Превращение элементов

В чём тут дело?

После того как описано первое превращение элементов, напрашиваются слова: всё стало на свои места. Однако такое утверждение было бы эффектным, но… бессодержательным. Можем ли мы и сейчас сказать, что в физике не осталось никаких неясностей? Ни в коем случае! А тогда? Тогда и тем паче… Прежде всего и сам Резерфорд, предложив модель строения атома, не столь уж твёрдо был в ней убеждён на первых порах и прекрасно осознавал её уязвимость для математиков. Математические расчёты со всей неумолимостью доказывают, что в такой модели электроны должны непременно упасть на ядро, поскольку, как утверждает классическая электродинамика, заряжённая частица, двигаясь с ускорением, непрерывно теряет энергию. Но атом-то на самом деле устойчив. В чём тут дело?

Это становилось ясным по мере уточнения и развития резерфордовской модели. В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил свою модель атома, опираясь на идеи Резерфорда и квантовую теорию Макса Планка. Модель Н.Бора сложна для описания, и поэтому мы изложим её так, как это принято в популярных изданиях. В ней, в модели Н.Бора, электрон вращается не на любой орбите, а только на определённой, «разрешённой», и при этом никакого излучения не наблюдается. Излучение происходит только тогда, когда электрон «перескакивает» с одной орбиты на другую, выделяя или поглощая порцию, квант, энергии.

В 1913 г., когда Нильс Бор сформулировал принципы, объясняющие устойчивость атома, было уже известно около 40 радиоактивных элементов, в то время как в таблице Менделеева пустовало всего 7 клеток. Как же разместить на них такое количество элементов?

«Подкопы» под таблицу, как мы видели, предпринимались не раз, но такое случалось в более ранние годы её существования, когда в ней было больше гениального предвидения и интуиции, нежели экспериментальных подтверждений. Теперь же подвергать её какому-либо сомнению просто невозможно. Что же остаётся? Может быть, произвести некоторую перестановку, не особенно считаясь с последовательностью возрастания атомных весов? Ведь и сам Менделеев, как было замечено, не единожды нарушал это правило: тяжёлый кобальт помещал впереди более лёгкого никеля, то же самое относится к теллуру и йоду, аргону и калию.

Но всё решилось по-иному. Оказалось, что в одну и ту же клетку следует помещать по нескольку радиоактивных элементов, химически одинаковых, но имеющих разный атомный вес. Ф.Содди назвал их изотопами, что в переводе с греческого значит «одноместные».

Рентгеновские лучи много уже дали и науке, и практике, а природа их всё ещё оставалась неясной. Их не удавалось ни отразить от какой-нибудь поверхности, ни преломить через какую-нибудь линзу. Отсюда предмет спора: волны это или частицы? Лишь в 1912 г. Макс фон Лауэ предсказал, а затем совместно со своими учениками показал дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах.

Спор был разрешён: это волны, гораздо более короткие, нежели видимый свет или даже ультрафиолетовое излучение.

Развивая достигнутый Лауэ успех, отец и сын Брегги разработали рентгеновский метод анализа кристаллических структур.

Всё это было далёкими вопросами для лаборатории Резерфорда. Поэтому-то он и был очень удивлён, когда один из его учеников Генри Мозли выразил непреодолимое желание работать с X-лучами. Но он не стал этому препятствовать. А Мозли был увлечён боровской теорией устойчивости атома и писал Резерфорду, что всем своим существом чувствует её справедливость, что готов сделать всё возможное, дабы положить конец широко распространённому убеждению, будто построение Бора сводится к удачному жонглированию хорошо подобранными числами.

Выяснилось, что X-лучи также неоднородны, т. е. хотя все они коротковолновые, но одни из них имеют большую частоту, другие меньшую; иначе говоря, у них тоже свой спектр.

Как рождаются X-лучи? При падении катодных лучей на твёрдое тело. Это уже установлено. Мозли вооружился катодной трубкой, им же сконструированной и изготовленной, и целиком погрузился в измерение частот рентгеновских спектров. Он последовательно наносил на антикатод различные вещества и подвергал их воздействию катодных лучей, регистрируя в каждом случае длину волны характерного рентгеновского излучения. Ему удалось найти зависимость между длиной волны главных линий рентгеновского спектра и порядковым номером атома химического элемента. Об этом сам он сказал так: «В атоме имеется основное свойство, которое увеличивается на известную величину при переходе от одного элемента к следующему. Это свойство может быть только заряд положительного ядра атома».

Такая гипотеза была выдвинута ещё до Мозли голландцем Ван дер Броком в 1913 г., и её поддерживал Бор. Но гипотеза была совершенно бездоказательна, не связана ни с каким экспериментом. Мозли вовсе не сделал случайного открытия. Он прекрасно был осведомлён о гипотезе голландца, она ему нравилась своей ясностью и простотой, и он в том же 1913 г. заявил своему шефу, что собирается «решить эту проблему систематическими измерениями высокочастотных спектров».

Титаническая работа Мозли показала, что последовательность расположения элементов в таблице Менделеева строго закономерна, порядковый номер каждого элемента — это вполне опредёленная его характеристика — заряд ядра. Правда, формулировку закона пришлось несколько видоизменить: свойства элементов находятся в периодической зависимости не от их атомного веса, а от заряда их ядра. То, что казалось досадным исключением в таблице элементов («неправильность» расположения кобальта и никеля, калия и аргона), после работ Мозли нашло себе объяснение и вызвало восхищение блестящей интуицией Менделеева.

Всего три-четыре работы Мозли были опубликованы (он погиб в 1915 г. на турецком фронте), но они по праву признаны классическими. Измерив рентгеновский спектр самого тяжелого элемента — урана, Мозли выяснил, что порядковый номер его — 92 и, стало быть, элементов всего должно быть 92. Как известно, Менделеев оставил в таблице пустые места, предсказав, что в будущем найдут элементы, соответствующие указанным химическим свойствам. Часть из них была открыта еще при жизни Дмитрия Ивановича, некоторые же клетки продолжали пустовать. Сличая рентгеновские спектры, Мозли подтвердил, что должны быть открыты элементы с порядковыми числами 43, 72, 75, 85 и 87.

И всё же существование изотопов не было понятным даже после того, как Резерфорду удалось наблюдать первое «искусственное» превращение элементов. Проще всех устроен атом водорода: ядро, состоящее из одного протона, и один электрон на орбите. Масса протона настолько велика по сравнению с массой электрона, что последнюю при расчетах можно не принимать во внимание. Если так, то масса любого ядра определяется числом входящих в него протонов, чем выразится и атомный вес элемента. Однако почему же атомные веса дробные? Ведь нельзя же допустить, что в ядре помимо целых протонов заключены и какие-то части его. На это, кажется, есть ответ: изотопы одного и того же элемента неравномерно распределены в природе, и потому атомный вес элемента является фактически средним (не арифметическим, а сообразно с учётом процента распространения каждого изотопа). Таким образом даётся объяснение и «неправильностям» в клетках периодической системы, хотя бы аргона и калия. Просто в природе больше тяжёлых изотопов аргона, чем лёгких, а у калия картина обратная.

Однако очень трудно было объяснить разницу между зарядом ядра и атомным весом — ведь если последний определяется числом протонов, а каждый из них несёт один положительный заряд, то численно эти величины должны были совпадать. Атом в целом нейтрален. Следовательно, число электронов, вращающихся на орбитах, должно быть равным заряду ядра. Если, к примеру, у лития атомный вес — 7, а заряд ядра 3, то и электронов на орбите тоже 3. Что же даёт ему «лишнюю» массу в 4 единицы? Оставалось предположить только одно: в ядре находится 7 протонов и 4 электрона, остальные 3 — на орбитах (вспомним модель Дж. Дж. Томсона). Представление малоубедительное, ибо естественно возникал вопрос: а почему они в ядре не слипаются? Тем не менее лучшего объяснения в то время придумать не могли.

После замечательного эксперимента Резерфорда по превращению азота в кислород в течение довольно длительного времени ничего такого, что остановило бы всеобщее внимание, в атомной физике открыто не было. Объясняется это несколькими причинами. Одна из главных — это усиленное развитие физики теоретической, когда вводились в науку ранее неприемлемые понятия, без которых теперь физика не могла двигаться дальше.

Ещё в 1913 г. обсуждалась планетарная модель атома Резерфорда, основанная на новых квантовых законах. Лорд Релей, председательствовавший на собрании, где был сделан доклад, на предложение высказаться по существу вопроса, сообщил, что он придерживается правила, по которому человеку в его возрасте не следует принимать участия в дискуссии по поводу новых идей.

Представления о структуре атома видоизменялись, усложнялись, — при этом производились сложнейшие математические расчёты, продолжались давние споры о природе света, будоражила всех волновая механика, не давали покоя понятия о квантах, теория относительности Эйнштейна и многое другое.

Дискуссии по всем этим вопросам были ожесточённые, новые идеи завоёвывали себе дорогу с большим трудом, так как требовали отказа от привычного, устоявшегося образа мышления. Хорошо известно относящиеся к тем временам парадоксальные высказывания Нильса Бора: «Перед нами, без сомнения, безумная идея. Весь вопрос о том, достаточно ли она безумна для того, чтобы быть правильной». Лорд Релей же, отрицательно отнесшись к квантовой механике, выразился очень дипломатично: «У меня есть трудности в принятии этого как картины, которая действительно имеет место». Но далеко не все учёные из числа неразделявших новые взгляды в науке, были столь сдержанны и тактичны в своих высказываниях, поэтому страсти на всевозможных конгрессах и совещаниях достигали высокого накала. Высшей язвительности по адресу сторонников новых идей достиг, пожалуй, известный физик-теоретик Пауль Эренфест, пообещавший на дискуссию по квантовой механике привезти своего попугая и выдвинуть его «кандидатуру» в председатели. Попугай был им обучен произносить фразу: «Но, господа, это не физика!»

Экспериментальная физика, таким образом, оказалась призванной подтвердить или опровергнуть новые представления. Но не только это затормозило продвижение в области превращения элементов.

Удачам Резерфорда по получению новых элементов при использовании для этого альфа-частиц вскоре наступил предел. Не удалось наблюдать разрушения элементов более тяжёлых, чем калий. Объяснить это было нетрудно: с увеличением порядкового номера возрастает заряд ядра, и направленная на него альфа-частица, имеющая одноимённый заряд, отбрасывается в сторону со всё большей силой. Некоторые из лёгких элементов, такие, например, как те же гелий, углерод, кислород, также не поддавались воздействию альфа-частиц. Составление энергетического баланса показало, что здесь причина была в том, что имевшаяся в распоряжении Резерфорда «артиллерия» не была достаточно мощной: энергии его альфа-частиц не хватало для того, чтобы выбить протон из ядер этих элементов.

Встал вопрос: как получить более мощные снаряды? Конечно, различные радиоактивные элементы давали альфа-частицы неодинаковой энергии, но достаточно ли ограничиться подбором такого источника их?

Употребляя язык современных понятий, можно было бы сказать: необходима механизация подобных исследований. И это было сделано. Ученики Резерфорда Ж.Кокрофт и Э.Уолтон сконструировали установку, в которой можно было ускорять протоны, заставляя их проходить через сильные электрические поля.

Добившись успеха, они приступили к непосредственному эксперименту превращения, логически рассудив, что наиболее подходящим объектом для этого будет литий: сила отталкивания будет не столь велика вследствие малости заряда ядра элемента и самого «снаряда» — протона, у которого он равен не двум, как у альфа-частицы, а всего лишь единице.

Опыт удался, и по длине пробега образовавшихся частиц исследователи определили, что они являются не чем иным, как ядрами гелия, т. е. альфа-частицами.

Понятие «расщепление ядра», применявшееся без достаточных оснований к другим ядерным превращениям, в этом эксперименте получило своё конкретное выражение. Ядро лития под ударом протона распалось на два ядра гелия. Обычно сдержанный и уравновешенный Кокрофт пришёл в неописуемое волнение. Правда, он не выскакивал, как Архимед, из ванны голым и не кричал «Эврика!», но выбежал вечером из лаборатории на людную улицу и с дикой радостью оглядывал прохожих, а когда замечал знакомого, то ошалело сообщал ему: «Мы расщепили атом! Мы атом расщепили!» И так с обалделой улыбкой бежал дальше в поисках нового знакомого.

Успех Кокрофта и Уолтона воодушевил других исследователей, и они форсировали уже ведущиеся ими разработки конструкций для получения частиц высоких энергий. Наиболее удачной из таких следует считать циклотрон, разработанный и построенный Э.Лоуренсом и М.Ливингстоном. Это циклопическая установка, в которой ускорения частиц достигают с помощью магнитного поля и высокочастотного переменного тока.

Конечно, циклопической эта установка была лишь для тех времен; ныне на фоне гигантских ускорителей она выглядела бы малюткой. Однако эта малютка позволила учёным достичь больших успехов в изучении строения атома и превращения элементов. Не случайно элемент № 103, полученный впоследствии американскими учёными, получил имя лоуренсий.

Особым вниманием учёных по-прежнему пользовались изотопы. Физик Ф.Астон разработал метод определения величины массы частицы и сконструировал прибор, названный масс-спектрографом, с помощью которого атомный вес можно стало определять с большей точностью, чем вычислением по эквиваленту. Астон, подвергнув масс-спектрографическому анализу таблицу Менделеева, обнаружил, что изотопы есть у всех известных в то время химических элементов.

В 1932 г. сенсационным было сообщение американских учёных Г.Юри, Ф.Брикведде и Г.Мерфи об открытии ими изотопа водорода с атомным весом не единица, а два. Нашли способ его получения из так называемой тяжёлой воды, молекула которой состояла из изотопа водорода и обычного кислорода. Сама тяжёлая вода всегда присутствовала в очень незначительных количествах в воде обычной. Такой особый водород стали называть дейтерием. Если атом его ионизировать, т. е. оторвать от ядра его единственный электрон, то образуется «снаряд», более тяжёлый, чем протон, но имеющий тот же заряд. Э.Резерфорд предложил назвать новую частицу диплоном, но в науке закрепилось другое название — дейтерон, или дейтрон.

С помощью циклотрона оказалось возможным ускорять, сообщая им тем самым большую энергию, как протоны, так и дейтероны и альфа-частицы. «Атомная артиллерия» совершенствовалась, но всё же обстрел атома всегда представлялся очень непростой задачей, так как все её «снаряды» подвергались отталкивающему действию одноимённо заряженного ядра.

Что же касается изотопов, то в их изучении, разделении, использовании достигли многого, но вопрос о том, почему атомы одного и того же элемента имеют различную массу, оставался открытым.