Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Итак, ученым удалось обнаружить нейтрон, и Гейзенберг тут же предложил протонно-нейтронную модель атома. Согласно этой модели, ядро состоит только из протонов и нейтронов. Масса нейтрона равна массе протона, а сумма протонов (p) и нейтронов (n) равняется атомному весу (A). С другой стороны, заряд ядра зависит только от положительно заряженных протонов, поэтому заряд ядра равняется атомному числу (Z). Таким образом:

Количество нейтронов можно определить путем вычитания уравнения 7.1 из уравнения 7.2:

Новая модель давала полное представление о структуре ядра атомов тех элементов, чьи атомные веса приблизительно равнялись целым числам.

Ядро атома водорода (А = 1, Z = 1) состоит только из одного протона; ядро атома гелия (А = 3, Z = 2) — из двух протонов и двух нейтронов; ядро атома мышьяка (А = 75, Z = 33) — из 33 протонов и 42 нейтронов; ядро атома урана (А = 238, Z = 92) — из 92 протонов и 146 нейтронов.

Протонно-нейтронная модель смогла дать ответы на те вопросы, на которые не могла дать протонно-электронная модель. Например, ядро атома азота (А = 14, Z = 7) состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, итого из 14 частиц. Спин нейтрона такой же, как и протона, +½ или –½, и значение общего спина 14 (и любого другого количества) частиц будет целым числом.

Сегодня протонно-нейтронная модель является общепризнанной, а протоны и нейтроны вместе называют нуклонами, то есть «частицами атомного ядра».

Конечно же и эта модель не дает ответа на все вопросы. Например, если ядро состоит только лишь из протонов и электронов, то откуда же берутся электроны бета-лучей, испускаемых радиоактивными веществами? Ведь именно существование бета-лучей и дало повод считать, что в ядре есть электроны.

Ответ на этот вопрос дают свойства нейтронов, не имеющие ничего общего со свойствами протонов и электронов. И электроны и протоны являются устойчивыми частицами. Это значит, что если Вселенная состояла бы из одних лишь электронов и протонов, то оставалась бы неизменной. Вселенная обязана своим современным обликом именно нейтрону, неустойчивой частице.

В изоляции нейтрон через какое-то время распадается на протон и электрон. (Пока я даю неполное описание процесса распада, более подробно см. в гл. 14.)

Мы можем записать этот процесс символами (надстрочный индекс обозначает заряд):

Эта формула иллюстрирует одну очень важную вещь: электрический заряд не создается. Весь опыт изучения субатомных частиц показывает, что нейтрон не может просто так вот стать протоном, так как заряд, как положительный, так и отрицательный, у незаряженной частицы не может появиться ниоткуда. Поэтому нейтрон образует положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, таким образом, общий заряд двух образовавшихся частиц равен нулю.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что в закрытой системе общий заряд частиц в результате изменений внутри системы не меняется. Ученые выявили это еще во времена изучения электричества (см. ч. II), когда о существовании субатомных частиц даже и не подозревали.

Однако внутри ядра нейтрон, как правило, стабилен (причины см. в гл. 14). Поэтому атом азота стабилен, даже несмотря на то, что в его ядре есть нейтроны и их количество, как и количество протонов, остается равным 7. [130] У вас может возникнуть вопрос: а что же удерживает 7 положительно заряженных частиц вместе, не давая им оттолкнуться друг от друга в отсутствие «цементирующего» электрона? Ответ на этот вопрос я дам ниже.

С другой стороны, нейтроны некоторых атомов все же обладают некоей долей неустойчивости, и в некоторых случаях такой нейтрон распадается на протон и электрон. При этом протон остается в ядре, а электрон становится бета-частицей и покидает ядро. Несмотря на то что бета-частицы излучаются ядром, это не значит, что они являются его составной частью. Бета-частицы образуются в момент выхода из ядра.

При возникновении бета-излучения нейтрон внутри атомного ядра становится протоном. Ясно, что при этом изменяются и свойства атома.

Так как общее количество протонов возрастает на единицу, на единицу возрастает и атомное число, и такой атом становится уже атомом совсем другого химического элемента.

На самом деле радиоактивность некоего вещества практически всегда является признаком глубоких изменений свойств атомов этого вещества. Ученые осознали это через некоторое время после открытия радиоактивности и до того, как была изучена внутренняя структура ядра.

В 1900 году Крукс, один из первооткрывателей катодных лучей, обнаружил, что уран высокой очистки практически не проявляет радиоактивных свойств, и сделал вывод, что радиоактивность вызвана не самим ураном, а некой содержащейся в нем примесью.

В следующем году Беккерель подтвердил полученные Круксом результаты, а также выявил, что постепенно радиоактивность чистого урана возрастает до нормального для этого элемента уровня. В 1902 году Резерфорд совместно с английским физиком Фредериком Содди (1877–1956) обнаружил сходство поведения соединений тория с поведением урана.

Напрашивается логичный вывод: если радиоактивность вызвана примесью, то она постепенно образуется из самого урана. Другими словами, радиоактивность урана — показатель того, что атомы урана принимают какую-то другую форму. Эта новая форма атома также является радиоактивной и преобразуется в следующую и т. д. Исследования Резерфорда и Содди показали, что следует говорить не просто о радиоактивном элементе, а о ряде радиоактивных элементов.

Вполне возможно, что радиоактивность является свойством не урана и тория (сами элементы менее радиоактивны), а их разнообразных «дочерних элементов». Последние обладают гораздо большей радиоактивностью и либо присутствуют в составе урана и тория всегда, либо образуются в них сразу после очистки.

Раз «дочерние элементы» образуются медленно и быстро распадаются, значит, в руде урана и тория они содержатся лишь в исчезающе малых количествах. «Дочерние элементы» не поддаются обнаружению с помощью обычных химических методов, однако по испускаемым ими излучениям их можно обнаружить с большой точностью. Излучение каждого из дочерних элементов обладает своими уникальными характеристиками и интенсивностью.

В 1898 году Мария Кюри и ее муж, французский физик Пьер Кюри (1859–1906), обычными химическими методами разделили большое количество урановой руды по свойствам на фракции, отсеивая обладающие высокой радиоактивностью. В том же году им удалось обнаружить два неизвестных ранее элемента, первый из которых они назвали полоний (созвучно с названием родной страны Марии Кюри), а второй, из-за его высокой радиоактивности, — радий.