Превращение элементов

Твёрдые факты природы

Резерфорд работал лихорадочно и быстро. Работал с напором. «Кризис в науке» его интересовал мало. Много позже он сказал, что вправе был бы сказать и тогда (а кто знает, может быть, и тогда говорил): «Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твёрдые факты природы». Резерфорд нередко бравировал: «я не теоретик», хотя прекрасно знал, что эксперимент и теория взаимно дополняют и подтверждают друг друга и, пожалуй, никто больше его не демонстрировал это с такой наглядностью.

Альфа-частицы заявили о себе не только косвенно, через показания электрометра или какого-нибудь другого прибора, а ощутимо, зримо. Резерфорд, встретившись с супругами Кюри у них дома ещё в июне 1903 г., был восхищён зрелищем, которое показал ему Пьер Кюри. В трубке, часть которой покрыта сернистым цинком, находился раствор радия, и трубка в темноте светилась удивительным светом. Это было эффектно, впрочем, не так уж и ново. За год до этого прославленный Уильям Крукс сконструировал несложный приборчик, названный им спинтарископом. В нём ничтожнейшее количество соли радия было помещено перед экраном из сернистого цинка. Альфа-частицы, вырываясь из радия, ударяли в экран, и на нём происходили вспышки света, тут же исчезающие. Многие учёные смотрели на спинтарископ как на очень любопытную, забавную даже, научную игрушку, в лучшем случае демонстрационный прибор для какой-нибудь лекции по новой отрасли науки — радиоактивности. Резерфорд отнёсся к этому иначе. Он сделал спинтарископ важнейшим инструментом глубоких исследований. Ведь этот прибор позволял считать альфа-частицы. Каждая вспышка регистрировала одну альфа-частицу, показывала, в какое место она ударялась.

В Мак-Гилле Резерфорд, изучая полёт альфа-частиц, засвечивал с их помощью фотопластинки. Резкого пятна на фотопластинке у него долгое время не получалось — до тех пор, пока он не добился достаточно высокого вакуума. Но с высоким вакуумом пришла и аномалия. Если на щель, через которую пропускали поток альфа-частиц, накладывался кусочек слюды, то на пластинке опять появлялось размытое пятно (или линия, в зависимости от щели). Отклонение было невелико, но его трудно было объяснить, поскольку время полёта частиц очень короткое, кинетическая энергия их колоссальна, расстояние до фотопластинки-мишенн — ничтожно. Резерфорд решил, что разгадка рассеяния альфа-частиц может пролить свет на внутреннюю структуру атома. Именно для такой работы и подходил спинтарископ, точнее установка, основанная на его принципе. Вместе со своим учеником Гансом Гейгером Резерфорд стал подсчитывать, какое число альфа-частиц сильно отклоняется от общего потока. Щель, через которую пропускали альфа-частицы, прикрывалась листочком из золотой фольги. Установили, что отклонение незначительно, всего полградуса, но число отклонений в разные стороны составляет две трети всех альфа-частиц. Поток рассеивается — почему? Резерфорд поручил студенту последнего курса Эрнсту Марсдену проверить, не происходит ли отражение альфа-частиц от поверхности золотой фольги. С большим старанием отнёсся студент к порученному делу и скоро сделал небольшую установку, в которой источник альфа-частиц был отделён от регистрирующего экрана массивным свинцовым блоком, а золотая фольга располагалась несколько в стороне.

Первоначально, как и ожидалось, экран из сернокислого цинка «молчал» — альфа-частицы не могли преодолеть массу свинцового блока. Но затем вдруг на экране стали появляться единичные вспышки. Чтобы попасть на экран, альфа-частица должна была отклониться на угол в 150°, т. е. почти что вернуться к излучателю. «Это казалось столь же невероятным, — говорил много позже Резерфорд, — как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, и этот снаряд отскочил бы и поразил вас».

Вспышки на экране были редки, может быть, одна из восьми тысяч альфа-частиц так отскакивала от золотой фольги, но сам факт сомнений не вызывал.

Резерфорд с Марсденом (к ним присоединился и Гейгер) погрузились в изучение странного явления. В мрачном погребе, вверху которого проходил горячий трубопровод, а внизу — две водопроводные трубы (о чём всегда предупреждал Резерфорд туда спускавшихся), были установлены самые чувствительные приборы. Предположение, что альфа-частицы отражаются от поверхности, опровергалось простым экспериментом: золотые листочки укладывались пачками, и чем толще получался пакет, тем заметнее было рассеяние альфа-частиц. Вывод был недвусмысленный: это не поверхностный эффект, т. е. не простое отражение от поверхности, а действие какой-то силы, находящейся внутри металла, возможно, внутри атома.

Но как же может это быть, если по общепринятой тогда модели Дж. Дж. Томсона в атоме равномерно распределены положительные и отрицательные заряды («пудинг с изюмом»)? Пробовали менять материал экрана — фольга из золота, олова, платины, серебра, меди, железа, алюминия и других металлов. Выявилась интересная особенность: отражалось альфа-частиц тем больше, чем выше был атомный вес металла.

Резерфорд мучительно обдумывал эти данные. Что за сила отбрасывает альфа-частицы, почему не все они отбрасываются, а только лишь одна из огромного общего числа, при чём здесь атомный вес?

Нескоро он пришёл к определённому заключению и решился, наконец, сказать историческую фразу: «Теперь я знаю, как выглядит атом». Тогда-то и была предложена им планетарная модель атома, по которой в центре его находится ядро, сосредоточивающее в себе почти всю его массу; ядро имеет положительный заряд, а электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам на огромнейших расстояниях, так что основной объём атома оказывается пустотой. Альфа-частица, направленная на какой-нибудь атом, может миновать ядро и почти, или совсем, не отклониться от своей траектории. Так происходит с большинством альфа-частиц, но некоторые из них по закону вероятности могут приблизиться к ядру на самые малые расстояния и, поскольку заряд их одинаков, будут отброшены с огромнейшей силой, причём сила эта будет тем больше, чем массивнее ядро, чем больше его заряд и, стало быть, атомный вес элемента. Много проверочных очень тонких экспериментов поставил Резерфорд, много произвёл он и математических расчётов, прежде чем решился изложить новые представления о структуре атома, и в мае 1911 г. об этом оповестил других через «Философский журнал».

Читатели, знакомые с историей науки, могут возразить: планетарная модель атома была предложена до Резерфорда. Действительно, в работе В.И.Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», которая, как известно, появилась в 1909 г., можно прочесть такие слова: «…атом удаётся объяснить как подобие бесконечно малой солнечной системы, внутри которой вокруг положительного электрона двигаются с определённой (и необъятно громадной, как мы видели) быстротой отрицательные электроны». В чём тут дело? А дело в том, что мысль о планетарном строении атома действительно высказывалась (и не раз печатно) несколькими исследователями до Резерфорда. Жан Перрен, например, свою гипотезу изложил в статье «Нуклеарно-планетарная структура атома» ещё в 1901 г. Японский учёный Нагаока предложил атомную модель с ядром, вокруг которого вращаются электроны «подобно кольцам Сатурна». В 1903 г. его статью публиковали «Труды Токийского физико-математического общества», а в 1904 г. перепечатали в европейском издании.

К подобному суждению, о структуре атома пришли также в разное время Д.Стоуни, Н.Морозов, М.Павлов, Б.Чичерин и другие. Совсем недавно стало известно, что замечательный русский физик П.Н.Лебедев придерживался такой же гипотезы ещё в 1887 г., когда самому ему было лишь двадцать лет. Можно представить себе его радость, когда появилось сообщение Резерфорда, подтвердившее его предвидение.

Выходит, Резерфорд далеко не первый в этом вопросе? Нет, первый. Первый в том смысле, что все прежние гипотезы были только догадками, ни одна из них не опиралась на эксперимент; Резерфорд пришёл к своей модели, можно сказать, «вынужденно», под напором фактов, полученных в эксперименте.

Не слишком ли много уделено внимания структуре атома в книге о превращении элементов? Нет, не слишком, ибо без знания того, как устроен атом, все попытки осуществить превращение, как выяснилось, были обречены на неудачу. Рамзай, который так безуспешно старался превратить один элемент в другой, с появлением резерфордовской модели пришёл к мысли, что необходимым условием трансмутации является раскол ядра атома. Он писал тогда: «Альфа-частица проходит через встречные молекулы, как пуля проходит через мишень… Что же случится, если произойдёт центральное столкновение? По всей вероятности, одно из 8000 столкновений будет таковым. Задетый атом получит количество энергии, эквивалентное поднятию температуры на тысячу миллионов градусов Цельсия. Можно предположить, что в этом случае произойдёт ионизация самого ядра атома, и, вероятнее всего, это будет сопровождаться необратимыми изменениями — другими словами, трансмутацией».

Эти слова Рамзая оказались пророческими. Прошло всего лишь семь лет, и правоту их подтвердил всё тот же Резерфорд: он получил из азота кислород. Как же это произошло? Для того, чтобы рассказать об этом хотя бы вкратце, следует заметить, что инструментарий исследований всё время совершенствовался. Удалось установить, какое расстояние пробегает альфа-частица, сохраняя способность к ионизирующему воздействию. Затем было замечено, что она оставляет след на фотопластинке, но длина её пробега в таком случае была в тысячу раз меньше. Этот след стал вполне определённой характеристикой альфа-частицы.

Резерфорд сконструировал приборчик, представляющий собой горизонтальный цилиндр, заполняющийся газом. В середине цилиндра на особой подставке на расстоянии от передней стенки, превышающем длину пробега альфа-частиц, укреплялся источник радиоактивного излучения. В стенке имелось окошечко с экраном из сернистого цинка, позволяющим с помощью микроскопа наблюдать сцинтилляции (свечение в виде вспышек).

Когда цилиндр заполнили азотом и начали эксперимент, на экране стали замечать вспышки. По расчётам, этого не должно было быть, так как альфа-частицы не могли достигать поверхности экрана. Очевидно, сцинтилляции вызываются ударами каких-то других частиц, имеющих большую длину пробега. Опытный Резерфорд, воздействуя электрическими и магнитными полями, измерил заряд и массу этих частиц и со всей несомненностью установил, что это ядра атомов водорода — протоны. Откуда они могли там взяться, если азот (было проверено) абсолютно чист? Вероятнее всего, протоны могли появиться только из недр атомных ядер азота. Что же произошло тогда с альфа-частицами? Ученик Резерфорда Блекетт целой серией тонко поставленных экспериментов выяснил, что альфа-частица, выбивая протон из ядра атома азота, сама в нём «застревает». Но ведь тогда ядро, поглотившее альфа-частицу, перестанет быть ядром атома азота? Совершенно верно, так и было: азот превращался в кислород. Результаты опыта подтвердились многократной и самой придирчивой проверкой — всё было правильно: обстреливая альфа-частицами азот, Резерфорд получил из него два других элемента — кислород и водород.

Так, наконец, в 1919 г. была достигнута великая цель, мечта алхимиков — превращение одного элемента в другой, и уже не естественным природным процессом, а по воле человека.

Естественно, что Резерфорд после такого триумфального результата не успокоился, а продолжил и расширил эксперименты по превращению элементов. Для этого ему пришлось видоизменить и усложнить условия опыта, усовершенствовать регистрирующую аппаратуру, — успех ему сопутствовал и на этот раз. Из алюминия он получил водород и кремний. Подверглись бомбардировке альфа-частицами также бор, фтор, натрий, фосфор и другие элементы, и всякий раз наблюдалось появление протоков и преобразование одного элемента в другой. В каждом случае происходило не только превращение, но и усложнение элемента. Если при естественном радиоактивном распаде образовывались элементы со всё меньшим и меньшим атомным весом, то в экспериментах Резерфорда получали элемент с возрастанием атомного веса. Любопытно было и другое. При таком превращении выделялось огромнейшее количество энергии, это было подсчитано подведением так называемого энергетического баланса. Можно было подумать, что этот факт особенно возбудит надежды учёных. Отнюдь нет, сам Резерфорд не придавал этому значения, так как считал такое получение энергии абсолютно невыгодным делом: ведь слишком редок был случай превращения. Превращение, например, одного ядра алюминия произойдёт лишь после того, как пролетят 125 тысяч альфа-частиц!

Начало первой мировой войны застало Резерфорда на пути в Австралию, куда он направился на очередной конгресс Британской ассоциации. По пути он побывал и в родных местах в Новой Зеландии. Когда ему предложили прочитать публичную лекцию в стенах Кентерберийского колледжа, откуда начался его путь в науку, то знаменательно, что темой он избрал не что иное, как «эволюцию элементов», — ту самую, из-за которой ему пришлось признать, что «зашёл слишком далеко». Но что очень существенно при этом отметить, так это то, что он осмелился повторить лекцию до того, как ему удалось совершить первое превращение. Стало быть, он никогда с этой мыслью не расставался.

Любопытно и другое. Длиннопробежные частицы, обнаруженные в экспериментах Резерфорда, сравнительно долго не имели названий. Их именовали Н-частицами. Предполагались самые различные названия, но Резерфорд, их открывший, настоял на том, чтобы их назвали протонами. Их так называют и по сей день. Как свидетельствуют современники Резерфорда, учёному хотелось, чтобы это название отмечало «изначальность», ибо «протос» — первый, первородный, и в то же время напоминало людям о Прауте, том самом химике, который за сто лет до Резерфорда выдвинул свою гипотезу: все элементы построены из водорода.