Борис Казаков - Превращение элементов

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.