Вера Александровна Черногорова
Беседы об атомном ядре
От атома к ядру
— Слово «атом» довольно часто встречается в газетах, журналах и книгах, произносится в передачах радио и телевидения, и мы к нему уже привыкли. А вот об атомном ядре слышим гораздо реже. Наверное, эта деталь атома несущественна и интересна лишь для специалистов?
— Отнюдь! В тех случаях, когда говорят «атомная энергия» или «атомные электростанции», смело можно считать, что подразумеваются ядерная энергия и ядерные электростанции.
— Ну а когда поэт называет наш век атомным — это оговорка или результат того, что лирики не знают физики?
— Не совсем так. Непопулярность атомного ядра отражает некий объективный факт.
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.