Поскольку химические свойства неона не зависели от его массы, то достаточно скоро физики уверились в том, что различия связаны лишь с ядром. Заряд ядра и число электронов одинаковы — значит, разные сорта атомов неона должны занимать одно и то же место в таблице Менделеева. Отсюда и название: изотопы, т. е. занимающие одинаковые места.
В 20-х годах масс-спектрограф приобрел современные черты и началось изучение изотопического состава всех элементов. Все без исключения элементы представляют собой смесь изотопов. Среди них есть такие, как водород или кислород, состоящие в основном из одного изотопа (водороде массовым числом 1—99,986 %, кислород с массовым числом 16–99,76 %). Но встречаются и элементы с иным соотношением изотопов. К таким относится, например, хлор (75 % изотопа с массовым числом 35 и 25 % с массовым числом 37). Имеются элементы, которые состоят из большого числа изотопов. Мы привели примеры стабильных изотопов. О радиоактивных (нестабильных, распадающихся) разновидностях одного и того же элемента речь впереди.
Достаточно быстро качество прибора возросло настолько, чтобы установить: массы изотопов выражаются целыми числами лишь с точностью до второй — четвертой цифр после запятой. О причинах этого отклонения мы расскажем ниже.
Поскольку на химическое поведение масса ядер не влияет, то ясно, что имеется много химических соединений, отличающихся изотопным составом. Говорят, что есть два сорта воды — обычная и тяжелая. В обычной воде присутствует изотоп водорода с массовым числом 1, а в тяжелой — так называемый дейтерий, изотоп водорода с массовым числом 2. Однако в природе, встречаются три изотопа кислорода с массовыми числами 16, 17 и 18; значит, вода является смесью молекул шести разных типов. Если молекулы вещества состоят из большого числа атомов, то число, изотопических разновидностей может измеряться десятками и сотнями.
Разделение изотопов является важной отраслью промышленности. Особенно большое значение оно имеет в ряде процессов, сопутствующих получению атомной энергии. Надо иметь возможность отделить тяжелую воду от легкой, разнести по разным приемникам атомы разных сортов ядерного горючего — урана, тория. Список подобных задач, которые индустрия ставит перед физиками, можно было бы продолжить.
Сложность состоит в том, что по своей электронной структуре, а значит и по химическим свойствам, атомы различаются крайне незначительно. Для легких атомов с очень большим трудом, применяя многоступенчатую химическую экстракцию, удается провести такое разделение. Для тяжелых атомов считалось возможным применение лишь физических методов, использующих малые различия в массе атомных ядер.
Наибольшим распространением до сегодняшнего дня пользуется метод газовой диффузии. Молекулы, содержащие изотопы разной массы, будут слегка отличаться по скорости прохождения через пористый барьер. Легкие молекулы пробираются через препятствия быстрее, чем тяжелые.
Разумеемся, можно прибегнуть и к разделению, основанному на принципе только что описанного масс-спектрографа. Но оба эти способа занимают много времени и применение их стоит больших денег.
Всего лишь несколько лет назад было показано, что разделение изотопов можно произвести принципиально новым методом, используя лазеры. Пригодность для этой цели лазера связана с тем, что с его помощью можно создать луч исключительно высокой монохроматичности. Различие в расстояниях между энергетическими уровнями, занимаемыми электронами двух изотопических разновидностей одного и того же элемента, разумеется, очень незначительно. Ведь оно обусловлено лишь массой ядра, поскольку заряды ядер двух изотопов одинаковы. А именно заряды и определяют в основном расположение электронных уровней. Луч лазера столь строго монохроматичен, что он способен привести в возбужденное состояние изотопы одного сорта и оставить в невозбужденном состоянии атомы другого сорта.
На рис. 5.2 изображены два процесса разделения изотопов с помощью лазера.
Газ атомов или молекул выходит из «отверстия печки. Луч лазера возбуждает атомы одной изотопной разновидности. Как правило, возбужденные атомы будут обладать электрическим или магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное или электрическое поле уведет их в сторону (верхняя схема).
Второй метод используется в том случае, если возбужденные атомы быстро высвечиваются. В этом случае, проходя через пространство, освещаемое лазерным лучом, один и тот же атом возбуждается повторно, т. е. несколько раз испытывает неупругое столкновение с фотонами. Каждое поглощение фотона ведет к тому, что атом получает импульс, направленный в сторону действия лазерного луча. Атомы, способные возбудиться, просто выталкиваются кверху, в то время как атомы той разновидности, которая не поглощает фотоны, распространяются без отклонения.
Первый удачный опыт этого рода был проделан с пучком атомов бария, облучавшихся лазерным светом с длиной волны 0,55535 мкм. Поглощение одного фотона сдвигало атом на 0,8 см в течение 1 с при продольной скорости 50 000 см/c.
В 3-й книге было коротко рассказано, каким образом Резерфорд установил, что атом состоит из крошечного ядра и движущихся около него электронов. Теперь мы должны раскрыть перед читателем одну из важнейших страниц физики — ту, на которой записаны факты о строении атомного ядра из протонов и нейтронов. Как ни странно, но история этого открытия начинается за пятнадцать лет до того, как своими опытами по рассеянию, альфа-частиц тонкой фольгой Резерфорд доказал справедливость ядерной модели атома.
Верной 1896 г. французский физик Анри Беккерель (1852–1908) выяснил, что уран испускает лучи, действие которых, подобно рентгеновским лучам. Так же как и открытые за несколько месяцев перед этим икс-лучи Рентгена, урановые лучи засвечивают фотографические пластинки, проходят через непрозрачные предметы. Поглощение их пропорционально плотности предмета, помещенного между ураном и фотопластинкой. Если тело непрозрачно для этих лучей, то на пластинке образуются четкие контуры предмета. Урановые лучи, опять же как лучи Рентгена, способны ионизовать воздух; по ионизации воздуха можно очень хорошо оценивать их интенсивность.
Есть родственное в открытиях Беккереля и Рентгена — элемент случайности. Но один лишь случай никогда не является источником важного научного открытия. Как после открытия Рентгена нашлись люди, которые за несколько лет до него «видели» икс-лучи, так же и после открытия Беккереля выяснилось, что по крайней мере человека три наблюдали почернение фотопластинки, находившейся вблизи от солей урана. Но мало «увидеть»! Надо обратить внимание и надо выяснить настоящую причину явления. Это сделали Рентген и Беккерель, а не их предшественники. Потому они и заслужили честь и славу.
Путь к открытию Беккереля проходил через следующие этапы. Рентгеновские лучи в первых трубках, как мы это рассказывали, падали на стекло. Стекло флуоресцировало под действием катодных лучей. Поэтому естественно возникала мысль, что проникающие лучи являются спутниками флуоресценции. Беккерель и начал с того, что стал производить опыты с веществами, которые флуоресцируют под действием солнечного света. Довольно быстро он обнаружил, что проникающие лучи исходят из различных минералов, содержащих уран. Уже это было открытием. Но Беккерель не спешил сообщить о нем ученому миру. Опыты следовало повторить несколько раз. А тут, как назло, солнце упорно не появлялось на небе несколько дней. Фотопластинки вместе с исследуемыми минералами лежали в ожидании солнышка в ящике лабораторного стола. 1 марта 1896 г., наконец, выдался солнечный день. Можно было приступить к опытам. Но прежде чем начать работу, Беккерель решил проверить качество пластинок. Отправился в темную комнату, проявил одну из пластинок и увидел на ней четкие силуэты образцов минерала. А ведь флуоресценций-то никакой не было. Значит, дело не в ней.