Disclamer. Алхимия в смысле получения философского камня не имеет отношения к тому, о чём пойдёт речь в этой работе. Слово «алхимия» использовано здесь для проведения параллели с поисками, которые велись вплоть до начала XX века практически вслепую с целью, в том числе, трансмутации элементов. И лишь в эпоху Резерфорда были сделаны первые открытия, которые положили конец этим попыткам: учёные доказали, что получить золото из свинца возможно.
Стремление человека познать окружающий мир неистребимо. То, что может быть открыто и исследовано, непременно будет открыто и исследовано, даже если это связано с риском для жизни. Такова сущность человека. Именно она позволяет человеку сохранять в природе свой статус и изменять мир. Человек действительно стал той геологической силой, о которой писал Вернадский: он изменяет саму планету, воздействуя на неё иногда даже более эффективно, чем самые мощные геологические процессы. Благодаря науке мир на наших глазах изменялся невероятными темпами. Закономерно возник вопрос: куда идёт наука? Что несёт она людям в будущем: разрушение и уничтожение или расцвет человечества?
Особенно остро этот вопрос встал после овладения энергией атома. Мир атома настолько велик и фантастичен, что для его понимания потребовалась коренная ломка привычных понятий о времени и пространстве. Атомы малы, но велики заключенные в них силы. Эти силы решено было поставить на службу человечеству.
В 1896 году Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. Дальнейшие исследования провели французские ученые Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Затем была запущена самоподдерживающаяся цепная реакция. Было отмечено, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, освобождающейся в считанные мгновения. Этот колоссальный выплеск энергии проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия.
Мы проследим развитие представлений о физике атома и атомного ядра в прошлом веке и посмотрим, к чему оно привело. Мы начнём повествование с самого конца XIX века, когда физика была удивительно стройной, и многие учёные увлекались экспериментами с катодными лучами и излучением Рёнтгена. Казалось, что уже почти всё открыто.
Провалившийся эксперимент
Светится само
Разрядная трубка создавала всепроникающие лучи. Но на стекле трубки, куда попадали катодные лучи, возникало ещё и зеленоватое свечение — флуоресценция. Логичным образом встал вопрос: связаны ли эти два излучения между собой? Все ли флуоресцирующие вещества излучают рентгеновские лучи?
Анри Беккерель решил это проверить, как только узнал о работах Рёнтгена. Фосфоресценция — это то, чем он занимался буквально всю жизнь, и учёный немедленно принялся за дело. Одним из исследуемых фосфоресцирующих образцов была соль урана. Беккерель несколько часов облучал её чешуйки солнечным светом. После этого на плотно завёрнутой чёрной бумагой фотопластинке проявились следы этих чешуек. Это говорило в пользу рабочей гипотезы. Однако учёный понимал, что об открытии говорить рано. Когда в самом конце февраля 1896 года похожий эксперимент сорвался из-за облачной погоды, и вся установка провела несколько дней в тёмном ящике стола, Беккерель проявил фотопластинку и увидел на ней чёткое изображение креста — в такой форме было нанесено соединение урана. Стало ясно, что неизвестные лучи проникают сквозь чёрную бумагу и в темноте. [1]
Последующие эксперименты показали, что в темноте фотопластинку засвечивают только соединения урана, причём не важно, фосфоресцируют они или нет. А вот другие фосфоресцирующие вещества пластинку вообще не засвечивали: хоть после экспозиции на солнце, хоть без неё.
Беккерель показал, что новые лучи уносят заряд с заряженного тела, точно так же, как и лучи Рёнтгена. Так у него появился ещё один способ детектирования загадочного излучения. Как было замечено, новое невидимое излучение было постоянно во времени. Оно просто было, самопроизвольно и бесконтрольно. Не было важно, что это за соединение, в какой оно фазе, когда оно приготовлено и всё такое. Интенсивность излучения зависела от количества урана, а природа излучения была одной и той же. Стало ясно, что новое излучение — это свойство урана как элемента. [1]
![Схема установки Дж. Дж. Томсона по определению отношения заряда катодных лучей к массе. C — отрицательный электрод, A и B — диафрагмы для получения параллельного пучка, D и E — параллельные пластины для создания почти однородного электрического поля. [F1]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/1528313/pub_6259babf15182b0bb7d4cc43_6259bcf941ff1a56cbe253c5/scale_1200)
Получить все элементы
Как ни странно, Беккерель работал с соединениями урана один почти два года, пока к его исследованиям не присоединились супруги Кюри.
В 1898 году Мария Кюри (вышла замуж она в 1895) показала, что радиоактивность присуща именно атомам урана, и нашла ещё один элемент с подобными свойствами — торий. Она же ввела термин «радиоактивность». Но что скрывалось за этим новым словом, не было понятно.
Уран в то время был довольно распространён и входил в состав жёлтой и чёрной красок. Согласно [2], супруги Кюри решили получить химически чистый уран, чтобы ничего не мешало исследовать его свойства. Оказалось же, что сам по себе уран не очень радиоактивен, а вот его отделённые примеси излучают значительно сильнее чистого урана. В [1] об этом не упомянуто. Так или иначе, они систематически проверили радиоактивность различных минералов урана и, если верить [1], тория. Некоторые из этих минералов излучали сильнее, чем этого можно было бы ожидать по содержанию в них урана. Супруги Кюри открыли полоний [1] и «вещество, содержащее […] некоторый новый элемент, сообщающий ему свойство радиоактивности и очень близкий по своим химическим свойствам к барию», [3] — радий. Позже их ученику Андре Дебьерну удалось выделить актиний [1].
Эти открытия подстегнули интерес физиков всего мира к новому явлению. Прежде, судя по всему, физики «наигрались» катодными лучами, изучив их, как они считали, вдоль и поперёк, получив от них дифракцию на кристалле и, таким образом, рассмотрев кристаллическую решётку. И вдруг оказалось, что для получения всепроникающих лучей не нужны дорогие и сложные установки, а природа сама их создаёт.
Фотопластинка после воздействия рёнтгеновских лучей, прошедших через кристалл сульфата меди. «Хоровод» тёмных пятен — это следствие дифракции рёнтгеновских лучей. Источник — Photoniques. А первоисточник — Нобелевская лекция 1914 года, где Max von Laue получил свою премию. В [10], впрочем, говорится, что это изображение покрытия цинка. Ясно одно: вещество было нанесено очень тонким слоем, а иначе пятна бы смешались. Оригинал лекции нам найти не удалось.
Беккерель обнаружил, что проникающая способность излучения зависит от того, каким веществом оно создаётся: радий излучает значительно сильнее полония; излучение радия проходит даже через алюминиевые пластинки, а излучение полония останавливается даже картонными стенками коробки. В 1899 году Беккерель и независимо от него Гизель показали, что под действием магнита часть радиоактивного излучения отклоняется, тогда как другая часть проходит прямо. Эрнест Резерфорд пришёл к такому же выводу на основе проникающей способности излучения и назвал эти два вида радиации «альфа-лучами» (менее проникающее) и «бета-лучами» (более проникающее) [4]. Через три года Поль Вийяр установил, что есть и третий вид, вскоре поименованный «гамма-лучами». Беккерель показал по отклонению в магнитном поле, что скорости бета-лучей, испущенных разными веществами, различны, а супруги Кюри установили, что бета-лучи несут отрицательный заряд. [1]
Стоит отметить, что разделение лучей по Резерфорду и по Беккерелю не тождественны друг другу. В современном понимании тяжёлые альфа-частицы слабо отклоняются магнитным полем, но хорошо поглощаются. Беккерель, таким образом, возможно, смешал их с гамма-излучением. Точнее говоря, раз альфа-частицы хорошо поглощаются даже воздухом, Беккерель мог видеть только слабый-слабый след от них в непосредственной близости от пятна, вызванного гамма-лучами. Бета-частицы отклоняются магнитным полем куда сильнее, чем альфа-, и сильнее же проникают. Резерфорд вполне мог не различить их и гамма-лучи.
В том же 1899 году Резерфорд узнал от коллеги из Монреаля, что радиоактивность тория чувствительна к потокам воздуха. Сам он вскоре обнаружил, что расположенные по соседству с торием тела становятся радиоактивными. Поскольку обычная стеклянная ампула препятствовала такому эффекту, Резерфорд предположил, что из тория выделяется некая субстанция, «эманация», которая и индуцирует радиоактивность. Выделяется она медленно, не как излучение. Он собрал эту эманацию с помощью простой вытяжки и определил её свойства. Так, к примеру, активность эманации тория снижалась вдвое каждую минуту и быстро исчезала [1]. Супруги Кюри провели подобные исследования с радием и получили схожие результаты. Однако они не знали, что это не свойство непосредственно радия, поэтому объясняли наведённую активность некими лучами. В 1900 году Латер и Дорн провели такой же эксперимент с радием, какой ставил Резерфорд с торием, и получили эманацию радия. [1] Активность эманации радия уменьшалась вдвое примерно за четыре дня. Эманации тория и радия были по своим физическим похожи на газы: они легко диффундировали сквозь воздух и бумагу, но даже тонкий слой слюды был для них препятствием. Из скорости диффузии следовало, что их молекулярные массы более чем в сто раз превосходят массу водорода. Были проведены совершенно невероятные опыты по охлаждению эманаций. Талантливые учёные измерили, что эманация тория конденсируется при −120 °C, а радия — при −150 °C. [5]
Тем временем, химик Фредерик Содди принял предложение Резерфорда о совместном творчестве и показал, что эманация тория не вступает ни в какие химические реакции, то есть является по определению инертным газом. Её окрестили «тороном» по аналогии с недавно открытым аргоном. Уильям Крукс выделил из урана часть с гораздо большей активностью и назвал её ураном X. Содди выделил аналогичный торий X; учёные определили, что торон возникает именно из этого нового вещества. [1, 5] В статье [5] Резерфорд приводит рецепт получения тория X, ни разу не упоминая, однако, имя Содди. Учёный предположил, что постоянная активность тория — это результат двух противодействующих процессов: торий производит торий X, который весьма активен и довольно быстро распадается. Как мы знаем сейчас, распад тория идёт по несколько более длинному пути, но в целом эта гипотеза верна.
Резерфорд и Содди заметили, что все радиоактивные атомы являются тяжёлыми, а с течением времени возникают более лёгкие атомы, причём друг из друга, по цепочке. Они опубликовали статью [5], в которой разместили таблицу «метаболонов» — осколков атомов после испускания ими альфа- или бета-излучения. Были установлены три цепочки превращений метаболонов: от урана, от тория и от радия. Резерфорд описал ровно тот процесс превращения, который мы изучаем в школе: от атомов, по какой-то причине теряющих стабильность, отделяются частицы, и это оставляет новый атом. Учёный понимал, что цепочки превращений должны быть довольно продолжительными. Конечные продукты, являющиеся, очевидно, стабильными, было невозможно определить, изучая тип, скорость и интенсивность распада. Слова о том, что радиоактивные вещества превращаются друг в друга не так, как в ходе обычных химических реакций, а метаболоны обладают различными химическими свойствами, требовали большой смелости. Словно оправдываясь, Резерфорд вспоминает имя сэра Джозефа Нормана Локьера с его трудами по спектрам звёзд.
Через несколько лет американский химик Болтвуд пришёл к выводу, что конечным продуктом распада урана и тория является свинец, а радий и актиний, открытые супругами Кюри, сами являются продуктами распада урана. [1]
Содди приписывает судьбоносную ошибку одной известной на тот момент работе по аналитической химии. Но именно из-за неё в ториево-урановой руде торий был спутан с цирконием. Уран был отделён по методу Кюри, а в оставшейся части Вильгельм Рамсей и Отто Хан в 1905 году нашли торий. Точнее, химически это был торий, но радиоактивность его была значительно выше. Из него тоже выделялись торий X, эманация тория и другие известные продукты. Поскольку новый элемент явственно отличался от тория своей активностью, все посчитали, что имеют дело с новым элементом, который назвали радиоторием. В цепочке метаболонов он занял место между торием и торием X. Период полураспада его оказался близок к двум годам, и новый элемент обещал заменить собой дорогостоящий радий. Только вот выделить его из тория никак химически не удавалось. В 1907 году Хан открыл мезоторий, который вклинился между торием и радиоторием. И его тоже не удавалось выделить химическим путём. [1]
Были и другие элементы, которые не удавалось отделить друг от друга: торий и ионий, мезоторий I и радий, радий D и свинец. Ситуация напоминала относительно недавнюю неразбериху с редкоземельными элементами. Только в 1911 году Содди показал, что химические свойства такие спаренных элементов идентичны, а потому их следует помещать в одно и то же место периодической системы. Отсюда появилось понятие об изотопах. Содди угадал, что при каждом альфа-распаде номер элемента уменьшается на два, а при бета- — увеличивается на один. В 1913 году это правило было подтверждено безо всяких исключений. С помощью одного альфа-распада и двух бета-распадов получался тот же элемент, но на 4 единицы более лёгкий. Так Содди объяснил изотопы. [1, 6] Дж. Дж. Томсон и Астон предложили разделять изотопы с помощью хроматографической колонки или фракционированной конденсации; Резерфорду очень нравилось применение масс-спектрометра Астона для разделения изотопов [6]. В 1919 году Астон разделил изотопы неона, а к 1922 году он смог изучить изотопный состав трёх десятков стабильных элементов, причём все измеренные значения были кратны массе атома водорода [4].
Адольф Мите (Adolf Miethe) был одним из многих, кто объявил о превращении одного элемента в другой посредством вполне обычных сил. Поддержавший его Хантаро Нагаока опубликовал в 1925 году статью [7], в которой описал свой эксперимент по получению достаточных для химического анализа количеств золота и серебра. Он пропускал ток высокой плотности между электродами из ртути и вольфрама, погруженных в трансформаторное масло. В обугленных остатках масла, по словам Нагаока, содержались драгоценные металлы. Эти результаты подкрепляли ту гипотезу, что для превращения одного элемента в другой, номер которого в периодической таблице на единицу меньше, требует всего лишь добавления электрона в ядро, а поскольку ядро само заряжено положительно, это требует относительно небольшой энергии. Резерфорд выступал категорически против такой трактовки: «если бы не существовало некоего механизма, препятствующего поглощению обычных электронов, притянутых близко к ядру, материя не могла бы существовать сколь-нибудь продолжительное время» [8]. Астон, как пишет Резерфорд, провёл измерения и установил, что номера элементов с равными по массе изотопами отличаются всегда на чётное число. Резерфорд предполагал, что атомы с чётными и нечётными номерами должны фундаментально отличаться друг от друга по способу построения изотопов. У Нагаока же, напротив, масса не должна была меняться при изменении номера на единицу. Мите не сдавался и собрал достаточное количество золота, что Отто Гёнигшмид (Otto Hönigschmid) и Эдуард Цинтль (Eduard Zintl) смогли измерить его атомную массу. Она оказалась не отличимой от массы золота, а Астон показал, что ртуть не содержит ощутимых количеств таких лёгких изотопов. В 1926 году сразу три видных группы учёных проверили эксперименты Мите и пришли к выводу о малой вероятности такого превращения элементов. [8]
В том же, 1926 году голландский учёный Andreas Smits, разработавший, в числе прочего, интересную теорию аллотропии, которую придётся оставить за рамками этого обзора, объявил [9] о превращении свинца в ртуть и таллий. Перед его письмом и письмом Нагаока редактор журнала включил заметку, что он не несёт ответственности за мнение автора. И не зря: вскоре результаты этого эксперимента тоже были объявлены ошибочными.
Многие группы учёных публиковали в те годы заявления об успешных превращениях элементов. Электричество или катодные лучи служили гипотетическими источниками изменений атомов. F. A. Paneth и K. Peters объявили о появлении гелия после растворения водорода в палладии. Хотя их эксперимент также оказался некорректным, наука получила важную информацию о том, что стекло великолепно абсорбирует гелий, очищая его от неона, позволяя определить наличие гелия уже после дня нахождения стекла на воздухе. [8]
Резерфорд совершенно верно предполагал [8], что превращение элементов в лабораторных условиях вполне возможно, но только при наличии потенциалов, сопоставимых с теми, что держат вместе элементы атомных ядер.
Распад и единство
Откуда энергия?
В начале XX века были две «скрепы» физики: неизменяемость атомов и сохранение энергии. А явление радиоактивности давало энергию буквально из ниоткуда. Да какую энергию! Как измерили супруги Кюри в 1903 году, 100 калорий в час с 1 г радия, из-за чего образцы его всегда теплее воздуха на несколько градусов. Резерфорд это объяснял бомбардировкой радия выпущенными им же альфа-частицами. Резерфорд полагал, что чистая эманация радия настолько активна, что докрасна раскалит или даже расплавит стенки стеклянной ампулы, содержащей её. [5]
Когда г-н и г-жа Кюри были в Англии, чтобы сообщить о своих открытиях Королевскому институту в 1903 году, они вместе с профессором Дьюаром изучали эффекты нагревания, особенно при очень низких температурах. Следовавшая процедура заключалась в погружении препарата радия в сжиженный газ и определении количества газа, испарившегося в результате нагревания. [8, F1]
Мария Кюри в 1899 и 1900 годах выдвинула две гипотезы, одна другой страннее: или атомы радиоактивных элементов принимают некую энергию из окружающего мира и «ретранслируют» её, или сами атомы претерпевают медленные нехимические превращения, которые мы не замечаем, и при этом выделяют энергию.
Из открытий Резерфорда и Хана стало понятно, что вторая гипотеза более, чем рабочая, и предписываемые ею превращения могут быть очень даже не медленными.
Три буквы
На этом месте известная часть биографии Резерфорда практически бы закончилась, если бы он в своё время не занялся исследованиями альфа-частиц.
Резерфорд проявил свою гениальность, ставя потрясающие находчивостью эксперименты. Так, в 1902 [5] или в 1903 году [8] он смог-таки достоверно определить, что альфа-частицы несут положительный заряд, с помощью установки, в которой он учёл ровно всё, что сам знал: от эманации он избавлялся прокачкой водорода в обратную сторону, малые отклонения он фиксировал гребёнкой из часто расположенных пластин, а пролёт альфа-частиц он детектировал уменьшением заряда электроскопа. [1] Более того, отношение заряда альфа-частиц к массе, полученное в результате этого эксперимента, оказалось примерно вдвое меньше, чем у атома водорода. Брегг предположил в 1904 году [8], что альфа-частицы в воздухе летят по прямой и теряют энергию за счёт ионизации, пока энергия альфа-частиц не упадёт ниже некоего уровня. Отсюда можно было определить изначальную скорость. После излучением радием C она, как оценил Резерфорд, была одинакова у всех частиц [8] и раз в пять меньше, чем у бета-частиц, исследованных Дж. Дж. Томсоном, а масса — в 2000 раз больше [5]. Резерфорда поражали такие колоссальные величины. Энергии были так велики, что Сэр Вильям Крукс смог продемонстрировать флуоресценцию сульфида цинка при облучении его радием. Оказалось-то, что всё наоборот: не флуоресценция производит всепроникающие лучи, а эти лучи создают видимое глазом свечение! Резерфорд сравнивал красоту его неоднородности со звёздным небом [5].
Резерфорд наблюдал, как опускается фольга B электроскопа, когда на неё попадает излучение радия. Попадать ему мешали металлические щели G и тонкая алюминиевая фольга над ними. Если создаётся горизонтальное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка, или электрическое поле слева направо, то излучение попадает на пластинки решётки G, а фольга B опускается медленнее. Чтобы в камеру V не проникала эманация радия, через камеру продувают сухой водород. [F1]
В те годы солнечный гелий нашли на Земле [1]. В урановых рудах. Резерфорда заинтересовал этот момент, и они с Содди предположили в 1902 году, что гелий образуется из урана [5]. Оставалось это проверить. Понабравшись опыта у Резерфорда, в 1903 году Содди с Рамсеем в Лондоне доказали, что гелий образуется не непосредственно радием, а его эманацией. Резерфорд не остался в стороне и, собрав альфа-частицы от эманации радия, с помощью электрической искры спектроскопическим анализом показал в 1903 году [5] появление гелия в объёме, куда собирались альфа-частицы. Для этого он поместил эманацию в тончайший сосуд, стенки которого альфа-частицы проходили насквозь, а собирал гелий под ещё одним слоем стекла. Резерфорд тщательно прорабатывал свои эксперименты, и чтобы проверить, что гелий не выделяется из эманации во внешний сосуд каким-нибудь другим путём, он напускал гелий вместо эманации, но ничего во внешнем сосуде не получал.
Вместе с Гейгером Резерфорд разработал счётчик альфа-частиц и измерил заряд одной частицы [8]. Сомнений в тождественности альфа-частиц и гелия не осталось.
Дж. Дж. Томсон показал, что бета-лучи суть быстро летящие и отрицательно заряженные частицы, как их тогда называли, «корпускулы». Быстро — это на порядок быстрее, чем катодные лучи. [5]
Резерфорд заметил, что бета-частицы, запечатлённые на фотографиях Вильсона, рассеиваются не так, как альфа-частицы. Комптон в 1921 году высказал мнение, что это может быть связано с магнитным моментом электрона. [6]
Треки альфа-частиц в камере Вильсона. [10]
Кауфман также исследовал бета-лучи. Он измерял отношение их заряда к массе по метода Томсона — в скрещенных электрическом и магнитном полях. Он определил, что это отношение зависит от скорости, что, как оказалось позже, согласовывалось с гипотезой Абрагама, что масса электрона частично обусловлена взаимодействием его с полем [1, 6].
Гамма-лучи было регистрировать довольно трудно из-за их всепроникающей способности. Только сильное излучение радия было пригодно для экспериментов. Резерфорд отмечал [5], что они, судя по всему, являются неким экстремальным случаем рентгеновских лучей, и в этом он был прав. Кроме того, по его мнению, гамма-лучи должны излучаться в момент испускания бета-частиц.
Дельта-лучами некоторые исследователи называли интенсивную эмиссию электронов под воздействием радиоактивного излучения [8].
Истоки
Было понятно, что раз радиоактивность — свойство самих атомов, то и наблюдаемые продукты распадов могут являться частями атомов. А что такое атом?
Дж. Дж. Томсон предположил, что электроны, вылетающие бета-частицами, содержатся в атоме и притягиваются к положительно заряженному центру. Он предположил, что все электроны располагаются более-менее одинаково, однако такая модель не продержалась дольше нескольких месяцев. В конце 1903 года Хантаро Нагаока рассказал своё видение структуры атома, основанное на спектрах излучения электромагнитных волн [1]. Он посчитал более разумным рассмотреть сатурноподобную структуру с вращающимися вокруг положительно заряженного центра электронами. Резерфорд, вероятно, независимо, выдвинул гипотезу, что структура атома должна быть весьма сложна, раз он претерпевает превращения. Атом, по его мнению, должен состоять из большого числа заряженных частиц, движущихся, возможно, вращающихся, в результате взаимодействий. И когда, пишет он в 1904 году [5], что-то происходит, одна из вращающихся частиц срывается со своей орбиты и становится тем, что называется альфа- или бета-частицей.
В 1908 году было сфотографировано рассеяние альфа-частиц на тонких плёнках металлов [1, 6]. Выглядело всё так, будто кристалл — это пустое пространство с редкими массивными включениями. Исходя из результатов рассеяния, Резерфорд в предположении, что альфа-частицы взаимодействуют с ядрами только посредством электростатического отталкивания, оценил радиус ядра [6]. Если, как в модели Томсона, всё вещество атома сосредоточено в одном месте, то никакого кулоновского отталкивания быть не должно. Модель Нагаока под это подходила больше, но для объяснения бета-распада требовалось, чтобы электроны находились и в ядре, ведь они оттуда вылетают бета-частицами. По предположению Резерфорда, электроны в ядре должны «склеивать» положительно заряженные частицы. Получилась новая модель Резерфорда: ядро из модели Томсона, но с нескомпенсированным положительным зарядом, а вокруг него вращаются электроны. «Как-то раз (в 1911 году) Резерфорд, несомненно, в наилучшем настроении, пришёл ко мне в комнату и сказал, что теперь он знает, как выглядит атом и как объяснить (редкие) большие отклонения альфа-частиц» [4], — вспоминал Гейгер. Но все ли атомы одинаково устроены и все ли устроены именно так?
Вариант экспериментов по рассеянию альфа-частиц на тонких плёнках золота, серебра, платины или меди. Наиболее точные эксперименты получились с золотом. Источник S содержал узкую трубку T, закрытую тонким слоем коллодия. Диафрагма C была сделана из графита, чтобы уменьшить внешнее рассеяние, и служила для ограничения потока альфа-частиц. Частицы попадали на тонкую фольгу F по нормали. Рассеянные частицы наблюдались на экране Z из сульфида цинка.
В 1913 году Ван ден Брейк заметил, что данные по рассеянию альфа-частиц хорошо объясняются, если предположить, что заряд ядер вещества равен порядковому номеру составляющего его элемента в периодической системе. Генри Мозли, добровольный ассистент Резерфорда, измерил частоты спектральных линий, возникающих при попадании жёсткого рентгена на простые вещества и показал, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому» [1]. [6] Он считал, что это обязано быть зарядом ядра, и Резерфорд соглашался с таким умозаключением.
В том же, 1913 году, Нильс Бор показал миру свою, очень простую модель атома. Как хорошо известно, она основывалась на модели Нагаока и Резерфорда, хотя заслугу второго нынче часто опускают. Бор попытался объединить наглядную планетарную модель с квантовой теорией, приписав электрону «двойственную природу». В своей книге [10] Артур Хаас (Arthur Haas), современник тех событий, подробно описывает, как бурно развивались события в те годы, но не пишет совсем ни слова о своём вкладе.
Трудности понимания структуры атомов добавили новые эксперименты Резерфорда с альфа-частицами. Вместе с Мардсеном они установили, что счётчик Гейгера работает неправильно, если в его объёме содержится газ [4]. Продолжая изучать эту проблему, учёный бомбардировал альфа-частицами тонкую струю водорода. Он установил, что выбиваются в 30 раз больше атомов водорода, чем то следует из теории с кулоновским взаимодействием. Кроме того, число выбитых атомов водорода уменьшалось с увеличением скорости альфа-частиц. Резерфорд предположил о существовании нового вида сил, действующих между альфа-частицами и ядрами водорода на крайне малых расстояниях — меньше 3 × 10⁻¹³ см. [6] Сейчас это носит название сильного взаимодействия.
Вскоре грянула война, и все исследования практически остановились. Резерфорд сменил Дж. Дж. Томсона на посту главы Кавендишской лаборатории [4].
Лишь в 1920 году Джеймс Чэдвик измерил заряд ядер меди, серебра и платины посредством рассеяния альфа-частиц и получил неплохое соответствие их номерам в периодической системе. [1] Он получил, что поле вокруг ядра обратно пропорционально квадрату номера элемента. [6] После этого периодический закон стал, наконец, понятным.
Периодическая классификация элементов [8, 10]
Артур Хаас в 1927 году описывал стройную систему с «нейтрализованными альфа-частицами» в качестве структуры атомов, массы которых кратны 4. Он указывал, что заряд ядер при распаде меняется в результате двух последовательных бета-распадов, то есть как раз на заряд альфа-частицы; это было косвенным подтверждением его гипотезы. Атомы массой 4n + 3 и нечётным зарядом, аналогично, должны были содержать компонент с единичным зарядом и тройной массой. Атомы других масс были не так распространены, но Хаас был уверен в справедливости такого подхода и для них: чётный номер для чётной массы и нечётный для нечётной. Для некоторых лёгких атомов это было не так, и он это отмечал, не придавая, впрочем, этому большого значения. Важнее, по его мнению, было то, что у атомов с нечётными номерами обычно всего один или два изотопа, массы которых отличаются на 2. У элементов с чётными номерами обычно много изотопов, и эти элементы встречаются чаще: учёный привёл содержание элементов в каменных метеоритах. [11]
Кроме того, автор указывает на следствие Специальной теории относительности: массы атомов не идеально целые, но с небольшой поправкой. Любопытно ещё раз отметить стиль той эпохи: есть описание достижений, но нет ни одной фамилии автора. [11]
Мнения великих
С 1911 года начались Сольвеевские конференции, где великие учёные обсуждали свежайшие на тот момент научные результаты. Пятая конференция, прошедшая в 1927 году, оказалась одной из самых авторитетных за всю историю физики: её участниками были Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Склодовская-Кюри, Хенрик Лоренц, Альберт Эйнштейн, Поль Ланжевен, Шарль Гюи, Чарльз Вильсон, Оуэн Ричардсон, Петер Дебай, Мартин Кнудсен, Уильям Брэгг, Хендрик Крамерс, Поль Дирак, Артур Комптон, Луи де Бройль, Макс Борн, Нильс Бор, Огюст Пикар, Эмиль Анрио, Пауль Эренфест, Эдуард Герцен, Теофил де Дондер, Эрвин Шрёдингер, Жюль Эмиль Вершафельт, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Ральф Фаулер, Леон Бриллюэн. Рассказ лишь о выступлениях этих великих учёных и последующих обсуждениях заслуживает отдельного цикла статей.
Участники Сольвеевской конференции 1927 года: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, E. Herzen, Th. de Donder, E. Schrödinger, J. E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R. H. Fowler, L. Brillouin;
P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H. A. Kramers, P. A. M. Dirac, A. H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr;
I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, Ch.-E. Guye, C. T. R. Wilson, O. W. Richardson. Источник — Wikipedia.
Резерфорд облучал альфа-частицами буквально всё подряд. В результате бомбардировки элементов с массой 4n + p, где p = 2 или 3, но не 0, вылетали атомы, предположительно, водорода. Резерфорд трактовал это так, что альфа-частицы не могут выбивать части атомов, ядра которых состоят только из альфа-частиц. Тогда Резерфорд ввёл слово «протон» для называния ядер водорода. Получалось, что атомные ядра состоят из альфа-частиц и, как предложил Астон, протонов. [6]
Жан Перрен отмечал, что в этих экспериментах Резерфорда некоторые протоны имели энергии, большие, чем энергии вызывающих их альфа-частиц, и вылетали в любом направлении с одинаковой вероятностью. Так было, например, при бомбардировке алюминия и фосфора. Перрен предложил такое объяснение: альфа-частицы, очень сильно отталкиваясь от ядер, могут практически остановиться вблизи ядер, в результате чего возникают новые ядра — происходит захват альфа-частиц. При этом ядро не обязано «помнить», откуда прилетела альфа-частица, поэтому испускает протон или любое другое излучение в произвольном направлении. Превышение энергии объяснялось тем, что протоны испускаются внутренней электрической энергией ядра, которая, как показывала обычная радиоактивность, очень велика. Резерфорд соглашался с этой гипотезой. [6]
Сами альфа-частицы состояли, по мнению Резерфорда на 1923 год, из шести положительных и двух отрицательных зарядов. Подобным образом описывали состав всех атомных ядер. Однако, как отмечал Резерфорд, даже отрицательных зарядов внутри ядер не достаточно для удержания ядер в стабильности. Де Гааз задавался вопросом, одинаковы ли величины положительных и отрицательных зарядов. До сих пор мы неявно предполагали так. Милликен ему ответил, что это было показано экспериментально. В ответ на это де Гааз поднял вопрос о фундаментальной причине этого равенства. Лоренц и Резерфорд сошлись на том, что ответа на это нет.
Поль Ланжевен счёл нужным отметить то странное обстоятельство, что массы всех изотопов — целые числа, но масса водорода — 1,008 [6]. Перрен в ответ на это вспомнил гипотезу Праута о том, что все атомы состоят из атомов водорода, и гипотезу Эйнштейна про эквивалентность массы и энергии и, посчитав, насколько велико количество энергии, выделяющейся при слиянии атомов водорода в атом гелия, предположил, что в этом кроется источник энергии звёзд. Резерфорд согласился и с этим. Кто-то заметил, однако, что не так-то и просто столкнуть между собой два положительно заряженных ядра из-за их кулоновского отталкивания, но это потребует гигантских скоростей и энергий. Резерфорд попытался разъяснить: «[…] водород в туманностях может состоять из частиц, их можно назвать „нейтронами“, которые могут быть сформированы из положительных ядер с электронами на очень малом расстоянии. Эти нейтроны едва ли будут испытывать какую-либо силу при проникновении в вещество. Они станут посредниками при сборке ядер элементов с бо́льшими атомными весами» [6]. Резерфорд придумал понятие нейтрона ещё в 1920 [12], хотя никакого экспериментального подтверждения тогда ещё не было.
Возвращаясь к проблеме причины радиоактивности, Лоренц считал, что ядра лёгких атомов обладают чёткой структурой, будто кристаллической решёткой, а в ядрах тяжёлых элементов существуют сложнейшие движения, сопровождающиеся большими скоростями составляющих частиц [6]. Механистические воззрения о структуре атомных ядер продолжали применяться за неимением тогда ещё квантовой теории.
Мария Склодовская-Кюри отмечала, что электростатические силы могли бы объяснить скорости бета-частиц, но не стабильность ядер, для которой нужны какие-то иные силы [6]. Совпадают ли они с тем, что, по мнению Резерфорда, было между альфа-частицами и ядрами, участники конференции не могли сказать.
Заметим, что Эрнест Резерфорд выступал на этой конференции уже мэтром, гигантом, которого все безмерно уважали, а некоторые и немного побаивались. Даже Пётр Капица указывал это в письме своей матери, когда только начал работать у Резерфорда. «К счастью, он очень сильно топает, и я могу распознать его шаги издалека» [4], — писал он. Есть мнение, что своё прозвище «Крокодил» он получил от грозного крокодила, проглотившего будильник и потому слышимого отовсюду, из сказки про Питера Пэна [4]. Крокодил отныне украшает стены лаборатории Резерфорда в Университете Кембриджа.
Обширность докладов и частота Сольвеевских конференций в начале XX века ясно показывают, насколько быстро развивалась наука того времени. Перед учёными вдруг предстало множество неизвестных и загадочных явлений, но в отличие от таких событий в прежние эпохи истории, большое количество исследовательских центров и образованных людей произвели своего рода взрыв в научных взглядах. Однако всего через три десятка лет этим взглядам суждено было измениться ещё раз.
Список источников вы можете найти в комментариях!
Автор - Антон Яблоков
