наступления XX века Дмитрий Иванович Менделеев проделал изнурительную работу по классификации известных элементов. В 1869 году он объединил два основных свойства атома: атомную массу и химические свойства соединения. На основании этого он разработал знаменитую периодическую таблицу элементов, в которой по горизонтали расположил элементы по периодам, а по вертикали — по группам.

Дмитрий Менделеев (1834-1907) родился в маленьком сибирском городке и был младшим ребенком в семье. Его мать управляла стекольным заводом, а после того как на заводе произошел пожар, решила на оставшиеся сбережения отправить сына в университет.

Менделеев учился в Санкт-Петербурге, где в возрасте 23 лет получил кафедру химии. Как и другие химики его эпохи, он присутствовал на Первом Международном химическом конгрессе в Карлсруэ, и работы Канниццаро об атомном весе элементов произвели на ученого сильное впечатление. В 1869 году он опубликовал "Основы химии", которые подводили итог знаменитой периодической таблице элементов. Позднее Менделеев побывал в США, где изучал способы добычи нефти. Со временем он получил признание в научном мире и стал почетным доктором университетов Оксфорда и Кембриджа. Этот химик был неутомимым путешественником. Кроме США, он нанес визит чете Кюри в Париже в 1902 году, хотя и не допускал существования радиоактивности. Для Менделеева речь шла всего лишь об энергии как свойстве некоторых атомов, которые остаются неделимыми.

Знаменитая периодическая таблица 1869 года основана на постоянных химических свойствах элементов, от самого легкого (водород) до самого тяжелого (уран). При разработке таблицы стало ясно, что некоторые элементы, которые должны существовать, еще не открыты. Менделеев обозначил их приставками "эка", "дви", "три" по расстоянию от последнего известного элемента в их группе. По этой схеме германий назывался экакремнием до его открытия в 1886 году, а рений — дви-марганцем до 1926 года. Самыми известными были эка-бор (скандий), эка-алюминий (галлий), эка-марганец (технеций) и уже упомянутый германий.

Согласно современным определениям, мы можем их классифицировать следующим образом: щелочи, щелочноземельные металлы, металлы, включая лантаноиды и актиноиды, переходные металлы, полуметаллы, неметаллы, галогены и инертные газы. Так, гелий, неон и аргон — инертные газы, поэтому расположены в одной вертикальной колонке, тогда как по горизонтали они были расположены в порядке возрастания атомной массы (то, что это сумма протонов и нейтронов ядра атома, еще не было открыто).

Когда Менделеев работал над своей таблицей, было известно 63 элемента. Ученый оставил пустыми многие ячейки, чтобы когда-нибудь вписать в них еще не открытые элементы, которые "должны существовать". Такой важный элемент, как гелий, был открыт только в 1895 году, но о его существовании было известно и раньше благодаря методу спектроскопии: во время солнечного затмения 1868 года француз Пьер Жансен заметил яркую желтую линию и предположил, что она соответствует новому элементу, который был назван гелием (от Гелиоса — бога Солнца). Сегодня общее число элементов составляет 118, хотя последние из них являются синтезированными, начиная с элемента 104, названного резерфордием. Три последних элемента — ливерморий (116), унисептий (117) и унуноктий (118), предположительно инертный газ с атомной массой 294. С 2002 года было получено всего четыре атома этого элемента.

Таким образом, все вещества найдены. Или почти все. Признанные физико-химические лаборатории не прекращают поиск, поскольку никто не знает, где лежит предел.

На пороге XX века произошло самое удивительное событие, связанное с атомами. Состоялось оно в Париже в 1896 году: Анри Беккерель (1852-1908) случайно открыл радиоактивность. Он поместил соль урана на фотографическую пластину, завернутую в бумагу, и увидел, что та почернела, словно подверглась воздействию солнечного света. За это случайное открытие в 1903 году он был удостоен Нобелевской премии по физике вместе с четой Кюри. Беккерель разделил открытие со своей юной польской ученицей Марией Кюри (1867-1934), которая вместе с мужем Пьером показала, что это явление наблюдается и в других веществах, содержащих уран или торий, а также в двух других открытых ею элементах — полонии и радии. Мария Кюри обнаружила, что эти руды и их составляющие постоянно высвобождают огромное количество энергии, не меняя заметным образом ни размера, ни массы. Кюри не знала (это откроет Эйнштейн несколькими годами позже), что масса превращается в энергию. Открытие естественной радиоактивности опровергло один из главных постулатов Дальтона, утверждавшего, что атомы неизменны. Нет, они меняются, по крайней мере некоторые из них.

Открытие естественной радиоактивности восходит к 1896 году, когда Анри Беккерель выявил, что соли урана, а именно K₂UO(SO₄)₂, оставляют следы на фотографических пластинах. Он предположил, что излучение, похожее на излучение Х-лучей, открытых Рентгеном, происходит от этих солей. Беккерель предложил своим коллегам изучить необычное явление. Пьер и Мария Кюри открыли, что уран — не единственный элемент, обладающий радиоактивными свойствами. Им удалось выделить из уранинита вещества с подобными свойствами — торий, полоний и, наконец, радий. Изотопы этих элементов неустойчивы и испускают альфа-частицы, или ядра гелия, как открыл позже Эрнест Резерфорд. Самый распространенный и самый неустойчивый элемент — ураний-238 — самопроизвольно испускает альфа-частицы, пока не стабилизируется, перейдя в свинец-206. Он проходит через несколько промежуточных состояний и через несколько веществ (количеством до 18); этот процесс называется цепочкой мерного распада.

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.

Историки приписывают Резерфорду также открытие в 1918 году протона ("первый") — позитивно заряженной субатомной частицы. Хотя, наверное, следовало бы присвоить славу ее открытия (хотя бы частично) немецкому физику Ойгену Гольдштейну (1850-1930). В 1886 году Гольдштейн осуществил похожий на эксперимент Томсона опыт с перфорированным катодом и выделил частицу, масса которой была сходна с массой атома водорода, но позитивно заряженную. Он принял эту частицу за простой ион.

Резерфорд повторил опыт, бомбардируя атомы азота альфа-частицами, и обнаружил сверкание, которое мог производить только азот. Эта реакция стала первым превращением, осуществленным искусственно, в отличие от естественной радиации. Мы можем представить ее сегодня как физическую реакцию со следующей формулой:

⁴He + ¹⁴N → ¹⁷O + ¹Н,

в которой величины соответствуют атомной массе. Слева направо ядро гелия (2 протона и 2 нейтрона) взаимодействует с ядром водорода (7 протонов и 7 нейтронов), и образуются ядро кислорода-17 (изотоп с 8 протонами, но 9 нейтронами) и ядро водорода (1 протон). Наверное, это была первая алхимическая реакция в истории.

Модель атома Резерфорда (см. рисунок на странице 134) с электронами на периферии и протонами, содержащимися в плотном ядре, превратилась для физиков в неразрешимую проблему.

Протон был выделен в 1920 году Эрнестом Резерфордом во время изучения ядер гелия, раньше называвшихся альфа-частицами и излучаемых при естественной радиоактивности. На самом деле Резерфорд выделил ядро водорода, самый распространенный в природе изотоп которого состоит из одного протона. Во время этого опыта Резерфорд осуществил первую в истории атомную реакцию, превратив атомы азота в кислород. В продукте реакции Резерфорд выделил ядро водорода и предположил, как и задолго до него английский химик Уильям Прут (1785-1850), что водород может быть основным элементом, или частицей, образующей другие атомы. Даже если на самом деле это не совсем так, факт заключается в том, что Резерфорд предложил называть его протоном по двум причинам: во-первых, он заимствовал греческое слово, означающее "первый", во-вторых, это название напоминало о фамилии Прута.

Перво· атомное превращение в истории заключалось в превращении атома азота в кислород в следующей реакции:

⁴He + ¹⁴N → ¹⁷O + ¹Н.

Она противоречила законам электромагнетизма, описанным Джеймсом Клерком Максвеллом, хотя эти законы были доказаны многочисленными опытами. По Максвеллу, электрический заряд в движении — в нашем случае электрон — должен постоянно излучать энергию. И со временем из-за потери этой энергии он должен упасть на ядро, и тогда атом коллапсирует. Кроме того, протоны с одинаковым положительным зарядом должны отталкиваться друг от друга, а не оставаться в маленьком пространстве в центре атома.

Появилась главная проблема: микроскопический мир вел себя не так, как макроскопический. Резерфорд долгие годы размышлял над этим вопросом и в итоге пришел к гипотезе, что положительный заряд протона должен быть компенсирован, или, скорее, нейтрализован, другими частицами. Когда мы описывали получение протона из азота, мы уже использовали понятие нейтрона.

Один из учеников Резерфорда, английский физик Джеймс Чедвик, попытался найти нейтроны, и это ему удалось сделать в 1932 году, после 11 лет исследований. В результате нейтрон стал главным инструментом при ядерном делении, или распаде, поскольку он лишен электрического заряда, следовательно никак себя не проявляет, пока не проникнет в атомы более тяжелых элементов. Лауреат Нобелевской премии по физике 1935 года Чедвик против своей воли проложил дорогу к атомной бомбе.

Схема модели Резерфорда (1911).