Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Не теряя веры в закон сохранения энергии, надеялись и здесь вскрыть привычный ее круговорот. Все эти благие пожелания так и остались бы пожеланиями, если б не помогла удивительная история, связанная с атомным весом.

— Атомный вес? Что в нем может быть интересного? При распаде ядра по крайней мере что-то происходит — вылетают частицы, выделяется энергия. А что может приключиться с атомным весом?

— Представьте себе, атомный вес поведал физикам немало ценных сведений о микромире. Особенно когда они нежданно-негаданно оказались в роли ревизоров.

— ?!

— Да, да, физикам-ревизорам однажды крупно повезло. Они вскрыли недостачу в атомном весе.

Чтобы понять, как удалось им это сделать, обратимся к… философии. Люди всегда жаждали узнать, из чего состоит мир.

Двадцать с лишним веков назад на эту тему можно было только философствовать. Так и поступали. Демокрит, которого, по-видимому, больше интересовала, так сказать, структура всего сущего, изрек однажды: «Мир состоит из атомов».

А современник Демокрита Эмпедокл подходил к этой проблеме с другой стороны. Он искал элементы, общие для всей природы, и нашел, что миром владеют четыре стихии: земля, огонь, вода и воздух.

От философов не требовали и не требуют доказательств. Поэтому известному последователю школы Эмпедокла Аристотелю не стоило большого напряжения утверждение о том, что материя состоит из одного первичного вещества — «протила». Все равно никто не знал, что это такое, в том числе и сам философ.

Но в начале XIX века английский врач и химик У. Праут как будто догадался, что представляет собой «протил». Учение Демокрита и предположение Аристотеля в гипотезе У. Праута гармонично слились в идею о материальном единстве мира.

Мир построен из атомов, а атомы всех химических элементов построены из одних и тех же стандартных деталей — из атомов водорода. Водород — вот он, «протил» древних, — полагал У. Праут.

Однако XIX век отличался от века, в котором жили древние мыслители, гораздо большей недоверчивостью. Одного утверждения людям было мало, требовались и доказательства. Если гипотеза У. Праута соответствовала действительности, то атомные веса элементов должны были быть целыми, кратными атомному весу водорода.

Но беда в том, что тогда еще не умели взвешивать атомы. А гипотеза была заманчива, ее стоило проверить. Первую попытку сделал упоминавшийся нами Д. Дальтон. Косвенно, из расчета количества участвующих в химической реакции веществ, он нашел атомные веса нескольких элементов. И… У. Праут потерпел поражение. Атомные веса имели дробные значения. Последующие уточнения не изменили сложившейся ситуации.

Гипотеза о типовом принципе строения вселенной из водорода пролежала в забвении почти сто лет, пока атомным весом не заинтересовались физики.

В это время они беспечно занимались изучением радиоактивности. С удовлетворением наблюдали, как при радиоактивном превращении атомов одних элементов возникали атомы новых химических элементов, подчас тоже радиоактивные. Не успевая придумывать новые названия, они на ходу развешивали временные этикетки вроде: радий-А или торий-С″. Когда же пришла пора на основе химических свойств точно определить место каждого из этих элементов в периодической таблице, вышел конфуз. Некоторые из тех веществ, которые физики легко различали по атомному весу и разным типам радиоактивного распада, химики, к своему ужасу, должны были признать одинаковыми: химические свойства этих веществ были совершенно идентичны. Куда их помещать? Подходящих свободных клеточек оставалось совсем немного.

До сих пор именно атомный вес был главным распорядителем в периодической системе элементов. Каждый элемент водворялся на место в строгом соответствии со своей массой: легкие — в начало, тяжелые — в конец.

Теперь же несколько десятков новых тяжелых радиоактивных элементов претендовали всего лишь на несколько свободных мест.

Неслыханное дело! Конкурс в таблице элементов! Но элементы не абитуриенты, а таблица — не университет, который не может принять всех желающих. Но если она претендовала на универсальность, то должна была предоставить место всем элементам сколько бы их вдруг ни нахлынуло!

Наконец, бывший сотрудник Э. Резерфорда по Канадскому университету Ф. Содди высказал предположение, что в природе, по-видимому, существуют разновидности химических элементов с разными атомными весами и несколько отличающимися физическими свойствами, и разновидности эти должны занимать одно и то же место в периодической системе.

Последнее обстоятельство и было отражено в том названии, которое они получили: «изотопы» (от греческих слов «изос» — «одинаковый» и «топос» — «место»).

Открытие изотопов у тяжелых, а вскоре и у легких элементов заставило, в свою очередь, схватиться за голову физиков. Ведь атомные веса измерялись косвенно, с помощью химических реакций, в которых изотопы элементов неразличимы. Не оставалось никаких иллюзий относительно того, что химическими методами никогда не удалось бы узнать вес каждого изотопа, и физики решили сами заняться точным взвешиванием атомов с помощью специально для этой цели созданного прибора, масс-спектрографа. Истинный атомный вес изотопа можно было найти только одним путем — путем взвешивания каждого отдельного атома. Метод взвешивания таков. Сначала свободные атомы химического элемента превращают в ионы. Затем их ускоряют и направляют в специальную камеру, из которой предварительно выкачивают воздух. В вакуумной камере под действием магнитного поля ионы двигаются по орбитам с радиусом, соответствующим массе этих частиц. И если взвешиваемые атомы состоят из смеси изотопов, то на фотопластинке, поставленной на их пути, можно наблюдать почернения в тех местах, где на нее попадают частицы разной массы. Количество пятнышек соответствует числу изотопов. Абсолютный же вес атомов каждого изотопа можно найти, зная положение соответствующего пятнышка на фотопластинке.

Первые же полученные результаты окончательно рассеяли почти вековое заблуждение. Те дробные значения, которые раньше принимали за атомный вес элементов, на самом деле были средними арифметическими атомных весов всех изотопов этих элементов.

Взвешивание атомов подтвердило гипотезу У. Праута. Атомный вес каждого изотопа оказался кратным атомному весу водорода.

Все как будто складывалось к лучшему: нашли изотопы, исправили атомные веса, наконец, обнаружили атомное ядро.

Подобно герою пьесы «Мещанин во дворянстве», который удивился, узнав, что всю жизнь говорил прозой, физики тоже испытали чувство приятного удивления, когда узнали, что уже целый век толкуют о ядерном весе. Ведь масса атомных электронов ничтожно мала.