Сергей Соловьёв - Валерий Легасов: Высвечено Чернобылем

С открытием в 1896 году явления радиоактивности и с открытием в следующем году электрона , ставшего первой известной человеку элементарной частицей, наступает время атомистики физической, наступает время попыток описать внутреннее устройство атома. В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаруживает, что радиоактивность, порождаемая естественными, обнаруживаемыми в природе элементами, является сложной, составной, складывается из трех видов излучений: положительно заряженных частиц (получивших название альфа-частиц ), отрицательно заряженных частиц (названных бета-частицами и оказавшихся электронами), и электромагнитного излучения, не несущего электрического заряда, т. е. электрически нейтрального (получившего название гамма-излучения ).

Открытие трех основных видов излучения увековечено в известном схематическом изображении: три исходящие из одной точки траектории – отклоняющийся в магнитном поле в одну сторону поток альфа-частиц, в противоположную сторону – поток бета-частиц и идущее по прямой гамма-излучение.

Альфа-частицы, испускаемые ураном, засветили у Анри Беккереля фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и привели того к открытию радиоактивности. Альфа-частицы послужили Резерфорду инструментом в опыте, где было обнаружено ядро атома. При облучении листка металлической фольги пучком альфа-частиц оказалось, что часть их при прохождении через листок отклоняется на большие углы – в том числе близкие к 180°, то есть почти разворачивается назад. Такое могло быть объяснено только тем, что в веществе фольги имеются весьма малые и обладающие положительным зарядом материальные образования. Это и были ядра атомов, образующих вещество фольги.

Внутренняя структура атома была в первом приближении описана: атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих ядро орбит-оболочек с отрицательно заряженными электронами, причем практически вся масса атома сосредоточена в его ядре; масса электронов по сравнению с массой ядра ничтожно мала. Это напоминает Солнечную систему – в центре находится Солнце, вокруг которого вращаются планеты, причем масса планет много меньше массы Солнца. Поэтому предложенное Резерфордом описание структуры атома было названо планетарной моделью.

Эксперимент с рассеянием альфа-частиц на золотой фольге был проведен в 1909 году. Планетарная модель была обнародована в 1911 году.

В 1913 году в физике появляется и закрепляется понятие «изотоп» . В этом году Джозеф Джон Томсон, уже вошедший в историю открытием электрона, обнаружил, что неон – химический элемент с атомным номером 10, т. е стоящий под номером 10 в периодической таблице, – представлен двумя сортами атомов с массовыми числами 20 и 22. Понятие «изотопы» – т. е. «занимающие одно и то же место» (в периодической таблице) – было предложено Фредериком Содди, одним из ближайших соратников Резерфорда. Наличие естественных изотопов обнаружится у большинства химических элементов: у водорода – три, у гелия, лития, бора – по два, у углерода – три, у азота – два, у кислорода – три. Три природных изотопа обнаружится у урана – элемента с номером 92, замыкавшего тогда периодическую таблицу. Эти три изотопа имеют массовые числа, равные 234, 235 и 238.

Двумя следующими после открытия ядра и выявления внутренней структуры атома фундаментальными открытиями явились открытия ядерных реакций и внутреннего состава самих ядер. Ядерными реакциями стали называть эффекты и явления, происходящие при взаимодействии атомных ядер с другими ядрами или с частицами.

Первой осуществленной человеком ядерной реакцией стало превращение ядра азота в ядро кислорода при облучении азота альфа-частицами. Этот эксперимент был осуществлен в 1919 году Резерфордом.

Дополнительным продуктом осуществленной Резерфордом реакции азот-кислород оказалась ранее неизвестная частица, обладающая положительным электрическим зарядом. Эта частица получила название протон и оказалась ничем иным, как ядром атома водорода. Если электрон был первой открытой человеком внутриатомной частицей, то протон оказался первой внутриядерной.

В 1932 году Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон – электрически нейтральная частица с массой, близкой к массе протона. Предположение, что протоны и нейтроны в совокупности и образуют состав атомного ядра, первым выдвинул в том же 1932 году советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Эрнест Резерфорд облучал альфа-частицами азот и открыл протон, одновременно обнаружив возможность превращения одного химического элемента в другой. Вальтер Боте, облучая альфа-частицами бериллий и литий, обнаружил новый вид излучения с высокой проникающей способностью, природу которого он объяснить не смог. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что если это новое излучение падает на водородосодержащий материал – например, на парафин, – то образуются протоны высоких энергий. Джеймс Чедвик, по-своему организовав эксперимент по облучению бериллия альфа-частицами, окончательно идентифицировал новую частицу и определил ее массу. Облучать материалы теми или иными видами излучений, превращать одни химические элементы в другие или получать новые – искусственные – изотопы элементов, стало новым направлением в науке.

В 1934 году Энрико Ферми начинает серию экспериментов по облучению веществ нейтронами. Им было получено свыше 50 искусственных радиоактивных изотопов. Но главная цель, которую преследовал Ферми – получение не просто новых элементов, а элементов, которые были бы тяжелее урана, которые в периодической таблице стояли бы правее урана, – элементов, которые будут названы трансурановыми, т. е. заурановыми. Ферми хотел заглянуть за край таблицы Менделеева и обнаружить элементы с атомными номерами, превышающими число 92. Обнаружить новые элементы ему тогда не удалось.

С опытами Ферми поучилось примерно как с опытом Боте – тот облучал альфа-частицами бериллий, но не смог объяснить полученные результаты. Для окончательной идентификации новой частицы – нейтрона – понадобился новый эксперимент, выполненный Чедвиком. Правда, и того, что Ферми сделал, было более чем достаточно для присуждения ему в 1938 году Нобелевской премии.

В 1938 году опыты Ферми по облучению урана нейтронами повторили Отто Ган и Фриц Штрассман. Из облученного урана они выделили барий – элемент с номером 56, т. е. из середины таблицы. Это могло быть объяснено единственным образом: ядро с номером, почти в два раза меньшим, чем у исходного, могло получиться только в результате деления исходного ядра.