Атомы и электроны - Матвей Бронштейн

Такова была гипотеза Резерфорда и Содди. Такова была предложенная ими разгадка радиоактивности. Она открывала перед физикой широчайшие перспективы. Она в корне меняла все физические представления, относящиеся к атомам и к их судьбе. Она была смела, необычна. Но была ли она правильна?

Предстояло проделать огромную работу, проверить во всех деталях эту «гипотезу превращения элементов», как называли ее Резерфорд и Содди, объяснить все темные, неясные пункты. И прежде всего, конечно, нужно было проверить, действительно ли атом радия превращается в атом эманации радия и в альфа-частицу.

Для этого следовало собрать как можно больше дополнительных сведений. В частности, нужно было, наконец, узнать, что же такое эта альфа-частица? Имеет ли она элементарный заряд и массу, равную удвоенной массе атома водорода, или же два элементарных заряда и массу, равную учетверенной массе атома водорода, или же три элементарных заряда и массу, равную ушестеренной массе атома водорода, и т. д.?

Резерфорд и Содди рассуждали так: альфа-частица должна быть каким-то атомом, обыкновенным атомом какого-то химического элемента, хотя и положительно заряженным, т. е. потерявшим один, или два, или три и т. д. электрона. Но такого химического элемента, у которого атом имел бы вдвое большую массу, чем атом водорода, по-видимому, не существует. Поэтому первую из перечисленных возможностей приходится отбросить. Но существует атом, который по массе в четыре раза больше атома водорода,- это атом газа гелия, открытого в 1896 году сэром Уильямом Рамзаем. Поэтому весьма вероятно, что альфа-частица - это и есть атом гелия, заряженный двумя положительными элементарными зарядами, т. е. потерявший два электрона. Конечно, такое рассуждение нельзя считать очень убедительным потому, что легко могло бы оказаться, например, и что альфа-частица есть атом кислорода, потерявший восемь электронов (это тоже дало бы правильное значение для отношения e/m, так как знаменатель был бы в 16 раз большем, чем у водородного иона, а числитель - в 8 раз).

Но Резерфорд и Содди считали наиболее вероятным, что альфа-частица есть атом гелия, от которого отколото два электрона. Они основывались на одном факте, который был хорошо известен химикам и геологам, хотя никто до Резерфорда и Содди не мог понять его причины, а именно па том, что гелий встречается в ген минералах, в которых присутствуют радиоактивные вещества торий или уран. Так, например, цейлонский минерал торианит, названный так потому, что он включает значительное количество тория, содержит в себе также и гелий, который можно извлечь из торианита, если его хорошенько накалить на огне. Химики и геологи хорошо знали, что там, где есть уран или торий, там неизменно оказывается и гелий, но причины этого явления они не понимали. Ясно было только то, что эта причина не могла быть чисто химической: гелий не вступает ни в какие химические соединения с другими веществами, а потому нет никаких разумных оснований думать, что гелий приходит извне в минералы, содержащие уран или торий, и остается там.

С точки зрения Резерфорда и Содди, причина должна быть как раз обратная: гелий возникает внутри минералов, содержащих уран или торий, и возникает потому, что он является одним из продуктов радиоактивного распада: альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, постепенно накапливаются внутри минералов, в которых вкраплены радиоактивные вещества, и тот гелий, который химики находят в этих минералах, как раз и состоит из таких альфа-частиц. Гелий этот состоит из обломков давно распавшихся более тяжелых атомов: он представляет последнее звено в той медленной эволюции вещества, которая происходит в земной коре.

Вероятно, не только гелий, находимый в минералах, но и тот гелий, который в огромных количествах поднимается из трещин земной коры в некоторых местах Соединенных Штатов и уже в течение многих лет (со времени первой мировой войны) больше не рассеивается в атмосфере, а используется для наполнения дирижаблей,- даже и этот гелий, вероятно, тоже образовался в результате каких-то радиоактивных процессов в глубоких недрах земного шара.

Эволюция вещества, связанная с радиоактивностью, должна совершаться очень медленно и постепенно: радий, который всегда находят в урановых рудах, безусловно является одним из потомков урана; далее атомы радия, испуская альфа-частицы, превращаются в атомы

эманации; эта последняя испытывает какие-то дальнейшие превращения, так как ведь и она испускает альфа-частицы, и т. д., и т. д. Как далеко идет это превращение, когда оно прекращается и какие окончательные продукты, кроме гелия, получаются в результате всего этого последовательного ступенчатого распада - на эти вопросы Резерфорд и Содди тогда (в 1903 году) еще не могли дать окончательного ответа.

Рис. 13. Спектроскопическая трубочка, в которой Содди и Рамзай обнаружили появление гелия из эманации радия.

Содди переселился из Монреаля в Англию и стал работать вместе с Рамзаем. Они взяли некоторое количество воздуха, к которому была примешана эманация радия, и поместили его в спектроскопическую трубочку. Это - длинная стеклянная трубочка; у концов она шире, а в середине она совсем узка. С того и с другого конца в нее впаяны платиновые проволочки: через эти проволочки можно пропускать электрический ток по газу, запертому в трубочке. Когда через такую спектроскопическую трубочку пропускают ток, то в узком ее месте газ начинает ярко светиться и с помощью спектроскопа можно рассмотреть его спектр.

Рамзай и Содди запаяли трубочку, а затем несколько" дней подряд ходили смотреть на спектр эманации. И вот оказалось, что с каждым днем спектральные линии эманации становятся все слабее и слабее. А вместо них загораются другие линии, которых раньше не было,- спектральные линии гелия. С волнением рассматривал Рамзай этот хорошо ему известный спектр. Чем слабее становился спектр эманации радия, тем ярче и ярче разгорался спектр гелия. Гелий рождался на глазах у Рамзая и Содди.

Впоследствии (в 1909 году) Резерфорд сделал (вместе с одним из своих помощников - Ройдсом) другой опыт, еще более убедительно доказавший, что альфа-частица - это атом гелия. Резерфорд и Ройдс заперли эманацию радия в стеклянную трубочку с такими тонкими стенками, что испускаемые эманацией альфа-частицы совершенно свободно проходили сквозь эти стенки. Эту тонкостенную трубку они поместили в стеклянный сосуд, который был вверху соединен со спектроскопической трубочкой. Из сосуда был откачан воздух. После этого они подождали два дня, в течение которых некоторое количество альфа-частиц успело выскочить из тонкостенной трубочки и скопиться в сосуде. Тогда они, наполнив сосуд ртутью, заставили все, что там было, подняться наверх в спектроскопическую трубочку и сжаться там. Через трубочку был пропущен ток, и в поле зрения спектроскопа явственно загоралась желтая спектральная линия гелия. А через шесть дней можно было видеть и другие, менее яркие линии гелиевого спектра. Значит, альфа-частицы, прошедшие через тонкие стенки трубочки, в которой была заперта эманация, и собранные затем в спектроскопической трубочке, действительно оказались самым обыкновенным гелием. Поэтому гипотетическую формулу распада радия следует писать в следующем виде:

атом радия  атом эманации + атом гелия.

Еще одна, последняя, окончательная проверка была необходима: нужно было проверить, действительно ли масса атома эманации радия, сложенная с массой атома гелия, даст массу атома радия. Атомная масса радия была известна: ее с большой точностью определил химик Хенигшмидт, и она оказалась равной 225,97. Атомная масса гелия равна 4,00. Поэтому, если только гипотеза Резерфорда и Содди правильна, то атомная масса эманации радия должна быть приблизительно равна 222.

Предстоял решающий эксперимент. Атомная масса эманации радия была неизвестна, но теория утверждала, что она должна равняться 222. Если опыт подтвердит это предсказание, то взгляды Резерфорда и Содди приобретут необыкновенную убедительность и силу. Если предсказание окажется неверным, то их теорию нужно будет отбросить и искать какую-то совершенно другую.

За производство эксперимента взялся сэр Уильям Рамзай. Необыкновенная трудность стоявшей перед ним задачи, неслыханная в истории химии, заключалась в том, что количество эманации, бывшее в его распоряжении, было совершенно ничтожным - не больше булавочной головки. Даже и это крохотное количество эманации должно было считаться очень большим: в громадном большинстве радиоактивных опытов физики имеют в своем распоряжении еще более ничтожные количества этого газа, который, вероятно, поэтому никогда и не был бы открыт, если бы не лучи Беккереля, которые он испускает и которые позволяют заметить его присутствие.

Но Рамзай должен был проделать со своей булавочной головкой эманации все, что химики делали с другими газами, атомную массу которых они хотели найти. Прежде всего нужно было определить химические свойства эманации радия. Это была сравнительно легкая часть задачи; даже если бы у Рамзая было эманации еще меньше,- так мало, .что ее можно было бы обнаружить лишь по действию испускаемых ею лучей Беккереля,- он все равно сумел бы определить ее химическую природу, пробуя соединить ее с различными веществами: то вещество, к которому перешла бы радиоактивность эманации, тем самым обнаружило бы свою способность вступать с эманацией в химическое соединение. Но из опытов Рамзая вытекало, что эманация радия ускользает от любого химического поглотителя и что, следовательно, она не соединяется ни с чем. Иными словами, эманация радия принадлежит к группе «благородных газов», к которой относятся, кроме нее, гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. [Заметим, что, с тех пор как этот факт был установлен, эманация радия получила новое название - радон - для того, очевидно, чтобы рифмовать с неоном, аргоном, криптоном и ксеноном. В нашей таблице химических элементов (см. с. 49) эманация радия тоже фигурирует под этим именем, и отныне мы ее будем называть именно так].