Читаем Беседы об атомном ядре онлайн бесплатно

Колыбелью ядерной физики была атомная физика. В начале нашего века ученые еще не догадывались о существовании ядра и все его проявления приписывали странностям и чудачествам загадочного, как тогда казалось, атома. Английский химик Д. Дальтон в начале XIX века нашел первое научное доказательство атомного строения вещества. Но еще и через сто лет известный австрийский ученый Э. Мах имел некоторые основания саркастически спрашивать у тех, кто верил в атомы: «А вы видели хоть один?»

На протяжении столетия понятие «атом», почти лишенное реального содержания, будоражило воображение и привлекало к себе внимание общественности. На страницах «Войны и мира» Л. Толстого, «Рудина» И. Тургенева, «Истории одного города» М. Салтыкова-Щедрина и других художественных произведений слово «атом», вероятно, встречалось чаще, чем в научных трудах того времени. Понятие же «атомное ядро» не успело еще выйти за пределы научного круга, как уже приобрело полную определенность. Может быть, поэтому оно и оказалось в тени, отбрасываемой огромной популярностью атома.

Сердцевина атома — ядро — не только хранит и отдает всю энергию атома, от нее зависит химическая индивидуальность атома, она задает ритм эволюции гигантских звезд в просторах вселенной.

Но то, что импонировало в понятии «атом» литераторам, заставляло физиков относиться с недоверием к самой сущности мельчайшей структурной единицы вещества. «Искусство удивляется, наука сомневается…» — писал М. Пришвин. И сомневалась она до тех пор, пока три великих открытия, сделанные буквально в течение нескольких последних лет прошлого века, не заставили естествоиспытателей признать существование и делимость атомов.

Знаменитый английский ученый Дж. Дж. Томсон обнаружил электроны — частицы, которые отрывались от атомов под действием электрического напряжения.

Профессор Вюрцбургского университета В. Рентген первым заметил, что в определенных условиях атомы могут испускать мощный электромагнитный сигнал, который впоследствии назвали рентгеновскими лучами. И наконец была обнаружена радиоактивность — явление, непосредственно связанное с атомным ядром. По иронии судьбы это странное качество некоторых веществ поначалу приписывалось атомам. Но в конце концов истина восторжествовала. Исследование невидимого, чрезвычайно проникающего излучения, которое, как это установил французский ученый А. Беккерель, испускала урановая соль, и привело впоследствии к открытию атомного ядра.

Удивительное это событие в науке — открытие. А еще удивительнее сам процесс выбора того единственного, всегда нового, всегда уникального пути, которым приходит к нему человек. В самом деле, ну каким образом невидимые лучи из щепотки урановой соли могли навести А. Беккереля на мысль об имеющемся в атоме ядре? Немецкий поэт И. Гёте писал: «…Человек должен верить, что непонятное можно понять, иначе он не стал бы размышлять о нем». Прекрасной иллюстрацией главного таинства науки — перехода от полного незнания о чем-то к знанию — была короткая и бурная история открытия атомного ядра.

Одно из естественных проявлений свойств атомного ядра — радиоактивный распад. Когда ядро распадается, из него вылетают: тяжелые, положительно заряженные частицы — их назвали альфа-частицами; отрицательно заряженные легкие частицы — бета-частицы (электроны); и гамма-лучи, не имеющие заряда. Такое необычное поведение ядер не могло не привлечь внимания ученых. Нашелся человек, который прямо поставил вопрос: «Что происходит с атомами, которые являются источниками радиоактивного излучения?» Этим человеком был будущий отец ядерной физики Э. Резерфорд.

Молодой ученый после окончания Новозеландского университета приехал на стажировку в Англию, в Кавендишскую лабораторию к Дж. Дж. Томсону. В научном багаже будущего директора этой одной из лучших лабораторий мира не было почти ничего, кроме довольно расплывчатой идеи об эволюции химических элементов. Впрочем, это была даже не идея, а нечто вроде научной легенды, уходящей корнями в эпоху алхимии, когда казалось, что нет непреодолимых границ между разными веществами.

К этому времени химики все более и более убеждались, что невозможно один элемент превратить в другой. На основе своих наблюдений они уже в XVIII веке установили закон постоянства элементов, который гласил: «Качество и количество начал (элементов) остаются теми же самыми, происходят лишь перестановки, перемещения».

Этот эмпирический закон подкрепила созданная Д. Менделеевым периодическая система элементов. Идея о превращаемости элементов была как будто выдворена за пределы науки.

Но именно она предопределила научную судьбу Э. Резерфорда. Его чрезвычайно заинтересовала радиоактивность — это только что открытое новое свойство атомов, как тогда думали. Не намек ли это на нестабильность некоторых веществ?

Главную атаку на радиоактивность Э. Резерфорд начинает в Монреальском университете Мак-Гилла, куда его пригласили на должность профессора. Двадцатисемилетний ученый трудится как одержимый. «Я постоянно торчу в лаборатории, — пишет он своей невесте, — из семи вечеров провожу там пять и, как правило, довожу дело до конца; в прошлый четверг я послал еще одну большую статью в журнал… в ней тысяча новых фактов, о которых никто даже не подозревает». И столько же новых мыслей зреет у него в голове.

К изучению радиоактивности он привлекает лучших сотрудников университета. С ним начинает работать инженер-электрик Р. Оуэнс, который сообщил Э. Резерфорду, что, экспериментируя с радиоактивным торием, он обнаружил «„нечто“, что не было ни торием, ни альфа-, ни бета-лучами, но улетало, если на него подуть».

Через некоторое время Э. Резерфорд доказал, что таинственное «нечто», обнаруженное Р. Оуэнсом, — газообразный химический элемент радон, возникающий при распаде атомов тория.

В запаянном сосуде, содержащем радиоактивный элемент радон, ученый через некоторое время нашел другой химический элемент, инертный газ — гелий. Вывод ясен — радиоактивное вещество, распадаясь, изменяется.

В итоге десятилетней упорной и трудоемкой работы, которая не походила на работу только физика или только химика и в то же время была и работой физика, и работой химика, Э. Резерфорд находит экспериментальное подтверждение гипотезы о превращаемости элементов.

Вместе с молодым талантливым химиком Ф. Содди он обнаружил три «генеалогических древа» радиоактивных превращений урана, тория и актиния. Три самых тяжелых элемента периодической системы оказались родоначальниками радиоактивных семейств, каждое из которых в результате последовательных превращений его членов заканчивалось одним и тем же более легким стабильным элементом — свинцом.

Э. Резерфорд и Ф. Содди представили научной общественности убедительные факты, из которых следовало, что радиоактивность — это проявление внутренних изменений атомов.

Иногда на нетерпеливые расспросы своего друга Уотсона Шерлок Холмс отвечал, что не может пока делать каких бы то ни было предположений, так как не располагает достаточным количеством необходимых фактов.

Фактами, которые могли бы навести на мысль о существовании в атоме ядра, не располагал и Э. Резерфорд. Он знал одно: атомы некоторых веществ могут самопроизвольно изменяться. Но даже этот скромный вывод находился в резком противоречии с убеждением естествоиспытателей о неизменности атомов.

В то время казалось, что периодическая система элементов навечно закрепила положение каждого из них в своей клетке в соответствии с атомным весом. Ну как тут можно было усомниться в главных устоях периодического закона: в неделимости атома, в неизменности его массы и в непревращаемости химических элементов.

От сторонников подобных взглядов Э. Резерфорд вынужден был выслушивать намеки на то, что его радикальные идеи о нестабильности материальных атомов могут бросить тень на весь университет.

Но большинство коллег поддержали смелого ученого, и он получил возможность продолжать свои исследования радиоактивности.

Справедливо говорят, что правильно поставленный вопрос содержит в себе половину ответа. Сказанное целиком и полностью относится и к новому вопросу, на который теперь ищет ответа Э. Резерфорд.

Почему, пытается понять он, бета-распад, при котором вылетает электрон, необратимо меняет физические и химические свойства радиоактивного атома, а отрыв точно такого же электрона от стабильного атома, например при электрическом разряде в газе, ничего не меняет? Стабильный атом лишь на короткое время превращается в положительно заряженный ион.

Сам того не ведая, Э. Резерфорд уже четко отделил атомное явление — ионизацию (потерю электрона с внешней электронной оболочки) — от ядерного — испускания электрона при радиоактивном превращении атомного ядра. Теперь исследователю предстояло сделать только один шаг. Но куда? Э. Резерфорд должен был поставить такой эксперимент, который дал бы однозначный ответ на все мучившие его вопросы. Но как догадаться, какой именно эксперимент?

Никакой теории практически не существовало, ничто не освещало ему дорогу. Модель Дж. Дж. Томсона, в которой атомы воображались в виде положительно заряженной сферы, заполненной электронами, вела, как чувствовал Э. Резерфорд, в какой-то тупик. Его мысль металась в замкнутом пространстве, не находя для себя никакой опоры.

А результаты экспериментов не давали покоя. Он должен, он обязан был выяснить, откуда в момент радиоактивного распада появляются альфа-частицы, в восемь с лишним тысяч раз более тяжелые, чем электроны?

Увлеченный разрешением всех этих проблем, Э. Резерфорд, уже известный мировой научной общественности сорокалетний профессор, получает в свое полное распоряжение большую физическую лабораторию в Манчестерском университете. Здесь сразу же возникла атмосфера творческого подъема.

Казалось, сам воздух в лаборатории был насыщен ожиданием чего-то необычного.

Это и понятно. Интуиция не изменила Э. Резерфорду. Шеф лаборатории впервые поставил эксперименты, цель которых состояла не в изучении собственно радиоактивных веществ, а в наблюдении взаимодействия альфа-лучей с тонкими пленками разных веществ.

Дни владычества атомной модели Дж. Дж. Томсона были сочтены.

Неожиданный и интересный поворот в работе заинтересовал всех сотрудников лаборатории. «Молодые люди быстро почувствовали, что пошли навстречу славным дням», — вспоминал потом один из ближайших помощников Э. Резерфорда, Г. Гейгер.

И они наступили, эти славные дни, но не раньше того, как за них сполна было заплачено тяжким трудом. Более миллиона вспышек от альфа-частиц подсчитали коллеги Э. Резерфорда собственными глазами на фосфоресцирующем экране. И результат воздал за все сторицей.

Почти все альфа-частицы беспрепятственно пролетали через тонкие пленки, едва заметно отклоняясь в ту или иную сторону от центра экрана. Так и должно было быть, если атом в самом деле начинен только легкими электронами. Но удивительным было поведение незначительной части этих микроснарядов. Иногда вспышки от них появлялись и на краю экрана. Так сильно отклонить альфа-частицы могло только тело с большим зарядом и массой, значительно большей, чем у электрона. Что же встречали на пути те редкие альфа-частицы, которые отскакивали от пленки почти назад?

Сразу можно было сказать, что в атомах есть что-то и посущественнее электронов. Э. Резерфорд уже не сомневался в том, что положительный электрический заряд и масса атома сконцентрированы в его середине, в ядре.

Представление о размерах ядра можно было получить из тех же экспериментов с альфа-частицами. По вероятности столкновения их с тяжелыми сердцевинами атомов физики нашли ту область, которую занимало атомное ядро. Размеры ее оказались порядка 10^–13 сантиметра, тогда как размеры всего атома 10^–8 сантиметра.

Огромный зал университетской аудитории и крошечная булавочная головка в центре — в такой пропорции находились размеры атома и атомного ядра.

Итак, ядерная физика родилась.

Открытие ядра сразу заменило старую, атомную, вывеску радиоактивности на новую — ядерную. И на все вопросы, связанные с радиоактивным излучением, должна была ответить ядерная физика.

Эксперименты с рентгеновскими лучами, например, никогда не вызывали никаких волнений ни у физиков, ни у широкой публики по поводу того, откуда это излучение черпает энергию.