Превращение элементов - Борис Казаков

К подобному суждению, о структуре атома пришли также в разное время Д.Стоуни, Н.Морозов, М.Павлов, Б.Чичерин и другие. Совсем недавно стало известно, что замечательный русский физик П.Н.Лебедев придерживался такой же гипотезы ещё в 1887 г., когда самому ему было лишь двадцать лет. Можно представить себе его радость, когда появилось сообщение Резерфорда, подтвердившее его предвидение.

Выходит, Резерфорд далеко не первый в этом вопросе? Нет, первый. Первый в том смысле, что все прежние гипотезы были только догадками, ни одна из них не опиралась на эксперимент; Резерфорд пришёл к своей модели, можно сказать, «вынужденно», под напором фактов, полученных в эксперименте.

Не слишком ли много уделено внимания структуре атома в книге о превращении элементов? Нет, не слишком, ибо без знания того, как устроен атом, все попытки осуществить превращение, как выяснилось, были обречены на неудачу. Рамзай, который так безуспешно старался превратить один элемент в другой, с появлением резерфордовской модели пришёл к мысли, что необходимым условием трансмутации является раскол ядра атома. Он писал тогда: «Альфа-частица проходит через встречные молекулы, как пуля проходит через мишень… Что же случится, если произойдёт центральное столкновение? По всей вероятности, одно из 8000 столкновений будет таковым. Задетый атом получит количество энергии, эквивалентное поднятию температуры на тысячу миллионов градусов Цельсия. Можно предположить, что в этом случае произойдёт ионизация самого ядра атома, и, вероятнее всего, это будет сопровождаться необратимыми изменениями — другими словами, трансмутацией».

Эти слова Рамзая оказались пророческими. Прошло всего лишь семь лет, и правоту их подтвердил всё тот же Резерфорд: он получил из азота кислород. Как же это произошло? Для того, чтобы рассказать об этом хотя бы вкратце, следует заметить, что инструментарий исследований всё время совершенствовался. Удалось установить, какое расстояние пробегает альфа-частица, сохраняя способность к ионизирующему воздействию. Затем было замечено, что она оставляет след на фотопластинке, но длина её пробега в таком случае была в тысячу раз меньше. Этот след стал вполне определённой характеристикой альфа-частицы.

Резерфорд сконструировал приборчик, представляющий собой горизонтальный цилиндр, заполняющийся газом. В середине цилиндра на особой подставке на расстоянии от передней стенки, превышающем длину пробега альфа-частиц, укреплялся источник радиоактивного излучения. В стенке имелось окошечко с экраном из сернистого цинка, позволяющим с помощью микроскопа наблюдать сцинтилляции (свечение в виде вспышек).

Когда цилиндр заполнили азотом и начали эксперимент, на экране стали замечать вспышки. По расчётам, этого не должно было быть, так как альфа-частицы не могли достигать поверхности экрана. Очевидно, сцинтилляции вызываются ударами каких-то других частиц, имеющих большую длину пробега. Опытный Резерфорд, воздействуя электрическими и магнитными полями, измерил заряд и массу этих частиц и со всей несомненностью установил, что это ядра атомов водорода — протоны. Откуда они могли там взяться, если азот (было проверено) абсолютно чист? Вероятнее всего, протоны могли появиться только из недр атомных ядер азота. Что же произошло тогда с альфа-частицами? Ученик Резерфорда Блекетт целой серией тонко поставленных экспериментов выяснил, что альфа-частица, выбивая протон из ядра атома азота, сама в нём «застревает». Но ведь тогда ядро, поглотившее альфа-частицу, перестанет быть ядром атома азота? Совершенно верно, так и было: азот превращался в кислород. Результаты опыта подтвердились многократной и самой придирчивой проверкой — всё было правильно: обстреливая альфа-частицами азот, Резерфорд получил из него два других элемента — кислород и водород.

Так, наконец, в 1919 г. была достигнута великая цель, мечта алхимиков — превращение одного элемента в другой, и уже не естественным природным процессом, а по воле человека.

Естественно, что Резерфорд после такого триумфального результата не успокоился, а продолжил и расширил эксперименты по превращению элементов. Для этого ему пришлось видоизменить и усложнить условия опыта, усовершенствовать регистрирующую аппаратуру, — успех ему сопутствовал и на этот раз. Из алюминия он получил водород и кремний. Подверглись бомбардировке альфа-частицами также бор, фтор, натрий, фосфор и другие элементы, и всякий раз наблюдалось появление протоков и преобразование одного элемента в другой. В каждом случае происходило не только превращение, но и усложнение элемента. Если при естественном радиоактивном распаде образовывались элементы со всё меньшим и меньшим атомным весом, то в экспериментах Резерфорда получали элемент с возрастанием атомного веса. Любопытно было и другое. При таком превращении выделялось огромнейшее количество энергии, это было подсчитано подведением так называемого энергетического баланса. Можно было подумать, что этот факт особенно возбудит надежды учёных. Отнюдь нет, сам Резерфорд не придавал этому значения, так как считал такое получение энергии абсолютно невыгодным делом: ведь слишком редок был случай превращения. Превращение, например, одного ядра алюминия произойдёт лишь после того, как пролетят 125 тысяч альфа-частиц!

Начало первой мировой войны застало Резерфорда на пути в Австралию, куда он направился на очередной конгресс Британской ассоциации. По пути он побывал и в родных местах в Новой Зеландии. Когда ему предложили прочитать публичную лекцию в стенах Кентерберийского колледжа, откуда начался его путь в науку, то знаменательно, что темой он избрал не что иное, как «эволюцию элементов», — ту самую, из-за которой ему пришлось признать, что «зашёл слишком далеко». Но что очень существенно при этом отметить, так это то, что он осмелился повторить лекцию до того, как ему удалось совершить первое превращение. Стало быть, он никогда с этой мыслью не расставался.

Любопытно и другое. Длиннопробежные частицы, обнаруженные в экспериментах Резерфорда, сравнительно долго не имели названий. Их именовали Н-частицами. Предполагались самые различные названия, но Резерфорд, их открывший, настоял на том, чтобы их назвали протонами. Их так называют и по сей день. Как свидетельствуют современники Резерфорда, учёному хотелось, чтобы это название отмечало «изначальность», ибо «протос» — первый, первородный, и в то же время напоминало людям о Прауте, том самом химике, который за сто лет до Резерфорда выдвинул свою гипотезу: все элементы построены из водорода.

В чём тут дело?

После того как описано первое превращение элементов, напрашиваются слова: всё стало на свои места. Однако такое утверждение было бы эффектным, но… бессодержательным. Можем ли мы и сейчас сказать, что в физике не осталось никаких неясностей? Ни в коем случае! А тогда? Тогда и тем паче… Прежде всего и сам Резерфорд, предложив модель строения атома, не столь уж твёрдо был в ней убеждён на первых порах и прекрасно осознавал её уязвимость для математиков. Математические расчёты со всей неумолимостью доказывают, что в такой модели электроны должны непременно упасть на ядро, поскольку, как утверждает классическая электродинамика, заряжённая частица, двигаясь с ускорением, непрерывно теряет энергию. Но атом-то на самом деле устойчив. В чём тут дело?

Это становилось ясным по мере уточнения и развития резерфордовской модели. В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил свою модель атома, опираясь на идеи Резерфорда и квантовую теорию Макса Планка. Модель Н.Бора сложна для описания, и поэтому мы изложим её так, как это принято в популярных изданиях. В ней, в модели Н.Бора, электрон вращается не на любой орбите, а только на определённой, «разрешённой», и при этом никакого излучения не наблюдается. Излучение происходит только тогда, когда электрон «перескакивает» с одной орбиты на другую, выделяя или поглощая порцию, квант, энергии.

В 1913 г., когда Нильс Бор сформулировал принципы, объясняющие устойчивость атома, было уже известно около 40 радиоактивных элементов, в то время как в таблице Менделеева пустовало всего 7 клеток. Как же разместить на них такое количество элементов?

«Подкопы» под таблицу, как мы видели, предпринимались не раз, но такое случалось в более ранние годы её существования, когда в ней было больше гениального предвидения и интуиции, нежели экспериментальных подтверждений. Теперь же подвергать её какому-либо сомнению просто невозможно. Что же остаётся? Может быть, произвести некоторую перестановку, не особенно считаясь с последовательностью возрастания атомных весов? Ведь и сам Менделеев, как было замечено, не единожды нарушал это правило: тяжёлый кобальт помещал впереди более лёгкого никеля, то же самое относится к теллуру и йоду, аргону и калию.