Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В первых частях книги я рассказывал о тех разделах физики, где можно было пренебречь внутренней структурой вещества. В частности, я говорил о гравитации. Любое небесное тело, обладающее такой же массой, как Земля, будет иметь такую же, как и у Земли, силу притяжения независимо от того, из чего это тело состоит. Более того, когда мы изучаем законы гравитационного взаимодействия тел, нам даже нужно пренебречь внутренней структурой этих тел. Например, кирпич — это единое целое, и перемещается он как единое целое, поэтому при изучении перемещения кирпича нам не важен его состав. Можно вывести очень важные законы электромагнитных волн, наблюдая за увеличением заряда на конце пробки или исследуя магнитное поле постоянного магнита, и для этого совсем не обязательно изучать внутреннюю структуру самого магнита. Даже тепло можно принять за некую невидимую жидкость[112], перетекающую от одного предмета к другому, и на основе этого выявить законы термодинамики.

Впрочем, если вы прочитали обе предыдущие части, думаю, для вас стало очевидно, что для более глубокого понимания феномена нам все же необходимо перейти на уровень микрочастиц.

Так, гораздо легче понять свойства газов, если представить газ как совокупность молекул (см. ч. I)[113].

В этом третьем томе я более подробно расскажу о внутренней структуре вещества и энергии и попытаюсь показать, как человек путем физических опытов открыл целый мир мельчайших частиц, который мы не можем увидеть, и как много это открытие дало тому миру, что мы видим вокруг.

Происхождение атомизма

Понятие атомизма (так можно назвать теорию о том, что вся материя состоит из атомов) впервые ввели древние греки, основываясь в своих суждениях не на результатах опытов, а на философских выводах.

Наглядно подтвердить верность теории атомизма невозможно, так как для человека практически любое вещество является единым целым: мы ведь видим лист бумаги или каплю воды, а не частицы, из которых они состоят.

Но это еще ни о чем не говорит. Песок на пляже издалека тоже кажется единым целым, и только на очень близком расстоянии видны мелкие кристаллики, из которых он состоит. А ведь и бумага, и вода тоже могут состоять из частиц настолько малых, что их просто невозможно увидеть.

Проверить это можно следующим способом. Например, если бы мы не видели, что песок состоит из мелких частиц, то можно было бы взять в руку горсть песка, затем разделить ее на две равные части, затем каждую получившуюся часть разделить еще на две и т. д. В конце концов останется самая маленькая доля, состоящая из одной песчинки, которую уже нельзя будет разделить. То есть суть атомизма в том, что вещество нельзя делить до бесконечности, в какой-то момент останутся лишь неделимые (по крайней мере, неделимые тем же способом) частицы.

Что касается бумаги и воды, то микрочастицы, из которых состоят эти вещества, слишком малы для человеческого глаза. Как правило, человек не может увидеть или ощутить мельчайшие частицы большинства веществ. Как же тогда люди открыли само существования микрочастиц? Только лишь силой разума?

Все началось в IV веке до н.э. с парадоксов Зенона. Зенон говорил, что с помощью разума можно прийти к заключениям, которые пойдут вразрез со здравым смыслом. Выход в подобной ситуации один: надо искать ошибку либо в умозаключениях, либо в мировосприятии. Самый знаменитый парадокс Зенона называется «Ахиллес и черепаха»

Представьте, что древнегреческий герой Ахиллес, прославившийся своим умением быстро бегать, бежит в десять раз быстрее, чем черепаха. Черепаха получает фору в 100 метров, и забег начинается. Пока Ахиллес бежит 100 метров, черепаха пройдет 10 метров, когда Ахиллес пробежит эти 10 метров, черепаха продвинется еще на 1 метр, пока Ахиллес пробежит 1 метр, черепаха уйдет на ¹/₁₀ метра и т. д. То есть если мыслить так же, как Зенон, то получается, что Ахиллес никогда черепаху не догонит: та всегда будет впереди, пусть и с очень небольшим отрывом. Однако мы понимаем, что он не только ее догонит, но и перегонит.

Современная математика дает объяснение этому парадоксу. Дело в том, что расстояние, на которое черепаха опережает Ахиллеса, стремится к пределу. Внутри предела может быть сколь угодно метров, но их общая сумма вполне конечна. Так, в случае Ахиллеса и черепахи общая сумма равна 111 и ¹/₉ метра. То есть, как только Ахиллес пробежит 111 и ¹/₉ метра, он догонит черепаху и начнет ее обгонять.

Однако греки ничего не знали о математических пределах, поэтому им пришлось искать другие пути соотнесения аргументов Зенона с правдой жизни. Зенон, например, делил расстояние между черепахой и Ахиллесом на все более и более мелкие части, не отдавая себе отчета в том, что в конце концов останется столь малая часть, что ее уже нельзя будет разделить.

Возможно, именно так и устроено мироздание. Возможно, существуют какие-то мельчайшие неделимые частицы. Если принять идею о том, что нельзя делить до бесконечности, то парадоксы Зенона, основанные на бесконечном делении на все более и более мелкие части, просто исчезнут.

Возможно, подобные умозаключения и привели некоторых греческих философов к идее о том, что вся Вселенная состоит из невидимых микрочастиц. Наиболее знаменитый из этих философов — Демокрит, работавший над своей теорией приблизительно в 430 году до н.э. Он назвал эти мельчайшие частицы «атомос», от греческого «atomos» («невидимый»), откуда и произошло современное слово «атом».

Демокрит продолжил развивать свои идеи и пришел к ряду довольно современных выводов, однако все они были построены исключительно на умозаключениях. Он ничем не мог подтвердить свою теорию, просто «так должно быть».

Другие греческие философы того времени, напротив, говорили «такого быть не может» и приводили свои доводы. В целом большинство философов Греции отрицали теорию атомизма, и взгляды Демокрита были похоронены. Именно по этой причине работы Демокрита практически не переписывались, и ни одна из его многотомных работ не дошла до наших дней. Все знания о Демокрите мы почерпнули из работ других философов, но поскольку почти все они отвергали его теорию, то отзывались о его взглядах весьма пренебрежительно.

Тем не менее идеи Демокрита все же выжили. Эпикур (341–270 гг. до н.э.), начавший преподавать в Афинах в 306 году до н.э., включил атомизм Демокрита в собственную систему философских взглядов. Правда, хотя работа Эпикура и имела солидное влияние на других философов в течение нескольких последующих веков, его работы тоже не дошли до нашего времени.

К счастью, работы одного философа-«эпикурейца» все же сохранились. Римский поэт Лукреций (96–55 гг. до н.э.) написал длинное стихотворение «О природе вещей», где описал Вселенную с точки зрении атомизма. Сохранилась лишь одна копия этого произведения, которая в XV веке стала одним из первых печатных произведений античных классиков.

Таким образом, идеи эпикурейцев дошли до современной науки, и французский философ Пьер Гассенди (1592–1655) адаптировал эпикурейские взгляды Лукреция и поспособствовал популяризации доктрины атомизма.

Английский ученый Роберт Бойль (1627–1691) был одним из тех, на кого оказали сильное влияние идеи Гассенди, и именно он вывел атомизм на новую ступень развития, подкрепив идеи и домыслы опытами и наблюдениями.

Химические элементы

Р. Бойль изучал воздух и выяснил, что его можно сжимать и расширять (см. ч. I). Другими словами, можно менять объем воздуха, а его масса при этом остается неизменной. Если бы вещество было неделимо, тогда это было бы просто невозможно: когда мы растягиваем резиновый жгут, то его длина увеличивается, однако уменьшается его толщина, следовательно, объем не меняется.

Воздух больше похож на губку: ее можно сжать или, наоборот, растянуть — при этом сильно изменится объем губки, а вес останется неизменным. Пример с губкой можно объяснить наличием огромного количества пустот с воздухом внутри ее. Когда мы сжимаем губку, воздух выходит из этих полостей и губка уменьшается в размерах, а когда мы ее растягиваем, то воздух, наоборот, заходит внутрь.

Возможно, подобные полости есть в самом воздухе, и когда мы сжимаем или расширяем воздух, то сжимаются и расширяются именно эти полости. Можно представить, что воздух состоит из мириад мельчайших частиц, разделенных пустотой. Во время сжатия эти частицы подвигаются ближе друг к другу, а во время расширения, наоборот, удаляются друг от друга. Таким образом, объем будет меняться, а масса, которая зависит от количества частиц, а не от расстояния между ними, останется неизменной. Другие свойства газов также удобнее объяснять с атомистической точки зрения.

Конечно же с точки зрения атомизма можно рассматривать не только газы, но и твердые вещества и жидкости, так как последние путем нагревания легко превращаются в газ и пар. Таким образом, кипящая вода, да и вода при нормальной температуре превращается в пар — газ, плотность которого намного меньше плотности воды. С помощью конденсации пар снова можно превратить в воду. Объяснить это можно тем, что вода также состоит из атомов, но эти атомы расположены очень близко друг к другу, а поскольку для сжатия воды нужно давление гораздо большее, чем для сжатия газов, то, возможно, атомы еще и тесно между собой связаны. Когда жидкость испаряется, эти связи между молекулами разрушаются, а при конденсации они вновь восстанавливаются.

Но даже после столь подробных объяснений наука не приняла теорию атомизма, ведь она касалась микроскопических объектов, которые невозможно было обнаружить ни одним прибором того времени.

Окончательному же становлению атомизма способствовало появление все новых и новых химических доказательств. Рассказ об этом я начну с объяснения, что такое элемент.

Первыми о природе фундаментальной субстанции или субстанций (или элементов), из которых состоит все во Вселенной, заговорили древние греки. Их умозаключения не были основаны на реальных химических опытах, поэтому, по сути, являлись лишь догадками, но поскольку древние греки были людьми весьма умными, то и их догадки были весьма разумны.

Аристотель (384–322 гг. до н.э.) суммировал труды греческих философов в этой области, создав список четырех основных элементов мира: земля, вода, воздух и огонь, и пятый элемент, из которого состоят небеса, — эфир (см. ч. I). Если вместо названий стихий использовать родственные слова «твердый», «жидкий», «газообразный» и «энергия», то становится ясно, что в догадках действительно есть доля разумного.

Греческая идея четырех стихий просуществовала две тысячи лет, однако в 1600 году благодаря работам Галилео Галилея (1564–1642) ученые стали больше внимания уделять экспериментам, а не просто идеям. Элемент, или стихию, нужно путем экспериментов определить как нечто способное или неспособное делать что-либо, а не как просто что-то существующее, то есть дать определение, как мы говорим сейчас, с практической точки зрения.

В 1661 году Роберт Бойль написал книгу под названием «Химик-скептик», где он объяснил суть элемента. Если все мироздание действительно состоит из элементов, то каждый элемент должен являться простейшей, неделимой субстанцией, и тогда элемент нельзя создать из еще более мелких субстанций. Если же субстанцию можно разбить на еще более мелкие субстанции, то это уже не элемент.

Землю можно легко разделить на более простые субстанции, значит, земля — не элемент. Век спустя вода и воздух были разделены на еще более мелкие частицы, значит, вода и воздух — тоже не элементы. Что касается четвертой стихии, то химики пришли к выводу, что огонь — это вообще одна из форм энергии, значит, он не принадлежит к элементам.

После Бойля химики еще долгое время вообще не могли ничего утверждать об элементах, так как опасались, что совершенствующаяся техника экспериментов могла разделить казавшиеся ранее неделимыми субстанции.

Взять, к примеру, известь. В XVIII веке известь считалась элементом, так как ни одна химическая реакция не могла разложить ее на составляющие. Однако у химиков возникло предположение, что известь состоит из какого-то метала и кислорода. И лишь в 1808 году английскому химику Гемфри Дэви (1778–1829) удалось разложить известь и выявить новый элемент — кальций (так по-латыни называется известь). Ученый применил для этого электрический ток — новую для того времени технологию.

Для более легкого обозначения химических элементов шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779–1848) ввел в 1814 году для каждого элемента свой химический символ. Естественно, проще всего было использовать для этого первую и (как правило) вторую букву латинского названия элемента. Благодаря столь логичному подходу новые обозначения легко запоминаются и после некоторой тренировки не вызывают никаких затруднений при чтении.

В XIX веке химия ушла далеко вперед в изучении природы элементов, и уже в начале этого века ученые довольно точно знали, что является элементом, а что не элемент. О том, как им удалось этого достичь, я расскажу чуть позже, а пока привожу список субстанций, которые ныне считаются химическими элементами (табл. 1).

Современная атомистическая теория

Конечно же далеко не все встречающиеся в природе вещества являются химическими элементами. Большинство субстанций состоят из двух и более элементов, причем не просто смешанных, а связанных так, что конечное вещество обладает собственными, как правило, уникальными свойствами, не имеющими ничего общего со свойствами образующих его элементов. Такие вещества, между элементами которых существует химическая связь, называются химическими соединениями.

В конце XVIII века химики стали изучать не только качества продуктов реакции. Уже было недостаточно просто записать, что «выделился газ» или «появился осадок такого-то цвета». Химики стали взвешивать количество используемых и выделившихся в процессе реакции веществ.

Самый известный химик этой «новой волны» — французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Это его называют «отцом современной химии». К 1789 году у Лавуазье накопилось достаточно опытных данных, чтобы заключить, что в закрытой системе (т. е. когда в процессе химической реакции не поступают вещества извне, а продукты реакции не покидают систему) общая масса исходных веществ равна общей массе получаемых. Этот закон получил название «закон сохранения вещества», или «закон сохранения массы».

Дальше нужно было замерить каждый элемент в составе химического соединения. Важный шаг вперед в этом направлении сделал французский химик Жозеф Луи Пруст (1754–1826). Он работал, к примеру, с неким соединением (теперь мы называем его дигидроксокарбонатом меди, состоящим из трех элементов: меди, углерода и кислорода). Сначала Пруст взял образец чистого дигидроксокарбоната меди, разложил его на эти три элемента и взвесил каждый из них. Он обнаружил, что все три элемента в составе вещества всегда находятся в одной и той же пропорции: 5 частей меди (по весу), 4 части кислорода и 1 часть углерода. То есть во всех образцах элементы складывались только в этой пропорции, и никак иначе.

Пруст обнаружил, что и в других соединениях элементы также находятся в определенных пропорциях, и в 1797 году он объявил о своем открытии, получившем название «закон Пруста», или «закон постоянства состава».

Именно благодаря закону постоянства состава ученые путем умозаключений исключительно химического толка вывели концепцию атомизма. Предположим, что медь состоит из крошечных атомов меди, кислород — из атомов кислорода, углерод — из атомов углерода, а дигидроксокарбонат меди образуется путем соединения одного атома меди, одного атома кислорода и одного атома углерода (на практике это немного не так, но ведь мы просто пытаемся следовать логике атомистов). Несколько связанных между собой атомов называются молекулой («малая масса» по-латыни). То есть представьте, что дигидроксокарбонат меди состоит из множества молекул, в каждой из которых по одному атому меди, кислорода и углерода.

Теперь если предположить, что атом меди в пять раз тяжелее атома углерода, а атом кислорода в четыре раза тяжелее атома углерода, то получается, что так как дигидроксокарбонат меди содержит 5 частей (по массе) меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода, то, чтобы получить 5,1 части меди и 3,9 части кислорода к одной части углерода, нужно будет делить атом.

Но такого никогда не происходит. Химические элементы соединяются только в строгой пропорции. Таким образом, закон Пруста доказывает не только то, что атомы существуют, но и то, что, как и говорил Демокрит

Английский химик Джон Дальтон (1766–1844) был одним из первых, кто не только принял, но и развил теорию атомизма. Опираясь на закон Пруста и подобные обобщения, он создал современную атомистическую теорию (слово «современная» используется, чтобы не путать ее с оригинальной теорией Демокрита).

Конечно же Дальтон ушел в своих изысканиях намного дальше, чем Демокрит. Он не ограничился лишь заявлением о том, что атомы существуют. Из закона Пруста Дальтон вывел следующее:

каждый химический элемент состоит из нескольких атомов, масса которых постоянна и одинакова;

разные элементы состоят из разных по массе атомов;

химические соединения состоят из молекул, образованных несколькими атомами[115].

Закон постоянства состава позволяет сделать выводы об относительной массе атомов разных веществ, то есть об атомном весе[116].

Например, вода состоит из водорода и кислорода, и на одну часть водорода (по массе) приходится восемь частей кислорода. Дальтон полагал, что в формировании связи принимает участие минимально возможное количество атомов и что в молекуле воды содержится по одному атому водорода и кислорода. Значит, по мнению Дальтона, атом кислорода в восемь раз тяжелее атома водорода.

Судить таким образом о реальной массе кислорода или водорода нельзя, однако сдаваться тоже не следует. Дальтон принял за единицу веса массу атома водорода, так как имел основания полагать, что атом водорода самый легкий (и здесь он оказался прав), и принял массу атома водорода равной 1. Получается, что если вес водорода равен 1, то вес кислорода равен 8.

Здесь я должен сделать поправку. Как раз когда Дальтон работал над своей теорией, ученым удалось с помощью электрического тока разложить воду на водород и кислород. И оказалось, что на каждый литр полученного кислорода приходится два литра водорода, то есть соотношение по объему кислорода и водорода в воде 1:2. На основе этого вскоре было доказано, что в одной молекуле воды содержится один атом кислорода и два атома водорода (Дальтон, однако, так с этим и не согласился).

Молекулу можно представить в виде химической формулы, где каждый атом каждого химического элемента имеет соответствующий химический символ. То есть, по Дальтону, формула воды будет выглядеть как НО. Если же в молекуле содержится более одного атома элемента, то их количество обозначается цифрой. Сейчас считается, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и формула выглядит как Н₂O.

Изменились выводы, но не результаты научных экспериментов. Вода по-прежнему состоит из одной части (по весу) водорода и 8 частей кислорода. Однако, учитывая новый взгляд на состав молекулы воды, один атом кислорода должен по весу быть в 8 раз тяжелее двух атомов водорода и соответственно в 16 раз тяжелее одного атома водорода. Таким образом, если принять вес атома водорода за 1, то атомный вес кислорода будет равен 16.

По этой же системе можно вычислить относительный вес остальных элементов. Скажем, для получения углекислоты необходимы 3 части углерода и 8 частей кислорода (по весу). Молекула углекислоты содержит один атом углерода и два атома кислорода (СO₂). Это значит, что вес атома углерода — это ³/₈ веса двух атомов кислорода. Атомный вес кислорода равняется 16, значит, у двух атомов кислорода атомный вес 32³/₈ от 32 будет 12, значит, относительный вес одного атома углерода — 12.

Одна молекула циана (C₂N₂) содержит 6 частей углерода и 7 частей азота. Атомный вес двух атомов углерода 24, значит, вес двух атомов азота будет ⁷/₆ от 24, то есть 28. А атомный вес одного атома азота равняется 14.

Получается, что атомный вес атома любого элемента — целое число, в чем и был глубоко убежден Дальтон. Однако последующие исследования других химиков, например Берцелиуса, показали, что атомный вес некоторых элементов — дробное число. Например, атомный вес хлора равен приблизительно 35,5, а атомный вес магния — 24,3.

На самом деле если провести более точные измерения, то почти все целые числа атомных весов окажутся также дробными. Например, соотношение кислорода и водорода в воде не 8 к 1, а 7,94 к 1. Значит, если приравнять вес одного атома водорода к 1, то атомный вес кислорода будет 15,88.

Кислород легко соединяется с другими элементами. Из всех известных 19 химических элементов кислород реагировал практически со всеми. Именно это свойство — химическая активность — кислорода позволило ученым узнать относительный вес атомов всех остальных элементов, а использование дробного числа вместо целого привело бы к абсолютно ненужным сложным математическим расчетам. Поэтому ученые решили приравнять атомный вес кислорода к 16,0000, то есть получалось, что атомный вес водорода — 1,008.

Это удовлетворило химиков вплоть до 1920 года. Именно тогда ученые узнали кое-что новое об атомах (см. гл. 8), и число 16,0000 перестало отвечать их требованиям. Однако это число настолько прочно осело в литературе и головах ученых, что его практически невозможно было оттуда выбить. Впрочем, в 1961 году была создана новая система, где изменения были настолько малы, что большинство их приняло. В 1961 году за атомный вес кислорода было принято число 15,9994.

Из 103 известных химических элементов 83 широко представлены на поверхности земли. Все эти элементы приведены в табл. 2, где они расположены по возрастанию атомного веса. Рядом даны атомные веса этих элементов по системе, принятой в 1961 году. А об оставшихся двадцати мы поговорим в одной из следующих глав.

Периодическая таблица

В середине XIX века существовали два определения элемента. Первое — элемент не может быть разбит на два или несколько более простых субстанций (определение Бойля) и второе — элемент состоит из атомов с определенным атомным весом (определение Дальтона). Впрочем, все элементы удовлетворяли и первому и второму определению. Тем не менее определенные сомнения все-таки были, слишком уж много было химических элементов (в 1860 году было известно уже более 60 элементов).

Эти элементы обладали самыми различными свойствами: здесь были и газы, и жидкости, больше всего было твердых веществ; были и неметаллы, и легкие металлы, и тяжелые металлы, и полуметаллы; некоторые из них обладали высокой степенью активности, остальные средней, а какие-то были инертны; некоторые имели цвет, а некоторые были бесцветны.

Все это очень разочаровывало ученых. Конечно же ученые должны принимать мир таким, какой он есть, однако еще древние греки посеяли в их головах идею того, что все в природе организовано довольно просто. И если что-то на первый взгляд кажется очень сложным, то ученые пытаются найти какой-то скрытый и относительно простой порядок.

В середине XIX века предпринимались попытки найти такой порядок среди химических элементов. Элементов становилось все больше, их атомные веса измерялись все с большой точностью, и ученым показалось логично занести элементы в таблицу в порядке увеличения их атомных весов (как в табл. 3) и посмотреть, что же из этого получится.

Было несколько попыток создать такую таблицу, но успехом увенчалась лишь одна. В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) расположил все известные на тот момент химические элементы в таблицу по рядам и колонкам так, что элементы со сходными свойствами попадали в одну колонку (или ряд, смотря как расположить таблицу). Свойства элементов одной колонки повторялись с определенной периодичностью, поэтому таблица получила название периодическая.

Сложности возникли из-за того, что науке были известны далеко не все химические элементы. Когда Менделеев заносил элементы в колонки своей таблицы согласно их свойствам, ему пришлось оставлять пустые клетки. В 1871 году он объявил, что в этих клетках должны быть еще неоткрытые элементы, и, приводя средние значения элементов сверху и снизу пустой клетки, довольно точно предсказал свойства неизвестных элементов.

В течение 15 лет были открыты все три обозначенных Менделеевым элемента, и их свойства в точности совпадали с его предсказаниями. В результате в 1880 году периодическая таблица Менделеева была принята в качестве путеводителя по неизведанному миру химических элементов, и до сих пор от нее никто не собирается отказываться. Открытия более поздних лет (см. гл. 4) лишний раз подтвердили верность периодической системы. Д.И. Менделеев пришел к своему открытию эмпирическим путем, то есть стало понятно, что периодическая таблица верна и работает, но никто не знал, почему она работает. Ответ был найден в XX веке.

Таблица 3 и есть общепринятая современная периодическая система. Элементы расположены в порядке возрастания атомного веса (есть, правда, три исключения, которые я поясню чуть ниже), и каждый элемент имеет свой порядковый номер — от 1 до 103. Значение этого «атомного номера» мы обсудим чуть ниже.

Сравнивая табл. 3 и табл. 2, можно заметить следующее. Для того чтобы поместить все элементы в нужные ряды, придется поставить три элемента не по порядку. У элемента 18 (аргон) порядковый номер ниже, чем у элемента 19 (калий), несмотря на то что атомный вес у аргона больше. Точно так же у элемента 27 (кобальт) атомный вес больше, чем у элемента 28 (никель), и у элемента 52 (теллур) атомный вес выше, чем у элемента 53 (йод). Поскольку разница в весе очень мала, то ученые в XIX веке не обращали особого внимания на несколько незначительных исключений из общего правила. Однако ученые XX века выяснили, что эти исключения крайне важны (см. ниже).

В периодической системе есть несколько семейств тесно между собой связанных и обладающих схожими свойствами элементов. Например, элементы 2, 10, 18, 36, 54 и 86 (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) являются инертными газами. Свое название эти газы получили из-за того, что практически не реагируют с другими веществами. До 1962 года ученые были уверены, что эти газы вообще не вступают в химические реакций. Однако в 1962 году стало ясно, что по крайней мере три из них — криптон, ксенон и радон — могут вступать в реакцию с фтором.

Элементы 9, 17, 35, 53 и 85 (фтор, хлор, бром, йод и астатин) являются галогенами (что в переводе с греческого означает «образующий соль»). Эти активные неметаллы свое название получили потому, что при реакции хлора с натрием образуется обыкновенная поваренная соль, а при реакции остальных элементов этой группы с натрием также образуются вещества, очень похожие на соль.

Элементы 3, 11, 19, 37, 55 и 87 (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) — мягкие, легкоплавкие и очень активные щелочные металлы. Слово «щелочь» по-арабски значит «пепел». Именно из пепла некоторых растений люди получили соду (углекислый натрий) и поташ (углекислый калий). Впоследствии Дэви выделил из них два первых щелочных металла — натрий и калий.

Элементы 4, 12, 20, 38, 56 и 88 (бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий) являются более твердыми, тугоплавкими и менее активными, чем щелочные металлы. Это щелочноземельные металлы. Название «земельные» они получили потому, что их оксиды не растворяются в воде и являются тугоплавкими. Однако оксиды двух из них — известь и жженая магнезия — обладали некоторыми свойствами соды и поташа, поэтому их назвали «щелочноземельными». Из извести и жженой магнезии Дэви выделил два первых щелочноземельных металла — кальций и магний.

Элементы 57–71 — семейство очень схожих по свойствам редкоземельных металлов, теперь их называют лантаноидами по названию первого элемента этой группы (лантан). Элементы 89–103 — это актиниды, по названию первого элемента группы (актиний).

Есть и другие семейства элементов, но названные выше наиболее широко известны, и очень часто их называют по имени группы.

Существование атомов

Теперь, когда у нас есть атомный вес, довольно просто понять, что называется молекулярным весом. Молекулярный вес — эта сумма атомных весов всех атомов в молекуле. Давайте начнем, скажем, с кислорода (атомный вес 16) и водорода (атомный вес 1)[117].

Химические опыты показывают, что при нормальных условиях атомарный кислород и водород практически не встречаются в природе, а наоборот, два атома стремятся соединиться друг с другом, чтобы образовать устойчивую молекулу. Молекулы газов кислорода и водорода состоят из двух атомов. Таким образом, химические формулы этих газов выглядят как O₂ и Н₂. Если нижний индекс отсутствует, значит, речь идет об отдельных атомах кислорода и водорода. Получается, что молекулярный вес молекулы кислорода — 32, а водорода — 2.

Озон состоит из 3 атомов кислорода, значит, его молекулярная масса равна 48. Молекулярная масса воды (Н₂O) равна 18, а так как мы знаем, что атомный вес углерода 12, то молекулярная масса молекулы углекислоты (СO₂) равна 44.

Удобно использовать количество вещества в граммах, равное его молекулярному весу. Например, удобно использовать 2 грамма водорода, 32 грамма кислорода, 18 граммов воды или 44 грамма углекислоты. Это называется грамм-молекулярным весом, или моль. То есть масса одного моля углекислоты равна 44 граммам, а одного моля озона — 48 граммам.

Впрочем, иногда встречаются вещества, состоящие из одного атома, например инертные газы гелий и аргон. Некоторые твердые элементы, такие как углерод и натрий, для удобства принимаются за одноатомные. Это уже называется грамм-атомным весом. Атомный вес гелий равняется 4, а натрия — 23, значит, их грамм-атомный вес 4 и 23 грамма соответственно. Как правило, моль подразумевает и грамм-молекулярный, и грамм-атомный вес.

Впервые об удобстве использования моля заговорил в 1811 году итальянский химик Амедео Авогадро (1776–1856). Эго гипотеза получила название гипотезы Авогадро. В современной интерпретации она звучит так: равные объемы любых газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул.

Впоследствии гипотеза Авогадро подтвердилась.

Объем одного моля водорода (2 грамма) при нормальном давлении и температуре 0 °С равен приблизительно 22,4 литра. Один моль кислорода (32 грамма) в 16 раз тяжелее одного моля водорода, но и каждая молекула кислорода в 16 раз тяжелее одной молекулы водорода. Значит, в одном моле кислорода содержится столько же молекул, сколько и в одном моле водорода. По гипотезе Авогадро, 32 грамма кислорода занимают такой же объем (22,4 литра), как и один моль водорода. Так и есть. Это правило верно и для других газов.

Короче говоря, один моль любого газа занимает один и тот же объем. Число молекул в одном моле любого газа называется числом Авогадро.

Один и тот же объем занимает один моль только лишь у газов. Однако гипотеза Авогадро нашла куда более широкое применение. В одном моле любого твердого, жидкого и газообразного вещества содержится одно и то же число молекул — число Авогадро. (Когда речь идет об одноатомных веществах, таких как гелий, то это число молекул в общем-то содержится в одном грамм-атоме, а не в одном моле, ну да это детали.)

Если бы только химики знали точное значение числа Авогадро, то они смогли бы раз и навсегда определить массу одной молекулы и лишний раз подтвердить существование атомов. А пока к атомам относились как к невидимым для глаза частичкам, которые просто удобно использовать для объяснения химических реакций. Но если определить точную массу одной молекулы, посчитать точное количество молекул в стакане воды или в грамме железа, тогда уже никто не усомнится в существовании атомов.

К несчастью, только полвека спустя ученые смогли выяснить значение числа Авогадро, да и то лишь приблизительно. До этого химики могли утверждать лишь то, что оно очень велико.

Все произошло в 1865 году. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) совместно с австрийским физиком Людвигом Больцманом выявил свойства газов на основе математического анализа беспорядочного движения атомов и молекул газа (см. ч. I). С помощью формул, разработанных Максвеллом и Больцманом, можно было хотя бы приблизительно подсчитать число молекул. По расчетам немецкого химика Лошмидта, число Авогадро равнялось приблизительно 600 миллиардам триллионов молекул. Действительно, немало.

Более точные расчеты были проведены в XX веке. Оказалось, что Лошмидт был недалек от истины: принятое в наше время значение числа Авогадро равняется 602 300 000 000 000 000 000 000, или 6,023∙10²³.

Если один моль кислорода весит 32 грамма и содержит 6,023∙10²³ молекул, то масса одной молекулы кислорода будет равна 32/6,023∙10²³, или примерно 5,3∙10^–28 г. Но так как одна молекула кислорода состоит из двух атомов, то масса одного атома равна примерно 2,65∙10^–28 г. Зная массу одного атома кислорода, по атомному весу остальных элементов таблицы можно вычислить массу их атомов.

Например, атомный вес водорода равен ¹/₁₆ атомного веса кислорода, значит, масса одного атома водорода должна быть равна ¹/₁₆ массы атома кислорода. Сегодня за массу одного атома водорода (самого легкого атома) приняты 1,67343∙10^–24, или 0,00000000000000000000000167343 г.

Если представить атомы как сферы и принять во внимание то, что в жидкостях и твердых веществах атомы находятся в непосредственном контакте, то с помощью числа Авогадро можно приблизительно высчитать диаметр атома. Диаметр равен 10^–8 см. То есть в 1 см примерно 250 000 000 атомов.

Когда видишь, насколько малы атомы, то становится понятным, почему Демокрит, установивший существование атомов путем лишь логических рассуждений, гак и не смог убедить остальных в существовании атомов.

Однако существование атомов можно доказать лишь косвенно. В обычной жизни мы верим лишь прямым доказательствам, особенно тем, что можем сами увидеть. «Пока своими глазами не увижу, не поверю», — гласит народная мудрость.

Конечно же иногда человеку, чтобы поверить, недостаточно просто видеть. Ведь существует вероятность галлюцинации или оптического обмана. К тому же не каждый может правильно объяснить то, что он видит (а видит он, например, то, что земля плоская). Получается, что осторожные и логичные умозаключения, основанные на большом объеме верных, но косвенных знаний, могут стать намного более надежным проводником к важным выводам, чем чувства.

И тем не менее, когда стало возможно посмотреть на атом, люди (в том числе и ученые) крайне обрадовались. А возможным это с помощью специальных микроскопов сделал немецкий физик Эрвин Вильгельм Мюллер.

Первым таким микроскопом стал созданный в 1936 году автоэлектронный микроскоп. Его основу составляет тончайшая игла в вакууме. Под действием сильного электрического поля с конца этой игры срываются мельчайшие частицы и, попадая на экран вакуумной трубки, рисуют атомную структуру кончика иглы. К сожалению, даже в вакууме содержатся отдельные молекулы газов, летящие частицы ударяются о них и сбиваются с курса[118]. В результате картина становится смазанной, что называется «не в фокусе».

В 50-х годах Мюллер использовал более тяжелые частицы и добавил в вакуум немного атомов гелия. Как только один из таких атомов ударялся о кончик иглы, то под действием электрического поля преобразовывался в ион гелия и по прямой летел в экран.

Более тяжелые молекулы гелия реже сбиваются с курса при столкновениях с молекулами газа, и изображение получается гораздо более четкое. Такой микроскоп называется ионным. На экране видно, что атомы кончика иглы идеально круглые и находятся в определенном порядке. В микроскопе можно применять лишь некоторые легкоплавкие металлы, но, тем не менее, он делает атомы «видимыми», то есть доказывает их существование. Несколько таких фотографий атомов уже стали классикой науки.

Электролиз

Итак, известны 103 элемента и соответственно 103 разных атома. Достаточно причин для беспокойства. Конечно, периодическая таблица приводит все эти элементы в определенный порядок, но, может быть, существует и какой-то другой порядок?

Почему элементов так много? Почему незначительная разница в массе атомов приводит к столь большим различиям свойств веществ? Например, разница между атомным весом аргона (39,9) и калия (39,1) небольшая, однако первый — очень инертный газ, а второй — весьма активный металл.

Чтобы понять это, нужно изучить сам атом. Быть может, у атомов тоже есть структура и именно она объясняет их свойства.

Первые попытки изучить атом были предприняты еще в 1816 году английским физиком Уильямом Праутом (1785–1850). В то время атомная теория была еще очень молодой, и ученым были известны лишь атомные веса элементов и масса атомов некоторых элементов, крайне приблизительно определенная Дальтоном. Все атомные веса являлись кратными целыми атомному весу водорода (1).

Для Праута это не было просто совпадением. Если массы атомов всех элементов были кратны массе атома водорода, то не логично ли, что атомы более тяжелых элементов состоят из атомов водорода? Например, атомный вес водорода 16, так, может быть, атом кислорода состоит из 16 тесно между собой связанных атомов водорода?

Праут опубликовал свою теорию анонимно, но вскоре выяснилось, что он был автором работы, и она получила название гипотезы Праута.

Столетие спустя многие химики произвели точные расчеты атомных весов элементов, в том числе и для того, чтобы проверить, являются ли они кратными целыми атомного веса водорода. Оказалось, что нет. Как я писал выше, атомный вес кислорода не в 16, а в 15,88 раза больше атомного веса водорода. Атомный вес никеля в 58,24 раза больше атомного веса водорода и т. д.

Гипотеза Праута несколько раз опровергалась, однако все равно не давала покоя химикам, так как атомные веса более чем у половины элементов оказались очень близкими к целым числам. Это не могло быть просто совпадением, это должно было иметь какое-то значение.

Значение было, и в конце концов его удалось определить с помощью электрического тока[119].

В 1807–1808 годах Гемфри Дэви удалось получить несколько элементов (натрий, калий, кальций, магний, стронций и барий), пропуская электричество через химические соединения, молекулы которых содержат атомы этих веществ. Работу продолжил английский химик Майкл Фарадей (1791–1867), который в молодости был ассистентом и протеже Дэви.

Представьте себе два металлических стрежня, подключенных к разным полюсам электрической батареи. Эти стержни получили название электроды (от греч., означает «путь электричества»). Фарадей назвал электрод, подключенный к плюсу, катодом («верхний путь»), а к минусу — анодом (нижний путь). (В те времена считалось, что электричество течет от плюса к минусу, как вода, сверху вниз.)

Если электроды соединить, то по ним потечет электричество. Однако если между электродами находится воздух, то цепь разрывается и электричество не течет. Если же оба электрода погрузить в жидкость, то электричество может течь, а может и не течь в зависимости от того, что это за жидкость. Например, раствор серной кислоты или хлорида натрия пропускают электричество, т. е. является проводником, электролитом, а дистиллированная вода или раствор сахара — не пропускают, т. е. являются изоляторами, или неэлектролитами.

Прохождение электричества через электролит сопровождается химическими реакциями. Как правило, это реакции распада некоторых молекул раствора на химические элементы (электролиз). Именно с помощью электролиза Дэви удалось выделить из химических соединений отдельные металлы.

Элементы скапливаются возле электродов, газы тут же улетучиваются, а металлы «прилипают» к электродам (гальванопокрытие).

Элементы образуются и возле анода, и возле катода. Если электричество проходит через раствор серной кислоты, то водород скапливается возле катода, а кислород — возле анода. Когда электричество проходит через раствор хлорида натрия, то натрий образуется возле катода, а газообразный хлор — возле анода.

Фарадей не знал, как именно атомы распространяются внутри электролита. Некоторые называли такие атомы «дрейфующими», однако атомистическая теория тогда все еще была в новинку, и Фарадей относился к ней с недоверием, поэтому назвал их ионами (что в переводе с греческого означает «бродяга»), ничего не говоря об их природе.

Те ионы, что образуются у катода (например, ионы натрия и водорода) называются катионами, а те, что образуются возле анода (ионы кислорода и хлора), получили названия анионы.

Фарадей тщательно измерил массу элементов, образующихся под действием электрического тока, и в 1832–1833 годах написал работу, которая впоследствии получила название законы электролиза Фарадея.

Первый закон электролиза гласит: масса элементов, образующихся в результате электролиза, прямо пропорциональна количеству пропускаемого через электролит электричества. Единицей количества электричества в системе МКС является 1 кулон (см. ч. II). Если пропустить заряд в 1 кулон через серебросодержащее химическое соединение, то образуется 0,001118 г серебра. Согласно первому закону Фарадея, под действием заряда в два кулона образуется 0,001118 x 2 г серебра, а под действием заряда в X кулон — 0,001118 x X г.

Один грамм-атом серебра равняется 107,87 г серебра. Какое количество электричества необходимо для получения 107,87 г серебра? Составляем уравнение 0,001118∙X = 107,87. Решением уравнения является X = 96,5 кулона, или 1 фарадей. 1 фарадей — это количество электричества, необходимое для получения 1 грамм-атома серебра из серебросодержащего химического соединения.

Перед тем как перейти ко второму закону Фарадея, необходимо понять, что такое эквивалентная масса.

Молекула хлористого водорода (НСl) состоит из одного атома хлора и одного атома водорода, и, чтобы получить один грамм-атом хлористого водорода, необходимо соединить один грамм-атом хлора (35,5 г) и один грамм-атом водорода (1 г). Точно так же из одного грамм-атома натрия (23 г) и одного грамм-атома хлора получается один грамм-атом хлорида натрия (NaCl).

Однако один грамм-атом хлорида кальция (СаСl₂) получается из одного грамм-атома хлора и лишь половины грамм-атома кальция. Это происходит потому, что один атом кальция присоединяет два атома хлора, а для реакции нужна лишь половина атомов кальция. Один грамм-атом кальция равен 40 г, то есть половина грамм-атома кальция равна 20 г. Значит, эквивалентная масса кальция по отношению к хлору (как и к водороду и натрию) при образовании химических соединений равна 20 г (впрочем, обычно эквивалентная масса берется по отношению к водороду).

Или, например, для образования одного грамм-атома хлорида магния (MgCl₂) необходимо соединить один грамм-атом хлора с половиной грамм-атома магния, а для получения одного грамм-атома хлорида алюминия (АlСl₃) необходимы один грамм-атом хлора и одна треть грамм-атома алюминия, значит, эквивалентной массой магния будет 12 г, т. е. атомный вес магния (24), разделенный на два, а алюминия — 9 г (27 разделить на 3).

Итак, в упрощенном виде второй закон Фарадея звучит так: если пропустить заряд в 1 фарадей через химическое соединение, то получаемые элементы будут иметь массу, равную их эквивалентной массе.

Под действием заряда в 1 фарадей образуется 108 г серебра, или 23 г натрия, или 35,5 г хлора, или 1 г водорода (т. е. масса образовавшихся элементов будет равна их атомному весу), или же 20 г кальция и 12 г магния (т. е. масса равна половине атомного веса элемента), или 9 г алюминия (треть атомного веса).

Электрические частицы

Изучив законы электролиза, ученые задались вопросом: а вдруг электричество, как и любое вещество, тоже состоит из частиц?

Давайте представим, что эти частицы действительно существуют, причем существуют они в двух вариантах: положительно заряженные частицы, которые притягиваются к отрицательно заряженному катоду, и отрицательно заряженные, притягивающиеся к положительно заряженному аноду. (Разноименные заряды притягиваются — см. ч. II). Эти заряды можно обозначить как «+» и «–». Так, заряды со знаком «+» переносят атомы водорода и натрия к катоду, а со знаком «–» — атомы кислорода и хлора к аноду.

Итак, если атом водорода переносится к катоду положительно заряженными частицами, то такой атом можно обозначить Н⁺. То есть Фарадей назвал бы его ионом водорода. Точно так же можно обозначить ион натрия — Na⁺, а ион калия — К⁺. Все эти ионы являются положительными заряженными (т. е. катионами).

Можно сказать, что 1 фарадей содержит равное числу Авогадро количество электрических частиц. Если одна частица переносит один атом, то электрический заряд в 1 фарадей перенесет к катоду равное числу Авогадро количество атомов водорода, то есть один грамм-атом. Точно так же под действием заряда в 1 фарадей на электроде образуется один грамм-атом натрия, или один грамм-атом серебра.

Так как под действием заряда в 1 фарадей всегда образуется один грамм-атом вещества, то вполне логично было предположить, что частица, переносящая один атом вещества, является мельчайшей.

Так как атомы хлора образуются возле анода — электрода с положительным зарядом, то их должны переносить отрицательно заряженные частицы. Ион хлора обозначается как Сl^–. Под действием заряда в 1 фарадей образуется один грамм-атом хлора, значит, количество и размер этих отрицательно заряженных частиц равны количеству и размеру положительно заряженных.

А как тогда быть с кальцием? Ведь под действием заряда в 1 фарадей образуется лишь половина грамм-атома кальция. Самый простым объяснением будет то, что для переноски одного атома кальция необходимы два катиона. То есть заряд в 1 фарадей перенесет в два раза меньше ионов кальция, чем, скажем, ионов натрия. Поэтому ион кальция обозначается как Са⁺⁺, ион магния — Mg⁺⁺, ион бария — Ва⁺⁺, а ион алюминия — Аl⁺⁺⁺ и т. д.

Первым, кто предположил, что на самом деле ионы Фарадея — это всего лишь положительно или отрицательно заряженные атомы, стал шведский химик Сванте Август Аррениус (1859–1927). В своих взглядах он опирался не только на работы Фарадея, но и на наблюдения других химиков.

По Аррениусу, под действием электричества молекула расплавленного хлорида натрия (NaCl) распадается не на атомы, а на заряженные ионы натрия (О”) и хлора (Na⁺). Затем ионы натрия устремляются к катоду, а хлора — к аноду. (Эта теория получила название теория диссоциации Аррениуса.)[120] У катода и анода ионы разряжаются и образуются незаряженные атомы: натрий у катода и газообразный хлор у анода.

Как правильно предположил Аррениус, заряженные атомы совсем не обязательно должны обладать теми же свойствами, что и незаряженные. Например, атомы натрия бурно реагируют с водой, а ионы натрия — не реагируют. Атомы хлора образуют молекулы хлора и улетучиваются, а ионы хлора — не улетучиваются.

Из исследования Аррениуса вытекало, что отдельные атомы и их группы могут нести электрический заряд. Например, хлорид аммония (NH₄Cl) распадается на NH₄ и Сl^– — ионы аммония, нитрат натрия (NaNO₃) распадается на Na⁺ и NO₃^– — ионы нитрата. Такие, состоящие из нескольких атомов, ионы называются сложными (составными). Сложными ионами являются, например, гидроксил (ОН^–), сульфат (SO₄^––), карбонат (СO₃^––), фосфат (РO₄^–––).

Идея невидимой электрической частицы стала настолько популярной, что в своей работе, опубликованной в 1881 году, ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826–1911) назвал ее электроном.

Оглядываясь на прошлое, теория Аррениуса кажется вполне логичной, однако приняли ее далеко не сразу. Прошло несколько сот лет, прежде чем ученые убедились в существовании невидимых и бесструктурных атомов, о которых говорил еще Демокрит, а уж о том, чтобы поверить в то, что они еще и несут электрический заряд, без доказательств не могло быть и речи.

Доказательства появились лишь через несколько лет после смерти Аррениуса, но первые правильные шаги в этом направлении были сделаны еще при его жизни и даже раньше.

Основной сложностью при обнаружении электрических частиц являлось то, что, если даже электроны и существуют, они легко могут затеряться среди других, более крупных частиц на пути электричества.

Становилось ясно, что если пропустить электрический заряд через вакуум, то будет возможно увидеть «неприкрытые» электроны. Первым, кто в 1838 году пропустил электричество через вакуум, был сам Фарадей. Однако его наблюдения были не очень точными, так как в вакууме присутствовали посторонние частицы.

В 1854 году немецкий стеклодув Генрих Гейслер (1814–1879) изобрел гораздо более совершенный способ получения вакуума и изготовил гейслеровы трубы с этим «чистым» вакуумом. Немецкий физик Юлиус Плюкер (1801–1868) применял подобные гейслеровы трубы, куда были вплавлены электроды.

Пропуская заряд через вакуум, Плюкер заметил, что вокруг катода появляется зеленоватое свечение. Независимо оттого, из какого металла были изготовлены электроды, свечение всегда было зеленым. На цвет не влияли и остатки газов, так или иначе присутствовавших в вакууме. Значит, это свечение было исключительно свойством электрического заряда, а не химических элементов.

Плюкер также выяснил, что если к трубе поднести магнит, то свечение отталкивается от одного его полюса и притягивается к другому. Это тоже указывало на электрическую природу свечения, так как электричество и магнетизм очень тесно взаимосвязаны (см. ч. II).

Вскоре стало очевидным, что феномен не только возникает лишь возле катода, но и что-то перемещается от анода к катоду, причем по прямой. Когда анод помещали в другое место внутри трубки, это «что-то» не попадало в него, удалялось о стекло, и в месте удара возникало зеленое свечение.

Два исследователя, немецкий физик Иоганн Вильгельм Гит-торф (1824–1914) и английский физик Уильям Крукс (1832–1919), независимо друг от друга показали, что если в такую трубку поместить какой-либо объект, то на стекле появится его тень. Гитторф опубликовал свою работу первым — в 1869 году.

Стало ясно, что физики столкнулись с какой-то формой излучения, распространяющегося по прямой и отбрасывающего четкие тени. Немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850–1930), посвятивший всю свою жизнь изучению лишь этого излучения, в 1876 году назвал его катодными лучами. Большинство ученых приняли это наименование.

Тут возник спор о природе этого излучения. С одной стороны, катодные лучи всегда распространялись по прямой, а значит, не были подвержены силе притяжения, но с другой стороны, излучение можно было легко отклонить с помощью магнита, в то время как световые лучи (или любое другое световое излучение) не отклоняются магнитом.

Одним из предположений было то, что катодные лучи являлись электрически заряженными частицами — «атомами электричества», поэтому на них и влияло магнитное поле. А сила гравитации на них не действовала, вернее, действовала, но очень незначительно из-за их крайне малого веса.

Спектр излучения

Спорщики разделились чуть ли не по национальному признаку: большинство немецких физиков утверждали, что эти излучения являются волной, а английские физики уверяли, что это поток заряженных частиц.

Впрочем, такое разделение было вполне обоснованно, так как именно в Германии в конце XIX века были обнаружены новые виды волн, несмотря на то что первое такое открытие было сделано англичанином Джеймсом Клерком Максвеллом.

Изучая феномен электрического и магнитного излучения, Максвелл пришел к выводу, что благодаря тесной связи между двумя явлениями можно говорить о электромагнетизме. В дальнейшем он выявил, что переменный электрический заряд приводит к появлению волнообразного электромагнитного излучения, распространяющегося со скоростью света. А раз скорость распространения такого излучения равняется огромной скорости распространения света, то получается, что сам свет является всего лишь частным случаем электромагнитного излучения.

Но если Максвелл прав, то человек, изменяя частоту переменного тока, может сам вызывать различные электромагнитные излучения. Для получения света необходим квадрильон колебаний в секунду. На практике невозможно достичь такой частоты, однако, согласно Максвеллу, теоретически никаких ограничений не существовало. Например, колебания электрического тока довольно низкой частоты — 1000 раз в секунду — порождают 1000 электромагнитных волн в секунду. Если цуг волн распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду, то каждая волна будет иметь длину 300 километров (что значительно превышает длину световой волны), но тем не менее существовать такие волны будут.

Первые попытки генерировать длинноволновое излучение были предприняты в 1997 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (1857–1894). Он создал электромагнитную цепь, где сквозь небольшой воздушный промежуток проходила электрическая искра, которая и являлась тем вызывающим излучение переменным зарядом, о котором говорит Максвелл. Чтобы обнаружить, существует излучение или нет, Герц использовал специальный «приемник» — маленький прямоугольный кусок проволоки с небольшим разрывом на одной из сторон. Электромагнитное излучение, проходящее сквозь проволоку, должно было вызывать в ней электрический ток, под действием которого в воздушном промежутке должна была появиться электрическая искра.

И она появилась. Герц знал, что он обнаружил предсказанное Максвеллом электромагнитное излучение и тем самым доказал его теорию. Сначала излучение назвали волнами Герца, однако впоследствии его стали называть радиоволнами («волны, которые излучают»).

Открытие радиоволн показало физикам, насколько широк спектр электромагнитного излучения. Длина волны видимого спектра колеблется от 380 до 760 миллимикрон, т. е. одна октава. (Один миллимикрон — это миллиардная часть метра, а длина волны внутри одной октавы удваивается.)

В 1800 году немецкий астроном Уильям Гершель (1738–1822) открыл волны за пределами видимого спектра. Он изучал спектр солнечного света с помощью термометра и обнаружил, что наиболее сильно термометр нагревается лучами, находящимися ниже красного спектра. Гершель абсолютно верно заключил, что человеческий глаз не в состоянии увидеть весь спектр солнечного света.

Вначале лучи, столь быстро поднимающие столбик термометра, получили название «тепловые», но затем ученые стали использовать более научный термин инфракрасное излучение (т. е. «выше красного»). С развитием волновой теории света (см. ч. II) стало ясно, что волны этого излучения длиннее, чем волны видимого света.

Сегодня за нижнюю границу инфракрасного спектра принята точка в 760 миллимикрон, а за верхнюю — произвольная точка в 3 000 000 миллимикрон. Впрочем, для инфракрасного излучения удобнее пользоваться еще одной счетной единицей — микроном (мк = 1000 миллимикрон). Таким образом, границами спектра инфракрасного излучения являются 0,76 и 3000 микрон, т. е. около 12 октав.

Далее начинаются уже радиоволны. Сразу за отметкой в 3000 мк начинаются ставшие «известными» в последние годы микроволны («микро» — означает «среди радиоволн»), их спектр — от 3000 до 300 000 мк. Здесь уже удобнее пользоваться миллиметрами (в миллиметре — 1000 микрон). То есть спектр микроволн — от 3 до 300 мм (30 см).

За микроволнами начинаются уже «настоящие» радиоволны. Верхней границы у радиоволн нет. Можно генерировать радиоволны все более и более высокой частоты, пока уровень их энергии не станет настолько низким, что их просто нельзя будет обнаружить современными средствами. (Чем больше длина волны, тем меньше ее энергия. См. «Квантовая теория», ч. II.) В технике используются радиоволны длиной до 30 000 000 мм, то есть можно сказать, что спектр полезного радиоволнового излучения — от 300 до 30 000 000 мм (или 0,3–30 000 м).

Длина электромагнитных волн выходит и за пределы фиолетовой части видимого спектра. Впервые это обнаружил немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) в 1801 году. Он занимался изучением влияния света на нитрат серебра. Нитрат серебра белого цвета, однако под влиянием света из него высвобождаются частицы серебра черного цвета, вследствие чего сам нитрат приобретает сероватый оттенок. Эффект наиболее ярко выражен в тех участках, куда попадают короткие световые волны. (Впрочем, для современных ученых это вовсе не удивительно, так как известно, что короткие волны передают больше энергии, соответственно энергопотребляющая реакция протекает интенсивнее.) Риттер также обнаружил, что реакция идет еще быстрее под действием невидимого излучения, спектр которого лежит ниже фиолетовой части видимого спектра.

Как и Гершель, Риттер сделал вывод о том, что существует невидимое излучение, которое, вследствие своего действия на нитрат серебра, сначала получило название «химические лучи», но потом все чаще и чаще его стали называть ультрафиолетовым («ниже фиолетового»). Позже ученые определили, что длина волн у этого излучения была короче, чем у видимого света.

Сегодня любое излучение называется ультрафиолетовым, если длина его волны колеблется от 360 до 1 миллимикрона (чуть более 8 октав). Как выяснилось в 1890-х годах, общая длина электромагнитного спектра от ультрафиолетового излучения до радиоволн составляет 44 октавы, из которых лишь одна является спектром видимого света.

Тем не менее в электромагнитном спектре еще оставались «белые пятна». Следующий шаг на пути изучения электромагнитных волн сделал немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923). Он занимался изучением катодных лучей, и в частности свечения, которое возникало под воздействием этих лучей на определенные химические соединения.

Это свечение очень слабое, поэтому для наблюдения за ним Рентген затемнил комнату и поместил трубку в коробку из тонкого картона черного цвета. 5 ноября 1895 года ученый заметил в комнате свет, исходящий не из коробки с трубкой. На некотором расстоянии от прибора находился листок бумаги, покрытый цианоплатинитом бария (веществом, которое под действием электромагнитного излучения светится). Если бы трубка не была полностью закрыта картоном, то ученый вряд ли бы уделил свечению бумаги особое внимание.

Рентген выключил трубку, и свечение прекратилось. Он снова включил аппарат, и бумага вновь начала светиться. Тогда он занавесил окна в соседей комнате и положил листок туда. При включенной трубке листок продолжал светиться.

Рентген решил, что катодная трубка испускала какие-то лучи, которые ударялись о картон, и при столкновении этих лучей с твердым материалом их кинетическая энергия преобразовывалась в новую форму излучения. Это излучение было настолько сильным, что могло проникать сквозь толстую бумагу и даже сквозь тонкие листы металла. Свой первый отчет об этом Рентген опубликовал 28 декабря 1895 года.

Это излучение называют рентгеновским, по имени открывателя, однако сам Рентген называл его Х-лучами (X — знак неизвестности в математике, а Рентген ничего не знал о природе этого излучения). Хотя сегодня природа лучей, открытых Рентгеном, не представляет никакой загадки, определенного названия они так и не получили. (В русском языке используются наименования «рентгеновы лучи», «рентгеновские лучи» и «рентгеновское излучение». — Пер.)

Я так подробно описываю опыты Рентгена, потому что открытие рентгеновского излучения ознаменовало начало второй научной революции (первая началась с экспериментов Галилея — см. ч. I).

В принципе такое название слишком драматично, поскольку опыты Рентгена не привели к перелому в ходе развития науки. Многие физики того времени занимались изучением катодного излучения, а Крукс и Герц обнаружили новое излучение даже раньше, чем Рентген, хотя и не смогли правильно оценить значение своего открытия, так что открытие рентгеновского излучения были лишь делом времени. Если бы его не открыл Рентген, то открыл бы еще кто-нибудь, может быть, даже в течение нескольких недель. Более того, существование рентгеновского излучения подразумевалось еще в теории Максвелла. Восемью годами ранее были обнаружены радиоволны, и именно это важное открытие подтвердило верность теории Максвелла.

Тем не менее оба ученых приступили к изучению рентгеновского излучения с огромным энтузиазмом, способность рентгеновских лучей проникать сквозь материю просто заворожила их. 23 января 1896 года Рентген во время лекции сделал рентгеновский снимок руки добровольца — немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера (1817–1905). На снимке были четко видны кости, поскольку они, в отличие от плоти и крови, задерживали рентгеновские лучи. То есть там, где была плоть, рентгеновские лучи засвечивали пленку, расположенную под рукой, а там, где были кости, — нет. Поэтому на снимки кости были белыми, а все остальное — серым.

Польза рентгеновского излучения для медицины и стоматологии была очевидна. В этих областях рентгеновские лучи используются и по сей день. (О том, что эти лучи вызывают рак, ученые узнали лишь спустя несколько лет.) За открытием последовала целая волна экспериментов, с помощью которых человек смог лучше понять природу и Вселенную. Это действительно стало настоящей научной революцией.

Открытие электрона

Так как все известные излучения, включая радиоволны, являлись волнами, ученые предполагали, что и рентгеновские лучи — тоже волны (окончательно это было доказано в 1912 году, см. гл. 4). Значит, и катодные лучи — тоже волны.

С одной стороны, опыты Герца еще в 1892 году показали, что катодные лучи проходят сквозь тонкие листы железа — довольно странное свойство для частиц. Однако открытие рентгеновского излучения несколькими годами позднее подтвердило, что волны действительно обладают подобным свойством. Ассистент Герца, немецкий физик Филипп Ленард (1862–1947), даже построил специальную катодно-лучевую трубку с небольшим «окошком» из тонкого металла. Катодные лучи, ударяясь о металл, проникали сквозь него и вылетали «через окно» наружу. Впоследствии такие лучи стали называть линаровыми. (В русской литературе вместо словосочетания «линаровы лучи» используется название «катодные лучи». — Пер.)

Но если катодные лучи являются потоком заряженных частиц, то тогда их можно отклонить не только магнитным, но и электростатическим полем. Герц пропустил поток катодных лучей между двумя отрицательно и положительно заряженными пластинками, но не зафиксировал никаких отклонений курса и сделал вывод, что катодные лучи являются волнами.

Это стало пиком развития теории волн. На научной сцене появился еще один экспериментатор — английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940). Он заявил, что для успешного проведения эксперимента с электростатическим полем его необходимо проводить в вакууме, иначе содержащиеся в воздухе частицы газа не дадут лучам отклониться. В 1897 году Томсон повторил эксперимент Герца, но на этот раз уже с использованием вакуума и обнаружил отклонение лучей.

Это стало последней тростинкой, перевесившей чашу весов. Если катодные лучи отклоняются под воздействием и электростатического, и магнитного полей, значит, эти лучи являются потоком частиц, и, судя по направлению отклонения, они несут отрицательный заряд.

Стало ясно, что это и есть электрические частицы, может быть, те самые невидимые частицы, о которых говорил один из физиков (см. гл. 2). Они вошли в научный мир под именем, которое им дал Стоуни, — электроны, а 1897 год вошел в историю как год открытия электрона.

Но Томсон не только открыл электрон, но и определил самые важные его свойства.

Под действием магнитного поля прямолинейная траектория движения электрона меняется на криволинейную. (Так, например, Луна под действием гравитационного поля Земли изменяет свое движение с прямолинейного на криволинейное вокруг Земли.)

Траектория движения электрона отклоняется под действием магнитной силы. Величина этой силы прямо пропорциональна силе магнитного поля (H), величине электрического заряда (e) и скорости движения (v) электрона. Именно эта скорость и определяет, сколько линий магнитного поля электрон пересечет. (На электрон в состоянии покоя или двигающийся параллельно этим линия магнитное поле не действует.) Таким образом, отклоняющая сила равна Hev.

При криволинейной траектории полета электрона на него также действует центробежная сила. Ее величина вычисляется по формуле mv²/r, где m — масса электрона, v — его скорость, а r — радиус кривой, по которой он перемещается.

При криволинейной траектории движения электрона между силой магнитного поля и центробежной силой существует баланс. Если же баланса нет, то траектория будет увеличиваться и уменьшаться, пока электрон не найдет траекторию, где обе силы находятся в равновесии. Для реальной траектории справедлива следующая формула:

Формулу можно упростить и представить в виде:

Сила магнитного поля известна, радиус кривизны частиц катодного луча можно легко определить по изменению положения светящегося пятна на стенке катодно-лучевой трубки. Теперь осталось лишь определить величину скорости v, чтобы высчитать отношение заряда электрона к его массе e/m.

Подвергнув катодные лучи воздействию и магнитного и элекростатического полей одновременно, Томпсону удалось определить скорость движения электрона. Дело в том, что эти поля отклоняют катодный луч в противоположных направлениях и таким образом уравновешивают друг друга. Степень отклонения, возникающего под действием электростатического поля, зависит от силы поля (F) и величины заряда электрона (e) и не зависит от скорости электрона, так как разноименно заряженные частицы притягивают друг друга даже в состоянии покоя.

Таким образом, приравняв действие на электрон одного поля к действию другого, получим:

или

Силы полей ученые определили довольно легко и получили, что v равна приблизительно 30 000 км/с, то есть примерно одной десятой скорости света. Скорость электрона была самой большой скоростью материального объекта из измеренных учеными на тот период, и именно огромная скорость частиц, вылетающих из катодной трубки, объяснила, почему гравитационное поле на катодные лучи практически не действует.

Зная v, Томпсон по формуле 3.2 определил соотношение e/m. Как ни удивительно, но значение e/m электрона оказалось намного больше, чем у иона (ионы ведь тоже заряженные частицы).

Возьмем ионы Н⁺, Na⁺ и К⁺. Размер заряда у всех трех одинаков, так как для получения одного грамм-атома каждого из этих элементов достаточно тока в 1 фарадей. Но масса иона калия в 39 раз больше, чем водорода, а масса атома натрия в 23 больше массы атома водорода. Если значение e одинаково, то чем меньше m, тем больше значение e/m. Т. е. у Н⁺ значение e/m будет в 23 раза больше, чем у Na⁺, и в 39 раз больше, чем у К⁺.

Действительно, так как ион водорода — самый легкий из всех известных элементов, то соотношение e/m у него должно быть самое большое. И тем не менее значение соотношения e/m иона водорода (по современным данным) в 1836 раз меньше, чем значение e/m электрона.

Так как ион водорода несет самый маленький электрический заряд, логично предположить, что и электрон несет самый маленький заряд. А раз соотношение e/m у электрона в 1836 раз больше, чем у иона, значит, все дело в массе, то есть масса электрона в 1836 раз меньше, чем масса иона водорода.

Масса атома водорода известна, а масса иона лишь ненамного меньше массы атома, и можно вычислить массу электрона. По современным подсчетам, масса электрона 9,1091∙10^–28 г, или 0,00000000000000000000000000091091 г.

Получается, что атомы, которые со времен Демокрита считались мельчайшими частицами, по сравнению с электронами являются просто гигантами. Электроны настолько малы, что могут свободно проходить сквозь промежутки между атомами. Только так можно объяснить то, что электроны свободно проникают сквозь тонкие металлические листы, и именно поэтому медные провода легко проводят электрические заряды.

Таким образом, Томпсон открыл не только электроны, но и целый новый мир — мир субатомных частиц.

Заряд электрона

Даже имея точные размеры электрона, физики вовсе не сразу смогли определить величину его заряда. Конечно же можно было сказать, что заряд электрона равен заряду иона хлора или же заряду иона водорода, но имеет противоположный знак. Но в начале XX века ученые не знали точной величины заряда ни одного из ионов.

В 1911 году американский физик Роберт Эндрус Милликен (1868–1953) провел серию экспериментов и сумел определить величину заряда электрона.

Милликен использовал две пластины, расположенные горизонтально на расстоянии в 1,6 см друг от друга в сосуде с пониженным давлением. В верхней пластине, подключенной к положительному полюсу батареи, были проделаны несколько мельчайших отверстий. Над пластинами Милликен распылил немного не содержащего эфир масла. Когда капля масла падала на верхнюю пластину, то через отверстие она попадала в промежуток между пластинами. Чтобы каплю было лучше видно, Милликен направлял на нее пучок света с помощью увеличительного стекла.

Под действием гравитации капля медленно падала на нижнюю пластину. Скорость падения зависит от массы капли и сопротивления воздуха (а оно является существенным для столь малого объекта). По формуле английского физика Джорджа Габриеля Стокса (1819–1903) Милликен определил массу капли.

Затем направил на сосуд пучок рентгеновских лучей, под действием которых внутри его образовались ионы (см. гл. 7). Ионы «прилипали» к каплям, и если ион нес положительный заряд, то капля, отталкиваясь от верхней положительно заряженной пластины, устремлялась к нижней со скоростью, большей скорости падения под действием гравитации. Если же ион обладал отрицательным зарядом, то капля, притягиваясь к верхней пластине, летела вверх против силы притяжения.

Изменение скорости падения капли зависело от силы электромагнитного поля и заряда капли. Зная силу поля, Милликен смог вычислить заряд.

Милликен выяснил, что заряд капли зависел от природы и количества адсорбируемых ею ионов. Однако величина всех зарядов сводилась к одному числу, которое можно было принять за минимальный заряд иона, а следовательно, и электрона. Милликену довольно точно удалось рассчитать этот заряд. Принятая сегодня величина минимального заряда электрона равняется 4,80298∙10^–10, или 0,000000000480298 электростатических единиц (см. ч. II).

Современная наука утверждает, что любой электрический заряд равен 4,80298∙10^–10 электростатическим единицам и может быть как положительным, так и отрицательным. Давайте для простоты представим минимальный заряд как 1 и разделим все частицы на три группы:

1) частицы, заряд которых равен 0, то есть атомы и молекулы;

2) частицы, заряд которых либо равен –1, либо кратен –1. Это отрицательно заряженные ионы и конечно же электрон;

3) частицы с зарядом, равным или кратным +1, то есть положительно заряженные ионы.

Науке пока не известны частицы с зарядом +0,5 или –1,3, да и вообще с нецелочисленным зарядом. Возможно, такие частицы и будут открыты в будущем.

Электроника

Открытие электронов и субатомных частиц в целом сильно повлияло на таблицу химических элементов. Но прежде чем говорить об этом, давайте сначала посмотрим, как используется поток электронов в вакууме. (Наука о поведении этих электронов и о механизмах их контроля и управления ими получила название электроника.)

В 1883 году американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) наблюдал за потоком электронов в вакууме при весьма необычных обстоятельствах. Четырьмя годами ранее Эдисон изобрел лампочку и теперь продолжал работу над ее совершенствованием. Первая лампочка состояла из угольной нити накала, помещенной в колбу с откачанным воздухом. (Под действием электрического тока нить накаляется добела и в случае присутствия воздуха тут же перегорает.)

Постепенно на внутренней стороне колбы образовывался темный нагар, и, как полагал Эдисон, это происходило потому, что из нити часть углерода улетучивалась и оседала на стенках. Все это приводило к истончению нити и помутнению стекла, и Эдисон начал принимать «контрмеры». Для начала он попробовал поместить рядом с нитью небольшую металлическую пластинку в надежде, что углерод станет оседать на металле, а не на стекле.

Этого, однако, не произошло, но Эдисон обнаружил странный эффект. Если подключить эту металлическую пластинку к «плюсу» батареи, то по ней начинал течь электрический ток, несмотря на то что пластинка и нить не соприкасались. Если же подключить пластинку к «минусу», то цепь не замыкалась. Эдисон не знал, какую пользу можно извлечь из этого феномена (в русской номенклатуре получил название термоэлектронная эмиссия. — Пер.), и поэтому продолжал изучать его дальше.

Как только ученые более глубоко изучили природу катодных лучей, термоэлектронная эмиссия перестала быть загадкой. Горячая нить отдает свои электроны, грубо говоря, они «испаряются» с ее поверхности, и вокруг нити образуется небольшое облако из электронов.

Если же рядом поместить пластину, несущую положительный электрический заряд, то электроны начнут к ней притягиваться. Таким образом, электроны передавались от горячей нити к пластине, т. е. образовывалась замкнутая электрическая цепь, а когда пластину подключали к минусу, то отрицательно заряженные электроны от нее отталкивались, и цепь оставалась разомкнутой. Англичанин Джон Амброс Флеминг (1849–1945), электротехник по профессии, в 1880-х годах консультировал Эдисона и много лет спустя, в 1904 году, вспомнил об эксперименте Эдисона. Предположим, что металлическая пластинка подключена к источнику переменного тока (см. ч. II), то есть заряд пластины будет меняться с положительного на отрицательный 60 раз в секунду (в сети переменного тока 60 Гц), и цепь будет замыкаться только тогда, когда заряд будет положительным.

Таким образом, ток будет течь лишь половину времени, когда цепь замкнута, все остальное время он течь не будет.

Благодаря термоэлектрической эмиссии стало возможным разрывать электрическую цепь простой переменой полярности. Переменный электрический ток, проходя через такую «модернизированную» лампочку, становится постоянным. Конечно, будут присутствовать колебания электрического тока, однако он всегда будет течь лишь в одном направлении. Устройство получило название выпрямитель электрического тока.

Флеминг назвал свое устройство «вентилем», по аналогии с обычным водопроводным, так как оно перекрывало поток электрического тока. В США прижилось гораздо менее говорящее название электровакуумная трубка. Однако лучшим названием является диод («два электрода»), так как углеродная нить и металлическая полоска являются двумя электродами, запаянными в колбу.

Двумя годами позже, в 1906 году, американский изобретатель Ли Де Форест (1873–1961) добавил в трубку еще один электрод, состоящий из нескольких тонких проводков, и получился триод. Проводки являются модулятором.

С помощью модулятора можно управлять потоком электронов с гораздо большей точностью. Диод может либо открывать, либо закрывать поток, как и его водопроводный аналог. Само наличие модулятора не влияет на работу прибора, так как практически все электроны свободно пролетают сквозь зазоры между проводами, и лишь некоторые электроны остановятся, столкнувшись непосредственно с самим проводом.

Однако если подключить модулятор к отдельной электрической цепи и пропустить сквозь него небольшой отрицательный заряд, то каждый проводок начнет отталкивать электроны. То есть за счет электрического поля каждый провод станет, грубо говоря, «толще», заполняя промежутки между проводами, и большинство электронов не смогут долететь до металлической пластины. С увеличением отрицательного заряда модулятора эффект будет лишь усиливаться. И небольшого заряда модулятора достаточно, чтобы полностью разорвать электрическую цепь даже при сравнительно большем заряде пластины, при этом сам «вентиль» будет оставаться открытым.

Этот эффект можно применять для усиления слабых переменных токов. Если цепь со слабым током подключить к модулятору, то лишь небольшие изменения отрицательного потенциала модулятора приведут к большим изменениям напряжения в цепи пластина — нить. Однако эти изменения будут в точности соответствовать изменениям потенциала в цепи модулятора. То есть «сильный» ток по своим характеристикам будет в точности соответствовать «слабому». Так устроен простейший усилитель.

У изобретателей появился способ вместо «рычагов» и «шестеренок» управлять крохотными, практически невесомыми электронами. Раз электроны обладают столь малой массой, значит, они обладают такой же малой инерцией, и поэтому скорость их движения можно изменять за доли секунды. Даже самые быстрые механические устройства не могут сравниться по скорости своей работы со стремительными электронными собратьями.

Радио

Появление диодов, триодов (или электронных ламп) и их более сложных потомков привело к рождению совершенно потрясающего устройства.

Еще Герц, открывший радиоволны, сделал прототип первого передатчика и приемника. Понятно, что если увеличить мощность передатчика и чувствительность приемника, то расстояние между ними можно увеличить до нескольких метров, а то и километров. Следовательно, если передавать радиоволны длинными и короткими вспышками, имитируя азбуку Морзе, то появится новый способ связи. Радиоволны смогут заменить линии телеграфа (см. ч. 11).

В результате получится «беспроводной телеграф». Англичане так его и называют, а американцы называют его «радиотелеграф», или просто радио.

В 1894 году итальянский радиотехник Гульельмо Маркони (1874–1937), ознакомившись с опытами Герца, сделал радиосвязь реальностью. Радиоволны генерировались по методу Герца, а принимались специальным устройством, когерером. Когерер состоял из емкости с металлической стружкой. Под действием радиоволн когерер начинает проводить электричество, превращая радиоволны в электрический ток.

Маркони усложнял конструкцию приемника и передатчика и в 1895 году смог передать сигнал на 1 км, в 1896 году — на 10, в 1897 году — на 12, а в 1898 году — уже на 20 км. Маркони даже организовал коммерческую компанию по передаче «маркониграмм».

Здесь возник один парадокс. Радиоволны, как и любая другая форма электромагнитного излучения, передаются только по прямой, а поскольку Земля круглая, то по идее передача радиоволн на большие расстояния просто невозможна.

Маркони заметил, что радиоволны «огибают» землю. Объяснения этому эффекту коммерсант дать не смог, что не мешало ему вовсю его использовать. 12 декабря 1901 года Маркони удалось послать сигнал через Атлантический океан из юго-западной части Англии на Ньюфаундленд. Эта дата считается датой изобретения радио.

Спустя год два английских ученых — электротехник Артур Эдвин Кеннелли (1861–1839) и физик Оливер Хевисайд (1850–1925), работая независимо друг от друга, смогли дать объяснение описанному выше эффекту. Все дело в том, что в верхних слоях атмосферы существуют зоны с высоким содержанием заряженных частиц. Радиоволны, отражаясь от этих частиц, летят по прямой, отражаются еще раз и так далее; таким образом пересекают Атлантику, а вовсе не «огибают Землю».

Эти зоны были обнаружены в 1924 году английским физиком Эдуардом Виктором Эплтоном (1892–1965). Они получили названия «зоны Е». Частицы являются конечно же ионами, и поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера.

Но использование радиоволн не ограничилось лишь беспроводным телеграфом. Ведь для того чтобы передавать не просто импульсы, а сами звуки, достаточно лишь подключить мембрану на входе передатчика и выходе приемника.

На первый взгляд передавать звуковые волны казалось непрактичным. Дело в том, что частота радиоволн хотя и ниже частоты световых, однако она в несколько раз выше, чем у звуковых. В среднем частота радиоволны составляет 1 000 000 колебаний в секунду, и поэтому подключать мембрану к радиоприемнику бессмысленно: человеческое ухо физически не сможет распознать звуки столь высокой частоты. Человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Такие частоты называются звуковыми. Радиоволны столь низкой частоты обладают ничтожной энергией, и передать их на значительное расстояние просто невозможно.

Тогда ученые пошли другим путем. Частота радиоволны оставалась неизменной, а сама волна стала так называемой несущей (волной). Задачей несущей радиоволны являлась лишь непосредственная передача сообщения. Снимаемые микрофоном звуковые колебания преобразовывались в электрические импульсы, как и в случае с телефонным микрофоном (см. ч. II), и в зависимости от изменения звуковых колебаний изменялся и уровень энергии несущей волны.

Изменение несущей волны называется модуляцией. Амплитудной модуляцией называется изменение амплитуды волны согласно звуковым колебаниям.

Приемник «обрезает» нижнюю часть несущей волны, а верхнюю передает на мембрану, где создается переменное магнитное поле (как в случае с телефонной трубкой). Мембрана реагирует лишь на низкочастотные изменения амплитуды несущей волны, а не на высокочастотные колебания самой волны. Таким образом, мембрана приемника в точности воспроизводит передаваемые передатчиком звуковые волны.

В 1906 году канадский физик Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932) впервые передал музыку с помощью радио. Отныне человечество получило возможность передавать по радио не только телеграммы, но и звук, и именно электронные лампы позволили осуществить передачу информации по радио.

Каждая радиостанция использует несущую волну определенной частоты, а слушатели должны поворотом ручки переменного конденсатора (см. ч. II) настроить свои приемники на эту волну. Однако когда радио только появилось, для точной настройки приемника требовалась длительная тренировка и навыки ювелира.

Во время Второй мировой войны американский электротехник Эдвин Хоуард Армстронг (1890–1954) изобрел так называемый супергетеродин. Армстронг занимался разработкой системы обнаружения вражеских самолетов по электромагнитным колебаниям, излучаемым системой зажигания. Дело усложнялось слишком высокой частотой этих колебаний. Тогда Армстронг прибегнул к использованию вспомогательной радиоволны. Обе волны складывались и, как и звуковые волны (см. ч. I), создавали колебания гораздо более низкой частоты, а обнаружить их гораздо проще.

Первая мировая закончилась, и Армстронг так и не довел свое устройство до совершенства. Однако применение гетеродина в радиоприемниках заметно упрощало процесс настройки на радиостанции, и в домах стали появляться первые радиоприемники.

В дальнейшем Армстронг занялся и другой проблемой радио — электростатическим «треском». Автомобильные системы зажигания, щетки электромоторов, термостаты и прочие электроприборы, а также грозовые молнии порождают электростатическое излучение. Это излучение мешает передаче радиоволн, и из приемника начинает доноситься весьма неприятный шум и треск.

Армстронг изобрел новый тип модуляции — частотный. При частотной модуляции изменяется не амплитуда несущей волны, а ее частота. При частотной модуляции внешние электромагнитные излучения практически не влияют на качество принимаемого сигнала, кроме того, частотная модуляция позволяет качественно передавать более широкий диапазон звуковых волн.

Телевидение и радиолокация

А сама катодно-лучевая трубка постепенно переродилась в устройство, полностью затмившее радиоприемники в сердцах людей. Все началось тогда, когда физики, используя низкую инерцию электронов, научились быстро отклонять их поток.

Представим, что анод катодно-лучевой трубки выполнен в виде полого цилиндра. Стремящийся к аноду пучок электронов пролетит сквозь цилиндр и ударится о стенку трубки, выполненную из покрытого люминофором квадратного куска стекла. В точке, куда попадет пучок, возникнет яркое свечение.

Если на пути пучка электронов поместить два электрода и подать на один из них положительный заряд, то электроны начнут к нему притягиваться, и светящаяся точка появится уже в углу экрана.

Если понижать положительный заряд постепенно, то точка медленно поползет обратно к центру экрана. Когда же заряд станет равен нулю, точка опять будет в середине экрана. Если же подать на этот же электрод отрицательный заряд, а на второй — положительный, то точка начнет двигаться в противоположную сторону. Если снова подать максимальный заряд на первый электрод, то точка снова окажется на своем прежнем месте.

Это можно повторять до бесконечности. Если же чередовать заряды электродов достаточно быстро, то точка превратится в горизонтальную линию, так как глаз не сможет уловить ее перемещение. (Нечто подобное происходит и в кино. Если прокручивать кадры пленки, сделанные последовательно, на большой скорости, то картинка «оживает».)

Теперь добавим еще одну пару электродов, на этот раз расположенных горизонтально. С их помощью можно заставить светящуюся точку прочертить вертикальную линию.

Наибольший эффект достигается при использовании сразу двух пар электродов. Например, если заставить одну пару рисовать горизонтальную линию, а вторую подключить к источнику переменного тока, то на экране появится изображение синусоиды.

Если подключить вторую пару электродов к источнику электрических звуковых волн, то на экране появится кривая, отображающая параметры звуковой волны (впрочем, продольная звуковая волна на экране будет выглядеть аналогично поперечной, см. ч. I). Именно поэтому немецкий изобретатель Карл Фердинанд Браун (1850–1918) и назвал свое устройство осциллографом («рисующий волны»).

Электронно-лучевой осциллограф способен на гораздо большее. Представим, что напряжение второй пары электродов изменяется пошагово. Тогда, нарисовав на экране горизонтальную линию, электронный луч чуть поднимется и нарисует еще одну, потом еще и так далее. Таким образом, экран можно разделить на несколько сотен линий, и чем быстрее меняется напряжение, тем быстрее «бегает» электронный луч, то есть в секунду луч может пробежать по экрану несколько раз. Однако человеческий глаз будет видеть светящийся квадрат, хотя если придвинуться к экрану вплотную, то можно разглядеть, что квадрат состоит из многих горизонтальных линий, разделенных тонкими темными полосками. Эти полоски и отображают шаг изменения напряжения поднимающих электронный луч электродов.

По сути, это и есть телевизионная трубка. Чтобы на экране такой трубки появилась «картинка», нужно каким-либо способом регулировать интенсивность пуска электрона. Тогда на экране станут появляться более темные или более светлые точки, которые и формируют изображение.

Первым такой способ придумал русский физик Владимир Кузьмич Зворыкин (1888–1982). В 1938 году он изобрел иконоскоп (от греч., означает «картинка» и «смотреть»). Это устройство похоже на обычный фотоаппарат, только здесь вместо пленки используется пластина с большим количеством нанесенных на нее капель сплава цезия и серебра. Под действием света цезий отдает электроны, причем интенсивность электронной эмиссии прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, чем выше интенсивность, тем меньше электронов, и наоборот. Таким образом, на пластине остается «электронный» рисунок попадающего через линзу изображения.

Этот рисунок можно воссоздать на экране лучевой трубки: чем больше электронов осталось в одной точке пластины, тем ярче эта точка будет светиться на экране. Если же изображение на экране сменяется достаточно быстро, то создается эффект движущейся картинки.

Электронно-лучевой осциллограф также является частью устройства, использующего электромагнитные волны для определения расстояния до каких-либо объектов (аналогично применению звуковых волн в эхолокации).

Электромагнитные волны распространяются с точно известной скоростью — 300 000 километров в секунду. Если же электромагнитный импульс столкнется с преградой, то он, отражаясь от нее, вернется назад к источнику электромагнитного излучения. Остается лишь регулировать частоту волны: для проникновения сквозь туман, дождь и облачность необходимы волны более низкой частоты, а для более эффективного отражения от препятствий — более высокой. Идеальной является волна микроволнового диапазона, длиной от 0,5 до 100 см.

Зная скорость распространения волны и время, за которое сигнал долетел до препятствия и вернулся назад, можно определить расстояние до объекта. А по самому сильному отраженному сигналу можно определить направление.

Над разработкой подобного устройства работало сразу несколько ученых, но создать его первым удалось шотландскому физику Роберту Александру Вагсон-Ватту (1992–1972). Благодаря его прибору уже в 1935 году стало возможным отслеживать движение самолета по отражению микроволновых волн от его обшивки. Система получила название «радиообнаружение и определение дальности». По-английски система сокращенно называется радар.

Микроволновый импульс радара отклоняет луч осциллографа так, что на экране вместо горизонтальной линии появляется «клин» — эхо-сигнал, мощности намного меньшей мощности изначального импульса, так как возвращается лишь часть отраженных электронов, остальные разлетаются в разные стороны, отображается в виде меньшего по размерам клина. Так как электронный луч перемещается из стороны в сторону с огромной скоростью, то даже за те доли миллисекунды, которые необходимы для возвращения сигнала, между импульсом и эхо-сигналом образуется зазор. Именно по величине этого зазора возможно судить о расстоянии до объекта.

Можно поступить иначе, сконструировав специальную вращающуюся вокруг своей оси радарную антенну. Антенна будет принимать и усиливать слабые эхо-сигналы, а электронный луч вслед за вращением антенны рисовать на экране осциллографа линию от центра к краю экрана. Появляющиеся на экране яркие точки и будут отраженными от объектов эхо-сигналами. Тогда по расстоянию от точки до центра экрана можно будет судить о расстоянии до объекта, а по местоположению точки на экране — определить направление. При следующем обороте антенны вращающаяся линия «сотрет» все точки на экране и отобразит новые. Если использовать люминофор с более длительным свечением, то на экране появится грубое схематическое изображение длинных объектов. А если установить такой радар на самолет, то на экране появится приблизительная карта местности, так как электромагнитные волны отражает и земля, и вода, и листья, и бетон.

Впрочем, с помощью электронных приборов можно обнаруживать не только лишь созданные человеком высокочастотные излучения. Все небесные тела излучают широкий спектр электромагнитных волн. Однако практически все из них не способны пробиться сквозь атмосферу Земли. Исключением является, например, видимый свет, составляющий довольно обширную часть спектра солнечного излучения.

Существуют и другие излучения, легко проникающие сквозь земную атмосферу.

В 1932 году американский радиоинженер Карл Янский (1905–1950) занимался определением источников электростатического излучения. Устранив все известные источники, ученый смог обнаружить присутствие слабого электростатического излучения. Янский не смог определить источник этого излучения. Источник находился где-то сверху и медленно изменял свое местоположение в течение дня. Сначала Янский предположил, что источник движется вместе с Солнцем, но затем заметил, что его движение ускоряется и за день источник «обгоняет» Солнце на 4 минуты. Именно так изменяется положение звезд по отношению к Солнцу, а значит, источник излучения находится где-то за пределами Солнечной системы.

К 1932 году Янскому удалось определить, что самое сильное излучение идет со стороны созвездия Стрельца, где, по мнению астрономов, находится центр нашей Галактики.

Хотя центр Галактики и скрыт от глаз облаками пыли, полностью поглощающими свет, его все-таки можно разглядеть с помощью микроволнового излучения. После Второй мировой войны развитие радаров привело к появлению радиотелескопов. Радиотелескопы способны усиливать даже самые слабые сигналы. Началась новая эра — эра радиоастрономии.

Фотоэлектрический эффект

Какое-то время ученых вполне устраивала идея о том, что все во Вселенной состоит по меньшей мере из двух типов никак между собой не связанных микрочастиц: различных видов относительно тяжелых атомов элементов и одинаковых электронов, составляющих электрический ток.

Но так ли уж они между собой не связаны? Вольт еще за сто лет до открытия электронов использовал для получения электрического тока устройство, состоявшее из помещенных в химический раствор металлических пластин. С тех пор химические источники тока претерпели большие изменения и превратились в современные батарейки и аккумуляторы.

Если несколько обладающих нейтральным зарядом химических элементов вместе способны давать состоящий из огромного количества электронов электрический ток, значит, связь между атомами и электронами все-таки существует. Теперь нужно выяснить, образуются ли электроны в процессе соединения и разъединения атомов, или же они всегда присутствуют в веществах, а во время реакции просто-напросто высвобождаются.

И у того и у другого взгляда были свои недостатки. Образование электронов, согласно закону сохранения массы (см. ч. II), а в 90-х годах XIX века ученые свято ему верили, просто невозможно. С другой стороны, если электроны в химических элементах существовали всегда, то почему тогда они никак себя не проявляли и почему заряд химических элементов остается нейтральным?

Масло в огонь подливал и следующий феномен, известный еще до открытия электрона.

Когда в 80-х годах XIX века Герц экспериментировал с радиоволнами, то обнаружил, что гораздо проще получить искру между металлическими иглами его устройства для обнаружения радиоволн, если на иглы падает свет. То есть под действием света в металле возникает электрический ток. Герц дал феномену название фотоэлектрический эффект.

В 1888 году немецкий физик Вильгельм Гальвакс (1859–1922) обнаружил, что свет действует на разноименные электрические заряды по-разному. Под действием ультрафиолета отрицательно заряженная цинковая пластина отдает свой заряд, а положительно заряженная — не отдает.

Объяснение появилось сразу после открытия электрона. Под действием света из металла высвобождались электроны, благодаря которым и появлялась искра. Отрицательно заряженная цинковая пластина содержит избыток электронов, который и высвобождается под действием ультрафиолета, в то время как в положительно заряженной пластине избытка электронов, понятное дело, нет.

В 1899 году Томсон доказал это утверждение, сравнив соотношение e/m электронов катодного луча и частиц, высвобождающихся под действием света, и оказалось, что соотношения эти равны друг другу, и с тех пор эти частицы также считаются электронами.

Снова встал тот же вопрос. Появляются ли электроны в металле под действием света, или же они присутствуют в нем всегда? В 1905 году Эйнштейн, доказал, что существовавшая в XIX веке формулировка закона сохранения массы является неполной. На самом деле энергия может переходить в массу, и наоборот, поэтому следует говорить скорее о законе сохранения массы и энергии. Тем не менее энергии света, пусть даже и ультрафиолетового, просто недостаточно для образования электронов.

Значит, электроны присутствуют в самом металле. Тогда возникает еще один вопрос. Существуют ли электроны сами по себе, или же они находятся внутри атомов? Согласиться с последним оказалось не так-то просто: ведь тогда получается, что атом вовсе не та целостная, неделимая микрочастица, о которой говорили Демокрит и Дальтон и в существование которой научный мир поверил с таким трудом.

Доказательством верности второго утверждения стал следующий феномен. Филипп Ленард обнаружил, что энергия, с которой высвобождаются электроны, зависит от длины световой волны и электроны высвобождаются под действием света только с длиной волны меньше определенного значения (пороговая величина). Зарождающаяся в начале XX века квантовая теория (см. ч. II) смогла объяснить причину этого феномена. Дело в том, что свет состоит из фотонов, и чем меньше длина волны, тем выше энергия фотонов.

Энергии света с пороговым значением длины волны достаточно для того, чтобы разорвать связи, удерживающие электроны внутри вещества. У каких-то химических элементов эти связи сильнее, а у каких-то — слабее. Скажем, для выделения электронов из одних металлов необходим обладающий высокой энергией ультрафиолетовый свет, а для других достаточно и «слабого» красного. Если электроны «привязаны» внутри вещества, значит, между атомами и электронами существуют связи, и сила этих связей зависит от веса и размеров конкретного атома. А если электроны удерживаются внутри атомов определенными силами, то логично предположить, что они являются частью атомов.

Новая теория помогла ученым лучше понять структуру атомов. Дело в том, что атомов существует великое множество, а электроны-то все одинаковые (исследования показали, что электроны, выделяющиеся под действием света из различных металлов, абсолютно идентичны), и, может быть, существование всего этого разнообразия атомов можно объяснить различным количеством электронов внутри атома, их местоположением, величиной удерживающей их силы и т. д. Появлялась возможность еще больше упорядочить элементы периодической таблицы, расставленные только лишь на основании умозаключений. Новая теория похоронила идею Демокрита о неделимости атома.

Действительно, поведение химических элементов вполне соответствует их месту в периодической системе. Например, наиболее интенсивно под действием света электроны отдают щелочные металлы, причем интенсивность растет с ростом атомного веса, т. е. чем ниже элемент находится в таблице, тем легче он отдает электроны. Таким образом, проще всего выделить электроны из цезия[121] — встречающегося в природе щелочного металла с самым большим атомным весом. Именно поэтому Зворыкин для своего иконоскопа использовал именно цезий.

Это еще раз доказывает, что Менделеев опередил свое время, ведь ученому ничего не было известно о фотоэлектрическом эффекте. Впрочем, настоящий ученый и должен быть впереди своего времени, создавая то, что порой невозможно объяснить, пользуясь уже существующими знаниями.

Фотоэлектрическому эффекту можно найти массу применений. Можно, например, изготовить электровакуумный прибор без применения нити накаливания, достаточно просто поместить в трубку спираль из металла, в котором под действием света будет возникать электрический ток. Такая трубка называется фотоэлементом.

Фотоэлемент можно подключить, например, к электромагниту, удерживающему дверь. С одной стороны от двери устанавливается фотоэлемент, а с другой — источник направленного света. Пока свет попадает на фотоэлемент, в цепи присутствует электрический ток и дверь закрыта. Подходя к двери, человек загораживает источник света, напряжение в цепи падает, электромагнит отключается, а дверь отпирается.

Атомное ядро

Открытие в атоме электронов подняло еще целый ряд непростых вопросов.

Известно, что заряд атомов нейтрален, значит, если внутри атома есть отрицательно заряженные электроны, то должен быть и носитель компенсирующего положительного заряда. Что же является носителем этого заряда и почему легкие положительно заряженные частицы не выделяются под действием света? Почему существуют только катодные, а не анодные лучи?

Ответ на вопрос дал Томсон. В 1898 году он сделал предположение, что атом — это твердая положительно заряженная сфера, внутри которой, как изюм в булочке, находятся электроны, благодаря которым заряд атома и остается нейтральным.

Это предположение многое объясняло, и теория Томсона показалась ученой общественности крайне привлекательной. Свет конечно же мог освободить несколько крошечных электронов, но вряд ли мог сдвинуть с места огромный положительно заряженный атом. В вакууме электроны действительно будут испаряться с нити накаливания, однако атом останется нетронутым: согласно кинетической теории (см. ч. I) при повышении температуры атомы начнут лишь сильнее колебаться, в то время как электроны просто «сорвутся» со своих мест. Это объясняет, почему положительно заряженные частицы никогда и нигде не были обнаружены.

Кроме того, теория Томсона объясняла и происхождение ионов. Когда атом теряет свои электроны, у него все равно остается положительный заряд, величина которого зависит от количества потерянных электронов. Например, ион водорода (Н⁺) и ион натрия (Na⁺) — это атомы водорода и натрия, потерявшие единственный электрон. Ион кальция (Са⁺⁺) — это потерявший оба электрона атом кальция, а ион алюминия (Аl⁺⁺⁺) — это атом алюминия без трех электронов.

А что произойдет, если, наоборот, добавить атому пару электронов? Ион хлора (Cl^–) — это атом с хлора с «лишним» электроном. Если же добавить сульфату два, а фосфату — три электрона, то образуются сульфат (SO₄^––) и фосфат (PO₄^–––) ионы.

Таким образом, по Трмсону, отрицательно заряженные электроны являются единственными субатомными частицами, но с их помощью можно объяснить существование и отрицательно, и положительно заряженных ионов.

Но у такой привлекательной на первый взгляд теории Томсона был один серьезный недостаток. Ленард обнаружил, что состоящие из электронов катодные лучи могут проникать сквозь различные предметы. Тогда если атом, как утверждал Томсон, является твердой сферой, то электронам, хотя они и крайне малы, все равно приходится буквально протискиваться между атомами других веществ. В этом случае после столкновения с преградой катодный луч должен рассеиваться, однако этого не происходит. Пройдя сквозь препятствие, пучок электронов остается таким же «кучным». Получается, что электроны проходят мимо атомов, не встречая особого сопротивления.

В 1903 году Ленард предположил, что атом на самом деле вовсе не твердое тело, а, по сути, пустота. По мнению ученого, атом состоял из электронов и равного им количества положительно заряженных частиц, благодаря которым заряд атома и оставался нейтральным.

Но почему тогда не существует анодных лучей?

Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) примирил взгляды Ленарда и Томсона. Начиная с 1906 года он провел серию экспериментов, в ходе которых облучал тонкие золотые листы альфа-частицами[122]. Под листами находилась фотопластинка.

Поток альфа-частиц с легкостью «пробивал» лист золота, словно того и вовсе не было, и засвечивал фотопластинку. Хотя толщина листа всего лишь ¹/₅₀₀₀₀ см, это все равно 20 000 атомов. Тот факт, что альфа-частицы с легкостью проходили сквозь 20 000 атомов, был доводом в пользу «пустого» атома Ленарда, то есть атома, состоящего лишь из нескольких легких частиц, разделенных пустотами.

Но самое интересное заключалось в том, что не все альфа-частицы проходили сквозь золотой лист беспрепятственно. Если альфа-луч не встречает на своем пути преград, то на фотопластинке остается четкий отпечаток. Однако если между источником альфа-излучения и фотопластинкой поместить лист золота, то контур отпечатка становится размытым. Проходя сквозь металл, альфа-частицы отклоняются от своей траектории на несколько градусов, а каждая восьмитысячная частица — на 90° и более!

Но почему? Почему практически все альфа-частицы легко проходят сквозь золото нетронутыми и лишь небольшая их часть так сильно меняет траекторию своего полета? Ведь масса альфа-частицы в 7350 раз больше массы электрона и в 4 раза больше массы атома водорода. Так что даже если альфа-частица столкнется с электроном, то она просто сметет его. Траектория изменится только в случае столкновения с объектом, масса которого приближается к массе атома. А поскольку лишь некоторые частицы встречают преграды на своем пути, размеры этого объекта должны быть крайне малы.

Это как мыльный пузырь, в центре которого находится свинцовый шарик. Если стрельнуть по такому пузырю дробью, то большинство дробинок пройдет сквозь него беспрепятственно, но некоторые попадут в шарик и отскочат от него. Зная частотность рикошетов, можно высчитать приблизительные размеры пузыря и шарика.

Но этот пример не совсем точно отображает суть происходящего. Альфа-частицы не сталкиваются с объектом внутри атома физически. Резерфорд доказал: взаимодействие между ними имеет электрическую природу. Дело в том, что альфа-частицы обладают положительным зарядом (+2), а объект в центре атома также несет положительный заряд, поэтому альфа-частица просто-напросто отталкивается от объекта.

В 1911 году Резерфорд представил миру свою модель атома. Атом состоит из электронов и атомного ядра, которое обладает огромной массой, однако размеры его гораздо меньше, чем предполагал Томсон.

Концепция ядерного атома Резерфорда ныне принята во всем мире.

Судя по тому, как альфа-частицы отклоняются от своих траекторий, размеры ядра атома должны быть действительно крайне малы — от 10^–18 до 10^–12 см в диаметре, что составляет ¹/₁₀₀₀₀₀, или ¹/₁₀₀₀₀ от диаметра самого атома. Объем атомного ядра составляет одну триллионную (¹/_{1000000000000}) часть объема атома.

По сути, практически вся масса атома сконцентрирована в его ядре. Даже ядро самого легкого атома — атома водорода — в 1836 раз тяжелее электрона, в то время как масса ядра атомов более тяжелых элементов может превосходить массу электрона почти в 500 000 раз. Естественно, тяжелое ядро намного менее подвижно, чем практически невесомый электрон, и именно поэтому под действием света и высокой температуры освобождаются только лишь электроны.

У Резерфорда, как и у Ленарда, атом также «пустой». Пространство за пределами ядра занимают электроны. Масса электронов крайне мала, и они не являются препятствием для катодных и альфа-лучей.

Происхождение ионов с точки зрения модели атома Резерфорда объясняется присоединением и потерей электронов, как и у Томсона.

Модель атома Резерфорда полностью удовлетворяла ученых, оставалось лишь доработать некоторые детали.

Особенности рентгеновского излучения

Теперь физики увидели атом как небольшое, но обладающее большой массой атомное ядро, окруженное электронами. Поскольку практически всю массу атома составляет ядро, то с увеличением атомного веса должна увеличиваться и масса ядра.

Логично предположить, что чем больше масса атомного ядра, тем выше его положительный заряд и тем больше электронов необходимо для того, чтобы заряд всего атома оставался нейтральным. А раз так, то постепенно становится ясным, в чем заключается различие между атомами различных химических элементов, и различие это вовсе не в массе, как считал Дальтон и остальные ученые XIX века. Различие имеет совершенно новую, электрическую природу. Атомы различных химических элементов отличаются зарядом ядра атома и количеством электронов за пределами ядра.

Эти два аспекта электрического различия атомов тесно связаны между собой, однако заряд — величина более постоянная, чем количество электронов. Под действием света и тепла электроны могут покинуть атом, превратив его в положительно заряженный ион, а появление в атоме дополнительных электронов приводит к образованию отрицательно заряженного иона. Несмотря на то что свойства иона разительно отличаются от свойств атома, от которого он образован, все-таки ион не является новым элементом. Другими словами, даже несмотря на то, что ион натрия по свойствам сильно отличается от атома натрия, даже физики и химики XIX века могли легко превратить его обратно в атом натрия, и хотя превратить ион калия в атом калия и наоборот они уже не могли, но в принципе это возможно. Значит, количество электронов не является ключевым отличием атома одного элемента от атома другого.

А вот изменить заряд ядра атома ученые того времени не могли. Заряд ядра атома остается постоянным независимо от количества электронов. Таким образом, все разнообразие атомов и соответственно химических элементов удобнее всего характеризовать по разности зарядов их атомных ядер.

Но как определить точную величину заряда атомного ядра? Ответ подсказали рентгеновские лучи.

Рентген получил свои лучи, направив катодный луч на стекло стенки катодной трубки. Электроны, проникая сквозь какой-либо объект, замедляются, и при достаточной толщине объекта они могут остановиться полностью. Согласно теории электромагнетизма Максвелла понижение скорости заряженных частиц приводит к возникновению электромагнитного излучения, в данном случае — рентгеновских лучей.

Понятно, что вещество, состоящее из более тяжелых атомов, будет эффективнее задерживать электроны, а рентгеновское излучение будет более интенсивным. Именно поэтому физики стали помещать металлическую пластину внутри катодной трубки непосредственно перед катодом. Электроны, попадая на эту пластину — антикатод («напротив катода»), тормозятся, и появляется мощное рентгеновское излучение. Такая трубка получила название рентгеновская.

В 1911 году английский физик Чарлз Баркла (1877–1944) обнаружил, что свойства получаемых рентгеновских лучей зависели от материала, из которого сделан антикатод, то есть определенный материал производил определенные группы лучей. Баркла мог судить о различиях этих групп лишь по их проникающей способности. Лучи одной группы могли проходить сквозь толстый материал, другой — сквозь более тонкие и т. д. Чем жестче рентгеновский луч, тем выше его проникающая способность. Впоследствии самые жесткие лучи стали называть лучами группы К, менее жесткие — группы L, М и т. д. Определенные материалы производят определенное, т. е. уникальное рентгеновское, излучение.

Жесткость лучей уникального излучения зависит от металла, из которого сделан антикатод. Чем выше атомный вес металла, тем «тверже» производимые им рентгеновские лучи. Стало очевидным, что если точно измерить их «твердость», то можно узнать много интересного об атомном ядре.

К сожалению, результаты измерения жесткости рентгеновских лучей по их проникающей способности были весьма приблизительными, нужно было что-то более точное. Ученые давно предполагали, что рентгеновские лучи являются частным случаем электромагнитного излучения (впрочем, когда Баркла анализировал результаты своих экспериментов, это еще не было доказано). Если это так, тогда чем короче длина рентгеновского луча, тем выше его энергия и проникающая способность. Таким образом, измерения длины волны (т. е. частоты) рентгеновских лучей дают возможность точно определить степень их жесткости.

Но как измерить длину волны? По идее для этого нужно использовать дифракционную решетку (см. ч. II). Дифракционная решетка — это экран с большим количеством параллельных щелей. Ширина щелей должна быть равна длине измеряемой волны. Длина рентгеновского луча намного меньше длины ультрафиолетового излучения, поэтому создать такую решетку практически невозможно.

В 1912 году немецкий физик Макс Лауэ (1879–1960) предложил для измерения длины волны рентгеновского излучения использовать кристаллы. Структура кристалла представляет собой расположенные рядами атомы, иначе говоря, кристалл является естественной дифракционной решеткой. Ни одна дифракционная решетка, созданная человеком, не обладает столь малой шириной щелей.

Расстояние между атомными ядрами, которые и будут разлагать пучки рентгеновских лучей в спектр так же, как щели обычной дифракционной решетки разлагают в спектр обычный свет, составляет около 10^–8 см, что приблизительно и равно длине волны рентгеновского луча.

В опытах Лауэ пучок рентгеновских лучей, проходя сквозь кристалл сульфида цинка, падал на фотопластинку, оставляя вместо четкого отпечатка узор из нескольких точек. Значит, дифракция рентгеновских лучей действительно имела место, что и послужило доказательством волновой природы рентгеновского излучения.

В том же году два английских физика, Уильям Генри Брэгг и его сын, Уильям Лоренс Брэгг, развили идею Лауэ. Проанализировав поведение проходящих через кристалл рентгеновских лучей, они пришли к выводу, что угол отклонения лучей зависит от расстояния между атомами кристалла и от длины волны. Зная расстояние между атомами, можно определить длину волны.

Метод позволял высчитать длину волны рентгеновского луча с достаточной точностью. Спектр рентгеновского излучения, появляющегося при столкновении электронов с преградой, колеблется от 1 (нижняя граница диапазона ультрафиолетового излучения) до 0,01 миллимикрона (7 октав).

Атомные числа

Использование метода Брэгга давало возможность изучить уникальные рентгеновские излучения, о которых говорил Баркла, что и было сделано в 1913 году английским физиком Генри Гвином Джефрисом Мозли (1997–1915).

Мозли изучал рентгеновские лучи группы К применительно к 12 следующим друг за другом элементам периодической системы и обнаружил, что длина волны уменьшалась (то есть частота повышалась) с увеличением атомного веса, причем квадратный корень длины волны увеличивался пошагово.

Мозли предположил, что причиной этому является пошаговое увеличение заряда ядра атома. Ученый пришел к выводу, что ядро простейшего атома несет заряд +1, заряд следующего +2, еще следующего +3 и т. д. Мозли назвал величину этого заряда атомным числом.

Ученый оказался прав. Сегодня за атомный вес водорода принято число 1, гелия — 2, лития — 3 и т. д. В настоящее время определены атомные числа всех известных элементов. В табл. 3 элементы представлены в порядке увеличения их атомных чисел от 1 до 103.

Для периодической системы атомные числа имеют гораздо более важное значение, чем атомные веса. Для того чтобы в таблице все элементы одного семейства были на своих местах, Менделееву пришлось поставить некоторые более тяжелые элементы перед более легкими. Так, кобальт с атомным весом 58,93 стоит перед никелем с атомным весом 58,71.

Мозли выяснил, что кобальт, несмотря на больший атомный вес, производит рентгеновские лучи более низкой, чем никель, частоты. Поэтому и атомное число у кобальта (27) меньше, чем у никеля (28). Хотя Менделееву ничего не было известно о рентгеновских лучах, интуиция химика не подвела его.

Таким образом, если рассматривать те пары элементов, что стоят в периодической системе не по порядку возрастания их атомных весов (аргон — калий, кобальт — никель, теллур — йод), а с точки зрения возрастания атомных чисел, то все становится на свои места.

Кроме того, благодаря открытию атомных чисел у периодической таблицы появляется еще одно свойство. Теперь с ее помощью можно не только предсказывать существование пока еще неизвестных элементов (что Менделеев и сделал), но и их несуществование.

Пока на вооружении ученых были лишь атомные веса, нельзя было сказать наверняка, что в будущем не будут открыты целые семейства новых элементов. Например, в 1890 году было открыто семейство инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон и ксенон), и в таблицу тут же добавили новую колонку, ранее о существовании которой даже и не подозревали. Столетие спустя были открыты лантаноиды, и их тоже включили в таблицу. До Мозли никто не мог точно сказать, сколько еще оставалось неизвестных элементов. Десятки? Сотни? Тысячи?

Атомные числа не оставили места для подобных сомнений. Подразумевая, что атомное ядро не может нести дробный заряд, можно с уверенностью заявить, что между водородом (атомное число 1) и гелием (2) или, скажем, фосфором (15) и серой (16) никаких элементов нет.

Впервые химики могли сказать, сколько еще элементов предстояло открыть. Первым элементом в таблице является водород (атомное число 1), других элементов перед ним нет. Во времена Мозли самым тяжелым из известных элементов был уран (92). Между ними были лишь 7 неизвестных элементов с атомными числами 43, 91, 72, 75, 85, 87 и 91.

Рентгенографический анализ можно также использовать для проверки новых элементов. Например, в 1911 году французский химик Жорж Урбен (1872–1938) выделил, как ему показалось, новый элемент и дал ему название «кельтий». Когда Мозли опубликовал свой труд, Урбен решил, что кельтий — это как раз и есть неизвестный элемент с атомным числом 72, и привез образец на проверку к Мозли. Проанализировав уникальное рентгеновское излучение «нового» элемента, Мозли выяснил, что кельтий был на самом деле смесью двух уже известных элементов — иттербия и лютеция (атомные числа 70 и 71). Химические испытания это подтвердили, и потрясенный увиденным Урбен впоследствии сделал много для популяризации концепции атомных чисел.

В течение последующих 12 лет были заполнены 3 пустые клетки таблицы. В 1917 году был открыт протактиний (91), в 1923 году — гафний (72), в 1925 году — рений (75). Еще через 10 лет были заполнены оставшиеся четыре клетки (43, 61, 85, 87). Эти элементы мы рассмотрим ниже.

Зная заряд ядра атома элемента, можно судить и о количестве электронов в атоме. Конечно же атом может потерять или присоединить электроны и превратиться в положительно или отрицательно заряженный ион, но в атоме с нейтральным зарядом количество электронов должно соответствовать заряду ядра. Так, в атоме кислорода с зарядом ядра +18, для того чтобы заряд атома оставался нейтральным, должно присутствовать 18 электронов. То есть количество электронов в атоме равно атомному числу этого элемента. Таким образом, у атома водорода один электрон, у натрия — 11, а у урана — 92.

Электронные оболочки

Теперь возник еще один вопрос: как все эти электроны расположены в атоме? Томсон с его моделью атома в виде булочки с изюмом предположил, что электроны внутри атома расположены по кругам. Чем больше электронов — тем больше кругов.

И хотя модель атома Томсона и была вытеснена моделью атома с ядром Резерфорда, идея о том, что электроны находятся за пределами ядра, казалась вполне вероятной, а существование уникального рентгеновского излучения лишь подтверждало ее. Возможно, что каждая из групп лучей испускалась определенной группой электронов вокруг ядра. Электроны, находящиеся в непосредственной близости от ядра, удерживаются им сильнее, значит, они и производят самое жесткое излучение группы К. Электроны, находящиеся чуть дальше от ядра, будут производить излучения группы L и т. д. Приведенный ниже рисунок наглядно это иллюстрирует.

А почему, например, благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) практически не вступают в химические реакции? (На самом деле долгое время считалось, что они вообще ни с чем не реагируют, и только в 1962 году выяснилось, что с некоторыми элементами они все же реагируют.)

Одной из причин является то, что любая химическая реакция включает в себя в том числе и взаимодействие электронов внутри атомов. Например, хлорид натрия состоит из ионов натрия и газообразного хлора. В процессе реакции атом натрия теряет один электрон и становится положительно заряженным ионом Na⁺, а атом хлора присоединяет один электрон и становится отрицательно заряженным ионом Cl^–.

Возможно, благородные газы не вступают в химические реакции потому, что уже обладают жесткой электронной структурой, а присоединение или потеря электронов приведет к потере этой структурной устойчивости.

Логично предположить, что эта устойчивость достигается полным заполнением одной из электронных оболочек.

Например, атомное число гелия равно 2, и гелий является благородным газом. Если атом гелия содержит два электрона, значит, ему необходимы лишь два электрона для полного заполнения внутренней электронной оболочки К. Атом следующего благородного газа — неона — в нейтральном состоянии обладает 10 электронами, 2 из которых заполняют оболочку К, а оставшиеся 8 — оболочку L. В каждом атоме аргона (атомное число 18) уже по 18 электронов, 2 из которых заполняют оболочку К, еще 8 — L, а оставшиеся 8 — оболочку М. В табл. 4 показано, как электроны по электронным оболочкам распределены у первых 20 элементов. (У элементов с большим атомным числом распределение становится уже более сложным, см. гл. 5.)

Вскоре после опубликования Мозли своих работ были сделаны первые попытки рассмотреть химические реакции с точки зрения распределения электронов по электронным оболочкам. Успехом увенчались попытки работавших независимо друг от друга американских химиков Гилберта Ньютона Льюиса (1875–1946) и Ирвинга Ленгмюра (1881–1957). Суть их теории вкратце заключается в том, что в процессе любой химической реакции элементы стараются потерять или присоединить электроны, чтобы перейти в такое же, как и у благородных газов, устойчивое состояние.

Так, натрий с распределением электронов по оболочкам 2/8/1 проявляет тенденцию отдать один электрон, чтобы превратиться в ион натрия (Na⁺) с распределением электронов 2/8, как у атома неона. Конечно же ион натрия не превращается в атом неона, так как заряд ядра (уникальный для каждого элемента) иона натрия остается +11, а заряд ядра атома неона равняется +10. То же можно сказать и о хлоре. Атом хлора с распределением электронов 2/8/7 проявляет тенденцию присоединить еще один электрон и стать ионом хлора (Cl^–) с распределением электронов 2/8/8, как у атома аргона.

Легкость, с которой натрий и хлор реагируют друг с другом, объясняется их обоюдным желанием отдать и присоединить электрон. Атом хлора присоединяет «лишний» электрон натрия, после чего элементы превращаются в ионы с разноименным зарядом и притягиваются друг к другу.

Точно так же кальций (2/8/8/2) легко отдает 2 электрона и становится ионом кальция (Са⁺⁺) с распределением электронов по аргону (2/8/8), а кислород (2/6) присоединяет эти 2 электрона и становится оксид-ионом (О^––) с распределением по неону (2/8). Вместе эти ионы образуют оксид кальция (СаО).

Или кальций может отдать один электрон одному атому хлора, а второй — другому, и тогда образуется хлорид кальция (СаСl₂), то есть один грамм-атом хлора соединяется с половиной грамм-атома кальция. Таким образом, с точки зрения электронов можно объяснить существование эквивалентных масс.

Но как же тогда образуется молекула хлора? Ведь атом хлора проявляет тенденцию присоединить, но никак не отдать электрон. Льюис и Ленгмюр предположили, что если два атома хлора находятся в непосредственной близости, то их внешние электронные оболочки соприкасаются и заполняются электронами друг друга, и общее число электронов каждого атома становится таким же, как и аргона, — 2/8/8.

Понятно, что любая попытка удалить атомы хлора друг от друга ставит под угрозу существование общей электронной оболочки, и именно поэтому молекула хлора чрезвычайно устойчива. Для разложения ее на отдельные атомы необходимо достаточно большое количество энергии.

По той же причине молекулы фтора, водорода, кислорода и азота также состоят из двух атомов.

Распределение атомов внутри атома углерода — 2/4. Значит, один атом углерода может образовать общие электронные оболочки с четырьмя атомами водорода. Таким образом, с помощью четырех атомов водорода атом углерода заполняет внешнюю электронную оболочку по неону (2/8), как у атома неона, каждый атом водорода с помощью одного атома углерода заполняет свою электронную оболочку по гелию (2), а молекула метана (СН₄) становится устойчивой.

Действительно, теория Льюиса — Ленгмюра о переходящих и общих электронах объясняет, как образуются молекулы большинства простейших химических соединений. Более того, эта теория объясняет, почему периодическая таблица и является, собственно говоря, периодической (сам Менделеев конечно же не мог этого объяснить). Начнем с того, что в атомах благородных газов электроны распределены таким образом, чтобы придавать атомам максимальную устойчивость. Благородные газы являются инертными химическими веществами и выделяются в отдельное семейство обладающих естественной устойчивостью и очень похожих друг на друга элементов.

Каждый из щелочных металлов следует за одним из инертных газов, следовательно, их атомное число на единицу больше, чем у одного из инертных газов. У лития (следующий за гелием) электроны распределены как 2/1; у натрия (следующий за неоном) — 2/8/1; у калия (следующий за аргоном) — 2/8/8/1 и т. д. У каждого из щелочных металлов на внешней оболочке по одному электрону, и все они проявляют тенденцию отдать его для приобретения естественной устойчивости.

У каждого из образующих щелочноземельное семейство металлов по 2 электрона на внешней оболочке: 2/2 у бериллия, 2/8/2 у магния, 2/8/8/2 у кальция и т. д.

Атомное число галогенов на единицу меньше, чем у благородных газов: 2/7 у фтора, 2/8/7 у хлора и т. д. Все элементы этого семейства проявляют тенденцию присоединить один электрон для достижения естественной устойчивости.

Таким образом, с помощью электронов и электронных оболочек периодическая таблица получила наконец рациональное объяснение спустя полвека после своего появления.

Спектральный ряд

Однако как ни хороша теория Льюиса — Ленгмюра, она объясняет структуру лишь простейших химических соединений. С ее помощью невозможно объяснить, например, структуру гидрида бора (соединения бора и водорода) или свойства бензола (С₆Н₆). Также невозможно объяснить и поведение элементов с атомными числами меньше, чем у кальция, или почему так схожи свойства лантаноидов, хотя их атомные числа разнятся от 57 до 71.

Слабым местом во взглядах Льюиса и Ленгмюра является то, что ученые рассматривали электроны как неподвижные частицы, занимающие внутри атома строго определенные места. Действительно, на рисунках того времени электроны оболочек L и М располагались по восьми углам куба, а молекулы простейших соединений состояли из нескольких таких кубов, соединенных вместе.

Конечно же такое представление удобно с химической точки зрения, но абсолютно неприемлемо с физической. Ведь если отрицательно заряженный электрон висит над положительно заряженным ядром неподвижно, то он должен просто-напросто упасть на ядро. (Точно так же Земля упала бы на Солнце, если бы не вращалась вокруг него.)

Постепенно физики пришли к выводу, что электрон, чтобы не упасть на ядро, вращается вокруг него с огромной скоростью. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предположил, в частности, что электроны движутся вокруг ядра так же, как планеты движутся по своим орбитам вокруг Солнца[123].

Впрочем, все модели атомов, где электроны вращались вокруг ядра, сталкивались с одной и той же проблемой. Вращающийся вокруг ядра электрон постоянно испытывает центростремительное ускорение, а согласно теории Максвелла постоянно ускоряющийся заряд должен постоянно испускать электромагнитное излучение.

Именно такую модель и создал Нагаока. Электрон, двигающийся вокруг ядра, и является этим зарядом и должен испускать излучение определенной частоты (как и в случае с искрами у Герца, см. гл. 2). Если электрон в минуту совершает 500 триллионов оборотов вокруг ядра (а это всего лишь 150 километров в секунду), то частота его излучения будет 500 триллионов Гц, а это в пределах видимой части спектра, ведь свет — это тоже электромагнитное излучение.

Предположение, конечно, красивое, но разрушить его все-таки придется. Если вращающийся электрон будет испускать излучение постоянно, то он будет терять энергию, а единственной энергией, которой обладает электрон, является кинетическая (т. е. энергия движения). Соответственно движение электрона вокруг ядра должно постепенно замедляться, а сам электрон будет по спирали приближаться к ядру, пока не остановится окончательно и не притянется ядром[124].

Но раз электроны на ядро не падают, нужно создавать какую-то другую модель. Новая модель должна отражать тот факт, что атомы не только излучают (и поглощают) свет, но излучают и поглощают свет лишь определенной частоты. Для создания модели атома следует изучить взаимосвязи между этими уникальными световыми волнами, а отталкиваться нужно от водорода, поскольку водород излучает волны самого простого и упорядоченного спектра.

Длина волн, образующих самые четкие линии спектра водорода, составляет 656,21 миллимикрона, 486,08 миллимикрона, 434,01 миллимикрона, 396,81 миллимикрона и так далее. Расстояние между линиями уменьшается пошагово, значит, здесь определенно должна быть какая-то закономерность.

В 1885 году немецкий математик Иоганн Якоб Бальмер (1825–1898) вывел простую формулу, по которой можно рассчитать длину этих волн:

где m может быть любым целым числом начиная с 3. Если m = 3, то λ будет равна 656,21 миллимикрона, т. е. длине первой волны водородного спектра. Если подставлять вместо m числа 4, 5, 6, то λ будет равна длине второй, третьей и четвертой линии водородного спектра. Эти линии получили название серия Бальмера.

С возрастанием значения m значение m² − 4 знаменателя будет практически равно значению m² числителя, и дробь сократится. В этом случае λ будет равно 364,56 миллимикрона (постоянная Бальмера). Именно к этому значению длины волны стремятся все линии серии Бальмера.

Через несколько лет шведский физик Юханнес Роберт Ридберг (1854–1919), преобразовав формулу Бальмера, сделал ее более удобной. Сначала он написал возвратное уравнение:

Затем, умножив знаменатель и числитель дроби в правой части формулы 5.2 на 4, получил:

Давайте рассмотрим каждый член правой части формулы 5.3 по отдельности. Число 0,0109 получается делением 4 на бальмерову константу. Это значение в миллимикронах. Ридберг предпочел использовать сантиметры, а раз в одном сантиметре 10 000 000 миллимикрон, то значение в сантиметрах будет 0,0109∙10 000 000 = 109 (современные измерения дают значение 109 737 31). Это число получило название постоянная Ридберга и обозначается как R. Таким образом, в пересчете на сантиметры формула 5.3 будет выглядеть так:

Получаем значение λ в сантиметрах, т. е. длина основной волны равна 0,000065621 см.

Теперь разложим (m² – 4)/4m² на m²/4m² – 4/4m² и сократим до 1/4 — 1/m². Для симметрии представим 4 как 1/2² – 1/m², тогда формула 5.4 приобретает вид:

где m — любое целое число, равное и большее 3.

Формулы оставшихся линий будут выглядеть аналогично:

и так далее. Значением m для формулы 5.6 должно быть любое целое число больше 1, для формулы 5.7 — больше 3, для формулы 5.8 — больше 4.

Формула 5.6 описывает волны ультрафиолетового спектра. Эти волны короче волн серии Бальмера. Они были открыты в 1906 году американским физиком Теодором Лайманом и получили название волны серии Лаймана.

Формула 5.7 описывает волны инфракрасного спектра. Они длиннее волн серии Бальмера. Они были открыты в 1908 году немецким физиком Фридрихом Пашеном и получили название серия Пашена. Формула 5.8 описывает еще более длинные волны, открытые американским физиком Фредериком Брэкеттом и получившие названия серия Брэкетта. Существуют также и другие серии волн.

Атом Бора

Итак, электроны атома водорода не только не падают на ядро, но еще и испускают волны определенной частоты, которые можно определить по простым формулам Ридберга. Нужна была новая модель атома, которая бы все это отражала.

Такую модель создал в 1913 году датский физик Нильс Бор (1885–1962). Он предложил использовать для решения задачи только в то время появившуюся квантовую теорию (см. ч. II).

Согласно квантовой теории, любой преобразовывающий кинетическую энергию в излучение объект теряет эту энергию. Так, например, Земля постепенно теряет кинетическую энергию за счет вращения вокруг Солнца, однако эти потери настолько малы, что даже самые точные измерения не смогут зафиксировать какое-либо изменение в скорости вращения планеты.

Но с электронами дело обстоит иначе. Общая кинетическая энергия электрона немного превышает энергию одного кванта видимого света, то есть для излучения одного кванта света электрону потребуется мгновенно потратить всю свою энергию. Однако вместо того, чтобы медленно приближаться к ядру во время вращения (как это себе представляли физики «доквантовой» эры), электрон просто «перепрыгнет» на более близкую к ядру орбиту. С другой стороны, если электрон также еще и поглощает свет, значит, он сразу поглотит целый квант света и на этот раз перепрыгнет уже на более высокую орбиту.

Бор предположил, что электрон в основном состоянии обладает минимумом энергии и находится на ближайшей к ядру орбите. Такой электрон не выделяет энергию (истинная причина этого открылась лишь 10 лет спустя, см. гл. 6). После поглощения энергии электрон переходит в возбужденное состояние и в зависимости от количества этой энергии занимает одну из более удаленных от ядра орбит.

Бор определил несколько орбит электрона в атоме водорода в зависимости от величины кинетического момента. Используя постоянную Планка (см. ч. II), Бор вывел следующую формулу:

где p — кинетический момент электрона, h — постоянная Планка, π — это конечно же известная нам постоянная длины окружности; n — любое положительное целое. Теперь введем в формулу значение постоянной Планка, предположим, что электрон может двигаться только по определенным орбитам, примем за n любое целое число и получим квантованный атом.

В связанных с квантованным атомом вычислениях выражение h/2π используется часто, поэтому его обычно сокращают до ħ. Так как значение h приблизительно 6,6256∙10^–27 эрг-с, значение π приблизительно 3,14159, то ħ приблизительно равно 1,0545∙10^–27 эрг-с.

Таким образом, формула 5.9 приобретает вид:

Иногда n называют еще главным квантовым числом (кроме главного, существуют и другие квантовые числа). Это число обозначает орбиту, на которой находится электрон: n = 1 для ближайшей к ядру орбите; 2, 3, 4 и так далее — для более высоких.

Когда единственный электрон атома водорода опускается с орбиты 2 на орбиту 1, он выделяет один квант (определенного размера) энергии, т. е. излучение определенной частоты, и в определенном месте спектра появится яркая линия. (А когда единственный электрон атома водорода поднимается с орбиты 1 на орбиту 2, он поглощает один квант (того же определенного размера), и на месте яркой спектральной линии появится еще и темная.)

Если единственный электрон атома водорода опустится с орбиты 3 на орбиту 1, то энергии при этом выделится больше, и частота излучаемого света будет выше. При перемещении с орбиты 3 (4, 5) на орбиту 1 частота будет еще выше.

Серия перемещений с различных орбит на орбиту 1 приведет к излучению света последовательно повышающейся частоты (или последовательно понижающейся длины волны), то есть серии волн Лаймана. Серия перемещений с более высоких орбит на орбиту 2 приведет к появлению серии Бальмера, на орбиту 3 — серии Пашена и т. д.

В описывающих длины волн спектральных линий различных серий формулах (5.5, 5.6, 5.7, 5.8) первое число знаменателя правой части и будет главным квантовым числом орбиты, куда опускается (или с которой поднимается) электрон.

Заряд ядра атомов более сложной, чем у водорода, структуры с несколькими электронами больше, следовательно, электроны на внутренней орбите удерживаются сильнее.

Поэтому для перемещения на более высокую орбиту электрону требуется больше энергии, а значит, и при переходе на более низкую орбиту энергии также освобождается больше. Самые короткие излучаемые водородом волны находятся в ультрафиолетовой части спектра (серия Лаймана), а более сложные атомы могут излучать и сверхкороткие рентгеновские лучи. Мозель обнаружил, что длина волн рентгеновского излучения уменьшается с возрастанием атомного числа элемента.

Дальше — хуже. Модель атома Бора вполне подходила для атомов водорода, чей спектр состоит из прямых линий. Однако более точный спектральный анализ показал, что спектральные линии водорода имеют тонкую структуру, состоящую из многих мелких линий, будто электрон при перемещении на другую орбиту «промахивается» и попадает на соседнюю.

Это едва не поставило крест на квантовой модели атома. Положение спас в 1916 году немецкий физик Арнольд Зоммерфельд (1868–1951), предложивший следующее объяснение: дело в том, что, по мнению Бора, электронные орбиты имели четкую форму круга, однако Зоммерфельд предположил, что она может быть и эллиптической. Квантовая модель атома допускала существование орбит с небольшим эксцентриситетом эллипса, а главное квантовое число — группы орбит, состоящих из одной круговой и нескольких эллиптических, так как изменения кинетического момента были незначительными.

Для эллиптических орбит Зоммерфельд ввел понятие орбитального квантового числа, получившего обозначение L[125]. Орбитальное квантовое число может принимать любое значение в пределах от 0 до n – 1, то есть при n = 1 L = 0; при n = 2 L = 0 или 1; при n = 3 L = 0, 1 или 2 и т. д.

Но спектральные линии под действием магнитного поля расходятся еще больше. Ученые приняли это во внимание и ввели магнитное квантовое число (m).

С появлением магнитного атомного числа атом стали рассматривать уже в трех измерениях. Теперь варьировалась не только форма орбиты электрона, но и ее наклон относительно основной. Для т справедливы все значения L, кроме того, к положительным значениям добавились еще и отрицательные. То есть если для n = 2 L = 1 или 0, а m = 0, 1 и –1; для n = 3 L = 0, 1 или 2, а m = 0, 1, 2, –1 или –2 и т. д.

Последнее квантовое число — число спина электрона (s). Оно обозначает спин, т. е. направление вращения электрона вокруг своей оси, а поскольку таких направлений всего два — по часовой стрелке и против часовой, то и квантовое число может принимать лишь два значения: 1/2 и –1/2.

Электронные подоболочки

Электроны могут находиться лишь на описанных квантовыми числами орбитах. Когда электронов несколько (а у всех элементов, кроме водорода, их по два и более), они распределяются по орбитам, причем первой заполняется ближняя к ядру орбита.

Но сколько электронов могут находиться на одной и той же орбите одновременно? В 1925 году австрийский физик Вольфганг Паули (1900–1958) предположил, что, раз спектр каждого элемента уникален, значит, внутри каждого атома не могут существовать электроны с идентичными квантовыми числами, хотя бы одно из четырех должно отличаться. То есть на произвольной орбите, будь то круговая, эллиптическая или накрененная, могут вращаться максимум 2 электрона, причем один из них по часовой стрелке, а второй — против. Этот принцип существования двух электронов с противоположными спинами называется принцип исключения Паули.

Теперь мы можем определить количество электронов на каждой представленной соответствующим квантовым числом группе орбит.

Пусть n = 1, тогда L = 0 и m = 0, т. е. характеристики единственной орбиты — 1/0/0. На такой орбите могут находиться два электрона с противоположными спинами. Общим числом электронов первой группы орбит (n = 1) является 2.

Теперь предположим, что n = 2, тогда L = 0 или 1, а m = 0,1 или –1; при L = 0 и m = 0. Тогда для n — 2 существуют 4 возможные орбиты; 2/0/0; 2/1/0; 2/1/1 и 2/1/–1. На каждой из этих орбит могут находиться по два электрона с противоположными спинами, следовательно, общее число электронов второй группы орбит — 8.

Таким же образом можно определить, что общее число электронов следующей группы орбит (n = 3) равняется 18. То есть максимальное количество электронов группы орбит n можно вычислить по формуле 2n². Отсюда для группы орбит 4 (n = 4) общим числом электронов является 32, для n = 5–50 и т. д.

В физике группы орбит, представленные главным квантовым числом л, соответствуют электронным оболочкам в химии, представленным в модели атома Льюиса — Ленгмюра.

Общее количество электронов группы орбит можно согласно значению L разделить на подоболочки. Например, если n = 1, то L = 0, значит, первая электронная оболочка состоит всего лишь из одной подоболочки, где могут находиться 2 электрона.

Если п = 2, то L = 0 и 1. При L = 0 орбита всего одна (2/0/0), соответственно электронов максимум 2; но при L = 1 орбит уже 3 (2/1/0, 2/1/1, 2/1/–1) и максимальное количество электронов — 6. Итого на второй оболочке 8 электронов, составляющих две подоболочки: на одной 2 электрона, на второй — 6.

Точно так же 18 электронов третьей оболочки можно разделить на 3 подоболочки по 2, 6 и 8 электронов. Вообще электроны оболочки с главным квантовым числом n можно разделить на n подоболочек: первая подоболочка будет содержать 2 электрона, а каждая последующая — на 4 электрона больше, чем предыдущая (то есть 6, 10, 14, 18 и т. д.).

Эти подгруппы обозначаются латинскими s, p, d, f, g, h и /. To есть первая оболочка состоит из 1s подоболочки, вторая — из 2s и 2p подоболочек и т. д.

Теперь давайте попробуем применить все это собственно к химическим элементам. Первые два никаких трудностей не вызывают. У водорода 1 электрон, у гелия — 2, и все они находятся на единственной подоболочке первой электронной оболочки.

У всех элементов с атомным числом больше 2 на первой оболочке по 2 электрона. Оставшиеся электроны распределяются по внешним оболочкам. Следующие восемь элементов распределяют эти электроны на второй электронной оболочке, состоящей из 2s подоболочки (вмешает 2 электрона) и 2p подоболочки (вмещает 6 электронов).

У атома неона вторая электронная оболочка заполнена, и в атомах следующих элементов заполняется уже третья электронная оболочка. Эта оболочка состоит уже из 3 подоболочкек: 35 (2 электрона), Зр (6 электронов), 3d (до 10 электронов).

Обратите внимание на сходство заполнения оболочек этих элементов и элементов предыдущего списка. Одинаково заполнены 2s2р атома лития и 3s3p натрия; 2s2p бериллия и 3s3p магния; 2s2p бора и 3s3p алюминия и т. д. Вот почему таблица химических элементов является периодической.

У атома аргона на 3s и 3p подоболочках по 2 и 6 электронов соответственно — столько же, сколько и у неона на 2s и 2p. Оба этих элемента относятся к благородным газам. В то же время 3d подоболочка атома аргона не заполнена полностью — там есть место для 10 электронов. Значит, инертность благородных газов определяется полным заполнением s и p подоболочек внешней электронной оболочки их атомов, содержащих в общей сложности 8 электронов. Таким образом, наличие этого количества электронов на внешней оболочке является признаком благородного газа. Единственное исключение составляет гелий, у которого всего одна подоболочка (1s), которая также полностью заполнена.

Вы, возможно, предполагаете, что в атомах следующих за аргоном элементов заполнена подоболочка 3d. Однако это не так. Дело в том, что каждому электрону, условно говоря, требуется место, а каждая оболочка атома содержит все больше и больше электронных подоболочек, и в конце концов внешние подоболочки одной электронной оболочки начинают перекрывать внутренние подоболочки другой. В данном случае подоболочка 3d перекрывает подоболочку 45. To есть заполняется подоболочка 45, а не 3d.

У кальция 1 электрон на подоболчке 4s, как у натрия на 3s и лития на 2s. Подобную аналогию можно провести между кальцием, магнием и бериллием.

Переходные элементы

Если бы у атома скандия, следующего за кальцием элемента, на 4р подоболочке был 1 электрон, то его s и р подоболочки были бы заполнены так же, как у алюминия (2 и 1 электрон). Этого, однако, не происходит. На 45 подоболочке атомов следующих за кальцием элементов 2 электрона (как у и кальция), а остальные электроны заполняют подоболочку 3d:

Подоболочки 3d и 4s перекрывают друг друга достаточно нечетко, поэтому количество электронов на 3d/4s можно представить и как 5/1, и как 4/2, или, скажем, и как 10/1, и как 9/2. Впрочем, в случае с хромом и медью принято считать, что у них по одному электрону на 4s, ну да это не столь важно.

А важно то, что различия между этими десятью элементами (от скандия до цинка) заключаются в количестве электронов на подоболочке 3d, в то время как на внешней 4s подоболочке у всех (или почти у всех) количество электронов одинаково. Эти элементы называются переходными элементами. Они мало отличаются друг от друга по свойствам, в то время как разница между элементами от водорода до кальция (у которых по-разному заполняется именно внешняя подоболочка) очевидна.

Кобальт, железо и никель настолько похожи друг на друга, что ученые объединяют их в одно семейство элементов.

Однако модель атома Льюиса — Ленгмюра не допускает изменения количества электронов на внутренних оболочках и поэтому неприменима к переходным элементам, а ведь ³/₅ всех элементов являются именно переходными.

У цинка третья электронная оболочка (18) и подоболочка 4s (6) заполнены полностью, поэтому в атомах элементов с большим атомным числом заполняется подоболочка 4p.

У этих шести элементов подоболочки s и p заполнены так же, как у соответствующих элементов от алюминия до аргона и от бора до неона, поэтому галлий обладает свойствами, схожими с алюминием и бором, германий — с углеродом и кремнием и т. д. У криптона на 4s два электрона, а на 4p — 6 электронов, значит, криптон является благородным газом.

4d (10 электронов) и 4f (14 электронов) подоболочки четвертой электронной оболочки перекрывают внутреннюю 55 под-оболочку пятой электронной оболочки.

У следующих элементов заполняется 4d подоболочка, значит, они так же, как и элементы от скандия до цинка, являются переходными.

У следующих шести элементов заполняется 5p подоболочка, они не являются переходными, а соотношение электронов на s и p у них такое же, как и группы элементов от бора до неона.

Ксенон также является благородным газом.

Оставшиеся подоболочки 4f (14 электронов), 5d (10), 5f (14) и 5g (18) перекрывают подоболочку 6s.

У элементов начиная с лантана электроны появляются на подоболочках 4f и 5d, и эти элементы представляют собой уже несколько иную группу переходных элементов. Если у предыдущих групп переходных элементов (от скандия до цинка и от иттрия до кадмия) заполняемая электронная подоболочка перекрывалась лишь одним или двумя электронами следующей оболочки, то 4f подоболочка лантаноидов перекрывается не только двумя электронами 5s подоболочки, но и шестью электронами 5p и двумя электронами 6s. То есть у лантаноидов, в отличие от других переходных элементов, заполняется «более глубокая» подоболочка атома, которая сильнее перекрывается другими подоболочками. Именно поэтому лантаноиды настолько между собой похожи.

У лютеция и последующих элементов заполняется подоболочка 5d (до 10 электронов). Электроны этой подоболочки перекрываются двумя электронами подоболочки 6s, т. е. эти элементы являются обычными переходными элементами.

У элементов начиная со ртути подоболочка 5d заполнена, подоболочки 5f и 5g остаются нетронутыми, а заполняется подоболочка 6p. Налицо такое же, как у элементов от бора до неона, соотношение электронов на s и p.

Радон является благородным газом.

Остаются еще подоболочки 5f (14 электронов), 5g(18), 6d(10), 6f (14), 6g (18) и 6h (22). Все они перекрывают подоболочку 7s.

У следующих элементов электронные подоболочки заполняются так же, как и у лантаноидов.

Элементы от актиния до лавренция называются актиноидами. Хотя элемент с атомным числом 104 пока не открыт, у ученых есть все основания полагать, что его 104-й электрон займет подоболочку 6d, а химические свойства самого элемента будут схожи с гафнием.

Теперь становится очевидным, что в периодической таблице элементы расположены согласно размещению электронов на электронных оболочках их атомов.

Полупроводники

Итак, теория электронных оболочек и подоболочек объяснила феномен периодической системы и свойства лантаноидов, однако модель атома Бора, даже модифицированную Зоммерфельдом, она спасти не смогла. Попытка ученых представить атом в виде совокупности ядра и вращающихся вокруг него по орбитам электронов (пусть даже и гораздо более сложным, чем у космических тел) окончилась полным провалом.

В начале 1920-х годов понятие орбиты было заменено понятием энергетического уровня. Электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, а разница между энергетическими уровнями определяет размер выделяемого или поглощаемого кванта (в данном случае частоту излучения).

В 1925 году немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) разработал систему численного обозначения энергетических полей. Все числа были внесены в матрицы, что давало возможность применять к ним правила матричной алгебры. Для точного расчета спектральных линий достаточно было лишь внести в матрицу данные об атоме (матричная механика). При таком подходе атом становился лишь набором цифр, и поэтому никакая модель атома вообще была не нужна.

Энергетические уровни простого атома можно изобразить несколькими простыми линиями на определенном расстоянии от схематического рисунка атомного ядра. Два электрона с противоположными спинами могут занимать любой энергетический уровень, а также переходить на любой другой свободный или частично свободный энергетический уровень, однако в промежутках между линиями электроны находиться не могут. Эти промежутки получили название запрещенная энергетическая зона. Конечно же размеры линий и промежутков для каждого элемента уникальны.

Все становится сложнее, когда два атома элемента располагаются в непосредственной близости. В этом случае внешние электронные уровни этих атомов сливаются в один. Соответственно относительно каждого атома количество электронов на внешнем уровне удваивается. Но так как на одном электронном уровне электроны с одинаковыми спинами находиться не могут, то внешние энергетические уровни этих атомов вместе со своими электронами немного отодвигаются друг от друга: один становится выше, другой — ниже.

Такой процесс особенно характерен для твердых веществ, где практически все атомы расположены близко друг к другу, то есть энергетические уровни твердых веществ — это уже не простые линии, а тесное скопление нескольких чуть отличных друг от друга линий. Это уже не энергетический уровень, а энергетическая зона. Электроны могут переходить из одной зоны в другую, но они не могут находиться в запрещенных энергетических зонах.

Если внешние энергетические уровни атомов твердых элементов заполнены полностью, то заполнена и энергетическая зона. В этом случае электроны не могут переходить из одного атома в другой, так как внешние энергетические уровни соседних атомов также заполнены. Такие вещества с фиксированным положением электронов в атомах не проводят электрический ток. Абсолютно не проводят ток, например, сера и кварц.

Если же внешние энергетические уровни заполнены не полностью, то энергетическая зона также заполнена не полностью, и электроны могут легко путешествовать из одного атома в другой по этим энергетическим уровням, а посредством этих свободных электронов такие вещества могут проводить электрический ток. Это свойство наиболее ярко выражено у серебра и меди.

Однако электрический ток проводят и некоторые вещества с полностью заполненной энергетической зоной. Дело в том, что над заполненной энергетической зоной существует еще одна, совершенно пустая зона, и под действием поглощаемой энергии электроны могут переходить из заполненной энергетической зоны в пустую. Здесь существует одно ограничение: ширина запрещенной энергетической зоны должна быть небольшая. Если же расстояние между энергетическими зонами велико, то вещество проводником не является.

У атомов некоторых элементов (например, кремния и германия) ширина запрещенной зоны относительно мала, что делает возможным переход электрона из одной зоны в другую. Такие элементы называются полупроводниками. С повышением температуры, то есть с увеличением количества энергии, возрастает и вероятность перехода электронов на зону выше. Таким образом, сопротивление полупроводника с повышением температуры падает (в отличие от металлов, так как в металлах с повышением температуры увеличивается частота колебаний атомов, что затрудняет переход электронов из одного атома в другой, то есть электрическое сопротивление металлов с ростом температуры повышается).

После некоторых изменений структуры этих элементов химические и физические свойства полупроводников оказались крайне полезными для человека.

Например, у германия, как и углерода, на внешней оболочке 4 электрона, каждый из которых может образовать общую электронную оболочку с одним электроном другого атома, таким образом образуются группы из четырех атомов. В этом случае все электроны закреплены на своих орбитах, поэтому германий практически не проводит ток.

Все это справедливо только в случае плотного прилегания атомов друг к другу. Но если кристалл германия неидеален, то отдельные атомы уже не могут образовывать общие электронные оболочки, и свободные электроны этих атомов способны проводить электрический ток.

Впрочем, практически все кристаллы германия содержат примеси. Если же специально добавить примесь, скажем, мышьяка, то полупроводниковые свойства германия возрастают. У атома мышьяка 5 электронов на внешней электронной оболочке, поэтому при соединении с германием только 4 из этих пяти электронов формируют общие орбиты с атомами германия, а оставшийся как раз и становится свободным электроном.

Под действием электрического тока свободные электроны внутри кристалла перемещаются от отрицательного электрода к положительному, так как электроны — отрицательно заряженные частицы. Такой полупроводник называется электронным, или полупроводником n-типа.

Теперь рассмотрим кристалл германия с примесью бора. У атома бора на внешней оболочке 3 электрона, каждый из которых формирует общие электронные оболочки с 3 атомами бора, а у четвертого на внешней электронной оболочке вместо электрона будет «дырка».

Под действием электрического тока в эту дырку попадает электрон, отталкиваемый отрицательным и притягиваемый положительным электродом. Заняв следующую дырку, электрон освобождает предыдущую, и получается, что сама дырка перемещается от положительного электрода к отрицательному, то есть движение дрейфующей дырки можно сравнить с поведением положительно заряженной частицы. Такой полупроводник называется дырочным полупроводником, или полупроводником p-типа.

Полупроводниковые устройства

Контролируя дрейф электронов внутри полупроводников, можно заменить устройствами на их основе вакуумные приборы. Так как в таких полупроводниковых устройствах вместо вакуума используются твердые вещества, их еще иногда называют твердотельными.

Представьте себе кристалл, одна часть которого имеет n-тип и подключена к «минусу» батареи, а вторая — p-тип и подключена к «плюсу». Когда цепь замкнута, электроны первой части отталкиваются от отрицательного электрода и устремляются к месту перехода между двумя половинами, а дырки второй части отталкиваются от положительного электрода и также устремляются к месту перехода. Там электроны нейтрализуют дырки и, отталкиваясь от положительного электрода, создают новые. Таким образом, все время, пока замкнута электрическая цепь, в кристалле течет ток.

А теперь представьте, что кристалл подключен к батарее наоборот: половина n-типа — к «плюсу», а p-типа — к «минусу». В этом случае электроны притягиваются к положительному электроду, дырки — к отрицательному, и сначала в месте перехода, а затем и во всем кристалле не остается ни дырок, ни свободных электронов, то есть кристалл перестает проводить ток.

Короче говоря, в таком n-р-кристалле ток течет лишь в одном направлении. Такой n-p-кристалл может выпрямлять переменный ток. Кроме того, его часть n-типа может заменить нить вакуумной трубки, а часть p-типа — пластину, а сам кристалл будет работать как диод. Такое устройство называется диодом на p-n-переходе.

Полупроводниковые аналоги существуют и у триодов. В этом случае кристалл состоит из трех зон: n-типа по бокам и p-типа в середине. Зона p-типа является модулятором. Таким образом, в таком кристалле два перехода — n-p и p-n.

Если подключить один конец кристалла к «минусу», а второй — к «плюсу» батареи, то электроны, отталкиваемые отрицательным электродом, устремятся к зоне p-типа, а электроны, притягиваемые положительным полюсом, будут удаляться от зоны p-типа, и за счет этого начнут двигаться электроны зоны p-типа. То есть электроны будут перемещаться из одного конца кристалла в другой, при этом p-зона будет тормозить их движение. Изменяя заряд зоны p-типа, можно регулировать скорость электронного потока.

Такой триод был впервые создан в 1948 году английским физиком Уильямом Шокли (1910^–1989) совместно с американскими физиками Джоном Бардином (1908–1991) и Уолтером Браттейном (1902–1987). Устройство получило название плоскостной полупроводниковый триод, или транзистор (от англ. transfer — проводить и resistor — сопротивление. — Пер.).

В природе иногда встречаются неидеальные кристаллы полупроводников с примесью других элементов в нужной пропорции. В первые дни радио, еще до появления электровакуумных приборов, такие кристаллы уже использовались для выпрямления электрического тока. Приемники на таких кристаллах назывались детекторными.

В свое время развитие электровакуумных ламп привело к прекращению использования детекторных приемников, однако появление транзисторов возродило кристалл. У транзисторов несколько преимуществ по сравнению с лампами. Транзисторы твердотельные, им не нужен вакуум, а значит, и ударопрочность у них выше. Так как у транзисторов нет нити накаливания, то, в отличие от ламп, им не нужно разогреваться, да и работают они дольше. А самое главное — размеры транзистора могут быть в десятки, сотни, тысячи раз меньше, чем у вакуумной трубки.

Радиоприемник на лампах — это большой и громоздкий ящик, а транзисторный радиоприемник можно сделать размером с пачку сигарет. Использование транзисторов привело к миниатюризации абсолютно всех приборов. Особенно это заметно в вычислительной технике, ведь количество ламп в ламповых компьютерах достигает нескольких тысяч! С появлением транзисторов размеры таких компьютеров уменьшились в десятки раз.

Полупроводники можно также использовать для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Феномен теплоэлектричества был открыт в 1921 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (1770–1831). Он обнаружил, что если при нагревании двух различных соединенных между собой металлов поместить в месте соприкосновения этих металлов иголку, то она будет отклоняться. Феномен получил название явление Зеебека, или термоэлектрический эффект.

Таким образом, при нагревании в цепи появляется электрический ток, который и приводит к возникновению магнитного поля. Однако Зеебек полагал, что эффект этот чисто магнитный, а не электромагнитный (в то время ученые только начинали говорить о связи между электричеством и магнетизмом, и интерес к явлению Зеебека угас вплоть до середины XX века).

Рассмотрим полупроводник n-типа, одна сторона которого подвергается нагреванию. Электроны этой половины под действием температуры будут перемещаться на одну энергетическую зону, откуда они и начнут дрейфовать к холодному концу кристалла. В кристалле возникает электрический ток (холодная половина — «минус», горячая — «плюс»). То же самое происходит и в обычном проводнике, однако в холодной половине обычного проводника и без того много свободных электронов, которые начнут отталкивать электроны, поступающие из нагреваемой половины, и электрический ток будет крайне слабым. А в холодной половине полупроводника свободных электронов практически нет, значит, и дрейфующие электроны отталкивать нечему, поэтому при нагревании в полупроводнике возникает гораздо больший, чем в обычном проводнике, электрический потенциал.

При нагревании одного конца полупроводника p-типа под действием энергии извне электроны становятся гораздо более подвижными и дырки этой половины заполняются быстрее, а в холодной половине образуются новые дырки. Таким образом, дырки дрейфуют от нагреваемого конца кристалла к холодному и в полупроводнике появляется электрический ток (нагреваемая часть — «минус», холодная — «плюс»).

Если соединить полупроводники n-типа и p-типа и подвергнуть место соединения нагреванию, то электроны холодной половины полупроводника p-типа через переход устремятся в сторону холодного конца полупроводника n-типа. Если подключить такой кристалл в электрическую цепь, то, пока кристалл подвергается нагреванию, в цепи будет электрический ток. Таким образом, с помощью полупроводника и, например, керосиновой лампы можно создать генератор электрического тока без движущихся частей.

Можно добиться и обратного эффекта. Если пропустить электрический ток через электрическую цепь из нескольких полупроводников, то кристаллы начнут выделять тепло. Это явление впервые наблюдал французский физик Жан Шарль Пельтье (1785–1845) в 1834 году, поэтому оно и получило название эффект Пельтье (или электротермический эффект). Если же пропустить электрический ток через соединенные с одного конца кристаллы полупроводников p-типа и n-типа, то один конец такого кристалла будет нагреваться, а второй, наоборот, охлаждаться.

С помощью полупроводников можно также преобразовывать свет в электрическую энергию. Такая солнечная батарея состоит из полупроводника n-типа, покрытого тонким слоем полупроводника p-типа. В части n-типа присутствует огромное количество свободных электронов, которые устремляются в дырки части p-типа, и, пока все дырки не заполнены, между двумя полупроводниками на очень короткое время возникает электрический ток.

Когда на такой кристалл падает солнечный свет, то под действием энергии электроны вновь возвращаются в часть n-типа, а в части p-типа образуются новые дырки, то есть электрический ток будет возникать постоянно. Солнечные батареи успешно используются для питания искусственных спутников Земли.

Мазеры и лазеры

Электронные уровни находятся на определенном расстоянии друг от друга, а заполняться могут только путем выделения или поглощения фотонов определенного размера. Именно этот факт привел к появлению очень важных электротехнических устройств.

Например, у молекулы аммиака (NH₄) 2 энергетических уровня, разделенные запрещенной энергетической зоной, ширина которой соответствует размеру заряда фотона, необходимого для излучения микроволны частотой 24 млрд. Гц, то есть 1,25 см.

Разницу между энергетическими уровнями можно рассмотреть с геометрической точки зрения. Тогда 3 атома водорода молекулы аммиака можно представить как три вершины равностороннего треугольника, а атом азота будет располагаться на некотором расстоянии от центра этого треугольника. При изменении количества электронов на энергетическом уровне атом азота перейдет на другую сторону треугольника сквозь его плоскость. Таким образом, молекулу аммиака можно заставить вибрировать с частотой 24 млрд. раз в секунду.

Этот период колебания повторяется с чрезвычайной точностью. Точность эта гораздо выше, чем у любого созданного человеком устройства, и даже точнее движения космических тел. На основе такой молекулы можно создавать высокоточные атомные часы, погрешность которых — всего одна секунда на 100 000 лет.

Теперь рассмотрим только лишь энергетические уровни. При прохождении микроволн через газообразный аммиак молекулы поглощают часть микроволновой энергии и поднимаются на уровень выше (из центра к периферии. — Пер.).

Но что происходит с теми молекулами, которые уже находятся на высшем уровне? В 1917 году Эйнштейн выявил, что когда фотон определенного размера ударяется о такую молекулу, то молекула переходит на уровень ниже, двигаясь в том же, что и фотон, направлении и испуская фотон излучения того же размера. То есть под действием микроволнового излучения молекулы аммонии будут либо подниматься с нижних уровней на верхние, либо опускаться с верхних на нижние. При нормальных условиях последнее будет происходить реже, так как на верхнем уровне будет находиться лишь небольшое количество молекул.

Предположим, что возможно каким-либо способом переместить большую часть молекул на верхний уровень. Тогда фотон микроволнового излучения толкнет молекулу на уровень ниже и та выделит еще один фотон. Оба фотона ударятся еще о две молекулы, и те выделят еще два фотона. Эти четыре фотона столкнутся с еще двумя молекулами, и получится уже 8 фотонов и т. д. Исходный фотон породит целую лавину фотонов одинакового размера и двигающихся в одном направлении.

Над разработкой подобного устройства одновременно работали и американские, и советские ученые, однако пальма первенства принадлежит все же американскому физику Чарлзу Таунсу. В 1953 году он разработал метод, с помощью которого возбужденные молекулы аммиака можно изолировать и подвергнуть стимуляции с помощью микроволнового излучения для усиления входящего излучения, то есть входит один фотон, а выходит целый поток.

Такой прибор называется квантовый генератор СВЧ-диапазона, или по-английски мазер. В последующие годы термин «мазер» вытеснил термин «атомные часы».

Вскоре был разработан и твердотельный мазер, состоящий из помещенного в магнитное поле парамагнитного материала (см. ч. II). Электрон в таком мазере может находиться лишь на одном из двух энергетических уровней: если спин электрона совпадает с направлением магнитного поля, то он занимает нижний уровень, а если электрон вращается в противоположную сторону, то он занимает верхний уровень. Под действием магнитного поля электроны постепенно выталкиваются с верхнего уровня на нижний. При переходе на нижний уровень все электроны выделяют излучение одной и той же частоты (монохроматическое излучение).

Первые мазеры (и газовые, и твердотельные) не могли работать непрерывно. Такой мазер сначала нужно было накачать электромагнитным излучением, затем мазер выдавал вспышку излучения, после чего его было необходимо накачивать заново.

Для преодоления этой проблемы американский физик Николас Бломберген использовал системы из трех уровней. При добавлении в систему мазера атомов металла (например, хрома или железа) электроны будут распределяться уже не на два, а на три уровня: верхний, средний и нижний. В этом случае накачка и излучение могут происходить одновременно. Электроны будут подниматься с нижнего уровня на верхний, а с помощью определенной стимуляции можно заставить их опускаться сначала на средний и только потом на нижний уровень. А так как для накачки и для стимуляции необходимы фотоны разного размера, то эти два процесса не будут друг другу мешать, и мазер может работать непрерывно.

Так как мазеры усиливают слабое микроволновое излучение с высокой точностью (то есть с крайне незначительными «шумами»), то в радиоастрономии они используются в качестве высокочувствительных микроволновых приемников.

В принципе этот метод можно использовать и применительно к электромагнитным волнам любой длины, например световым. Таунс впервые заговорил об этом в 1958 году. Такой световой мазер получил название оптический мазер, или лазер.

Первый лазер был создан в 1960 году американским физиком Теодором Майманом. Майман применил в своем приборе трубку из синтетического рубина, состоящего из оксида алюминия с большой примесью оксида хрома (собственно, именно оксид хрома и дает рубину его красный цвет). Под действием света электроны атомов хрома поднимаются на верхние уровни и через небольшой промежуток времени вновь падают вниз. Первые фотоны света (длина волны которых составляет 694,3 миллимикрона) стимулируют появление других фотонов, и кристалл рубина испускает короткую вспышку красного света. В том же году были разработаны и лазеры с непрерывным режимом работы.

Лазер дал людям не только совершенно новую форму света высокой интенсивности и монохроматичности, но и кое-что еще.

Дело в том, что свет любого другого происхождения (солнечный или образующийся в результате горения) состоит из огромного числа пакетов относительно коротких расходящихся во всех направлениях волн.

Лазерное же излучение состоит из движущихся в одном и том же направлении фотонов одинакового размера. То есть такой свет состоит из следующих строго друг за другом пакетов волн одинаковой длины, и все эти волны сливаются в один сплошной световой луч. Такой свет называется когерентным. Конечно же физики научились генерировать длинные когерентные волны уже довольно давно (например, несущая волна радиопередачи также является когерентной), однако лишь в 1960 году стало возможным генерировать когерентные световые волны.

Благодаря особому устройству лазера все излучаемые фотоны движутся в одном направлении. Оба конца рубиновой трубки отполированы до зеркального блеска и дополнительно покрыты серебром. Излучаемые фотоны отражаются от этих зеркал и движутся туда-сюда внутри кристалла, генерируя все больше и больше фотонов. В конце концов пучок фотонов достигает такой интенсивности, что проходит сквозь покрытую меньшим слоем серебра сторону рубина. Понятно, что этот пучок состоит лишь из фотонов, движущихся параллельно продольной оси рубина. Остальные фотоны, пусть даже и с небольшим отклонением от оси, уже после нескольких отражений от зеркальных стенок вылетят за пределы рубина.

Когерентные волны лазера настолько параллельны друг другу, что луч лазера, практически не расходясь, может преодолевать огромные расстояния. В 1962 году ученые направили лазерный луч на Луну, и оказалось, что через почти 400 000 километров диаметр пучка лазера увеличивается всего лишь до 3 километров.

Вскоре были созданы лазеры на основе не только металлов, но и фторидов, вольфраматов, полупроводников и большинства газов; такие лазеры способны производить излучение как видимой, так и инфракрасной части спектра.

Пучок лазерного луча очень маленький, а это значит, что на небольшой площади можно сфокусировать огромную энергию. Под действием лазера металл быстро переходит в газообразное состояние, и ученые используют это свойство лазера при спектральном анализе металлов. С помощью лазера можно прожигать отверстия любого диаметра даже в тугоплавких материалах. А в микрохирургии глаза с помощью лазера можно настолько быстро приварить отслоившуюся сетчатку, что близлежащие ткани просто не успеют «обжечься».

В ближайшем будущем у лазеров появится еще огромное количество различных применений. Когда они появятся, мы обязательно поговорим о них в следующих изданиях этой книги.

Материальные волны

Попытка Бора применить квантовую теорию к атому принесла огромное количество как теоретических, так и практических плодов: удалось дать объяснение периодической таблице, появился совершенно новый класс устройств — твердотельные приборы… Физики остались довольны.

Но квантованный атом не решил проблем химиков, так и не объяснив, как же атомы соединяются в молекулы. Если модель атома Льюиса — Ленгмюра хоть как-то объясняла этот процесс с помощью кубов и общих электронов, то разобрать что-либо среди прыгающих с одного энергетического уровня на другой электронов квантованного атома было просто невозможно.

Ответ вырос из другой неразрешимой на первый взгляд загадки — связи между частицами и волнами. В начале XX века физики окончательно убедились, что свойства света да и электромагнитных волн в целом точно такие же, как и у частиц. Комптон-эффект (см. ч. II) окончательно убедил ученых, что частицы и волны могут образовывать единое целое и совмещать в себе свойства и частиц, и волн.

Но относится ли это лишь к электромагнитному излучению? Что, если не только волны проявляют свойства частиц, но частицы также могут проявлять некоторые свойства волн?

Французский физик Луи де Бройль (1892–1987) как раз занимался изучением этого вопроса. Он применил к электронам соотношения, справедливые для фотонов, то есть частиц. В 1923 году де Бройль опубликовал следующую формулу:

где h — постоянная Планка (см. ч. II); m — масса движущейся частицы; v — ее скорость (произведение mv есть ее импульс); λ — принятое обозначение длины волны.

Теоретически эту формулу можно применить к любому движущемуся объекту, хоть к теннисному мячу, хоть к планете. Однако с возрастанием импульса длина волны сокращается, поэтому измерить частоту излучения, испускаемого летящим теннисным мячом, существующими способами просто невозможно, да и не нужно.

Тем не менее длина волн, излучаемых объектами с ничтожной массой, например электронами, относительно велика и равняется длине волны рентгеновского луча. (Впрочем, хотя длина волны и одинаковая, природа такого излучения отличается от природы рентгеновского луча. Волны, излучаемые частицами, по своей природе не являются электромагнитными, поэтому мы назовем их «материальными волнами».)

Если длина материальной волны равна длине волны рентгеновского излучения, значит, ее можно обнаружить тем же способом, что и рентгеновский луч. Рентгеновское излучение было обнаружено при помощи кристаллов. Так, может, и материальные волны можно также обнаружить при помощи кристаллов?

Первые удачные попытки осуществить это были сделаны в 1927 году английским физиком Джорджем Томсоном (1892–1975), а также американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881–1958) и Лестером Гермером (1896–1971), работавшими независимо от Томсона. В последующие годы ученым удалось обнаружить волновые свойства и у других, более тяжелых частиц, и уже не осталось никаких сомнений в том, что любой объект, обладающий волновыми свойствами, обладает и свойствами частицы, и наоборот.

Аналогия между материальными волнами и электромагнитным излучением проявилась в микроскопии.

При использовании световых волн у микроскопа существует предел разрешающей способности, и, какой совершенной бы ни была оптическая «начинка» прибора, с его помощью нельзя изучать образцы, размеры которых меньше ³/₅ длины световой волны.

Образно говоря, свет будет просто «обходить» такой образец. Даже при использовании самых коротких видимых световых волн, скажем длиной 380 миллимикрон, с помощью микроскопа невозможно будет разглядеть объекты менее 200 миллимикрон в диаметре, например вирусы. Таким образом, оптический микроскоп позволяет увеличивать изображение максимум в 2000 раз.

Для увеличения разрешающей способности микроскопов сначала стали применять электромагнитные волны, но использование материальных волн дало максимальный результат. Сегодня для этих целей используются в основном электронные волны, длина которых равна длине рентгеновского излучения. С помощью магнитного поля можно сфокусировать четкий электронный пучок так же, как можно сфокусировать пучок света с помощью линзы. Образец должен быть довольно тонким, чтобы электроны могли свободно проходить сквозь него. Кроме того, образец должен находиться в вакууме, иначе содержащиеся в воздухе частицы рассеют электронный пучок. С помощью такого микроскопа можно исследовать абсолютное большинство предметов.

Образец располагается между источником электронного излучения и фотографической пластиной или же люминесцентным экраном. Проходя через образец, электроны рассеиваются и поглощаются отдельными его частями, в результате чего на экране появляется черно-белое изображение объекта.

Первый электронный микроскоп был создан в 1931 году в Германии немецким физиком Эрнстом Руской (1906–1988). Уже в 1934 году были созданы электронные микроскопы, превосходящие по увеличению оптические, а начинам с 1939 года такие микроскопы стали производить в коммерческих целях. Современные электронные микроскопы увеличивают в тысячи крат сильнее, чем лучшие их оптические собратья.

Материальные волны вошли и в мир атомной теории. Австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961) подошел к проблеме изучения структуры атома с точки зрения не только частиц, но и волн.

Шрёдингер представил электрон в виде вращающейся вокруг ядра волны. В этом случае описываемая электроном орбита должна соответствовать количеству испускаемых электроном волн. За один оборот вокруг ядра по постоянной орбите электрон излучает одно и то же количество волн, т. е. его излучение является стоячей волной.

Когда электрон поглощает некоторое количество энергии, длина его волны уменьшается, и, оставаясь на той же орбите, он уже не может излучать такое же количество волн. То же самое происходит и когда электрон теряет часть своей энергии, а длина волны увеличивается.

Учитывая, что количество волн, производимых электроном за один оборот вокруг ядра, не должно быть дробным числом, необходимо, чтобы при излучении или поглощении электроном энергии длина испускаемых волн увеличивалась или уменьшалась, а их общее количество оставалось целым числом. Например, если вместо четырех волн электрон будет излучать пять более коротких, то уровень его энергии увеличится, а если вместо четырех волн будет три более длинных — уменьшится. Если количество испускаемых волн сократилось до одной волны максимальной длины, значит, электрон опустился на ближайший к ядру энергетический уровень и больше не может терять энергию.

Получается, что каждому энергетическому уровню соответствует определенная стоячая волна. Шрёдингер проанализировал все это математически и в 1926 году вывел волновое уравнение.

Изучение поведения атомов на основе модели Шрёдингера называется волновой механикой, или, так как поглощаться или излучаться могут лишь кванты энергии, квантовой механикой.

Квантовая механика тут же завладела сердцами физиков. Она превосходила матричную механику Гейзенберга (см. гл. 6) психологически, так как квантовая механика Шрёдингера давала волнам визуальный облик, пусть и сложный для восприятия, в то время как числам Гейзенберга явно не хватало наглядности.

В 1944 году венгерский математик Джон Нейман (1903–1957) выдвинул предположение, что с математической точки зрения квантовая механика и матричная механика равнозначны: одно и то же явление можно продемонстрировать с точки зрения как квантовой, так и матричной механики[126].

Теоретически квантовую теорию можно применить и для объяснения химического поведения атомов. Однако, как показывает практика, произвести подобные чудовищные расчеты невозможно даже с использованием современных вычислительных средств. Поэтому химия до сих пор остается намного менее изученной наукой, чем физика.

Тем не менее с помощью квантовой теории можно объяснить процесс формирования молекул из атомов. Американский химик Лайнус Полинг (1901–1994) показал, как из двух атомов образуется молекула — соединение, обладающее гораздо большей, чем отдельные атомы, стабильностью. Общая электронная оболочка модели атома Льюиса — Ленгмюра у Полинга превратилась в две резонирующих друг с другом волны (см. ч. I). Теория резонанса Полинга подробно описана в его работе «Природа химических связей» (1939).

Теория резонанса объясняет структуру и поведение молекул гораздо глубже, чем модель Льюиса — Ленгмюра. В частности, Полингу удалось объяснить образование молекул бензола и гидридов бора. Вообще квантовая механика помогает разгадывать все больше и больше тайн современной химии.

В 1927 году Гейзенберг выявил еще одно важное свойство волновой природы электрона (и частиц в целом). Дело в том, что если рассматривать частицу не как частицу, а как волну, то картинка получается гораздо более размытой. А так как все во Вселенной состоит из частиц, обладающих в том числе и свойствами волн, то и картина Вселенной также становится гораздо более размытой.

Местоположение любой частицы (или ее центра) в космосе можно определить с очень большой точностью, а вот точное местоположение волны определить уже гораздо сложнее.

Рассуждая над этим, Гейзенберг предположил, что невозможно одновременно точно определить и местоположение, и импульс частицы. Доводом ученого являлось то, что любая попытка точно определить местоположение частицы (любым технически возможным и невозможным способом) автоматически приводит к изменению скорости движения этой частицы и соответственно к изменению ее импульса, т. е. значение ее импульса станет более неопределенным. И наоборот, любая попытка точно измерить импульс частицы приведет к изменению ее местоположения, и местоположение будет более неопределенным. Чем выше точность измерения одной величины, тем выше погрешность изменения второй.

Кратко вышесказанное можно выразить следующей формулой:

где Δp — погрешность измерения местоположения, Δx — погрешность измерения импульса; h — постоянная Планка (символ ≈ означает «приблизительно равно»). Эта формула получила название принцип неопределенности Гейзенберга.

С философской точки зрения Гейзенберг пришел к весьма неутешительным выводам, ведь еще со времен Ньютона ученые свято верили в науку, верили в то, что хотя бы теоретически измерения можно производить с абсолютной точностью. А тут выясняется, что на пути к абсолютному знанию стоит непреодолимая стена, стена, возведенная самим мирозданием. Конечно, это тяжелый удар для всего научного сообщества.

Даже сам Эйнштейн долго не мог примириться с неопределенностью, так как этот принцип ставил под сомнение существование причинно-следственных связей на субатомном уровне. Получается, что все в мире происходит случайно. Раз невозможно определить точное местоположение электрона, то как тогда подсчитать силу вероятного воздействия на него извне? «Я не могу поверить, — говорил Эйнштейн, — что Господь Бог играет со всем миром в кости».

И тем не менее Эйнштейну не удалось найти в принципе неопределенности каких-либо противоречий, а современная физика эту теорию полностью приняла.

Однако особых поводов для печали нет. Постоянная Планка очень мала, поэтому значением относительной неопределенности для тел, чьи размеры превышают размеры атома, можно пренебречь. Так что принцип неопределенности правит бал только лишь в субатомном мире.

Более того, принцип неопределенности вовсе не нанес науке никакого оскорбления. Даже наоборот, если во Вселенной существует пусть и очень малая, но приводящая к критическим последствиям доля неопределенности, следует отдать ученым дань за то, что они смогли ее обнаружить. Конечно же осознание пределов своего знания уже само по себе знание первостепенной важности.

Уран

Итак, структура и свойства атома зависят в основном от количества электронов на его энергетических уровнях, а атомное ядро, диаметр которого колеблется в пределах от 10^–13 до 10^–12 см, является, казалось бы, крайне незначительной его частью. Если бы размеры атома увеличились до размеров Земли, то диаметр ядра такого атома составил бы всего около 210 метров.

И тем не менее масса ядра составляет более 99,9% от общей массы атома, и, несмотря на его малые размеры, ученые практически сразу определили, что атомное ядро также имеет внутреннюю структуру.

К обнаружению этой структуры привело открытие, сделанное французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) в 1896 году. Именно в этом году было открыто рентгеновское излучение, и Беккерель, как и многие ученые того времени, активно изучал это явление.

Отец Беккереля (также известный физик) занимался изучением люминесцирующих материалов, т. е. веществ, которые поглощают свет определенной длины, а затем излучают уже более длинные волны[127]. Сам же Беккерель попытался выяснить, нет ли среди этих волн рентгеновских излучений.

Отец Беккереля работал, в частности, с сульфатом уранил-калия K₂UO₂(SO₄)₂. Молекула этого флуоресцентного вещества содержит один атом урана. Беккерель обнаружил, что флуоресцентное излучение сульфата уранил-калия, подвергнутого воздействию солнечных лучей, способно затемнять фотопластинку даже сквозь черную бумагу, что не под силу обычному свету.

А 1 марта 1896 года Беккерель сделал поистине выдающееся открытие. Он обнаружил, что сульфат уранил-калия затемняет фотопластинку и без «подзарядки» от солнечных лучей, то есть когда он не флуоресцирует. Это вещество испускает сильное проникающее излучение постоянно.

Как и рентгеновские лучи, это излучение обладало не только проникающей способностью, но и способностью ионизировать атмосферу. Для демонстрации этого Беккерель использовал электроскоп с золотыми листками. Это устройство состоит из двух тонких листов золотой фольги, подключенных к электроду, помещенному для изоляции от воздушных потоков в специальный корпус. Если поднести к выступающему над краем корпуса концу электрода заряженный предмет, то заряд этого предмета перейдет на золотые пластинки. Оба листа получают одноименный заряд и отталкиваются друг от друга, образуя фигуру в виде перевернутой латинской V.

Лепестки могут провисеть так довольно долго. Однако если воздух внутри корпуса ионизирован, то содержащиеся в таком воздухе ионы постепенно нейтрализуют заряд золотых листков, те перестанут отталкиваться друг от друга и вновь сойдутся вместе. Именно это и произошло, когда рядом с электроскопом поместили образец сульфата уранил-калия. Таким образом Беккерелю удалось доказать, что испускаемое этим веществом излучение является ионизирующим.

Физик Мария Склодовская-Кюри (1867–1934), наполовину полячка, наполовину француженка по национальности, в 1898 году назвала такое постоянное проникающее ионизирующее излучение радиоактивным. Исследования Кюри показали, что все соединения, содержавшие уран, были радиоактивными, причем чем больше урана содержится в веществе, тем выше его радиоактивность. Получается, что радиоактивным является сам атом урана, а не остальные входящие в соединения вещества. Опытным путем Кюри выяснила, что радиоактивным был и атом тория. (Атомное число атома урана 90, тория — 92, поэтому их структура очень сложна. В 1890-х годах уран и торий были самыми тяжелыми из известных на тот момент химических элементов.)

Вскоре обнаружилось, что излучение урана и тория не гомогенно. В магнитном поле одна часть радиоактивных лучей немного отклонялась в одном направлении, другая сильно отклонялась в противоположном, а оставшаяся не отклонялась вовсе. Эрнест Резерфорд (впоследствии он развил модель атома) назвал эти части радиационного излучения первыми тремя буквами греческого алфавита: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Эти три группы лучей отличаются друг от друга еще и проникающей способностью: гамма-лучи обладают такой же проникающей способностью, как и рентгеновские, проникающая способность бета-излучения гораздо ниже, а альфа-лучи такой способностью вообще практически не обладают.

По направлению отклонения бета-лучей Беккерель в 1899 году определил, что они, так же как и катодные лучи, состоят из отрицательно заряженных частиц. Дальнейшие исследования подтвердили, что бета-излучение является потоком быстро движущихся электронов, поэтому излучаемый радиоактивным веществом электрон принято называть бета-частицей.

Как я уже говорил, гамма-лучи не отклоняются электромагнитным полем, поэтому ученые предположили, что бета-излучение является электромагнитным по своей природе, однако длина его волны еще короче, чем у рентгеновского излучения. В 1914 году, подвергнув гамма-лучи дифракции на кристалле, Резерфорд доказал это.

Появление ядерной модели атома дало ключ к разгадке природы радиоактивного излучения. Стало понятно, что его источник нужно искать внутри атомного ядра. Дело в том, что разницы энергии электронных уровней недостаточно для возникновения гамма-лучей. Значит, существуют внутриядерные энергетические уровни, энергия которых и переходит в фотоны гамма-излучения.

Кроме того, рентгеновские и гамма-лучи не так уж и похожи друг на друга. В целом длина волны рентгеновских лучей выше, а у тяжелых элементов частота рентгеновского излучения превосходит частоту гамма-излучения того же атома.

Границей между рентгеновским и гамма-излучением является волна длиной 0,01 миллимикрона. Все волны короче 0,01 миллимикрона являются гамма-лучами, длиннее — рентгеновскими. Гамма-лучи расширили спектр известных электромагнитных волн, и на сегодняшний день его диапазон от самой короткой гамма-волны до самой длинной радиоволны равняется 60 октавам.

Альфа-частицы

А что такое альфа-лучи? Они отклоняются в противоположную от бета-лучей сторону, а это значит, что они состоят из положительно заряженных альфа-частиц. Тот факт, что альфа-лучи лишь незначительно отклоняются электромагнитным полем, которое сильно отклоняет бета-лучи, говорит о том, что масса альфа-частиц намного выше массы электронов.

Впрочем, такие прецеденты уже были. За десять лет до открытия радиоактивности были обнаружены другие потоки тяжелых частиц. В 1886 году Гольдштейн (тот самый, который дал катодной трубке ее название) впервые применил катодную трубку с перфорированным катодом. Он обнаружил, что, когда электроны, появляющиеся под действием электрического тока отрицательно заряженных катодных лучей, начинают двигаться от катода к аноду, сквозь отверстия в катоде в противоположном направлении устремляются лучи совсем другого излучения. Гольдштейн назвал эти лучи каналовыми, так как они проходили сквозь катод по каналам (т. е. через отверстия).

Направление туннельных лучей противоположно направлению катодных лучей, следовательно, они состоят из положительно заряженных частиц. Поэтому Джозеф Томсон и предложил называть их положительными лучами.

Можно предположить, что частицы позитивных лучей — это положительно заряженные аналоги частиц катодных лучей, «анодные лучи». Однако это не так. Немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) измерил их e/m соотношение и на основе полученных низких значений предположил, что частицы положительных лучей были гораздо тяжелее электронов. Их масса соответствовала массе атомов.

Более того, значение e/m варьировалось в зависимости от вещества, из которого сделан катод, и от свойств остаточных газов в катодно-лучевой трубке. На модели атома Резерфорда основывалось предположение, что если катодные лучи состоят из «выбитых» из атомов электронов, то положительные лучи состоят из того, что от этих атомов осталось. То есть из положительно заряженных атомных ядер, а их масса варьируется в зависимости от элемента, из которого они получены[128].

Положительная частица с самым высоким соотношением e/m, а значит, самая легкая, являлась ядром атома водорода. Если принять за значение заряда +1, т. е. противоположное значение заряду электрона, тогда масса частицы должна превышать массу электрона в 1836 раз. В 1924 году Резерфорд прекратил безуспешные поиски частицы легче ядра водорода и предложил принять массу этого ядра за противоположное число электрона, несмотря на разницу в массе. (Подлинное противоположное число было открыто лишь 20 лет спустя, см. гл. 13.)

В 1920 году Резерфорд предложил назвать положительно заряженные частицы протонами (от греч. «первый»).

Резерфорд предположил, что ядра атомов всех элементов состоят, хотя бы частично, из ядра водорода. Об этом говорил еще Праут. Гипотеза Праута возродилась, приняв более сложную форму. Снова поднялся похоронивший в XIX веке гипотезу Праута вопрос о нецелочисленных атомных весах. Мы поговорим о нем чуть ниже.

Давайте вернемся к альфа-частицам. В 1906 году Резерфорд измерил значение соотношения e/m для этой частицы и обнаружил, это значение это эквивалентно значению e/m атома гелия. В 1909 году он разрешил этот вопрос окончательно, поместив радиоактивное вещество в тонкостенную трубку, находящуюся внутри толстостенной трубки, и откачав воздух из пространства между стенками. Альфа-частицы проникали сквозь тонкую стенку, однако задерживались в пространстве между стенками. Там они присоединяли электроны и превращались в обычные атомы. Проведенный через несколько дней спектроскопический анализ показал, что это были атомы гелия.

Атомный вес гелия равняется 4, таким образом, ядро гелия в 4 раза тяжелее ядра водорода. Если бы соотношение e/m ядра атома гелия было таким же, как и у ядра атома водорода, то положительный заряд ядра атома гелия был бы в 4 раза выше положительного заряда ядра атома водорода. Однако значение соотношения e/m ядра атома гелия в два раза меньше значения соотношения e/m протона. Итак, если масса протона (т. е. ядра атома водорода) равняется 1, а заряд 2–1, то масса альфа-частицы (а ядро атома гелия и есть альфа-частица) будет иметь массу 4 и заряд 4–2.

Казалось бы, раз альфа-частица имеет массу 4, то она должна состоять из 4 протонов. Однако она не может состоять из 4 протонов, так как в этом случае ее заряд будет +4. Впрочем, этот парадокс можно довольно легко объяснить. Радиоактивные вещества, помимо альфа-частиц, излучают еще и бета-частицы (электроны), поэтому можно предположить, что ядро, кроме протонов, содержит еще и электроны. Тогда получается, что альфа-частица состоит из 4 протонов и 2 электронов. Присутствие 2 электронов практически никак не повлияет на массу, которая так и останется равной 4, а общий заряд будет +2.

Существование электронов внутри ядра удовлетворяло ученых и с еще одной точки зрения. Дело в том, что атомное ядро не может состоять лишь из одних протонов, так как протоны имеют положительный заряд и, учитывая небольшие размеры ядра, они будут отталкиваться друг от друга с колоссальной силой. В то же время электроны внутри атомного ядра играют роль своеобразного «цемента», соединяющего протоны.

Подобные рассуждения привели к появлению протонно-электронной модели атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома состоит как из протонов, так и из электронов (за исключением ядра атома водорода, так как оно состоит лишь из одного протона, и поэтому ему не нужен электрон-связка).

Количество протонов в ядре любого атома равняется атомному весу этого элемента (А)[129], в то время как количество электронов равняется количеству, необходимому для погашения заряда всех протонов, минус атомное число элемнта (2). Таким образом, количество необходимых электронов равняется A – Z. Заряд же оставшихся протонов гасится электронами, находящимися за пределами ядра. Таким образом, в атоме, обладающем нейтральным зарядом, Z «внеядерных электронов».

Приведем несколько примеров. Атомный вес атома углерода равняется 12, атомное число — 6, значит, ядро атома углерода должно состоять из 12 протонов и 12–6, то есть 6 электронов. Атомный вес атома мышьяка — 75, атомное число — 33, значит, его ядро состоит из 75 протонов и 75–33, то есть 42 электронов. Атомный вес атома урана — 238, атомное число — 92, значит, ядро атома урана состоит из 238 протонов и 238–92, или 146 электронов. Даже атом водорода не является исключением из этого общего правила: его атомный вес равняется 1, атомное число — 1, значит, ядро атома водорода состоит из 1 протона, а количество электронов равняется 1 – 1, т. е. в ядре атома водорода электронов нет.

К сожалению, протонно-электронная модель атомного ядра не давала объяснения по целому ряду вопросов. Например, каково направление ядерного спина! Спин протона или электрона может быть либо +½, либо –½, а общая сумма спинов может быть целым числом (как положительным, так и отрицательным), положительным или отрицательным дробным числом, например (-)¹/₂ ,(-)³/₂, (-)⁵/₂ и т. д., или же равняться нулю.

Атомный вес атома азота равен 14, атомное число — 7, тогда согласно протонно-электронной модели ядро атома азота должно состоять из 14 протонов и 7 электронов, а общее количество частиц в ядре азота должно равняться 21. Сумма спинов (как положительных, так и отрицательных) 21 частицы в любом случае является дробным числом. Однако наблюдения показали — спин ядра азота является целым числом. Тогда ученые предположили, что сумма электронов и протонов в ядре азота не равна 21 и вообще не может равняться нечетному числу. С другой стороны, она не может быть и четным числом, так как атомный вес азота 14, а атомное число — 7.

Данные о ядерных спинах других элементов также противоречили протонно-электронной модели атомного ядра, что и привело к полному отказу от нее.

Обнаружение частиц

Так в чем же все-таки было дело? По одной из версий, электроны и протоны внутри ядра являлись единой частицей, так как из-за крошечных размеров ядра они находились в непосредственной близости и спаивались в одну частицу. Поскольку масса электрона ничтожно мала, масса такой частицы приблизительно равняется массе протона, а ее заряд равен 0, так как заряд протона (+1) погашается зарядом электрона (-1). Согласно этой версии, ядро атома азота состоит из 7 протонов и 7 «спаянных частиц», а общее число частиц равняется 14, то есть четному числу.

В 1920 году были высказаны первые предположения о том, что внутри атомного ядра присутствуют еще и незаряженные частицы, масса которых равна массе протонов. Однако в течение следующих 10 лет ученым так и не удалось найти никаких доказательств существования таких частиц. Но это еще не значило, что их не существует, так как физики знали, что незаряженная частица и должна быть неуловимой.

Обычные методы обнаружения основывались на ионизирующем свойстве субатомных частиц. Именно так, например, удалось обнаружить радиоактивное излучение с помощью электроскопа.

Когда ученые только-только начинали изучать радиоактивность, для обнаружения субатомных частиц использовались два устройства. Прототип первого был сконструирован в 1913 году немецким физиком Хансом Гейгером (1882–1945). В свое время Гейгер помогал Резерфорду проводить эксперименты, которые впоследствии привели к созданию ядерной модели атома. В 1928 году Гейгер совместно с немецким физиком С. Мюллером значительно усовершенствовал прибор, получивший название счетчик Гейгера — Мюллера.

Счетчик Гейгера — Мюллера представляет собой покрытую полосками металла стеклянную трубку, заполненную аргоном, в центре которой находится нить из тонкого металла. На трубку подается электрический ток: нить является анодом, а металлические полоски цилиндра — катодом, причем разность их потенциалов недостаточна для возникновения искры.

Когда в трубку попадает заряженная частица, она сталкивается с атомом аргона, выбивая из него один и более электронов. Под действием электрического тока эти электроны устремляются к аноду, ионизируя при этом другие атомы аргона. Появляются еще несколько электронов, которые ионизируют еще несколько атомов аргона, и т. д. То есть одна лишь заряженная частица запускает процесс ионизации аргона, и через небольшой период времени количество ионов становится достаточным для того, чтобы аргон начал проводить ток. Тогда в трубке возникает электрическая искра, и разность потенциалов трубки на мгновение становится равной нулю.

Электрический разряд, или импульс, можно преобразовать в звуковой щелчок, обозначающий проход одной субатомной частицы сквозь трубку. По количеству щелчков можно приблизительно определить на слух уровень радиационного излучения (поэтому счетчики Гейгера — Мюллера используются при разведке урана), а с помощью автоматики можно подсчитать и точное количество импульсов.

Если же нужно нечто большее, чем просто посчитать субатомные частицы, то можно воспользоваться прибором, изобретенным в 1911 году шотландским физиком Чарлзом Вильсоном (1869–1959). Ученый занимался исследованиями облакообразования и пришел к выводу, что капельки воды, из которых состоят облака, образуются вокруг частиц пыли и также могут образовываться вокруг ионов. Если же в воздухе нет ни пыли, ни ионов, то облака образовываться не будут, а воздух станет перенасыщенным, то есть водяного пара в таком воздухе будет больше, чем обычно.

Вильсон поместил некоторый объем насыщенного водяными парами воздуха в камеру с поршнем. Если поршень вытянуть, то воздух расширится и его температура понизится. Холодный воздух не может содержать такое же, что и теплый, количество водяного пара, и обычно при понижении температуры часть пара конденсируется в виде капелек воды. Однако при отсутствии пыли и ионов конденсация происходить не может, и холодный воздух становится перенасыщенным.

Если сквозь камеру с перенасыщенным воздухом проходит субатомная частица, то за ней создается след из ионов, вокруг которых образуются капли воды. По этим каплям можно определить траекторию полета субатомной частицы.

Можно многое узнать о частице по оставленному ею в камере Вильсона следу. Также по следу можно идентифицировать различные типы частиц. Например, альфа-частица образует множество ионов, а ее след является прямой линией, так как благодаря большой массе альфа-частица при столкновении с электронами не отклоняется, но она отклоняется, причем почти на 90°, только при столкновении с ядром. В результате столкновения ядро лишается части своих электронов, становясь ионизирующей частицей, и отскакивает в сторону. Поэтому четкий и прямой след альфа-частицы обычно раздваивается с одного конца. По длине оставленного альфа-частицей следа можно судить о ее исходной энергии.

Бета-частица, масса которой намного меньше массы альфа-частицы, гораздо легче меняет направление своего движения и образует меньше ионов. Она оставляет тонкий и волнообразный след. Гаммаи рентгеновские лучи выбивают из атомов электроны, и последние, становясь ионизирующими частицами, оставляют расходящиеся в разные стороны следы. Поэтому след гамма- и рентгеновского излучения нечеткий, размытый и «пушистый».

Если поместить камеру Вильсона между двумя разноименными полюсами магнита, то заряженные частицы будут двигаться по криволинейным траекториям, о чем можно будет судить по оставляемым ими следам. По направлению кривой можно определить, является заряд частицы положительным или отрицательным, а по остроте кривой можно вычислить значение соотношения e/m.

Для образования электронов необходимо, чтобы летящая частица обладала электрическим зарядом. Положительно заряженная частица притягивает электроны встречающихся на пути атомов, а отрицательно заряженная будет их отталкивать. Незаряженная частица не притягивает, не отталкивает электроны и не образует ионов. Таким образом, такую незаряженную частицу невозможно обнаружить с помощью счетчика Гейгера — Мюллера или камеры Вильсона (и любого другого разработанного позже устройства). Если незаряженные частицы существуют, то их можно обнаружить лишь косвенно.

Именно поэтому ученым в течение 10 лет не удавалось обнаружить нейтральную частицу и разработать более совершенную модель атома, чем протонно-электронная.

Нейтрон

В начале 1930 года появились данные о том, что под действием альфа-лучей бериллий начинает испускать какой-то неизвестный тип излучения. Это излучение обладало высокой проникающей способностью и не меняло своего направления под действием магнитного поля. Сначала решили, что это гамма-лучи. Однако новое излучение не являлось гамма-лучами, так как не обладало ионизирующим свойством и его невозможно было обнаружить с помощью электроскопа.

Это излучение действительно невозможно было обнаружить напрямую. Однако оно выбивало протоны из парафина, что и дало возможность обнаружить его косвенно.

В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (1891–1974) дал этому феномену удовлетворительное объяснение. Электромагнитное излучение может сдвинуть разве что легкие электроны, а не тяжелые протоны. Выбивать же протоны с такой легкостью может лишь какая-то другая частица, масса которой соизмерима с массой протона. Раз эта частица не ионизирует воздух, значит, она не несет электрического заряда. Т. е. это и есть та самая частица, которую ученые ищут вот уже более 10 лет. Так как заряд частицы нейтрален, она получила название нейтрон.

Итак, ученым удалось обнаружить нейтрон, и Гейзенберг тут же предложил протонно-нейтронную модель атома. Согласно этой модели, ядро состоит только из протонов и нейтронов. Масса нейтрона равна массе протона, а сумма протонов (p) и нейтронов (n) равняется атомному весу (A). С другой стороны, заряд ядра зависит только от положительно заряженных протонов, поэтому заряд ядра равняется атомному числу (Z). Таким образом:

Количество нейтронов можно определить путем вычитания уравнения 7.1 из уравнения 7.2:

Новая модель давала полное представление о структуре ядра атомов тех элементов, чьи атомные веса приблизительно равнялись целым числам.

Ядро атома водорода (А = 1, Z = 1) состоит только из одного протона; ядро атома гелия (А = 3, Z = 2) — из двух протонов и двух нейтронов; ядро атома мышьяка (А = 75, Z = 33) — из 33 протонов и 42 нейтронов; ядро атома урана (А = 238, Z = 92) — из 92 протонов и 146 нейтронов.

Протонно-нейтронная модель смогла дать ответы на те вопросы, на которые не могла дать протонно-электронная модель. Например, ядро атома азота (А = 14, Z = 7) состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, итого из 14 частиц. Спин нейтрона такой же, как и протона, +½ или –½, и значение общего спина 14 (и любого другого количества) частиц будет целым числом.

Сегодня протонно-нейтронная модель является общепризнанной, а протоны и нейтроны вместе называют нуклонами, то есть «частицами атомного ядра».

Конечно же и эта модель не дает ответа на все вопросы. Например, если ядро состоит только лишь из протонов и электронов, то откуда же берутся электроны бета-лучей, испускаемых радиоактивными веществами? Ведь именно существование бета-лучей и дало повод считать, что в ядре есть электроны.

Ответ на этот вопрос дают свойства нейтронов, не имеющие ничего общего со свойствами протонов и электронов. И электроны и протоны являются устойчивыми частицами. Это значит, что если Вселенная состояла бы из одних лишь электронов и протонов, то оставалась бы неизменной. Вселенная обязана своим современным обликом именно нейтрону, неустойчивой частице.

В изоляции нейтрон через какое-то время распадается на протон и электрон. (Пока я даю неполное описание процесса распада, более подробно см. в гл. 14.)

Мы можем записать этот процесс символами (надстрочный индекс обозначает заряд):

Эта формула иллюстрирует одну очень важную вещь: электрический заряд не создается. Весь опыт изучения субатомных частиц показывает, что нейтрон не может просто так вот стать протоном, так как заряд, как положительный, так и отрицательный, у незаряженной частицы не может появиться ниоткуда. Поэтому нейтрон образует положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, таким образом, общий заряд двух образовавшихся частиц равен нулю.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что в закрытой системе общий заряд частиц в результате изменений внутри системы не меняется. Ученые выявили это еще во времена изучения электричества (см. ч. II), когда о существовании субатомных частиц даже и не подозревали.

Однако внутри ядра нейтрон, как правило, стабилен (причины см. в гл. 14). Поэтому атом азота стабилен, даже несмотря на то, что в его ядре есть нейтроны и их количество, как и количество протонов, остается равным 7.[130]

С другой стороны, нейтроны некоторых атомов все же обладают некоей долей неустойчивости, и в некоторых случаях такой нейтрон распадается на протон и электрон. При этом протон остается в ядре, а электрон становится бета-частицей и покидает ядро. Несмотря на то что бета-частицы излучаются ядром, это не значит, что они являются его составной частью. Бета-частицы образуются в момент выхода из ядра.

Новые радиоактивные элементы

При возникновении бета-излучения нейтрон внутри атомного ядра становится протоном. Ясно, что при этом изменяются и свойства атома.

Так как общее количество протонов возрастает на единицу, на единицу возрастает и атомное число, и такой атом становится уже атомом совсем другого химического элемента.

На самом деле радиоактивность некоего вещества практически всегда является признаком глубоких изменений свойств атомов этого вещества. Ученые осознали это через некоторое время после открытия радиоактивности и до того, как была изучена внутренняя структура ядра.

В 1900 году Крукс, один из первооткрывателей катодных лучей, обнаружил, что уран высокой очистки практически не проявляет радиоактивных свойств, и сделал вывод, что радиоактивность вызвана не самим ураном, а некой содержащейся в нем примесью.

В следующем году Беккерель подтвердил полученные Круксом результаты, а также выявил, что постепенно радиоактивность чистого урана возрастает до нормального для этого элемента уровня. В 1902 году Резерфорд совместно с английским физиком Фредериком Содди (1877–1956) обнаружил сходство поведения соединений тория с поведением урана.

Напрашивается логичный вывод: если радиоактивность вызвана примесью, то она постепенно образуется из самого урана. Другими словами, радиоактивность урана — показатель того, что атомы урана принимают какую-то другую форму. Эта новая форма атома также является радиоактивной и преобразуется в следующую и т. д. Исследования Резерфорда и Содди показали, что следует говорить не просто о радиоактивном элементе, а о ряде радиоактивных элементов.

Вполне возможно, что радиоактивность является свойством не урана и тория (сами элементы менее радиоактивны), а их разнообразных «дочерних элементов». Последние обладают гораздо большей радиоактивностью и либо присутствуют в составе урана и тория всегда, либо образуются в них сразу после очистки.

Раз «дочерние элементы» образуются медленно и быстро распадаются, значит, в руде урана и тория они содержатся лишь в исчезающе малых количествах. «Дочерние элементы» не поддаются обнаружению с помощью обычных химических методов, однако по испускаемым ими излучениям их можно обнаружить с большой точностью. Излучение каждого из дочерних элементов обладает своими уникальными характеристиками и интенсивностью.

В 1898 году Мария Кюри и ее муж, французский физик Пьер Кюри (1859–1906), обычными химическими методами разделили большое количество урановой руды по свойствам на фракции, отсеивая обладающие высокой радиоактивностью. В том же году им удалось обнаружить два неизвестных ранее элемента, первый из которых они назвали полоний (созвучно с названием родной страны Марии Кюри), а второй, из-за его высокой радиоактивности, — радий.

Радиоактивность этих элементов была гораздо выше, чем у урана и тория. На самом деле скорость распада радия и полония настолько высока, что ни один из них не дошел бы до наших дней в чистом виде, даже если 5 миллиардов лет назад, во время образования планеты, они существовали бы в достаточном количестве. Сегодня эти элементы существуют лишь благодаря тому, что они постоянно образуются из урана и тория. А вот скорость распада последних настолько низкая, что их запасы за 5 миллиардов лет практически не уменьшились, несмотря на постоянно продолжающийся процесс распада.

Сколько же существует таких «недолговечных» дочерних элементов урана и тория? Во времена Кюри никто точного ответа дать не мог, так как не было известно, сколько же еще осталось незаполненных клеток периодической таблицы. Концепция атомных чисел, разработанная Мозли в 1913 году, внесла в этот вопрос некоторую ясность.

Все элементы с атомными числами до 84 включительно (до висмута) являются нерадиоактивными, в том числе и еще неизвестные элементы (43, 91, 72 и 75). И действительно, гафний и рений, открытые в 1923-м и 1926 годах соответственно, оказались нерадиоактивными. Тогда ученые переключили свое внимание на элементы с атомным числом выше 83.

Торий (атомное число 90) и уран (атомное число 92) являются первыми открытыми радиоактивными элементами. Атомные числа обнаруженных Кюри полония (84) и радия (88) также выше 83.

Последовал целый ряд открытий. В 1899 году французский химик Андре Дебьерн (1874–1949) открыл актиний (атомное число 89); в 1900 немецкий химик Фридрих Дорн (1848–1916) открыл радон (атомное число 86); в 1917 году немецкий химик Отто Ган (1879–1968) совместно с австрийским физиком Лизе Майт-нер (1878–1968) открыл протактиний (атомное число 91).

Две оставшиеся ячейки этой части периодической таблицы, 85 и 87, оставались незаполненными еще целых 25 лет. Ученые были убеждены, что эти элементы также являются радиоактивными (что впоследствии и подтвердилось).

И тем не менее эти так замечательно вписывающиеся в таблицу элементы поставили перед химиками вопрос, который чуть было не опроверг сам принцип периодической системы, однако в итоге лишь в очередной раз доказал ее непоколебимость. Обо всем этом вы узнаете из следующей главы.

Атомные превращения

Открытие в 1898 году нескольких новых элементов в радиоактивной руде вызвало некоторые затруднения. В периодической таблице было место лишь для 9 радиоактивных элементов (атомные числа от 84 до 92). То есть для радия, полония и некоторых других элементов место было, но что делать с остальными? Ведь если брать только дочерние элементы урана и тория с четко выраженными свойствами и определенной интенсивностью излучения, у физиков будет несколько десятков новых элементов.

Каждому типу излучения было дано свое название. Например, уран Xp, уран Xy, радий А, радий В и так далее вплоть до радия G. Были также излучения тория от А до D, два мезотория, один радиоторий и т. д. Но если элементов действительно столько же, сколько и различных излучений, как же их вписать в таблицу? С открытием Мозли атомного числа задача еще более усложнилась.

Для начала давайте рассмотрим природу этих радиоактивных излучений и их влияние на испускающий их атом. (Я прибегну к протонно-нейтронной модели атомного ядра, несмотря на то что изначально описываемый мною анализ был сделан на основе протонно-электронной модели.)

Возьмем произвольный элемент Q, ядро которого состоит из∙протонов и у нейтронов. Значит, его атомное число равняется x, а его атомный вес x + y. Запишем атомное число текстом нижнего регистра перед символом элемента, а атомный вес — текстом верхнего регистра после символа. Получаем _xQ^x+y.

Теперь предположим, что атом этого элемента испустил одну альфа-частицу (обозначается греческой α). Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, следовательно, ее атомное число 2, а атомный вес 4. В записи это выглядит как ₂α⁴.

То, что остается от исходного атома после выхода альфа-частицы, должно содержать x–2 протона и y–2 электрона. Атомное число уменьшается на 2 (и образуется новый элемент R), атомный вес — на 4. Это можно записать так:

Если же исходный атом испустил бета-частицу (обозначается греческой β), ситуация будет несколько иной. Выход бета-частицы означает, что внутри ядра один нейтрон превратился в протон. Значит, теперь количество протонов в ядре будет x+1, а нейтронов у–1. Атомное число увеличится на 1, а атомный вес останется прежним, т. к. x + 1 + y – 1 = x + y.

Атомный вес самой бета-частицы практически равен 0. (Точнее, 0,00054, но в данном случае мы можем сократить его до 0.) Так как атомный вес равняется числу положительно заряженных частиц в ядре и так как бета-частица является электроном, а следовательно, обладает единичным отрицательным зарядом, ее атомное число равняется –1. Таким образом, бета-частицу можно обозначить как _–1β⁰, а процесс выхода как

Обратите внимание, что в уравнениях 8.1 и 8.2 сумма атомных чисел правой части равняется сумме атомных чисел левой части в соответствии с законом сохранения электрического заряда. То же можно сказать и об атомных весах правой части формулы 8.2 согласно закону сохранения массы. (Пока мы можем пренебречь небольшим изменением массы при ее переходе в энергию.)

Гамма-луч обозначается греческой буквой γ. Гамма-излучение является электромагнитным, следовательно, не имеет ни атомного веса, ни атомного числа. Запись будет выглядеть как ₀γ⁰. Добавляем следующую формулу:

Таким образом, когда атом испускает альфа-частицу, его атомное число уменьшается на 2, а атомный вес — на 4. Когда атом испускает бета-частицу, его атомное число уменьшается на 1, а атомный вес остается неизменным. Когда же атом испускает гамма-луч, его и атомное число, и атомный вес остаются неизменными. Этот закон впервые был сформулирован Содди в 1913 году.

Давайте применим этот закон к атому урана с атомным числом 92 и атомным весом 238, т. е. ₉₂U²³⁸. Слабое радиоактивное излучение урана высокой очистки состоит из альфа-частиц. Испускание альфа-частицы уменьшает атомное число атома урана до 90, т. е. до атомного числа тория, а атомный вес до 234. Запись выглядит так:

Атом тория, полученный в результате распада атома урана, несколько отличается от атома тория, содержащегося в руде. Атомное число последнего также равняется 90, однако его атомный вес равен 232, то есть ₉₀Th²³².

Атомное число и одного и другого атома равно 90, поэтому они оба занимают одну и ту же ячейку периодической таблицы. Содди обнаружил это в 1913 году и предложил называть элементы, имеющие одинаковое атомное число и различающиеся атомным весом, изотопами (от греч., означает «одно и то же место», то есть одно и то же место в периодической таблице).

Так как атомное число изотопов одного и того же элемента одинаково, химики решили на письме отображать лишь их атомные веса: торий–234 и торий–232, или, более кратко, Th²³² и Th²³⁴.

С точки зрения химии вполне обоснованно помещать изотопы в одну и ту же ячейку периодической таблицы. Торий–234 и торий–232 имеют в ядре по 90 протонов и соответственно по 90 электронов в нейтральном атоме. Химические свойства элементов определяются распределением электронов по электронным уровням, а значит, химические свойства этих двух изотопов тория, как и изотопов любых других элементов, будут одинаковыми[131].

Но, несмотря на то что у атомов изотопов на энергетических уровнях один и тот же набор электронов, они все же отличаются структурой атомных ядер. Количество протонов в ядре изотопов одинаково, значит, неодинаково количество нейтронов. Например, ядро атома тория–234 состоит из 90 протонов и 144 нейтронов, в то время как ядро атома тория–232 состоит из 90 протонов и 142 нейтронов.

Когда речь идет об изменениях внутри атомного ядра, например когда мы говорим о радиоактивности (в то время как во время химических преобразований изменяется лишь число электронов, атомное ядро остается неизменным), различия в количестве нейтронов в ядре очень важны.

Итак, процесс распада тория–232 идет очень медленно, именно поэтому этот элемент до сих пор присутствует в земной коре. Атом тория испускает альфа-частицу и его атомное число падает до 88, т. е. до радия. Запишем это:

С другой стороны, процесс распада атомов тория–234 идет крайне быстро, и именно поэтому в природе этот элемент встречается только в исчезающе малых количествах в урановой руде. Более того, при распаде тория–234 выделяется бета-частица, что приводит к увеличению атомного числа до 91, то есть до протактиния:

После выхода альфа- или бета-частицы может образоваться новый атом, заряд ядра которого будет выше, чем у атома основного состояния. После возврата в прежнее состояние атом испускает гамма-луч. В некоторых случаях это происходит не сразу, атом существует какое-то время, а радиационное излучение его возбужденного ядра обладает уникальными характеристиками. Для обозначения наличия возбужденного ядра символ элемента помечают звездочкой. В процессе образования протактиния–234 его ядро переходит в возбужденное состояние:

В 1936 году Лизе Майтнер предложила называть атомы с одинаковыми атомными числами и атомными весами, но различающиеся структурой ядра, изомерами. Первый случай ядерной изомерии был зафиксирован на примере протактиния–234 еще в 1921 году Отто Ганом, давним партнером Майтнер по работе.

Радиоактивные ряды

Закон Содди привел к отказу от собственных названий различных атомов, образующихся из урана и тория. Эти названия представляют определенный исторический интерес, поэтому их можно встретить в книгах по истории физики, но в этой книге мы будем обозначать эти элементы исключительно как изотопы. Как только мы правильно обозначим все эти элементы, окажется, что, несмотря на то что уран и торий образуют десятки изотопов, их все можно разместить в той или иной ячейке периодической таблицы.

В табл. 5 все вышесказанное проиллюстрировано на примере изотопов так называемого уранового ряда, то есть элементов, образующихся из урана–238.

Стоит подробнее ознакомиться с элементами этого ряда, как возникает несколько вопросов. Например, свинец–206 является стабильным изотопом и не подвергается радиоактивному распаду, поэтому этот элемент и заканчивает урановый ряд. Однако существуют и такие изотопы, как свинец–214 и свинец–210, и они являются радиоактивными элементами. Это говорит о том, что изотопы не обязательно являются радиоактивными, у одного и того же элемента могут быть как радиоактивные, так и устойчивые изотопы.

Если не принимать во внимание свинец–206, то процесс распада всех этих элементов, за исключением урана–238, идет с относительно высокой скоростью. Следовательно, с момента образования Земли до наших дней дошел только уран–238. Этот элемент является «родителем» всего уранового ряда, и если бы урана–238 сегодня не существовало, то не существовало бы и всех его дочерних элементов.

Атомы некоторых радиоактивных элементов могут образовывать разные цепочки изотопов. К примеру, полоний–218 может испускать альфа-частицы свинца–214 или же бета-частицу астатина–218. Это пример так называемого разветвленного распада. Как правило, преобладает какой-то один вариант распада. Например, лишь каждые 2 из 10 000 атомов полония–218 распадаются до астатина–218, все остальные распадаются до свинца–214. (То есть в этом случае преобладает эмиссия альфа-частиц, в других же случаях может преобладать и эмиссия бета-частиц.)

Астатин (атомное число 85) если и образуется во время радиоактивного распада, то обычно в самом конце цепочки превращений. Именно поэтому его количество настолько ничтожно мало, что ученые очень долго не могли его обнаружить. То же можно сказать и о франции (атомное число 87), с той лишь разницей, что франций в некоторых цепочках вообще не образуется.

Атомный вес любого атома радиоактивного семейства либо вообще не меняется (как в случае выхода бета-частицы или гамма-луча), либо уменьшается на 4 (как в случае выхода альфа-частицы). Это означает, что значение разницы атомных весов двух любых элементов ряда либо равно нулю, либо кратно 4.

Атомный вес урана–238 равняется 238. Разделив 238 на 4, получаем 59 и 2 в остатке. При делении любого числа, отличного от 238 и кратного 4, на 4 всегда будет оставаться остаток 2. Значение атомного веса любого члена уранового ряда можно вычислить по формуле 4x + 2, где он может принимать любое значение от x = 59 — для урана–238 и x = 51 — для свинца–206. По этой причине урановый ряд иногда называют рядом 4x + 2.

После урана был открыт торий. Этот радиоактивный элемент также является родителем группы дочерних атомов так называемого ториевого ряда (см. табл. 6).

Атомные веса атомов изотопов тория, как и изотопов урана, также кратны 4. Значение атомного веса тория–232 равняется 232 и делится на 4 без остатка. Значения атомного веса всех элементов ториевого ряда также делятся на 4 без остатка, и поэтому изотопы тория иногда называют рядом 4x + 0.

Можно предположить, что раз из всех радиоактивных элементов в природе в значительных количествах встречаются только уран и торий, то существуют только два радиоактивных ряда. Однако в радиоактивных рудах встречают и атомы, значения атомных весов которых не удовлетворяют ни формуле 4х + 0, ни формуле 4x + 2, следовательно, эти атомы не принадлежат элементам ни уранового, ни ториевого ряда.

Сначала ученые решили, что эти элементы являются частью ряда актиния–227, значения атомного веса которого сводятся к формуле 4x + 3. Эти элементы получили название изотопов актиниевого ряда. В настоящее время это название все еще широко используется, несмотря на то что само предположение оказалось неверным. Процесс распада актиния–227 идет слишком быстро, поэтому этот элемент не мог просуществовать в течение 5 миллиардов лет, а значит, он не может быть и исходным атомом радиоактивного ряда.

Когда был открыт протактиний, ученые обнаружили, что при распаде протактиния–231 (по современной терминологии) образуется актиний–227, благодаря чему элемент и получил свое название («протактиний» означает «до актиния»). Однако процесс распада протактиния–231 также идет очень быстро, и этот элемент не может быть родителем ряда.

В 1935 году канадский физик Артур Джеффри Демпстер (1886–1950) обнаружил, что не все атомы урана являются атомами урана–238. Из каждой тысячи добываемых из урановой руды атомов урана семь являются атомами урана–235. Процесс распада этих атомов, ядро которых состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, идет достаточно медленно (хотя и быстрее, чем распад урана–238), и атом урана–235 является родителем элементов актиниевого ряда. (Именно поэтому уран–235 иногда называют «актиноураном».) Значение атомных весов всех элементов актиниевого ряда (см. табл. 7) можно описать формулой 4x + 3.

Понятно, что должен существовать и четвертый ряд радиоактивных элементов, атомные веса которых могут принимать значение 4x + 1. Уран–233 как раз и является изотопом этого типа, и он не принадлежит ни к одному из вышеописанных рядов. Ученым так и не удалось обнаружить четвертый радиоактивный ряд ни в 1920-х, ни в 1930-х годах. Дело в том, что, как правильно предположили физики, ни один изотоп этого ряда не может являться исходным элементом, так как процесс распада всех элементов этого ряда идет слишком быстро.

В конце каждого из трех радиоактивных рядов стоит изотоп свинца с соответствующим атомным весом. Урановый ряд заканчивается свинцом–206 (4x + 2), ториевый ряд заканчивается свинцом–208 (4x + 0), а актиниевый ряд — свинцом–207 (4x + 3).

Все три изотопа свинца являются стабильными, а это означает, что у одного и того же элемента может быть не только по одному стабильному и нестабильному изотопу, но и более одного стабильного изотопа.

Период полураспада

Выше я давал процессу распада радиоактивных элементов характеристики типа «быстро» и «медленно», но не приводил никаких конкретных чисел.

Первыми продолжительность распада попытались вычислить Резерфорд и Содди в 1902 году. Они проследили изменение интенсивности излучения быстрораспадающегося радиоактивного изотопа и определили, что со временем интенсивность падает по экспоненте.

Это верно только в том случае, если за определенное количество времени распадается определенное количество атомов. Скажем, если скорость распада 0,02 всех атомов в секунду, то в первую секунду из 1 000 000 000 000 атомов радиоактивного вещества распадется 20 000 000 000 атомов. Конечно же мы не можем сказать, какие именно атомы распадутся. Мы не можем определить, распадется отдельно взятый атом в первую секунду, или через 5 секунд, или через 5 лет.

Приведу пример аналогичной ситуации из жизни. После тщательного изучения статистических данных страховые компании могут дать довольно точный прогноз, сколько человек из каждого миллиона американцев в возрасте 35 лет умрет в следующем году, если, конечно, считать этот год «нормальным». Компании не могут выявить конкретных американцев, которым грозит смерть, или предсказать конкретный год смерти конкретного американца. Они могут делать лишь общие прогнозы для большого количества абстрактных людей. Страховые компании работают с людьми, а физики — с атомами, и прогнозы последних, как правило, гораздо более точные.

Скорость радиоактивного распада не меняется с течением времени. Предположим, что каждый год умирает одно и то же количество человек. Предположим, что в течение года из 1 000 000 американцев в возрасте 35 лет умрет 0,2%, то есть 2000 человек. К концу года останется 998 000 человек. В следующем году умрет еще 0,2% от оставшихся, то есть 1996 человек. В следующем году умрет еще 0,2% от 996 004, останется 994 012 человек и т. д.

Таким образом, каждый год с уменьшением количества живущих будет уменьшаться и количество смертей. Невозможно предсказать конкретно, через сколько лет умрет последний человек, так как в любой произвольно взятый год умрет только небольшой процент людей. Понятно, что такой анализ дает приемлемые результаты только в том случае, если количество живых людей остается достаточно большим. Тем не менее если количество людей изначально было огромным, то согласно статистике некоторые из них проживут сотни и тысячи лет.

В действительности этого не происходит, потому что, когда человек стареет, постепенно возрастает вероятность его смерти, и вероятность смерти старых людей очень высока. Поэтому все 35-летние люди умрут менее через сто лет, независимо от их изначального количества.

В отличие от людей вероятность «смерти» атома радиоактивного элемента не возрастает со временем, и, если некоторые атомы распадаются мгновенно, отдельные атомы могут просуществовать в течение неопределенно больших периодов времени. Поэтому нельзя определить скорость полного распада радиоактивного атома, так как эта скорость может быть любой.

Однако при фиксированной скорости распада возникает одно интересное свойство: зная эту скорость, можно определить период времени, требующийся для распада половины исходного числа атомов. Этот период, который в 1904 году Резерфорд назвал периодом полураспада, одинаков для любого количества атомов в пределах разумного.

Оказалось, что период полураспада определенных изотопов не зависит от изменения условий внешней среды, таких как температура и давление. Физики научились немного (на несколько процентов) изменять период полураспада отдельных элементов, но это скорее исключение, чем правило.

Предположим, период полураспада некоего изотопа равен одному году. Тогда, если взять 2 триллиона атомов этого изотопа, к концу года от них останется только 1 триллион. Теперь атомов стало в два раза меньше, значит, в будущем году количество распадающихся атомов также уменьшится в два раза, то есть в следующем году распадется лишь полтриллиона атомов, а еще полтриллиона останется. К концу третьего года останется четверть триллиона и т. д.

В общем за первый период распадется половина любого количества атомов, за второй — половина оставшихся и так до бесконечности, пока количество атомов не станет слишком маленьким. В этом случае статистические методы просто перестанут давать точные результаты.

Зная период полураспада изотопа, можно определить, сколько его атомов распадется за определенное время, и таким образом оценить интенсивность его радиоактивного излучения. Также можно дать приблизительную оценку его интенсивности в прошлом и будущем.

Периоды полураспада радиоактивных изотопов могут быть как исчезающе короткими, так и чрезвычайно долгими. Период полураспада средней продолжительности можно определить непосредственно по скорости распада атомов элемента. Например, период полураспада радия–226 — 1620 лет.

Для определения продолжительности гораздо более длительных периодов используются косвенные методы. Возьмем, например, уран–238. Поскольку скорость распада его атомов очень мала, мы можем считать, что в течение определенного периода времени число атомов в куске урановой руды является константой. Обозначим это число N_u. За одну секунду распадается определенная часть F атомов урана. Таким образом, за одну секунду распадется F_uN_u атомов урана.

В процессе распада урана–238 образуется радий–226. Правда, это происходит не сразу: среди всех образующихся из урана–238 элементов радий–226 лишь пятый по счету. Но на данном этапе это для нас не имеет особого значения, поэтому давайте предположим, что из урана–238 сразу образуется радий–226.

Тогда так как за одну секунду распадается F_uN_u атомов урана, то за одну секунду образуется F_uN_u.

Радий–226 также начинает распадаться со скоростью F_rN_r атомов в секунду. Так как атомы радия–226 образуются из урана–238 и их число увеличивается, количество распадающихся атомов радия–226 также увеличивается до тех пор, пока не станет равным количеству образующихся атомов радия–226. Тогда количество атомов радии–226 становится постоянным, и это состояние называется радиоактивным равновесием урана–238 и радия–226. Математически это равновесие выражается так:

или

То есть доля атомов определенного элемента, распадающихся за одну секунду, обратно пропорциональна периоду полураспада этого элемента. Чем длиннее период полураспада, тем меньше атомов в секунду распадается. Если принять за период полураспада урана–238 H_u радия–226 за H_r то

Теперь совместим уравнения 8.9 и 8.10:

Другими словами, при радиоактивном равновесии соотношение количества атомов элемента-родителя и дочернего элемента равно соотношению их периодов полураспада. В урановых рудах атомов урана–238, в 2 800 000 раз больше, чем атомов радия–226. Таким образом, период полураспада урана–238 должен быть в 2 800 000 раз дольше, чем у радия–226, то есть около 4 500 000 000 лет.

Теперь понятно, почему уран–238 все еще присутствует в земной коре. Если возраст Солнечной системы от 5 до 6 миллиардов лет, значит, от исходного количества атомов урана–238 распалось всего чуть более половины.

Период полураспада урана–235 короче, чем урана–238, — всего 713 000 000 лет. То есть со времени образования Солнечной системы до наших дней дошло около 1% атомов урана–235. Неудивительно, что из каждой тысячи атомов урана лишь 7 являются атомами урана–235.

Сегодня количество атомов любого радиоактивного изотопа с периодом полураспада менее 500 000 000 лет исчезающе мало, если только он не образуется из какого-то другого элемента с большим периодом полураспада. Из всех элементов ряда 4x + 2 приспособлен для жизни только уран–238, а из ряда 4x + 3 — только уран–235.

Из всех атомов ряда 4x + 0 продолжительностью полураспада, достаточной для того, чтобы являться родителем ряда, обладает лишь торий–232. Период его полураспада не менее 13 900 000 000.

Косвенным методом можно определить и гораздо более короткие периоды полураспада. Например, у изотопов, излучающих альфа-частицы, величина энергии этой частицы обратно пропорциональна периоду полураспада. Таким образом, зная энергию альфа-частиц (а ее можно определить по силе проникающей способности), можно высчитать продолжительность периода полураспада. Например, период полураспада полония–212 равен 0,0000003 секунды.

Если изотопы одного и того же элемента мало отличаются между собой по химическим свойствам, то они значительно отличаются по свойствам ядра, таким как период полураспада. Например, в то время как период полураспада тория–232 приблизительно 14 миллиардов лет, период полураспада тория–231 (у которого в ядре всего лишь на один нейтрон меньше) — всего лишь один день!

Стабильные изотопы

Обратив внимание на элементы трех радиоактивных рядов, представленных в табл. 5, 6, 7, можно заметить, что радиоактивные изотопы существуют и у устойчивых элементов. Например, у висмута таких изотопов пять — с атомным весом 210, 211, 212, 214 и 215, соответственно, у таллия — четыре — с атомным весом 206, 207, 208 и 210 и у свинца также четыре — с атомным весом 210, 211, 212 и 214. Так как все эти элементы содержатся в почве в больших количествах и не радиоактивны, у каждого из них должен быть хотя бы один стабильный изотоп.

Тем не менее все эти изотопы, как стабильные, так и нестабильные, являются радиоактивными. Напрашивается вопрос: а имеют ли изотопы нерадиоактивные элементы? Если имеют, то доказать это будет очень сложно, так как обычными лабораторными методами невозможно выделить изотопы (кроме некоторых исключительных случаев), да и радиоактивного излучения они не испускают.

Давайте предположим, что атомы элемента ионизированы, как в случае образования позитивных лучей (см. гл. 7). Тогда, так как в каждом атоме станет на один электрон меньше, их заряд будет равняться +1. Однако, если элемент состоит из двух и более изотопов, образуется несколько групп ионов, различающихся массой.

Если пропустить поток таких положительных ионов через магнитное поле, то они будут лететь по кривой траектории, причем степень крутизны будет зависеть от заряда и массы отдельных частиц. В данном случае заряд всех ионов одинаков, но масса-то различна! Чем легче частица, тем больше угол кривизны траектории ее полета. Теперь, если у всех ионов потока масса одинакова, то на фотопластинке они образуют одно пятно, однако если же поток электронов состоит из групп ионов с разными массами, то на пластинке будет уже несколько пятен, причем более тяжелые ионы образуют более темное и большее по размерам пятно.

В 1912 году Дж.Дж. Томсон, первооткрыватель электрона, проделал подобный эксперименте неоном. Положительные лучи из неона оставляли на фотопластинке два пятна, по всей видимости ионов неона–20 и неона–22. Первое пятно было почти в 10 раз больше второго. Это говорило о том, что неон состоит из двух изотопов, неона–20 и неона–22, в пропорции примерно 1/₁₀. (Позднее было обнаружено присутствие и третьего изотопа, неона–21. Его содержание настолько мало, что из 1000 атомов неона 909 являются атомами неона–20, 88 — неона–22 и только 3 — атомами неона–21.)

В 1919 году работавший вместе с Томсоном английский физик Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) сконструировал более совершенное устройство для анализа положительных лучей. В этом устройстве положительные лучи определенной массы не просто оставляли отпечаток на фотопластинке; они особым образом отклонялись, и при этом повышалось разрешение. В результате пучок ионов одного элемента отпечатывался на фотопластинке в виде последовательности точек («массовый» спектр вместо оптического). По положению точек можно оценить массу отдельных изотопов, а по степени затемнения можно определить, с какой частотой эти изотопы встречаются в данном веществе (то есть относительное содержание). Устройство получило название масс-спектрограф.

С помощью масс-спектрографа ученые определили, что большинство устойчивых элементов состоят из двух и более стабильных изотопов. Полный список этих стабильных изотопов[132] приведен в табл. 8.

По данным таблицы можно сделать следующие выводы. Во-первых, несмотря на то что большинство из 81 устойчивого элемента имеют два и более стабильных изотопа (а у олова их целых 10), из них 20 элементов имеют всего один изотоп. (Более того, у двух элементов с атомным числом менее 84 вообще нет стабильных изотопов. Эти два элемента с атомными числами 43 и 61 подробно описаны в гл. 10.)

По правде говоря, элемент не может иметь «один изотоп», так как изотопы по определению являются двумя и более элементами, занимающими одну и ту же ячейку периодической системы. В данном случае элемент имеет «одного близнеца», и правильнее называть их нуклидами, то есть элементами с определенной структурой ядра. Тем не менее термин «изотоп» настолько прижился, что я буду продолжать говорить об «одном изотопе».

Не все из 282 приведенных в табл. 7 нуклидов действительно стабильны. 18 из них являются радиоактивными, однако их период полураспада настолько велик, что радиоактивное излучение у них очень слабое. Периоды полураспада некоторых из них достигают квадриллионов лет, поэтому их радиоактивностью можно просто пренебречь. Однако 7 из них очень радиоактивны, поэтому я и привел их в табл. 9.

Может показаться странным, что радиоактивность не была обнаружена ранее, особенно на примере калия–40, так как калий — вполне обычный химический элемент, а у калия–40 (входит в список элементов табл. 9) период полураспада короче, чем у урана–238 и урана–232, поэтому он и более радиоактивный.

На то есть две причины. Во-первых, в природе калий–40 встречается довольно редко: из 10 000 атомов калия только 1 является атомом калия–40. Во-вторых, хотя и уран, и торий являются родителями ряда очень радиоактивных элементов, именно их дочерние элементы порождают явления, которые наблюдали Беккерель и Кюри.

Ни один из радиоактивных элементов с длинным периодом полураспада, являющийся изотопом более легких элементов, не может быть родителем радиоактивного ряда. Они испускают бета-частицу и тут же становятся стабильными изотопами элемента с атомным числом, больше на 1. Таким образом, рубидий–87 становится устойчивым стронцием–87, лантан–138 становится устойчивым церием–138 и т. д.

У калия–40 все немного по-другому. Около 89% всех распадающихся атомов калия–40 действительно излучают бета-частицу и превращаются в устойчивый кальций–40. Ядра оставшихся 11% атомов поглощают электрон К-оболочки (см. гл. 5), и этот процесс получил название К-захват. Этот захваченный электрон нейтрализует положительный заряд протона, и в итоге в ядре появляется еще один нейтрон. При этом количество нуклонов не меняется, а следовательно, и атомный вес остается прежним, но вот атомное число уменьшается на 1. Путем К-захвата калий–40 (атомное число 19) становится устойчивым аргоном–40 (атомное число 18).

В какой-то мере самым необычным из всех стабильных изотопов является водород–2, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, в отличие от ядра водорода–1, которое состоит только из одного протона. Соотношение разницы массы у этих двух элементов намного больше, чем у двух любых стабильных изотопов любого другого элемента.

Например, масса урана–238 в 238/235, или 1,013, раза больше массы урана–235, олова–124 (самый тяжелый изотоп этого элемента) — в 1,107 раза больше массы олова–112 (самого легкого). Масса кислорода–18 в 1,125 раза больше массы кислорода–16. А масса водорода–2 в 2 раза больше массы водорода–1.

Эта огромная разница относительной массы двух изотопов водорода говорит о том, что по физическим и химическим свойствам эти два элемента отличаются друг от друга сильнее, чем изотопы других веществ. Точка кипения обычного водорода 20,38 °К, а у водорода–2 («тяжелый водород») — 23,50 °К.

Опять-таки плотность обычной воды — 1000 граммов на кубический сантиметр, а температура замерзания 273,1 °K (0 °С), в то время как у воды, молекулы которой состоят из водорода–2 («тяжелой воды»), плотность 1,108 грамма на кубический сантиметр, а температура замерзания — 276,9 °К (3,8 °С).

Учитывая все особенности водорода–2, ему дали особое название — дейтерий (от греч. «второй»). Его символ — D, и формула тяжелого водорода выглядит как D₂, а тяжелой воды — D₂O.

Физики предположили возможность существования дейтерия еще в самые первые годы изучения изотопов, так как атомный вес водорода был немного выше, чем он должен быть.

Как показали подсчеты, энергетические уровни единственного электрона водорода–1 и водорода–2 распределены немного по-разному, поэтому в спектре водорода должны присутствовать слабые линии водорода–2. Однако этого не наблюдается, да и масс-спектрографом водород–2 обнаружен не был. Возможно, причина кроется в том, что водород–2 в природе встречается довольно редко: из 7000 атомов водорода только один является атомом водорода–2.

В 1931 году американский химик Гарольд Юри (1893–1981) решил провести следующий эксперимент. Он оставил 4 литра водорода испаряться до 1 куб. см, полагая, что поскольку водород–2 испаряется медленнее, то он сконцентрируется в этой «последней капле». Юри оказался прав. В спектре последней капли он обнаружил линии дейтерия точно там, где они, по расчетам, и должны были быть.

Массовое число

Люди, особо любящие порядок во всем, могут попытаться «поделить» атом между химиками и физиками, отдав первым электроны, а вторым — ядро.

Однако с научной точки зрения этого делать нельзя. Поэтому, несмотря на то что изучение структуры ядра резко отличается от изучения обычных химических реакций, химики должны интересоваться структурой ядра, хотя бы потому, что от нее зависит базовая величина химии — атомный вес.

В конце XIX века считали, что с атомным весом все было ясно и понятно. Как казалось химикам, атомный вес каждого элемента уникален и в будущем нужно лишь уточнить его значения до четвертого и пятого разряда десятичной дроби.

Открытие изотопов поставило под сомнение уникальность атомного веса. Оказалось, что идея Дальтона о том, что масса всех атомов одного и того же элемента одинакова, а следовательно, одинаков и атомный вес этих атомов, в корне неверна, так как большинство элементов состоят из двух и более типов атомов разной массы. Атомный вес — лишь среднее взвешенное масс атомов изотопов.

Раз «атомный вес» — это среднее взвешенное масс изотопов элемента, значит, нельзя говорить об «атомном весе» изотопа.

Для обозначения относительной массы изотопа лучше использовать термин массовое число.

Таким образом, мы можем сказать, что неон состоит из трех изотопов, массовые числа которых 20, 21 и 22. Неон–20 составляет около ⁹/₁₀ всех атомов неона, в то время как большая часть оставшейся ¹/₁₀ состоит из атомов неона–22. Так как концентрация неона–21 слишком мала, чтобы иметь хоть какое-то влияние, то можем ею пренебречь и считать, что из 10 атомов неона 9 имеют массу 20, а I — массу 22. Вместе получается 20,2, что приблизительно равно атомному весу неона.

Хлор состоит из двух изотопов, массовые числа которых 35 и 37, причем хлор–35 составляет ¾, а хлор–37 — ¼ всех атомов хлора. Средняя масса четырех атомов, три из которых имеют массу 35, а один — 37, равна 35,5, что также приблизительно равно атомному весу хлора.

Гипотеза Прута (см. гл. 2) о том, что атомные веса всех элементов были кратными целыми веса водорода, в XIX веке подвергалась жесткой критике. Однако в XX веке выяснилось, что действительно, массовые числа всех без исключения изотопов являются практически точными кратными массы атома водорода. Это и возродило гипотезу Прута в более сложной интерпретации. Хотя химические элементы и не состоят из атомов водорода, но (не учитывая практически невесомых электронов) все они состоят из нескольких нуклонов практически одинаковой массы, а атом водорода состоит из одного такого нуклона. Атомные веса некоторых элементов являются целыми или близкими к целым числам потому, что эти элементы состоят из одного изотопа, как, например, алюминий, или же один из изотопов этого элемента наиболее распространен, как, например, кальций. Кальций состоит из 6 стабильных изотопов, массовые числа которых 40, 42, 43, 44, 46 и 48, но атомы кальция–40 составляют 97% всех атомов кальция. К этим двум классам принадлежат большинство элементов, поэтому Прут и сделал такие выводы. Именно из-за этого «дисбаланса» изотопов некоторые элементы занимают «не свои места» в периодической таблице. Например, кобальт, атомное число которого 27, состоит из единственного изотопа с массовым числом 59. Таким образом, его атомный вес примерно 58,9.[133] По идее у никеля, атомное число которого больше (28), и атомный вес должен быть выше. Никель состоит из 5 изотопов, массовые числа которых 58, 60, 61, 62 и 64, и неудивительно, что массовые числа четырех из них выше, чем у оставшегося изотопа никеля. Однако именно этот самый легкий изотоп, никель–58, в природе наиболее распространен. Атомов никеля–58 в два раза больше, чем атомов всех остальных изотопов никеля, вместе взятых. Поэтому атомный вес никеля около 58,7, что ниже, чем у кобальта.

Таким образом, оказывается, что значение атомного веса вовсе не носит фундаментального характера и не может являться характеристикой элемента. А казался он таковым исключительно потому, что свойства всех изотопов одного и того же элемента практически идентичны. Процессы, благодаря которым соединения элементов сконцентрировались на тех или иных участках земной поверхности или же благодаря которым ученым удалось выделить тот или иной элемент в лаборатории, действуют на все изотопы одного и того же вещества одинаково. Таким образом, два образца любого вещества, независимо от того, как они были получены, содержат изотопы практически в одинаковых пропорциях, и поэтому атомный вес этих веществ одинаков, то есть является характерным для этого вещества.

Впрочем, существуют и исключения, лучшим примером которых является свинец. Все радиоактивные ряды (см. гл. 8) заканчиваются определенным изотопом свинца. Ряды, начинающиеся с урана–238 и урана–235, заканчиваются свинцом–206 и свинцом–207, причем свинца–206 образуется гораздо больше, так как атомов урана–238 намного больше, чем урана–235. Ториевый же ряд заканчивается свинцом–208.

Атомный вес обычного свинца, содержащегося в нерадиоактивных рудах, равен примерно 207,2. В урановых рудах, где в течение многих геологических периодов образовывался свинец–206, его атомный вес должен быть немного ниже, а атомный вес свинца, содержащегося в ториевых рудах, немного выше. В 1914 году американский химик Теодор Ричарде (1868–1928) провел измерения их атомных весов и обнаружил, что действительно атомный вес свинца, содержащегося в урановых рудах, равен 206,1, а атомный вес свинца, содержащегося в ториевых рудах, — 207,9.

Среди нерадиоактивных элементов таких вариаций атомного веса обычно не наблюдается. Однако обнаружено, что атомный вес некоторых легких элементов зависит от условий, при которых этот элемент был получен. Например, соотношение кислорода–16 и кислорода–18 в карбонате кальция (СаСO₃), из которого состоит морская раковина, зависит от температуры воды, в которой находился образовавший раковину организм. С помощью точных измерений соотношений содержания этих изотопов в окаменелых морских раковинах можно определить, какова была температура воды Мирового океана в различные геологические периоды.

Обнаружение изотопов кислорода привело к некоторой неразберихе с атомными весами. Еще при Берцелиусе за эталон атомного веса был принят атомный вес кислорода, равный 16. Однако в 1929 американский химик Уильям Джиок (1895–1982) обнаружил, что кислород состоит из трех изотопов — кислорода–16, кислорода–17 и кислорода–18, а его атомный вес равен среднему арифметическому массовых чисел этих изотопов.

С другой стороны, кислороде 6 составляет почти 99,759% всего кислорода, и поэтому можно считать, что кислород состоит всего лишь из одного изотопа. Химики еще в течение целого поколения предпочитали игнорировать существование других изотопов и пользовались прежними атомными весами, получившими название химические.

Физики же предпочли принять за 16 массовое число кислорода–16 и вычислять массовые числа остальных элементов относительно этого изотопа. В качестве аргументов они приводили следующее: массовое число изотопа постоянно и не меняется, в то время как атомный вес элемента, состоящего из нескольких изотопов, будет меняться в зависимости от относительного содержания этих изотопов в конкретном образце данного элемента.

Исходя из того, что массовое число кислорода–16 равно 16, физики составили новую таблицу атомных весов, на этот раз уже физических. Согласно этой новой таблице, атомный вес кислорода равен 16,0044 (за счет кислорода–17 и кислорода–18), что на 0,027% больше, чем химический атомный вес кислорода, равный 16. Атомный вес любого элемента по таблице физиков на 0,027 больше атомного веса того же элемента по таблице химиков, а так как разница невелика, то она лишь создает ненужные сложности при точных расчетах.

В 1961 году физики и химики пришли к компромиссу, приняв за массовое число углерода–12 величину 12 и высчитав атомные веса всех остальных элементов относительно углерода–12. Как и хотели физики, отныне атомные веса были привязаны к массовому числу, то есть к постоянной величине. Более того, величины атомных весов элементов по новой системе практически не отличались от их химических атомных весов. Например, по новой системе атомный вес кислорода равнялся 15,9994, что всего лишь на 0,0037% меньше химического атомного веса кислорода. Атомные веса, приведенные в табл. 2, гл. 1, высчитаны относительно углерода–12.

Так как атомный вес является средним взвешенным массовых чисел встречающихся в природе изотопов, то можно говорить лишь об атомном весе примордиальных элементов, тех элементов, которые были на Земле с самого момента ее образования, то есть появились одновременно. Таких элементов всего 83, из них 81 стабильный элемент (с атомным весом от 1 до 83, исключая элементы с атомным весом 43 и 61) и два относительно стабильных элемента — уран и торий.

Элементы, образующиеся из урана и тория, являются изотопами, значение массовых чисел которых зависит от того, содержатся эти элементы в урановой или в ториевой руде. Высчитать среднее арифметическое таких чисел невозможно, поэтому нельзя определить и атомное число. В результате за атомный вес этих элементов (и других нестабильных элементов, речь о которых пойдет в следующей главе) принято считать массовое число изотопа с самым длительным периодом полураспада. В таблицах такие массовые числа обычно пишут в квадратных скобках, как, например, в табл. 10. Из приведенных в этой таблице изотопов радон и радий являются дочерними элементами уранового ряда, а франций, актиний и протактиний — актиниевого ряда. Эти 5 элементов встречаются в природе, в то время как полоний–209 и астатин–210 получены искусственным путем.

Радиоактивное датирование

Изотопы свинца поменяли не только представления химиков об атомных весах, но и представления геологов об истории Земли.

В 1907 году американский физик Бертрам Борден Болтвуд (1870–1927) предложил вычислять возраст полезных ископаемых по радиоактивным рядам.

Предположим, что столько-то лет назад под действием морской седиментации или вулканической активности на поверхности земли сформировался слой застывшей породы, содержащей уран или торий. Атомы урана или тория оказались внутри этого слоя «в ловушке». Атомы свинца, образующиеся в результате распада урана и тория, также окажутся «в ловушке».

На протяжении всего времени с момента отвердевания слоя породы атомы урана или тория будут распадаться, а содержание свинца соответственно увеличиваться. То есть со временем соотношение уран/свинец и торий/свинец в слое будет увеличиваться.

К этому времени Резерфорд уже разработал концепцию полураспада, поэтому стало ясно, что это соотношение будет увеличиваться с известной скоростью. Таким образом, зная величину соотношения урана/свинца или же тория/свинца в любой произвольный момент времени (например, в настоящий), можно вычислить, сколько прошло времени с момента застывания породы. А поскольку периоды полураспада урана–238 и тория–232 чрезвычайно длинные, можно определить возраст до нескольких миллиардов лет.

Основная сложность здесь заключалась в том, что не все атомы свинца, содержащиеся в породе, образовались в результате распада урана или тория, ведь их произвольная часть могла присутствовать в породе в момент застывания наравне с ураном и торием. Такой примордиальный свинец не имеет никакого отношения к распаду урана и тория и приводит к появлению серьезных ошибок при расчетах.

Проблему удалось обойти, определив с помощью масс-спектрографа относительное содержание свинца в нерадиоактивной породе. Выяснилось, что этот свинец состоит из четырех стабильных изотопов свинца с массовыми числами 204, 206, 207 и 208, причем свинец–204 достигает 1,48% (¹/_67,5 ) от общей массы.

К счастью, свинец–204 не является конечным продуктом ни одного из радиоактивных рядов, значит, на его содержание радиоактивность не влияет. Теперь, если определить содержание в радиоактивной породе свинца–204 и умножить это число на 67,5, то полученное значение будет являться общим количеством присутствующего в породе примордиального свинца. Все, что свыше, является свинцом, образовавшимся в процессе радиоактивного распада.

По соотношению урана/свинца (и учитывая содержание свинца–204) удалось обнаружить застывшие породы, возраст которых более 4 000 000 000. Это является лучшим доказательством того, что Земля образовалась миллиарды лет назад.

Конечно же уран и торий далеко не самые распространенные элементы, и породы с достаточным для точного определения возраста содержанием урана и тория можно обнаружить только в строго определенных местах. Однако определять возраст можно и по рубидию–87, и по калию–40. Оба этих элемента обладают длительным периодом полураспада и в природе встречаются гораздо чаше, нежели уран и торий. В случае с рубидием–87 определяется соотношение рубидий/стронций, так как стронций–87 является конечным продуктом распада рубидия–87. (Количество примордиального стронция определить невозможно, так как другие изотопы стронция, присутствующее в породе, в процессе радиоактивного распада не образуются.) Ученым удалось найти содержащие рубидий минералы, застывшие более 4 000 000 000 лет назад.

С калием–40 не все так просто. В большинстве случаев калий–40 распадается до кальция–40, но содержание кальция–40 в земной коре слишком высоко, чтобы отличить кальций–40, образовавшийся в процессе радиоактивного распада, от примордиального кальция–40. Однако определенное количество кальция–40 путем К-захвата превращается в аргон–40 (ниже).

Аргон — один из содержащихся в атмосфере благородных газов. Все эти газы, за исключением аргона–40, встречаются на Земле в исчезающе малых количествах. Возможно, что за заре своей истории Земля могла удерживать лишь твердые химические соединения, в то время как газообразные вещества просто «улетали», либо из-за малой массы, либо из-за высокой температуры планеты. А благородные газы как раз и не образуют никаких химических соединений.

С другой стороны, аргон–40 составляет около 1% атмосферы. Это значит, что аргон–40 образовался уже после того, как масса и температура Земли приблизились к современному значению (то есть когда у Земли появилась способность удерживать благородные газы). Скорее всего, аргон–40 появился в процессе распада калия-40. Если подсчитать, сколько времени для этого понадобилось, то получится, что Земля в ее современном облике существует уже не менее 4 000 000 000 лет.

Итак, различные методы вычисления возраста дают одну и ту же цифру, которая и является общепринятой на сегодняшний день.

Ядерные реакции

Пока атом считался неделимой частицей, было ясно, что его структуру невозможно изменить в лабораторных условиях за отсутствием таковой. Однако как только обнаружилось, что атом состоит из огромного количества упорядоченных субатомных частиц, у ученых зародилась мысль о том, что этот порядок можно каким-либо образом изменить.

Порядок электронов внешних оболочек атомов изменить довольно просто. Для этого достаточно заставить атомы и молекулы сталкиваться между собой, что ученым удалось сделать еще в XIX веке, подвергая атомы и молекулы нагреванию. Здесь безраздельно правили химики: обычные химические реакции происходят именно за счет перераспределения электронов.

А можно ли перестроить структуру самого ядра? Столь фундаментальная перестройка атома элемента приведет к его превращению в атом другого элемента.

Для того чтобы при столкновении двух атомов их ядра соприкоснулись, преодолев «подушку» из электронов, нужно подвергнуть эти атомы нагреванию до чрезвычайно высокой температуры. К счастью, в XX веке был найден способ обойтись и без высоких температур. Радиоактивные элементы испускают субатомные частицы и при комнатной температуре. Одна из таких частиц — альфа-частица — как раз и является «голым» атомным ядром (атома гелия).

Конечно же направить альфа-частицу в определенное атомное ядро невозможно, но с точки зрения статистики из достаточно большого количества альфа-частиц хотя бы несколько попадут в ядра. Исследуя такие столкновения и «почти» столкновения, Резерфорд и разработал концепцию атома с атомным ядром и рассчитал размер ядра (см. гл. 4).

С другой стороны, столкновения, в результате которых атом и альфа-частица лишь отклоняются или отталкиваются друг от друга, не приводят к изменениям ни того ни другого.

Здесь нужно нечто большее. После серии экспериментов, результаты которых были опубликованы в 1919 году, Резерфорд доказал, что иногда это «нечто большее» все-таки происходит. В начале своих опытов Резерфорд поместил источник альфа-частиц в закрытый цилиндр, один конец которого был покрыт слоем сульфида цинка.

Когда альфа-частица ударяется о сульфид цинка, возникает вспышка люминесценции, или сцинтилляция (мерцание). Это происходит потому, что за счет кинетической энергии альфа-частицы происходит возбуждение молекулы цинка, а возвращаясь в свое прежнее состояние, молекула испускает фотон видимого света. (Впервые это явление наблюдал Беккерель в 1899 году. Позже такой способ стали применять при производстве светящихся объектов. Смесь небольшого количества соединения радия с сульфидом цинка или некоторых других веществ дает свечение, легко заметное в темноте. Самым «писком» 1920-х годов стали часы, на циферблатах которых цифры были нанесены такими вот люминесцентными материалами.)

Если рассматривать мерцающий экран в темноте (когда глаза привыкли к темноте и легко замечают даже слабый свет) с помощью лупы, то можно увидеть каждую вспышку в отдельности. Учитывая, что каждая вспышка вызвана попавшей в экран альфа-частицей, то, подсчитав количество вспышек в заданной области за определенное время, можно определить скорость распада некоторой массы радиоактивного вещества и с помощью этого выяснить, например, период полураспада данного вещества. Прибор, который Резерфорд использовал в своих экспериментах, получил название сцинтилляционный счетчик.

В современных сцинтилляционных счетчиках используются более эффективные сцинтилляторы, а вспышки подсчитываются с помощью фотоэлементов и электроники.

Если же в трубке присутствует газ (например, углекислый или кислород), количество вспышек на экране становится меньше. Это происходит потому, что, сталкиваясь с молекулами газа, альфа-частицы замедляются и некоторые из них присоединяют электроны и становятся обычными атомами гелия. Поэтому до экрана «добирается» меньше частиц, и уровень их кинетической энергии ниже.

Однако если заполнить трубку водородом, то на экране время от времени начинают появляться очень яркие вспышки. Это можно объяснить тем, что иногда альфа-частица сталкивается с ядром водорода (то есть с протоном) и тот, оставив свой электрон, устремляется вперед. В этом случае скорость протона будет гораздо выше, чем у тяжелых ядер углерода и кислорода, и достаточной для того, чтобы при его столкновении с экраном возникла яркая вспышка.

Резерфорд обнаружил, что если заполнить трубку азотом, то на экране также появляются фотонные вспышки. Альфа-частица не могла толкнуть ядро атома азота сильнее, чем ядра углерода или кислорода, но вполне могла выбить из него протон, который и устремлялся к экрану.

В 1925 году английский физик Патрик Блэкетт (1897–1974) доказал это. Он бомбардировал альфа-частицами атомы азота внутри камеры Вильсона. В большинстве случаев альфа-частица оставляла за собой след из водяных капель, не сталкиваясь ни с одним ядром, и, когда ее энергия уменьшалась, присоединяла электроны и исчезала. Однако одна из 350 000 альфа-частиц все же встречала на своем пути препятствие.

В этом случае след ее траектории раздваивался на конце. Один конец был тоньше и довольно длинный. Это — ионизирующий протон, с меньшим, чем у альфа-частицы, зарядом (+1 против +2). Второй след был толстый и короткий. Это — отскочившее ядро атома азота, лишенное большинства электронов, благодаря чему оно получило высокий положительный заряд и соответственно сильные ионизирующие свойства. Тем не менее оно двигалось медленно и, быстро набрав электроны, лишилось этих свойств. Никаких следов альфа-частицы не было, значит, она присоединилась к ядру атома азота.

В 1919 году Резерфорд стал первым, кому удалось изменить структуру атомного ядра, то есть провести первую искусственную ядерную реакцию. (Это что-то вроде «ядерной химии»: нуклоны перераспределяются аналогично тому, как перераспределяются электроны в процессе обычной химической реакции.)

Предположим, вначале у нас было ядро атома азота (7 протонов, 7 нейтронов). Добавим сюда альфа-частицу (2 протона, 2 нейрона) и вычтем протон, который был «выбит» альфа-частицей. Получаем атом, состоящий из 8 протонов и 9 нейтронов, то есть кислород–17. В записи это выглядит так:

где подстрочный индекс — атомные числа, а надстрочный — массовые. ₂He⁴ — это ядро атома гелия, или альфа-частица, а ₁H¹ — ядро атома водорода, или протон. Обратите внимание, что сумма атомных чисел и правой, и левой частей формулы равняется 9, а массовых чисел — 18. Согласно законам сохранения электрического заряда и массы, при любых ядерных реакциях суммы атомных и массовых чисел исходных и образующихся продуктов должны быть равны.

Физики разработали и более короткий способ записи формул ядерных реакций. Так как по названию элемента можно узнать его атомное число, в формуле его просто не пишут. Символом альфа-частицы является α, а протона — p. Таким образом, формулу 9.1 можно представить как: N¹⁴ (α, p)O¹⁷.

По этой системе в левой части записывается ядро-мишень, затем в круглых скобках название ударяющей по нему частицы, потом — выбиваемой частицы. В правой части записывается остаточное ядро. Все семейство (α, p)-реакций можно представить в виде аналогичной формулы: в любой из таких реакций атомное число остаточного ядра будет на 1, а массовое — на 3 выше, чем у ядра-мишени.

Резерфорд провел и другие (α, p)-реакиии, однако встретился с серьезными ограничениями. Дело в том, что и альфа-частица, и ядро-мишень обладают положительным зарядом и отталкивают друг друга. Чем выше атомное число ядра, тем сильнее они отталкиваются, и даже самым быстрым альфа-частицам радиоактивных элементов не хватает энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания ядер элементов с зарядом выше калия (+19).

Нужно было найти способ получения субатомных частиц, энергия которых была бы выше, чем у радиоактивных частиц.

Электронвольт

Заряженную частицу можно ускорить, подвергнув ее действию электрического поля, направленного по ходу движения частицы. Чем выше потенциал этого электрического поля, тем выше ускорение и энергия частицы.

Частица с единичным зарядом, например электрон, под действием электрического поля напряжением 1 вольт получает заряд энергии, равный 1 электронвольту (сокращенно эв). 1 эв равен 1,6∙10^–12. Для более крупных зарядов используется килоэлектронвольт (Кэв). 1 Кэв равняется 1000 эв.

Существуют также мегаэлектронвольт (Мэв), равный миллиону электронвольт, и биллион электронвольт (Бэв)[134]. Биллион электронвольт равняется 1,6∙10^–8. В принципе это очень небольшое количество энергии, но для одной субатомной частицы оно просто огромно.

В последнее время в электронвольтах все чаще обозначают массу субатомных частиц. Масса электрона равна 9,1∙10^–28 граммов. По формуле Эйнштейна e = mc² (см. ч. II) получаем энергетический эквивалент, равный 8,2∙10^–7 эрг, что, в свою очередь, равно 510 000 эв, или 0,51 Мэв.

Длину волны электромагнитного излучения также можно представить в электронвольтах. Согласно квантовой теории, e = hν, где e — энергия одного кванта электромагнитного излучения, эрг; h — постоянная Планка, эрг/сек, ν — частота излучения, Гц.

Таким образом, длина волны (обозначается λ, — «лямбда») равняется пройденному излучением за одну секунду в вакууме расстоянию (c), деленному на количество образовавшихся за это время волн, то есть частоту излучения ν:

или

Поставив c/λ в формулу квантовой теории e = hν, получим:

или

где h равняется 6,62∙10^–27 эрг-с, а c — 3,00∙10¹⁰ см в секунду, соответственно hc равняется 1,99∙10^–16 эрг. Приводим уравнение 9.5 к виду:

Теперь, если мы подставим 1,6∙10^–12 эрг (один электрон вольт) вместо e в формуле 9.6, то получим 1,24∙10^–4 сантиметров. Другими словами, излучение длиной 1,24 микрона (инфракрасный спектр) состоит из протонов, энергия которых 1 эв.

Таким образом, 1 Кэв — это энергия излучения, длина волны которого в 1000 раз больше 1 эв, т. е. 1,24 миллимикрона, или 12,4 ангстрема. Это уже диапазон рентгеновского излучения. Точно так же 1 Мэв — это энергия излучения, длина волны которого 0,0124 ангстрема (диапазон гамма-лучей).

По формуле 9.6, запас энергии видимого света колеблется от 1,6 эв для красной части спектра и 3,2 эв для фиолетовой. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение поглощаются и испускаются во время обычных химических реакций. Таким образом, во время обычных химических реакций используется энергия не более 1–5 эв. Основная сложность проведения ядерных реакций заключается в том, что для таких реакций энергии нужно гораздо больше — тысячи, даже миллионы электронвольт.

Ускорители частиц

Устройства, испускающие субатомные частицы с уровнем энергии в несколько килоэлектронвольт и выше, получили названия ускорителей элементарных частиц. Так как такие частицы используются для разрушения атомных ядер и возбуждения ядерных реакций, то устройства также называли ускорителями ядерных частиц, но сейчас этот термин практически вышел из моды.

Первый удачный ускоритель частиц, адаптированный под ускорение протонов, был сконструирован английским физиком Джоном Кокрофтом (1897–1967) и его ирландским коллегой Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1929 году.

Протоны в ядерных реакциях использовать удобнее, чем альфа-частицы, так как они обладают меньшим зарядом и поэтому меньше подвержены силам отталкивания ядра.

Кроме того, протоны являются ионизированными атомами водорода (Н⁺), в то время как альфа-частицы являются ионизированными атомами гелия (Не⁺⁺), а водород гораздо легче ионизируется.

В ускорителе Кокрофта — Уолтона для получения огромного электрического, заряда и ускорения протонов до 380 Кэв применялся умножитель напряжения (связка из нескольких конденсаторов).

В 1931 году ученые смогли настолько ускорить частицы, что им удалось разрушить ядро атома лития:

Это была первая полностью искусственная реакция, так как даже применявшиеся при ее проведении бомбардирующие частицы были получены искусственно.

В том же 1931 году были созданы еще три типа ускорителей частиц.

Американский физик Роберт Ван-де-Грааф (1901–1967) построил механизм, внешне напоминавший половину гантели, поставленную на пол. Внутри находился «конвейер», переносивший положительный заряд в верхнюю часть, а отрицательный — в нижнюю, создавая огромный разноименный электростатический заряд. Благодаря значительной разности потенциалов с помощью такого электростатического генератора можно было разгонять частицы до 1,5 Мэв, а впоследствии и до 18 Мэв.

Ускорители последующего типа состояли из нескольких раздельных труб. Такое устройство давало возможность «толкать» частицы в несколько приемов, а не одним мощным «пинком». Проходя по трубе, частица получала дополнительную энергию и скорость. Так как «толчки» осуществлялись через одинаковые периоды времени, то расстояние, которое частица проходила между «толчками», становилось все больше и больше, и каждая последующая труба должна была быть все длиннее и длиннее. Поэтому очень скоро линейный ускоритель стал слишком длинным и неудобным.

Эрнест Орландо Лоуренс (1901–1958) предложил схему самого компактного ускорителя. В его устройстве частицы перемещались не по прямой, а по кривой траектории, благодаря чему и удалось сэкономить место.

В центре закрытого плоского круглого сосуда помещается высокотемпературная спираль, ионизирующая водород для образования протонов. Противоположные части сосуда находятся под высоким напряжением, которое и ускоряет протоны. Находящиеся над и под сосудом магниты заставляют протоны двигаться по криволинейной траектории.

Двигающиеся по такой криволинейной траектории протоны в конце концов попадут в зону положительного заряда и начнут тормозиться. Однако сосуд находится под переменным током, и анод с катодом «меняются местами» с тщательно подобранной частотой.

Всякий раз, когда протоны, казалось бы, двигаются к аноду, тот становится катодом и протоны продолжают ускоряться. (Как будто борзая гонится за электрическим кроликом, который всегда остается впереди.)

По мере ускорения скорость протонов растет, и они делают обороты внутри сосуда все быстрее и быстрее. А часть переменного электрического поля остается прежней постоянной величиной. Происходит рассинхронизация, и протоны окажутся под действием отталкивающей силы анода, который не успел вовремя стать катодом, что приведет к торможению протонов. (Борзая прибавила скорости и догнала электрического зайца.)

К счастью, по мере ускорения траектория протонов под действием магнитного поля становится менее криволинейной, и они начинают описывать большие круги. Их большая скорость просто-напросто компенсируется большим расстоянием, которое они проходят. Поэтому они продолжают передвигаться из одной половины в другую в соответствии с частотой электрического тока, постепенно все больше и больше удаляясь от центра сосуда. В конце концов они вылетают из него 9 виде потока частиц большой энергии.

Лоуренс назвал свой ускоритель циклотроном. Даже самая первая тестовая модель циклотрона — не более 25 сантиметров в диаметре — позволяла ускорять частицы до 80 Кэв. На протяжении последующих 10 лет строились все более крупные циклотроны, позволявшие ускорять частицы до 10 Мэв и более.

Идеального соответствия между движением частицы и частотой электрического тока можно добиться только при условии, что масса частицы не меняется. Это удается при нормальных условиях, однако в процессе ускорения скорость движения частиц начинает приближаться к скорости света. Согласно теории относительности (см. ч. II), в этом случае скорость частицы начинает расти очень и очень медленно (скорость движения частицы ни в коем случае не может быть выше скорости света), в то время как рост массы частицы все ускоряется и ускоряется.

Чем больше масса частицы, тем больше времени она затрачивает на один полуоборот и синхронизацию между движением частицы и частотой переменного тока. Это ограничивает максимальную скорость ускорения протона, и еще до Второй мировой войны эта максимальная скорость была достигнута.

В 1945 году американский физик Эдвин Макмиллан (1907–1991) и русский физик Владимир Векслер независимо друг от друга предложили способ обойти это ограничение. Ученые показали, как именно частоту переменного тока можно постепенно понижать без рассинхронизации с движением частицы постоянно увеличивающейся массы. В результате был построен синхроциклотрон.

Синхроциклотрон не способен испускать частицы высокой энергии беспрерывно, так как частота переменного тока, приемлемая для частиц на последних стадиях ускорения, слишком низкая для частиц на начальных стадиях. Поэтому частицы ускоряются пакетами (по 60–300 частиц) в секунду: перед запуском нового пакета предыдущий должен пройти весь цикл. Однако значительное увеличение скорости частиц на выходе привело к сокращению их общего количества. Первый синхроциклотрон был построен в 1946 году, а несколькими годами позднее появились синхроциклотроны, позволяющие ускорять частицы до 800 Мэв.

При ускорении электронов проблема увеличения релятивистской массы появляется еще раньше. Электроны настолько легкие, что для придания хотя бы умеренного заряда их необходимо разогнать до очень высоких скоростей. Чтобы получить электрон с энергией всего лишь 1 Мэв, его нужно разогнать до 270 000 км/с, а это уже более ⁹/₁₀ скорости света.

При такой скорости масса электрона увеличивается в 2,5 раза по сравнению с состоянием покоя. Поэтому нет особого смысла разгонять электрон с помощью циклотрона, так как даже при небольших уровнях энергии электрона синхронизация уже будет невозможна.

Решение было найдено еще до появления синхроциклотрона. В 1940 году американский физик Дональд Керст разработал ускоритель, в котором электроны двигались по «бубликообразному» сосуду. С ростом скорости движения электронов увеличивалась интенсивность магнитного поля, заставляющего электроны двигаться по кругу. Так как увеличение интенсивности магнитного поля (заставляет электроны двигаться по меньшему радиусу) было согласовано с ростом массы электрона (заставляет электроны двигаться по большему радиусу), в конечном результате электроны не меняют свою траекторию. В определенный момент интенсивность магнитного поля резко изменяют, и несколько электронов высокой энергии вылетают из ускорителя. Керст назвал свой ускоритель бетатроном, так как бета-частицы являются электронами высокой энергии естественного происхождения. Ускоритель Керста испускал электроны с энергией до 2,5 Мэв, а самый современный бетатрон позволяет ускорять электроны до 340 Мэв.

Быстро движущиеся по орбитам электроны испытывают сильное центростремительное ускорение и согласно теории Максвелла испускают энергию в виде излучения. Это ограничивает максимальное ускорение электронов в любом устройстве, где электроны движутся по кругу. (Протоны менее подвержены этому явлению, так как при одинаковом уровне энергии скорость движения протонов существенно ниже, чем у электронов, а значит, и центростремительное ускорение у них гораздо ниже.)

Поэтому сейчас принимаются усилия по строительству линейных ускорителей с длиной, достаточной (сейчас планируется строительство 3,5-километрового ускорителя) для ускорения электронов до 20 000 Мэв.

У синхроциклотрона есть один практический недостаток. Во время движения от центра к выходу частица описывает круги все большего и большего радиуса, поэтому необходимо использовать магниты, достаточные для покрытия максимального радиуса. Эти огромные магниты как раз и были узким местом при строительстве больших синхроциклотронов.

Поэтому целесообразнее было подстраивать интенсивность магнитного поля так, чтобы протоны двигались по кругу, а не по спирали. При такой «жесткой фокусировке» протоны двигаются максимально плотным и узким лучом. Построенные по такому принципу устройства получили названия протонные (и электронные) синхротроны.

К 1952 году были построены протонные синхротроны, способные разгонять частицы до нескольких Бэв. Такой синхротрон, способный испускать частицы с уровнем энергии до 6,2 Бэв, есть у университета штата Калифорния, и называется он бэватрон,

В 1960-х годах были построены два огромных ускорители с жесткой фокусировкой (один в Женеве, второй в Брукхейвене, Лонг-Айленд). Эти ускорители способны разгонять протоны до 30 Бэв и выше. Планируется построить и еще большие, поистине колоссальные по размерам ускорители. Самые большие из существующих ускорителей равны в диаметре трем городским кварталам.

Радиоизотопы

Первые атомные ядра, полученные путем искусственного превращения, были ядрами существующих в природе стабильных элементов. Например, Резерфорд получил кислород–17, а Кокрофт и Уолтон — гелий–47.

Однако в 1934 году французскому физику Фредерику Жолио (1900–1958) и его жене, Ирен Жолио-Кюри (1897–1956), дочери первооткрывателей радия Пьера и Марии Кюри, удалось получить и другие элементы.

Жолио-Кюри продолжили начатую еще Резерфордом работу по бомбардировке альфа-частицами атомных ядер различных элементов. Они обнаружили, что при бомбардировке атомных ядер атомов алюминия возникает нейтронно-протонное излучение, которое после прекращения бомбардировки сразу же пропадает. Было и еще одно излучение[135], которое после прекращения бомбардировки исчезало постепенно, с периодом полураспада, равным 2,6 минуты. Очевидно, в атомах алюминия присутствует что-то, что в результате бомбардировки альфа-частицами делает их радиоактивными.

Следующая формула описывает, что происходит, когда атом алюминия–27 поглощает альфа-частицу и излучает протон:

Кремний–30 — это стабильный изотоп, относительное содержание которого в кремнии всего лишь 3%.

При бомбардировке альфа-частицами атомы алюминия испускают нейтроны. Должно быть, имеет место реакция, в процессе которой ядро-мишень алюминия поглощает альфа-частицу и испускает нейтрон, получая в обшей сложности 2 протона и 1 нейтрон. При такой (α, p)-реакции атомное число возрастает на два, а не на один, и алюминий становится фосфором, а не кремнием. Запишем формулу:

Однако встречающийся в природе фосфор состоит лишь из одного изотопа — фосфора–31. Другие изотопы фосфора неизвестны, значит, если в ходе ядерной реакции синтезируется другой изотоп фосфора, то он будет радиоактивным. Именно из-за радиоактивности (и короткого периода полураспада) такой изотоп не встречается в природе.

Супруги Жолио-Кюри доказали присутствие радиоактивного фосфора, расплавив алюминий и подвергнув его реакциям, в ходе которых любой изотоп фосфора либо улетучится в виде газообразного соединения, либо выпадет в виде твердого осадка. Образовавшиеся газ и осадок проявляли радиоактивные свойства.

Фосфор–30 стал первым синтезированным в лабораторных условиях и не встречающимся в природе изотопом, а его радиоактивные свойства — первым примером искусственной радиоактивности.

Первым и далеко не единственным. В последующие годы в ходе лабораторных ядерных реакций были получены более тысячи искусственных изотопов. Так как все эти изотопы являются радиоактивными, их часто называют радиоизотопами.

Ученым удалось получить радиоизотоп каждого устойчивого элемента, а иногда даже несколько радиоизотопов. Например, у цезия, состоящего всего лишь из одного стабильного изотопа (цезий–133), таких радиоизотопов целых 20 с массовыми числами от 123 до 148.

Периоды полураспада всех полученных изотопов слишком малы, и они не могли сохраниться в земной коре с момента образования планеты до наших дней. Конечно же по человеческим меркам периоды полураспада некоторых из них довольно длинные (период полураспада цезия–135 равняется 2 000 000 лет), но в планетарных масштабах они все равно слишком малы.

Возможно, во время образования Солнечной системы существовали атомные ядра всех мыслимых составов. Выжили же лишь устойчивые и слаборадиоактивные (например, калий–40 и уран–238). И действительно, все стабильные и слаборадиоактивные изотопы, которые могут существовать, на Земле существуют. Шансы обнаружить какой-либо еще стабильный или слаборадиоактивный изотоп практически равны нулю.

Может быть, изотопы, период полураспада которых меньше 500 000 000 лет, также существовали, но впоследствии они распались и исчезли: какие-то из них быстро, какие-то медленно. Сегодня благодаря труду ученых они возродились.

Использование изотопов в биохимии

Как только физики научились изолировать редкие изотопы и синтезировать новые, стало возможным создавать на их основе химические соединения. Если найти достаточно дешевый способ получения таких изотопов, то в химических экспериментах можно будет использовать большое количество соединений на их основе.

Первым используемым в «крупномасштабных» химических экспериментах стал стабильный водород–2, получаемый из «тяжелой воды» (см. гл. 8).

Путем органических химических реакций из тяжелой воды можно получить и другие химические соединения, молекулы которых содержат один или несколько атомов водорода–2. Если такие соединения вступают в химические реакции, то их можно определить, изолировав продукты реакции и выяснив, какие из них содержат водород–2. Химические соединения с содержанием редкого изотопа выше нормы называются мечеными соединениями, а атомы такого изотопа — индикаторами.

Этот метод особенно важен, когда меченое соединение реагирует внутри живой ткани, так как в этом случае можно проследить все имеющиеся чрезвычайно сложные трансформации. Начиная с 1935 года немецкий биохимик Рудольф Шоенгеймер (1898–1941) провел серию таких экспериментов, используя в своих исследованиях жирные молекулы, в огромном количестве присутствующие в водороде–2. Этот метод стал революцией в биохимии, так как давал возможность детально изучить химические реакции в тканях, что ранее было невозможно.

Шоенгеймер, как и другие ученые, использовал в своих исследованиях и более тяжелые изотопы — азот–15 и кислород–18, — относительное содержание которых соответственно 0,37 и 0,20. Оба этих элемента достаточно редко встречаются в природе, и большое их количество является эффективными индикаторами.

Применение радиоизотопов привело к увеличению чувствительности при использовании индикаторов, так как по сравнению со стабильными изотопами даже небольшое количество радиоактивных изотопов можно обнаружить гораздо легче и быстрее.

Радиоактивные индикаторы впервые были использованы в 1913 году венгерским физиком Георгом Хевеши (1885–1966). В то время единственными доступными радиоактивными изотопами были изотопы, составляющие различные радиоактивные ряды. Хевеши использовал свинец–210 для определения растворимости слаборастворимых соединений свинца. (Измерив уровень радиоактивности соединения до и после реакции, он определил долю присоединившегося свинца–210 и предположил, что эта доля была одинакова для всех изотопов свинца.)

В 1923 году Хевеши пометил соединение свинца изотопами свинца–212 и изучил поглощение свинца растениями. Это стало первым применением индикаторов в биологии. Однако в естественных условиях живая ткань не содержит свинца, более того, свинец является сильнейшим ядом. Поведение ткани в присутствии свинца не является нормальным. По-настоящему широко применять радиоизотопы в биологии стали лишь после Второй мировой войны, когда появилась возможность получать в достаточном количестве радиоизотопы более «полезных» элементов.

Еще одним препятствием для применения радиоизотопного анализа было то, что у наиболее характерных для ткани элементов очень мало радиоизотопов. 90% мягких тканей тела состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Например, самым долгоживущим радиоизотопом азота является азот–13, период полураспада которого равен всего лишь 10 минутам. Это значит, что, получив азот–13, нужно ввести его в состав подходящего химического соединения, затем каким-либо образом внедрить в ткань, где тот встретится со своей судьбой, после чего изолировать и проанализировать образовавшиеся продукты, и на все про все — не более получаса, хотя даже к этому времени уровень радиоактивности азота–13 понизится на ⁷/₈.

С кислородом дела обстоят еще сложнее. Самый долгоживущий из известных радиоизотопов кислорода — кислород–15, период полураспада которого всего лишь 2 минуты.

До 1940 года самым долгоживущим из радиоизотопов углерода считался углерод–11, период полураспада которого 20 минут. Это пограничный случай. С одной стороны, времени для маневра мало, но с другой — углерод является самым важным из всех элементов живой ткани. Поэтому биохимики начали разрабатывать методы выжимания максимума информации из химических реакций с соединениями, меченными углеродом–11, несмотря на ограничение по времени, вызванное коротким периодом полураспада.

Ученые не ожидали открыть более долгоживущий изотоп углерода. Однако в 1940 году в результате бомбардировки атомов углерода дейтронами (ядрами дейтерия, Н²) был открыт новый радиоизотоп углерода.

Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, и во время бомбардировки дейтронами атомы углерода отдают протоны, удерживая нейтроны. В результате такой (α, p)-реакции атомное число не изменяется, но массовое число увеличивается на единицу. Углерод состоит из двух стабильных изотопов — углерода–12 и углерода–13. Углерод–12 в результате реакции превращается в углерод–13, а вот с углеродом–14 происходит следующее:

или

Углерод–14 является радиоактивным изотопом с неожиданно длинным периодом полураспада — более 5770 лет. А учитывая сравнительно небольшую продолжительность любого лабораторного эксперимента, его радиоактивность можно считать постоянной. Меченные углеродом–14 химические соединения можно использовать в огромном количестве биологических и биохимических экспериментов, и углерод–14, несомненно, является самым пригодным для этих целей радиоизотопом.

В 1946 году американский химик Уиллард Либби (1908–1980) предположил, что углерод–14 должен существовать в природе как результат реакции в присутствующем в атмосфере азоте–14, косвенно вызванной космическими излучениями высокой энергии[136]. Реакция, по сути, является присоединением нейтрона и потерей протона. В результате такой (α, p)-реакции уменьшается лишь атомное число, массовое число остается неизменным. Таким образом:

или

Углерод–14 образуется постоянно и после образования разрушается. Между этими двумя процессами существует определенный баланс, и концентрация углерода–14 в атмосфере (углерод–14 входит в состав углекислого газа) постоянна, хотя и очень мала.

Позже Либби предположил, что, так как растения постоянно поглощают и используют углекислый газ, в их тканях должен содержаться углерод–14 постоянно, хотя и в очень малой концентрации. Углерод–14 должен содержаться и в тканях животных, так как животные питаются растениями (или травоядными животными).

Однако постоянство концентрации поддерживается, только пока ткань жива, так как только в этом случае ткани непрерывно впитывают радиоактивный углерод (путем поглощения атмосферного углекислого газа или переваривания пищи). Как только организм погибает, поглощение углерода–14 прекращается, а уже имеющееся его количество начинает равномерно уменьшаться.

Все, что когда-то было частью живого организма, можно проанализировать на предмет количества углерода–14 и таким образом определить, сколько времени прошло с момента гибели организма. Такой метоп, радиоактивного датирования широко применяется в археологии. С его помощью удалось определить возраст дерева, найденного в древней египетской гробнице (около 4800 лет), и дерева, найденного в древней этрусской гробнице (около 2730 лет). Таким же образом был определен возраст Библии.

Можно определить возраст древних деревьев, сваленных наступающими ледниками, а также возраст деревьев, прибитых к берегам, образованным тающими ледниками. Ученые были удивлены, когда обнаружили, что ледовые щиты, покрывавшие Северную Америку, последний раз наступали всего лишь 25 000 лет назад и достигли максимальной площади 18 000 лет назад. 10 000 лет назад отступающие ледники вновь начали наступать и окончательно исчезли из района Великих озер лишь в 6000 году до н.э. (когда начали зарождаться первые цивилизации).

(α, p)-реакция, приведшая к обнаружению углерода–14, еще раньше привела к открытию единственного радиоизотопа водорода. В 1934 году австрийский физик Маркус Олифант (1901–2000) бомбардировал газообразный дейтерий дейтронами. То есть ядра тяжелого водорода (Н₂) были одновременно и ядрами-мишенями, и бомбардирующими частицами:

или

У образующегося в результате такой реакции водорода–3 неожиданно длинный период полураспада — 12,26 года. Он получил название тритий (от греч. «три»). Тритий также образуется в атмосфере под действием излучений высокой энергии и в крайне малой концентрации присутствует в обычной воде. В особых случаях радиоактивное датирование идет по тритию.

Единицы радиоактивности

При использовании радиоизотопов важно знать не только их массу, но и скорость распада, так как именно она определяет количество излучаемых частиц на единицу массы, и именно эти частицы нужно обнаружить.

Скорость распада (R_b) радиоизотопа можно выразить следующим образом:

где N — общее количество радиоактивных атомов; Т — период полураспада в секундах.

Возьмем грамм радия. Массовое число самого долгоживущего изотопа радия (его в большинстве случаев и называют «радием») равно 226. Это означает, что в 226 граммах радия содержится число Авогадро, т. е. 6,023∙10²⁸ атомов (см. гл. I). Таким образом, количество атомов в одном грамме радия равняется числу Авогадро, разделенному на 226, или 2,66∙10²'. Период полураспада радия-226 — 1620 лет, или 5,11∙10¹⁰ секунд.

Подставив в формулу 10.6 N= 2,66∙10²¹, а вместо Т — 5,11∙10¹⁰, получаем = 3,6∙10¹⁰. Это значит, что в грамме радия каждую секунду распадается 36 000 000 000 атомов.

В 1910 году единица, обозначающая количество атомов, распадающихся в одном грамме радия за одну секунду, получила название кюри, в честь первооткрывателей радия. К тому времени были проведены более точные расчеты, в ходе которых выяснилось, что за секунду в грамме радия распадается 37 000 000 000 атомов.

Таким образом, за 1 кюри принят распад 3,7∙10¹⁰ атомов в секунду. Количество распадов в одном грамме радиоизотопа является его удельной радиоактивностью. Удельная радиоактивность атома радия равняется 1 кюри на грамм.

А как быть с другими изотопами? Скорость распада обратно пропорциональна периоду полураспада. Чем дольше период полураспада, тем меньше атомов распадается за одну секунду в данном количестве вещества, и наоборот. Получается, что скорость полураспада пропорциональна T_r/T_i где T_r — период полураспада радия–226, а T_i — период полураспада данного изотопа.

При фиксированной скорости полураспада количество атомов, распадающихся в грамме изотопа, обратно пропорционально массовому числу изотопа. Если изотоп тяжелее радия–226, то в одном его грамме содержится меньше атомов, и количество распадающихся в одном грамме атомов также будет меньше. Количество распадающихся атомов пропорционально M_r/M_i где M_r — массовое число радия–226, а M_i — массовое число данного изотопа.

Удельная радиоактивность (S_H) радиоизотопа, т. е. количество распадающихся атомов в одном грамме за одну секунду, по сравнению с одним граммом радия, зависит от периодов полураспада и массовых чисел следующим образом:

Так как период полураспада радия–226 равен 5,11∙10¹⁰ секундам, а его массовое число равно 226, числитель формулы 10.7 равен 226(5,11∙10¹⁰) = 1,15∙10¹³. Тогда:

Например, для углерода–14, с периодом полураспада 5770 лет, или 1,82∙10^– секунд, и массовым числом 14, значение T_iM_i равно 2,55∙10¹². Разделив 1,15∙10¹³ на 2,55∙10¹², получаем, что удельная радиоактивность углерода–14 равна 4,5 кюри на грамм. Период полураспада углерода–14 длине равен периода полураспада радия–226, соответственно скорость его распада ниже. С другой стороны, углерод–14 гораздо легче радия–226, значит, в одном грамме углерода–14 распадается больше атомов, и фактическое количество распадающихся атомов в одном грамме углерода–14 выше, чем в одном грамме радия–226, несмотря на более низкую скорость распада.

В целом у большинства используемых в лаборатории радиоизотопов периоды полураспада короче, а массовые числа меньше, чем у радия, поэтому удельная радиоактивность, как правило, очень высока.

Так, например, период полураспада углерода–11 20,5 минуты, или 1230 секунд, массовое число — 11 и удельная радиоактивность — 850 000 000 кюри на грамм.

Впрочем, эти радиоизотопы никогда не используются в граммах. Во-первых, такое их количество просто невозможно получить, а во-вторых, если даже это было бы возможно, оно слишком опасно. Кроме того, большие количества просто не нужны. При точном обнаружении частиц удобно использовать гораздо меньшие, чем 1 кюри, единицы, например милликюри (¹/₁₀₀₀ кюри) и микрокюри ¹/_1000000 кюри). Один микрограмм углерода–11 равноценен 850 микрокюри.

Даже один микрокюри означает распад 36 000 атомов в секунду. На практике удается зафиксировать в лучшем случае распад четырех атомов в секунду, то есть ¹/₉₀₀₀ кюри, или 1,1∙10¹⁰ кюри.

В какой-то мере пользоваться кюри неудобно из-за того, что эта единица отражает распад большого и «нечетного» количества атомов в секунду. Поэтому была введена новая единица — резерфорд (названная так в честь создателя ядерной модели атома). Один резерфорл — это распад миллиона атомов в секунду.

Таким образом, в 1 кюри — 37 000 резерфордов, а в 1 резерфорде — 270 микрокюри.

Бомбардировка нейтронами

Как только был открыт нейтрон, физики сразу решили использовать его в ядерных реакциях в качестве бомбардирующей частицы (что и привело к получению радиоизотопов в огромных количествах). Однако у нейтрона нет заряда, и он плохо подходил для этой роли, так как нейтрон невозможно ускорить при помощи магнитного поля, а ведь именно этот способ применяется во всех типах ускорителей частиц.

В 1935 году американский физик Роберт Оппенгеймер (1904–1967) нашел выход из сложившейся ситуации. Он предложил вместе нейтрона использовать дейтрон. Дейтрон состоит из относительно слабо связанных друг с другом протона и нейтрона. Дейтрон обладает электрическим зарядом (+1), значит, его можно ускорять. Когда разогнанный дейтрон подлетает к ядру-мишени, то положительно заряженное ядро начинает отталкивать протон дейтрона, иногда с достаточной силой, чтобы тот «оторвался» от нейтрона. Протон отлетает в сторону, однако нейтрон, поскольку силы отталкивания на него не действуют, продолжает лететь в сторону ядра и в случае попадания может к нему присоединиться. В результате происходит (d, p)-реакция по типу, описанному в уравнениях 10.3 и 10.5.

Да, сами нейтроны ускорять нельзя, но это не так уж и важно. Более того, нейтрон, не притягиваемый и не отталкиваемый электрическим зарядом, попадет в ядро (в случае правильного прицеливания), даже если его кинетическая энергия очень мала.

В 1930-х годах ученые получали потоки нейтронов в результате бомбардировки атомов альфа-частицами. Смесь из источника альфа-частиц и бериллия служила очень удобным источником нейтронов.

Ядро-мишень может присоединить нейтроны, не выделяя при этом никаких частиц. За счет полученной от нейтрона кинетической энергии ядро переходит в возбужденное состояние и просто излучает избыток энергии в виде протона гамма-луча. Это (n, γ)-реакция. При записи такой реакции можно не указывать уровень энергии:

или

Таким образом, для получения изотопов с большим атомным числом нейтрон использовать даже удобнее, чем дейтрон.

Часто образующийся в результате бомбардировки нейтрона изотоп является радиоактивным и распадается, испуская бета-частицу. В результате этого массовое число остается неизменным, однако атомное число увеличивается на единицу. Например, период полураспада бета-излучателя кадмия–115 равняется 45 дням, после чего он превращается в индий–115.

Кадмий-117, образовавшийся в результате бомбардировки нейтронами кадмия–116, последовательно распадается на два других элемента. Кадмий–117 является бета-излучателем с периодом полураспада около трех часов, после чего он становится индием–117. Индий–117 является бета-излучателем с периодом полураспада около двух часов, после чего в результате испускания бета-частицы он превращается в стабильный изотоп олова–117.

В большинстве случаев путем бомбардировки нейтронами можно получить элемент с атомным числом на 1–2 единицы выше исходного. Эффективность такого способа зависит от вероятности (n, γ)-реакции, которая зависит от следующих факторов.

Представьте себе вещество-мишень, площадь которого равняется 1 см и оно содержит N атомных ядер. Предположим, что это вещество бомбардируется I частицами, которые в секунду попадают в A атомных ядер.

Таким образом, площадь попадания альфа-частиц в секунду составляет A/N атомов.

Впрочем, A/N атомов — это результат попадания всех частиц I. Разделив A/N на I, узнаем площадь попадания одной частицы. Размер площади попадания одной частицы называется ядерным сечением и обозначается как σ (греческая «сигма»). Таким образом:

В результате такого анализа становится ясно, что для возбуждения реакции бомбардирующая частица должна попасть в определенную зону, σ квадратных сантиметров в диаметре, в центре которой находится ядро-мишень. Значение ядерного сечения, получаемое по формуле 10.10, обычно колеблется в пределах 10^-24кв. см. Для удобства физики приняли за 10^–24 кв. см за один барн. (По-английски barn — это «амбар». Название возникло в результате утверждения, что по субатомным меркам попасть в зону площадью 10^-24 кв. см — все равно что попасть в стену амбара.)

Значение ядерного сечения варьируется в зависимости от свойств ядра-мишени и бомбардирующей частицы. В 1935 году итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) обнаружил, что вероятность ядерной реакции повышается, если бомбардирующие нейтроны проходят сквозь воду или парафин. Другими словами, после того как определенный нейтрон проходит сквозь воду или парафин, для этого нейтрона и конкретного ядра-мишени ядерное сечение увеличивается.

Проходя сквозь воду или парафин, нейтроны сталкиваются с легкими атомами. Эти атомы очень устойчивы и практически не присоединяют дополнительных нейтронов. (Другими словами, ядерное сечение поглощения нейтронов у этих атомов очень мало.) В результате нейтроны от этих атомов отталкивались.

Когда два объекта отталкиваются друг от друга, между ними происходит перераспределение кинетической энергии. Если один объект движется, а второй находится в состоянии покоя, то движущийся объект теряет какое-то количество энергии, а покоящийся — приобретает. Если масса объектов одинакова или почти одинакова, то энергия между ними разделится поровну.

Гораздо проще понять это, если взять вместо мельчайших субатомных частиц обычные предметы. Когда движущийся бильярдный шар сталкивается с шариком для пинг-понга, то, как и в случае столкновения нейтрона и электрона, шарик для пинг-понга отскочит в сторону с огромной скоростью, в то время как бильярдный шар, потеряв совсем немного энергии, продолжит движение в том же направлении. С другой стороны, если движущийся бильярдный шар столкнется с пушечным ядром, то, как и в случае столкновения нейтрона и ядра атома свинца, бильярдный шар отскочит, сохранив энергию, в то время как ядро останется практически нетронутым. Однако когда бильярдный шар сталкивается с бильярдным шаром, то уровень энергии и того и другого станет примерно одинаковым.

Получается, что наиболее эффективно нейтрон тормозится в случае столкновения с ядрами легких атомов, например водорода, бериллия или углерода, что и происходит, когда нейтрон проходит сквозь состоящие из таких атомов вещества, например воду или парафин. Такие вещества выступают в роли замедлителей. В конце концов нейтроны тормозятся до скорости движения содержащихся в атмосфере атомов и молекул под действием температуры (см. ч. I). Такие нейтроны называются тепловыми.

Но почему в результате замедления нейтронов ядерное сечение увеличивается? Давайте вспомним, что нейтроны обладают не только свойствами частиц, но и свойствами волн. В 1920-х годах было доказано, что электроны демонстрируют волновые свойства, как предсказывал Бройль (см. гл. 6), но оставалось неясным, относится ли это к незаряженным частицам. В 1936 году было обнаружено, что, проходя через кристаллы, нейтроны рассеиваются, значит, свойствами частиц и волн обладает любая материя, а не только электрически заряженная.

В процессе торможения частица теряет энергию, что приводит к увеличению длины испускаемой этой частицей волны. Таким образом, в процессе торможения нейтрон становится более «размытым» и «широким». Большой, медленный нейтрон с большей вероятностью попадет в ядро, чем маленький и быстрый, и поэтому с большей вероятностью вызовет ядерную реакцию. Кроме того, медленный нейтрон дольше остается в непосредственной близости с ядром-мишенью, что также увеличивает вероятность ядерной реакции.

Синтетические элементы

Появление в 1930-х годах новых методов стимулирования ядерных реакций привело не только к получению не встречающихся в природе изотопов, но и к созданию не существующих в природе элементов.

В 1930-х годах в таблице элементов с атомными числами от 1 до 92 включительно оставались всего четыре незаполненные клетки — 43, 61, 85 и 87.

Первым обнаружили элемент с атомным числом 43. Лоуренс, изобретатель циклотрона, подверг атомы молибдена бомбардировке дейтронами, в результате чего в ходе (d, n)-реакции образовался элемент номер 43:

В 1937 году образец облученного молибдена попал в руки к итальянскому физику Эмилио Сегре (1905–1989). Химическими способами он протестировал образец на предмет предполагаемого радиационного излучения элемента номер 43. Излучение действительно существовало, и таким образом было доказано, что элемент 43 действительно присутствует в молибдене. Так как этот элемент был первым элементом, созданным в результате вызванных человеком ядерных реакций, он получил название (технеций («искусственный»).

Технеций стал не только первым созданным человеком элементом, но и первым легким элементом (то есть атомное число которого меньше 84), не имеющим ни одного стабильного изотопа. Существуют не менее трех изотопов технеция с достаточно длинным периодом полураспада: технеций–97 — 2 600 000 лет, технеций–98 — 1 500 000 лет и технеций–99 — 210 000 лет. Тем не менее абсолютно стабильных изотопов технеция не существует. Так как продолжительность периодов полураспада мала по сравнению с возрастом Земли и так как изотопы технеция не являются членами какого-либо радиоактивного ряда, в земной коре технеций в измеримом количестве не встречается.

В 1939 году французский химик Маргарита Пере в продуктах распада урана–235 обнаружила изотоп элемента 87. Она назвала его франций, по названию своей родной страны. Чуть позже в радиоактивных рядах был обнаружен элемент 85, и уже в 1940 году его удалось получить искусственным путем в результате бомбардировки альфа-частицами атомов висмута. Элемент получил название астатин («нестабильный»). Реакция выглядит так:

или

(Переехавший к этому моменту в США Сегре стал один из членов группы ученых, которым удалось выделить астатин.)

Элемент номер 61 был открыт в 1948 году (при обстоятельствах, о которых я расскажу позже) командой американского химика Чарльза Кориела. Элемент получил название прометий. Это был уже второй случай элемента без стабильных изотопов. Период полураспада самого долгоживущего изотопа — прометия–145 — составлял всего 18 лет.

Таким образом, к 1948 году периодическую таблицу наконец удалось заполнить полностью. Однако была открыта верхняя часть таблицы. Ферми, которому не давала покоя возможность путем бомбардировки нейтронами поднимать атомное число ядра-мишени на 1–2 единицы, начиная с 1934 года занимался бомбардировкой атомов урана нейтронами.

Он предположил, что, возможно, уран–239 образуется из урана–238. Испуская бета-частицы, уран–239, возможно, становится элементом 93, а затем элементом 94. Ферми решил, что он уже показал этот процесс, и поэтому назвал элемент 93 «ураном X».

Когда ученые открыли возможность деления ядра урана (см. ниже), оказалось, что заслуги Ферми не ограничиваются выделением элемента 93, и на какое-то время о элементе 93 забыли. Однако когда страсти вокруг деления ядра немного поутихли, ученые вновь вернулись к элементу 93. Образование урана–239 являлось хоть и не основным, но все же результатом бомбардировки атомов урана нейтронами. Реакция действительно имела место.

Это было доказано в 1940 году американским физиком Эдвином Макмилланом и его коллегой, американским химиком Филипом-Хауге Эйблсоном. Они обнаружили источник радиоактивного излучения с периодом полураспада 2,3 дня, атомным числом 93 и массовым числом 239. Так как уран был назван в честь планеты Уран, то элемент «выше» урана был назван нептуний, в честь планеты Нептун, располагающейся «выше» Урана.

Казалось очень вероятным, что нептуний–239 являлся бета-излучателем и распадался до элемента с атомным числом 94. К несчастью, радиоактивность образующегося в результате этого изотопа была настолько мала, что в малых количествах его было практически невозможно обнаружить. Однако в том же году Макмиллану и его новому ассистенту, американскому химику Гленну Сиборгу, в результате бомбардировки атомов урана дейтронами удалось получить нептуний–238:

или

Нептуний–238 испускал бета-частицу и становился изотопом элемента 94 с достаточно высокой для обнаружения радиоактивностью. Новый элемент получил название плутоний, в честь планеты Плутон, находящейся еще дальше, чем Нептун.

Как только плутоний удалось получить в достаточном количестве, его подвергли бомбардировке альфа-частицами, в 1944 году исследовательская группа во главе с Сиборгом получила изотопы элемента 95 (америций, в честь Америки) и 96 (кюрий, в честь Кюри).

Группе Сиборга удалось получить элементы и с большим атомным числом. В 1949-м и 1950 годах путем бомбардировки америция и кюри альфа-частицами были получены элементы 97 и 98.

Элемент 97 получил название берклий, а элемент 98 — калифорний, в честь города Беркли в штате Калифорния, где находилась исследовательская лаборатория.

В лабораторных условиях элементы 99 и 100 удалось получить в 1954 году, однако двумя годами ранее, в 1952 году, изотопы этих элементов были обнаружены в осадках после взрыва водородной бомбы во время испытаний на острове в Тихом океане. Ко времени подтверждения и опубликования результатов открытий Эйнштейн и Ферми уже умерли, и в их честь элементы 99 и 100 были названы эйнштейний и фермий.

В 1955 году в результате бомбардировки эйнштейния альфа-частицами был получен элемент 101, менделевий, названный так в часть создателя периодической таблицы Менделеева. В 1957 году институт Нобеля в Стокгольме объявил об открытии элемента 102, нобелия[137], а в 1961 году был обнаружен элемент 103, названный лавренцием (лоуренсием) в честь изобретателя циклотрона, умершего за несколько лет до этого. В 1964 году советские физики объявили о получении элемента 104, но эта информация подтвердилась не сразу.

Элементы выше урана называются трансурановыми. Удалось получить более сотни изотопов этих элементов. В табл. 11 представлены наиболее долгоживущие из известных изотопов этих элементов.

Основной теоретический интерес к этим элементам заключается в том, что они Пролили свет на верхнюю часть периодической таблицы. До открытия трансурановых элементов, на основе некоторых опытных химических данных, торий в периодической таблице поместили под гафнием, протактиний — под танталом, а уран — под вольфрамом.

Согласно этому принципу, открытый нептуний следовало бы поместить перед рением. Однако химические свойства нептуния были аналогичны свойствам урана и трансурановых элементов. Оказалось (Сиборг первым предположил это), что элементы начиная с актиния образовывали новый ряд «редкоземельных» элементов (см. гл. 1), соответственно их нужно поместить под первым рядом редкоземельных элементов (от лантана и далее), что и сделано в периодической таблице (см. гл. 1).

Первый ряд, от лантана до лютеция включительно, сегодня называют лантаноидами, по названию первого члена этого ряда. По аналогии второй ряд, от актиния до лавренция включительно, называют актинидами. Лавренций является последним членом ряда актинидов, и химики уверены, что, как только элемент 104 удастся получить в достаточном для изучения его химических свойств количестве, окажется, что он по своим свойствам будет похож на гафний.

Хотя периоды полураспада некоторых изотопов трансурановых элементов и длинные по человеческим меркам, по меркам геологическим все они слишком короткие. (Тем не менее следы нептуния и плутония были найдены в урановых рудах. Они появились в результате взаимодействия нейтронов и урана, вызванного ядерной реакцией, возникающей под действием космических излучений высокой энергии.)

Особенный интерес представляет нептуний–237. В результате деления его массового числа на 4 остаток равен 1, значит, нептуний–237 принадлежит к ряду элементов 4x + 1. Элементы этого радиоактивного ряда в природе не встречаются (см. гл. 8). Период полураспада нептуния–237 более 2 миллионов лет, и, по последним сведениям, это самый долгоживущий элемент данного ряда. Значит, нептуний–237 вполне может быть родительским элементом нептуниевого ряда. Его дочерние элементы не повторяют ни один из элементов трех других радиоактивных рядов (см. табл. 12).

Основной чертой нептуниевого ряда является то, что он, в отличие от трех других рядов, заканчивается висмутом, а не свинцом. Раз родительский элемент не дошел до наших дней, то не дошли и менее долгоживущие дочерние элементы. Из всего ряда встречается только конечный стабильный изотоп — висмут–209.

Нуклоны, четность и нечетность

Когда перед глазами весь список изотопов — стабильных и нестабильных, — можно сделать определенные утверждения о структуре ядра.

Для начала возьмем атом, ядро которого состоит из одного лишь протона. Получим атом водорода–1. Ядро не может содержать больше одного электрона, если в нем нет нейтронов. Среди элементов с маленькими атомами стабильные ядра состоят из равного или почти равного количества протонов и нейтронов. Так, у ядра водорода–2 1 протон и 1 нейтрон, у гения-4 — 2 протона и 2 нейтрона, у углерода–12 — 6 протонов и 6 нейтронов, у кислорода–16 — 8 протонов и 8 нейтронов, у серы–32 — 16 протонов и 16 нейтронов, у кальция–40 — 20 протонов и 20 нейтронов.

Дальше ситуация меняется. Стабильные ядра всех элементов тяжелее кальция–40 содержат больше нейтронов, чем протонов, причем чем выше массовое число, тем больше дисбаланс между нейтронами и протонами. Так, ядро наиболее распространенного изотопа железа — железо–56 — состоит из 26 протонов и 30 нейтронов, то есть соотношение нейтронов и протонов (n/p) равно 1,15. Ядро наиболее распространенного изотопа серебра — серебро–107 — состоит из 47 протонов и 60 нейтронов, соотношение n/p равно 1,27. Ядро единственного стабильного изотопа висмута — висмута–209 — состоит из 83 протонов и 126 нейтронов, соотношение n/p равно 1,52. Ядро наиболее тяжелого из встречающихся в природе изотопов урана — урана–238 — состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, то есть соотношение n/p равно 1,59.

Очевидно, что чем больше протонов содержится в ядре, тем больше избыточных нейтронов необходимо для поддержания стабильности ядра. (Хотя конечно же слишком большой избыток нейтронов — это так же плохо, как и их недостаток.)

Понятно, что существование парных протонов оказывает на ядро стабилизирующий эффект. Из всех атомных ядер, состоящих из более чем одного нуклона, ядра с парными протонами (имеющие четное атомное число) более распространены во Вселенной. 98% нашей планеты (как коры, так и внутренней ее части) состоит из 6 основных элементов: железа, кислорода, магния, кремния, серы и никеля. Атомные числа этих элементов соответственно 26, 8, 12, 14, 16 и 28. Как вы видите, все четные.

Четные количества нейтронов по сравнению с нечетными легко стабилизируются. Для элементов выше 83, сколько бы ни было нейтронов, стабильности все равно добиться невозможно. Однако два элемента этой группы почти стабильные — это торий и уран, атомные числа которых четные (90 и 92). С другой стороны, среди всех элементов с атомными числами до 83 только два вообще не имеют стабильных изотопов. Это технеций и прометий, атомные числа которых нечетные (43 и 61).

Теперь рассмотрим количество изотопов на элемент. У 21 элемента только один встречающийся в природе изотоп. Из них только у двух элементов четные атомные числа: у бериллия (4), у тория (90). У оставшихся 19 элементов атомные числа нечетные. Есть еще 23 элемента, у которых два встречающихся в природе изотопа. Опять-таки только у двух из них атомные числа четные: у гелия (2), у урана (92). У оставшихся 21 элемента атомные числа нечетные.

Видимо, при наличии нечетного числа протонов в ядре стабильность возможна только в случае одного, максимум двух определенных наборов нейтронов. Только один элемент с нечетным атомным числом имеет три изотопа — это калий (атомное число 19). Его изотопы: калий–39, калий–40 и калий–41. Однако калий–40 все же проявляет слабые радиоактивные свойства и в природе встречается достаточно редко.

С другой стороны, все элементы (кроме четырех) с четными атомными числами имеют более двух встречающихся в природе изотопов, а у олова (атомное число 50) их целых 10. Похоже, при наличии четного числа протонов в ядре достичь стабильности настолько легко, что она возможна практически при любом количестве нейтронов в ядре.

Нейтроны также чаще всего встречаются парами. Наиболее распространенными изотопами шести элементов, составляющих 98% Земли (см. выше), являются железо–56, кислород–16, магний–24, кремний–28, сера–32 и никель–58. Содержание протонов и нейтронов равно 26–30, 8–8, 12–12, 14–14, 16–16 и 28–30. Во всех случаях количество и нейтронов и протонов четное («четно-четное ядро»).

У элементов с нечетным атомным числом, имеющих лишь один встречающийся в природе изотоп, ядра этих изотопов содержат четное количество нейтронов («нечетно-четное ядро»). Например, фтор–19 (9 протонов, 10 нейтронов), натрий–23 (11 протонов, 12 нейтронов), фосфор–31 (15 протонов, 16 нейтронов) и золото–197 (79 протонов, 118 нейтронов).

У элементов с нечетным атомным числом, имеющих два встречающихся в природе изотопа, практически всегда оба изотопа имеют четное количество нейтронов в ядре. Например, у хлора есть два изотопа — хлор–35 и хлор–37, — ядра которых состоят из 17 протонов и 18–20 нейтронов. У меди есть два изотопа — медь–63 и медь–65, — ядра которых состоят из 29 протонов и 34–36 нейтронов. У серебра есть два изотопа — серебро–117 и серебро–199, — ядра которых состоят из 47 протонов и 60–62 нейтронов.

У элементов с четным атомным числом, имеющих три и более встречающихся в природе изотопов, нейтронов обычно больше, чем у элементов с нечетными атомными числами («четно-нечетные ядра»). Например, у ксенона 9 встречающихся в природе изотопов, 7 из которых имеют «четно-четные ядра» (ксенон–124, 126, 128, 130, 132, 134 и 136). Количество протонов везде одинаково, 54, а вот нейтронов соответственно 70, 72, 74, 76, 78, 80 и 82. В природе встречаются только два изотопа ксенона с «четно-нечетными» ядрами. Это ксенон–129 и ксенон–131, количество нейтронов в ядрах которых равно 75 и 77.

У любого элемента может быть не более двух изотопов с «четно-нечетными» ядрами. Исключением является олово, у которого таких изотопов три: олово–115, олово–117 и олово–119. Количество протонов в ядрах этих изотопов равно 50, а нейтронов — 65, 67 и 69. (Помимо этих трех изотопов, у олова есть еще 7 изотопов с «четно-четными» ядрами.)

Самым редким типом ядра является «нечетно-нечетное» ядро, состоящее из нечетного количества и протонов, и нейтронов. В природе встречаются лишь 9 изотопов с такими ядрами. 5 из них слаборадиоактивны, а оставшиеся 4 являются простейшими и абсолютно стабильными.

4 стабильных изотопа с «нечетно-нечетными» ядрами — это водород–2 (1 протон, 1 нейтрон), литий–6 (3 протона, 3 нейтрона), бор–10 (5 протонов, 5 нейтронов) и азот–14 (7 протонов, 7 нейтронов). Относительное содержание трех из этих изотопов очень низкое. На 7000 атомов водорода встречается только один атом водорода–2, на 27 атомов лития — только два атома лития–6, а на 5 атомов бора — только один атом бора–10.

Азот–14 — удивительный член этой группы. Из 1000 атомов азота 996 являются атомами азота–14, что намного превосходит количество второго стабильного изотопа азота — азота–15, — структура ядра которого является «нечетно-четной» (7 протонов и 8 нейтронов).

Стабильность альфа-частицы, состоящей из пары протонов и пары нейтронов, очень высока. Радиоактивные элементы испускают нуклоны в количестве не меньше одной альфа-частицы.

Альфа-частицы настолько стабильны, что ядро, состоящее из двух альфа-частиц (4 протона и 4 нейтрона), крайне нестабильно, будто альфа-частицы настолько самостоятельны, что «не хотят» соединяться. Такое ядро у бериллия–8, период полураспада которого около 3∙10^–16 секунд.

С другой стороны, стабильность углерода–12, кислорода–16, неона–20, магния–24, кремния–28, серы–32 и кальция–40, ядра которых можно представить как объединение 3, 5, 6, 7, 8 и 10 альфа-частиц, соответственно очень высока.

В свете только что сказанного можно частично объяснить феномен естественной радиоактивности. Атомы таких элементов, как уран–238 и торий–232, для достижения стабильности стремятся уменьшить количество протонов в ядре до 83.

Для достижения этого они испускают альфа-частицы, но в этом случае уменьшается не только количество нейтронов, но и количество протонов. Нейтроны и протон убывают в равных количествах, и соотношение n/p растет, поскольку нейтроны и так содержатся в таких ядрах в избытке. Так, соотношение n/p урана–238 (92 протона, 146 нейтронов) равно 1,59. Если уран–238 для достижения возможной стабильности испустит 5 альфа-частиц, он потеряет 10 протонов, а его атомное число уменьшится до 82 (то есть до свинца). Однако он потеряет еще и 10 нейтронов, и его массовое число упадет на 20 единиц, и уран–238 превратится в свинец–218 (82 протона, 136 нейтронов), соотношение n/p которого равно 1,66. При столь высоком соотношении n/p ни о какой стабильности не может быть и речи. И действительно, свинец–218 обнаружить так и не удалось. Самым тяжелым из известных изотопов свинца является свинец–214, период полураспада которого менее получаса.

Для достижения стабильности с понижением атомного веса должно понижаться и соотношение n/p. Для этого нейтрон превращается в прогон, и происходит излучение бета-частицы. Путем комбинации альфа- и бета-излучений уран–238 становится свинцом–206, теряя при этом 10 протонов и 22 нейтрона, то есть соотношение n/p уменьшается с 1,59 до 1,51.

Совпадения в комбинациях протонов и нейтронов говорят о том, что структура ядер стабильных элементов формируется согласно каким-то определенным закономерностям, а не хаотично. По аналогии с периодической таблицей, основанной, как выяснилось позже, на существовании электронных оболочек, некоторые физики пытались объяснить свойства ядер на основе системы ядерных оболочек.

В 1948 году польский физик Мария Гёпперт-Майер (1906–1972) развила эту систему. Она обнаружила, что наиболее стабильные или наиболее часто встречающиеся изотопы, ядра которых содержат определенное количество нейтронов и протонов. Это количество называется оболочечным числом или более ярким термином «магическое число». Нейтроны и протоны имеют числа, равные 2, 8, 20, 50, 82 и 126.

Например, ядро гелия–4 состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, кислорода–16 — из 8 протонов и 8 нейтронов, кальция–40 — из 20 протонов и 20 нейтронов. Все эти три изотопа очень стабильны. Элементом с самым большим количеством стабильных изотопов является олово, ядро которого содержит 50 протонов. Также существуют 6 встречающихся в природе изотопов, ядра которых имеют 50 нейтронов (сюда относится и слаборадиоактивный рубидий–87). Есть еще 7 стабильных изотопов, ядра которых содержат 82 нейтрона, и 4 изотопа (свинца), ядра которых имеют по 82 протона.

И дело здесь даже не в количестве изотопов. Те или иные ядерные свойства достигают своего максимума (или минимума) у элементов, ядра которых содержат магическое число нейтронов и протонов. Так, изотопы, ядра которых содержат магическое число протонов или нейтронов, имеют меньшее ядерное сечение, чем другие, схожие по сложности, элементы.

Гёпперт-Майер объясняла феномен магических чисел существованием состоящих из протонов и нейтронов нуклонных оболочек, заполняющихся согласно ядерным квантовым числам. Магические числа означают полностью заполненные оболочки (как в случае с электронными оболочками благородных газов).

У «ядерной периодической таблицы» есть целый ряд побед. С ее помощью удалось определить, какие нуклиды могут существовать в возбужденном состоянии длительное время, образуя ядерные изомеры (см. гл. 8). И все же эта модель довольно противоречива.

Коэффициент уменьшения массы

Стабильность определенного нуклида зависит не только от соотношения п/р, но и, что более важно, от энергии этого нуклида по отношению к другим нуклидам с таким же количеством нуклонов.

Чтобы лучше понять это, начнем с осознания того, что, хотя массовое число изотопа обычно приводится числом целым, на самом деле оно «не совсем» целое. Говоря о кислороде–18, калии–41 и уране–235, мы подразумеваем, что их массовые числа равны соответственно 18, 41 и 235.

С помощью масс-спектрографа Астона (см. гл. 8) удалось с огромной точностью измерить массы отдельных изотопов. Мы знаем, что по отношению к углероду–12 фактическая масса кислорода–18 равна 17,99916, калия–41 — 40,96184, а урана–235 — 23,0439.

Если считать, что ядро состоит из одних лишь нейтронов и протонов, то получились весьма странные результаты. Но разве масса одного нейтрона или протона равна 1? Нет. Относительно углерода–12 масса протона составляет 1,007825, а нейтрона — 1,00865.

Но тогда возникает другой вопрос. Ядро углерода–12 состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Но общая масса 12 отдельно взятых нуклонов равна 12,098940, однако масса тех же самых 12 нуклонов ядра углерода–12 составляет 12,00000, то есть дефект массы равен 0,098940. Куда же делась эта масса?

Понятно, что, согласно формуле Эйнштейна (см. ч. II), избыточная масса перешла в энергию.

При образовании ядра углерода–12 менее 1% общей массы 6 протонов и 6 нейтронов переходит в энергию. Для разложения ядра углерода–12 на отдельные нуклоны требуется энергия, которую накопить достаточно сложно, и именно поэтому ядро углерода–12 не распадается. Энергия, удерживающая нуклоны внутри ядра, гораздо выше энергии, удерживающей атомы внутри молекулы и молекулы внутри твердого вещества. Она также выше энергии, удерживающей электроны внутри атома. Именно поэтому расплавка твердого вещества, разложение химического соединения или даже ионизация атома — плевое дело по сравнению с расщеплением ядра.

И хотя без применения колоссальной энергии расщепить атомное ядро невозможно, внутри его можно провести менее кардинальные изменения, и некоторые из этих изменений происходят спонтанно.

Начнем с того, что чем больше энергии на одну частицу отдается во время формирования ядра путем «упаковки» нескольких отдельных электронов вместе, тем более стабильным будет ядро (при прочих равных). Измерить эту энергию образования ядра можно, выделив массовое число (A) из фактической массы изотопа (A_m). Полученное значение дефекта массы можно разделить на фактическую массу и получить дробное значение дефекта массы. Чтобы избавиться от дроби, результат умножается на 10 000, и в итоге получаем то, что Астон назвал коэффициентом уменьшения массы. Если обозначить его как P_t, то

Чем меньше коэффициент уменьшения массы, тем больше потери массы при образовании ядра и тем выше его стабильность.

Самый высокий коэффициент уменьшения массы у водорода. Фактическая масса ядра водорода–1 (голого протона) равна 1,007825. Подставив это значение (1,007825) в формулу 11.1 вместо A_m, а 1 — вместо A, коэффициент уменьшения массы получим 78,25, что неудивительно, так как единственный протон при формировании ядра никуда не «упаковывается». У отдельного нейтрона коэффициент уменьшения массы еще больше — 86,7.

С другой стороны, коэффициент уменьшения массы лития–7 равен 22.9. при A_m = 7,01601, а A = 7, в то время как коэффициент уменьшения массы углерода–13 равен 2,4, при A_m — 13,00335,

В целом коэффициент уменьшения массы нескольких следующих за водородом–1 элементов уменьшается. Это говорите том что с усложнением ядра отношение n/p становится более «стабильным». Проще говоря, когда два простых ядра образуют более сложное, выделяется энергия.

Коэффициент уменьшения массы азота–15 равен уже 0, однако у ядер еще более сложных элементов этот коэффициент принимает отрицательные значения. (Как следствие того, что мы приняли атомное число углерода–12 за 12. Если бы мы высчитывали атомные веса относительно того, что атомный вес железа–56 равен 56, то коэффициент уменьшения массы не имел бы отрицательных значений.)

Например, значение A_m калия–41 равно 40,96184 a A = 41, значит, коэффициент уменьшения массы равен) –9,3. Минимальное значение коэффициента уменьшения массы у железа–56 равно –11,63. Затем коэффициент уменьшения массы начинает вновь увеличиваться: например, у олова–120 он равен 8,1, а у иридия–191 равен –2,0. Значения коэффициентов элементов в конце периодической таблицы вновь положительные: коэффициент уменьшения массы урана–238 равен +2,1.

Это значит, что самыми стабильными являются атомы средних размеров, например железа и никеля. Энергия выделяется не распаде более сложных атомов на более простые.

Все это отражено в общем устройстве Вселенной. В целом, согласно проведенному на основе астрономических данных анализу распространенности элементов во Вселенной, оказалось, что чем сложнее элемент, тем реже он встречается. Около 90% всех атомов во Вселенной являются атомами водорода (простейшего элемента) и еще 9% — гелия (второй простейший элемент). Вполне вероятно, что благодаря своей стабильности атомы железа также распространены гораздо больше атомов остальных элементов. На примере нашей планеты можно сказать, что это действительно так: малая масса Земли не позволила ей удержать простейшие атомы, однако по массе она на 35% состоит из атомов железа.

Очень мало значение коэффициента уменьшения массы у атомов углерода–12 и кислорода–16 (которые можно рассматривать как состоящие из альфа-частиц) и особенно мало у атома гелия–4 (который и является альфа-частицей).

Коэффициент уменьшения массы лития–6 равен 25,2, а водорода–2 — 70. Раз гелий–4 находится где-то посредине между этими элементами, то можно предположить, что и его коэффициент уменьшения массы также будет иметь среднее значение коэффициентов этих элементов. Однако коэффициент уменьшения массы гелия–4 всего лишь 6,5, что намного меньше, чем у лития–6 и водорода–2. Неудивительно, что гелий, углерод и кислород — самые распространенные элементы во Вселенной.

Стабильность определенного нуклида зависит от значения не только его собственного коэффициента уменьшения массы, но и коэффициента уменьшения массы нуклидов с таким же количеством нуклонов. Например, сам по себе атом натрия–24 (11 протонов, 13 нейтронов) должен быть стабильным. Однако у атома магния–24 (12 протонов, 12 нейтронов) коэффициент уменьшения массы ниже. Поэтому, испуская бета-частицу и меняя тем самым соотношение нуклонов с 11–13 до 12–12, атом магния–24 становится стабильным. В то время как для полного разложения ядра натрия–24 необходимы гигантские энергетические затраты, лишь небольшое количество энергии достаточно для преобразования ядра путем испускания бета-частицы. Атом натрия–24 самопроизвольно испускает бета-частицу и распадется до атома магния–24, период полураспада которого составляет 15 часов.

Сразу два соседних изотопа с равными значениями массового числа не могут быть стабильными. Изотоп с большим коэффициентом уменьшения массы самопроизвольно преобразуется в изотоп с меньшим коэффициентом. Это все равно что скатиться с «энергетической горки»: чем круче горка, тем меньше период полураспада.

Два изотопа с одинаковыми массовыми числами, но не являющиеся соседними, стабильными быть могут. Так, и цинк–64 (30 протонов, 34 нейтрона), и никель–64 (28 протонов, 36 нейтронов) являются стабильными, так как между ними стоит медь–64 (29 протонов, 35 нейтронов), коэффициент уменьшения массы которой больше, чем у никеля–64 и цинка–64. Можно представить, что цинк–64 и никель–64 находятся по обе стороны «энергетической горы», на вершине которой находится медь–64. Изотоп меди–64 нестабилен, и его распад может проходить двумя способами: либо он испускает бета-частицу и становится цинком–64, либо он испускает противоположную бета-частице микрочастицу (см. гл. 13) и становится никелем–64.

Иногда «энергетическая гора» не очень высокая, и лежащие у ее подножия изотопы почти стабильны, как в случае с калием–40 (19 протонов, 21 нейтрон). Этот изотоп находится между двумя стабильными изотопами — аргоном–40 (18 протонов, 22 нейтрона) и кальцием–40 (20 протонов, 20 нейтронов). Сам калий–40 также является слаборадиоактивным изотопом и может распадаться либо до кальция–40, либо до аргона–40.

Ядерная энергия

Как только существование ядерной энергии[138] было признано, ученые сразу начали искать возможные пути ее применения на практике. И действительно, существуют изотопы, которые стоят на вершине крайне пологого склона и медленно, по атому, скатываются с нее. Это конечно же изотопы урана–238, урана–235 и тория–223.

Например, в несколько приемов уран–238 распадается до образования свинца–206, при этом уран–238 испускает бета-частицу и гамма-лучи, массой которых можно пренебречь, а также 8 альфа-частиц, массой которых пренебрегать уже нельзя. Обозначая лишь тяжелые числа, можем записать:

Масса ядра урана–238 равна 238,0506, ядра свинца–206 — 205,9745, а альфа-частицы — 4,00260. Общая масса ядра свинца–206 и 8 альфа-частиц равна 237,9953. Это означает, что в процессе радиоактивного распада урана–238 до свинца–206 каждое ядро урана–238 теряет 238,0506–237,9953, то есть 0,0553 единиц атомной массы.

Можем перевести эти числа в граммы. При полном распаде до свинца 238 граммов урана 55,3 миллиграмма переходят в энергию. Если каждый грамм урана распадается полностью, то 0,255 грамма его массы переходят в энергию.

Вспомним формулу Эйнштейна e = mc², где e — энергия в эрг, m — масса в граммах, а с — скорость света в сантиметрах в секунду. Скорость света равна 3∙10¹⁰ сантиметров в секунду, а квадрат скорости света равен 9∙10²⁰. Умножив это на 0,255 (или на 2,25∙10^–4), получим, что при полном распаде 1 грамма урана высвобождается 2,5∙10²⁰ эрг, или 5 000 000 килокалорий энергии.

При сгорании 1 грамма бензина выделяется 12 килокалорий энергии. Получается, что энергия, полученная в результате распада 1 грамма урана, в 420 000 раз больше энергии, выделяемой при сгорании 1 грамма бензина, и, более того, эквивалентна энергии, выделяемой при взрыве 5000 тонн тротила. Это хороший пример соотношения энергии химической и ядерной реакций.

Почему человек ничего не знал о выделении столь значительной энергии? (Ведь человек всегда знал о выделении относительно небольшой энергии, скажем при горении свечи.) Ответ очень прост. При распаде урана действительно выделяется огромное количество энергии, однако процесс ее выделения растянут во времени. Для выделения половины этой энергии, или 2 500 000 килокалорий, урану необходимо 4 500 000 000 лет. За одну же секунду уран выделяет намного меньше энергии, чем пламя свечи.

Существуют изотопы, радиоактивность которых интенсивнее радиоактивности урана–238. Рассмотрим полоний–212, дочерний нуклид тория–232, всегда присутствующий в его рудах. Испуская альфа-частицу, 1 грамм полония–212 распадется до свинца–208, теряя в результате 0,046 миллиграмма массы, то есть шестую часть массы, теряемой ураном. Значит, при распаде полония–212 выделяется лишь одна шестая часть энергии, выделяемой при распаде урана–238. При распаде полония–212 высвобождается менее 1 000 000 килокалорий. Столько же энергии выделяется при взрыве 1000 тонн тротила. Однако период полураспада полония–212 менее половины секунды, и вся эта энергия освобождается за один миг. Однако набрать целый грамм естественного полония–212 невозможно, даже если собрать весь полоний–212, содержащийся в земной коре.

В 1919 году необходимость поиска естественных источников высокорадиоактивных изотопов отпала, так как появилась возможность их синтезировать. Образно говоря, путем бомбардировки альфа-частицами и ускоренными протонами стало возможно заставить стабильные изотопы лезть вверх по «энергетической горке» и превращаться в радиоизотопы, после чего радиоизотопы рано или поздно съезжали обратно к подножию горы. Можно ли использовать выделяющуюся при этом энергию?

Конечно можно; она и используется каждый раз, когда счетчик фиксирует радиоизотоп или радиоизотоп выступает в роли источника бомбардирующих частиц. Однако это невыгодно: для того чтобы заставить изотопы взобраться по «энергетической горке», нужно гораздо больше энергии, чем та, что выделяется в результате его спускания вниз.

Но возможно ли сделать так, чтобы получаемая энергия была выше затрачиваемой? С одной стороны, можно уменьшить количество потребляемой энергии, если заставить образующийся радиоизотоп образовывать другие радиоизотопы самостоятельно.

Так, в случае попадания нейтрона в ядро углерода–12 при определенных условиях ядро может поглотить нейтрон и испустить два нейтрона. Реакцию можно записать следующим образом:

или

Предположим, что каждый из двух нейтронов, выделяющихся при попадании нейтрона в ядро углерода–12, ударит еще по одному ядру углерода–12, — появятся уже 4 нейтрона и так далее. Ядерные реакции происходят менее чем за миллионную долю секунды, таким образом, если количество распадов увеличивается с 2, 4, 6, 16, 32 до нескольких миллионов за миллионную долю секунды, то весь запас углерода–12 смог бы принять участие в ядерной реакции за долю секунды. Углерод–12 очень распространен, а его энергия высвобождается так же быстро, как и энергия полония–212.

Это все равно что спалить целый лес одной спичкой. Энергии спички достаточно, чтобы поджечь один лист, под действием выделяемой при сгорании листа энергии воспламеняются близлежащие предметы и так далее. Ситуацию, когда продукт реакции необходим для продолжения реакции, химики называют цепной реакцией. С помощью (n, 2n)-распада можно было бы вызвать ядерную цепную реакцию.

Однако этот способ не работает. Во всех случаях необходимы очень быстрые нейтроны высокой энергии. Хотя в результате попадания быстрого нейтрона в ядро-мишень углерода–12 два нейтрона и высвобождаются, они по сравнению с ускоренным нейтроном слишком медленные, чтобы вызвать новую реакцию.

Это все равно что пытаться поджечь мокрый лес. Можно зажечь небольшой огонек, но его энергии не хватит для того, чтобы высушить соседние участки дерева и поджечь их; огонек погаснет. Впрочем, все это не так уж и плохо. В воздухе всегда присутствуют свободные нейтроны низкой энергии. Если бы этой энергии было достаточно для возникновения ядерной цепной реакции, то на большей части земной поверхности постоянно происходили бы ядерные взрывы и планет в современном понимании просто бы не существовало. Сам факт существования Земли говорит о том, что (n, 2n)-распад не может вызвать цепную реакцию атомов обычных элементов.

Ситуация не менялась до 1939 года. Хотя физики и знали, что во Вселенной присутствуют колоссальные запасы ядерной энергии, использовать их на практике пока не представлялось возможным. Некоторые даже считали, что способа использовать эту энергию просто не существует. Резерфорд, например, был убежден, что об источнике ядерной энергии можно лишь мечтать. Он умер всего лишь за несколько лет до того, как эту мечту удалось воплотить в жизнь.

Деление ядра

В конце 1930-х годов ситуация с использованием ядерной энергии резко изменилась. Ферми решил, что в результате бомбардировки урана тепловыми нейтронами ему удалось получить элемент 93. В какой-то мере он оказался прав, но он также вызвал и другие ядерные реакции, спутавшие результаты и оставившие ученого в замешательстве.

Другие физики, занимавшиеся этой проблемой, также пребывали в недоумении. В процессе всех изученных до этого ядерных реакций, как естественных, гак искусственных, испускались очень легкие частицы, самой тяжелой из которых была альфа-частица. Поэтому физики полагали, что различные виды радиоактивного излучения бомбардируемого урана принадлежат атомам, чьи размеры лишь ненамного уступают размерам атома урана.

В 1938 году немецкий физик Отто Ган вместе с австрийским физиком Лизе Майтнер обнаружили, что если добавить к бомбардируемому урану соединения бария, то после этого во время любых химических реакций барий проявлял определенные радиоактивные свойства. Так как с химической точки зрения барий очень похож на радий (в периодической таблице радий следует сразу за барием), Ган предположил, что они имеют дело с изотопом радия.

Однако что бы Ган ни предпринимал, он так и не смог отделить предполагаемую бариевую составляющую радия. Не помогли даже обычные способы выделения бария из радия. Постепенно Ган начал понимать, что он имеет дело не с изотопом радия, а с радиоактивным изотопом бария.

Вы только вдумайтесь в это. Атомное число изотопов бария равно 56, что на 32 единицы меньше, чем атомное число атомов урана. Для того чтобы превратиться в изотоп бария, атому урана нужно испустить целый поток из 8 альфа-частиц. Однако во время бомбардировки альфа-частиц это не было обнаружено. Видимо, во время поглощения нейтрона ядро атома урана, грубо говоря, просто-напросто раскалывается на две половинки. Этот процесс называют делением ядра урана или более общим термином — деление атомного ядра, так как делятся не только атомы урана.

В результате деления ядра изотоп съезжает с вершины «энергетической горки» еще дальше, чем в результате обычных ядерных преобразований. В обычных условиях уран распадется до свинца, коэффициент уменьшения массы которого ниже; во время деления ядра уран превращается в барий и криптон, коэффициенты уменьшения массы которых еще ниже.

Таким образом, превращаясь в результате обычных ядерных преобразований в свинец, 1 г урана теряет около ¼ мг массы, в то время как при делении ядра 1 г урана теряет около 1 мг массы. Другими словами, в результате деления каждый грамм урана выделяет в 4 раза больше энергии, чем при обычном преобразовании.

Деление ядра урана легко объясняется с точки зрения модели структуры ядра Бора. Согласно этой модели, ядро представляет собой нечто вроде капли жидкости. В отличие от модели с оболочками, согласно которой нуклоны заполняют различные оболочки и ведут себя определенным образом, по боровской модели атомного ядра они хаотично соударяются, аналогично молекулам в капле жидкости.

Если в такое ядро попадает еще один нейтрон, то ею энергия быстро распределяется между всеми нуклонами, поэтому ни у одного из них уровень энергии не повышается настолько, чтобы он мог вылететь из ядра. Ядро может испустить избыток энергии в виде гамма-луча, однако существует вероятность, что все ядро начнет колебаться, подобно тому как в аналогичных условиях начинает колебаться капля воды. В результате этого ядро может разделиться на два ядра.

Деление ядра урана не всегда идет одинаково. Коэффициент уменьшения массы у ядер среднего размера отличается не сильно, и в одном случае ядро может разделиться в одной точке, а в другом случае — в другой. Как результат, образуется множество различных радиоизотопов в зависимости от того, каким именно образом прошло деление ядра. Все эти изотопы называются продуктами деления. В большинстве случаев ядро делится на неравные части: массовое число большего ядра колеблется в пределах от 135 до 145, а меньшего — от 90 до 100.

В 1948 году среди продуктов деления были обнаружены изотопы элемента 64. Элемент получил название «прометий», поскольку его удалось выхватить из «ядерной топки» так же, как греческому полубогу Прометею удалось выхватить огонь из Солнца.

В результате образования относительно небольших продуктов деления уран превращается в один из элементов, соотношение n/p которых меньше. Для образования ядер продуктов деления нужно меньше нейтронов, чем есть в ядре исходного атома урана, и эти избыточные нейтроны высвобождаются. Поэтому в результате деления ядра каждый атом урана высвобождает два-три нейтрона.

Возникает вопрос. Если в результате деления ядра атом урана испускает больше энергии, чем в результате обычного распада, тогда почему вместо распада не происходит спонтанного деления ядра урана? Скорее всего, для начала деления ядро атома урана должно поглотить небольшое количество энергии, за счет которой оно взберется на «энергетическую горку» и начнет скатываться, то есть необходимо что-то вроде «ядерного зажигания», подобно тому как для возгорания спички необходимо тепло от трения.

Чем выше энергетический порог, тем меньше вероятность того, что ядро сможет набрать необходимое для его преодоления количество энергии обычным способом — в результате хаотичного распределения и перераспределения энергии между субатомными частицами. Таким образом, чем выше «энергетическая горка», тем меньше ядер распадается за отдельно взятый промежуток времени и тем дольше период полураспада.

При делении ядра урана «энергетическая горка» гораздо выше, чем при обычном распаде атомов урана, и именно поэтому, несмотря на то что в результате деления ядра атом урана обретает большую стабильность, распад происходит гораздо чаще.

И все же иногда по совершенно случайному стечению обстоятельств (а не только в результате добавления еще одного нейтрона) ядру атома урана удается преодолеть энергетический порог, и тогда начинается деление ядра урана без участия нейтронов. Самопроизвольное деление атомов урана было обнаружено в 1940 году советскими физиками Флёровым и Петржаком.

Так как энергетический порог деления выше, выше и период его полураспада. В то время как период полураспада урана–238 в результате испускания альфа-частицы около 4 500 000 000 лет, период его полураспада в результате самопроизвольного деления равен 1 000 000 000 000 лет.

Период полураспада в результате самопроизвольного деления атомов трансурановых элементов меньше. Например, период полураспада в результате самопроизвольного деления атомов кюрия–242 равен 72 000 000 лет, а калифорния–250 — всего лишь 15 000 лет.

Уран–235

Когда Ган пришел к выводу, что нейтроны запускают процесс деления ядра урана, он не спешил опубликовывать свои умозаключения, так как считал их слишком далекими от истины. В это время его давней партнерше по работе Лизе Майтнер, еврейке по национальности, пришлось, скрываясь от гитлеровского режима, переехать в Стокгольм[139]. Позиция самой Майтнер была не очень ясной, что снижало риск получения «далеких от истины» выводов, и 16 января 1939 года она написала письмо в научный журнал «Нейчер», в котором рассуждала о возможности деления ядра урана.

Нильсу Бору Майтнер объяснила все лично, и тот во время своего визита в США рассказал о делении ядра урана на конференции по физике. Физикам быстро удалось проверить правильность выводов Гана, и деление атомного ядра стало главным открытием года.

Венгерского физика Лео Силарда (1898–1964) особенно заинтересовала возможность ядерной цепной реакции. Он был одним из тех, кто рассматривал эту проблему до открытия деления атомного ядра и даже запатентовал способ вызова такой реакции (оказавшийся, впрочем, нерабочим).

Оказалось, что деление ядра урана можно вызвать и другим способом: под действием тепловых нейтронов малой энергии реакция возникала чаше, чем под действием нейтронов высокой энергии. Образующиеся в процессе деления нейтроны обладали достаточной энергией для продолжения деления ядра. Во всяком случае, скорость движения нейтронов нужно было понизить, что сделать достаточно просто.

К этому моменту Вторая мировая война уже началась, и Силард, сбежав от гитлеровской тирании, понимал, какая угроза нависнет над миром, если фашисты приручат ядерную энергию и научатся использовать ее в военных целях. Вместе с еще двумя физиками, Эугеном Вигнером и Эдвардом Теллером, Силард попытался привлечь интерес правительства США к разработке методов запуска ядерной цепной реакции и управления ею.

Они пришли к выводу, что Альберт Эйнштейн был единственным ученым, кто мог бы убедить далеких от науки людей. С большим трудом, преодолев пацифизм ученого, Силарду все же удалось заставить доброго физика написать президенту Рузвельту письмо на тему разработки нового вида оружия. В 1941 году ученым удалось убедить Рузвельта, и он согласился начать крупномасштабные исследования, целью которых было создание оружия, основанного на делении ядра урана. Приказ был подписан 6 декабря, за день до разгрома Пёрл-Харбора.

Для возникновения ядерной цепной реакции необходимо создать условия, отличающиеся от условий в земной коре. Хотя в земной коре уран и присутствует, атмосферные свободные нейтроны не вызывают в нем цепных реакций и, насколько нам известно, никогда не вызывали.

Причина этого в том, что при делении ядра урана (самопроизвольного или вследствие поглощения нейтрона) высвобождающиеся нейтроны поглощаются соседними атомами. Большинство соседних атомов не являются атомами урана и не участвуют в процессе деления ядра. В результате этого выделяющиеся в результате деления ядра урана нейтроны поглощаются, новые не высвобождаются и цепной реакции не происходит.

Таким образом, в ядерной цепной реакции необходимо использовать чистый уран в форме металла или оксида. Металл состоит из одних лишь атомов урана, и в этом случае велика вероятность, что атом урана поглотит высвобождающийся нейтрон другого атома и реакция примет цепной характер.

Впрочем, это требование выполнить было достаточно сложно. До 1941 года уран особо нигде не применялся, поэтому его получали лишь в небольших количествах. Однако даже этот уран не был достаточно чистым. Как только были сделаны первые попытки получить чистый уран в большом количестве, возникли еще более строгие ограничения.

Сразу после признания возможности деления ядра урана Нильс Бор заявил, что с теоретической точки зрения вероятность ядерного деления урана–235 выше, чем урана–238. Вскоре это было подтверждено экспериментальным путем. Получалось, что заставить делиться атомы обычного, пусть даже и очень чистого, урана очень сложно, так как 993 из 1000 атомов урана были атомами урана–238, ядра которых поглощают нейтрон, не начиная при этом делиться, в результате чего цепная реакция не возникает.

Для того чтобы значительно повысить шансы возникновения ядерной цепной реакции, нужно получить уран с большим, чем в обычных условиях, содержанием урана–235. Для этого нужно произвести разделение изотопов, что в крупных масштабах сделать довольно сложно.

Химические свойства различных изотопов одного и того же элемента практически одинаковы, и единственное различие заключается в том, что атомы более тяжелого изотопа медленнее вступают в реакцию. Ярким примером этого является водород–2, масса которого ровно в два раза больше, чем у водорода–1, благодаря чему разделить их довольно легко. Разница же масс урана–238 и урана–235 составляет всего лишь 1,3%.

Лучшим методом разделения изотопов, массы которых мало отличаются, является пропускание содержащего их газа через пористый материал (рассеивание). Молекулы пройдут сквозь поры, причем молекулы, содержащие более легкие изотопы, сделают это быстрее, чем молекулы, содержащие более тяжелые изотопы.

Таким образом, часть газа, прошедшая сквозь пористый материал первой, будет «обогащенной», то есть с большим, чем обычно, содержанием легких изотопов, в то время как часть газа, вышедшая последней, будет «обедненной», так как концентрация легких изотопов в них меньше, чем обычно. Разница между частями очень невелика, однако процесс можно повторить. Части газа с меньшим содержанием легких изотопов можно объединить и снова рассеять сквозь пористый материал. Если повторять процесс достаточное количество раз, то изотопы окажутся разделенными практически полностью. Чем меньше разница в массе изотопов, тем больше необходимо циклов.

Понятно, что для этого метода рассеивания необходим газ, однако ни сам уран, ни его обычные соединения не являются газообразными. Филип-Хауге Эйблсон предложил использовать гексафторид урана (UF₆), не являющийся газообразным веществом при нормальной температуре, однако превращающийся в летучую жидкость уже при 56 °С, а значит, его можно без особых сложностей превратить в газ.

Молекулярный вес гексафторида урана–238 составляет 352, а гексафторида урана–235–349. Разница молекулярных весов всего 0,85%, поэтому процесс рассеивания должен быть действительно длинным. Для этих целей в Оук-Ридж (шт. Теннесси) в начале 1940 года были построены большие сооружения (каскады рассеивания), где UF₆ пропускали через огромное количество пористых преград, а части газа разделялись и объединялись автоматически. В итоге с одного конца образовывался обогащенный гексафторид, а с другого — обедненный.

Атомный котел

По мере продвижения работ по очищению и разделению изотопов стало понятно, что даже в идеальных условиях ядерная цепная реакция не возникнет в ограниченном объеме урана. Даже атомы урана–235 могут и не поглотить летящий нейтрон. Нейтрон может просто-напросто оттолкнуться от атома урана. Причем это может повторяться снова и снова и лишь сотый или даже тысячный атом урана–235 поглотит этот нейтрон.

Если в процессе отталкивания от атомов нейтрон вылетает из активной зоны, он потерян. Если вылетит достаточно большое количество нейтронов, ядерная цепная реакция прервется. Чтобы не допустить этого, нужно минимизировать шансы потерять электрон до поглощения его ядром урана с последующим делением этого ядра. Самым простым способом достичь этого является увеличение активной зоны урана, где происходит деление ядер урана. Чем больше размеры активной зоны, тем от большего количества атомов необходимо оттолкнуться нейтрону до вылета за ее пределы и тем выше шанс поглощения нейтрона.

Если активная зона достаточно большая, из нее вылетает лишь небольшое количество нейтронов, не прерывая ядерной цепной реакции, ее размер называется критическим. Меньшие, подкритические, размеры активной зоны недостаточны для возникновения самоподдерживающейся ядерной цепной реакции.

Критический размер не является абсолютной величиной. Он зависит от природы активной зоны, ее формы и т. д. Критический размер активной зоны обогащенного урана меньше, чем у активной зоны обычного урана, так как чем выше концентрация урана–235, тем меньшее количество раз нейтрон оттолкнется от атомов урана до поглощения и тем меньше шанс вылета нейтрона за пределы активной зоны (любого размера).

Опять-таки критический размер можно уменьшить, если использовать вместо нейтронов высокой энергии нейтроны низкой энергии, так как ядерное сечение урана–235 для медленных нейтронов выше, и в этом случае количество отталкиваний будет ниже. Для замедления нейтронов необходимо использовать замедлитель (см. гл. 10), и для этих целей подойдет графит высокой очистки. Графитовый модератор также может служить отражателем нейтронов. Если вокруг активной зоны урана поместить замедлитель, то вылетающие из нее нейтроны будут отражаться от графита и возвращаться обратно. В этом случае критический размер будет еще меньше.

Для управления ядерной цепной реакцией и предотвращения взрыва урановой активной зоны необходимо устройство, противоположное замедлителю по функциям. От атомов замедлителя нейтроны отталкиваются, а нам нужны атомы, которые бы улавливали нейтроны, не отталкивая и не испуская их. У некоторых изотопов кадмия ядерное сечение для нейтронов очень высоко, и из них можно изготовить «регулирующие стержни» для контроля за реакцией.

В конце 1942 года была предпринята первая попытка вызвать первую самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Это произошло под трибунами футбольного стадиона Чикагского университета, а руководил всем Ферми (в 1938 году эмигрировавший из Италии в Штаты, но не получивший еще гражданства, почему его и можно считать «врагом»).

К тому времени было налажено производство чистого урана как в форме металла, так и в форме оксида. Такой уран не был обогащенным, поэтому его критические размеры были крайне высокими и для возникновения цепной реакции был необходим очень большой «атомный котел». Название «котел» появилось из чисто визуального сходства: штабель кирпичей из урана, оксида урана и графита очень напоминал котел. Кроме того, термин «котел» был достаточно нейтральным и непонятным для непосвященных. После войны термин «атомный котел» еще какое-то время использовался, после чего был замен на гораздо более подобающий «ядерный реактор».

Размеры первого ядерного реактора составляли 9,1 м в ширину, 9,7 м в длину и 6,5 м в высоту, вес — 1400 т, 52 т которого составлял уран. Слои урана, оксида урана и графита сменяли друг друга, оставляя шел и, куда можно было поместить длинные стержни из кадмия.

Предположим, что во время такой реакции за определенный период делится определенное количество ядер атомов урана (n), высвобождая при этом x нейтронов. Y из этих∙нейтронов либо поглощаются атомами урана, не вызывая деления ядра, либо улавливаются другими веществами, либо вылетают из реактора. Значит, по атомам урана–235 попадает x–y электронов, вызывая деление их ядер. Соотношение (x–y)/n называется коэффициент размножения нейтронов.

Если коэффициент размножения нейтронов меньше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится меньше ядер и высвобождается меньше нейтронов. В этом случае цепная реакция быстро прерывается.

Если же коэффициент размножения нейтронов выше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится большее количество ядер и высвобождается больше нейтронов. За долю секунды интенсивность цепной реакции становится очень высокой, что приводит к мощнейшему взрыву.

У построенного в Чикагском университете реактора коэффициент размножения нейтронов при задвинутых регулирующих стержнях был намного ниже 1. По мере выдвижения стержней внутри реактора оставалось меньше улавливающего нейтроны кадмия, соответственно больше ядер атомов урана делилось. Коэффициент размножения нейтронов рос.

Можно предположить, что по мере выдвижения регулирующих стержней и роста коэффициента размножения ничего не происходит до тех пор, пока коэффициент не становится чуть выше 1, и тогда котел взрывается вместе с половиной города Чикаго.

К. счастью, этого можно избежать. Практически все (но не все) нейтроны, образующиеся в ходе ядерной цепной реакции, испускаются ядром урана сразу после деления. Это мгновенные нейтроны. Около 0,75% образующихся нейтронов испускаются продуктами деления через несколько минут после деления ядра. Это запаздывающие нейтроны.

Если коэффициент размножения нейтронов выше 1,0075, то количества мгновенных нейтронов вполне достаточно для увеличения интенсивности реакции, что неминуемо приводит к взрыву. Если же значение коэффициента колеблется в пределах от 1,0000 до 1,0075, то для увеличения интенсивности реакции мгновенным нейтронам необходима «помощь» со стороны запаздывающих. Это значит, что в течение очень короткого периода времени интенсивность деления ядер растет медленно. В это время необходимо задвинуть кадмиевые регулирующие стержни для уменьшения интенсивности деления. Автоматические системы управления кадмиевыми стержнями позволяют поддерживать коэффициент размножения в пределах 1,0000–1,0075, не приводя к угасанию реакции или взрыву. Если в автоматической системе управления случается сбой, то кадмиевые стержни сами задвигаются внутрь реактора, прерывая цепную реакцию. Система получается безаварийной, и 25-летний опыт подтверждает безопасность ядерных реакторов при условии, что они грамотно спроектированы.

2 декабря 1942 года в 15 ч 45 мин кадмиевые стержни атомного котла Ферми были вытащены на небольшое расстояние, достаточное для возникновения самоподдерживающейся реакции. Этот день, эту минуту принято считать началом «атомного века». (Даже если бы стержни вытащили целиком, коэффициент размножения нейтронов составил бы всего 1,0006 — вполне безопасный уровень.)

Вашингтону (имеется в виду правительство США. — Пер.) эту новость сообщили шифрованной телеграммой: «Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света». Вашингтон задал вопрос: «Как вели себя аборигены?» — и тут же получил ответ: «Очень дружелюбно».

Атомный век

Количество атомных реакторов выросло, выросла и их производительность (по сравнению с самым первым, созданным Ферми, котлом). Сегодня ядерные реакторы есть у многих стран, применяющих их в самых различных областях.

Количество образующихся в процессе деления ядра атома урана нейтронов просто огромно. Их используют для бомбардировки различных атомов и для производства радиоизотопов в количествах, которые в других условиях получить просто невозможно. После Второй мировой войны радиоизотопы появились в достаточном количестве и по довольно низким ценам, в результате чего стали бурно развиваться технологии их применения в биохимических исследованиях, медицине и промышленности.

Ядерные реакторы также можно использовать для производства электроэнергии. Выделяемое реактором тепловое излучение может нагревать какую-либо высококипящую жидкость (например, жидкий натрий), которая, в свою очередь, будет кипятить воду, а образующийся пар — крутить турбину, генерирующую электричество.

В 1954 году США спустили на воду первую ядерную подводную лодку «Наутилус». Ее двигатели вращались за счет электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, благодаря чему отпадала необходимость часто всплывать для подзарядки батарей. Так как ядерная подводная лодка может находиться под водой длительное время, врагу сложнее ее обнаружить и атаковать.

Спущенный на воду в 1959 году американский корабль «Саванна» стал первым ядерным судном. Его атомные реакторы работали на обогащенном диоксиде урана, а 21 регулирующий стержень был выполнен из поглощающего нейтроны бора.

В середине 1950-х годов были разработаны первые ядерные электростанции для мирных целей. В 1954 году Советский Союз построил небольшую ядерную электростанцию мощностью 50 000 киловатт. Англичане построили электростанцию мощностью 92 000 киловатт и назвали ее «Калдер-Холл». В 1958 году в городе Шиппингпорт (шт. Пенсильвания) начала работу первая «мирная» американская ядерная электростанция.

Главной трудностью при использовании ядерных электростанций (за исключением стоимости, которая с развитием технологии обязана снизиться) является то, что продукты деления ядра урана сами по себе являются радиоактивными.

Более того, эти продукты распада накапливаются в активной зоне урана и мешают дальнейшей работе электростанции. Некоторые из них довольно хорошо поглощают нейтроны, что приводит к прерыванию цепной реакции. Поэтому раз в три года необходимо останавливать ядерный реактор (несмотря на то, что топлива еще предостаточно) и отделять уран от отходов, образовавшихся в результате его деления.

Период полураспада некоторых продуктов деления более 20 лет, поэтому должно пройти не менее века, прежде чем уровень их радиации станет неопасным. Поэтому захоронение радиоактивных отходов нужно проводить с особой тщательностью. Концентрированные соединения заливают бетоном, помещают в стальные ящики и закапывают в землю. В настоящее время разрабатывается технология переплавки продуктов деления с силикатами для получения «стекла». В этом случае будут исключены утечки, а значит, хранить отходы в этом виде гораздо проще.

Продукты деления хранят еще какое-то количество энергии, и на их основе изготавливаются легкие атомные батареи (их еще называют системами вспомогательных ядерных источников питания, или «Снэп»). В таких батареях тепловое излучение, возникающее в результате распада радиоактивного изотопа, используется для нагревания термопары (см. ч. II) и производства электроэнергии.

Первый «Снэп» был построен в 1956 году. С тех пор появилось более десятка его разновидностей. Некоторые из них уже давно применяются для питания искусственных спутников. Батарея «Снэп» весом чуть более килограмма дает 60 Вт и работает в течение 10 лет.

Не любой радиоизотоп подходит для использования в атомной батарее. Он должен иметь период полураспада определенной длины, чтобы его тепловое излучение было не слишком интенсивным; не должен излучать опасные гамма-лучи; должен быть достаточно дешев. Всем этим требованиям удовлетворяет лишь небольшое количество радиоизотопов. Наиболее часто в атомных батареях используют стронций–90, представляющий огромную опасность для человечества (см. ниже).

Мечта о мире, где энергия деления ядер урана дополняет энергетические запасы угля и нефти, несколько омрачается тем, что уран–235 — основное ядерное топливо — встречается в природе довольно редко. Сам по себе уран не такой уж редкий элемент, однако он равномерно распределен по всей земной коре, и его залежи встречают довольно редко. Кроме того, уран–235 составляет лишь небольшой процент всех атомов урана.

К счастью, уран–235 не единственный изотоп, процесс деления ядра которого можно запустить путем бомбардировки нейтронами. Другим таким изотопом является плутоний–239. В природе он встречается редко, однако его можно получить путем нейтронной бомбардировки урана–238. В результате такой бомбардировки вначале образуется нептуний–239, а затем плутоний–239.

Работать с образовавшимся плутонием–239 легко, так как период его полураспада более 24 000 лет, то есть по человеческим меркам он существует вечно. Более того, плутоний-239 является самостоятельным элементом, а не изотопом, урана, поэтому выделить его намного проще, чем уран–235.

Во время Второй мировой войны, для того чтобы выявить возможность деления ядра плутония–239, его буквально собирали по крупицам. Для возникновения в плутоний–239 самоподдерживающейся ядерной реакции достаточно одних лишь быстрых нейтронов. Плутониевые реакторы (быстрые ядерные реакторы) не требуют применения замедлителей и поэтому более компактны по сравнению с обычными ядерными реакторами.

Плутоний–239 можно получить в качестве побочного продукта работы реактора на основе урана–235. Вылетающие из активной зоны урана–235 нейтроны можно использовать для бомбардировки оболочки из обычного урана, окружающей активную зону. Содержащийся в оболочке уран–238 преобразовывается в плутоний–239. В конце концов количество образующегося ядерного топлива превысит количество потребляемого. Такой реактор называется реактором-размножителем (бридерным реактором).

Этот реактор позволяет косвенно использовать уран–238 в качестве ядерного топлива и повышает доступные человечеству запасы ядерного топлива в сто крат.

Открытый Сиборгом и его командой в 1942 году изотоп урана–233 также можно использовать в качестве ядерного топлива. Уран–233 является дочерним изотопом нептуниевого ряда и не встречается в природе. Однако период его полураспада превышает 162 000 лет, что облегчает его использование.

Во время бомбардировки нейтронами торий–232 превращается в торий–233 с периодом полураспада в 22 минуты и, испуская бета-частицу, становится протактинием–233, период полураспада которого составляет 27 дней. Испуская бета-частицу, протактиний–233 становится ураном–233. Поэтому если вокруг ядерного реактора повесить оболочку из тория, то в ней будет образовываться способный к ядерному делению уран–233, который легко можно отделить от тория. Как видите, к общему количеству ядерного топлива на Земле можно отнести и запасы тория.

Несмотря на применение деления атомного ядра и в мирных целях, нельзя забывать, что основной целью проекта 1941 года было создание атомной бомбы. Требовался реактор с максимально возможным коэффициентом размножения нейтронов. Кроме того, бомба должна быть удобоперевозимой, значит, ее критическая масса должна быть максимально малой. Следовательно, нужно использовать либо чистый уран–235, либо плутоний–239.

Для безопасной транспортировки атомной бомбы ее следует разделить на две части, так как в этом случае каждая часть будет иметь докритические размеры. В нужный момент с помощью взрывчатки обе половины «выстреливаются» друг в друга, а содержащиеся в воздухе электроны приведут к немедленному ядерному взрыву.

К 1945 году было получено достаточное количество изотопов урана и плутония для создания трех атомных бомб. 16 июля 1945 года в 5 ч 20 мин утра в Аламогордо (шт. Нью-Мексико) одна из них была взорвана. Успех был полным и ужасающим. Мощность взрыва была эквивалентна 20 000 тоннам (20 кило-тоннам) тротила.

Вторая мировая война в Европе к тому времени уже закончилась, однако война с Японией все еще шла. Было принято решение сбросить две оставшиеся бомбы на Японию. 6 августа 1945 года одна из них упала на город Хиросима, а 8 августа вторая бомба взорвалась над городом Нагасаки. Япония сдалась, и Вторая мировая война окончилась.

Ядерный синтез

Несмотря на все плюсы, у ядерного топлива есть и свои минусы. Уран и торий составляют всего лишь ^1,2/₁₀₀₀₀₀ часть земной коры. Из этого топлива можно получить примерно в десять раз больше энергии, чем при сгорании всего имеющегося на Земле газа, нефти и угля.

Однако с относительной легкостью можно добыть лишь малую часть этого ядерного топлива. И даже если удастся использовать все это топливо, что делать с растущим количеством опасных ядерных отходов?

Стоит лишь посмотреть в самый конец кривой изменения коэффициента уменьшения массы, как решение напрашивается само. Энергию можно получать не только в результате распада более тяжелых атомов до более легких, но и путем соединения более простых атомов в более сложные. Этот процесс называется ядерным синтезом.

Простейшим примером является преобразование водорода — простейшего элемента — в гелий, ближайший к водороду элемент. Рассмотрим следующую реакцию:

Массовое число одного ядра водорода–2 равно 2,01410, двух — 4,02820. Массовое число обладающего необычно низким коэффициентом уменьшения массы гелия–4 равно 4,00280. Потеря массы составляет 0,0254 из общей массы 4,0282, или 0,63%, в то время как при делении ядра урана потеря массы составляет всего 0,056%. Другими словами, для одного и того же количества вещества при ядерном синтезе выделяется в 10 раз больше энергии, чем при делении ядра.

Люди узнали о ядерном синтезе благодаря небу. В XIX веке после открытия закона сохранения энергии перед физиками встал вопрос о происхождении огромной энергии Солнца. Немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894) единственным возможным источником энергии Солнца видел силу гравитации и предположил, что солнечное излучение возникает в результате медленного сжатия звезды.

Однако если источником энергии излучения является гравитация, то Земля не просуществовала бы более сотни миллионов лет. Более того, для выделения энергии в результате сжатия в течение сотни миллионов лет Солнце должно было быть гораздо больше по размерам: его радиус равнялся бы орбите Земли.

Открытие радиоактивности позволило взглянуть на проблему по-новому. Гельмгольц и его современники ничего не знали о том, что атомное ядро может служить источником энергии. Со временем было сделано предположение, что солнечное излучение возникает в результате ядерных реакций.

Однако природа этих реакций оставалась неизвестной еще а течение нескольких десятилетий. Ученые уже знали о реакции распада урана и тория и делении ядра урана, однако вряд ли на Солнце происходили эти реакции, так как там мало урана и тяжелых элементов в целом. Кроме того, мощности выделяемой при делении урана энергии просто недостаточно для создания столь мощного излучения.

Действительно, 85% всех атомов Солнца составляет кислород, еще 10% — гелий. Так что если на Солнце и происходят ядерные реакции, то в них участвует водород.

Однако в условиях Земли водород не вступает в ядерные реакции. Условия на Солнце отличаются в основном температурой (температура на поверхности Солнца равна 6000 °С), но это отличие никакой роли не играет.

Дело в том, что еще самые первые эксперименты с ураном и другими естественными радиоактивными веществами показали, что, в отличие от обычных химических реакций, ядерные реакции не подвержены влиянию температуры. Период полураспада радия не меняется ни при низкой, ни ври высокой температуре, а не вступающие в ядерные реакции атомы нагреванием до высоких температур реагировать не заставишь.

Конечно же многое зависит от того, что понимать под «высокой температурой». В начале XX века ученые не умели получать температуру достаточную для того, чтобы два атомных ядра пробили электронные «бамперы» и столкнулись. Впрочем, для этого недостаточно даже температуры Солнца.

Однако английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) привел ряд убедительных документов, доказывая, что если Солнце является газообразным объектом, то для того, чтобы оставаться стабильным, температура внутри светила должна быть очень высокой — миллионы градусов Цельсия.

Действительно, при настолько высокой температуре два ядра столкнутся, а немыслимые при обычной температуре реакции станут обычным делом. Ядерная реакция, происходящая при столь высокой температуре, называется термоядерном реакцией (от греч. thermo — «тепло»). Понятно, что источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, идущие внутри звезды.

В 1938 году немецкий физик Ханс Альбрехт Бете исключил из списка возможных термоядерных реакций те из них, которые идут слишком быстро и могут привести к взрыву Солнца или же, наоборот, идут слишком медленно и не смогут поддерживать солнечное излучение. В конце концов он остановился на реакции, которая начинается с наиболее широко распространенного на Солнце водорода.

Бете предположил, что водород реагирует с углеродом, в результате сначала образует азот, а в ходе еще нескольких реакций — кислород. Атом кислорода распадается на гелий и углерод, после чего углерод вступает в очередной цикл реакции, а поскольку он не претерпевает изменений, углерод можно считать «ядерным катализатором». Результирующим эффектом этого ряда реакций является преобразование водорода–1 в гелий–4. Позднее были предложены и более короткие цепочки преобразования водорода–1 в гелий–4.[140]

Выделяемой в процессе синтеза гелия из водорода (в присутствии катализатора и без него) энергии вполне достаточно для поддержания излучения Солнца. Конечно же энергия образуется за счет уменьшения массы Солнца. Для поддержания излучения на обычном уровне Солнце теряет 4 200 000 тонн массы каждую секунду, преобразовывая 530 000 000 тонн водорода в гелий–4. Однако запасов углерода на Солнце настолько много, что, хотя оно уже и светит в течение 6 миллиардов лет, еще на несколько миллиардов лет водорода хватит.

Разрабатывая атомную бомбу, ученые научились, пускай и на очень короткий период времени, получать температуры, достаточные для начала ядерного синтеза на Земле. Новое оружие (водородная бомба) должно было обладать настолько чудовищной разрушительной силой, что многие ученые не решались его разрабатывать. Среди них был и Оппенгеймер, которому в 1954 году пришлось поплатиться за это, лишившись расположения политиков и ученых, а также доступа к секретной информации. Наиболее выдающимся среди тех, кто порицал Оппенгеймера и настаивал на продолжении работы над водородной бомбой, был Эдвард Теллер. Он сделал настолько много, что впоследствии получил весьма незавидный титул «отца водородной бомбы».

В 1952 году на Маршалловых островах США провели испытания первой водородной бомбы. Чуть позже свою водородную бомбу разработал Советский Союз, а Великобритания стала третьей ядерной державой. (Франция и Китай обладают лишь атомными бомбами.)

В то время как взрывная сила атомных бомб составляет 20 000 т тротила, успешно прошли испытания водородных бомб мощностью 50 000 000 тонн (50 мегатонн) тротила и более.

Лучевая болезнь

Водородная бомба представляет весьма «разностороннюю» опасность для человечества и жизни на Земле в целом. Мало того что взрыв водородной бомбы, пусть даже и экспериментальный, в мирное время сам по себе в несколько раз мощнее взрыва атомной бомбы, он имеет еще и долговременные и очень коварные последствия, так как образующиеся в результате взрыва продукты сильно облучают живую ткань.

Вскоре после открытия рентгеновского излучения было обнаружено, что в результате длительного воздействия лучей на коже образовывались очень медленно заживающие воспаления и ожоги. Это относится и к излучению радиоактивных веществ. Пьер Кюри специально подверг себя радиоактивному облучению, а затем описал появившиеся позднее симптомы болезни.

В случае поглощения энергии рентгеновских лучей, гамма-лучей или быстрых субатомных частиц в молекуле разрушаются химические связи и образуются молекулярные «осколки» (свободные радикалы) высокой энергии. В случае поглощения субатомной частицы атомом может измениться его природа и соответственно природа молекулы, в состав которой он входит. Если образовавшийся атом радиоактивен, он может испустить частицу, которая разорвет молекулу, даже если та не пострадала до этого.

Подобные химические изменения могут нарушить сложную систему работы клетки и клеточного взаимодействия, в результате чего, например, начнут расти отдельные клетки за счет остальных, что приведет к раку. Особенно подвержены действию радиации кожа, лимфатические узлы и костный мозг, вырабатывающий кровяные клетки. (Вероятность рака кожи увеличивается даже в результате длительного пребывания под ультрафиолетовым излучением.)

В большинстве случаев в результате длительного воздействия радиации развивается лейкемия (белокровие), неизлечимая болезнь с летальным исходом, в ходе которой вырабатывается слишком много белых кровяных телец. Мария Склодовская-Кюри и ее дочь, Ирен Жолио-Кюри, умерли от лейкемии, развившейся в результате длительного воздействия излучений радиоактивных веществ.

Сильное радиационное излучение способно полностью нарушить работу клеток чувствительных тканей, что через несколько недель или месяцев приведет к смерти. Лучевой болезнью страдали все выжившие при взрыве атомных бомб жители Хиросимы и Нагасаки.

Но еще страшнее смерти опасность, которую представляет пострадавшая от излучения клетка для будущих поколений. Может получиться так, что несколько клеток с измененными молекулами не доставят особых хлопот пострадавшему, однако у его будущих детей измененная молекула может присутствовать в каждой клетке, то есть клетки ребенка окажутся мутированными.

Мутации могут происходить самопроизвольно, как следствие естественного фонового излучения (испускаемого содержащимися в земле радиоактивными веществами), пол влиянием космического фонового излучения или же в результате произвольных дефектов при воспроизводстве ключевых молекул. Однако в случае повышения уровня фонового излучения в результате взрывов ядерных бомб количество мутаций возрастает. Большинство мутаций имеют негативные последствия, и если их количество увеличится, то среди людей будет слишком много мутантов.

Были предприняты попытки замерить безопасный для человека уровень радиации.

Единицей излучения является рентген, названный так в честь первооткрывателя рентгеновских лучей. Один рентген (р) — это количество рентгеновских или гамма-излучений, достаточное для образования ионов, равных одной единице электростатического заряда (см. ч. II) в 1 куб. см сухого воздуха при 0 °С и давлении в 1 атмосферу. (Это чуть больше 2 млрд. положительных или отрицательных ионов.)

Вначале рентген применяли только для измерения электромагнитных излучений. Однако частицы высокой энергии обладают действием схожим с обычным излучением, поэтому была сделана попытка применить эту единицу и к радиоактивным излучениям. Физический эквивалент рентгена (ФЭР) — это количество радиации, оказывающей такое же влияние на живую ткань, как и 1 р рентгеновского или гамма-излучения.

Но одно и то же количество радиации оказывает одинаковое влияние не на все живые организмы. Говоря о человеке, стоит ввести понятие «биологический эквивалент рентгена» (БЭР), то есть количество излучения частиц, обладающих тем же действием на живые ткани, что и 1 р рентгеновских или гамма-лучей.

Тяжелые частицы особенно опасны для человека. Поэтому 1 р рентгеновских лучей можно также определить как 1 бэр. Однако 1 р альфа-частиц приравнивается к 10^–20 бэр. Другими словами, поглощение одной альфа-частицы для организма по крайней мере в 10 раз вреднее, нежели поглощение ионизирующего излучения (бета-частиц).

Использовать рентгены не всегда удобно, так как они определяют лишь производство ионов, а необходимое для образования ионных пар количество энергии некоторых излучений иногда определить довольно сложно. Поэтому была введена еще одна единица — рад (сокращение от «радиация»), которая определяет непосредственно количество энергии. Один рад — это количество энергии, при поглощении которой поглощающее вещество выделяет 100 эрг энергии на грамм. В большинстве случаев 1 рад равен 1 рентгену.

Фоновое излучение — это излучение, порожденное содержащимися в почве радиоактивными веществами, пришедшее из космоса и т. д. Согласно подсчетам, человек в среднем получает 0,05 бэра в год космического излучения и еще 0,05 бэра в год фонового излучения земли. Кроме того, в теле человека содержится калий–40 и углерод–14, облучающие человека еще 0,025 бэра в год. Таким образом, все мы подвержены общему фоновому излучению около 0,125 бэра в год, существовавшему всегда, в том числе и до зарождения жизни на Земле. Однако в тех частях земного шара, где уровень фонового излучения выше и где особое географическое положение усиливает космическое излучение, уровень фонового излучения достигает 12 бэр.

Конечно же выяснить, какой уровень фонового излучения является допустимым для человека экспериментальным путем, невозможно, однако ученые полагают, что человек может переносить излучение около 500 бэр в год. Среди людей, работающих с радиоактивными веществами, каждую неделю проводятся проверки с целью выяснить, не превысила ли доза поглощенного ими излучения дозволенной безопасной нормы (предположительно, в течение короткого времени, а также в случае облучения отдельных участков тела организм может выдерживать излучение в 500 бэр и более). Для контроля используются, например, специальные значки, прикрепляемые на грудь, которые состоят из полосок фотопленки, помешенной за различными фильтрами, выделяющими только «нужное» излучение. Чем большую дозу излучения получил человек, тем сильнее почернеет пленка.

Излучение в 100 рентген за несколько дней убивает практически любого млекопитающего, однако для полной стерилизации пищи от всех микроорганизмов необходимо излучение в несколько миллионов рентген. Столь мощное излучение в результате ядерных испытаний получить не удалось, а все взрывы ядерных бомб за всю историю атомного оружия подняли уровень фонового излучения на очень маленький процент.

Однако уровень фонового излучения все-таки повысился, поэтому под давлением общественного мнения ядерным державам пришлось выработать соглашение о запрете ядерных испытаний, приводящих к повышению уровня фонового излучения.

Наибольшую опасность представляет термоядерное оружие. Во время взрыва атомной бомбы осколки деления разлетаются не очень далеко и представляют опасность (пусть и страшную) лишь на относительно небольшом расстоянии от эпицентра взрыва. Водородная же бомба намного мощнее атомной, и осколки деления ее атомного взрывателя поднимаются взрывной волной высоко в атмосферу, где могут циркулировать в течение нескольких лет, медленно оседая на всей площади планеты. Наибольшую радиационную опасность для человечества представляет именно выпадение радиоактивных осадков (термин был придуман в 1945 году после взрыва первых атомных бомб).

В опасности выпадения радиоактивных осадков убедились сразу после испытания первой большой водородной бомбы на Маршалловых островах 1 марта 1954 года, когда зараженными оказались 12 500 кв. км.

Самыми опасными осколками деления являются стронций–90 и цезий–137. Период полураспада стронция–90 — 28 дней, а уровень его радиации остается опасным более 100 лет. Так как стронций по своим химическим свойствам идентичен кальцию, стронций–90 попадает в богатое кальцием молоко животных, питающихся зараженной растительностью. Кальций входит в состав костей, и у детей, употребляющих зараженное стронцием молоко, накапливается в них стронций–90. Обмен атомов в костях идет относительно медленно, поэтому у стронция–90 очень длинный период биологического полураспада (то есть даже если тело защищено от дальнейшего заражения, организму понадобится много времени для выведения и половины зараженных атомов). Кроме того, в костях стронций–90 находится в близком контакте с производящими кровь тканями, что также очень опасно.

Период полураспада цезия–137 составляет 30 лет, и он также является опасным осколком деления. Цезий–137 накапливается в мягких тканях, и, хотя период его биологического полураспада короче, атомы цезия–137 испускают внутри тела гамма-лучи, что наносит организму значительные повреждения.

Термоядерная энергия

Понятно, что интерес к процессу ядерного синтеза вызван не только его высокой разрушающей способностью. Если научиться контролировать скорость протекания реакции синтеза, то в обозримом будущем у человечества не возникнет недостатка в энергии.

Преимущество ядерного синтеза перед делением ядра заключается прежде всего в топливе. Для реакции деления ядра необходимы встречающиеся довольно редко металлы — уран и торий, в то время как топлива для ядерного синтеза — водорода — предостаточно. Для человечества было бы очень удобно, если для реакций ядерного синтеза требовался бы наиболее часто встречающийся изотоп водорода–1. К сожалению, для того чтобы реакция синтеза с участием водорода–1 шла с достаточной для полезного действия скоростью, необходимо нагреть его до неимоверно высокой температуры. Даже при температуре внутри Солнца водород вступает в реакции синтеза очень медленно. Излучение Солнца поддерживается на высоком уровне исключительно из-за огромного количества участвующего в реакции водорода. (Более того, если бы скорость реакции синтеза водорода–1 была выше, Солнце и все остальные звезды взорвались бы.)

Водород–2 (дейтерий) вступает в реакцию синтеза при более низкой температуре, а водород–3 — при еще более низкой. Однако водород–3 очень нестабилен, поэтому нужное его количество собрать сложно. Значит, в качестве топлива остается один лишь водород–2.

Реакция слияния двух атомов дейтерия может с равной вероятностью идти по двум направлениям:

В последнем случае образующийся Н³ быстро реагирует с Н²:

Поэтому реакция в конечном счете выглядит так:

Энергия, образующаяся в результате слияния ядер пяти атомов дейтерия (назовем их «квинтетом дейтерия»), равна 24,8 Мэв.

А так как 1 Мэв равен 1,6∙10^–6 эрг, в результате слияния квинтета дейтерия выделяется 4,0∙10”⁵ эрг.

В одной грамм-молекуле водорода–2 содержится 6,023∙10²⁸ атомов. Так как грамм-молекулярный вес водорода–2 равен 2 г, в 1 г водорода–2 содержится 3,012∙10²⁸ атомов. Разделив это число на 5, получаем 6,023∙10²² квинтетов дейтерия в 1 г водорода–2. Общая энергия, выделяемая в результате полного синтеза 1 г водорода–2, равна 2,4∙10¹⁸ эрг. В одной килокалории 4,186∙10¹⁰ эрг, значит, в результате полного синтеза 1 г водорода–2 выделяется 5,7∙10⁷ килокалорий.

Из 7000 атомов водорода только один является атомом водорода–2. При условии, что этот единственный атом весит в два раза больше, чем остальные 6999, в 1 л воды, весящем 1000 г, содержится 125 г водорода, 43 мг которых являются атомами водорода–2. Получается, что в результате синтеза всего содержащегося в 1 л воды водорода–2 высвобождается 2,5∙10⁶ килокалорий.

Это означает, что в результате синтеза водорода, содержащегося в 1 л воды, выделяется столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 300 л бензина.

Учитывая огромные размеры Мирового океана (из вод которого можно легко получать водород–2), запасы водорода–2 на Земле составляют около 80 000 куб. км. Из этого количества водорода–2 можно получить столько же энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого в 450 раз превышает объем земного шара.

Очевидно, что, если найти безопасный способ «приручить» реакцию синтеза и использовать ее на практике, человечество будет обеспечено энергией на многие миллионы лет вперед. И довершает эту картину беззаботного будущего тот факт, что продуктами реакции синтеза водорода–2 являются безопасные и стабильные водород–1, гелий–3 и гелий–4 плюс несколько легко поглощаемых нейтронов.

Единственной загвоздкой на пути к раю является то, что для начала реакции синтеза водород–2 нужно нагреть до 100 000 000 °С. Эта температура намного выше температуры внутри Солнца (15 000 000 °С), но у Солнца есть одно преимущество: водород там находится под очень высоким, недостижимым в земных условиях давлением.

На Земле любой газ, нагретый до такой температуры, просто расширится до ненасыщенного пара и тут же охладится. На Солнце этого не происходит из-за его огромной массы, вызывающей силу притяжения, достаточную для удержания газов даже при 15 000 000 °C.

На Земле столь мощной силы притяжения достичь конечно же невозможно, поэтому для удержания газа нужно использовать какие-то другие методы. Контейнер не подойдет, так как любой газ при контакте со стенками сосуда тут же охладится… или расплавит контейнер. Невозможно одновременно нагревать газ до необходимой для начала синтеза температуры и удерживать его сосудами из твердых веществ.

К счастью, существует и другой метод. С повышением температуры атомы «снимают» свои электроны и газ распадается на заряженные частицы: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра. Вещество, состоящее из электрически заряженных частиц, а не из целых атомов, называется плазмой.

Физика плазмы привлекла интерес ученых в основном из-за возможности управления термоядерным синтезом. Однако сегодня становится ясно, что большая часть Вселенной состоит из плазмы. Плазмой являются, например, звезды. На Земле плазма также встречается: шаровая молния — не что иное, как плазма, на время ставшая стабильной. Плазма присутствует и в искусственных устройствах, например в неоновых лампах.

Состоящей из заряженных частиц плазме с помощью магнитного поля можно придать форму «нематериального» контейнера. Сегодня физики делают попытки создать магнитное поле, способное достаточно долго удерживать плазму в стабильном состоянии, и нагреть ее до необходимой для начала термоядерной реакции температуры. Согласно подсчетам, при использовании газа, плотность которого при нормальной температуре составляет всего лишь ¹/₁₀₀ плотности атмосферы, оказываемое на магнитное поле давление в критической точке в момент начала термоядерной реакции составит 100 атмосфер.

Требования довольно строги, и ученым пока не удалось добиться успехов. За минувшие десятилетия удалось получить температуру 20 000 000 °С и создать магнитное поле, способное выдержать необходимое давление. К сожалению, одновременно поддерживать нужное давление и температуру удается только в течение одной миллионной доли секунды, а для начала первой искусственно управляемой реакции термоядерного синтеза, согласно подсчетам, необходимо поддерживать температуру и давление в течение хотя бы одной десятой доли секунды.

Насколько известно, на пути к достижению не стоит никаких препятствий, нужно лишь время.

Космические лучи

Итак, пока в нашем с вами атомном мире живут лишь электроны, протоны и нейтроны, однако даже с помощью лишь этих частиц мне удалось многое вам объяснить. В начале 1930-х годов эти частицы были единственными известными субатомными частицами. С помощью электронов, протонов и нейтронов очень легко было объяснить устройство Вселенной в целом, и ученые надеялись, что больше никаких субатомных частиц не существует. Однако некоторые теоретики предположили существование и других типов частиц, которые и были обнаружены в бомбардирующем Землю излучении из космоса. Об этих излучениях мы сейчас и поговорим.

В начале XX века физики занимались поисками новых видов излучений. Открытие радиоволн, рентгеновских лучей и разнообразных радиоактивных излучений заставило ученых, так сказать» повысить чувствительность к этому феномену[141].

Тем не менее самое знаменательное открытие в данной области было сделано при попытке исключить излучение, а не обнаружить его. Использующийся для обнаружения проникающего излучения электроскоп с золотыми листками (см. гл. 7) работал слишком уж хорошо. В 1900 году несколько ученых, среди которых стоит отметить Вильсона (изобретателя камеры Вильсона), обнаружили, что электроскоп медленно терял свой заряд, даже когда поблизости не было радиоактивных веществ. Наиболее вероятным объяснением этого явления казалось то, что в почве повсеместно присутствуют небольшие количества радиоактивных веществ, порождающие паразитные излучения.

Однако было обнаружено, что, даже если вывезти, электроскоп далеко в море или, еще лучше, закрыть экраном из металла, непроницаемого для известных излучений и не испускающего проникающих излучений, потеря заряда электроскопом хотя и замедлялась, но не останавливалась.

В конце концов в 1911 году австрийский физик Виктор Гесс (1883–1964) сделал решающий шаг: он поднял электроскоп на несколько километров вверх на воздушном шаре. Воздушная прослойка послужила экраном от слабых излучений земной поверхности. К его удивлению, скорость разряда электроскопа не только не понизилась, но и, наоборот, резко возросла. Последующие запуски шаров с электроскопами на борту подтвердили это, и Гесс заявил, что, какова бы ни была природа нового излучения, оно исходило из космоса, а вовсе не с Земли.

Роберт Милликен (измеривший заряд электрона) сыграл ведущую роль во время самых первых исследований этого нового излучения и в 1925 году предложил назвать их космическими лучами, так как они исходили из космоса.

Проникающая способность космических лучей выше, чем рентгеновских, и Милликен выяснил, что они являются формой электромагнитного излучения, длина волны которого короче, а частота — выше, чем даже у гамма-лучей. Физики предположили, что это излучение является потоком частиц. Так как излучение исходило из космоса, появлялся способ выяснить, является ли оно потоком частиц или же электромагнитным излучением. Если космические лучи являются электромагнитным излучением, то они будут падать равномерно на всю поверхность Земли (в том случае, если они приходят со всех сторон) и электромагнитное поле Земли не окажет на них никакого влияния.

Если же космические лучи являются потоком заряженных частиц, они будут отклоняться магнитными линиями Земли, причем частицы, энергия которых меньше, будут отклоняться сильнее. В этом случае ближе к магнитным полюсам концентрация космических лучей будет усиливаться, а на магнитной экватор они падать практически не будут.

В 1920-х годах американский физик Артур Комптон (1892–1962) занимался изучением этого широтного эффекта. В начале 1930-х годов ему удалось доказать, что широтный эффект действительно существует, а космические лучи являются потоком частиц, а не электромагнитным излучением. Поэтому можно смело говорить о космических частицах.

В 1930 году итальянский физик Бруно Росси высказал предположение, что раз космические лучи являются метельчатыми по своей природе, то магнитное поле должно отклонять их на восток, если космические частицы обладают положительным зарядом, то есть больше космических лучей будет падать с западной стороны, и наоборот, если космические частицы заряжены отрицательно.

Для подтверждения существования этого эффекта недостаточно просто обнаружить появление космической частицы, нужно определить направление, откуда она появилась. Для этого был использован разработанный немецким физиком Вальтером Боте (1891–1957) счетчик совпадений. Такой счетчик состоит из двух и более счетчиков Гейгера, установленных на одной оси. Когда вдоль этой оси движется космическая частица, она проходит сквозь все счетчики. Электрическая цепь построена таким образом, что частица будет зафиксирована и посчитана только тогда, когда она пройдет сквозь все счетчики (прочем скорость быстрой частицы настолько высока, что для прохождения сквозь все счетчики ей требуется одно мгновение). Направляя ось счетчиков в разные стороны, получим «телескоп для космических лучей».

На оси счетчиков также можно поместить камеру Вильсона и настроить электрическую цепь так, чтобы при обнулении счетчиков камера расширялась. Капли расширяющейся камеры Вильсона «поймают» недолго существующие нейтроны. А если к цепи подключить еще и фотокамеру и настроить ее так, чтобы при каждом расширении она автоматически делала снимок, то космическая частица сама себя сфотографирует.

В 1935 году американский физик Томас Джонсон с помощью счетчика совпадений доказал, что с запада приходит больше космических лучей, чем с востока. Ученые решили, что космические частицы обладают положительным зарядом.

Пониманию подлинной природы космических частиц мешал тот факт, что многие из них не долетали до поверхности земли, ударяясь о то или иное атомное ядро в атмосфере, в результате чего происходили ядерные реакции и появлялось вторичное излучение очень высокой энергии. Часть этого излучения состоит из нейтронов, которые могут в результате (n, p)-реакции с азотом–14 образовывать углерод–14 или же, выбивая из азота–14 ядра трития (Н³), образовывать углерод–12 в результате (n, t)-реакции. Эти ядра трития и являются источником небольшого количества существующего на Земле H³.

Космические лучи вызывают и другие явления, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, так как человечество пока еще не научилось ускорять частицы до скоростей космических частиц с наиболее высокой проникающей способностью. Современные ускорители способны разгонять частицы более чем до 30 млрд. электрон вольт, в то время как космические частицы обладают энергиями в миллиарды миллиардов электронвольт.

Столь высокая энергия сверхбыстрых частиц вызвана, с одной стороны, их большой массой, а с другой — высокой скоростью, которая приближается к предельной скорости, то есть скорости света в вакууме. Когда такие быстрые частицы проходят сквозь прозрачные вещества (воду, слюду, стекло), их движение практически не замедляется. Сам же свет, наоборот, тормозится этими веществами очень сильно — обратно пропорционально коэффициенту преломления (см. ч. II). Таким образом, в некоторых веществах заряженная частица перемещается быстрее, чем свет, но ее скорость никогда не превышает скорость света в вакууме.

Такая «сверхсветовая» частица отбрасывает контровое излучение, аналогично тому, как сверхзвуковая пуля отбрасывает назад конус звуковых волн. Это явление было обнаружено в 1934 году советским ученым Павлом Алексеевичем Черенковым (1904–1990) и получило название черепковское излучение.

По длине волны черенковского излучения, его яркости и направлению можно определить массу, заряд и скорость движущейся частицы. В конце 1940-х годов американский физик Иван Геттинг предложил схему черенковского счетчика, позволяющего по излучению выделять частицы высокой энергии из потока обычных частиц. Черенковские счетчики дали ученым массу сведений о быстрых частицах.

В 1940-х годах началось исследование космического излучения с помощью высотных шаров и ракет. На больших высотах удалось зафиксировать первичное излучение, то есть сами космические частицы, а не излучения, появляющиеся в результате столкновения космических частиц и атомных ядер. Оказалось, что большая часть (около 80%) космических лучей являются частицами очень высокой энергии, а большая часть остальных — альфа-частицами. Около 2,5% составляют ядра более тяжелых элементов, вплоть до железа.

Все это указывало на то, что космические частицы являются голыми ядрами основного вещества, из которого состоит все во Вселенной. Элементы космических лучей содержатся в пропорции, схожей с пропорцией элементов внутри большинства звезд, например Солнца.

В действительности Солнце является одним из источников космических частиц. Мощные солнечные вспышки приводят к образованию космических лучей, падающих на Землю. Однако Солнце — не единственный и далеко не самый мощный источник космических лучей, так как иначе они падали бы на Землю исключительно со стороны Солнца, а этого не происходит. Более того, энергия испускаемых Солнцем космических частиц сравнительно невысока.

Встает вопрос: каким образом космические частицы получают свою огромную энергию? В результате ядерных реакций не выделяется такого количества энергии. Даже при полном переходе массы в энергию энергия космических лучей все равно выше.

Предположим, что космические лучи являются протонами и ядрами других элементов пусть высокой, но не необыкновенно высокой энергии. Эти частицы разгоняются каким-либо естественным ускорителем «космического масштаба». Магнитные поля солнечных пятен могут разгонять частицы до средних скоростей. Звезды с более интенсивными магнитными полями или даже общее магнитное поле галактики способны ускорять частицы и до более высоких скоростей.

Галактику в этом отношении можно рассматривать как гигантский циклотрон, по которому вихрем проносятся протоны и атомные ядра, набирая энергию и двигаясь по расширяющейся спирали. Если они не сталкиваются с каким-либо материальным объектом, то через некоторое время уровень их энергии возрастает настолько, что они покидают галактику.

Земля прерывает разгон этих частиц. Самыми быстрыми частицами, скорее всего, являются частицы, прилетевшие к нам из других галактик. Возможно,, что некоторые галактики с необыкновенно интенсивными магнитными полями могут ускорять космические частицы до больших скоростей, чем наши, и могут являться важными источниками самых быстрых частиц. Однако обнаружить такие галактики пока не удалось.

Позитрон

Давайте вспомним, какие микрочастицы были известны в начале 1930-х годов, когда ученые впервые заговорили о природе космического излучения. Итак, были конечно же протоны, нейтроны и электроны, кроме того, была еще безмассовая «частица» фотон, формирующая электромагнитное излучение.

Фотон позволяет не утруждать себя размышлениями о действии электромагнитного излучения на расстоянии (см. ч. 11) и дает почву для обоснования еще одного действующего на большом расстоянии явления — гравитации.

Некоторые физики полагают, что гравитационное взаимодействие включает в себя испускание и поглощение частиц, которые они называют гравитонами. Гравитоны, как и фотоны, считаются безмассовыми частицами, распространяющимися, как и все безмассовые частицы, со скоростью света.

Однако гравитационная сила невероятно слабая. Например, сила электростатического притяжения между протоном и электроном в 10⁴⁰ раз превосходит силу гравитационного притяжения между ними. Соответственно гравитон намного слабее среднего фотона, причем настолько, что его так и не удалось обнаружить, и вряд ли это удастся в ближайшем будущем. Тем не менее, допуская его существование, можно составить полную картину Вселенной.

В табл. 13 представлены все эти пять частиц и даны некоторые их свойства. (Свойства гравитона предсказаны, а не измерены практическим путем.)

Начиная с 1950-х годов принято называть все легкие частицы пептонами (от греч. «малый»), а тяжелые — барионами (от греч. «тяжелый»). Согласно этой классификации, гравитон, фотон и электрон являются лептонами, а протон и нейтрон — барионами.

Было бы очень удобно, если бы во Вселенной вся материя и вся энергия состояли лишь из этих трех лептонов и двух барионов и из них же строились бы все 100 с хвостиком элементов, из которых, в свою очередь, состояло бы все остальное: от звезд до человеческого мозга.

Первый признак того, что не все во Вселенной так просто, был обнаружен еще до открытия нейтрона. В 1930 году английский физик Поль Дирак (1902–1984), рассматривая электрон теоретически, предположил, что электрон должен существовать в одном из двух различных энергетических состояний: в одном состоянии он является обычным электроном, а во втором — несет положительный, а не отрицательный заряд.

Какое-то время это утверждение оставалось сугубо теоретическим. В 1932 году американский физик Карл Андерсон (1905–1991) занимался изучением космических частиц, используя камеру Вильсона, разделенную пополам свинцовой перегородкой. Андерсон предполагал, что, проходя сквозь свинец, космическая частица потеряет значительную часть своей энергии, на выходе будет сильнее отклоняться магнитным полем и изучать ее свойства станет проще. Однако некоторые космические лучи, проходя сквозь свинец, ударялись об атомные ядра, вызывая вторичное излучение.

На одной из сделанных Андерсоном фотографий частица была запечатлена в момент выхода из свинца. Судя по кривизне траектории, ее масса равнялась массе электрона, однако она отклонялась в противоположную сторону. Эта частица и является положительно заряженным электроном, о котором говорил Дирак.

Андерсон назвал частицу позитроном, и это название прижилось. Позитрон, обладая свойствами, противоположными более распространенной частице, принадлежит к классу частиц, которые мы сегодня называем античастицами. Если бы позитрон был обнаружен сегодня, его назвали бы антиэлектроном, впрочем, иногда его именно так и называют.

С обозначением позитрона все немного запутанней. Можно использовать полное обозначение, подписывая в нижнем регистре заряд, а в верхнем — массу, то есть обозначая электрон как _–1e⁰, а позитрон как ₁e⁰. Основным недостатком такой записи является ее громоздкость. Большинство физиков считают, что им совсем не обязательно все время напоминать о заряде и массе (особенно потому, что масса не равна, а лишь близка к 0). Поэтому электрон часто обозначают просто как e^–, а позитрон как e⁺. Но и у такого обозначения есть свои недостатки. Как выяснилось позже, у некоторых античастиц заряд такой же (или он также отсутствует), как и у противоположных им частиц. Поэтому в некоторых случаях удобнее обозначать античастицу полосой над символом. Таким образом, электрон обозначается как e, а позитрон как ē.

Позитроны определенным образом связаны с радиоактивностью. Для того чтобы понять, как именно, давайте вспомним, как с радиоактивностью связаны электроны.

Когда количество нейтронов слишком велико и ядро начинает терять устойчивость, положение можно исправить, преобразовав нейтрон в протон путем испускания электрона. В полной записи (с обозначением массы и заряда) этот процесс выглядит так:

В результате образования еще одного протона атомное число нуклида увеличивается на единицу, однако массовое число остается неизменным, так как протон образуется за счет исчезновения одного нейтрона.

Возьмем, например, фосфор, единственным стабильным изотопом которого является фосфор–31 (15 протонов, 16 нейтронов). Радиоактивный фосфор–32 (15 протонов, 17 нейтронов) в силу избытка нейтронов должен испустить один электрон в виде бета-частицы, что и происходит. Фосфор–32 испускает бета-частицы и превращается в стабильный изотоп серы–32 (16 протонов, 16 нейтронов).

Все встречающиеся в природе радиоактивные изотопы, как долгоживущие, так и живущие недолго, обладают избытком нейтронов и в процессе перестройки ядра для достижения устойчивости испускают электроны (а также альфа-частицы).

А что произойдет, если искусственным путем создать радиоизотоп с дефицитом нейтронов в ядре? Для достижения устойчивости необходимо увеличить количество нейтронов за счет протонов. Этот процесс можно описать формулой, обратной формуле 13.1. Происходит поглощение электрона протоном, аналогичное К-захвату (см. гл. 8).

Однако существует вероятность и другого процесса. В то время как нейтрон может превратиться в протон путем испускания электрона, протон, по аналогии, может превратиться в нейтрон путем испускания позитрона:

Испускание позитрона (или положительно заряженной бета-частицы) приводит к обратному испусканию электрона результату. Атомное число нуклида уменьшается на единицу вследствие исчезновения протона, а массовое число остается опять-таки неизменным, так как на месте протона появляется электрон.

Фосфор–30 — самый первый полученный искусственным путем радиоизотоп — имел дефицит нейтронов в ядре; В то время как ядро стабильного фосфора–31 состоит из 15 протонов и 16 нейтронов, ядро фосфора–30 состоит из 15 протонов и всего лишь 15 нейтронов. Фосфор–30, период полураспада которого 2,6 мин, испускает позитрон и превращается в стабильный кремний–30 (14 протонов, 16 нейтронов). Получив фосфор–30, супруги Жолио-Кюри предвосхитили открытие позитрона Андерсоном.

В лабораторных условиях было получено большое количество излучающих позитроны радиоизотопов. Наиболее известным из них является, пожалуй, углерод-11, использовавшийся в качестве изотопного маркера вплоть до открытия углерода–14.

В природе позитроны образуются в основном в ходе реакций ядерного синтеза с участием водорода на Солнце и других звездах. В процессе слияния четырех ядер водорода–1 в одно ядро гелия–4, которое имеет 2p/2n структуру, два протона преобразуются в нейтроны, испуская два позитрона:

Аннигиляция вещества

Электрон является стабильной частицей. Это означает, что самопроизвольно никаких изменений в нем не происходит. Согласно закону сохранения электрического заряда общий заряд остается неизменным. Электрон является самой малой частицей с отрицательным зарядом, и ученые предполагают, что меньшей отрицательной частицы, скорее всего, не существует. Распадаясь, электрон должен стать частицей с еще меньшей массой, а в этом случае для электрического заряда, так сказать, просто не останется места, поэтому электроны и не распадаются.

Это же утверждение относится и к позитрону, являющемуся самой малой частицей с положительным зарядом, который ей некуда девать в случае распада. Поэтому позитрон также считается стабильной частицей, и, если бы во Вселенной были одни лишь позитроны, они существовали бы вечно.

Однако позитрон вовсе не единственная частица во Вселенной. Позитроны образуются в мире, где электроны превосходят их по количеству. При обычных земных условиях не проходит и одной миллионной доли секунды, как позитрон сталкивается с электроном. Что же в этом случае происходит?

Сумма зарядов позитрона и электрона равна нулю. Значит, они могут слиться и нейтрализовать заряды друг друга. Кроме того, они компенсируют и массу друг друга. Такой процесс называется взаимной аннигиляцией. Но это не является аннигиляцией в чистом виде, так как согласно закону сохранения массы и энергии что-то все-таки остается, несмотря на нейтрализацию зарядов. Если пропадает масса электрона и позитрона, значит, должно выделиться соответствующее количество энергии.

Общая масса электрона и позитрона равна 1,822∙10^–27 граммов. По формуле Эйнштейна e = mc² (см. ч. II) энергетический эквивалент массы этих двух частиц равен 1,64∙10^–6 эрг, или 1,02 Мэв.

Нельзя забывать и о других законах сохранения, имеющих силу при данном преобразовании массы в энергию. Например, закон сохранения углового момента (см. ч. 1) определяет спин.

Спин протона может принимать значение либо +1, либо –1. Если в результате взаимной аннигиляции электрона и позитрона образуется протон, энергия которого равна 1,02 Мэв (протон гамма-луча), то, предположив, что спин у электрона и позитрона одинаков, значение этого спина должно равняться ½. Если их спин равен +½, то образуется фотон со спином +1, а если их спин равен –½, то образуется фотон со спином –1.

Сложность заключается в том, что нужно соблюдать и закон сохранения количества движения (см. ч. I). Если общий импульс системы позитрон — электрон по отношению к окружающим объектам равен нулю, тогда единственный образующийся фотон не сможет сдвинуться с места. Но так как фотон должен двигаться, да еще и со скоростью света, значит, образуются несколько фотонов.

Вместо одного протона образуются три протона, по 0,34 Мэв каждый (они также являются гамма-лучами). Они появляются одновременно и разлетаются в разные стороны под углом 60°. Если спины протонов равны +1, +1 и –1, то и общий спин равен +1, а если -1, –1 и +1, то –1. И в том и в другом случае законы сохранения углового момента и импульса не нарушаются.

Если спины электрона и позитрона имеют одинаковое направление (то есть и у электрона, и у позитрона спин положителен либо отрицателен), то могут образоваться только три протона, но никак не два. Общий спин двух фотонов может быть равен 0 (+1 и –1), +2 (+1 и +1) или -2 (–1 и –1), в то время как общий спин электрона и позитрона может быть равен лишь +1 (+½ и + ½) или –1 (–½ и –½). В данном случае закон сохранения углового момента не соблюдается.

С другой стороны, если спины электрона и позитрона имеют разное направление (+½ и –½), то они могут образовать два фотона (+1 и –1), так как угловой момент в обоих случаях равен 0, то есть закон сохранения углового момента соблюдается. Два протона являются гамма-лучами мощностью 0,51 Мэв, которые разлетаются в противоположном друг от друга направлении, то есть соблюдается и закон сохранения импульса.

Я так подробно рассказываю об этом, чтобы показать, как физики с помощью законов сохранения определяли, что на субатомном уровне происходить может, а что не может. Они основывались на утверждении, что любое «ядерное» явление, если оно может произойти, произойдет обязательно, нужно лишь достаточно долго ждать и пристально наблюдать. Поэтому, если какое-то явление не происходит, несмотря на долгие и сложные исследования, однако оно не «запрещено» ни одним из законов сохранения, значит, нужно вывести новый закон. С другой стороны, если вопреки какому-либо закону явление все же происходит, значит, этот закон действителен только в определенных условиях и нужно вывести более общую формулу.

Было обнаружено, что при взаимной аннигиляции электронов и позитронов выделяются гамма-лучи, энергия которых в точности соответствует расчетной. Это — одно из самых красивых доказательств верности специальной теории относительности Эйнштейна, частью которой является формула e = mc².

Должен существовать и обратный процесс. Энергия должна каким-то образом переходить в массу. Энергия не может образовать электрон или позитрон, так как неоткуда взяться заряду. Нельзя создать и лишь один положительный или отрицательный заряд.

Однако электрон и позитрон могут образоваться одновременно. Общий заряд такой электронно-позитронной пары все равно остается равным нулю. Для этого необходим гамма-луч мощностью по меньшей мере 1,02 Мэв, а в случае использования более мощного луча избыток энергии переходит в кинетическую энергию частиц — все по Эйнштейну.

Быстрые позитроны образуются благодаря большому избытку энергии космических лучей. Именно эти частицы и являлись первыми античастицами, открытыми Андерсоном.

Когда Дирак разработал теоретическое доказательство, вылившееся в концепцию античастиц, он посчитал, что противоположной электрону частицей является протон. Однако его предположение не подтвердилось, так как электрон и протон противоположны друг другу разве только что зарядом. Масса протона, например, в 1836 раз больше массы электрона. (Почему электрон легче и почему именно в 1836 раз? Эти два вопроса являются одними из самых интересных загадок ядерной физики.)

Электрон и протон притягиваются друг к другу, как и любые другие объекты с разноименными электрическими зарядами, но они не аннигилируют. В крайнем случае протон захватывает электрон и тот занимает самый нижний электронный уровень, то есть приближается к протону на минимальное расстояние. (В случае протонно-электронной аннигиляции такого соединения просто бы не существовало.)

Электрон и позитрон, которые могут аннигилировать друг друга, также могут захватывать друг друга на какое-то время без аннигиляции. Такой атом, состоящий из движущихся по орбите друг за другом вокруг общего центра притяжения электрона и позитрона (если рассматривать как обычную частицу, не принимая во внимание проявления волновых свойств), называется позитронием.

Существуют два вида позитрониев: ортопозитроний, частицы которого имеют одноименный спин, и парапозитроний, частицы которого имеют разноименный спин. Ортопозитроний существует в среднем одну десятую долю микросекунды, после чего происходит аннигиляция, а парапозитроний и того меньше — всего одну десятитысячную микросекунды. После аннигиляции ортопозитрония образуется три протона, а после аннигиляции парапозитрония — два. В 1951 году австрийскому физику Мартину Дойчу (1917–2002) удалось обнаружить позитронии по испускаемым ими гамма-лучам.

Антибарион

В теории Дирака нет ничего из того, что можно было бы применить к электрону, но ее нельзя применить и к протону. Если у электрона есть античастица, то античастица должна быть и у протона. Антипротон взаимно аннигилируется с протоном, в результате чего, как и в случае с позитроном и электроном, образуются пары и тройки фотонов.

Однако так как масса протона в 1836 раз превышает массу электрона, а масса антипротона в 1836 раз превышает массу позитрона, энергия, выделяемая в результате аннигиляции протона и антипротона, должна быть в 1836 раз больше энергии, выделяемой при аннигиляции электрона и позитрона. Общий выход энергии составляет 1,02 ∙ 1836, то есть 1872 Мэв, или 1,872 млрд. эв. Как видите, мы в диапазоне миллиардов электрон вольт.

Для обратного процесса, образования протонно-антипротонной пары, требуется 1,872 млрд. эв энергии. В действительности энергии требуется намного больше, так как пара образуется за счет столкновения двух частиц на очень большой скорости, а избыток энергии повышает шансы образования антипротона. По подсчетам физиков, для успешного образования протонно-антипротонной пары требуется 6 млрд. эв энергии.

Такой энергией обладают самые быстрые из космических частиц. Однако такие частицы встречаются крайне редко, поэтому сидеть и ждать их с детектором в надежде, что они тут же появятся, довольно глупо.

По этой причине антипротоны были обнаружены лишь тогда, когда физикам удалось построить ускорители частиц, способные разгонять частицы до миллиардов электронвольт. После установки и настройки детекторов ускоренные частицы можно направлять в цель. В Калифорнийском университете для этих целей был использован синхрофазотрон, называвшийся «Беватрон».

Вылетающие из «Беватрона» быстрые частицы ударялись о медную плиту, где в результате столкновения образовывалось огромное количество частиц. Необходимо было выделить из всех этих обломков антипротоны. Для этой цели осколки подвергали воздействию магнитного поля, в результате чего отфильтровывались отрицательно заряженные частицы. Среди них антипротон является самой тяжелой и самой медленной частицей. Поток осколков направляли на расположенные на расстоянии 12,5 м два сцинтилляционных счетчика. Согласно расчетам, антипротон должен пройти это расстояние за 0,051 миллисекунды,

В конце концов Эмилио Сегре (первооткрывателю технеция, к этому времени эмигрировавшему в США) и американскому физику Оуэну Чемберлену удалось обнаружить такую частицу в 1956 году.

Антипротон, как и ожидалось, является близнецом протона, равным по массе, но с противоположным зарядом. Протон обладает положительным зарядом, а антипротон — отрицательным. Протон и антипротон можно обозначить как, ₁p¹ и _-1p¹, или как p⁺ и p^–, или как p и p^–.

Протон является стабильной частицей и сам по себе может существовать вечно. Его стабильность не подчиняется законам сохранения. Может ли протон распасться до позитрона с энергией в 0,51 Мэв, а оставшуюся большую часть энергии испустить в виде фотонов? Сохранится ли его заряд?

На практике такого не происходит, поэтому мы вполне можем ввести новый закон сохранения — закон сохранения барионного числа. Согласно этому закону общее число бирионов должно оставаться неизменным в любом случае. Основываясь на изученных субатомных явлениях, физики уверены в справедливости этого закона.

Если протон распадается до позитрона, количество барионов уменьшается с 1 до 0. Это противоречит закону сохранения барионного числа, поэтому протон и не распадается до позитрона. На самом деле протон является самой легкой частицей среди барионов, поэтому он не может распадаться. Его стабильность является отражением закона сохранения барионного числа.

Аналогично антипротон является стабильной частицей и не может распадаться, например до электрона. Антипротон является самым легким из всех антибарионов, а закон сохранения барионного числа применим и к антибарионам.

Во Вселенной при столкновении антипротона с протоном (которых намного больше) тут же происходит аннигиляция. Общий заряд протонно-антипротонной пары равен нулю, поэтому аннигиляция происходит без нарушения закона сохранения электрического заряда. Кроме того, считается, что барионное число антипротона равно –1, а протона +1. Значит, барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, и аннигиляция происходит без нарушения закона сохранения барионного числа.

Выделяемая в процессе аннигиляции протона и антипротона энергия может принимать участие в образовании не только протонов, но и других частиц. Если протон и антипротон проходят очень близко, но не попадают друг в друга, аннигилируется только их заряд, а масса остается. Можно предположить, что в этом случае образуется одна незаряженная частица. Но одна частица образовываться не может, так как барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, а в случае образования, скажем, нейтрона барионное число будет равно 1, что противоречит закону сохранения барионного числа. На самом деле образуются две частицы — нейтрон и антинейтрон. Барионное число антинейтрона равно –1, нейтрона +1, поэтому их общее барионное число равно 0, то есть закон сохранения барионного числа соблюдается. Такой процесс «полуаннигиляиии» был открыт в 1956 году, вскоре после обнаружения антипротона, послужившего толчком к открытию антинейтрона.

Вполне справедлив вопрос: «А как же различать нейтрон и антинейтрон?» Элементы других пар «частица — античастица» отличаются друг от друга полюсом электрического заряда. У электрона заряд отрицательный, у позитрона — положительный. У протона — положительный, у антипротона — отрицательный.

Впрочем, у всех обладающих спином частиц есть еще одно различие. Любую обладающую спином частицу можно представить в виде крошечной сферы, вращающейся вокруг своей оси и имеющей два полюса. Если смотреть на частицу с одного полюса (назовем его первым), то она будет вращаться по часовой стрелке, а если с другого (назовем его вторым) — то против. Давайте считать, что мы всегда смотрим на частицу со второго полюса.

Вращение частицы приводит к образованию магнитного поля и двух магнитных полюсов — северного и южного. Если мы рассматриваем со второго полюса протон, то его северный магнитный полюс окажется сверху, а южный — снизу. Если же мы рассматриваем со второго полюса антипротон, то сверху окажется его южный, а не северный полюс. Другими словами, если направления спинов частицы и античастицы совпадают, то направление их магнитных полей обратно. То же относится к электрону и позитрону.

Хотя у нейтрона и нет электрического заряда, у него есть магнитное поле, так как, хоть заряд нейтрона и равен 0, отдельные его участки все-таки обладают электрическим зарядом. В 1951 году американский физик Роберт Хофстедтер (1915–1990) начал серию экспериментов по исследованию отдельных нуклонов с помощью пучков быстрых электронов. Ему удалось обнаружить, что и протоны и нейтроны состоят из обладающей электрическим зарядом оболочки и различаются между собой лишь общим зарядом.

Нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга противоположным направлением магнитного поля. Так как у нейтрона и антинейтрона нет электрического заряда, то символ ₀n¹ применим и к той и к другой частице. Поэтому обычно их обозначают как пил.

Период полураспада нейтрона равен 1013 секундам. Нейтрон распадается на протон и электрон, то есть барион превращается в более легкий барион, при этом барионное число остается неизменным. Общий заряд также остается неизменным и равняется 0. Помимо этого образуется еще и электрон, но тут есть одна тонкость, о которой мы поговорим в следующей главе, где подведем под закон сохранения и электрон.

Точно так же период полураспада антинейтрона равен 1013, и он распадается на антипротон и позитрон, сохраняя барионное число (–1) и электрический заряд (0). Графически этот процесс выглядит так:

и

Антивещество

Теперь мы можем добавить в табл. 13 еще три частицы: позитрон, антипротон и антинейтрон, каждая из которых является, так сказать, зеркальным отражением какой-либо частицы в таблице. У оставшихся фотона и гравитона зеркального отражения нет и быть не может, поскольку с теоретической точки зрения безмассовые частицы одновременно являются собственными античастицами. Другими словами, «антифотон» и «антигравитон» идентичны соответственно фотону и гравитону.

Итак, мы имеем 4 лептона (1 из которых является антилептоном) и 4 бариона (2 из которых являются антибарионами).

Наша Вселенная (или, по крайней мере, та ее часть, которую мы имеем возможность изучать) крайне однобока в плане количества частиц по сравнению с античастицами. Практически вся она состоит из частиц, в то время как античастицы встречаются довольно редко, и существуют они всего лишь долю микросекунды.

Вполне закономерен вопрос: «А почему все так, а не иначе?» Большинство физиков считают, что все присутствующее во Вселенной вещество постепенно или мгновенно образовалось из энергии много-много лет назад.

Можно предположить, что вещество образуется в виде нейтронов, которые потом распадаются до протонов и электронов, или все эти три частицы образуются независимо друг от друга. А из избытка энергии образуются фотоны и гравитоны.

Но в случае образования нейтрона согласно закону сохранения барионного числа должен образовываться и антинейтрон. Затем в процессе распада этого нейтрона образуются антипротоны и позитроны, то есть общее количество образующихся частиц и античастиц будет одинаковым и любые мыслимые ряды образовавших Вселенную ядерных реакций будут иметь один и тот же результат.

Кроме того, если бы частицы и античастицы образовывались одновременно, они тут же бы перешли обратно в энергию в результате взаимной аннигиляции. В этом случае Вселенная образоваться бы не могла. Если частицы и античастицы и образовывались одновременно, то в условиях последующей полной изоляции друг от друга для исключения их взаимодействия.

Поэтому действие гравитации на отдельные субатомные частицы настолько мало, что его так и не удалось измерить. Существует вероятность того, что, в то время как частицы слабо притягиваются гравитационным полем, античастицы слабо им отталкиваются. Другими словами, античастицы создают «антигравитацию». В случае образования частиц и античастиц в огромных количествах их гравитационные поля начнут сильно отталкивать друг друга, в результате чего могут на огромном расстоянии друг от друга образоваться две Вселенные. Австрийский физик Морис Гольдгабер много размышлял о таком варианте. Он дал двум Вселенным названия «космон» и «антикосмон». Мы живем конечно же в космоне.

В космоне атомные ядра состоят из окруженных электронами протонов и нейтронов. В состоящем полностью из античастиц антикосмоне атомные ядра состоят из окруженных позитронами антипротонов и антинейтронов. Из этих атомов образуется так называемое антивещество.

Вселенная антивещества, скорее всего не поддающаяся наблюдению, полностью аналогична нашей. Там есть и «антигалактики», состоящие из «антизвезд», вокруг которых вращаются «антипланеты», и на них, возможно, есть «антижизнь» и даже разумные «антисущества», изучающие свою Вселенную так же, как мы изучаем свою.

Они заметят, что их Вселенная почти полностью состоит из того, что мы называем античастицами, а частицы в их Вселенной встречаются редко и существуют очень недолго. Хотя, скорее всего, они решат, что это их Вселенная состоит из частиц и вещества, а наша — из античастиц и антивещества, то есть их предположение будет точно таким же, как и наше.

Можно также предположить, что Вселенная всего одна, а вещество и антивещество разделены в ней на две равные порции. Эти отдельные порции представлены в виде галактик (или скоплений галактик), состоящих либо из вещества, либо из антивещества; и те и другие существуют во Вселенной одновременно.

Если даже это и так, то проверить очень сложно. Единственные имеющиеся у нас сведения о других галактиках — это их гравитационное влияние и излучения, а передают нам эти сведения гравитоны и фотоны, долетающие до нас из этих галактик. Как мы знаем, гравитоны и фотоны являются античастицами самих себя, и их могут испускать как галактики, так и антигалактики. Другими словами, раз антигалактика испускает те же фотоны и гравитоны, что и галактика, значит, по этим частицам невозможно определить, из галактики какого типа они прилетели. (Разве только окажется, что между веществом и антивеществом действует сила гравитационного отталкивания и существует такая вещь, как антигравитон. Впрочем, вероятность этого очень мала.)

Конечно же существует вероятность того, что галактика и антигалактика могут приблизиться друг к другу. Тогда в результате взаимной аннигиляции выделится количество энергии, во много раз превосходящее выделяемое в обычных условиях. Существуют галактики, испускающие необычно большое количество энергии, что в очередной раз поднимает вопрос существования антивещества в головах физиков-теоретиков.

В 1962 году были обнаружены странные объекты, получившие название «квазизвезды», или квазары. Они испускают излучение, мощность которого равняется излучению 100 галактик, вместе взятых, в то время как их размеры не превосходят 1–10 световых лет в диаметре (диаметр галактики же в среднем составляет 100 000 световых лет).

Однако при попытке объяснить это явление никто еще не использовал термин «антивещество». К антивеществу прибегнут лишь в самом крайнем случае, так как такое объяснение очень трудно проверить.

Нейтрино

В гл. 11 мы говорили о том, что в ходе ядерных реакций масса переходит в энергию согласно формуле Эйнштейна e = тс². Это соответствие соблюдается и при полной аннигиляции частицы ее античастицей, и при образовании пары «частица — античастица» из энергии.

Несмотря на то что в большинстве случаев соотношение e = mc² выполняется полностью, в случае с радиоактивными излучениями существует одно исключение.

Альфа-излучение закону сохранения энергии подчиняется. Когда материнский атом самопроизвольно распадется на дочернее ядро и альфа-частицу, сумма образовавшихся продуктов отличается от массы исходного ядра. Это различие выражается в кинетической энергии быстрой альфа-частицы. Так как в результате распада ядра одного и того же элемента образуются одни и те же продукты, и разница в массе, и кинетическая энергия должны быть одинаковыми. Другими словами, пучок альфа-частиц должен быть моноэнергетическим, каковым он в данном случае и является.

У некоторых веществ испускаемый пучок альфа-частиц можно условно разделить на две и более группы, каждая из которых будет моноэнергетической, но уровень ее энергии будет отличаться от уровня энергии другой. Объясняется это тем, что материнское ядро может существовать на различных энергетических уровнях. В возбужденном состоянии ядро обладает несколько большей энергией, чем в обычном, и образующиеся при распаде такого ядра альфа-частицы обладают большей кинетической энергией. Каждому энергетическому уровню материнского ядра соответствует определенная группа моноэнергетических альфа-частиц, но соотношение массы и энергии остается неизменным (то есть соблюдается закон сохранения энергии).

Предполагалась, что все вышесказанное справедливо и для элементов, ядра которых распадаются на дочернее ядро и бета-частицу. Казалось вполне закономерным, что такие бета-частицы также образуют моноэнергетический пучок или в крайнем случае небольшую группу моноэнергетических лучей.

Однако в 1900 году Беккерель обнаружил, что разброс значений уровня кинетической энергии у излучаемых бета-частиц гораздо шире. В 1914 году Джеймс Чедвик доказал существование «непрерывного спектра бета-излучения».

Из потери массы была высчитана максимальная энергия бета-частицы, однако лишь у некоторых частиц уровень равнялся максимальному значению. (Ни у одной частицы уровень энергий не превышал максимальный, так как энергия, к сожалению, не образуется из ничего.)

Уровень энергии у бета-частиц был самым разнообразным (в пределах максимального). Некоторые вообще практически не обладали кинетической энергией. Более того, значительная часть энергии вообще куда-то исчезла, и в течение всех 1920-х годов ученые так и не могли обнаружить куда.

Исчезновение энергии так же невозможно, как и ее образование. Хотя некоторые физики, включая Нильса Бора, и готовы были признать закон сохранения энергии недействительным для субатомных частиц, остальные отчаянно искали какое-то другое объяснение.

В 1931 году Вольфганг Паули предложил свое объяснение. Он предположил, что во время образования бета-частицы образуется еще одна бета-частица, которая как раз и несет «недостающую» энергию первой бета-частицы.

В этом случае эта гипотетическая частица должна обладать определенными свойствами. При излучении бета-частицы сохраняется электрический заряд, то есть общий заряд образовавшихся частиц такой же, как и заряд исходных частиц. Соответственно частица Паули должна быть незаряженной. В этом был определенный смысл, так как если частица была бы заряженной, то во время своего движения она бы ионизировала окружающие атомы, то есть ее можно было бы обнаружить, например, в камере Вильсона. Но обнаружить ее не удалось.

Кроме того, обшей заряд предложенной Паули частицы был очень небольшим — равным недостающему количеству кинетической энергии электрона. От энергии частицы зависит ее масса, а значит, у частицы со столь низкой энергией и масса должна быть небольшой. Вскоре выяснилось, что масса новой частицы должна составлять менее 1% от массы электрона, то есть она уж точно являлась безмассовой.

Энрико Ферми, сразу заинтересовавшийся теорией Паули, хотел было дать название новой частице — «нейтрон», но к тому времени Чедвик уже обнаружил тяжелую незаряженную частицу, которую мы называем нейтроном. Тогда Ферми добавил к понравившемуся названию итальянский уменьшительно-ласкательный суффикс, и получился «нейтрино» («маленький и нейтральный»), и название прижилось.

Физики прозвали незаряженную безмассовую частицу «призраком», так как ее невозможно было обнаружить ни по заряду, ни по массе. Ее существование было бы очень сложно принять на веру, пусть даже и ради спасения закона сохранения энергии, если бы нейтрино не спасли еще три закона сохранения.

Это стало очевидным после применения нейтрино к теории распада нейтронов. Нейтрон имеет период полураспада 12 мин и распадается на протон и электрон, причем кинетическая энергия вылетающего электрона может принимать различные значения. Тогда, по теории Паули, нейтрон распадается на три частицы: протон, электрон и нейтрино.

Разница между распадом до трех частиц вместо двух очень важна с связи с законом сохранения количества движения (см. ч. I). Если нейтрон в состоянии покоя распадается лишь на две частицы, они должны разлететься в противоположном друг от друга направлении по прямой траектории. Только в этом случае закон сохранения количества движения будет соблюден.

Если же этот нейтрон распадется на три частицы, то две из них вылетят по одну сторону от проведенной через центр ядра воображаемой прямой линии и их общий импульс будет компенсирован импульсом третьей частицы, вылетающей в противоположную сторону.

В результате проведенных исследований распада нейтрона выяснилось, что образующиеся протон и электрон вылетают по одну сторону от проведенной через центр ядра воображаемой прямой линии и что для сохранения количества движения просто необходимо существование третьей частицы, вылетающей по другую сторону от этой линии.

Как только удалось понять сущность спина частиц, стало ясно, что нейтрино очень удобно использовать и в связи с законом сохранения углового момента (см. ч. I). Спин нейтрона, протона и электрона может принимать значение +½ либо –½. Предположим, что нейтрон распадется только на протон и электрон. Общий спин протона и электрона может быть равен +1, 0 или -1 (+½ и +½, –½ + ½ или –½ + –½). При любом раскладе общий их спин отличается от спина нейтрона (+½ или –½), то есть угловой момент не сохраняется.

Теперь предположим, что спин нейтрино может быть равен +½ или –½. Тогда общий спин трех частиц может быть равен +½ или –½, например +½, +½ и –½, то есть угловой момент сохраняется.

И наконец, третий, более тонкий закон сохранения. В предыдущей главе я говорил о законе сохранения барионного числа. Барионное число протона и нейтрона равно +1, а антипротона и антинейтрона –1. При распаде нейтрона барионное число сохраняется, так как из нейтрона (барионное число +1) образуется протон (барионное число +1).

А существует ли подобный закон для электронов, где число электрона будет равняться +1, а позитрона –1? Если мы рассматриваем только эти две частицы, то не будет. Например, в результате распада нейтрона образуется в том числе и один электрон, хотя в начале распада никаких электронов (или позитронов) нет.

Рассмотрим семейство электронов, включающее не только электроны и позитроны, но и нейтрино. Чтобы все сошлось, нам нужны еще и антинейтрино. Отличие антинейтрино от нейтрино заключается в направлении магнитного поля вращающейся частицы, как и в случае с нейтроном и антинейтроном (см. гл. 13). Электронное число нейтрино будет равно +1, а антинейтрино –1.

Теперь рассмотрим распад нейтрона с точки зрения вышесказанного. Электронное число нейтрона равно 0, так как он не является членом электронного семейства. Нейтрон распадается на протон (электронное число 0) и электрон (электронное число +1). Если добавить сюда и еще антинейтрино (электронное число –1) вместо нейтрино, то действует закон сохранения электронного числа (электронное число равно 0 до и после распада нейтрона).

Так же как и нейтрино, антинейтрино спасает законы сохранения энергии, количества движения и углового момента, а кроме того, добавляет еще один — закон сохранения электронного числа. Обозначив нейтрино как ν, а антинейтрино как ν^–, можем записать следующую формулу распада нейтрона:

С другой стороны, продуктом преобразования протона в нейтрон с испусканием позитрона (см. гл. 13) является частица с электронным числом –1. Для компенсации необходимо добавить еще и нейтрино (электронное число — 1). Запишем это:

И действительно, допуская образование в ходе ядерных реакций нейтрино и антинейтрино, мы можем сохранить соблюдение четырех законов сохранения: энергии, количества движения, углового момента и электронного числа. Ради получения этой «компенсации в четырехкратном размере» придется признать существование нейтрино и антинейтрино независимо от того, можно их обнаружить или нельзя.

Взаимодействие нейтрино

Несмотря на косвенное доказательство существования нейтрино и антинейтрино через законы сохранения, физики решили успокоиться только после обнаружения этих частиц. Для того чтобы обнаружить нейтрино или антинейтрино, необходимо, чтобы эти частицы вступили в распознаваемое взаимодействие с другими частицами.

Например, в процессе распада нейтрона до протона испускается антинейтрон. А может ли происходить обратный процесс, то есть превращение протона в нейтрон в результате поглощения антинейтрино? Тогда в процессе поглощения антинейтрино могли бы остаться какие-либо распознаваемые следы.

К сожалению, вероятность поглощения антинейтрино очень мала. Период полураспада нейтрона до протона равен 12 мин.

Это означает, что существует 50%-ная вероятность испускания нейтроном протона за эти 12 мин. Отсюда следует, что, если антинейтрино находится в непосредственной близости от протона в течение 12 мин, существует 50%-ная вероятность поглощения его протоном.

Однако антинейтрино не может находиться в непосредственной близости от протона не то что 12 мин, а и одной миллионной доли секунды. Безмассовые частицы, такие как нейтрино, антинейтрино, фотон и гравитон, сразу же после образования начинают движение со скоростью света и продолжают двигаться с этой скоростью до самого момента поглощения. Это значит, что антинейтрино будет находиться в непосредственной близости от протона всего лишь в течение 10^–28 с, а в этом случае вероятность взаимодействия между этими частицами крайне мала. Нейтрино и антинейтрино настолько малы, что для их поглощения необходимо твердое вещество толщиной в среднем 3500 световых лет.

Ситуация с фотоном диаметрально противоположна. Фотон также перемещается со скоростью света, однако, когда ситуация с энергией требует испускания атомов фотона, испускание происходит уже спустя 10^–8. Соответственно для успешного поглощения фотона частица должна находиться в непосредственной близости от атома в течение всего лишь 10^–8. Кроме того, длина волны фотона гораздо больше, чем нейтрино (если рассматривать обе частицы в виде волн), поэтому фотону для преодоления объекта необходимо больше времени, чем нейтрино, несмотря на то что обе частицы движутся с одинаковой скоростью.

Гамма-лучи поглощаются свинцовой плитой толщиной всего лишь 3 м. Видимый свет, длина волны которого еще больше, чем у гамма-лучей, настолько медленно проникает сквозь один атом, что поглощается веществом толщиной всего в несколько атомов.

Из этого вытекает одно очень важное для астрономии следствие. В процессе ядерного синтеза гелия из водорода протоны преобразуются в нейтроны, а вместе с фотонами образуются и нейтрино.

Фотоны несут 90–95% энергии, выделяемой солнечным ядром, в то время как нейтрино обладают лишь оставшимися 5–10% энергии.

Сразу после образования фотоны поглощаются и снова испускаются солнечным веществом; это повторяется снова и снова, поэтому в среднем сформировавшемуся в ядре фотону требуется около миллиона лет для того, чтобы добраться до поверхности Солнца и улететь в космос. Солнечное вещество является великолепным изолятором, о чем свидетельствует тот факт, что температура солнечного ядра составляет 15 000 000 C°, а температура поверхности, расположенной всего лишь на расстоянии 688 000 км, равна каким-то 6000 °C.

Однако образующиеся в ядре нейтрино не поглощаются солнечным веществом. Они пронзают солнечное вещество словно вакуум и со скоростью света вылетают наружу, достигая поверхности менее чем за 3 с. Столь быстрая потеря энергии снижает температуру солнечного ядра, но незначительно.

Некоторая часть солнечных нейтрино достигает Земли и проходит сквозь нее за ¹/₁₂₅ долю секунды. Через каждый квадратный сантиметр поперечного сечения Земли (и через нас с вами тоже) проходит около 10 млрд. нейтрино. Мы подвергаемся бомбардировке день и ночь, так как даже в ночное время стоящая на пути солнечных лучей Земля не защищает нас от нейтрино. С другой стороны, проходя через нас, нейтрино не вступают во взаимодействие с нашим организмом, поэтому они безвредны.

Существует возможность образования нейтрино и антинейтрино без участия протонов и нейтронов. Например, электронно-позитронная пара может образоваться из фотонов гамма-лучей, после чего электрон и позитрон вступают во взаимодействие и образуют нейтрино и антинейтрино:

В этой реакции энергия, заряд, количество движения, угловой момент, а также электронное число сохраняются. Общее электронное число электрона и позитрона равно 0, как и у нейтрино и антинейтрино.

Вероятность такого электронно-позитронного взаимодействия чрезвычайно мала даже при температуре солнечного ядра, поэтому его нельзя принимать за важный источник нейтрино. Впрочем, в ходе образования звезды ядро становится все горячее и горячее и вероятность преобразования фотонов в нейтроны через электронно-позитронную пару растет.

Подсчитано, что при температуре 6 000 000 000 °С преобразование фотонов в нейтроны идет настолько интенсивно, что нейтроны несут большую часть энергии ядра такой звезды. Нейтроны тут же покидают ядро, унося с собой столько энергии, что ядро взрывается. При этом выделяется огромное количество энергии. Предполагается, что именно в результате этого звезды взрываются, образуя сверхновые.

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с другой частицей крайне мала, конечно же не означает, что такое взаимодействие невозможно. Необходимая для поглощения нейтрино толщина твердого материала в 3500 световых лет — это лишь усредненное значение. Для некоторых нейтрино требуется гораздо больше вещества, а для некоторых — гораздо меньше. Существует некоторая, пусть чрезвычайно малая, но не равная нулю вероятность того, что нейтрино поглотит вещество толщиной всего лишь в километр, а то и в несколько сантиметров.

В 1953 году американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес провели серию экспериментов, целью которых было доказать возможность такого взаимодействия. В качестве мишени для протонов они использовали огромные резервуары с водой (в воде много атомов водорода, ядра которых состоят из одного протона), поместив их на пути потока антинейтрино, испускаемых от термоядерного реактора. (Антинейтрино образовывались в результате быстрого преобразования нейтронов в протоны внутри ядер продуктов деления.)

Если согласно формуле, обратной формуле 14.1, для образования нейтрона антинейтрино должен присоединиться к протону, протон должен одновременно присоединить и электрон. Именно необходимость присоединения двух частиц одновременно сводит вероятность такой реакции практически до нуля. Однако поглощение электрона эквивалентно испусканию позитрона, и поэтому вероятное взаимодействие нейтрино и протона приобретает следующий вид:

В ходе такой реакции барионное число сохраняется, так как вместо протона (+1) появляется нейтрон (+1). Сохраняется и электронное число — антинейтрино (–1) заменяется позитроном (–1).

Коуэн и Райнес подсчитали, что в используемой ими водной мишени взаимодействия антинейтрино и протона должны происходить 3 раза в час. Неудобство заключалось в том, что одновременно происходило и огромное количество других явлений, связанных с космическими лучами, паразитными радиоактивными излучениями и т. п. Вначале эти нежелательные явления происходили в несколько раз чаще, чем искомые реакции антинейтрино. Со временем их количество удалось сократить до допустимого предела с помощью мощного экранирования, отсеивающего большую часть поступающих извне субатомных частиц, но конечно же не представляющего преграды для антинейтрино.

Оставалось лишь точно и с максимальной долей уверенности зафиксировать взаимодействие антинейтрино. В процессе этого взаимодействия образуются позитрон и нейтрон. Позитрон сразу же вступает в реакцию с электроном, сопровождающуюся испусканием в противоположных направлениях гамма-лучей известного запаса энергии.

Образующийся в результате взаимодействия нейтрон через несколько миллионных долей секунды поглощается атомами кадмия (кадмий в форме соединения хлорида кадмия добавляется в воду как раз в целях поглощения нейтронов), после чего атом кадмия, приведенный лишним нейтроном в возбужденное состояние, испускает гамма-луч (а иногда и три гамма-луча) известной частоты. Именно эта цепочка событий — испускание двух гамма-лучей определенной частоты, а затем испускание еще одного гамма-луча определенной частоты — и является признаком существования антинейтрино. Насколько известно, никакая другая частица не вызывает аналогичной цепочки событий.

В 1956 году по этой характерной схеме гамма-излучения удалось обнаружить существование нейтрона. Предположение, сделанное Паули еще 25 лет назад, наконец-то подтвердилось.

Мюон

Пока Паули изучал непрерывный спектр бета-излучения, возник еще один, не менее сложный вопрос.

Объем атомного ядра составляет примерно 10^–40 см. Сила электромагнитного отталкивания между находящимися столь близко друг к другу протонами колоссальна. Пока ученые считали, что в ядре также существуют и электроны, можно было предположить, что сила взаимного электромагнитного отталкивания электронов (которая также очень высока) компенсирует силу отталкивания протонов. Таким образом, электроны являлись «ядерным цементом». Внутреннее строение ядра объяснялось с точки зрения электромагнитных сил, как и взаимосвязь атомов и молекул.

Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив, что между нуклонами существует действующая только на крайне небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораздо сильнее силы отталкивания.

В начале 1930-х годов в результате развития квантомеханического анализа было сделано предположение, что сила, действующая на таком расстоянии, на каком действует электромагнитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фотонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испытывают обменные силы.[142] Термин был предложен Гейзенбергом в 1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила гравитации действует за счет испускания и поглощения гравитонов (см. гл. 13).

И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница между которыми заключается лишь в площади испускающей их поверхности, действуют на расстоянии космического масштаба.

Однако предполагаемая ядерная сила должна действовать лишь на крайне небольшом расстоянии: большом внутри ядра и незначительном — за его пределами. В большом атомном ядре ядерная сила должна действовать лишь в пределах его диаметра. Возможно, именно поэтому ядра более тяжелых элементов с такой легкостью вступают в реакцию деления ядра.

Японский физик Хидоки Юкава (1907–1981) задался целью выяснить механизм столь необычайно большой силы со столь коротким радиусом действия. Я расскажу вам о его умозаключениях в упрощенном виде, не вдаваясь в квантомеханические подробности. Согласно принципу неопределенности невозможно точно определить одновременно и местоположение, и импульс. Погрешность определения одного из них, умноженная на погрешность определения другого, приблизительно равна постоянной Планка. Местоположение и импульс можно заменить на энергию и время. Получается, что невозможно определить точное количество энергии системы в определенный момент времени. Всегда существует небольшой период, во время которого количество энергии невозможно определить точно. Погрешность измерения количества энергии, умноженная на погрешность определения времени, опять-таки приблизительно равна постоянной Планка.

В течение периода, во время которого невозможно точно определить количество энергии, протон, например, может испустить микрочастицу. Вообще-то у него для этого нет энергии, но за тот период, что мы не можем точно определить его энергию, протон легко может нарушить закон сохранения энергии, так сказать, совершенно безнаказанно, поскольку никто не может проконтролировать соблюдение этого закона.

К концу этого периода частица, которую испустил протон, должна вернуться на свое место, и протон снова уже будет подчиняться закону сохранения энергии. Частица, испускание и поглощение которой прошло так быстро, что ее невозможно обнаружить, называется виртуальной частицей. Теоретически она должна существовать, но нет способа обнаружить ее на практике.

За время своей жизни виртуальная частица может удалиться от породившего ее протона, но на ограниченное расстояние, так как она должна успеть вернуться до окончания периода своего существования. Чем тяжелее частица (и больше ее энергия), тем выше погрешность измерения этой энергии и меньше период существования виртуальной частицы, так как их произведение является константой при любых обстоятельствах. Значит, в случае увеличения погрешности измерения одной единицы пропорционально уменьшается погрешность измерения другой.

Даже если виртуальная частица двигается со скоростью света, она не может далеко улететь от протона, так как значение постоянной Планка очень мало, соответственно время существования частицы крайне мало. Как правило, расстояние, на которое виртуальная частица уходит от протона, недостаточно для столкновения этой частицы с другой частицей, за исключением ситуации, когда нейтроны и протоны находятся в непосредственной близости друг от друга, как, например, внутри атомного ядра. В этом случае одна из испускаемых протоном частиц может быть поглощена нейтроном до ее возвращения к протону. Именно такое испускание и поглощение виртуальных частиц и приводит к возникновению ядерной силы.

В 1935 году Юкава сделал предположение, что виртуальная частица является частицей обмена ядерной силы. В отличие от частиц обмена электромагнитной силы и силы гравитации частица обмена ядерной силы должна обладать массой, чтобы допустимое время ее существования было достаточно малым для ограничения радиуса ее действия до нужного значения. Юкава подсчитал, что масса такой виртуальной частицы должна быть примерно в 270 раз больше массы электрона. В этом случае допустимое время ее существования будет достаточно коротким, чтобы радиус ее действия был таким, каким, согласно наблюдениям, и должен быть радиус действия ядерной силы.

Так как масса виртуальной частицы — нечто среднее между массой легких электронов и тяжелых частиц, частица получила название «мезотрон» (от греч., означающего «средний»), которое быстро сократили до мезон.

Согласно теории Юкавы, в процессе обмена протон становится нейтроном, а нейтрон — протоном. Другими словами, мезон, переходя от одной частицы к другой, должен нести с собой электрический заряд. Получается, что такой мезон является положительным. В случае с антипротоном и антинейтроном ядро антивещества удерживает еще одна античастица — отрицательный мезон.

Вскоре выяснилось, что обменные силы действуют и между двумя протонами, и между двумя нейтронами, то есть должен существовать еще и нейтральный мезон. Такой нейтральный мезон является античастицей самого себя и связывает антипротон с антипротоном или антинейтрон с антинейтроном.

Протонно-нейтронные обменные силы больше протонно-протонных, а это значит, что коэффициент дефекта массы у ядра с комбинацией p-n меньше, чем у ядра с комбинацией p-p. Поэтому для преобразования комбинации p-n в p-p внутри ядра необходима энергия.

При переходе n в p небольшое количество энергии высвобождается (самопроизвольный распад нейтрона), но этой энергии не всегда достаточно для преобразования комбинации p-n в p-p. Поэтому в ядрах некоторых элементов нейтрон не превращается в протон, а остается неизменным; в этом случае ядро является стабильным.

Для доказательства мезонной теории Юкавы необходимо было, собственно говоря, обнаружить мезон. Внутри ядра его обнаружить невозможно, так как там мезоны являются лишь виртуальными частицами. Однако, если к ядру подвести достаточное количество энергии, можно получить мезон и без нарушения закона сохранения энергии. В этом случае мезон становится реальной частицей и может покинуть ядро.

Карл Андерсон, ранее обнаруживший среди оставленных космическими лучами в камере Вильсона следов позитрон, в 1936 году обнаружил след еще одной частицы, траектория полета которой отклонялась меньше, чем у электрона, но больше, чем у протона. Очевидно, что эта частица обладала средней массой, и поначалу физики решили, что это и была предсказанная Юкавой частица.

Но они ошиблись. Обнаруженная Андерсоном частица была лишь в 207 раз тяжелее электрона, то есть намного легче мезона. Кроме того, эта частица существовала лишь в двух вариантах — с положительным зарядом и с отрицательным, причем исходными частицами являются как раз последние; не было даже намека на существование незаряженной разновидности. Но хуже всего то, что частица не вступала во взаимодействие ни с протонами, ни с нейтронами, а юкавская частица должна вступать во взаимодействие с любым встретившимся на пути нуклоном. Мезон же Андерсона практически не вступал ни в какие взаимодействия.

Со временем стало ясно, что существует не один» а несколько различных мезонов и что мезон Андерсона не является частицей обмена, о которой говорил Юкава. Названиям различных типов мезонов присвоили различные приставки (обычно буквы греческого алфавита), и обнаруженный Андерсоном мезон получил название мю-мезон, вскоре сокращенное до мюона.

В ходе изучения свойств мюона выяснилось, что мюон очень похож на электрон. Обе частицы обладали одинаковым зарядом: и у электрона, и у мюона частицей является разновидность с отрицательным зарядом, а античастицей — с положительным. Спин и магнитные свойства мюона и электрона также совпадали. Отличались лишь масса и устойчивость.

Действительно, у любого взаимодействия с участием электрона есть аналог с участием мюона. До своего распада мюон может даже заменять электроны в атомах, образуя мезоатом. В этом случае должен сохраняться угловой момент. Если мы воспользуемся старомодным представлением об электроне как о вращающейся вокруг ядра частице и заменим электрон на мюон, то у вращающегося с той же скоростью, что и электрон, мюона орбита должна быть ближе к ядру. Тогда большая масса мюона компенсируется меньшим радиусом обращения и угловой момент сохраняется (см. ч. I).

Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние от ядра до мюона должно составлять ¹/₂₀₇ расстояния от ядра до электрона. Это означает, что в тяжелых атомах орбита мюона первого энергетического уровня должна быть внутри ядра! Тот факт, что мюон свободно вращается внутри ядра, доказывает, насколько мала тенденция мюона вступать во взаимодействие с протонами и нейтронами.

Расстояние между мезонными энергетическими уровнями таких мезоатомов намного больше, чем между электронными энергетическими уровнями обычных атомов. Вместо испускаемых и поглощаемых обычными атомами фотонов видимого света мезоатомы испускают и поглощают фотоны рентгеновских лучей.

Мюон является нестабильной частицей, превращающейся в электрон спустя примерно 2,2 с. Однако по субатомным меркам 2,2 с — это довольно долго, поэтому в этом плане мюон не очень-то и отличается от абсолютно стабильного электрона.

В общем, мюон — это не что иное, как «тяжелый электрон». Но почему тяжелый электрон настолько тяжелее обычного, да и почему он вообще существует, до сих пор неясно.

Пион

Хотя мюон и не оказался частицей Юкавы, ее все равно нужно было продолжать искать. В 1947 году английский физик Сесил Пауэлл (1903–1969) поместил в Андах (Боливия) фотопластинки и с их помощью обнаружил среди космических лучей следы мезонов. Эти мезоны были намного тяжелей мезонов Андерсона: их масса была в 273 раза больше массы электрона. Почти как у юкавских частиц.

Оказалось, что они активно взаимодействуют с атомными ядрами, как и должны себя вести юкавские частицы. Частица нового мезона несла положительный заряд, а античастица — отрицательный, как и частицы Юкавы. В конце концов удалось обнаружить и нейтральную разновидность этого мезона, масса которой была чуть ниже массы заряженных частиц (масса незаряженного мезона в 264 раза больше массы электрона).

Новый мезон получил название пи-мезон, или пион. Пион — это и есть та самая частица обмена, о которой говорил Юкава. Нейтроны и протоны состоят из облаков пионов, что было доказано в 1950-х годах Робертом Хофстедтером. Для этого ученый провел бомбардировку нейтронов и протонов электронами, разогнанными в линейном ускорителе до 600 Мэв. Рассеиваясь, электроны проходили сквозь протон, пробивая внешнее облако пионов[143].

Спин пионов отличается от спина других частиц. Значение спина большинства частиц, о которых мы говорили выше, — нейтрино, электрона, мюона, протона и нейтрона, а также их античастиц — равно ½. Частицы с таким нецелочисленным спином ведут себя согласно статистике Ферми — Дирака (математическому анализу, проведенному Ферми и Дираком), почему и получили общее название ферм ионы. Главное отличительное свойство всех фермионов — подчинение правилу запрета (см. гл. 5).

Спин фотона равен 1, а гравитона — 2. Эти и другие частицы с целочисленным спином, включая атомные ядра ряда элементов, ведут себя согласно статистике Бозе — Эйнштейна, разработанной Эйнштейном и индийским физиком Бозе (1904–1974). Такие частицы называются бозонами. Бозоны не подчиняются принципу запрета.

Из всех открытых частиц первыми отдельными частицами, спин которых равнялся 0, и первыми бозонами, обладающими массой, стали пионы.

Легкость, с которой пион вступает в реакцию с ядерными частицами, — яркий пример сильного взаимодействия реакции, характеризующегося высокой скоростью ее протекания. Движущийся практически со скоростью света пион находится в непосредственной близости от протона или нейтрона всего 10^–23 с, однако этого времени вполне достаточно для сильного взаимодействия. Именно сильное взаимодействие удерживает микрочастицы внутри ядра, вопреки силам электромагнитного отталкивания.

Впрочем, существует и другой тип взаимодействия субатомных частиц, для начала которого необходимо гораздо больше времени — не менее одной стомиллионной доли секунды. Радиус такого слабого взаимодействия, как и сильного, очень мал, однако его интенсивность в триллион раз ниже интенсивности сильного взаимодействия. Хотя интенсивность слабого взаимодействия и ниже электромагнитного в 10 млрд. раз, оно все равно гораздо сильнее гравитационной силы, которая считается самой слабой силой в природе.

Раз пионы являются частицами обмена при сильном взаимодействии, у слабого взаимодействия также должны быть свои частицы обмена. Такая «слабая частица обмена» (обозначается w) должна быть еще более неуловимой, чем пион и фотон, но менее неуловимой, чем гравитон. Она должна быть бозоном, масса которого больше протона, но меньше пиона. Поэтому такую частицу и называют иногда средним бозоном. По некоторым данным, эту частицу удалось обнаружить, но информация еще не проверена.

Протон, антипротон, положительный пион и отрицательный ион могут вступать в следующие четыре вида взаимодействий: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные. Не обладающие электрическим зарядом нейтрон, антинейтрон и нейтральный пион не вступают лишь в электромагнитные взаимодействия, а электрон, позитрон, положительный мюон и отрицательный ион не вступают в сильные взаимодействия.

Больше всего в этом отношении «не повезло» нейтрино и антинейтрино. Они не вступают в сильные взаимодействия; они не обладают электрическим зарядом, поэтому не вступают в электромагнитные взаимодействия; не обладая массой, они не вступают в гравитационные взаимодействия. Нейтрино и антинейтрино вступают лишь в слабые взаимодействия. Поэтому появление в ходе распада частицы нейтрино или антинейтрино является верным признаком слабого взаимодействия. Слабым взаимодействием является, например, распад нейтрона.

Период полураспада свободного положительного или отрицательного пиона равен одной двадцати пяти миллиардной секунды, то есть образовавшиеся свободные пионы тут же распадаются на мюоны и нейтрино. Обозначив пионы как π, а мюоны как μ (греческая «мю»), запишем формулу распада положительного и отрицательного пионов:

Вначале физики предположили, что масса образующегося в ходе распада пиона нейтрино должна быть гораздо больше массы обычного нейтрино и, возможно, в 100 раз больше массы электрона. Какое-то время они называли такой нейтрино мю-мезонным, однако в ходе последующих исследований выяснилось, что продукт распада пиона является безмассовым нейтрино.

Что касается мюона, он является не только «тяжелым электроном», но полноправным членом семейства электронов. Поэтому отрицательному мюону можно присвоить электронное число +1, как у электрона, а положительному мюону электронное число –1, как у позитрона.

Тогда общее электронное число образующихся по формуле 14.5 положительного мюона (–1) и нейтрино (+1) равно 0, что совпадает с электронным числом исходного пиона (пион не является членом семейства электронов, поэтому его электронное число равно 0). Точно так же образование по формуле 14.6 отрицательного мюона (+1) требует образования и антинейтрино (–1), так как общее электронное число равно 0.

Трудность вызывает процесс распада мюона. Мюон распадается на электрон и два нейтрино. Если электронное число сохраняется, то один из нейтрино должен быть антинейтрино. Распад отрицательного мюона можно записать так:

Электронное число отрицательного мюона равно +1. Общее электронное число продуктов распада равно +1 (электрон –1, нейтрино +1 и антинейтрино –1). Электронное число сохраняется.

Но почему же тогда нейтрино и антинейтрино в некоторых случаях аннигилируют друг друга, превращаясь в энергию, а в других случаях происходит соединение частицы и античастицы? Если это так, то, возможно, в некоторых случаях мюон распадается только на электрон, а оставшаяся масса переходит в фотоны?

Впрочем, такого не наблюдается, и физики пришли к выводу, что образующиеся в процессе распада мюона нейтрино и антинейтрино не являются противоположными друг другу частицами. Возможно ли, что нейтрино образуется в связи с мюоном, а антинейтрино в связи с электроном и что мюоны и электроны образуют различные типы нейтрино?

В 1962 году это удалось проверить следующим способом. Пучок электронов очень высокой энергии направили на атомы бериллия, и в результате столкновения образовался поток интенсивных пионов. Пионы моментально распадались на мюоны и нейтрино, а затем все эти частицы ударялись о лист брони 13,5 м толщиной. Лист останавливал все частицы, за исключением нейтрино. Те свободно проходили сквозь броню внутрь детектора, где они вступали во взаимодействие с нейтроном, образуя протон и электрон или же отрицательный мюон.

Если существует лишь один тип нейтрино, то в процессе его распада отрицательные мюоны и электроны должны образовываться в равных количествах:

Как видите, и в том и в другом случае барионное число сохраняется. Сохраняется и электронное число, так как и электронное число исходного нейтрино, и электронные числа образующихся электрона и отрицательного мюона равны +1. Во время субатомных взаимодействий все, что может произойти, происходит, поэтому физики и были уверены, что если существует лишь один тип нейтрино, то мюоны и электроны будут образовываться в равных количествах.

Как бы не так! Образовывались лишь отрицательные мюоны.

Это означало, что нейтрино, образующиеся в результате распада пионов на мюоны и нейтрино, являются мюон-нейтрино, особой разновидностью нейтрино, которое может образовывать только мюоны, но никак не электроны. Аналогично обычные нейтрино, образующиеся в связи с электронами и позитронами, являются электрон-нейтрино, и они могут образовывать только электроны или позитроны, но никак не мюоны.

Обозначив мюон-нейтрино как ν_μ а электрон-нейтрино как ν_e, перепишем формулы 14.1–14.6 следующим образом:

В формулах 14.10^–14.13 электронное число сохраняется. В формулах 14.14 и 14.15 вступает в силу закон сохранения мюнного числа. Мюонное число отрицательного мюона и мюон-нейтрино равны +1, а положительного мюона и мюон-антинейтрино равны –1. Как видите, в формулах 14.14 и 14.15 мюонное число и до, и после распада пиона равно 0.

Формула 14.7 описывает взаимодействие с участием и электронов, и мюонов. Мы можем переписать ее как:

В результате такого взаимодействия мюонное число сохраняется: мюонное число исходного отрицательного мюона и образующегося мюон-нейтрино равно +1. Кроме того, сохраняется и электронное число: среди исходных элементов членов семейства электронов нет, поэтому электронное число равно 0, а среди образующихся продуктов есть электрон (электронное число +1) и электрон-антинейтрино (электронное число –1), и их общее электронное число равно 0.

Точно так же распад положительного мюона будет выглядеть следующим образом:

В результате распада положительного мюона образуются позитрон, электрон-нейтрино и мюон-антинейтрино.

В ходе распада отрицательного или положительного мюона не происходит взаимной аннигиляции нейтрино и антинейтрино, так как они не являются античастицами. Взаимная аннигиляция приведет к нарушению законов сохранения электронного и мюонного чисел.

И электрон-нейтрино, и мюон-нейтрино являются безмассовыми незаряженными частицами со спином ½. До сих пор остается загадкой, чем же они отличаются друг от друга.

Рубеж

Были открыты и другие частицы, первая из которых была обнаружена в 1947 году. Все эти частицы, за исключением мюон-нейтрино (его существование не столько открыли, сколько осознали), являются тяжелыми нестабильными частицами и вступают в сильные взаимодействия.

Так, были открыты К-мезоны, или каоны, — целая группа частиц, масса которых в 996,5 раза больше массы электрона, то есть приблизительно равна среднему значению массы протона и пиона. Как и пионы, каоны имеют спин, равный 0, и являются бозонами, также существует положительный каон, являющийся частицей, и отрицательный, являющийся античастицей. Есть еще и чуть менее устойчивый — нейтральный каон, масса которого чуть ниже массы заряженного каона. Однако в отличие от пионов нейтральный каон не является собственной античастицей: существует нейтральный каон и нейтральный антикаон.

Были также открыты и более тяжелые, чем протоны и нейтроны, частицы. Все они делятся на три группы, получившие названия по трем буквам греческого алфавита: лямбда, сигма и кси.

В группе лямбда одна частица (нейтральная), в группе сигма — три частицы (положительная, отрицательная и нейтральная), и в группе кси — еще две частицы (отрицательная и нейтральная). У каждой частицы есть античастица. Масса частицы группы лямбда в 2182 раза больше массы электрона (то есть 1,18 от массы протона). Масса частиц группы сигма больше массы протона — примерно в 1,27 раза, а масса частиц группы кси еще больше массы протона — в 1,40 раза. Общее название всех этих частиц гипероны (от греческого «выше», так как их масса выше массы протона). Все гипероны являются фермионами.

Как и мюоны, которые могут замещать электроны внутри атома и образовывать мезоатомы, лямбда-гипероны могут замещать частицу внутри атомного ядра и образовывать короткоживущее гиперъядро.

В 1960-х годах было обнаружено несколько крайне короткоживущих частиц, период полураспада которых равнялся всего 10^–23. Это — резонансные частицы. Пока неясно, являются ли они отдельными частицами. Возможно, это всего лишь кратковременные соединения двух и более частиц.

Огромное количество обнаруженных частиц привело физиков в замешательство, так как было очень сложно расположить их по порядку. Требовались новые законы поведения частиц.

Например, несмотря на то, что условия образования гиперонов свидетельствуют о том, что они являются частицами сильного взаимодействия, и несмотря на то, что продукты их распада также являются частицами сильного взаимодействия, тем не менее распад гиперона идет нехарактерно медленно. Распад, например, лямбда-гиперона можно представить в виде:

где λ (греческая заглавная «лямбда») обозначает лямбда-гиперон. В ходе этой реакции соблюдаются все известные законы сохранения. Сохраняется, например, спин, так как спин пиона равен 0. Сохраняется и барионное число, а гипероны являются барионами. (В данном случае пион не является членом ни одного из участвующих в реакции семейств частиц, числа которых сохраняются, поэтому он может совершенно свободно появляться и исчезать, не нарушая законов сохранения.) Так как по всем признакам описанное формулой 14.18 взаимодействие является сильным, оно должно происходить не более чем за 10^–28 с (или около того). Однако взаимодействие длится в течение 2,5∙10^–10 с, что в 10 трлн. раз дольше, чем должно быть, — невероятно долго по субатомным меркам.

Объяснение этому в 1953 году предложили независимо друг от друга два физика — американец Марри Гелл-Ман и японец Кацухико Нисидзима. Они предложили новую сохраняющуюся величину, которую Гелл-Ман назвал странность.

Странность всех членов электронной и мюонной семей, а также пионов, нуклонов и их античастиц равна 0. Все остальные частицы, странность которых не равна 0, имеют общее название «странные частицы». Странность каона равна +1; лямбда-гиперона и сигма-гиперона –1; а кси-гиперона –2. Их античастицы имеют конечно же противоположное значение числа странности.

Значения странности не были присвоены частицам произвольно, они вычислялись экспериментальным путем. Если странность исходной частицы равна нулю, то при ее распаде до частицы со странностью +1 обязательно должна образовываться и частица с числом странности –1. В этом случае странность сохраняется.

В описанном формулой 14.18 случае распада лямбда-гиперона (число странности -I) до протона (0) и пиона (0) странность не сохраняется, значит, такая реакция идти не может.

Однако закон сохранения странности распространяется только на сильные взаимодействия. Значит, распад лямбда-гиперона может иметь место, но только в результате слабого взаимодействия, для которого требуется гораздо больше времени. Поэтому, несмотря на все внешние признаки, формула 14.18 описывает все же слабое взаимодействие, что и объясняет долгий период полураспада лямбда-частицы.

Были обнаружены ограничения и у более старого закона сохранения четности.

Четность является величиной, которая сохраняется точно так же, как в мире цифр сохраняется четность/нечетность. Если четное число, например 8, представить в виде суммы двух меньших чисел, например 6 + 2 или 5 + 3, то оба этих числа будут либо четными, либо нечетными. Если в виде суммы двух меньших чисел представить нечетное число, например 7, то одно из них всегда будет четным, а второе — нечетным. Это же правило относится и к более сложным преобразованиям.

В 1956 году было обнаружено, что некоторые каоны распадаются на два пиона, а некоторые — на три. Так как пионам присвоена отрицательная четность, то два пиона являются четными, а три пиона — нечетными. Это означало, что существуют каоны с положительной четностью и каоны с отрицательной четностью.

Однако каоны отличались лишь способом распада, в то время как вес остальные их свойства были абсолютно идентичны. Изучая эту проблему, два китайских физика Ли Цзундао и Ян Чжэньнин с теоретической точки зрения объяснили, почему четность должна сохраняться лишь при сильных взаимодействиях, а при слабых ею можно пренебречь.

Существовала возможность проверить это. Уже в 1927 году Эуген Вигнер, изучив проблему, доказал, что сохранение четности означало отсутствие различий между левым и правым, или (что тоже самое) между ситуацией и ее зеркальным отражением. Этого можно достичь только в том случае, если все взаимодействия будут происходить симметрично в пространстве. Например, если ядро испускает электроны, оно должно испускать их во все стороны, чтобы зеркальное отражение было неотличимо от реальности. Если же электроны испускают преимущественно в одну сторону (скажем, влево), то при зеркальном отражении они будут испускаться преимущественно вправо, и реальность можно будет отличить от ее зеркального отражения.

Китайский физик By Цзяньсюн проверила теорию Ли Яна, используя для этого кобальт–60. Кобальт–60 во время слабого взаимодействия отдает электроны. By Цзяньсюн охладила кобальт–60 практически до абсолютного нуля, после чего подвергла его действию магнитного поля. В результате этого все ядра кобальта повернулись северными магнитными полюсами в одну сторону, а южными в другую. При температуре около абсолютного нуля ядрам не хватало энергии для того, чтобы противостоять выравниванию.

Оказалось, что электроны вовсе не испускаются во всех направлениях. Из южного магнитного полюса вылетало гораздо больше электронов, чем из северного. Эту ситуацию можно отличить от ее зеркального отражения, значит, закон сохранения четности применительно к слабым взаимодействиям не работает.

Соответственно в случае слабого взаимодействии каон вполне может иметь то положительную, то отрицательную четность.

Более общий закон сохранения совмещает четность и зарядовое сопряжение — величину, определяющую взаимообмен частиц и античастиц. Это значит, что изменение четности ведет к соответствующим изменениям в связи с античастицами. Так, антивещество кобальта–60 будет испускать позитроны, причем преимущественно с северного магнитного полюса. При сильном взаимодействии четность и зарядовое сопряжение сохраняются раздельно, а при слабом — вместе.

Гелл-Ман развил свою теорию, и в 1961 году он (и независимо от него израильский физик Юваль Нееман) организовал десятки частиц сильного взаимодействия по восьми сохраняющимся при сильном взаимодействии свойствам. Обосновав свою теорию с точки зрения теории групп (раздел высщей математики), назвал ее восьмеричный путь.

Например, работая с дельта-гиперонами (еще одна группа частиц с зарядами –1, 0, +1 и +2), Гелл-Ман поместил их под более тяжелыми сигма-гиперонами (заряды –1, 0 и +1), а над сигма-гиперонами — более тяжелые кси-гипероны (заряды –1 и 0).

По аналогии на вершину образующегося треугольника можно поместить еще более тяжелую частицу с зарядом –1. Гелл-Ман назвал эту частицу отрицательным омега-гипероном, так как омега является последней буквой греческого алфавита. Омега-гиперон обладает уникальными значениями различных сохраняемых величин, самым необычным из которых является значение странности (–3).

В 1964 году омега-гиперон был обнаружен, причем все его свойства, в том числе и странности, в точности совпадали с предсказанными. По своей значимости это открытие не уступает обнаружению элементов, существование которых было предсказано Менделеевым.

Именно на этом рубеже и находится сейчас физика — рубеже мира субатомных частиц, превратившемся за последние десятилетия в джунгли загадочных явлений. Возможно, если подобрать ко всем этим загадкам правильные отгадки, перед нами откроется разгадка всех физических тайн Вселенной.