ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ АТОМА
БИБЛИОТЕКА ШКОЛЬНИКА
ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ те ма

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ П Р О С В ЕШД Н И Е "
Учение об атомах и атомных ядрах стало важнейшей областью физики. Автор книги в исторической последовательности и в доступной форме рассказывает о том, как развивалось зто учение.
Читателя ожидает увлекательное путешествие в таинственный атомный мир, в котором он познакомится с удивительными приборами и машинами, позволившими человеку проникнуть в этот мир, и со сложными, странными законами этого мира.
Книга познакомит читателя с основными представлениями о строении атомов, со свойствами атомов, с составом атомного ядра, элементарными частицами и свойствами этих частиц. Ее с интересом прочтут учащиеся средней школы.
Впервые эта книга под названием «Путешествие внутрь атома» была выпущена Ставропольским книжным издательством в 1958 г. Настоящее издание переработано и дополнено, в нем учтены последние достижения атомной физики.
[KIAA\yDSA\ ФЕБ AXUOEMJ
«И ира атома не найти ни на одной, даже самой подробной карте. Тем не менее он реален.
Вместе с тобой, юный читатель, мы совершим путешествие в этот таинственный мир. Как и всем путешественникам, нам в пути понадобится карта. И такая карта существует. Создана она сравнительно недавно. И это не удивительно. Ведь о существовании самих атомов люди долго ничего не знали.
О том, как постепенно был открыт удивительный мир атома и создана его карта, рассказывается в первой главе этой книги.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Первые представления об атомах как мельчайших частицах вещества возникли еще задолго до нашей
эры. Древнегреческий философ Анаксагор (ок. 500—
428 до н. э.) учил, что все вещи построены из первич-
ных мельчайших частиц — «семян». Его идеи развили известные греческие философы — Левкипп <и Демокрит (ок. 460—370 до н. э.). Левкипп считал, что мельчайшие неделимые частицы вещества — атомы («атом» по-гречески — неделимый) — вечны. Все изменения, происходящие в природе, вызываются соединением и разъединением атомов.
Эти представления углубил Демокрит, один из основателей учения атомистов. Демокрит считал, что мир состоит из неизменных и неделимых атомов, движущихся в пустом пространстве.
з
По Демокриту, атомов существует бесконечное множество, и они могут принимать бесчисленное множество различных форм. Качественно все атомы одинаковы. Различие всех тел зависит от количества атомов, их величины, формы и порядка. Атомы — это простейшие частицы, не имеющие никакого внутрен
него строения.
Атомистическими идеями Демокрита руководствовались великие основатели современного естествознания: Г. Галилей, И. Ньютон, М. В. Ломоносов, хотя, конечно, представления Демокрита были еще доволь
но примитивными и наивными.
Воззрения Демокрита были развиты греческим философом-материалистом Эпикуром (341—270 до н. э.). Учение Эпикура было изложено поэтом-философом Лукрецием Каром (ок. 99—55 до н. э.) в его знаменитой поэме «О природе вещей». Все тела, по Эпикуру, состоят из мельчайших атомов, непрерывно движущихся, подобно пылинкам, в лучах солнца.
Воззрения древних атомистов были только догадками. И тем не менее, как указывал В. И. Ленин, заслуга древних атомистов велика, ибо их «гениальные
догадки» служили науке, а не поповщине.
В средние века в течение полутора тысяч лет наука в Западной Европе находилась во власти богословия и мракобесия. Этот период характеризуется развитием алхимии, которая возникла и распространилась в странах Востока в VIII—XI вв.,
когда высокого расцвета достигла культура у арабов. Алхимией называли в то время науку о превращении различных металлов в золото и получение «философского камня», который будто бы может излечить самые тяжелые болезни, возвратить старикам молодость. Пытаясь получить «философский камень», алхимики, несмотря на постоянные неудачи, в течение многих лет проделывали всевозможные опыты, которые изредка приводили к научным открытиям. Среди алхимиков было немало ловких жуликов, которые изготовляли
«золото» из медных сплавов. Следует тем не менее отметить, что алхимия была закономерным явлением в истории развития естествознания. Она накопила множество научных фактов, выработала ряд экспериментальных методов. Ф. Энгельс писал, что без алхимии не было бы и химии.
Однако эти ценные крупицы тонули в море мистики и религии. Поэтому понятно, что алхимия не могла удовлетворить практических потребностей человека эпохи Возрождения.
Чтобы вывести науку о природе из тупика, необходимо было возвратиться к атомистическим представлениям, что сделать тогда было нелегко, так как церковь жестоко преследовала атомное учение.
Эпоха Возрождения, последовавшая за мрачным средневековьем, приводит к зарождению научного естествознания, основанного на опытном изучении природы. Одним из первых, кто возродил представления древних атомистов, был крупнейший английский химик и физик Роберт Бойль (1627—1691). Он считал, что элемент — это простейшее, химически неразложимое вещество, которое может входить составной частью в сложное вещество. Простейшей же частицей химического элемента является неделимый и неизменяющийся атом.
Великий Ньютон, создатель механики, придал атомистическим представлениям Бойля механическую окраску. По мнению Ньютона, у атомов имеются зазубренные края (крючки), при помощи которых они могут сцепляться друг с другом, образуя различные сочетания. Атомы способны лишь к механическому движению и внешним соединениям между собой. Сочетание нескольких атомов не образует чего-нибудь качественно нового.
Ясно, что такое чисто механическое представление об атомах не могло разрешить вопрос об изучении немеханических форм движения материи.
В 1647 г. во Франции вышла книга ученого Гассенди об атомах, в которой он утверждал, как и Демокрит, что все вещества в природе состоят из неделимых частиц-атомов, отличающихся друг от друга формой, величиной и весом. Гасёенди развил учение древних атомистов. Он писал, что для образования
5
М. В. Ломоносов
(1711—1765)
Величайший русский ученый — физик, химик, металлург, историк и литератор.
Впервые сформулировал закон сохранения количества вещества, развил представления об атомно-молекулярном строении материи, о кинетической природе тепла.
миллионов разнообразных тел не нужно большого числа различных атомов. Атомы — своеобразные кирпичики, из которых можно построить сложные и разнообразные строения — молекулы.
Следующий существенный шаг вперед был сделан после того, как впервые удалось связать теоретические представления об атомах с опытными данными о составе и свойствах различных веществ. Виднейшая заслуга в этом принадлежит знаменитому русскому ученому Михаилу Васильевичу Ломоносову.
По Ломоносову, все вещества в природе делятся на простые и сложные. Вещества, которые можно разложить на составные, называются сложными. Те же вещества, которые никакими физическими и химическими способами не удается разложить на более простые (например, кислород, водород, углерод, медь, железо, цинк и др.), называются химическими элементами.
6
Ломоносов указал на то, что должно существовать определенное наименьшее количество каждого вещества, сохраняющее его свойства, — корпускула (позднее это количество вещества стали называть, по Гассенди, молекулой). Все вещества состоят из молекул, все молекулы данного вещества совершенно одинаковы, а молекулы различных веществ различны.
По Ломоносову, частицы вещества находятся в непрерывном движении. Чем интенсивнее это движение, тем выше температура тела. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля температуры. Исходя из этих представлений, он обосновал молекулярно-кинетическую теорию газов. Газ — это совокупность молекул, свободно движущихся с большой скоростью в пространстве и непрерывно сталкивающихся друг с другом. Совокупность ударов огромного числа молекул о стенки сосуда создает давление газа. Основные положения молекулярной теории Ломоносова сохранились и поныне.
Большой вклад в науку о строении вещества внес известный французский ученый Лавуазье (1743— 1794). На опытах он подтвердил справедливость открытого Ломоносовым закона сохранения масс. Лавуазье выяснил также сущность процесса горения и установил точный состав воды. Он развил представления Бойля о простейших веществах — химических элементах.
Для дальнейшего успешного развития химии требовалось выяснить, в чем различие в строении простых и сложных веществ. Эту важнейшую научную задачу решил знаменитый английский физик и химик Джон Дальтон (1766—1844) — создатель химической атомистики. По Дальтону, молекула сложного вещества представляет собой устойчивое соединение нескольких атомов — мельчайших частиц химических элементов. Сортов атомов существует столько, сколько различных в природе элементов. Из атомов можно образовать большое количество разных сочетаний, т. е. молекул.
Все тела состоят из молекул, причем все молекулы одного и того же вещества совершенно одинаковы, ибо состав их одинаков. При химических реакциях атомы разных элементов могут между собой соеди-
7
Д. И. Менделеев (1834—1907)
Величайший русский химик и физик. Открыл периодический закон химических элементов, создал теорию растворов, установил существование критичен ской температуры у жидкостей, вывел общее уравнение состояния газов. Д. И. Менделеев — автор капитального учебника «Основы химии».
ниться в определенных пропорциях в молекулы более сложного вещества. Для обозначения атомов различных элементов Дальтон ввел особые значки.
КАРТА АТОМНОГО МИРА
К концу XVIII в. химия знала немногим более двух десятков химических элементов. Но вскоре было открыто еще много новых неразложимых веществ, число которых к середине прошлого века достигло уже пятидесяти.
И после каждого открытия нового химического элемента перед учеными возникали два вопроса:
1) Все ли существующие в природе элементы известны, а если есть еще неизвестные, то сколько их?
2) Существует ли какая-нибудь связь между различными химическими элементами или они совершенно независимы, не имеют ничего общего?
8
К тому времени были изучены свойства многих химических элементов и их соединений. Чтобы разобраться в многотысячном множестве веществ, ученым нужна была какая-то система, подобно тому как капитану корабля необходима карта. Такая система была создана в 1869 г. гениальным русским химиком — Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Она была названа периодической системой элементов.
Вспомним сначала, как определяется атомный вес элементов. Уже в начале XIX в. химики предположили, что атомы различных элементов отличаются друг от друга своим весом. Казалось бы, сравнить веса атомов элементов довольно просто: нужно на одну чашку весов положить один или несколько атомов одного сорта и уравновесить их некоторым количеством атомов другого. Но из-за ничтожной величины атомов сделать так нельзя: ведь диаметр различных атомов приблизительно равен одной стомиллионной доле сантиметра. Молекула представляет собой соединение нескольких атомов, поэтому размеры молекул тоже очень малы. Как же все-таки можно сравнить веса различных атомов?
Это проще всего сделать, воспользовавшись законом Авогадро. В 1811 г. итальянский ученый Аво-гадро пришел к выводу, что при одинаковой температуре и давлении в равных объемах любых газов содержится одинаковое число молекул. Поэтому достаточно взвесить при одинаковых условиях по одному литру различных газов. Так как один литр кислорода в 16 раз тяжелее одного литра водорода, то молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода. Молекулы кислорода и водорода содержат по два атома, поэтому вес одного атома кислорода равен весу 16 атомов водорода.
Следуя Дальтону, впервые введшему это понятие, атомным весом элемента стали называть число, показывающее, во сколько раз атомы данного элемента тяжелее атомов водорода *. Очевидно, что атомный
1 Современные более точные измерения показывают, что отношение веса 1 л кислорода к весу 1 л водорода несколько отличается от 16. Поэтому в настоящее время атомные веса элементов относят ие к водороду, а к */i« веса кислорода.
9
вес водорода равен 1, кислорода —16.
Нужно иметь в виду, что наряду с атомным весом существует также совершенно отличное от него понятие — веса атома, измеряемое в граммах. Так, например, вес атома водорода 167 • 10~24 г.
Анализ атомных весов и свойств всех известных к тому времени элементов позволил Д. И. Менделееву создать единую систему химических элементов. Впервые работа Менделеева была зачитана на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге 6 марта 1869 г.
Менделеев предположил, что свойства химических элементов зависят от их атомных весов Если все химические элементы расположить в по/ дке возрастания их атомных весов, начиная с наиболее легкого элемента водорода и кончая самым тяжелым — ураном, то химические свойства элементов будут повторяться через некоторые правильные промежутки. Поэтому систему элементов Менделеева назвали периодической.
Рассмотрим подробнее периодическую систему элементов. Это — таблица, разбитая на отдельные клетки, в каждой из которых расположен определенный химический элемент — его символ, порядковый номер и атомный вес. Все элементы расположены в порядке возрастания их атомного веса слева направо. После заполнения первого горизонтального ряда заполняется второй, затем третий и т. д. Главная особенность таблицы в том, что все элементы, расположенные друг под другом в одном вертикалы »м столбце, подобны по своим химическим свойствам и по излучаемым ими спектрам *. Так, в первом столбце расположены химически наиболее активные одновалентные элементы — щелочные металлы: литий, натрий, ка-
О спектрах атомов подробнее рассказывается в главе IV.
10
лий и т. д. Спектры всех этих элементов похожи друг на друга. Это первая группа системы Менделеева. Во втором столбце — двухвалентные щелочноземельные металлы: бериллий, магний, кальций и др. — вторая группа элементов.
Третья группа — это трехвалентные элементы (бор, алюминий и т. п.) Далее идут четвертая, пятая, шестая группы элементов. В седьмую груйпу Менделеев расположил типичные неметаллические вещества: фтор, хлор, бром, иод и др. Эти элементы называют галогенами или галоидами.
Таким образом, если рассмотреть все элементы в порядке возрастания атомного веса, то валентность1 будет последовательно увеличиваться от 1 до определенного значения, равного обычно 8. Этим заканчивается один период. Затем валентность вновь уменьшается до 1 и начинается следующий период элементов. Так же периодически изменяются химические и спектральные свойства элементов. Периодический закон Менделеева показал, что все химические элементы едины по своей природе. Огромное значение периодической системы состояло не только в этом.
Система Менделеева позволила научно предсказать существование неизвестных элементов и заранее описать их химические и физические свойства. Можно сказать, что Менделеев создал карту атомного мира.
КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЕН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
Открытие Менделеевым периодического закона не было случайным. Около двадцати лет Менделеев работал над созданием системы элементов. Будучи еще студентом Петербургского педагогического института, Менделеев задумывался над тем, какая связь существует между различными химическими элементами. Но ответить на этот вопрос было не так просто. Слиш-
* Валентностью элемента в химии называют число, показывающее, со сколькими атомами водорода может соединиться атом данного элемента.
11
ком уж разнообразны свойства химических элементов: некоторые легко вступают в реакции, другие мало активны, одни — твердые, другие — жидкие, третьи — газообразные; есть и легкие, и тяжелые элементы, есть металлы и неметаллы. Чтобы разобраться в этом пестром множестве свойств химических элементов, нужно было иметь глубокие химические знания и уметь делать широкие научные обобщения. Обладая этими данными, Д. И. Менделеев и сумел сделать свое великое открытие.
Трудность установления связи ме
жду химическими свойствами элементов и их атомным
весом состояла в том, что при расположении всех известных в то время элементов по мере возрастания их атомных весов периодическая последовательность в изменении химических свойств во многих местах нарушалась. Например, если располагать элементы строго последовательно по их атомным весам, то на том месте, где должен был стоять элемент, подобный по химическим свойствам алюминию, находился бы титан. Но титан и алюминий обладают совершенно различными химическими и спектральными свойствами. К тому же, оставив титан на этом месте, мы бы нарушили общую периодическую закономерность свойств и у последующих элементов. Тщательно проанализировав этот факт, Менделеев заключил, что на месте титана должен стоять какой-то другой элемент. Химия в то время еще не знала элемента, близкого по атомному весу к титану, со свойствами, подобными алюминию. Но Менделеев, убежденный в правильности периодической системы, смело предположил, что такой элемент должен в периоде быть, но пока еще учеными не обнаружен. Для этого неизвестного элемента Менделеев оставил в периодической системе пустое место с вопросительным знаком и присвоил ему условное название «экаалюминий» («эка» означает «подобный»). Более того, Менделеев описал физические и химические свойства этого элемента. А через четыре года французский химик Буабодран открыл новый эле
12
мент, назвав его в честь своей родины (в старину — Галлия) галлием. Исследования показали, что по своим химическим свойствам галлий подобен алюминию. Галлий и был предсказанный Менделеевым экаалюминий.
Произошло это так: Буабодран, исследовавший свойства открытого им элемента, неверно определил удельный вес галлия. Менделеев тотчас же написал об этом ему в Париж. Он указал, что, согласно периодической системе, удельный вес этого элемента должен быть равен 5,9, а не 4,7, как утверждал Буабодран. Французский ученый еще раз более тщательно проверил изменения и убедился, что Менделеев был прав.
В 1880 г. шведский ученый Нильсон открыл предсказанный Менделеевым в 1871 г. элемент экабор, получивший название «скандий». Вот что писал тогда Нильсон: «Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор... Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позво
лившие не только предвидеть существование названного элемента, но и предсказать его важнейшие свой
ства».
В 1886 г. был найден химический элемент германий. Свойства и этого элемента совпадали с описанными Менделеевым за полтора десятка лет до этого элементом экакремнием.
Не случайно Ф. Энгельс считал, что Менделеев,
создав периодическую систему, совершил большой научный подвиг. Кроме упомянутых трех элементов, Менделеев предсказал существование и других элементов, позднее найденных учеными.
В конце XIX в. периодическая система Менделеева вновь подверглась серьезному испытанию, из которого она вышла еще более окрепшей. Дело в том, что одновременно с открытием периодического закона спектроскописты Жансен и Локьер, незави
13
симо друг от друга, обнаружили в спектре Солнца яркую желтую линию, которую не излучал ни один элемент в природе. Предположили, что эту линию излучает какой-то неизвестный элемент, имеющийся только на Солнце. Этот элемент назвали гелием («Гелиос» по-гречески — Солнце).
А в 1883 г. известные английские ученые — физик Рэлей и химик Рамзай — установили, что в воздухе содержится какой-то газ, который ни при каких условиях не вступает в химические реакции. Это был новый химический элемент аргон (по-гречески — «ленивый»). Вскоре после этого выяснилось, что гелий существует не только на Солнце, но и на Земле. Гелий, как и аргон, оказался инертным, или, как его когда-то называли, «благородным» газом. Но для этих газов в таблице Менделеева и места не находилось. Оказалось, однако, что инертные газы, число которых пополнилось позднее открытыми неоном («новый»), криптоном («тайный»), ксеноном («странный») и радоном («излучающий»), образуют особую нулевую группу элементов.
Возникает вопрос: в чем же причина периодичности свойств химических элементов, установленная Менделеевым?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно проникнуть в глубь атома, выяснить его строение, структуру. Только современная атомная физика решила эту задачу и показала, почему периодическая система Менделеева поистине стала картой атомного мира.
Л Я ф EXO
II осле создания Д. И. Менделеевым периодической системы элементов перед наукой возник новый фундаментальный вопрос: является ли атом элементарной частицей или он в свою очередь состоит из более простых частиц?
- Ответить на этот вопрос можно было только после более глубокого исследования свойств материи
АТОМЫ ВЕЩЕСТВА И АТОМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Люди очень давно заметили, что если два различных тела потереть друг о друга, то эти тела электризуются — одно заряжается положительно, другое — отрицательно. Этот простейший опыт показывает, что внутри вещества есть электрические заряды.
В каком же виде электричество содержится внутри атомов вещества, было неясно.
Над этим вопросом работал известный английский физик М. Фарадей (1791—1867). Пропуская электрический ток через различные электролиты (растворы кислот, солей или щелочей), Фарадей заметил, что на электродах всегда выделяются вещества, представляющие собой составные части электролита.
Это явление, называемое электролизом, ныне широко используется в технике. Исследуя явление электролиза, Фарадей установил следующий закон: количество выделяющихся веществ прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит. Как же представить себе явление электролиза с точки зрения атомной теории строения вещества? По-видимому, мы должны предположить, что
15
в электролите происходит распад молекул на части, каждая из которых состоит из одного или нескольких атомов. При наличии разности потенциалов не только выделяется часть молекул электролита, но и одновременно по цепи идет ток, т. е. переносятся заряды. Поэтому мы приходим к выводу, что эти «осколки» молекул несут на себе электрический заряд. (Часть молекулы, несущая электрический заряд, называется ионом.)
Фарадей заметил, что вне зависимости от силы тока, от формы электродов, от длительности прохождения тока объем выделившегося при электролизе воды водорода точно в два раза больше объема выделившегося кислорода. Если же пропустить ток через раствор соляной кислоты, то на электродах всегда выделяются одинаковые объемы водорода и хлора. Пропуская ток последовательно через оба электролита, можно убедиться, что объем водорода, выделившегося из первого электролита, всегда равен объему водорода второго электролита и равен объему выделившегося хлора. Объем же выделившегося кислорода точно в два раза меньше. Вспомним теперь, что водород и хлор одновалентны, а кислород двухвалентен и что в равных объемах газов содержится равное число молекул (закон Авогадро). При электролизе одновременно происходит и перенос электричества, и перенос вещества, причем при прохождении некоторого количества электричества выделяется соответствующее количество молекул (или атомов) вещества. Поэтому естественно предположить, что каждая молекула (или атом) переносит строго определенную порцию положительного и отрицательного электричества.
Такой вывод сделал немецкий ученый Гельмгольц в 1881 г. в речи, посвященной памяти Фарадея: «Если мы принимаем существование атомов элементов, то мы не можем избежать и дальнейшего след
16
ствия, — что и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделено на определенные элементарные количества, которые ведут себя как атомы электричества ».
Несколько ранее, в 1874 г., ирландский физик Сто-ней выступил с докладом, в котором утверждал, что в природе существуют три основные мировые постоянные: скорость света, постоянная тяготения и заряд «электрического атома». Предполагая существование атома электричества, он говорил: «Природа одарила нас в явлениях электролиза строго определенным количеством электричества». Стоней позднее даже предсказал величину этого заряда, разделив количество электричества, необходимого для получения 1 см3 водорода путем электролиза, на число атомов в нем. Этот электрический атом Стоней предложил назвать электроном.
Итак, из опытов Фарадея вытекало, что молекулы и атомы вещества состоят из заряженных частей — ионов. Величина заряда иона не может быть произвольной, а должна быть кратной наименьшему возможному количеству, «зерну» — атому электричества.
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
Вначале XIX в. петербургский физик академик
В. В. Петров заметил, что разреженные газы способны проводить электрический ток и что при этом они светятся. Эти опыты повторялись многими учеными, в том числе и Фарадеем, который тщательно исследовал особенности электриче-
ского тока в газах. Оказалось, что при уменьшении давления в трубке характер свечения меняется и, что самое удивительное, сила тока возрастает.
К шестидесятым годам прошлого столетия техника разрежения воздуха достигла боль
2
17
ших успехов, позволяя получать давления в несколько тысяч раз меньше атмосферного. Создав такое сильное по тому времени разрежение в разрядной трубке, Гитторф (Германия) в 1869 г. заметил, что свечение газа совсем исчезает в трубке, но на стеклянной стенке как раз против отрицательного электрода (катода) появляется яркое изумрудно-зеленое светящееся пятно. Если на пути между катодом и зеленым пятном поместить какой-нибудь предмет, то он будет отбрасывать резкую тень. Это навело ученых на мысль, что трубку пронизывают какие-то особые невидимые лучи, которые распространяются прямолинейно от катода и вызывают свечение стекла. Немецкий физик Гольдштейн назвал эти лучи катодными лучами.
Впоследствии ученые смогли еще больше увеличить разрежение газа в трубках — до миллионных долей атмосферы. При таком разрежении катодные лучи слабели, а зеленое пятно исчезало, приборы показывали отсутствие тока в цепи трубки. Но интересно, что даже при таком разрежении воздуха в трубке зеленое пятно вспыхивает с прежней силой, если катод накалить. Раскаленный катод испускает лучи, несмотря на почти полное отсутствие воздуха.
Что же такое катодные лучи? Природа катодных лучей долгое время оставалась загадочной. Известный немецкий физик Генрих Герц считал катодные лучи возмущениями эфира. Правильный ответ на этот вопрос дали опыты английского физика Крукса в 1879 г. Крукс показал, что катодные лучи несут значительную энергию — стекло в том месте, где сияет зеленое пятно, нагревается. Под действием магнита пучок катодных лучей отклоняется и зеленое пятно на стекле соответственно смещается. Как известно, световые лучи в магнитном поле не отклоняются. Значит, катодные лучи — это не световые лучи, а поток заряженных частиц.
По направлению отклонения катодных лучей в магнитном или электрическом поле можно было определить, что это поток отрицательных зарядов.
Позднее французский физик Перрен поставил более точные опыты по определению заряда катодных частиц. Он улавливал их полым металлическим цилиндром, к которому был присоединен электрометр.
18
Оказалось, что электрометр действительно зарядился отрицательно.
Опыты Перрена как будто не оставляли сомнения в том, что катодные лучи представляют собой поток отрицательных зарядов.
Однако немецкие физики Герц, Ленард и другие продолжали настаивать на том, что катодные лучи — это особые короткие электромагнитные волны. Основанием для этого послужили их попытки отклонить катодные лучи электрическим полем конденсатора, помещенного в разрядную трубку, которые не увенчались успехом.
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА
Выяснить причины расхождения между поведением катодных лучей в магнитном и электрическом полях попытался в 1897 г. известный английский физик Дж. Дж. Томсон. Проводя опыты с катодными лучами, проходящими между пластинами конденсатора, Томсон обратил внимание на следующее обстоятельство. Хотя электрическое поле конденсатора, расположенного внутри разрядной трубки, действительно не отклоняло пучок катодных лучей, однако в самый момент включения электрического поля некоторое отклонение наблюдалось. Заинтересовавшись этим, Томсон вскоре выяснил, в чем дело. В разрядной трубке давление воздуха было малым, но в ней еще остава
19
лось достаточное количество газа. Молекулы газа под воздействием катодных лучей распадались на положительные и отрицательные ионы. При включении электрического поля положительные ионы притягивались к отрицательной пластине конденсатора, а отрицательные — к положительной пластине. Эти ионы нейтрализовывали заряды на пластинах, так что фактически, за исключением самого первого мгновения, электрического поля между пластинами конденсаторе нет. Таким образом, Томсону стало ясно, что заряженный конденсатор не отклоняет катодные лучи из-за того, что в трубке много газа. Поэтому он постарался повысить степень разрежения воздуха в трубке, что ему не без труда удалось сделать. И действительно, с увеличением вакуума отклонение катодных лучей стало вполне заметным, причем это отклонение соответствовало отрицательному знаку катодных частиц.
Таким образом, только в 1897 г. было окончательно выяснено, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. (Томсон сначала назвал их «корпускулами»).
Усовершенствуя свои опыты по отклонению катодных лучей в электрическом и магнитном полях, Томсон смог определить заряд и массу1 катодной частицы. Когда ему это удалось сделать, он аналогичным методом определил значения заряда и массы у заряженных частиц, вылетающих из накаленного или •облученного светом металла. Явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектричества, о которых мы расскажем ниже, были уже известны к этому времени. Оказалось, что и в этих явлениях отрицательно заряженные частицы имеют такую же массу и заряд, как и в катодных лучах.
Тщательно проанализировав результаты своих опытов, Томсон 29 апреля 1897 г. сделал в Лондонском Королевском обществе доклад, основные выводы которого сводились к следующему:
1)	Атомы не неделимы, ибо из них могут быть вырваны отрицательные частицы действием тепла, света,
1 Строго говоря, во всех рассматриваемых здесь опытах определялось отношение величины заряда к массе частицы.
20
электрического поля или механического удара быстро движущейся частицы.
2)	Отрицательные частицы независимо от того, каким путем они были выбиты и из какого рода атомов, все одинаковы по массе и по величине заряда.
3)	Масса такой частицы приблизительно равна 1
2QQQ массы атома водорода.
4)	Отрицательные частицы являются, таким образом, зернами, «атомами» отрицательного электричества. Эти частицы стали называть, по Стонею, электронами.
АНОДНЫЕ ЛУЧИ
Итак, катодные лучи — это поток электронов. Откуда берутся эти электроны? Естественно допустить, что они являются частицами атомов газа, который в небольших количествах всегда имеется в трубке. Но атомы всех тел нейтральны. Значит, если из атома вылетит один (или несколько отрицательно заряженных электронов, то остальная часть атома должна иметь положительный заряд. И если в разрядной трубке электроны движутся от катода (—) к аноду (+), то положительно заряженные атомные остатки должны двигаться в противоположную сторону — от анода к катоду.
Наличие таких положительных частиц было подтверждено в 1886 г. немецким физиком Гольдштейном с помощью следующего опыта. Он взял обычную разрядную трубку, расположив отрицательный электрод (катод) посередине трубки. В катоде он просверлил несколько узких каналов (отверстий). Положительные атомные остатки, или ионы, возникшие в газе трубки между анодом и катодом, двигаясь к катоду, приобретали большую скорость. Конечно, большая часть ионов при этом задерживалась поверхностью катода, но те ионы, которые попадали в каналы, проникали в «закатодную» часть разрядной трубки. Они и образовывали анодные лучи, которые называются еще каналовыми.
Анодные лучи, попадая на стекло, как и катодные лучи, вызывают свечение стекла. Под действием сильного магнитного или электрического поля анодные
21
лучи тоже отклоняются, хотя и значительно слабее, чем катодные. По направлению их отклонения можно судить, что частицы, из которых они состоят, имеют положительный заряд. Масса этих положительных частиц в несколько тысяч раз больше массы катодных частиц.
Исследования катодных и анодных лучей показали, что атомы имеют сложное строение и состоят из отрицательно заряженных электронов и положительных остатков.
НАКАЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ ВЫБРАСЫВАЕТ ЭЛЕКТРОНЫ
В 1873 г. было замечено, что электрически заряженные металлы при сильном нагревании теряют свой заряд. Поскольку это явление наблюдалось в воздухе, то уменьшение заряда у накаленного металла объяснили образованием газовых ионов вблизи металла под действием высокой температуры.
Спустя 10 лет знаменитый американский изобретатель Т. Эдисон, изучая свойства усовершенствованных им угольных ламп накаливания, обнаружил аналогичное явление в вакууме. Он впаял в лампу, кроме угольной нити накаливания, еще металлическую пластинку, от которой наружу через стекло был выведен проводник. Затем этот провод через гальванометр соединил с нитью. Оказалось, что если соединить провод от пластинки с положительным концом нити, то стрелка гальванометра отклоняется, хотя между нитью и пластинкой цепь разорвана. При соединении же пластинки с отрицательным концом нити тока в цепи нет. Это явление назвали эффектом Эди
22
сона. Дальнейшие исследования Флеминга, Эльстера и Гейтеля показали, что причина тока в эффекте Эдисона — испускание накаленной нитью отрицательных электрических зарядов.
Когда после упоминавшихся классических опытов Томсона в 1897 г. оказалось, что масса и заряд вылетающих из накаленного металла отрицательных частиц в точности совпадают со значениями этих величин у катодных частиц, то картина полностью прояснилась. С поверхности всякого накаленного до высокой температуры металла и вылетают в большом количестве электроны. Они-то и переносили заряд с нити на пластинку в опытах Эдисона.
Явление испускания раскаленными телами электронов получило название термоэлектронной эмиссии. Оказалось, что количество вылетающих из накаленного металла электронов резко возрастает при повышении температуры, а также при нанесении на поверхность металла тонкой пленки некоторых металлов. На явлении термоэлектронной эмиссии основано действие радиоламп, кинескопов телевизоров, рентгеновских трубок и многих других радиоэлектронных приборов. Для нас важно, что это явление подтверждает сложное строение атомов вещества.
СВЕТ ВЫБИВАЕТ ИЗ МЕТАЛЛА ЭЛЕКТРОНЫ
Доказательством того, что в состав атомов металлов входят электроны, было явление, открытое немецким ученым Г. Герцем в 1887 г. Он изучал, как влияют внешние условия на электрический разряд, возникающий между электродами, к которым приложено высокое напряжение. Чтобы сделать более заметной возникающую в промежутке слабую искру, Герц поместил свою установку в темную камеру. Но оказалось, что искра возникала только при меньших расстояниях между электродами. Проверяя, в чем дело, Герц обнаружил, что, как только на искровой промежуток падает свет, искра возникает при больших расстояниях между электродами. Если же на пути такого пучка света поместить прозрачное стекло, искра уменьшается. Заменив стекло кварцевой пла-
23
X. Г. Столетов (1839—1896)
Выдающийся русский физик, профессор Московского университета. Впервые исследовал ферромагнитные свойства железа. Установил основные законы фотоэлектрического эффекта. Показал, что световую энергию можно непосредственно превращать в электрическую. Изучал электрические разряды в газах.
стинкой, Герц заметил, что искра вновь увеличивается. Поскольку кварц в отличие от стекла пропускает ультрафиолетовые лучи, то стало ясно, что они облегчают образование искры. Сделав это открытие, Герц исследовал его подробнее. Свою статью с изложением полученных результатов он закончил словами: «В настоящее время я ограничиваюсь сообщением этих фактов и не делаю попыток дать теорию этих явлений».
Изучением этого явления занялись в Германии Гальвакс и в России профессор А. Г. Столетов. Галь-вакс облучал светом отрицательно заряженный цинковый шарик, который был соединен с электроскопом. Если до освещения шарика лучами листочки электроскопа были разведены, то, направив яркий пучок света от электрической дуги на шарик, он замечал быстрое опускание листочков. Если до облучения цинковый шарик был незаряжен, то после облучения шарик заряжался положительно. Выяснилось, что
24
металлы при облучении их светом теряют отрицательные заряды. Это явление назвали фотоэлектрическим эффектом.
Значительно более серьезные количественные результаты получил А. Г. Столетов, который приступил к исследованию этого явления в начале 1888 г., сразу же после опубликования Герцем его сообщения. Прежде всего Столетов создал оригинальную установку для проведения опытов. Он установил два небольших металлических диска — один сплошной, другой в виде сетки — параллельно друг другу. Оба диска соединил с электрической батареей и гальванометром и облучил их светом, свободно проходившим через сетку и попадавшим на сплошной диск. Столетов провел огромное множество опытов, меняя полярность и материал дисков, длину волны падающего света, давление воздуха между дисками, электродвижущую силу батарей и т. п. В результате этих экспериментов, а также исследований других ученых были сформулированы законы фотоэффекта.
Сущность этих законов состоит в том, что при облучении светом металла из него вылетают отрицательно заряженные частицы, количество которых прямо пропорционально величине светового потока. Фотоэффект наблюдается тем лучше, чем короче длина волны падающего света.
Фотоэффект получил широкое применение в современной технике: ни телевидение, ни звуковое кино, ни фототелеграф не существовали бы без фотоэлементов, впервые созданных А. Г. Столетовым.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
Как только Томсон в 1897 г. сообщил об открытии электрона, ученые (в том числе и сам Томсон) попытались измерить заряд одного электрона. Но из-за ничтожных размеров электрона возникали огромные технические трудности и эти измерения не отличались большой точностью.
Только американскому физику Милликену в 1911 г. и советскому академику А. Ф. Иоффе в 1912 г. удалось, преодолев все трудности, получить те значе-
25
яия величины заряда электрона е, которые и сейчас считаются общепризнанными.
Суть опытов Милликена такова. В камеру, из которой был тщательно выкачан воздух, помещался горизонтальный плоский конденсатор с отверстием в верхней пластинке. С помощью особого приспособления в камеру впускали капельки масла, которые в момент отрыва от пульверизатора вследствие трения, оказывались заряженными. Эти капельки, падая, попадали через отверстие в электрическое поле конденсатора. Меняя напряжение пластин, можно было уравновесить электрической силой вес капельки. Капелька повисала неподвижно, что можно было видеть в микроскопе. Определяя размеры капелек и зная удельный вес масла, нетрудно было вычислить их вес, а следовательно, и уравновешивающую его электрическую силу. А отсюда уже совсем просто определить величину заряда этих капелек. Такие измерения производились сотни раз и оказывалось, что у капелек всегда заряды кратны некоторой наименьшей величине, а именно величине, близкой к той, которая была получена из опытов по электролизу для «атома электричества». Таким образом, Милликен показал, что электричество имеет зернистое, атомарное строение и что заряд атома электричества, т. е. заряд электрона, равен 1,6 • 10-19 к.
Такой же результат получил А. Ф. Иоффе в опытах, где он наблюдал за отрицательно заряженными металлическими пылинками, взвешенными между пластинками конденсатора и облучавшимися ультрафиолетовым светом. При освещении металлических пылинок происходил фотоэффект, и из них выбивались электроны. При этом заряд пылинок всегда уменьшался на величину, кратную заряду электрона.
ПЕРВАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
К концу XIX в. стало совершенно ясно, что вопреки своему названию («неделимый») атом имеет сложное строение. Как же он устроен? Даже сейчас видеть атом в современные электронные микроскопы невозможно, а 60 лет назад об этом не могло быть и речи.
26
Но науке было известно, что при определенных усло-виях, например при высокой температуре, атомы излучают свет. Нельзя ли по этому свету что-либо сказать об устройстве атома? Впервые за решение зтой задачи взялся в 1903 г. известный уже нам Дж. Дж. Томсон.
Рассмотренные в этой главе опыты, несомненно,
указывали на электрическую природу строения атомов — оми состоят из отрицательных электронов и положительных остатков. Поскольку в обычных условиях атомы нейтральны, то положительный заряд
остатка, очевидно, равен суммарному отрицательному заряду всех электронов атома. С другой стороны, при определенных условиях атом может излучать свет. А свет, как было к тому же времени доказано, представляет собой электромагнитные волны, которые наш великий соотечес венник А. С. Попов в 1895 г. впервые в мире использовал для установления беспроволочной телеграфной связи. Радиоволны отличаются от световых волн только длиной волны. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется колебание в среде за период колебания. Так, в радиотехнике применяются электромагнитные волны длиной от тысячи метров до нескольких сантиметров. Наш глаз может воспринимать только электромагнитные волны длиной в несколько стотысячных долей сантиметра — это и есть световые волны. Природа световых
и радиоволн одна и та же.
Вернемся к рассуждениям Томсена о строении атома. Так как атом может излучать электромагнитные волны, то его строение должно напоминать собой вибратор. Томсон предложил следующую модель атома, состоящую из отрицательных электронов и положительного остатка. Атом — это положительно заряженный жидкий шар, внутри которого плавают электроны. Заряд положительного шара равен отрицательному заряду электронов, так что в целом атом нейтрален. Когда атом находится в
27
Дж. Дж. Томсон (1856—1940)
Выдающийся английский физик. Доказал существование электрона. Автор первой в истории физики модели атома. Сыграл важнейшую роль в создании электронной теории металлов. Открыл существование у некоторых химических элементов стабильных разновидностей — изотопов.
нормальном состоянии, электроны находятся в положениях равновесия. Если же на атом воздействуют какие-нибудь внешние силы и он возбуждается, то электроны начинают колебаться около положения равновесия.
Рассмотрим с точки зрения этой модели атом водорода, у которого всего один электрон. В обычном состоянии электрон находится в центре шара, так что силы, действующие на электрон, уравновешены. Но при повышении температуры тела, когда учащаются столкновения атомов, электрон может отклониться от положения равновесия и сместиться в сторону. Тогда на него будут действовать силы со стороны положительного шара, которые притянут его к центру. Электрон под действием этих сил будет двигаться все быстрее и быстрее к центру и по инерции, подобно маятнику, проскочит положение равновесия и начнет удаляться от центра. С этого момента силы электрического поля положительного шара будут тянуть элек
28
трон в другую сторону. Под действием этих сил электрон затормозится, остановится и вновь начнет ускоренно двигаться к центру и т. д. Таким образом, электрон будет непрерывно колебаться относительно центра атома.
Чтобы атом мог излучать световые электромагнитные волны, частота которых порядка миллиона миллиардов колебаний в секунду, электроны в атомах должны тоже колебаться с такой частотой. Томсон подсчитал, что для этого диаметр положительного шара, то есть размер атома, должен примерно быть равным одной стомиллионной доли сантиметра. Такие же размеры атомов получались и из других вычислений и опытов, поэтому полученный Томсоном результат был в то время убедительным аргументом в пользу правильности его модели.
Модель атома по Томсону, оказавшись неверной, просуществовала в науке недолго — около пятнадцати лет, но с ее помощью удалось объяснить многие сложные физические явления.
[PAA /ЦООФААО&ШЮ IB DO ФСПЕЬ
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
44 конце 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген сделал открытие, сыгравшее огромную роль в развитии атомной физики.
Рентген в это время был уже известным физиком, выполнившим большое количество сложнейших исследований электрических и оптических свойств кристаллов, магнитного поля движущихся заряженных диэлектриков и многих других. Характерной чертой всех этих работ было сочетание высокого мастерства экспериментатора с чрезвычайной точностью измерений. Не случайно Рентген считался в то время лучшим экспериментатором в мире, и многие полученные им результаты по определению различных физических величин и сейчас считаются образцовыми.
И все же открытие Рентгеном каких-то загадочных, невидимых лучей, способных проникать через любые тела, названных им х-лучами (икс-лучами), вызвало во всем мире сенсацию и было встречено многими учеными с недоверием. Уж слишком необычным оказалось научное сообщение профессора Рентгена «О новом виде лучей». Да и само открытие, как выяснилось, было сделано ученым до некоторой степени случайно. В то время Рентген изучал всевозможные свойства катодных лучей. Для этого он испытывал разнообразные по форме и размерам разрядные трубки и определял, как влияют на электрический ток в газах форма и размер трубок, а также давление газа в них.
Как-то поздно вечером профессор, закончив, наконец, цикл исследований в лаборатории, собрался до-
зо
мой. Он закрыл разрядную трубку непрозрачным чехлом, потушил свет в лаборатории и стал закрывать дверь на ключ. В этот момент он вспомнил, что не выключил ток высокого напряжения, идущий через разрядную трубку. Он вернулся в комнату и, не включая свет, подошел к столу с установкой, чтобы выключить рубильник. И вдруг ученый заметил на столе какой-то ярко светящийся предмет. Оказалось, что это светится небольшой экран, покрытый флуоресцирующим составом (платино-синеродистая соль бария). Флуоресцирующие вещества обладают тем замечательным свойством, что, если на них падает свет, они в свою очередь начинают светиться, испуская своеобразные, характерные для данного вещества световые лучи. Но в лаборатории было темно, и на флуоресцирующий экран, стоявший на столе, свету неоткуда было попадать, а экран все-таки излучал свет. Рентген осторожно разомкнул рубильник в цепи разрядной трубки — экран перестал светиться. Он вновь включил ток в трубке, и экран опять засветился. Рентген несколько раз выключал и включал рубильник, и тотчас же экран то потухал, то вспыхивал. Ученый оцепенел от удивления. Как может прохождение тока через трубку, к тому же накрытую непрозрачным черным картонным чехлом, вызвать свечение флуоресцирующего вещества, расположенного на значительном расстоянии от трубки? Не сомкнув глаз до рассвета, Рентген всю ночь экспериментировал в лаборатории. Сначала он постарался выяснить, не светится ли экран только в данном месте стола. Он перемещал экран то дальше, то ближе к трубке. Оказалось, что с удалением от трубки свечение экрана ослабевает, но еще заметно на расстоянии более двух метров. Уже эта зависимость интенсивности свечения от расстояния указывала на то, что причина флуоресценции исходит именно от разрядной трубки.
Рентген предположил, что внутри разрядной трубки при достаточном напряжении между электродами образуются какие-то особые лучи, способные пройти через непрозрачный картонный чехол. На пути предполагаемых лучей он поставил толстую книгу — экран продолжал светиться несколько слабее. Тогда ученый начал помещать между трубкой и светящимся экра-
31
ном различные материалы, оказавшиеся у него в лаборатории : куски досок, металлические пластинки и т. п. Оказалось, что эти тела в различной степени проницаемы для этих таинственных лучей.
Рентген начал более подробно изучать возникновение и действие х-лучей. Прежде всего он выяснил, что источником лучей служит анод (положительный электрод разрядной трубки). Помимо способности проникать через различные тела, которая тем выше, чем больше напряжение, приложенное к трубке, эти лучи обладали и другими интересными свойствами.
Под действием х-лучей воздух, который в обычных условиях изолятор, хорошо проводит электрический ток. (Позднее выяснилось, что рентгеновские лучи ионизируют молекулы воздуха, разбивая их на положительные и отрицательные ионы.) Рентген обнаружил также, что х-лучи, подобно обычным видимым лучам, но более сильно, воздействуют на фотопластинку.
Как только в печати появилось сообщение Рентгена, сотни ученых во всем мире начали ставить опыты по изучению х-лучей. Все они полностью подтвердили результаты Рентгена. Мало кому после Рентгена удалось обнаружить какие бы то ни было новые существенные свойства х-лучей. В опубликованных Рентгеном в течение 1895—1897 гг. трех статьях были изложены все основные свойства этих лучей.
Более того, Рентген впервые понял, что х-лучи можно использовать для просвечивания различных тел, и прежде всего живых организмов. Он писал в одной из упомянутых статей, что если на пути этих лучей расположить руку, то на экране можно увидеть темные тени костей на фоне слабой тени самой руки. При этом был приложен первый в мире рентгеновский снимок, полученный им, — это была рентгенограмма руки его жены.
Рентген указывал и на удобство таких снимков, которые можно делать и в светлой комнате, пользуясь фотопластинкой, завернутой в черную бумагу или помещенную в кассету.
Приведенных примеров достаточно, чтобы понять, сколь справедливо всемирное признание заслуг Рент-
32
В. К. Рентген
(1845—1923)
Выдающийся немецкий физик, искуснейший экспериментатор, проведший точнейшие измерения различных физических постоянных. Первый лауреат Нобелевской премии по физике (1901) за открытие х-лучей, названных в его честь рентгеновскими.
гена, в честь которого открытые им х-лучи стали называть рентгеновскими.
Что же представляют собой рентгеновские лучи? Природа рентгеновских лучей такая же, как и обычных видимых лучей. Это электромагнитные волны, но значительно более короткие. Рентгеновские лучи возникают при резком торможении быстро летящих электронов, которые вылетают из накаленной нити отрицательного электрода (катода) и летят, все ускоряясь под действием электрического поля к аноду. Ударяясь о вещество анода, электроны затрачивают часть своей энергии на его нагревание, а остальная часть идет на излучение весьма коротких рентгеновских волн.
В настоящее время рентгеновские лучи широко применяют не только в медицине, но и в промышленности, сельском хозяйстве, науке. Рентгеновская трубка прочно вошла в нашу жизнь.
3—2447
33
ЛУЧИ БЕККЕРЕЛЯ
Открытие Рентгена имело огромное значение для последующего развития физики. Оно послужило, в частности, толчком для исследований французского физика Анри Беккереля, который тоже исследовал рентгеновские лучи. В статье Рентгена сообщалось, что в том месте, где рентгеновские лучи выходят из трубки, стекло трубки светится желтовато-зеленым светом, подобным свету многих флуоресцирующих веществ. Антуан Анри Беккерель, профессор Парижской политехнической школы и член Парижской Академии наук, уже давно изучал свойства различных флуоресцирующих составов. Интересно отметить, что изучение флуоресценции было своеобразной традицией в семье Беккерелей: и дед Анри — академик Антуан Сезар Беккерель, и отец — профессор Александр Эдмон Беккерель сделали важные открытия в этой области физики. В начале XX в. исследования флуоресценции продолжал сын Анри — профессор Жан Беккерель. Поскольку и рентгеновские лучи и лучи флуоресценции образуются в одном и том же месте, то у Беккереля возникла мысль: не является ли флуоресценция основной причиной возникновения рентгеновских лучей?
В опытах Рентгена, думал Беккерель, катодные лучи, ударяясь о стенку разрядной трубки, вызывают флуоресценцию, которая, может быть, и порождает рентгеновские лучи? Может быть, рентгеновские лучи существуют всегда, когда есть флуоресценция? Беккерель решил проверить это предположение.
В качестве флуоресцирующего вещества он взял кусочек минеральной соли урана и положил его на фотопластинку, тщательно обернутую в черную бумагу, не прозрачную для видимых лучей. Затем пластинка с минералом выставлялась на солнце и через некоторое время проявлялась. Эти опыты Беккереля показали, что на пластинке каждый раз отпечатывалось темное пятно, по форме совпадающее с куском минерала. Сначала Беккерель пред-
34
А. Беккерель (1852—1908)
Известный французский физик, член Парижской Академии наук, лауреат Нобелевской премии (1903). Выполнил ряд работ по оптике и электромагнетизму. Открыл излучение ураном радиоактивных лучей.
положил, что это потемнение объясняется действием солнечного света на флуоресцирующее вещество, которое излучает еще и рентгеновские лучи. А они, проникая через черную бумагу, воздействуют на фотопластинку. Однако, как скоро выяснилось, это объяснение не соответствовало действительности. Однажды Беккерель производил свои опыты в пасмурный день, и пластинка почти не флуоресцировала. Решив отложить опыт, он положил пластинку с солью в темный шкаф. Так как погода не прояснялась несколько дней, то Беккерель проявил пластинку, ожидая получить на ней очень слабое изображение минерала. Но, взглянув на негатив, он обнаружил совершенно неожиданную картину — потемнение, напоминавшее форму куска минерала, оказалось более интенсивным, чем во всех предыдущих случаях, хотя в темном шкафу на соль не попадал свет и она не могла флуоресцировать. Следовательно, его первоначальное предположение о
35
возникновении рентгеновских лучей при флуоресценции отпадало. Опыт показал, что, хотя соль урана не была предварительно освещена солнечным светом, на пластинку воздействовали какие-то лучи, проникающие через черную бумагу. Беккерель понял, что это какое-то новое явление, и он начал его исследовать.
Он проделал подобные опыты с другими флуоресцирующими веществами. Оказалось, что на фотопластинку действовали только те вещества, которые содержали в себе уран. Беккерелю стало ясно, что лучи, способные проникнуть через черную бумагу, испускают уран, поэтому он назвал их урановыми лучами.
Лучи, открытые Беккерелем, подобны по многим своим свойствам лучам Рентгена. Они тоже действуют на фотопластинку, проходят через непрозрачные тела (черную бумагу, тонкие металлические пластинки), под их влиянием воздух становится проводником электричества. Но в отличие от рентгеновских лучей, которые можно получить только при специальных условиях — высоком напряжении и сильно разреженном газе, урановые лучи (первое время их называли лучами Беккереля) излучаются всегда, все время, непрерывно, для их получения не нужно затрачивать энергию.
Эта способность урана излучать самопроизвольно, без видимого внешнего воздействия, казалась особенно поразительной. Ведь уже первые опыты показали, что урановые лучи обладают большой энергией. Что же служит источником этой энергии?
ОТКРЫТИЕ МАРИИ И ПЬЕРА КЮРИ
В связи с открытием Беккереля перед физикой встал новый вопрос: только ли один элемент в природе излучает их? Как только было опубликовано сообщение Беккереля, за решение этого вопроса смело взялась молодая польская ученая, только что начавшая самостоятельную научную деятельность, — Мария Скло-довская-Кюри. Она родилась и выросла в семье учителя Варшавской гимназии. Уже в средней школе Мария проявила незаурядные способности. Блестяще окончив Парижский университет в 1894 г., Мария
36
М. Склодовская-Кюри /1867—1934)
Выдающийся физик, основоположница учения о радиоактивности. В 1903 г. защитила докторскую диссертацию «Исследование радиоактивных веществ». Мария Кюри — единственная в мире ученый, дважды удостоенный Нобелевской премии, в 1903 г. и в 1911 г. Член Парижской и многих иностранных Академий, почетный член Академии наук СССР.
Склодовская начала свою научно-исследовательскую работу. В 1897 г. сразу же после защиты кандидатской диссертации она по совету мужа Пьера Кюри приступила к исследованию лучей Беккереля. Ее увлекла эта еще совершенно не исследованная область физики.
В труднейших условиях, в сырой, холодной, тесной комнате, при почти полном отсутствии материалов и приборов, необходимых для проведения опытов, с маленькой дочерью Ирен на руках, Мария Кюри начала свою работу.
Два года она упорно и настойчиво исследовала свойства тысяч различных солей, минералов, рудных пород. Наконец, она получила первый важный результат. Оказалось, что элемент торий тоже испускает лучи Беккереля. Кюри продолжала поиски. Вскоре она обнаружила еще более удивительный факт: урановая руда испускает лучи Беккереля с гораздо боль
37
шей интенсивностью, чем чистый уран. Следовательно, заключила Мария Кюри, в этой руде имеется в виде примеси ничтожное количество какого-то неизвестного вещества, излучающего такие лучи значительно сильнее, чем уран, которого в руде много. В результате долгого и упорного труда Марии, работавшей теперь вместе с Пьером Кюри, удалось выделить два дотоле неизвестных элемента, испускающих лучи Беккереля. Один из них они назвали полонием (в честь Польши — родины Марии Склодовской-Кюри), другой — радием (т. е. «излучающий»). Интенсивность излучения радия оказалась в миллион раз больше, чем урана. Все вещества, способные излучать лучи Беккереля, супруги Кюри назвали радиоактивными, а само явление — испускание этих лучей — радиоактивностью. Позднее лучи Беккереля стали называться радиоактивными.
Часть полученных радиоактивных препаратов супруги Кюри передали ученым, в том числе Беккерелю. Таким образом, большая группа физиков и химиков могла одновременно изучать свойства радия и других радиоактивных веществ.
После открытия радия Мария и Пьер Кюри еще в течение четырех лет упорно работали, чтобы получить радий и полоний в чистом виде, и притом в заметных количествах. Чтобы извлечь эти новые вещества, нужно было обработать огромные количества урановой руды, которая была очень дорога (ее добывали в Австро-Венгрии, где из нее извлекали соли урана). Так как на помощь со стороны государства им рассчитывать не приходилось, то они на свои личные весьма скромные средства купили отходы урановой руды, из которой были извлечены соли урана. С большим трудом им удалось выхлопотать для своих исследований сарай со стеклянной крышей, в котором зимой была лютая стужа, летом жарко, как в парнике, а в дождливую погоду вода капала на столы. В таких условиях они работали с 1898 по 1902 г.
В 1902 г., через сорок пять месяцев после того, как супруги Кюри объявили о предполагаемом существовании радия, после неимоверных, нечеловеческих усилий, Мария Кюри, наконец, одерживает победу. Ей удалось добыть 0,1 грамма хлорида радия и опре-
38
II. Кюри
(1859—1906)
Знаменитый французский физик, академик. Открыл в 1880 г. совместно со своим братом Жаном явление пьезоэлектричества. Провел классические исследования магнитных свойств тел и сформулировал закон Кюри. Совместно с Марией Склодовской-Кюри открыл радий и полоний, изучил свойства радиоактивного распада.
делить атомный вес нового элемента — он равен 226. С этого момента существование радия было признано всеми физиками и химиками мира. За это открытие в 1903 г. Марии и Пьеру Кюри была присуждена (пополам с Беккерелем) Нобелевская премия по физике. За получение радия в чистом виде Марии Кюри в 1911 г. была вторично присуждена Нобелевская премия по химии.
В 1903 г., выступая с докладом в Стокгольмской Академии наук, Пьер Кюри высказал следующую пророческую мысль: «Не трудно предвидеть, что в преступных руках радий может сделаться крайне опасным. Возникает вопрос: действительно ли полезно для человечества знать секреты природы, действительно ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно использовать, или это значение принесет ему только вред? Я принадлежу к числу тех, которые считают, что все же новые открытия в конечном счете приносят человечеству больше пользы, чем вреда».
39
РАДИОАКТИВНЫЕ ЛУЧИ
"О 1899 г. было обнаружено еще одно интересное свойство радиоактивных лучей. Как-то, направляясь на лекцию в университет, Беккерель захватил в кармане пиджака ампулу с порошком соли радия, чтобы показать студентам его замечательные свойства. Через два дня Беккерель заметил у себя красноту на груди как раз против кармана пиджака. Самое удивительное, что покраснение по форме было похоже на ампулу, пролежавшую в кармане всего два часа. Затем у Беккереля началось воспаление, появилась острая боль, кожа потрескалась, превратившись в язву, которую пришлось лечить много недель.
Узнав о таком свойстве радиоактивных лучей, Пьер Кюри решил рискнуть своей левой рукой и подверг ее длительному облучению. Явление, наблюдавшееся Беккерелем, полностью повторилось. На руке через несколько дней появилось покраснение, перешедшее в воспаление, а затем и в открытую рану, которая, несмотря на интенсивное лечение, зарубцевалась только почти через полгода.
Тогда П. Кюри совместно с врачами Бушаром и Балтазаром стали исследовать, как воздействуют радиоактивные лучи на животных. Этими опытами заинтересовался известный парижский врач Данло, который всесторонне и глубоко изучал действие лучей радия на живые организмы. Он показал, что в небольших дозах радиоактивные лучи могут быть использованы для лечения различных заболеваний. Вскоре радий стали применять для борьбы со страшной болезнью — раковой опухолью. Радиоактивные лучи разрушают главным образом те клетки организма, которые быстро размножаются. А такими как раз и являются раковые клетки. Применение радиоактивных лучей для лечения больных получило название радио- или кюритерапии.
40
Помимо биологического действия, были открыты и другие интересные свойства радиоактивных лучей. Подобно солнечному свету, радиоактивные лучи также могут вызывать флуоресценцию. Если мизерное количество какого-нибудь радиоактивного элемента примешать к флуоресцирующему веществу, то оно будет годами непрерывно светиться.
Но если под действием радиоактивных лучей вещество в состоянии излучать обычные световые лучи, несущие с собой энергию, то по закону сохранения энергии и сами радиоактивные лучи должны обладать энергией. Следовательно, приходится допустить, что
всякое радиоактивное вещество
непрерывно годами
выделяет энергию.
За выяснение этого вопроса впервые взялся в 1903 г. Пьер Кюри вместе со своим сотрудником А. Лабордом. Они заметили, что температура в сосуде, где содержится радий, всегда выше температуры окружающей среды. Они провели такой простой опыт. В два совершенно одинаковых термосных баллона, двойные стенки которых очень плохо проводят тепло,
они поместили по одной ампулке и по термометру.
Но в одной ампулке был радиоактивный элемент радий, а в другой очень близкий к нему по химическим свойствам, но не радиоактивный элемент барий. Тер-
мометр в баллоне с радием показывал более высокую температуру. Точными измерениями они показали, что грамм радия ежечасно выделяет примерно 140 кал, способных нагреть 140 г воды на Iе С. Конечно, эта энергия невелика, но если учесть, что теплота выделяется радием непрерывно и очень долго, то в общем радий выделяет огромное количество энергии. Можно подсчитать, что количество тепла, выделяемое 1 г радия «за всю его жизнь» (т. е. когда все его атомы распадутся), равно 3 миллиардам калорий. Такое же количество тепла выделяется при сгорании примерно 400 кг антрацита.
41
Откуда же черпается эта энергия радиоактивных лучей? Пьер Кюри уже тогда высказал смелую гипотезу, что радиоактивные вещества черпают выделяемую энергию из самих себя, в результате превращения атомов. «Преобразование здесь более глубокое, чем обычные химические превращения, — предполагал Кюри, — здесь идет речь
о существовании самого атома и мы имеем дело с превращением элементов».
ЕЩЕ О СВОЙСТВАХ РАДИОАКТИВНЫХ ЛУЧЕЙ
Чтобы выяснить, каков механизм этих атомных превращений, ученые прежде всего пытались ответить на вопрос: какие силы природы способны воздействовать на радиоактивный распад, ускорить или замедлить его. Тщательные исследования показали, что ни самые высокие или низкие температуры, ни самые мощные электрические и магнитные поля, ни огромное давление и ускорение, ни сильнейшие химические реактивы не могли повлиять на способность радия излучать энергию. Поэтому большой интерес вызвал следующий опыт Пьера и Марии Кюри. Поместив крупинку радия в магнитное поле, они заметили, что бывший ранее однородным пучок радиоактивных лучей расщепляется под действием поля на два пучка. В одном из них радиоактивные частицы движутся прямолинейно по первоначальному направлению, а в другом частицы искривляют свой путь, отклоняясь в сторону. По направлению и величине отклонения лучей можно убедиться, что отклоняющиеся лучи представляют собой поток отрицательных частиц. Более тщательные исследования показали, что это — электроны. Скорости вылетающих электронов оказались самыми различными. В отклоняющемся под действием магнитного поля пучке встречаются электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света.
42
Оставалось выяснить, какова природа той части радиоактивных лучей, которая не отклоняется в магнитном поле. За решение этой задачи взялся тогда еще молодой английский физик Эрнст Резерфорд. Резерфорд родился в Новой Зеландии в семье мелкого фермера. Окончив университет в 1894 г., он в виде премии получил стипендию для повышения своей научной квалификации в знаменитом Кембриджском университете, в лаборатории Дж. Дж. Томсона. В 1897 г. Резерфорд получил приглашение занять кафедру физики в университете г. Монреаль (Канада). Здесь Резерфорд и начал свои, ставшие затем знаменитыми работы по радиоактивности.
Прежде всего Резерфорд решил повторить опыт супругов Кюри, применив, однако, значительно более сильное магнитное поле. И действительно, Резерфорд обнаружил следующий интересный факт. Оказывается, что та часть радиоактивных лучей, которая в опытах Пьера и Марии Кюри не отклонялась в магнитном поле, теперь, в значительно более сильном поле, так
же расщеплялась на два пучка. Один из этих двух пучков оставался прямолинейным, совершенно не отклоняясь магнитным полем, а другой пучок лучей слегка отклонился от первоначального направления, причем в сторону, противоположную отклонению электронов. Анализируя результаты своего опыта, Резерфорд сделал вывод, что эта последняя часть радиоактивных лучей является потоком положительно заряженных частиц.
Итак, радиоактивные лучи состоят из потока положительных частиц, которые назвали альфа-лучами, потока электронов — бета-лучи и не отклоняющихся в магнитном поле гамма-лучей. Но не только характером отклонения в маг-
Разложение радиоактивных лучей в магнитном поле: 1 — источник лучей; 2— сосуд;	3 — гамма-лучи;
4 — альфа-лучи; 5 — бета-лучи.
43
Э. Резерфорд (1871—1937)
Выдающийся английский ученый, один из творцов современной атомной физики. Создал теорию радиоактивного распада и планетарную модель атома. Впервые в науке осуще ствил искусственное превращение атомных ядер.
нитном поле отличаются альфа-, бета- и гамма-лучи (а-, р- и у-лучи).
Если отделить каждый вид этих лучей и затем исследовать их способность проходить через различные тела, то окажется, что и в этом отношении они ведут себя по-разному. Хуже всего проникают через вещество альфа-лучи. Уже обычный лист бумаги полностью их задерживает. Проникающая способность бета-лучей значительно больше, они в состоянии пройти через пластинку алюминия толщиной до одной трети сантиметра. Гамма-лучи могут пройти через пластинку алюминия толщиной в несколько десятков сантиметров.
Различаются альфа-, бета- и гамма-лучи и по их ионизирующему действию. Мы уже знаем, что воздух, являющийся непроводником (диэлектриком), при прохождении через него радиоактивных лучей становится проводником электрического тока. Как и в случае рентгеновских лучей, здесь происходит (но в значи
44
тельно больших масштабах) ионизация молекул воздуха. Когда радиоактивная частица, двигаясь с большой скоростью, встречает на своем пути молекулу воздуха, она разбивает, раскалывает эту электрически нейтральную молекулу на две разноименные части: положительный ион и отрицательный электрон. Такой процесс расщепления нейтральных молекул на заряженные осколки и называется ионизацией. Поскольку в ионизированном воздухе содержится множество таких осколков — ионов и электронов, которые под действием электрического поля могут легко перемещаться, такой воздух будет проводником.
Воздух ионизируется (в разной степени) нагреванием, рентгеновскими лучами, очень сильным электрическим полем и т. п. Наиболее мощный ионизатор — радиоактивные лучи, но и здесь действие их составных частей — альфа-, бета- и гамма-лучей — различно. Оказывается, что ионизирующая способность лучей обратно пропорциональна их проникающей способности. Лучше всех ионизируют воздух альфа-лучи, значительно хуже — бета-лучи и еще во много раз меньше — гамма-лучи.
Чтобы ионизировать, т. е. разбить молекулу на разноименные заряженные части, нужно затратить определенное количество энергии. Поэтому после каждого отдельного акта ионизации радиоактивная частица теряет такую же порцию энергии, а значит, уменьшает свою скорость. Альфа-частицы, обладающие хорошей ионизирующей способностью, на своем пути образуют много ионов, быстро теряют свою первоначальную энергию (и скорость) и поглощаются веществом. Наоборот, гамма-лучи на своем пути образуют мало ионов, поэтому проникающая способность у них большая.
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
К началу XX в. наука уже знала и могла объяснить многие свойства радиоактивных лучей. Но оставалось непонятным самое главное: отчего и как возникают внутри атомов эти лучи, что служит источником их колоссальной энергии?
45
Некоторые физики-идеалисты, в том числе известный французский ученый Пуанкаре, считали, что при образовании радиоактивных лучей нарушается закон сохранения энергии. Многие буржуазные философы стали утверждать, что поскольку один из основных законов материализма — закон сохранения энергии — не имеет места в природе, то и движение материи и сама материя могут быть уничтожены и сотворены.
В. И. Ленин в своей известной книге «Материализм и эмпириокритицизм» не оставил камня на камне от этих идеалистических рассуждений. И действительно, весь дальнейший ход развития физики, как мы увидим, блестяще подтвердил незыблемость закона сохранения энергии.
Чтобы выяснить сущность процесса образования радиоактивных лучей, ученые продолжали все глубже изучать явление радиоактивных лучей. К этому времени уже было известно, что бета-лучи — это поток электронов. Но что представляют еобой альфа- и гамма-лучи? По направлению отклонения альфа-лучей в магнитном поле было установлено, что это поток положительно заряженных частиц. Но что это за частицы? Чтобы ответить на этот вопрос, Резерфорд со своим сотрудником Содди решили определить массу альфа-частицы. Для этого они отклоняли пучок альфа-лучей с помощью электрического и магнитного полей. Зная напряженности этих полей, можно было по величине смещения пучка определить отношение величины заряда е к массе частиц т. Оказалось, что это отношение у альфа-частиц вдвое меньше, чем у положительных ионов водорода. Так как у атома водорода есть всего один электрон, то и заряд положительного иона у него равен 1, т. е. наименьшему возможному в природе заряду. Если предположить и у альфа-частиц заряд равным 1, то получится, что их масса вдвое больше, чем у атомов водорода. Но веществ с атомным весом, равным 2, наука тогда не знала ’.
Объяснить природу альфа-частиц помогло известное уже тогда, но совершенно непонятное обстоятель-
1 Тяжелый водород с атомным весом 2 был открыт значительно позднее.
46
ство. У всех природных веществ, содержащих радиоактивные элементы, почему-то всегда присутствовал инертный газ гелий. Это было весьма удивительно. Гелий, как мы знаем, в земных условиях встречается редко (ведь именно поэтому этот элемент был открыт в спектре Солнца), а в радиоактивных рудах он обязательно присутствует. По-видимому, рассуждали Резерфорд и Содди, наличие гелия в этих рудах как-то связано с образованием радиоактивных лучей. Тщательно проанализировав указанные факты, они выдвинули смелую научную гипотезу, противоречившую общепринятым со времени Дальтона представлениям о вечности и неизменности атомов. Резерфорд и Содди предположили, что альфа-частицы — это атомы гелия (атомный вес равен 4), лишенные двух электронов. У таких ионов заряд будет равен 2 и отношение будет вдвое меньше, чем у ионов водорода, у которых заряд и атомный вес (масса) равны 1.
Согласно этой гипотезе, газ гелий образуется в радиоактивных рудах. Ведь альфа-частица, т. е. ионы гелия, поглотившись в веществе, легко присоединяют к себе два электрона и превращаются в нейтральные атомы гелия. Таким образом, выходило, что внутри тяжелых радиоактивных атомов урана, тория, радия, полония рождаются совершенно отличные от них атомы легкого газа гелия.
Это было столь необычное революционное утверждение, что многие физики встретили его с явным недоверием. Однако Резерфорд вместе со своими сотрудниками вскоре блестяще подтвердил справедливость этой гипотезы, открыв существование радиоактивных газов, превращающихся в гедий.
Если засосать в ампулу воздух, длительное время соприкасавшийся с радием или торием, то окажется, что воздух в ампуле излучает радиоактивные лучи. Правда, это было известно и раньше, но только Резерфорд сумел объяснить причину этого явления. Оказывается, что вокруг радия и тория все время образуются какие-то неизвестные до тех пор газы, обладающие в свою очередь радиоактивными свойствами. Эти газы он назвал «эманацией радия» 1 и «эмана
1 Эманация означает по-русски, примерно, «выходящее из».
47
цией тория», а позднее их стали называть радоном и тороном. (Позднее был открыт еще один радиоактивный газ, образующийся из элемента актиния и названный актиноном.) Резерфорд со своими ассистентами подробно изучил свойства радона, который вел себя как обычный газ, но резко отличался своей радиоактивностью. С другой стороны, оказалось, что по своим радиоактивным свойствам радон не похож на известные радиоактивные вещества — уран, радий, торий и т. п. А именно в то время, как, скажем, радий годами непрерывно излучает с неизменной интенсивностью радиоактивные лучи, количество вылетающих из ампулки с радоном радиоактивных частиц уже через несколько дней заметно уменьшается, а через 2— 3 недели становится едва заметным. Контрольный опыт, проведенный Резерфордом, показал, что количество радона в ампулке со временем убывает. Чтобы выяснить, куда же исчезает радон, Резерфорд, Содди и Ройдс стали исследовать его спектр, нагрев газ до высокой температуры в стеклянной ампулке. И тут обнаружилось, что со временем спектральные линии радона постепенно ослабевали, зато появлялись линии гелия, интенсивность которых возрастала.
Этот опыт убедительно показал, что в закрытой ампулке, содержащей только альфа-радиоактивный газ, образуется газ гелий. Видоизменяя этот опыт, ученые откачали из сосуда воздух и поместили в сосуд радоновую ампулку, в которой они сделали тонкое окошечко, так что альфа-частицы могли проникать в сосуд. Спустя некоторое время с помощью спектроскопа можно было увидеть, что в сосуде есть гелий, причем яркость его спектральных линий постепенно усиливалась. Итак, стало совершенно ясно, что альфа-частицы — это ионы гелия.
В 1903 г. Резерфорд и Содди развили полную теорию образования радиоактивных лучей. Согласно этой теории, радиоактивные лучи образуются в результате самопроизвольного распада атомов радиоактивных веществ. Некоторые радиоактивные вещества при своем распаде выбрасывают альфа-частицы, другие — бета-частицы. Гамма-лучи обычно выделяются и в том и в другом случае, они как бы сопровождают и альфа-и бета-лучи.
48
РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА
Атомы вещества при радиоактивном распаде превращаются в атомы других химических элементов. Первоначальный элемент называется материнским, а продукт его распада — дочерним. Часто дочернее вещество в свою очередь может радиоактивно распадаться, порождая как бы внучатый элемент. Совокупность всех продуктов распада данного элемента получила название радиоактивного семейства. Наиболее известны семейства урана, тория и актиния. Родоначальник семейства урана 92-й элемент таблицы Менделеева — уран (отсюда и название всего семейства) с атомным весом 238. Путем нескольких последовательных превращений возникает 88-й элемент — радий, который превращается в 86-й — радон, и т. д. Кончается это семейство свинцом (с атомным весом 206), являющимся устойчивым элементом, далее не распадающимся.
Другое радиоактивное семейство ведет свой род от тория — 90-го элемента в таблице Менделеева.. От него идет длинная цепь поколений, заканчивающихся также свинцом (с атомным весом 208). Изотоп свинца, замыкающий ториево семейство, немного тяжелее уранового свинца.
Кроме этих двух наиболее известных радиоактивных семейств, известны еще семейство актиния, начинающегося с 89-го элемента — актиния, и сравнительно недавно открытое Ирен Кюри семейство нептуния, которое имеет несколько возможных родоначальников. Плутон 241 и уран 237 могут рассматриваться
4
49
родоначальником этого семейства. Исходным продуктом этого семейства может быть торий, при облучении его нейтронами в результате целой цепочки радиоактивных распадов из него возникает уран 233, являющийся членом семейства нептуния. Родоначальником этого семейства может быть торий 241, калифорний 249, берклий 245.
Подробное изучение всех звеньев радиоактивных семейств позволило сделать много интересных и важных выводов о возникновении тех или иных видов атомов, о динамике развития элементов в природе. Прежде всего оказалось, что не все радиоактивные вещества распадаются одинаково быстро. Наоборот, скорость радиоактивного распада у разных веществ совершенно различная. Отношение количества атомов, распадающихся в единицу времени, к общему числу атомов данного радиоактивного вещества называют постоянной радиоактивного распада X. Чем больше постоянная А, тем быстрее данный элемент распадается. Часто быстроту распада радиоактивного вещества характеризуют величиной, обратно пропорциональной X, называемой периодом полураспада Т. Т — это промежуток времени, в течение которого распадается половина всех его атомов. Чем быстрее вещество распадается, тем меньше его период полураспада Т, и наоборот.
Рассмотрим это на примере уранового семейства. Медленнее всего распадается родоначальник семейства— уран 238. Его период полураспада !Г=4,5 миллиарда лет. Это значит, что если взять 1 г урана, то через четыре с половиной миллиарда лет от него останется ровно половина.
У радия период полураспада равен 1590 лет; у радона половина первоначального количества атомов останется примерно через четверо суток, а у радиоактивного вещества RaC' (изотоп полония) период полураспада всего одна десятитысячная доля секунды. Есть радиоактивные элементы с еще меньшим периодом полураспада, распадающиеся быстрее, чем /?а С.
Обычно родоначальник радиоактивного семейства имеет чрезвычайно большой период полураспада (порядка миллиарда лет). Например, у тория он равен около 20 миллиардов лет.
50
АМТОМ[ЬО [Ю (ШГЕТГ
ATOM ИМЕЕТ ЯДРО
11 родолжая исследовать радиоактивные лучи, Резерфорд в 1906 г. произвел следующий опыт. На пути пучка альфа-лучей он ставил металлическую пластинку, в которой была прорезана узкая щель. Прошедшие через щель альфа-лучи затем попадали на завернутую в тонкую бумагу фотопластинку. После проявления обнаружилось, что пятно, получающееся на пластинке от попадания альфа-частиц, бывает различным в зависимости от того, находится ли на пути между щелью и фотопластинкой воздух или нет. Если на пути альфа-частиц воздуха не было, то пятно имело форму щели; при наличии же воздуха пятно получалось размытым. Резерфорд объяснил причину этого различия. Если воздуха нет, то альфа-частицы не сталкиваются с молекулами газов и летят прямолинейно — пятно на пластинке будет иметь очертания щели с четкими краями. Если же на пути альфа-частиц попадаются молекулы воздуха, то от соударений с ними альфа-частицы отклоняются от первоначального направления и пятно получается расплывчатым. В этом случае говорят, что молекулы воздуха рассеивают первоначальный пучок альфа-лучей.
Обладая гениальным чутьем экспериментатора, Резерфорд из этих опытов пришел к выводу, что можно использовать альфа-частицы в качестве своеобразных мельчайших снарядов для обстрела атомов и исследования таким образом их внутреннего строения. И он решил поставить опыты по изучению явлений, связанных с прохождением альфа-лучей через вещество. За эти работы, сыгравшие огромную роль в развитии пред-
51

ставлений о строении атома, Резерфорд был удостоен в конце 1908 г. Нобелевской премии.
Резерфорд и его сотрудники исследовали рассеивание альфа-частиц различными средами, для чего оии пропускали эти лучи через тончайшие пластинки из различных веществ. При этом исследователи заметили любопытное явление: хотя подавляющее большинство альфа-частиц при прохождении через вещество совсем немного отклоняется от первоначального направления, некоторые частицы отклоняются иногда на 90° и
даже большие углы.
Вначале Резерфорд попытался объяснить явление рассеивания альфа-частиц на основании общепринятой в то время модели атома Томсона. Но тут-то и выяснилась полная непригодность этой модели. Ведь из опытов Резерфорда вытекают совершенно непонятные с точки зрения модели Томсона следствия о строении атома. Прежде всего ясно, что вещество должно в основном состоять из «пустоты», ибо большинство альфа-
частиц пролетает через пластинку совершенно не отклоняясь. Затем внутри атома должны существовать какие-то мощные силы, способные резко изменить направление быстро летящей альфа-частицы. Эти силы может породить только электрическое поле положительно или отрицательно заряженных частей атома. Но отрицательно заряженные частицы — это электроны, масса которых ничтожно мала по сравнению с тяжелой альфа-частицей. Поэтому остается предположить, что причиной отклонения альфа-частиц является положительно заряженная часть атома, которая должна быть настолько массивна, что способна резко отклонить траекторию пролетающей поблизости альфа-частицы. Более того, из этих опытов можно было определить примерный объем, занимаемый положительным зарядом. Он оказался во много раз меньше объема само о атома.
52
Все эти соображения привели Резерфорда в 1911 г. к совершенно отличному от Томсона представлению о строении атома. По Резерфорду, атом состоит из центрального ядра, в котором сосредоточены почти вся масса атома и весь его положительный заряд. Вокруг ядра по круговым орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, движутся отдельные электроны. Число электронов в каждом атоме таково, что их суммарный отрицательный заряд
равен положительному заряду ядра, поэтому в целом атом нейтрален. Диаметр ядра, как показали подсчеты Резерфорда, примерно в сто тысяч раз меньше всего атома (размер всего атома определяется размером наибольшей из орбит, по которой движется электрон).
Эта модель строения атома получила название ядерной или планетарной.
ЗАРЯД ЯДРА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕНДЕЛЕЕВА
Всякую физическую теорию всесторонне проверяют на опыте. Так поступили и с новой моделью атома.
В лаборатории Резерфорда его ученики бомбардировали атомы различных элементов альфа-частицами — этими наиболее мощными и быстрыми в то время атомными снарядами. По отклонению альфа-частиц определенной энергии при прохождении их через различные вещества можно было вычислить величину заряда атомного ядра. Действительно, угол отклонения альфа-частицы от ее первоначального направления, очевидно, зависит от силы отталкивания между частицей и ядром, силы, определяемой по закону Кулона. Исходя из этого, Резерфорд теоретически показал, что доля первоначального числа альфа-частиц, отклонившихся ядрами рассеивателя на некоторый угол 0, прямо пропорциональна квадрату заряда ядра Z, выраженному в элементарных единицах е. В опытах по рассеиванию альфа-частиц в качестве рассеивателя Резерфорд выби
53
рал тончайшие пластинки из различных металлов, сохраняя остальные условия опытов неизменными. Тогда из сравнения числа отклонившихся частиц на определенный угол можно было судить о зарядовых числах Z этих металлов. Так, пусть число отклонившихся на некоторый угол альфа-частиц при прохождении через металл с зарядовым числом Zj в четыре раза меньше, чем число частиц, отклонившихся на такой же угол, в случае металла с зарядом ядра Z2. Тогда, по Резерфорду, (f^)8 =4 и, следовательно, Z2 = 2Z1.
Чтобы считать число альфа-частиц, отклонившихся на тот или иной угол, Резерфорд и его сотрудники Гейгер и Марсден поступили так. На пути альфа.-лучей за рассеивателем они располагали особый, весьма чувствительный флуоресцирующий экран. Достаточно попасть на такой экран одной альфа-частице, чтобы вызвать в этом месте маленькую желтовато-зеленую вспышку. Так как такие вспышки очень слабые, то их
рассматривали в темноте с помощью лупы или микроскопа. В целом картина вспышек (сцинтилляций), возникающих на экране под ударами альфа-частиц, напоминает звездное небо в темную ночь, с той только разницей, что картина эта непрерывно меняется.
Таким образом, Резерфорд смог определить количество альфа-частиц, отклонившихся на определенный
угол, и сравнить зарядовые числа различных элементов. Выяснилось, что заряд ядра атома химического элемента совпадает с порядковым номером этого элемента в таблице Менделеева, если принять заряд ядра
водорода за единицу измерения. Иными словами, число электронов в атоме данного элемента и порядковый номер элемента всегда равны.
Водород стоит на первом месте в таблице Менделеева — это значит, что заряд его ядра равен единице и, следовательно, в атоме водорода один .электрон. Атом водорода — простейший из всех атомов. Вторым в таблице стоит гелий. Заряд его ядра равен двум, вокруг ядра дви
54
жутся два электрона (альфа-частицы и есть ядра гелия). Самый тяжелый элемент в природе — уран — стоит на 92-м месте в таблице Менделеева, значит, заряд равен 92, число электронов также равно 92. Таким образом, все атомы принципиально устроены одинаково. Различие 'Состоит только в величине заряда ядра и связанного с ним числом электронов. Любой атом состоит из центрального положительно заряженного ядра и электронной оболочки, т. е. движущихся вокруг ядра отрицательных электронов. Причем и заряд ядра, и число электронов в атоме равны порядковому номеру соответствующего химического элемента.
Теперь в физике и химии стала полностью ясной последовательность элементов в системе Менделеева. Все элементы располагаются в периодической таблице не в порядке возрастания их атомных весов, а в порядке возрастания зарядов ядра. Поэтому стало понятно, почему Менделеев расположил, например, более тяжелый иод раньше теллура — заряд ядра атома иода меньше заряда ядра теллура.
Хотя Менделеев не знал и не мог тогда знать ничего
о зарядах ядер, он гениально предугадал правильную закономерность в последовательности расположения химических элементов.
Теперь стало также очевидным, что происходит с атомами при радиоактивном распаде. Из того факта, что при радиоактивном распаде происходит превращение атомов из одного вида в другой, следует такой вывод: радиоактивные лучи испускаются ядрами атомов. Действительно, химическая индивидуальность атома определяется зарядом ядра. Атом становится другим только в том случае, если изменится заряд его ядра. При альфа-распаде из ядра вылетают частицы, имеющие положительный заряд, равный двум. Следовательно, при альфа-распаде заряд ядра уменьшается на две единицы, поэтому образующийся при этом дочер-
55
ний атом сместится в последовательности элементов на два места назад относительно материнского элемента или на две клетки влево в таблице Менделеева. Наобо-рот, при бета-распаде из ядра вылетает электрон, за
ряд ядра увеличивается на единицу и дочерний элемент смещается на одну клетку вправо в периодической системе. Эти правила смещения были установлены еще ранее учениками Резерфорда — Содди и Фаянсом, но
только теперь стали понятны.
сплошной и линейчатые спектры
Хорошо известно, что солнечный, или, как его называют, белый свет, — сложный свет. Это впервые доказал И. Ньютон почти 300 лет назад. Пытаясь улучшить существовавшие тогда телескопы, Ньютон на пути узкого пучка солнечного света поставил треугольную стеклянную призму. И тут обнаружилось явление, которого Ньютон никак не ожидал. После прохождения через призму пучок света превращался в широкую разноцветную полосу, подобную радуге. На противоположной стене ясно были видны красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя и фиолетовая полоски, плавно переходящие друг в друга. Ньютон правильно объяснил это явление. Белый солнечный луч не простой, а сложный — он состоит из ряда цветных лучей. Призма в различной степени отклоняет лучи разных цветов — меньше всего отклоняются от первоначального направления белого пучка света красные лучи, больше всего — фиолетовые. Ньютон полагал, что призма просто разлагает белый свет на составные части. Это подтверждалось и следующим его опытом. Если на пути цветных лучей, полученных при разложении белого света в треугольной призме, поставить другую призму, но только вершиной в противоположную сторону, то наблюдается такая картина: белый свет, пройдя через первую призму, разлагается на цвет
56
ные лучи, а эти цветные лучи, пройдя через вторую призму, вновь «складываются» и образуют белый свет. Цветные полосы, получающиеся при разложении белого света, получили название спектра.
Ньютон также впервые установил, что световые лучи разных цветов имеют и разную длину волны. Наибольшую длину волны имеют красные лучи, затем оранжевые, желтые и т. д. Самые короткие световые лучи — это фиолетовые. Следовательно, треугольная призма больше всего отклоняет короткие и меньше всего длинные волны.
Так как всякое накаленное тело излучает свет, то перед физиками, естественно, возник вопрос: как ведет себя излучаемый различными телами свет при прохождении через треугольную призму? В первой половине XIX в. физики установили, что спектр накаленного тела, скажем металла, ничем не отличается от спектра солнечного света. Напротив, как показали опыты, спектр окрашенного пламени совершенно отличен от спектра белого света. Если в почти бесцветное пламя (спиртовки или газовой горелки) внести кусочек обычной поваренной соли, то пламя становится ярко-желтым. Это окрашивание возникло от того, что в пламя попали пары натрия (поваренная соль при высокой температуре распадается на составные элементы — натрий и хлор).
Свойством окрашивать пламя обладают и пары других металлов: пары калия дают фиолетовую окраску, лития — красную, меди — зеленую и т. п. Если через узкую щель пропустить тонкую полоску света окрашенного пламени и затем направить ее на треугольную стеклянную призму, то вместо сплошного спектра, наблюдаемого у белого света, мы увидим линейчатый спектр: на темном фоне видны одна, две или несколько цветных тонких полос или линий. В зависимости от того, пары какого металла содержатся в пламени, в спектре видны различные линии. Так, спектр натрия содержит яркую желтую линию, спектр лития — красную и оранжевую линии и т. д.
В 1859 г. известные немецкие ученые — физик Кирхгоф и химик Бунзен обнаружили, что не только металлы, но и любое вещество, превращенное в раскаленный газ, испускает свой особый, характерный
57
только для данного вещества, линеичатыи спектр и что, как они писали: «...ни различие соединений, ни разнообразие химических процессов в отдельных пламенах, ни громадное различие температур нисколько не влияют на положение спектральных линий соответствующих отдельных элементов».
Так возник новый, весьма простой и удобный метод химического анализа — спектральный анализ. Чтобы определить состав какого-нибудь сложного вещества, достаточно рассмотреть спектр этого вещества и сравнить его со спектрами различных элементов, которые приведены в специальных справочниках спектров. В течение трех лет (1859—1862) с помощью спектрального анализа были открыты новые элементы: цезий, рубидий, таллий, индий и др.
Эти открытия вынудили ученых создать прибор, с помощью которого можно было бы отчетливо наблюдать спектральные линии и измерять соответствующие длины волн. Основной частью этого прибора, названного спектроскопом, была треугольная призма. Спектроскоп и его усовершенствованные разновидности — спектрометр, спектрограф — стали основными приборами физического и химического исследования природы, и прежде всего состава самых различных тел.
Инертный газ гелий, как уже упоминалось, был открыт в 1868 г. в спектре Солнца именно с помощью спектроскопа. Интересно отметить, что неизвестная тогда желтая спектральная линия, по которой и был открыт гелий, на цвет ничем не отличалась от желтой линии натрия. Однако точные измерения показали, что длина волны желтой линии, сфотографированной во время наблюдения полного солнечного затмения, на 1,5 миллимикрона короче подобной линии у натрия. Это было достаточно для того, чтобы сделать вывод об излучении этой линии отличным от натрия элементом. Так как из всех известных к тому времени элементов ни у одного не наблюдалась такая линия, то ученые и предположили существование на Солнце какого-то неизвестного элемента — гелия.
Линейчатые спектры часто еще называют атомными, и вот почему. Накаленные твердые и жидкие тела, например расплавленные металлы, излучают сплошной спектр (силы взаимодействия между атомами у таких
58
тел значительны). Раскаленные же газы, у которых атомы расположены далеко друг от друга и взаимодействие между ними почти отсутствует, испускают линейчатый спектр. Здесь атомы находятся как бы в естественном состоянии. Спектр газов или паров обусловливается только строением их атомов. Поэтому столь важно изучить закономерности именно линейчатых спектров.
Прежде всего нужно отметить, что, как показали исследования, несмотря на различие спектров у разных элементов, линейчатые спектры элементов, относящихся к одной группе периодической системы Менделеева, похожи. Это наводило на мысль, что между химическими и спектральными свойствами элементов существует непосредственная связь. Дальше мы увидим, что так оно и есть.
СПЕКТР ВОДОРОДА И ФОРМУЛА БАЛЬМЕРА
Один из наиболее простых спектров в природе — спектр водорода — состоит из четырех линий: красной, голубой и двух фиолетовых.
В 1885 г. учитель женской гимназии в Базеле (Швейцария) Бальмер опубликовал формулу, позволившую с большой точностью определять длины световых волн в видимой части спектра, излучаемых водородом. Эта формула, названная формулой Бальмера, прославила ее автора навечно, ибо сыграла важнейшую роль в атомной физике.
Каковы же особенности этой формулы? Первая особенность состоит в том, что Бальмер вывел свою формулу не из каких-нибудь теоретических соображений. Он стремился подобрать искусственно такую формулу, чтобы не надо было запоминать длины волн линий спектра водорода (такие формулы в физике называются эмпирическими). Бальмеру удалось составить очень простую формулу, по которой длина волны есть функция переменной величины п:
где Z — длина волны спектральной линии,
R — постоянная величина, равная 109 677 см -1.
59
Если вместо п подставить цифру 3, то формула дает длину волны красной линии спектра; если подставить и=4, получим длину волны голубой линии; при п = 5 — первой фиолетовой линии и при п = 6 — второй фиолетовой линии.
Вторая особенность формулы Бальмера — в ее исключительной точности. Физика не знает другой эмпирически подобранной формулы, которая давала бы такое поразительное совпадение с опытом — с точностью до тысячных долей процента!
Третья, не менее интересная особенность этой формулы в том, что она прекрасно определяла некоторые новые линии, позднее открытые физиками в спектре водорода (эти линии невидимы глазом, они относятся к ультрафиолетовым лучам и могут быть обнаружены, например, с помощью фотографии). Для вычисления длин волн этих новых линий нужно в формуле Бальмера соответственно подставить вместо п значения 7, 8, 9, 10, 11 и т. д.
Наконец, последняя и, пожалуй, наиболее важная особенность формулы Бальмера состоит в том, что в отличие от всех других формул, известных до того в физике, искомая величина здесь — функция только целых чисел. Если вместо п подставить значение не целого числа (например, 4-), то соответствующей линии О в спектре не существует.
После формулы Бальмера были открыты аналогичные формулы и для спектров некоторых других элементов — одновалентных щелочных металлов лития, натрия, калия, цезия, рубидия (формулы Ридберга).
Формулы Ридберга по внешнему виду очень похожи на формулу Бальмера. Основное отличие состоит только в том, что в формулах Ридберга есть небольшие слагаемые, играющие роль поправок. Величина этих поправок очень незначительна — менее десятых долей процента, но это приводит к некоторому отличию длин волн, излучаемых щелочными металлами, от линий спектра водорода.
Основное удивительное свойство формулы Бальмера — зависимость длины излучаемых волн только от целых чисел существует и в формулах Ридберга. Сле
60
довательно, это не случайность, а, по-видимому, характерная закономерность атомных спектров.
Причину такой странной закономерности удалось раскрыть только почти через 30 лет, после появления теории Бора.
ГИПОТЕЗ/ КВАНТОВ
В древности ученые считали, что глаз человека посылает особые «зрительные лучи», с помощью которых он как бы «ощупывает» находящиеся перед ним предметы.
Только в конце XVII в. великий английский физик И. Ньютон сумел отделить объективные свойства света от субъективных зрительных ощущений. Занимаясь изучением оптических явлений, Ньютон, в конце концов, приходит к убеждению, что свет — это поток мельчайших частичек — корпускул, выбрасываемых светящимся телом. Корпускулярная теория света Ньютона удовлетворительно могла объяснить всевозможные факты, связанные с распространением, излучением и поглощением света.
Примерно в это же время другой известный голландский физик X. Гюйгенс выдвинул совершенно отличную теорию света. Согласно Гюйгенсу, свет — это упругие волны, распространяющиеся в эфире — особой прозрачной среде, заполняющей все бесконечное пространство. Эта теория могла также объяснить различные оптические явления.
Только в одном отношении волновая теория приводила к прямо противоположным, по сравнению с корпускулярной теорией, выводам. Из корпускулярной теории следовало, что скорость света в различных средах (например, в воде) больше, чем скорость в пустоте (вакууме), по волновой же теории скорость в воде должна быть меньше, чем в вакууме.
Измерять скорости распространения света в различных веществах ученые научились в конце XIX в., только через 200 лет после Ньютона и Гюйгенса. Поэтому опытом нельзя было проверить, чья теория правильна. Научный авторитет Ньютона был столь велик, что подавляющее большинство ученых в XVIII в. придер
61
живались его корпускулярной теории. Но следует сказать, что некоторые великие умы того времени, и прежде всего Эйлер и Ломоносов, видели недостатки теории Ньютона и стояли на точке зрения волновой теории света.
Только в начале XIX в., когда было показано, что, во-первых, свет вовсе не распространяется прямолинейно и способен огибать небольшие препятствия (дифракция света) и, во-вторых, при наложении двух пучков света может образоваться темнота (интерференция света), волновая теория получила всеобщее признание. Позднее французский физик Физо непосредственными измерениями показал, что свет в воде распространяется медленнее, чем в воздухе, что было лишним доказательством в пользу волновой теории.
Все XIX столетие в физике господствует волновая теория света, которая получает все новые и новые подтверждения. Правда, эта теория при объяснении некоторых новых опытных фактов наталкивается на серьезные затруднения, которые, казалось бы, должны привести ее к кризису. Но после внесения важных уточнений трудности преодолены и волновая теория света продолжает успешно развиваться. Так, например, случилось, когда после опыта в 1817 г. французских физиков Френеля и Араго оказалось, что световые волны в отличие от звуковых должны быть поперечными. Но из механики было известно, что в газах и невязких жидкостях могут распространяться только продольные волны. В реальных твердых телах волны частично продольные и частично поперечные. Чем тверже (более упруго) вещество, тем больше поперечная составляющая волны. Как показали опыты Френеля и Араго, световые волны являются чисто поперечными, а среда, в которой они распространяются, т. е. эфир, должна представлять собой абсолютно упругое, абсолютно твердое вещество. Но как себе представить вездесущее, совершенно прозрачное и проницаемое, невесомое и невязкое вещество совершенно твердым? Это был сложнейший вопрос для волновой теории света.
В 60-х годах XIX в. крупнейший физик-теоретик Максвелл создал знаменитую стройную теорию электрических и магнитных явлений. Из этой теории, в частности, следовало, что в пространстве могут распро
62
страняться со скоростью света поперечные электромагнитные волны. Стало ясно, что свет — это электромагнитные, а не упругие волны. При этом сразу же отпала необходимость предполагать наличие какой-то абсолютно упругой среды — светового эфира.
И все же в конце XIX в. волновая теория света потерпела крах. Началось с теплового излучения. Хорошо известно, что всякое достаточно хорошо нагретое тело излучает свет, накаляется. Основной закон теплового излучения был сформулирован в 1859 г. Кирхгофом. По закону Кирхгофа, чем больше при данных условиях тело поглощает световых волн определенной длины, тем больше оно излучает света этой длины волны.
Нагреем несколько тел разного цвета (белое, черное и зеленое) до одной и той же высокой температуры. Все они по-разному будут излучать свет. Белое тело отражает почти все падающие на него извне световые волны, черное все волны поглощает, а зеленое отражает зеленые волны, а остальные поглощает (поэтому оно и представляется зеленым, что от него в наш глаз попадают только отраженные зеленые лучи). Следовательно, при нагревании белое тело не будет практически излучать никаких световых волн, зеленое излучает волны всех цветов, кроме зеленого, а черное — световые волны всевозможных длин (т. е. белый свет).
Закон Кирхгофа, многократно подтвержденный экспериментально, имеет огромное значение. Из этого закона были получены важные следствия, относящиеся к излучению черных тел.
Однако все попытки теоретически определить количество энергии, излучаемой световыми волнами данной длины, были безуспешны. Над решением этой проблемы трудились такие выдающиеся физики, как русский профессор В. А. Михельсон, австрийский профессор В. Вин и известный английский ученый Рэлей. Было получено несколько формул, каждая из которых оказалась верной для определенного участка длин волн, но совершенно неверной вне этого участка. Перед физикой возникла задача вывести единую общую формулу, справедливую для любых длин волн.
После тщательного анализа работ Михельсона, Вина и Рэлея немецкий физик-теоретик Макс Планк в
63
М. Планк (1858—1947)
Выдающийся немецкий физик-теоретик, автор гипотезы квантов, положившей начало современной физике микромира.
1900 г. сумел найти такую формулу. Формула Планка полностью совпадала с опытными измерениями. Но самое удивительное было в том, что для вывода формулы Планку пришлось сделать предположение, совершенно чуждое волновой теории света, а именно, что тела могут излучать и поглощать свет не любыми количествами, а только определенными порциями, или квантами, энергия которых
E — vh,
где v — частота света,
h — знаменитая постоянная Планка.
Гипотеза квантов, т. е. предположение, которое вынужден был сделать Планк, чтобы получить правильную формулу излучения абсолютно черного тела, казавшаяся в то время совершенно непонятной и даже нелепой, лежит в основе всей современной теоретической физики.
64
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА
Вскоре гипотеза квантов М. Планка получила дальнейшее развитие. В 1905 г. никому не известный тогда 26-летний физик Альберт Эйнштейн опубликовал в научных журналах три небольшие по объему статьи. В дальнейшем оказалась, что каждая из этих статей была целой эпохой в своей области. Одна была посвящена созданной им теории относительности, другая — законам движения молекул в газах, в третьей Эйнштейн развивал новые взгляды на природу света.
Подробно исследовав установленные Столетовым закономерности фотоэффекта, Эйнштейн показал, что их никак нельзя объяснить, исходя из представлений о волновой природе света. Так, фотоэлектрический ток возникает только при облучении металла светом достаточно короткой длины волны. Но из общих соображений ясно, что только свет определенной энергии сможет вырвать электрон из вещества. Энергия же волны зависит не от частоты, а от амплитуды колебаний. Итак, если свет есть поток волн, то фотоэффект должен был бы наблюдаться только при облучении металла волнами достаточной амплитуды, а не определенной частоты. Чтобы объяснить закономерности фотоэффекта, молодой ученый выдвинул смелое утверждение, явившееся обобщением гипотезы квантов Планка.
Свет не только излучается и поглощается, но и распространяется в виде потока определенных квантов (или, как их теперь называют, фотонов) с энергией, равной hv. Чем больше частота света v, тем больше энергия его квантов (фотонов) и тем легче такие кванты могут выбить электроны из металла.
Может показаться, что квантовая или фотонная теория света Эйнштейна — возвращение к корпускулярной теории Ньютона. Но это не так. Квантовая теория света — это диалектический синтез на более высокой основе корпускулярных и волновых представлений о природе света. Можно образно сказать, что по квантовой теории свет — это поток фотонов, распространяющихся по волновым законам. Интересно, например, что и по квантовой Теории скорость света в воде меньше,
5
65
чем в пустоте (вакууме), что согласуется с опытами Физо.
В настоящее время физики считают частицы света — фотоны — такими же реальными, как электрон или протон.
По современным представлениям свет обладает взаимно противоположными и волновыми, и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция) больше проявляются волновые, в других (фотоэффект, излучение и поглощение света) проявляются корпускулярные свойства.
БОР УТОЧНЯЕТ АТОМНУЮ МОДЕЛЬ РЕЗЕРФОРДА
В каких бы условиях ни находились атомы элемента, они всегда излучают один и тот же спектр, поэтому, очевидно, что спектр непосредственно связан со строением атома. Это хорошо выразил известный немецкий физик Зоммерфельд: «Со времени открытия спектрального анализа никто из специалистов не сомневался, что проблема атома была бы решена, если бы мы научились понимать язык спектра. То, что мы слышим в говоре спектральных линий, есть настоящая музыка, звучащая в атоме».
В 1913 г. молодой датский физик, ученик Резерфорда, Нильс Бор впервые попытался объяснить спектр простейшего атома водорода.
Бор прежде всего поставил перед собой задачу: определить, как должен быть устроен атом водорода, чтобы он мог излучать спектр, описываемый формулой Бальмера. Ему было ясно, что старая модель Томсона для этой цели не годится: она никак не может объяснить, почему длины волн спектральных линий зависят только от целых чисел.
Но и новая, планетарная модель Резерфорда нуждалась в значительном уточнении. Действительно, по Резерфорду, атом водорода состоит из положительного ядра и отрицательного электрона, вращающегося по круговой орбите вокруг центрального ядра. Но движение по окружности есть движение с ускорением. В теории электричества доказывается, что при ускоренном движении зарядов излучаются электромагнитные вол-
66
И. Бор.
(188Б—1962)
Знаменитый датский физик-теоретик, ученик Резерфорда, автор теории, связавшей строение атома с излучаемым им спектром. Развил капельную модель ядра и теорию деления ядер. Сыграл большую роль в открытии принципов получения атомной энергии.
ны, т. е. свет. Частота света, излучаемого атомом Резерфорда, должна равняться частоте обращения электрона. Но тогда вследствие непрерывного излучения энергия атома должна постепенно убывать, а уменьшение энергии атома в свою очередь будет сопровождаться плавным приближением орбиты электрона к ядру. При этом электрон будет двигаться по сворачивающейся спирали (радиус которой непрерывно уменьшается), так что в конце концов электрон должен будет упасть на ядро.
Итак, если применять без всяких уточнений модель Резерфорда, то мы должны допустить, что атом должен при любых условиях излучать свет и спектр излучения должен быть сплошным, а не линейчатым. Более того, так как в атоме электрон в результате своего движения падает на ядро, то атом, как таковой, не может долго существовать.
Но все эти выводы совершенно противоречат многочисленным фактам и, прежде всего, следующим: атомы излучают не всегда, а только при определенных условиях (скажем, при нагревании или прохождении
67
через газ тока); спектры, излучаемые атомами, всегда линейчатые, причем вид этого спектра зависит от рода химического элемента; атом — устойчивая система, которая может существовать сколько угодно долго, сохраняя свои физические и химические свойства.
Из этих резких противоречий модели атома по Резерфорду и опытов Бор сделал правильный вывод о том, что внутри атома господствуют особые законы природы, что к внутриатомным процессам неприменимы закономерности, установленные в мире больших тел, содержащих огромное множество атомов. Кроме того, Бор учел особенности спектральных формул Бальмера и Ридберга и уже ставшей общепринятой гипотезу квантов Планка.
Приняв во внимание все указанные факты, Бор и выдвинул свою новую теорию строения атома. Вот как по этой теории следует уточнить модель Резерфорда, чтобы понять строение атома водорода: хотя электрон вращается вокруг ядра по круговой орбите, т. е. с ускорением, он при этом не излучает света. Электрон в атоме может двигаться не по любой круговой орбите, существуют только определенные «разрешенные» орбиты. Энергия, которой обладает атом, зависит от того, по какой орбите движется электрон. Чем больше радиус орбиты, тем больше энергия. Атом излучает только тогда, когда электрон переходит с большей (или, как говорят, более высокой) орбиты на меньшую. Чем больше разность энергии между начальной и конечной орбитой, тем больше энергия излучаемого квайта и тем короче длина волны, излучаемой при таком переходе.
Из теории Бора непосредственно вытекает формула Бальмера, которая, оказывается, соответствует переходам электрона с более высоких орбит на вторую орбиту. Теперь становится ясным, почему в формулу Бальмера входят только целые числа, начиная с трех. Это номера орбит, с которых электрон перескакивает на вторую орбиту.
Рассмотрим, как Бор теоретически получил формулу для длин волн линий спектра водорода, в точности совпавшей с формулой Бальмера. Энергия электрона в атоме складывается из кинетической энергии движения по орбите и потенциальной энергии электрического
68
притяжения. Простой расчет показывает, что полная энергия электрона
^=-4.
где г — радиус орбиты, е — заряд электрона, а знак минус появился от того, что электрон и ядро имеют разноименные заряды, численно рав
ные е.
Радиусы орбит «квантованы», т. е. могут принимать только некоторые определенные значения гь г2, г3 и т. д. При этом оказывается, что радиус наименьшей первой орбиты Г1 связан с массой tn и зарядом электрона е, а также постоянной Планка h простой формулой:
_ да
Радиусы всех последующих орбит кратны г{, а именно:
r2 = 2®r1, Гз = 32п, г4 = 42Г1 ... rn = t?ri.
Пусть электрон движется по некоторой орбите с номером и, тогда энергия электрона равна:
Если этот электрон «упадет» на другую, более низкую орбиту с номером т, то при этом излучится квант света:

_ да /J______1_\
2гт/ 2 \ Гт	Гп /
Так как произведение длины волны X на частоту v равна скорости света с
Xv — с, то мы легко получим:
1 = да /J__________1_\
X “ 2йс \ гт гп )
(1)
Бор подсчитал, таким образом, длины волн, излучаемых атомом водорода при различных переходах электрона. Подставив в (1) rm—m2t\, гп=п2гг и учитывая значение rlf получим формулу Бора:
69
1   2т2те* / 1 , 1 \
Л eft8 \т2 J ’
(2)
Бор подсчитал значение коэффициента, стоящего в формуле перед скобками. И тут обнаружился поразительный факт:
“ей5-
= 109 677 см *.
Но ведь число в правой части — это известная постоянная Ридберга. Поэтому, положив в последней формуле т = 2 (электрон «падает» на вторую орбиту), Бор получил значения длин волн, совпадающие с формулой Бальмера.
Более того, из теории Бора следовало, что наряду с бальмеровской серией в спектре водорода должны су-
ществовать и другие серии линий, соответствующие переходам на первую, третью орбиту и т. д. Бор смело
предсказал существование этих линий и теоретически
вычислил длину волн этих линий. В дальнейшем эти
серии линий были обнаружены на опыте: первая, соответствующая переходам на первую орбиту, Лайманом (серия Лаймана) и вторая, соответствующая переходам
на третью орбиту, — серия Пашена.
Серии Лаймана и
ИНФРАКРАСНЫЕ
Схема возможных электронных переходов в атоме водорода и излучаемых при этом спектральных линий.
фиолетовая
Пашена не видны простым глазом, так как первая лежит в области ультрафиолетовых, а вторая — инфракрасных лучей. Бор написал обобщенную формулу Бальмера, охватывающую все спектральные серии водорода:
где т и п — номера
конечной и начальной орбит перехода электрона.
70
Положив т — 2, получим видимую серию Бальмера, при т = 3 — серию Пашена, при т = 1 — серию Лаймана.
Прекрасные результаты теории Бора в отношении спектра водорода вызвали огромный интерес физиков и побудили многих ученых еще глубже развить планетарную модель атома Бора — Резерфорда.
ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ БОРА
(Эллиптическое квантование)
Перед теорией Бора стояла следующая задача: объяснить спектры других элементов. Наиболее простые после водорода спектры излучают щелочные металлы литий, натрий, калий и др. Длины волн этих спектральных линий можно определить с помощью формул Ридберга. В целом формулы Ридберга похожи на формулу Бальмера. И в этом нет ничего удивительного, ибо и водород, и щелочные металлы стоят в первой группе таблицы Менделеева и обладают сходными спектральными закономерностями.
Но есть одно существенное отличие между формулами Бальмера и Ридберга. В первой, как мы знаем, переменная и принимает строго целочисленные значения. В формулах же Ридберга к этим целым числам следует прибавлять небольшие поправки, величина которых менее 0,01. Конечно, такая поправка невелика, но имеет принципиальное значение. Чем объясняется ее существование?
Ответить на этот вопрос взялся один из ближайших последователей Бора — немецкий физик Зоммерфельд. Известно, что под действием сил притяжения к Солнцу планеты могут вращаться не только по круговым, но и по эллиптическим орбитам. Подобное должно наблюдаться, по Зоммерфельду, и в атомах. Но эллипс в от-
71
личие от окружности характеризуется не одним радиусом г, а двумя полуосями а и Ь. Большая полуось а определяет размер эллипса, а отношение Ь
—----его форму.
Сначала ЗоммерфеЬтьд решил проверить свои соображения на атоме водорода. Оказалось, что энергия электрона при движении по эллиптической орбите определяется формулой:
*L
2а '

Она отличается от формулы Бора для круговых орбит только тем, что вместо радиуса г здесь стоит большая полуось а. Это значит, что энергия электрона зависит только от размера эллипса,' но не от его формы.
Развивая первоначальную идею Бора, Зоммерфельд предположил, что электроны в атомах могут двигаться не по любым эллипсам, а только по некоторым, размер и форма которых вполне определенны. Причем большая полуось эллипса может принимать точно те же значения, что и радиусы боровских круговых орбит:
=	= 22Oi, as = 32а,, .... ап = n2at.
Число п, характеризующее размер орбиты, а следовательно, и энергию, называется главным квантовым числом. Но не только большая, а и малая полуось b является квантованной величиной. А именно, возмож-Ь ны такие эллипсы, у которых величина п— ~ пч прини-г	а
мает целые значения 1,2,..., и, где — азимутальное число. Изложенные условия, которым должны удовлетворять электронные орбиты в атомах, называют постулатами или правилами эллиптического квантования. Поясним теперь их смысл.
Пусть п = 1. Так как nv не может быть меньше 1 и больше п, то в этом случае tif = 1 и — = 1. Это значит,
72
что эллипсов размера at имеется только один, причем &i = ai, т. е. орбита имеет форму окружности.
Пусть п=2, очевидно, у n.f возможны два значения = 1 и n<f ~ 2. Соответственно получаем две различные орбиты размера а^: эллиптическую и круговую. Аналогично для п=3 возможны одна круговая и две эллиптические орбиты.
Как же теория эллиптического квантования объясняет закономерности атомных спектров щелочных металлов? Прежде всего отметим, что по отношению к спектру водорода мы ничего нового не получим по сравнению с первоначальной теорией, предполагавшей, что электроны движутся только по круговым орбитам. Ведь длина волны спектральной линии зависит только от энергии электрона на начальной и конечной орбите. Энергия же электрона не зависит от формы орбиты, а зависит только от ее размера.
По-иному обстоит дело в случае более сложных атомов. Здесь внешний электрон движется не только под действием силы притяжения к ядру. Некоторое воздействие («возмущение») оказывают «внутренние»
73
электроны атома. Величина этого возмущающего действия зависит от формы эллипса. На рисунке показаны три различные электронные орбиты одинакового размера. В случае атома водорода, не имеющего других электронов, все три орбиты энергетически совершенно равноправны.
Если же в атоме есть еще и внутренние электроны, то энергия на разных орбитах несколько различна. Наименьшей энергией обладает электрон, движущийся по самой вытянутой орбите, наибольшей — на круговой орбите. Выяснив это обстоятельство, Зоммерфельд теоретически показал, что наличие возмущения приводит к появлению небольших поправок в формулах Ридберга. Но чтобы получить полное согласие с формулами Ридберга, Зоммерфельду пришлось ввести еще одно дополнительное предположение, получившее название «правила отбора».
Смысл этого правила состоит в том, что возможны не любые переходы электрона с каждой верхней на более низкую орбиту, а только «дозволенные». Согласно правилу отбора, возможен переход электрона с одной орбиты на другую, более низкую, если азимутальные квантовые числа этих орбит отличаются на единицу:
= Дл^ = zt 1.
Если не вводить правила отбора, то в спектре щелочных металлов должно было быть значительно больше линий, чем в действительности.
Таким образом, с помощью эллиптического квантования и правила отбора улучшенная Зоммерфельдом теория Бора теоретически предсказывала формулы Ридберга и объясняла спектры щелочных металлов.
74
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНОВ
Много внимания уделили мы электрону, но далеко не со всеми важнейшими его свойствами познакомились. Ничего еще не рассказывалось о магнитных свойствах электрона.
Задолго до нашей эры греки знали удивительную способность магнитных железных руд притягивать к себе маленькие кусочки таких же руд.
В 1785 г. французский физик Кулон открыл закон взаимодействия магнитных полюсов. Магнитный закон Кулона подобен почти одновременно открытому им закону взаимодействия электрических зарядов. Вокруг магнитных полюсов всегда существует магнитное поле. Если поместить в такое поле магнитную стрелку, то она ориентируется определенным образом вдоль силовых линий поля. Если поместить магнитную стрелку перпендикулярно силовым линиям, то со стороны магнитного поля на нее будет действовать момент сил N, стремящийся повернуть стрелку вдоль линий. Пользуясь магнитным законом Кулона, легко вычислить, что величина этого момента сил равна :
TV = mJ,H,
где т0 — величина одного из магнитных полюсов стрелки, I — длина стрелки, Н — напряженность маг
нитного поля.
Произведение тй1 зависит только от степени намаг
ниченности и расстояния между называется магнитным моментом ц. Магнитный момент изображают в виде векторной стрелки, направленной от южного полюса к северному.
В 1820 г. датский ученый Эрстед сделал важное для учения о магнетизме открытие. Он заметил, что магнитная стрелка отклоняется не только при поднесении магнита, но и проводника с постоянным током. Очевидно, что вокруг электрического тока также существует магнитное поле. Сейчас уже твердо
полюсами магнита и
yU- m-8
75
там, где электри-
установлено: перемещаются ческие заряды, т. е. идет ток, всегда есть и магнитное поле. Опыты показывают, что вокруг катушки, по которой протекает ток, существует магнитное поле, весьма похожее на поле постоянного магнита. Простейшим типом такой катушки служит виток тока — катушка, состоящая из одного вит ка проволоки. Виток тока в магнитном отношении ведет себя как магнитная стрелка, перпендикулярная плоскости витка. Действительно, если подвесить виток тока в магнитном поле, то под действием магнитных сил виток установится так, чтобы его магнитный момент р, совпал с направлением линий поля.
Теория показывает, что магнитный момент любого замкнутого проводника с током равен произведению силы тока I на площадь витка S:

Так как по теории Бора электроны в атоме движутся по круговым 1 орбитам, то каждой электронной орбите соответствует определенный орбитальный магнитный момент ц. Величина орбитального момента зависит от площади круга орбиты S. Мы знаем, что радиус электронной орбиты в атоме не может быть произвольным. Существуют орбиты только определенных радиусов Г1, г2, г3, ..., причем радиусы второй, третьей и т. д. орбит в целое число раз больше радиуса орбиты rt.
Поэтому и орбитальные магнитные моменты не могут принимать любых значений — они всегда кратны
1 Как уже упоминалось, электроны могут двигаться и по эллиптическим орбитам, но для простоты мы говорим только о круговых.
76
магнитному моменту первой орбиты pt, названному магнетоном Бора. Электрон, двигаясь по любой возможной .атомной орбите, может обладать магнитным моментом ц, равным либо Ц|, либо 2pi, либо Зр,] и т. д., но никогда не может иметь 3 । момент, равный, скажем, Ц].
Магнетон Бора служит как бы своеобразным мельчайшим зерном, «атомом» магнетизма, подобно тому как заряд электрона играет роль «атома» электричества. Как показывает расчет, величина магнитного момента ц При движении электрона по некоторой орбите равна произведению азимутального квантового числа на магнетон Бора:
Н = Vi-
Это значит, что магнитный момент зависит не от размера, а от формы орбиты.
Какое же влияние на характер излучения света атомом оказывает существование у электрона магнитного момента? Ответ на этот вопрос зависит от того, в каких условиях находятся атомы, излучающие свет. Мы уже неоднократно подчеркивали, что длины волн спектральных линий определяются энергиями электрона на начальной и конечной орбите атома. Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля в атомном спектре роль магнитного момента не проявляется. Другим будет ответ, когда источник света находится в магнитном поле.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И АТОМНЫЙ СПЕКТР
(Пространственное квантование)
В 1896 г. голландский физик Зееман по совету своего учителя Г. Лоренца поставил такой опыт. Поместив источник света между полюсами сильного электромагнита, он наблюдал в спектроскоп, как влияет
77
внешнее магнитное поле на вид спектральных линий. Оказалось, что, как и предполагал Лоренц, при включении электромагнита каждая спектральная линия как бы расщеплялась на три близкие линии. Это нормальное явление Зеемана вполне удовлетворительно сумел объяснить Лоренц, исходя из Томсоновой модели атома.
Но вскоре выяснилось, что чаще спектральные линии под действием магнитного поля расщепляются не на три, а на пять, семь и большее число тонких линий. Такое расщепление в отличие от нормального явления Зеемана было названо аномальным («а» — греческое отрицание, соответствующее русскому «не»). Аномальный эффект Зеемана электронная теория совершенно не могла объяснить. Естественно, что теория Бора должна была доказать, что явление Зеемана можно объяснить на основе планетарной модели атома.
Для этой цели в теории Бора пришлось сделать еще два необычных предположения. Одно, получившее название пространственного квантования, утверждает, что плоскость орбиты не может располагаться в пространстве произвольным образом; «дозволенными» являются только некоторые определенные ориентации.
Например, пусть атом находится в магнитном поле, направленном вертикально вверх. Тогда плоскость любой орбиты может располагаться только таким образом, чтобы проекция орбитального магнитного момента ц на вертикаль содержала целое число магнетонов
1
т = 1
-----*-т=0
т=-1
78
Бора. Обозначим проекцию магнитного момента ц на направление магнитного поля Н через |t/7. Тогда условие пространственного квантования выразится в виде равенства:
V-н = т^, где tn — целое число (положительное или отрицательное), называемое магнитным квантовым числом.
Так как проекция отрезка не может быть больше самого отрезка, то ц/7 меньше или равно ц. Но орбитальный магнитный момент ц тоже кратен Ц1, а именно р,= zz<p - р.х. Сопоставляя формулы для ц/7 и ц, получим, что магнитное квантовое число может принимать следующие значения: т = 0, ±1, ±2,..., ±nv. Например, орбита, азимутальное число которой /г¥ = 1, может иметь три ориентации т = 0, ±1. У орбиты с nt = 2 возможны пять ориентаций: т = 0, ±1, ±2 и т. д. Вспомним теперь, что магнитное поле стремится повернуть магнитную стрелку и установить ее вдоль силовых линий. Следовательно, любой магнитный момент обладает некоторой энергией в магнитном поле. Величина этой магнитной энергии равна произведению напряженности поля // на проекцию магнитного момента |i /7:
Так как электронная орбита обладает магнитным моментом, то в присутствии магнитного поля энергия электрона будет состоять, помимо кинетической и электрической, еще из магнитной энергии Для разных ориентаций орбит ц/7 различно, поэтому и величина добавки WM (сама по себе незначительная) будет неодинакова.
Второе предположение, сделанное в теории Бора, — это правило отбора магнитного квантового числа. Ранее мы уже встречались с одним правилом отбора для азимутального числа п*.
По новому правилу возможность перехода электрона с одной орбиты на другую зависит не только от форм этих орбит, но и от их ориентаций. А именно дозволены такие переходы, при которых, помимо выполнения условия	±1, магнитные числа т2 и W| началь-
79
ной и конечной орбит либо равны, либо отличаются на единицу. Это правило выражается в виде формулы:
т2 — mt = Ат = 0, ± 1.
Таким образом, на произвольную орбиту может «упасть» электрон с трех различно ориентированных более высоких орбит данного размера и формы.
Теперь можно представить себе, какое влияние на атомный спектр оказывает внешнее магнитное поле. Пусть источник содержит три миллиона атомов водорода, у которых электрон движется по орбите «<р=1.По условию пространственного квантования такая орбита может иметь три ориентации. Можно предположить, что из общего количества излучающих атомов (три миллиона) у одного миллиона атомов орбита имеет одну ориентацию, у второго миллиона — другую, а у оставшегося количества атомов орбиты расположены третьим возможным образом. У каждого атома электрон с более высокой орбиты может упасть на одну и ту же нижнюю орбиту. При этоМ, конечно, будет излучаться квант света, равный разности энергий на верхней и нижней орбите:
hv=Ws— U/j.
Поскольку в отсутствие магнитного поля энергия электрона не зависит от ориентации орбиты, то все три миллиона атомов излучат одну и ту же спектральную линию.
Если же источник света находится в магнитном поле, то полная энергия электрона начальной орбиты будет зависеть от ее ориентации. Поэтому в этом случае
80
мы будем вместо одной спектральной линии, излучаемой тремя миллионами атомов, наблюдать три различные линии, каждая из которых излучена одним миллионом атомов. Таким образом, и, согласно теории Бора, должно всегда наблюдаться расщепление спектральной линии в магнитном поле на три близкие линии — ♦триплет», т. е. нормальный эффект Зеемана. А как объяснить аномальную разновидность этого эффекта? На этот вопрос теория Бора смогла ответить значительно позднее, когда был открыт «спин» электрона.
О том, что такое «спин» и как он был открыт, и рассказывается дальше.
СПИН И СОБСТВЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ЭЛЕКТРОНА
Рассматривая спектры щелочных металлов в очень сильные спектроскопы, ученые обнаружили, что в действительности каждая линия состоит из двух близких линий, образует «дублет». Но почему происходит такое расщепление каждой спектральной линии на две, образующие тонкую структуру спектра? Ответить на этот вопрос теория Бора, несмотря на многие попытки, не смогла. Вновь в теоретической физике создалось трудное положение. Но, как всегда, в истории естествознания такие трудности в науке служат толчком к дальнейшему углублению представлений о свойствах материи. Так произошло и на этот раз.
В 1925 г. молодые голландские физики Гаудсмит и Юленбек предложили интересное объяснение причины возникновения дублетов с помощью так называемой гипотезы спина.
Спин — это английское слово, означающее веретено, волчок. Согласно гипотезе Гаудсмита и Юленбека, каждый электрон, двигаясь по эллиптической орбите вокруг ядра, одновременно вращается вокруг собственной оси. Таким образом, гипотеза спина еще больше уподобляет движение электрона в атоме движению вокруг Солнца планет, совершающих и годовое, и суточное вращение. В дальнейшем выяснилось, что аналогия эта только внешняя.
Свойство электрона вращаться вокруг своей оси и называется спином. Так как электрон обладает элек
6	81
трическим зарядом, то это вращение должно сопровождаться образованием магнитного поля, характеризуемого собственным магнитным моментом. Иными словами, электрон в атоме обладает, помимо орбитального магнитного момента ц, являющегося следствием орбитального движения, еще и собственным магнитным мо
ментом ps, возникающим от ♦спинового» вращения.
Согласно гипотезе Гаудсмита и Юленбека, спин и собственный магнитный момент электрона должны обладать следующими основными свойствами:
1) Угловая скорость ♦суточного» вращения электрона вокруг собственной оси всегда одна и та же и является величиной, характерной для электрона. Отсюда следует, что и спиновый магнитный момент электро
на — это универсальная постоянная, равная, как показали последующие опыты, магнетону Бора.
2) Ось электрона, т. е. ось его собственного враще
ния, может располагаться в пространстве только одним единственным образом. Это надо понимать так. Допустим, что поместили атом в магнитное (или электрическое) поле, направленное вертикально вверх. Тогда оси вращения всех электронов этого атома обязательно займут также вертикальное положение. При этом каждый из электронов может вращаться вокруг этой оси либо по часовой, либо против часовой стрелки. В зависимости от направления вращения собственный магнитный момент электрона направлен либо вверх, либо
вниз.
Приняв во внимание свойства спина, мы можем теперь объяснить в общих чертах, почему спектральные линии представляют собой дублеты. Дело в том, что
из-за наличия у электрона спинового магнитного мо
мента полная энергия каждого электрона в атоме всегда состоит из трех слагаемых. Это — кинетическая энергия движения, электрическая энергия взаимодействия (притяжения) к
ядру и магнитная энергия взаимодействия орбитального и опинового магнитных моментов. Последнее слагаемое мало по сравнению с двумя первыми, его теория
82
Бора не учитывала и не могла учитывать до появления гипотезы спина. И до тех пор, пока физики рассматривали спектр одновалентных атомов в общих чертах, такое пренебрежение оказывалось вполне допустимым. Для того же, чтобы объяснить тонкую структуру спектра, необходимо было учесть магнитное взаимодействие моментов. Допустим, что в источнике света одновременно излучает одну и ту же линию определенное количество одновалентных атомов. Это может быть в том случае, если внешние электроны во всех атомах движутся по одинаковым орбитам. При этом кинетическая и электрическая энергия внешнего электрона во всех атомах одна и та же. Но магнитная энергия может быть различной. У той части атомов, где собственный магнитный момент электрона параллелен его орбитальному магнитному моменту, величина взаимодействия будет иной, чем у второй части, где эти магнитные стрелки будут антипараллельны. Поэтому у одной половины атомов энергия внешнего электрона будет отличаться, хотя и незначительно, от соответствующей энергии у другой половины излучающих атомов. Следовательно, и частота излучаемых ими световых волн будет несколько отличаться, и мы увидим в спектроскопе дублет.
Итак, если принять гипотезу спина, то становится понятна тонкая структура спектра. Но достаточно ли этого доказательства для принятия этой гипотезы? Оказывается, что можно поставить опыты, непосредственно подтверждающие эту гипотезу. Наиболее убедительный опыт осуществили немецкие физики Штерн и Герлах. В сосуде, из которого до предела был выкачан воздух, создавался узкий пучок быстрых электронов. С помощью сильного электромагнита внутри сосуда можно было создавать неоднородное магнитное поле, направленное перпендикулярно к направлению движения электронов. Когда поле отсутствовало, электроны попадали в центр экрана. При включении же
83
электромагнита на экране вместо одного пятна получалось два, расположенных симметрично по обе стороны от центра. Это расщепление пучка можно объяснить только тем, что у одной части летевших электронов собственный магнитный момент был направлен вдоль поля, у другой — против поля. Поэтому сила отклоняющего действия со стороны внешнего поля на электроны будет различной и пучок разделится на два. Более того, из своего опыта Штерн и Герлах вычислили собственный магнитный момент электрона. Он оказался в точности равным одному магнетону Бора.
Что электрон обладает спином и связанным с ним магнитным моментом, следует также из магнитномеханических опытов. Один из них был поставлен еще в 1916 г. А. Эйнштейном и голландским физиком-экспериментатором де Гаазом. Внутри проволочной катушки подвешивается на тонкой нити железный стерженек. Если по катушке пропустить ток, то его магнитное поле намагнитит стерженек. При изменении направления тока в катушке стерженек перемагничивается, и при этом, как обнаружилось, стерженек немного повернется вокруг оси, закручивая нить, на которой он висит. Через несколько лет физик Барнет осуществил обратный опыт: приводя в быстрое вращение железные стерженьки, он заметил их намагничивание. При изменении направления вращения стерженьки перемагничивались.
Оба эти опыта до появления гипотезы спина не могли быть удовлетворительно объяснены. Когда же выяснилось, что каждый электрон представляет собой как бы волчок с магнитной стрелкой, направленной вдоль оси вращения, то сущность магнитно-механических явлений стала совершенно понятной. Более того, из опытов Эйнштейна—де Гааза и Барнета можно было вычислить величину собственного магнитного момента электрона — он оказался и в этом случае равным магнетону Бора.
Рассмотрим теперь некоторые общие вопросы, связанные со спином электрона и его магнитным моментом. Существование у электрона спина еще раз убеждает нас в справедливости гениального научного пророчества В. И. Ленина, который, исходя из общих законов диалектического материализма, еще более 50 лет
84
назад утверждал, что «электрон так же неисчерпан, как и атом».
Действительно, можно ли считать электрон просто маленьким заряженным шариком, как утверждали в свое время некоторые ученые? Конечно, нет. Электрон обладает многими своеобразными свойствами, и прежде всего спином и связанным с ним магнитным моментом. При этом, как в настоящее время твердо доказано, спин нельзя понимать буквально, как вращение электрона вокруг собственной оси. Спин — это такое же внутреннее свойство электрона, как и его заряд или масса. Кстати, спином и собственным магнитным моментом обладает не только электрон, но и некоторые другие элементарные частицы и в том числе нейтрон, лишенный электрического заряда. Величину спина частицы выражают в условных единицах. Так, спин электрона, протона и нейтрона равен ’/г фотона — 1, у тяжелых мезонов — 0.
EAAEEOOTLPODOtbO ffi АПГФСМЗМИ
этой главе мы познакомимся с основными свойствами электронов, образующих оболочку атома, с историей развития наших представлений об электроне и электронных явлениях.
ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ
К началу XX в. физики убедились в том, что вещество любого тела имеет электрическое строение. Это подтверждалось разнообразными фактами: существованием катодных и анодных лучей, фотоэлектрическим эффектом и термоэлектронной эмиссией, существованием электрона и радиоактивным распадом.
Но если все тела состоят из положительных и отрицательных зарядов, то как объяснить существование в природе веществ с совершенно отличными физическими свойствами? Почему наряду с электрическими проводниками встречаются изоляторы? Отчего одни тела легко намагничиваются, а на другие магнитное поле практически не действует? В чем причина того, что стекло прозрачно (пропускает световые электромагнитные волны), а металлы нет? С другой стороны, металлы хорошо проводят тепло, а стекло — плохо. С чем это связано?
Чтобы ответить на эти и многие подобные вопросы, необходимо было создать электрическую теорию строения вещества. За решение этой большой и интересной задачи взялся голландский физик-теоретик Гендрик Антон Лоренц. Свою теорию он создавал более десяти лет и в окончательном виде изложил в знаменитой книге «Теория электронов», изданной в 1909 г.
86
Основным опытным фактом, послужившим Лоренцу исходным пунктом при создании электронной теории, было открытие электрона, а важнейшим теоретическим положением — модель атома по Томсону. Открытие электрона доказало зернистое, или, как принято говорить, дискретное строение электричества. Любой электрический заряд всегда равен целому числу элементарных зарядов е.
По электронной теории Лоренца атомы вещества состоят из отрицательных электронов и положительно заряженных частиц. Эти мельчайшие заряды служат источниками электрического поля внутри вещества. При своем движении электроны образуют вокруг себя еще и мапнитное поле. Таким образом, в веществе существует порожденное атомными зарядами электромагнитное поле, в свою очередь воздействующее на эти заряды.
Различия в свойствах тел, согласно этой теории, объясняются разным пространственным распределением зарядов и характером их движения внутри вещества.
ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛАХ
Первым успехом электронной теории было объяснение причин различия в свойствах проводников электричества (металлов) и диэлектриков (изоляторов). Если собрать электрическую цепь из нескольких различных металлов и пропустить по цепи ток, то никакого изменения химического состава у металлов при этом не наблюдается. Так, например, ученый Рике пропускал по такой цепи ток большой силы в течение нескольких месяцев. Но последующий химический анализ проводников не обнаружил ни малейшего присутствия в каждом из них следов атомов другого. Это могло быть при условии, что носителями электрического тока в металлах служат заряды, лишенные химической индивидуальности, т. е. такие части атома, которые совершенно одинаковы у всех металлов1. Поэтому предположили,
1 Наоборот, прохождение тока через электролиты (растворы солей, кислот и щелочей) всегда сопровождается выделением некоторых веществ на электродах. В этом случае носителями тока являются положительно и отрицательно заряженные части атомов — ионы, движущиеся в противоположных направлениях.
87
что носители тока в металлах — это электроны, ведь электроны разных тел одинаковы.
Металл по электронной теории состоит из неподвижных положительных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки, и свободных электронов, которые могут, почти не взаимодействуя с ионами и друг с другом, двигаться хаотически внутри металла, подобно частицам газа. Если к металлу приложить разность потенциалов, то хаотическое движение электронов превратится в направленное ускоренное движение под действием сил электрического поля. Так как теперь электроны будут двигаться преимущественно в одну сторону, то они будут переносить заряд, т. е. по металлу пойдет ток. На пути электронам встречаются ионы, сталкиваясь с которыми электроны отдают им накопленную кинетическую энергию. Ионы начинают интенсивнее колебаться — температура металла повышается. Вот почему при прохождении тока в проводнике выделяется теплота (закон Джоуля — Ленца).
Основное положение электронной теории — носители тока в металлах — это электроны — было доказано опытами Толмена и Стюарта в 1916 г. Идея их опытов состояла в следующем: если куску металла сообщить большую скорость, скажем, вправо, а затем его резко затормозить, то находящиеся в нем электроны по инерции будут продолжать свое движение. Электроны, накопившись в правой части металла, образуют отрицательный заряд. Левая часть куска металла, лишившись части электронов, зарядится положительно. С помощью весьма чувствительного гальванометра Толмен и Стюарт действительно обнаружили возникшую между концами металлического стержня разность потенциалов. Более того, из этих опытов они определили величину заряда электрона. Она оказалась такой же, как и в опытах Милликена.
Электронная теория металлов, исходя из указанных представлений, довольно просто объясняла не только закон Джоуля—Ленца, но и закон Ома: чем выше напряжение, тем с большей скоростью движутся в металле электроны, т. е. сила тока увеличивается. Также просто эта теория выяснила причину зависимости удельного сопротивления металла от температуры. Чем
88

Г. А. Лоренц (1854—1928)
Выдающийся голландский физик-теоретик. Основоположник электронной теории, объяснившей строение различных типов тел. Выяснил сущность многих электрических и оптических явлений.
выше температура, тем сильнее колебания ионов, а значит, тем чаще сталкиваются с ними электроны, т. е. с повышением температуры электронам все труднее пробираться через металл — сопротивление увеличивается.
В физике существует закон Видемана—Франца, по которому, чем лучше металл проводит электрический ток, тем лучше он проводит и тепло. Так, наилучшие проводники среди металлов — серебро, медь, золото — прекрасные проводники тепла. Электронная теория объяснила и этот закон. Электропроводность металла, естественно, тем выше, чем больше в нем свободных электронов.
От количества свободных электронов должна зависеть и теплопроводность металла. Действительно, если нагреть левый конец металлического стержня, то при этом увеличится размах колебаний атомов (вернее, атомных остатков) в узлах решетки. Сталкиваясь с этими атомами, электроны тоже начнут двигаться быст
89
рее. Можно сказать, что «давление электронного газа» в левой части стержня станет больше, чем в правой. Поэтому быстро движущиеся электроны будут перемещаться вправо, сообщая свою избыточную энергию встречающимся на их пути атомам. В результате в правой части стержня частота колебаний атомов также увеличится, что приведет к повышению температуры. Чем больше в металле свободных электронов — «переносчиков тепла», тем быстрее распространяется в нем теплота. Таким образом, не только электропроводность, но и теплопроводность металла пропорциональна числу существующих в нем свободных электронов.'
Сущность термоэлектронной эмиссии по теории Лоренца состоит в следующем. Так как суммарный заряд всех электронов и ионов металла равен нулю, то электрического поля вне и внутри металла в обычных условиях нет. Поэтому электроны довольно свободно движутся между ионами, только изредка сталкиваясь с ними. Электроны в металле напоминают мелких рыбок, плавающих внутри сети с очень крупными ячейками.
Но эта аналогия сразу же исчезает, как только электрон выскочит за пределы металла. Ибо в отличие от рыбки, выплывшей из сети, на вылетевший из металла электрон начинает действовать сила, втягивающая его обратно внутрь. Нетрудно понять причину появления этой силы. Ведь вокруг металла нет электрического поля именно потому, что отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом ионов. Но как только хотя бы один электрон вылетит из металла, металл заряжается положительно. Между металлом и электроном по закону Кулона возникает сила притяжения — она-то и заставит электрон возвратиться в металл. Поэтому в обычном, холодном состоянии электроны не могут вырваться из металла. А при нагревании металла скорость электронов увеличивается и при достаточно высокой температуре некоторые наиболее быстрые электроны способны уже преодолеть электрическое притяжение и вырваться наружу. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов вырывается, или, как говорят, эмитирует из металла.
90
ДИЭЛЕКТРИКИ
Рассмотрим, как электронная теория объясняет строение диэлектриков. Если поместить диэлектрик в электрическое поле, скажем, между пластинами конденсатора, то на его поверхности появятся заряды: сторона, которая ближе к положительной пластине, приобретает отрицательный, а противоположная — положительный заряд. Явление накопления в электрическом поле противоположных зарядов на поверхности диэлектрика называется поляризацией.
Степень накопления в электрическом поле зарядов на поверхности диэлектрика характеризуют поляризацией Р, равной величине заряда 1 см2 поверхности тела. Опыт показывает, что с увеличением напряженности поля Е растет и поляризация диэлектрика. Но не все диэлектрики в одном и том же поле поляризуются одинаково. Поляризация диэлектрика определяется по формуле:
где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от рода диэлектрика и называемый поляризуемостью *.
По Лоренцу, в отличие от проводников в диэлектрике нет свободных зарядов. Каждый атом в нем, как и в свободном состоянии, нейтрален: электроны удерживаются притяжением к центру положительно заряженного шара (модель Томсона). Если поместить диэлектрик во внешнее электрическое поле, то это поле будет действовать на отрицательные и положительные заряды атомов силами, направленными в противоположные стороны. В результате каждый атом как бы растягивается подобно пружине, на концах которой расположены разноименные заряды.
Под действием поля деформируются, или, как говорят, поляризуются, все атомы тела. Строение поляризованного диэлектрика схематически изображено на рисунке. Внутри тела отрицательные и положительные
1 Электрические свойства диэлектрика чаще характеризуют диэлектрической постоянной е, которая связана с поляризуемостью простой зависимостью е = 1 + 4 па.
91
заряды компенсируются, а на левой и правой гранях накапливаются разноименные заряды. Чем сильнее растянуты «пружины» атомов, тем большее количество зарядов оказывается на поверхности тела. Но для большей деформации атомов необходимо приложить большую силу. Поэтому с увеличением напряженности внешнего поля Е растет поляризация диэлектрика Р.
С помощью таких представлений о строении диэлектриков Лоренц и его последователи вполне удовлетворительно объяснили известные тогда свойства тел, не проводящих электрического тока.
После этих работ Лоренца многие физики-экспериментаторы начали всесторонне изучать свойства различных диэлектриков. И вот к каким выводам они вскоре пришли. Большинство диэлектриков действительно ведет себя «нормально», т. е. так, как это следует из теории Лоренца. Наряду с этим существуют в природе и такие диэлектрики, свойства которых нельзя понять, если стоять на точке зрения Лоренца. Так, например, по Лоренцу, поляризуемость а, определяемая смещением зарядов в атомах вещества, не должна зависеть от температуры. Для большинства диэлектриков это справедливо. Но у некоторых непроводников величина коэффициента а очень сильно зависит от температуры: чем более нагрето тело, тем хуже оно поляризуется. Кроме того, у такого типа диэлектриков наблюдается еще одно непонятное с точки зрения теории Лоренца явление — насыщение поляризации.
О	УЧАУ4©	О ЛПА©	© ЧУЧ/ЧА О	О ЧА/Ч	с
о	ААУ'О	© КАУЧ/ ©	© мч/ч/ч©	О УУ	©
©	ЧУЧА©	О чаууО	8jwvO	О-УУ/	.©
о	у у ,©	©^ЛЛг-г©	О ЧАУЧУ©	О мча	о
о	АУЧА-© —	О vw-.C	© "\ZV\rO	©У УЧА	©
А именно при очень низких температурах и огромных электрических полях поляризация диэлектрика достигает некоторого максимального значения и при дальнейшем увеличении поля не растет. По Лоренцу, поляризация Р всегда прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е.
Выход из создавшего
Е = о
ся положения нашел за-
мечательный французский физик Поль Ланжевен в 1912 г. Он выяснил, что существуют два типа диэлектриков. У одних поляризация действительно происходит по схеме Лоренца. У второго же типа диэлектриков молекулы, хотя в целом и нейтральны, имеют несимметричное, или, как говорят, полярное, электрическое строение. Простейшим примером такого типа диэлектриков может служить молекула кристалла поваренной соли. Эта молекула состоит из положительного иона натрия и отрицательного иона хлора. Сила притяжения между ионами столь велика, что внешнее электрическое поле не в состоянии растянуть, деформировать такую молекулу, говорят, что она жесткая. Такая молекула ведет себя в электрическом поле так, как магнитная стрелка в магнитном поле. Поэтому будем называть жесткие молекулы таких диэлектриков электрическими стрелками. Пока внешнего поля нет, электрические стрелки молекул расположены совершенно хаотически и в целом тело не поляризовано. Под действием же поля электрические стрелки рачнут поворачиваться, ориентируясь вдоль поля, что и приводит к поляризации. Конечно, такому упорядочению будет мешать тепловое хаотическое движение молекул. Поэтому у таких диэлектриков с жесткими электрическими стрелками поляризуемость а должна зависеть от температуры: чем выше температура тела, тем меньше его поляризуемость.
С точки зрения теории Ланжевена нетрудно понять,
93
в чем сущность насыщенной поляризации и почему это явление наблюдается при низких температурах и в очень сильных полях. Насыщение поляризации диэлектриков с жесткими молекулами наступит тогда, когда все электрические стрелки повернутся вдоль поля. С этого момента дальнейшее увеличение внешнего поля не может увеличить поляризацию.
Степень средней ориентированности в диэлектрике электрических стрелок тем выше, чем больше поворачивающая их сила и чем меньше тепловое движение молекул. Полная ориентированность электрических стрелок может наблюдаться только в очень сильных полях и при весьма низких температурах.
МАГНЕТИКИ
Магнетиками называются тела, способные намагничиваться в магнитном поле. Строго говоря, магнетиком может быть любое тело в природе. Но не все тела ведут себя в магнитном поле одинаково.
Впервые, более ста лет назад, экспериментально изучал поведение различных веществ в магнитном поле Майкл Фарадей. Он подвешивал между полюсами электромагнитов стерженьки из различных металлов. При включении электрического тока возникало сильное магнитное поле, которое по-разному действовало на различные стерженьки. Образцы, изготовленные из вольфрама, марганца, платины, хрома, поворачивались и располагались вдоль силовых линий магнитного поля. Фарадей назвал их парамагнитными («пара» по-гречески — вдоль). К группе диамагнитных веществ Фарадей отнес медь, цинк, серебро, золото, висмут.
Стерженьки из этих металлов при включении тока устанавливались поперек силовых линий магнитного поля («диа» по-гречески — поперек).
Подобно парамагнитным телам, ведут себя в магнитном поле железо, кобальт, никель и их сплавы. Но так как они обладают особенно большой способностью к намагничиванию даже в очень слабых полях, то их выделили в особую группу — ферромагнетиков («фер-рум» по-латыни — железо).
Фарадей обнаружил, что не только металлы и вообще твердые тела, но и жидкости, и газы способны намагничиваться — одни, как парамагнетики, другие, как диамагнетики. На рисунке показано затягивание в магнитное поле парамагнитной жидкости и выталкивание пламени свечи (раскаленные газы диамагнитны). Подчеркнем еще раз, что, хотя большинство тел намагничиваются очень слабо, магнетизм является непременным свойством любого вещества.
Одной из важнейших задач электронной теории было объяснение природы магнетизма и причин существования различных типов магнетиков. Прежде всего следовало понять явление диамагнетизма. Ведь среди различных веществ природы чаще всего встречаются именно диамагнитные вещества (к ним относятся, например, водород, кислород, вода, стекло, каменная соль). Другой, не менее важной причиной особого интереса физиков к диамагнетизму была удивительная необычность этого явления.
Намагничение — это накопление магнитных зарядов на поверхности тела, помещенного в магнитное поле. Ясно, что намагничение тел в магнитном поле должно быть подобно поляризации тел в электрическом поле. Поэтому у магнетиков величина намагничения ц связана с напряженностью поля Н такой же формулой, как поляризация диэлектриков:
р = хЛ/,
где х — коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью. У диэлектриков поляризуемость а всегда положительна, а магнитная восприимчивость у диамагнитных тел отрицательна.
Какая же сила заставляет так располагать элемен-
95
тарные магниты? Ответить на этот вопрос электронная теория смогла после того, как было обнаружено планетарное строение атомов.
Мы уже знаем, что любой электрон в атоме обладает орбитальным и собственным магнитными моментами. Каждый из этих моментов может быть направлен в ту или противоположную сторону. Если сложить алгебраически все магнитные моменты электронов, то получится общий магнитный момент атома. (Ядро атома тоже обладает магнитным моментом, но он очень мал, и его можно не учитывать.)
Очевидно, что у некоторых атомов общий магнитный момент будет равен нулю. Таковы, например, атомы инертных газов — гелия и неона, металлов — меди, висмута и сурьмы и многих других веществ. Это все диамагнитные материалы. В других случаях магнитные моменты электронов в атоме не компенсируются и общий момент их не равен нулю. Такие атомы ведут себя как элементарные магнитики, а вещество, состоящее из таких атомов, — парамагнитное.
Особый случай у ферромагнетиков. Атомы ферромагнитных веществ обладают магнитным моментом, складывающимся, как оказалось, из спиновых моментов внешних электронов.
Электронная теория показала, что в любом атоме независимо от того, обладал ли он вначале магнитным моментом или нет, под действием внешнего магнитного поля возникает дополнительный момент, направленный в сторону, противоположную внешнему полю. Величина этого отрицательного по направлению диамагнитного момента мала и становится заметной только
96
тогда, когда общий момент атома в отсутствие поля равен нулю.
Каждый атом у парамагнитных веществ обладает магнитным моментом. Но в отсутствие внешнего магнитного поля эти моменты направлены совершенно хаотично, так что в целом, намагниче
ние тела равно нулю. Если же парамагнетик поместить в магнитное поле, то поле бу-
дет ориентировать атомные моменты, стремясь установить их вдоль силовых линий поля. Намагничение
парамагнетиков происходит так же, как поляризация диэлектриков с жесткими стрелками.
Что же касается ферромагнетиков, то их строение оказалось более сложным. Теория ферромагнетиков была создана только на основе квантовой механики.
КАК АТОМНАЯ ФИЗИКА ОБЪЯСНЯЕТ ПЕРИОДИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ МЕНДЕЛЕЕВА
Перед физиками стояла задача — выяснить причину периодичности свойств элементов, установленной Менделеевым. Надо было понять, почему периодически повторяются химические и спектральные свойства атомов при последовательном увеличении порядкового номера, т. е. заряда ядра, и, следовательно, числа электронов. Теория атома должна была объяснить, почему таблица Менделеева может служить как бы картой атомного мира.
И эту сложнейшую проблему наука сумела решить. Опыты указывали на то, что не все электроны в атоме
одинаково прочно связаны с ядром и, по-видимому, различно расположены в атоме. Так, например, атомы элементов первой группы — щелочных металлов — лития, натрия, калия, рубидия, цезия легко
7
97
теряют по одному электрону, превращаясь в однозарядные ионы, но оторвать у них по второму электрону оказывается неизмеримо труднее. У атомов элементов второй группы — щелочноземельных металлов — бериллия, магния, кальция, стронция, бария и радия можно легко отделить два электрона. Но значительно сложнее выбить третий, четвертый и все другие электроны. Аналогично у элементов третьей группы. Из их атомов по три электрона отрывается намного легче, чем любой из последующих.
Естественно предположить, что легко отделяемые электроны расположены в атоме дальше от ядра, чем остальные. Двигаясь по более удаленным, периферическим орбитам, эти электроны менее прочно «привязаны» к ядру. Для отрыва таких «внешних» электронов не нужно много энергии.
У каждого химического элемента электрон в атоме можно разбить на несколько групп. Энергия ионизации (т. е. отрыва от ядра) различных электронов одной группы приблизительно одна и та же, меняясь скачком при переходе к последующей группе. Рассмотрим, например, атом натрия. Он занимает 11-е место в таблице Менделеева, и, следовательно, вокруг его ядра вращается одиннадцать электронов. Как показывают опыты, один электрон отрывается легко. Но чтобы оторвать любой из последующих восьми электронов, нужно затратить почти вдвое большую энергию. А на отрыв последних двух электронов — десятого или одиннадцатого — вновь нужно увеличить затрату энергии еще почти вдвое. Очевидно, что одиннадцать электронов располагаются в атоме натрия следующим образом: два электрона наиболее прочно связаны с ядром — они движутся по наименьшей орбите, последующие восемь — вращаются по орбитам большего радиуса (одинакового для всех этих восьми электронов), наконец, одиннадцатый, последний электрон, движется по самой большой внешней орбите.
Возникает естественный вопрос: почему электроны в атомах расположены именно так и как это расположение связано с периодичностью свойств химических элементов? На этот трудный вопрос электронная теория, исходившая из томсоновой модели атома, ответить не могла. Да и теория Бора на первых порах не в со
98
стоянии была разрешить поставленный вопрос. Только в дальнейшем с помощью некоторых дополнительных предположений и уточнений теория Бора смогла удовлетворительно решить указанную задачу.
Познакомимся с этим решением. Электроны в атомах движутся по дозволенным, или, стационарным, эллиптическим орбитам, характеризуемым, как мы знаем, тремя квантовыми числами п, п<р и т. Для согласования выводов теории с действительностью пришлось сделать допущение (смысл которого стал ясен только в квантовой механике), что вместо азимутального числа п следует пользоваться величиной /, на единицу меньшей n-f 5
I —п —1.
По условиям эллиптического квантования может принимать значения 1, 2, ..., п, поэтому квантовое число I, названное «орбитальным», может равняться О, 1, ..., (п—1). Орбиты, у которых 1=0, называют S-орбитами, 1 = 1 — Р-орбитами, 1=2 — Б-орбитами.
Что касается магнитного квантового числа т, то, согласно уточненному условию, возможные его значения равны т=0, ±1, ±2,..., ±1.
Таким образом, размер орбиты характеризуется главным квантовым числом n=lj 2, 3, ..., форма эллипса— орбитальным числом, пространственная ориентация орбиты — числом т.
Бее возможные орбиты данного размера, т. е. эллипсы с разными значениями I и т, но одинаковым п, образуют п-ю оболочку. Легко видеть, что первая оболочка (п=1) содержит только одну орбиту, ибо I и т могут иметь только по одному значению 1=0, т = 0. Говорят, что в этом случае есть одна орбита 1s.
Если и=2, то для I имеются две возможности: либо 1=0 (25-орбита), либо 1=1 (2Р-орбита). Орбита 2s может иметь одну ориентацию (т=0), а орбит 2Р с различной ориентацией может быть три (т = 0, т = ±1). Таким образом, ко второй оболочке относятся четыре орбиты.
Аналогично у третьей оболочки. Она состоит из девяти орбит: одна 3s, три ЗР и пять ЗБ.
Количество орбит у некоторой оболочки равно квадрату номера оболочки — и2.
99
Так как энергия электрона главным образом зависит от размера орбиты, т. е. главного квантового числа п, и только в незначительной степени от формы эллипса, то электроны одной оболочки имеют примерно одинаковую энергию.
Определив количество возможных орбит в атоме, мы можем теперь выяснить, как электроны располагаются по этим орбитам. Устойчивое, стационарное распределение электронов в атомах подчиняется двум общим законам или принципам природы. Первый из них — принцип минимума энергии. Для атомной системы этот принцип гласит: электроны с верхних оболочек стремятся упасть на более низкие, на которых энергия электронов меньше.
Если бы электроны в атомах подчинялись только этому принципу, то в устойчивом атоме все электроны располагались бы на первой оболочке. В действительности же электроны в атомах подчиняются еще и другому принципу — принципу Паули.
Анализируя многочисленные атомные спектры, немецкий физик В. Паули пришел в 1927 г. к следующему выводу: на одной орбите в атоме не может находиться более двух электронов. В настоящее время принцип Паули формулируют так.
В атоме не может быть двух электронов в одном и том же состоянии.
Электроны либо движутся по разным орбитам, либо, двигаясь по одной орбите, различаются ориентацией спинового магнитного момента.
Так как магнитная стрелка электрона может принимать только два положения («вверх» и «вниз»), то на одной орбите не может находиться более двух электронов
Исходя из указанных двух принципов, можно понять, как устроены атомы различных элементов и почему они обладают теми или другими свойствами.
Согласно теории Бора, физические и химические свойства элементов определяются числом электронов на
1 Позднее выяснилось, что принципу Паули в такой общей формулировке подчиняются не только электроны, но и протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, у которых спин равен ’/г.
100
АТОМ ЛИТИЯ ATOM БЕРИЛЛИЯ ATOM БОРА
ATOM КИСЛОРОДА ATOM АЗОТА ATOM УГЛЕРОДА
ATOM ФТОРА ATOM НЕОНА
верхней, внешней оболочке. Атомы всех элементов одной и той же группы таблицы Менделеева имеют одинаковое число внешних «валентных» электронов.
Теперь о связи между строением атома и периодичностью в свойствах химических элементов при последовательном увеличении их порядкового номера.
Теория Бора показала, что эта периодичность — следствие повторяемости в расположении электронов на внешней оболочке, поскольку на каждой оболочке может, по принципу Паули, располагаться ограниченное число электронов.
Щелочные металлы относятся к первой группе таблицы Менделеева — у них на внешней оболочке по од
101
ному электрону. У элементов второй группы — два внешних электрона, у элементов третьей группы — три и т. д. Каждый период таблицы Менделеева начинается с заполнения электронами новой оболочки, поэтому периодическое заполнение новых оболочек ведет к периодичности свойств атомов.
Разберем это подробнее на анализе строения различных атомов. У атома водорода всего один электрон, который находится на первой оболочке атома. Только сообщив атому дополнительную энергию, например при нагревании, можно заставить электрон перескочить на какую-нибудь более высокую орбиту — атом будет «возбужденным». Но возбужденное состояние обычно не сохраняется долго, электрон падает на нижнюю орбиту, излучая при этом свет.
Второй элемент в системе Менделеева — гелий. У гелия два электрона, оба они располагаются на первой оболочке. Так как первая оболочка состоит из одной орбиты, то оба электрона гелия полностью ее заполняют. Это значит, что на первой оболочке больше свободных мест нет. Поэтому нетрудно понять, почему гелий является инертным, или, как говорят, «благородным» газом. Присоединить к себе электроны от другого атома он не может, да и свои электроны передать другому атому ему не легко. Оба его электрона «прочно устроены» на собственной оболочке. Другое дело — водород. У него на первой оболочке один электрон, в то время как при «прочной упаковке» на ней могут находиться два электрона. Поэтому от атома водорода легко оторвать его единственный электрон, при этом атом водорода превращается в положительный ион, а тот атом, который присоединил к себе этот электрон, станет отрицательным ионом. Между разноименными ионами возникнут электрические силы притяжения и из двух атомов образуется единая молекула.
Гелием заканчивается первый период системы Менделеева. Следующий, третий элемент — литий. У него три электрона. По принципу минимума энергии все три электрона стремятся расположиться на первой оболочке, но это запрещено по принципу Паули. Поэтому два электрона находятся на первой оболочке, а третий — вынужден расположиться на второй оболочке. Легко понять, что вследствие такого строения его хими
102
ческие и спектральные свойства должны быть подобны водороду. Литий тоже может отдать один электрон (т. е. является, как и водород, одновалентным элементом).
Четвертый элемент — бериллий, у него два электрона на первой оболочке и два на второй, но вторая оболочка, как мы знаем, состоит из четырех орбит, так что всего на ней восемь мест. Поэтому эти два электрона на второй оболочке не полностью заполняют ее и легко могут быть отданы — бериллий двухвалентный элемент. Пятый элемент — бор, из пяти электронов два заполняют первую оболочку, а остальные три расположены на второй оболочке. Элемент трехвалентный. Углерод — шестой элемент, имеет на второй оболочке четыре электрона, поэтому углерод — четырехвалентный элемент. На седьмом месте — азот, у которого на второй оболочке пять электронов. Азот может отдать эти пять электронов, но еще проще для него оторвать три электрона от другого атома и образовать заполненную вторую оболочку. Поэтому азот может быть и трехвалентным (электроотрицательная валентность) и пятивалентным (электроположительная валентность).
Кислород — восьмой элемент. Он содержит на второй оболочке шесть электронов. До полной второй оболочки не хватает двух электронов, поэтому кислороду легко оторвать у другого атома два электрона, превращаясь в дважды отрицательный ион. Кислород — двухвалентный элемент с отрицательной валентностью.
На девятом месте элемент из группы галогенов — фтор. На второй оболочке у него семь электронов, т. е. до полной оболочки не хватает одного электрона. Фтор — элемент одинарной отрицательной валентности. Последний, десятый, элемент во втором периоде — неон. У него на второй оболочке восемь электронов — оболочка заполнена. Неон, как и гелий, — инертный газ.
Третий период начинается с одиннадцатого элемента — натрия, у которого два электрона на первой оболочке, восемь — на второй и одиннадцатый электрон находится на третьей оболочке. Химические и спектральные свойства у натрия должны быть аналогичны литию и водороду.
Далее заполняется третья оболочка. Так, у двенадцатого элемента — магния, помимо двух заполненных
юз
оболочек, на третьей оболочке находится два электрона. Поэтому магний принадлежит ко второй группе элементов — щелочноземельным металлам, подобно бериллию, кальцию и др. Тринадцатый элемент — алюминий, у него на третьей оболочке три электрона. По своим химическим свойствам он подобен бору. Аналогично заполняются оболочки следующих элементов: кремний имеет четыре внешних электрона, фосфор — пять, сера — шесть, хлор — семь и т. д.
ТЕОРИЯ БОРА УСТУПАЕТ МЕСТО КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ
Успехи теории Бора в объяснении закономерностей спектров одновалентных элементов, явления Зеемана и строения различных атомов, казалось бы, приводили к выводу, что развитие физики атома должно идти по пути дальнейшего совершенствования этой теории. Но уже примерно через десять лет после возникновения этой теории стала обнаруживаться все большая беспомощность ее при попытках объяснить спектры двухвалентных и многовалентных атомов.
В 1925 г. усилиями большой группы молодых физиков-теоретиков различных стран начала создаваться новая теория микромира — физика молекул, атомов, электронов — волновая, или квантовая механика. К сожалению, квантовая механика — это очень сложная теория, выводы которой трудно представить наглядно. Поэтому мы не будем подробно останавливаться на ней, а познакомимся лишь в самых общих чертах.
Для изучения строения атома не нужно глубокого знания квантовой механики. Дело в том, что теория Бора была гениальной догадкой многих атомных закономерностей, поэтому большинство ее выводов в основном правильны, хотя исходные положения этой теории были предположены Бором и его последователями специально с целью объяснения спектров водорода и щелочных металлов.
Началом создания квантовой механики была работа французского ученого-материалиста Луи де Бройля, опубликованная в 1924 г. Исходя из самых общих представлений о двойственной природе света, де Бройль выдвинул смелую гипотезу, что и частицы
104
вещества обладают наряду с корпускулярными также и волновыми свойствами. По этой гипотезе каждой частице, движущейся со скоростью v, соответствует волна, длина которой равна:
где h — постоянная Планка, т — масса частицы. Это — знаменитая формула де Бройля.
Гипотеза де Бройля вскоре была полностью подтверждена непосредственными опытами.
Но прежде чем рассказать об этих опытах, рассмотрим еще раз формулу де Бройля, по которой, чем больше масса т, тем меньше длина волны А. Если вычислить длину волны де Бройля для электрона, то она приблизительно равна 1 А. (Один ангстрем). Такую длину волны имеют жесткие рентгеновские лучи. У атома водорода длина волны де Бройля в 2000 раз короче (ибо атом водорода примерно в 2000 раз тяжелее электрона). Длина волны де Бройля для тела с массой 1 г будет еще в 1025 раз короче. Такие короткие волны даже с помощью самых чувствительных современных приборов нельзя обнаружить, поэтому мы никогда не замечали у тел волновых свойств.
Как только де Бройль опубликовал свою гипотезу, американский физик Дэвидсон вместе с сотрудниками осуществил опыты по исследованию отражения электронов от гладкой плоскости кристалла.
Оказалось, что пучки электронов действительно обладают волновыми свойствами. Подобно световым пучкам, они могут, например, интерферировать. Измерения Дэвидсона, показали, что длина волны у электронов совпадает с теоретически вычисленной по формуле де Бройля.
В дальнейшем многие ученые, и в том числе советский физик П. С. Тартаковский, осуществили много различных опытов, полностью подтвердивших гипотезу де Бройля.
Теория де Бройля сыграла фундаментальную роль в развитии современной физики. Она показала, что мир атома и атомных частиц — микромир отличается от мира больших тел — макромира не только размерами (количественно), но и своими свойствами (качественно).
105
В мире атома существуют свои особые физические закономерности, к микрочастицам (молекулам, атомам, электронам, ядрам и т. п.) полностью неприменимы обычные представления, созданные наукой при изучении макроскопических тел.
По квантовой механике нельзя, например, представить электрон подобным очень маленькому шарику. Электрон напоминает собой скорее своеобразное электронное облачко неоднородной плотности с совершенно размытыми краями. А невозбужденный атом водорода представляет собой шарообразное электронное облако, в центре которого находится маленькое положительное ядро. Плотность электронного облака с удалением от центра постепенно возрастает, становясь наибольшей на сфере радиуса и, а затем вновь уменьшается.
Интересно, что радиус сферы наибольшей плотности электронного облака и совпадает с радиусом первой орбиты атомной модели Бора—Резерфорда.
Мы видим, что представления о строении атома в физике изменялись от модели Томсона к планетарной модели Резерфорда—Бора и от нее к квантовомеханической теории. Каждая новая теория не отбрасывала целиком старые представления, а непрерывно их совершенствовала, заменяла новыми. Можно сказать, что подтвержденная опытами старая физическая теория до некоторой степени правильно отражала объективную реальность явлений природы и была рациональным зерном новой, более глубокой теории.
ЯЦЦСРФ ЛТТФЕМЗАХ
О ЧЕМ МОЖЕТ РАССКАЗЫВАТЬ МАССА ЯДРА?
ДД ы выяснили, что основная часть атома — ядро, заряд которого равен порядковому номеру элемента, а масса близка к массе всего атома. Ядро имеет сложное строение и состоит из более простых частиц. Чтобы изучить строение атомного ядра, надо было прежде всего с большой точностью определить массы различных ядер.
Еще в начале XIX в. английский врач Проут заметил, что атомные веса различных элементов приблизительно целочисленны, т. е. веса атомов в целое число раз больше веса атома водорода. Причиной небольших отклонений от целых чисел атомных весов у отдельных элементов Проут считал недостаточную точность измерений. Он высказал предположение, что атомы любого элемента состоят из атомов водорода в количестве, равном их атомному весу. Например, атомный вес кислорода —16, значит атом кислорода состоит из 16 атомов водорода. Последующие более точные измерения показали, что в действительности у многих элементов атомный вес не целое число. Так, атомный вес хлора — 35,5. Поэтому гипотеза Проута была отвергнута.
В 1906 г. сотрудники Резерфорда случайно смешали два однородных соединения иония и тория. Но несмотря на различие радиоактивных свойств и атомных весов этих элементов, никакими физическими или химическими способами разделить их не- удалось. Более того, оказалось, что в любых химических реакциях ионий и торий ведут себя одинаково. Дальнейшие исследования показали, что подобные случаи, когда атомы с различными атомными весами имеют тождественные химические свойства, встречаются и у нерадиоактивных элементов.
107
Стало ясно, что среди одного и того же вида атомов, характеризующих определенный химический элемент, могут существовать несколько разновидностей. Такие разновидности одного и того же химического элемента, имеющие различные атомные веса, стали называть изотопами (по-гречески «изос» — равный, «топос» — место), т. е. элементами, занимающими одно и то же место в таблице Менделеева.
Некоторые элементы имеют до десяти изотопов. Наличие нескольких изотопов, естественно, усложняет определение массы ядер. Следовательно, определяя атомный вес какого-нибудь элемента, мы фактически сравниваем средний вес всех изотопов, входящих в данный элемент, с весом водорода. Возникла задача — научиться измерять массу отдельных атомов.
Для определения массы атома Томсон предложил следующий способ. Заполнить элементом разрядную трубку, в катоде которой есть отверстия. Ионизировав атомы элемента, мы получим пучок быстро летящих ионов — анодные лучи. Если же трубку с пучком этих ионов поместить в магнитное или электрическое поле-то пучок ионов будет отклоняться. Это можно обнаружить на фотопластинке. Величина отклонения для ионов будет зависеть от их массы. Поэтому если в пучке содержатся ионы, скажем, трех изотопов, то мы получим вместо одного три пучка, в каждом из которых содержатся ионы определенной массы. Масса иона практически равна массе атома.
Так Томсон и другие ученые установили, что большинство элементов состоят из смеси изотопов и что атомные веса изотопов выражаются целыми числами. Лишь небольшое число состоит только из одного изотопа. К таким элементам, например, относятся фтор, натрий, алюминий, фосфор, золото и др.
Целое число, характеризующее массу атомов изотопа, называют массовым числом.
В отличие от массового числа атомный вес может быть не целым числом, если элемент состоит из смеси нескольких изотопов. Так, например, газ хлор состоит из смеси двух изотопов: хлора 35 и хлора 37. Так как в природном хлоре содержится 3/4 части легкого изотопа и часть тяжелого изотопа, то средний атомный вес получается 35,5.
108
Интересно отметить, что наряду с изотопами в природе встречаются изобары. Изобарами называются различные химические элементы, имеющие одинаковый атомный вес. Изобарами, например, являются инертный газ аргон и металл кальций (атомный вес у них равен 40). Теория строения ядра должна объяснить, почему изотопы, обладающие различными атомными весами, химически неразличимы, а изобары с одинаковыми массовыми числами совершенно отличны по своим физико-химическим свойствам.
ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ЯДРА
Так как атомные веса изотопов всех элементов действительно выражаются целыми числами, то вновь возникла мысль о справедливости идеи Проута. А именно, что ядра всех элементов построены из ядер водорода, или, как их назвали, протонов («протон» — простейший). Поэтому массы ядер (почти точно равные атомным весам) должны быть кратными массе протона.
Чтобы согласовать эту гипотезу с фактами, требовалось ее- несколько дополнить. Так, если все ядра состоят из протонов, то, скажем, ядро урана, атомный вес которого 238, должно состоять из 238 положительно заряженных протонов. (Протон имеет заряд, численно равный заряду электрона.) Если бы ядро урана состояло только из протонов, то заряд ядра был бы равен 238, в то время как в действительности он равен 92. В то время были известны только две элементарные частицы — протон и электрон, жили, что в ядре, кроме протонов, есть еще и электроны в количестве, равном разности атомного веса и заряда ядра. Например, ядро урана по этой гипотезе состоит из 238 протонов и 146 электронов.
Эта протонно-электронная гипотеза строения атомных ядер была общепринятой в двадцатых годах. Серьезным фактом, как будто подтверждающим наличие в ядре, помимо протонов, еще и электронов,
поэтому предполо-
109
был бета-распад, при котором из ядра самопроизвольно с большой скоростью вылетают электроны. Считалось само собой разумеющимся, что атомные ядра могут выбрасывать только такие частицы, которые они содержат внутри себя. Присутствие внутри ядра электронов считалось необходимым и по следующей причине. Физика в то время не знала еще о существовании в природе ядерных сил. Поэтому отрицательные электроны в ядре должны были играть роль своеобразного клея, связывающего одноименно заряженные положительные протоны. Но протонно-электронная гипотеза строения ядра оказалась ошибочной.
ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
В 1920 г. Резерфорд смело предположил, что в природе, помимо известных, существуют еще ядра с зарядом, равным нулю, и массой, равной единице.
Но поставленные тогда Резерфордом и его учениками опыты по обнаружению этих ядер оказались безуспешными.
Через 10 лет немецкие ученые Боте и Беккер заметили, что при бомбардировке альфа-частицами некоторых легких элементов (бериллия, бора, лития) возникают какие-то лучи с огромной проникающей способ
ностью — они проходят через толстые слои свинца почти не ослабляясь. Боте и Беккер решили, что они получили очень жесткие гамма-лучи.
В 1932 г. французские ученые Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирен Кюри решили подробнее исследовать излучение, образующееся при бомбардировке бериллия альфа-лучами. Прежде всего они выяснили,
что эти лучи почти не ионизируют воздух, через который они проходят Но если на пути этих лучей поместить парафин или какое-нибудь другое вещество, содержащее много водорода, то ионизирующая способность лучей резко возрастает. Супруги Кюри объяс-

нили это тем, что излучение бериллия, проходя через такое вещество, выбивает из него ядра водорода (протоны), которые вследствие большой
ПО
начальной энергии способны сильно ионизировать воздух. Они подсчитали, какой энергией
должны обладать гамма-
лучи, способные выбить из тела столь быстрые протоны. Оказалось, что эта энергия должна быть раз в 10 больше энергии, полученной из расчетов Боте и Беккера. Такое большое расхождение нельзя было объяснить ошибкой в расчете, и, по-видимому, оно имело принципиальный характер.
Стало ясно, что создавшееся противоречие не может быть объяснено без коренной ломки самих представлений о природе бериллиевого излучения.
В 1932 г. английский ученый, сотрудник Резерфорда, Чедвик, проанализировав результаты указанных опытов, выдвинул следующую гипотезу: при облучении бериллия (а также лития и бора) альфа-лучами вылетают не гамма-лучи, а поток особых частиц, ли
шенных электрических зарядов, по размеру и массе близких к протонам. Эти частицы он назвал «нейтронами». Эта гипотеза позволила без всяких противоречий объяснить все особенности лучей, выбрасываемых бериллием. Дальнейшее развитие физики полностью подтвердило справедливость гипотезы Чедвика. Нейтроны и были теми ядрами, которые предсказывал в 1920 г. Резерфорд.
Так как нейтроны не имеют заряда, то на них электрические поля ядер или электронных оболочек атомов не действуют. Поэтому для нейтрона всякое тело представляет собой редкую решетку, через которую он легко может пройти. Удерживать нейтроны в сосуде практически невозможно. Все это затрудняло эксперименты с нейтронами.
Чедвик впервые определил массу нейтрона; по современным данным, она равна 1,001 массы протона. В приближенных расчетах массы нейтрона и протона можно считать одинаковыми, но тем не менее небольшое различие (разность масс примерно равна массе двух электронов) имеет важное принципиальное значение. Из закона взаимосвязи массы и энергии (рассматривается далее) следовало самопроизвольное превращение нейтрона в протон и электрон. Позднее было
111
действительно обнаружено, что в свободном состоянии нейтрон бета-радиоактивен, период его полураспада равен примерно 13 мин. Подобно электрону и прогону, нейтрон обладает спином, равным Vz. Более того, у незаряженного нейтрона есть магнитный момент.
Этим еще раз подтверждается отмечавшееся ранее обстоятельство, что спин нельзя понимать буквально -в виде вращения частицы вокруг собственной оси. Ведь такое вращение незаряженного нейтрона не могло бы породить его магнитный момент.
Наличие у нейтрона магнитного момента можно продемонстрировать на следующем опыте. На пути пучка нейтронов последовательно поставить два куска намагниченного железа. При этом оказывается, что количество прошедших через оба куска железа нейтронов
зависит о,т взаимного направления намагничения железных брусков. Если оба куска намагничены в одну сторону, то нейтронов проходит больше, чем при взаимно противоположном направлении намагничения. Это можно объяснить только тем, что магнитные моменты нейтронов при прохождении через первый кусок железа ориентировались вдоль его магнитного поля. Взаимодействие же таких направленных элементарных магнитиков с магнитным полем второго куска железа различно в зависимости от направления этого поля.
ПРОТОННО-НЕЙТРОННАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ЯДРА
С появлением новых открытий в ядерной физике первоначальная протонно-электронная теория ядра наталкивалась на ряд трудностей. Одним из таких затруднений было следующее: если подсчитать по законам квантовой механи
112
ки энергию, которой должен обладать электрон, находясь внутри ядра, то получается совершенно немыслимая огромная величина, несовместимая с опытными данными.
Несовместима протонно-электронная гипотеза строения ядра и с представлениями о спине ядер. Возьмем, например, ядро тяжелого водорода — дейтрон. Поскольку массовое число у него равно 2, а порядковый номер равен 1, то, согласно этой гипотезе, дейтрон состоит из двух протонов и одного электрона. Но поскольку спин каждой из этих трех частиц равен '/г, то спин всего ядра может быть равен либо 3/г (ориентации спинов совпадают), либо '/г (два спина направлены в одну сторону, третий — в противоположную). Опытные же измерения показали, что спин дейтрона равен 1, так что ядро дейтерия может состоять только из четного числа элементарных частиц.
Чтобы разрешить эти и ряд других принципиальных противоречий, советский физик Д. Д. Иваненко в 1932 г. выдвинул, а немецкий физик Гейзенберг теоретически обосновал новую гипотезу строения ядра. По этой гипотезе в ядре атома электронов нет, а все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а общее число протонов и нейтронов равно массовому числу. Иначе говоря, число нейтронов равно разности между массовым числом и зарядом ядра. Например, ядро урана имеет заряд, равный 92, а массовое число — 238. Значит, в ядро урана входит 92 протона и 146 нейтронов.
Гипотеза Иванен
ко—Гейзенберга полностью устранила вышеупомянутые трудности, но перед ней возникла другая задача. Если в ядре нет электронов, то откуда же берутся бета-частицы при радиоактивном распаде? На этот вопрос протонно-нейтронная теория строе
8
113
ния ядра отвечала так: при бета-радиоактивном распаде внутри ядра происходит превращение нейтрона в протон и электрон (сумма электрических зарядов протона и электрона равна заряду нейтрона, т. е. нулю). За счет энергии, выделяющейся при этом превращении, электрон получает большую скорость и вылетает из ядра. Возможно и обратное превращение протона в нейтрон с выбросом из ядра позитрона.
Заслуга ныне общепризнанной протонно-нейтронной теории, помимо выяснения действительной картины строения атомных ядер, состоит еще в том, что по ее выводам не только атомы и ядра, но и простейшие элементарные частицы не являются неизменными, а способны к взаимопревращениям.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР
В 1919 г. Резерфорд поставил эксперимент, сыгравший важнейшую роль в атомной физике. Это был опыт, когда впервые в физике удалось проникнуть внутрь атомного ядра. До этого считалось, что воздействовать на ядра извне, изменять их строение по воле человека, невозможно. Это мнение как будто имело основание. Ведь ни сверхвысокими температурами, ни колоссальными давлениями, ни сильнейшими электрическими и магнитными полями не удавалось разбить ядро.
История знаменитого опыта Резерфорда такова. Занимаясь вместе со своими сотрудниками изучением рассеяния альфа-частиц ядрами атомов, Резерфорд ставил различные варианты опытов. В частности, он решил сравнить характер рассеяния альфа-частиц ядрами легких и тяжелых элементов. И тут обнаружилось, что в то время как рассеяние альфа-частиц тяжелыми ядрами соответствует теоретическим расчетам, опыты с ядрами легких элементов противоречили теории. Естественно, Резерфорд постарался выяснить причину этого противоречия. Различие между тяжелыми и легкими ядрами состоит только в величине заряда. У тяжелых ядер заряд велик и сила отталкивания между такими ядрами и альфа-частицами очень большая, она отклоняет альфа-частицы от первоначального направления
114
еще тогда, когда они находятся на больших расстояниях от ядра. У легких же ядер силы отталкивания малы, поэтому возможно, что альфа-частицы проникают внутрь ядра, где, по-видимому, наряду с электрическими действуют и другие силы. Не удивительно, что в этом случае теоретическая формула Резерфорда для рассеяния альфа-частиц уже не верна. Но если альфа-частицы могут проникнуть внутрь ядра, то стоит попытаться использовать эти частицы в качестве «снарядов» для бомбардировки атомных ядер, с тем чтобы проникнуть внутрь них и возможно даже расщепить их. Вскоре Резерфорд приступил к осуществлению этого чрезвычайно интересного и смелого эксперимента. Для большей уверенности он выбрал наиболее быстрые альфа-частицы, испускаемые радием С'. Скорость их 19 200 км) сек. Объектом бомбардировок альфа-частицами были легкие элементы. Установка Резерфорда представляла собой наполненный азотом сосуд, в котором находился перемещающийся источник альфа-частиц. За отверстием в боковой стенке сосуда находился флуоресцирующий экран, на котором возникали вспышки (сцинтилляции) при попадании на него альфа-частиц. Сначала источник лучей располагали близко от окошка, и на экране были видны вспышки. Затем его медленно удаляли от экрана. Когда расстояние от j [сточника до экрана стало большим длины пробега 1 альфа-частиц в азоте, то вопреки ожиданиям вспышки на экране не исчезали. Но ведь альфа-частицы не могли пройти в газе такое расстояние. Когда Резерфорд заменял азот другими газами, вспышки исчезали. Следовательно, решил ученый, частицы, вызывающие сцинтилляции, не связаны с источником альфа-частиц, они возникают в азоте. По величине пробега этих частиц, образовавшихся в азоте, установили, что это протоны. Но откуда же взялись в азоте ядра водорода? Может азот был не совсем чистым и содержал в виде примеси немного водорода? Азот тщательно химически очистили. Но вспышки на экране от этого не исчезли. Пришлось сделать необычное предположение: при бомбардировке ядер азота возникают ядра водорода.
1 Длиной пробега называется величина пути, проходимого частицами в данной среде. Длина пробега зависит от энергии частиц, их массы.
115
Дальнейшее исследование этого явления с несомненностью установило, что в опытах Резерфорда происходила ядерная реакция. Заряд ядра азота равен 7. Когда в это ядро влетает альфа-частица, заряд которой равен 2, то образуется новое ядро с зарядом в 9 единиц. Но так как при этом вылетает ядро водорода с зарядом, равным единице, то в результате захвата ядром азота альфа-частицы образуют новое ядро с зарядом,. равным 8. Восьмой элемент в таблице Менделеева — кислород. Итак, бомбардируя атомы азота ядрами гелия, Резерфорд получил два других элемента: кислород и водород!
Эта реакция была первой в истории человечества ядерной реакцией превращения одних элементов в другие.
Ядерная реакция, осуществленная Резерфордом, имела большое философское значение. Она показала, что не только атомы, но и ядра атомов не являются вечными, неизменными.
ПОЗИТРОН
С открытием нейтрона число элементарных частиц увеличилось до трех — электрон, протон, нейтрон.
Но такое положение сохранялось недолго. В том же 1932 г. Андерсон сообщил об открытии им в составе космического излучения новой частицы — положитель
ного электрона, или, как его позднее стали называть, позитрона. Открытие было столь же неожиданно, как и сделанное в этом же году открытие нейтрона. Расска-
жем об этом подробнее.
В 1928 г. молодой английский физик Дирак вывел из общих представлений теории относительности и квантовой механики замечательное уравнение, из которого следовало наличие у электрона спина и магнитного момента. Количественное совпадение значений этих важнейших величин, полученных теоре
116
тически из уравнения Дирака, с опытными данными было блестящим подтверждением справедливости этого уравнения. Но, продолжая изучать всевозможные следствия, вытекающие из его уравнения, Дирак натолкнулся на, казалось бы, совершенно непонятный факт, связанный с тем, что энергия электрона не может быть меньше некоторой определенной величины:
Г. 1/	2 4	2
Ео = V т0 с — тос .
Подставляя в эту формулу значения массы электрона т0 и скорости света с, получим, что Ео равно 0,5 Мэв. Ничего удивительного в этом не было. По закону Эйнштейна (о котором будет рассказано далее) всякое тело, даже если оно не движется и на него не действуют никакие силы, обладает энергией покоя тос2.
Серьезная трудность, возникшая перед Дираком, состояла в другом. Математика утверждает, что при извлечении квадратного корня мы получаем два значения: одно с плюсом, другое с минусом. Поэтому из уравнения Дирака следовало, что электроны могут обладать либо положительной энергией, большей тс2, либо отрицательной энергией, меньшей — тс2. Но как можно себе представить электрон с отрицательной энергией и, следовательно, с отрицательной массой? Такая частица должна была бы вести себя совершенно фантасти-	iH
чески: чтобы она двигалась вправо, надо толкать ее влево и т. п. Но таких тел никто в мире никогда не встречал. Выходит, что уравнение Дирака приводит к нелепым выводам. Над всей теорией Дирака нависла угроза.
Но молодой ученый, уверенный в спра-
117
ведливости своего уравнения, вскоре нашел остроумный выход из создавшегося затруднения. Еще со времен Томсона было известно, что поведение электрона в электрическом и магнитном полях определяется не только его массой т, но и зарядом (—е), точнее говоря, —е отношением — •
Поэтому, рассуждал Дирак, отрицательно заряженный электрон с отрицательной массой — т ведет себя как частица с положительной массой т и положительным зарядом + е:
— е _ 4-е
—т	-\~>п'
Дирак предположил, что в природе, кроме обычных отрицательных электронов, существуют и положительные электроны.
Эта гипотеза полностью разрешала вопрос об электроне с отрицательной энергией. Более того, на основании этой гипотезы Дирак предсказал, что при облучении вещества гамма-лучами с энергией квантов 1 Мэв (или более) могут возникнуть две частицы: отрицательный и положительный электроны.
Теория Дирака была столь необычной, что большинство физиков отнеслись к ней с недоверием. Отношение к теории Дирака сразу изменилось после 2 августа 1932 г., когда предсказанный положительный электрон был обнаружен на опыте. Вот как это случилось.
Так как даже наиболее быстрые радиоактивные частицы не имеют энергии, большей 15 Мэв, то ученые искали различные источники более энергичных частиц, чтобы с их помощью глубже проникнуть в мир атома и ядра. К концу двадцатых годов нашего, столетия выяснилось, что в космических лучах, о которых мы расскажем ниже, встречаются частицы с колоссальной энергией — до миллиарда электрон-вольт.
Американские физики Милликен и Андерсон решили исследовать поведение столь быстрых частиц в камере Вильсона по методу советского ученого-физика Д. В. Скобельцына, поместив камеру в сильное магнитное поле. Всякая заряженная частица под действием этого поля искривляет свою траекторию, так что и след в камере Вильсона будет в зависимости от скорости частицы более или менее искривлен. Вскоре эти ученые
118
получили фотографии искривленных следов частиц в камере Вильсона.
Андерсон обратил внимание на то, что на некоторых снимках получаются два одинаковых по толщине следа, но искривленных в разные стороны. Если счи
тать, что обе частицы летели сверху вниз, то выходило, что у одной частицы заряд положительный, а у другой — отрицательный. Сначала Андерсон думал, что один след образован протоном, другой — электроном. Но протон вследствие большой массы образует более толстый след в камере Вильсона. У Андерсона поэтому появилось предположение: не вызваны ли эти тонкие изогнутые в разные стороны следы разноименными частицами, имеющими равную массу?
Чтобы сделать определенное заключение, нужно было убедиться, что действительно обе частицы в камере летели сверху. Ведь могло случиться, что из двух электронов один летел сверху вниз, а другой снизу вверх. В этом случае их траектории тоже были бы изогнуты в противоположные стороны.
Тогда Андерсон поместил в камеру Вильсона свинцовую пластинку. После многочисленных неудач вечером 2 августа 1932 г. Андерсон получил исторический снимок. На этом снимке был виден след движения заряженной частицы, прошедшей через свинцовую перегородку. Частица летела сверху вниз, ибо под свинцовой пластинкой след был значительно сильнее искривлен. А ведь искривление траектории тем больше, чем меньше скорость заряженной частицы. Следовательно, при прохождении частицы через свинец сверху вниз он несколько замедлился. С другой стороны, по направлению отклонения частицы, летевшей сверху вниз, можно было однозначно утверждать: заряд у этой частицы положительный. Так было экспериментально доказано присутствие в космических лучах новой, четвертой элементарной частицы — позитрона. Масса и величина заряда позитрона, как показали специальные опыты, в точности такие же, как у электрона. Новой
119
частицей заинтересовались ученые многих стран мира. Начались различные исследования свойств позитрона. И вот тогда оказалось, что все предсказанные теорией Дирака свойства положительного электрона наблюдаются и у позитрона. Вскоре выяснилось, что позитроны могут возникать и в земных условиях, например порождаться гамма-лучами.
Фредерик и Ирен Жолио-Кюри во Франции и независимо от них советские ученые Грошев, Франк и Добротин получили снимки следов пар — электрона и позитрона, образующихся при облучении вещества гамма-лучами, энергия которых больше 1 Мэв. Все эти СПлыты подтверждали теорию Дирака.
Более того, вскоре оказалось, что наряду с процессом рождения пары частиц возможен и обратный процесс совместного исчезновения электрона и позитрона. Наиболее удивительное свойство позитрона — это его способность рождаться и умирать в паре с электроном.
Буржуазные ученые, стоящие на идеалистических позициях, вновь, как и после открытия радиоактивности, стали утверждать, будто эти факты говорят о возможности материи возникать и исчезать и что, следовательно, материализм устарел. В действительности дело обстоит как раз наоборот. Когда исчезает пара — электрон и позитрон, то это вовсе не значит, что исчезает материя. Ведь при этом образуются гамма-лучи, причем полностью соблюдаются основные законы природы — законы сохранения массы и энергии.
Таким образом, в явлениях образования и исчезновения пар мы сталкиваемся с новым, ранее неизвестным свойством материи — взаимопревращаемостью частиц. Электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, а гамма-кванты могут превратиться в электрон и позитрон. Материя из формы вещества превращается в форму электромагнитного поля и обратно.
ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
В конце 1932 г., сразу же после открытия Чедвиком природы бериллиевого излучения, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри поставили опыты по исследованию того, какие вещества при бомбардировке их альфа-частица-
120
Ф. Жолио-Кюри (1900—1958)
Крупнейший французский ученый, один из творцов современной атомной физики. Открыл совместно с Ирен Кюри искусственную радиоактивность. Впервые вплотную подошел к практическому использованию атомной энергии. Виднейший общественный деятель, активно боровшийся против фашизма, за мир во всем мире.
ми выбрасывают нейтроны. Вскоре они нашли несколько таких ядерных реакций. Но вот что самое замечательное. Подробно исследуя указанные ядерные реакции, они установили, что в ходе реакции образуется и другая новая элементарная частица — позитрон. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, упорно работая в течение почти двух лет над расшифрованием всех сложных процессов, происходящих в этих реакциях, пришли в 1934 г. к великому открытию, удостоенному Нобелевской премии.
Дело происходило так. Облучая алюминий альфа-частицами, они заметили выделение нейтронов. С другой стороны, еще раньше было известно, что под действием альфа-частиц ядро атома алюминия превращается в кремний-30 и выбрасывает при этом протон. Чтобы разобраться, каким образом из ядер вылетают и протоны, и нейтроны, ядерную реакцию решили провести в камере Вильсона. И тут на снимках были обнаружены какие-то тонкие следы, или, как их еще называют, треки, которые нельзя было приписать ни протонам, ни тем более ядрам отдачи. Такие тонкие треки могли образовать только быстрые электроны. Картина
121
Ирен Жолио-Кюрн
(1897—1956)
Известная французская ученая и общественный деятель, дочь Марии и Пьера Кюри. Совместно со своим мужем открыла искусственную радиоактивность. Сыграла виднейшую роль в открытии деления урана.
осложнилась. Но еще больше экспериментаторы удивились, когда оказалось, что в магнитном поле трек электрона изгибается в сторону положительного заряда. Выходило, что тонкий след в камере Вильсона вызван позитроном, частицей, незадолго до этого обнаруженной Андерсоном в космических лучах. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри решили разобраться до конца во всей реакции, происходящей при бомбардировке алюминия альфа-частицами. Помещая на пути альфа-лучей свинцовый экран, они обнаружили, что, хотя нейтроны уже не выделялись (этого и следовало ожидать), позитроны продолжали вылетать, причем со временем количество вылетающих позитронов постепенно уменьшалось. Подобным же образом вели себя при облучении альфа-частицами элементы магний и бор. Стало ясно, что при бомбардировке этих хорошо известных, устойчивых элементов образуются какие-то новые вещества, выбрасывающие позитроны.
122
Супруги Жолио-Кюри так сформулировали результаты своих опытов.
Если бомбардировать алюминий альфа-частицами, то из ядра алюминия вылетает нейтрон и образует легкий изотоп фосфора с атомным весом 30 (обычный изотоп фосфора имеет атомный вес 31), полученный изотоп фосфора неустойчив и выбрасывает радиоактивные лучи.
В результате такой ядерной реакции удалось искусственно получить радиоактивный элемент. Явление радиоактивности, на которое еще недавно физики не могли никак влиять, было теперь создано волей человека искусственно. Но в отличие от естественных искусственные радиоактивные лучи представляют собой поток позитронов.
Из открытия супругов Жолио-Кюри следовало, что радиоактивными могут быть не только тяжелые, но и легкие элементы — азот, кремний, фосфор и что у обыкновенных, устойчивых элементов существуют радиоактивные изотопы. В природе они не встречаются, так как уже давно распались, но их можно получить искусственно.
После открытия супругами Жолио-Кюри искусственной радиоактивности итальянский физик Ферми решил выяснить, существуют ли в природе радиоактивные изотопы и у других элементов, кроме азота, кремния и фосфора. Ферми вместе со своими сотрудниками бомбардировал ядра всех устойчивых элементов. В качестве ядерных снарядов Ферми впервые в физике применил нейтроны. В отличие от альфа-частиц, испытывающих электрическое отталкивание со стороны бомбардируемых ядер, на нейтроны не будут действовать электрические силы. Поэтому нейтроны должны очень легко проникать в ядра атомов. Поместив в ампулку смесь порошка бериллия и альфа-радиоактивного вещества, Ферми получил источник нейтронов. Облучая этими нейтронами различные вещества, он обнаружил, что радиоактивные изотопы можно создать почти у всех стабильных элементов. Эти исследования Ферми сыграли, как мы увидим в дальнейшем, большую роль в получении атомной энергии.
123
АТГФМИЛЯ] ®DOEQ>[TDO£O
ЗАКОН ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ ЭНЕРГИИ И МАССЫ
природе каждое тело обладает определенным количеством энергии. Но как определить, какое количество ее содержится в данном теле? Существует ли метод, с помощью которого можно было бы заранее вычислить, сколько энергии содержится в любом теле?
Такой способ был найден немецким ученым Альбертом Эйнштейном в 1905 г. В статье, посвященной созданной им теории относительности, Эйнштейн сформулировал важнейший закон природы — закон взаимосвязи массы и энергии. Сущность этого закона состоит в том, что энергия, которой обладает всякое тело, прямо пропорциональна массе этого тела:
Е — тс2,
где Е — полная энергия, сопоставляемая массе т, с = 3 • 1010 см!сек — скорость света.
Иначе говоря: если масса одного тела в несколько раз больше массы другого, то энергия первого тела точно во столько же раз больше, чем энергия второго.
Из этого закона вытекал еще и другой вывод. Поскольку энергия тела может изменяться, то масса тела соответственно должна изменяться, т. е. масса тела не абсолютно постоянная величина, она зависит от тех условий, в которых находится тело. Опыт показывает, что масса тела возрастает с увеличением его скорости (при обычных скоростях это изменение массы незна-
124
А. Эйнштейн (1879—1955)
Величайший физик XX в., создатель специальной и общей теории относительности, квантовой теории света. Его теоретические работы послужили основой открытия атомной энергии. В его честь был назван 99-й элемент системы Менделеева.
чительно). Строго говоря, мы не можем ответить на вопрос, какова, скажем, масса снаряда, если неизвестно, о каком снаряде идет речь — о неподвижном или движущемся. Летящий снаряд обладает кинетической энергией, а покоящийся — такой энергии не имеет, поэтому полная энергия летящего снаряда больше, чем у снаряда неподвижного.
Таким образом, существует прямая связь между массой и энергией, которые ранее считались совершенно независимыми. Закон сохранения массы и закон сохранения энергии после открытия Эйнштейна слились в единый закон — закон сохранения массы и энергии.
Закон взаимосвязи массы и энергии имеет огромное значение в современной физике, именно с его помощью была впервые указана принципиальная возможность получения атомной энергии.
125
ЭНЕРГИЯ, СОСРЕДОТОЧЕННАЯ В АТОМЕ
"О технике для получения энергии используют главным образом теплоту, выделяющуюся при горении. В результате химической реакции, будь то реакция соединения или разложения, электронная оболочка перестраивается. Горение как раз и представляет собой реакцию соединения, при которой образуется более прочная электронная оболочка, и поэтому выделяется
энергия.
Примером выделения энергии при реакции разложения неустойчивых молекул на более устойчивые части является действие взрывчатых веществ. При взрыве такого вещества его сложные малоустойчивые молекулы распадаются на более мелкие, более прочные молекулы, в результате выделяется большое количество энергии.
До самого последнего времени в технике в основном использовалась, да и сейчас используется энергия, выделяющаяся в результате перестройки электронных оболочек. Ядра атомов при этом остаются совершенно неизменными. Но ведь ядра — главная часть атомов, масса ядер в несколько тысяч раз больше массы электронов, участвующих в химических реакциях. Исходя из известного нам закона взаимосвязи массы и энергии, мы можем ожидать, что, если бы удалось осуществить реакцию, в которой участвовали ядра, количество выделяющейся (или поглощающей-
126
ся) энергии было бы во много раз больше, чем при химических реакциях. Более того, мы можем заранее предусмотреть, какого типа ядерные реакции будут экзотермическими, т. е. будут идти с выделением энергии.
Всякая ядерная реакция, при которой из менее прочных ядер получаются более прочные, будет идти с выделением энергии. Поэтому, чтобы выбрать нужную ядерную реакцию, нужно прежде всего выяснить вопрос о прочности ядер.
Пользуясь законом взаимосвязи
массы и энергии, можно определить
СИЛЫ, действующие в ядре
прочность ядра, если известна его масса, а также массы составляющих его частиц. Соответствующие вычисления показывают, что наиболее прочные ядра в природе — это ядра атомов, занимающих среднее положение в таблице Менделеева. Самые легкие и самые тяжелые ядра менее прочные.
Ядра состоят из протонов и нейтронов. Так как протоны — положительно заряженные частицы, то между ними, как между одноименными зарядами, должны действовать силы отталкивания. Если бы между частицами в ядре не действовали никакие другие силы, то ядра не могли бы существовать как единое целое — протоны, входящие в них, отталкиваясь, разлетелись бы во все стороны.
127
Но, как мы уже хорошо знаем, ядра существуют. Следовательно, на протоны действуют, помимо электрических, еще какие-то другие силы, и эти силы должны быть обязательно силами притяжения, величина которых больше сил отталкивания. Эти силы, действующие между частицами ядра, назвали ядерными силами.
Исследования показали, что ядерные силы действуют в равной степени между двумя протонами, между двумя нейтронами и между протоном и нейтроном. Далее оказалось, что ядерные силы на очень малых расстояниях (порядка одной биллионной (миллионная миллионной) доли миллиметра) чрезвычайно велики. Они во много раз больше, чем силы отталкивания между протонами, находящимися на таком расстоянии. Но с увеличением расстояния между ядерными частицами до двух-трех биллионных долей миллиметра ядерные силы ослабевают настолько, что практически их можно считать равными нулю.
Это характерное отличие ядерных сил — сил короткодействующих. Наоборот, дальнодействующие электрические силы сказываются, если даже расстояние между заряженными частицами значительно превосходит размеры атома. Поэтому эти силы действуют между
всеми протонами, находящимися в ядре. По-иному ведут себя ядерные силы: если расположить в ряд, скажем, три ядерные частицы, то первая будет притягивать только вторую частицу, но на третью частицу уже не действует. Отсюда ясно, что каждая частица в ядре может притянуть к себе столько частиц, сколько у нее непосредственных ♦соседей». Нечто подобное происходит среди капелек
128
обыкновенной жидкости — каждая молекула притягивает к себе только соседние молекулы. Но ядерные силы, действующие на нуклон *, примерно в миллион раз больше молекулярных сил, действующих на одну молекулу.
Мы до сих пор не учитывали электрических сил отталкивания
между протонами яд-
ра. У малых ядер, которые содержат небольшое число
протонов, эти силы отталкивания малы по сравнению с ядерными силами и их можно не учитывать. Но чем крупнее ядро, тем больше в нем протонов и тем значительнее силы отталкивания. Поэтому с увеличением числа частиц в ядре оно становится все более вытяну
тым, так как одноименные заряды стремятся удалить
ся друг от друга.
Теперь мы можем привести весьма упрощенное объ
яснение того, почему прочность ядер зависит от числа частиц в ядре, т. е. массового числа. Рассмотрим какое-нибудь легкое ядро, скажем ядро сверхтяжелого водорода (трития), состоящее из трех нуклонов (1 протон и 2 нейтрона).
Каждая из частиц в ядре трития имеет двух соседей, поэтому каждый нуклон связан как бы двумя пру-
жинками с остальными частицами ядра. Если же мы перейдем к более крупным ядрам, то число соседей у каждой частицы будет увеличиваться и для достаточно больших ядер (содержащих примерно 100 частиц) все нуклоны полностью окружены соседями.
1 Нуклонами называют частицы, образующие ядро, т. е. протоны и нейтроны.
9
129
ПРОЧНОСТЬ
Из математики известно, что при самой плотной упаковке любой шар можно окружить 12 шарами такого же радиуса. Поэтому у больших ядер каждая частица скреплена уже 12 пружинками и коэффициент использования ядерных сил будет выше, чем у легких ядер. Дальнейшее увеличение числа частиц в ядре свыше 100 уже не может заметно увеличить коэффициент использования ядерных сил. Ведь и так каждая частица (за исключением небольшого числа тех, которые находятся на поверхности ядра) скреплена максимальным числом пружинок — 12. Поэтому, если бы не существовало в ядрах еще и электрических сил, прочность ядер при увеличении числа частиц сначала бы возрастала, а начиная с ядер с массовым числом 100, оставалась бы почти одинаковой.
Но в ядре, помимо ядерных сил притяжения, существуют электрические силы отталкивания, они отрицательно влияют на прочность ядра и тем сильнее, чем больше протонов в ядре. Число же протонов в ядре растет с увеличением массового числа.
Поскольку в ядре действуют и те, и другие силы, то истинная зависимость прочности ядра от массового числа получится такой, как это показано на графике, из которого следует, что наиболее прочные — ядра средней величины.
Нужно сказать, что мы крайне упростили картину взаимодействия частиц в ядрах. В действительности она значительно сложнее, так, мы не касались того, почему в устойчивых ядрах число протонов приблизительно равно числу нейтронов. При этом оказывается, что полная энергия ядра минимальна, т. е. ядро наиболее прочно. Если бы ядро состояло из одних протонов,
130
то вследствие электрического отталкивания потенциальная энергия ядра была бы велика. Напротив, ядро, состоящее из одних нейтронов, имело бы большую энергию из-за того, что масса нейтрона больше массы протона. Энергия ядра будет наименьшей при равенстве числа протонов и нейтронов. Правда, с увеличением общего количества нуклонов в ядре возрастает роль электрических сил отталкивания, так что наиболее устойчивыми становятся те ядра, у которых число нейтронов несколько больше числа протонов.
Когда мы рассматривали периодическую систему Менделеева, то отмечали, что атомы химических элементов с определенным числом электронов обладают особой устойчивостью — это инертные газы. У них внешняя оболочка полностью заполнена электронами. Нечто подобное существует и в ядрах.
Оказывается, не все частицы внутри ядра находятся в одинаковых условиях, нейтроны и протоны тоже образуют внутри ядра оболочки. При определенных так называемых «магических» числах протонов и нейтронов ядра особенно прочные. Такими «магическими» числами являются 2, 8,14, 20, 28, 50 и 82.
Если ядро содержит «магическое» число протонов и нейтронов, то такое ядро будет значительно более прочным, чем соседние ядра. Особенно устойчивы, например, ядра гелия (2 протона, 2 нейтрона), кислорода (8 протонов, 8 нейтронов), кремния (14 протонов, 14 нейтронов). Наличие «магических» чисел говорит о сложном строении ядер. Для выяснения принципов получения атомной энергии достаточно нашей упрощенной картины.
ЭНЕРГИЯ ДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР
Зная, что не все ядра одинаково прочны, можно для получения ядерной энергии воспользоваться одним из двух типов ядерных реакций: либо разбить тяжелые ядра с образованием двух средних, более прочных ядер (реакция разложения), либо соединить несколько легких ядер в одно среднее ядро (реакция соединения).
В настоящее время оба пути практически осуществлены : первый — реакция деления ядер урана, а вто-
181
рои — это термоядерная реакция соединения самых легких ядер водорода в ядро гелия.
Рассмотрим существующие методы получения внутриатомной энергии.
Мы уже знаем, что единственный способ разбить атомное ядро — это бомбардировать его какими-нибудь быстрыми частицами. Поэтому первой мыслью ученых было использовать в качестве снарядов естественнорадиоактивные лучи, а именно поток альфа-частиц (бета-частицы из-за малой массы не годятся для бомбардировки). Оказывается, таким путем идти бессмысленно. Дело в том, что естественно-радиоактивными частицами можно разбить только легкие ядра. Чтобы разбить тяжелые ядра, нужно ускорить снаряды огромных энергий, когда они в состоянии будут преодолеть отталкивание со стороны мишеней, т. е. бомбардируемых ядер. Таких готовых снарядов в природе нет. Правда, можно воспользоваться заряженными частицами (протонами или альфа-частицами), ускоренными до необходимой скорости в ускорителях. Энергии на получение таких частиц придется затратить много, а вероятность попадания их в ядро ничтожна; ведь размеры ядер очень малы по сравнению с атомами, и при малейшем воздействии такая частица отклонится в сторону и не попадет в ядро. Практически заряженные частицы растрачивают при прохождении через вещество очень много энергии, прежде чем натолкнуться на атомное ядро. Если же в ядро попадет частица, у которой скорость мала, то деления ядра уже не произойдет. Поэтому примерно только один на миллион таких снарядов вызывает деление бомбардируемого ядра. И хотя при этом делении выделится энергия во много раз большая той, которой обладает сама частица-снаряд, в целом из-за огромных потерь энергии, растраченной теми частицами, которые не вызвали деления, мы не только никакого выигрыша энергии не получим, а, наоборот, окажемся в большом проигрыше.
Значит, ни альфа-частица, ни протон, ни электрон не пригодны в качестве снарядов для деления ядра.
В природе существуют более выгодные снаряды — это нейтроны. Впервые к этому выводу пришел Ферми. Нам уже известно, что, как только был открыт нейтрон, Ферми подвергал бомбардировке нейтронами раз
132
личные элементы с целью обнаружить у них радиоактивные изотопы. Во время этих опытов он заметил, что обычно ядра захватывают нейтроны и в результате получаются изотопы первоначальных атомов с массой на единицу больше. Эти новые ядра, как правило, неустойчивы и излучают бета-частицы. Что же случится, подумал тогда Ферми, в том случае, если действию нейтрона подвергнуть уран? Ведь уран 92 — последний элемент в периодической системе. Если и в этом случае так будет идти процесс, то в результате получится тяжелый изотоп урана 239, который, вероятно, выбросит бета-частицу и превратится в 93-й элемент, т. е. элемент, который в природе не существует. Это был заманчивый опыт. Ведь и 93-й элемент, очевидно, радиоактивен, в противном случае мы нашли бы его среди устойчивых элементов. А в результате распада 93-го элемента, возможно, получается 94-й элемент.
Опыт, действительно, дал очень интересные результаты. Облучив уран нейтронами, Ферми обнаружил, что у урана появилось радиоактивное излучение, до того не наблюдавшееся. Оно состояло из бета-лучей четырех сортов, излучаемых, по-видимому, четырьмя различными типами атомов. Сначала Ферми подумал, что радиоактивными элементами, выбрасывающими эти бета-лучи, являются какие-то неизвестные изотопы тяжелых элементов. Но к концу 1935 г. тщательные химические исследования показали, что излучающие элементы не могут быть изотопами ни одного из элементов, начиная от ртути и кончая ураном. Пришлось допустить, что при облучении урана нейтронами образуются новые элементы с порядковым номером больше 92. Их назвали трансурановыми (заурановыми) элементами.
Подробным изучением трансурановых элементов занялись немецкие ученые Ган, Мейтнер и Штрассман. Они выдвинули гипотезу, по которой при бомбардировке урана нейтронами получаются три радиоактивных изотопа урана, которые, распадаясь, превращаются в трансурановые элементы. Но эта гипотеза не могла объяснить некоторые особенности исследуемого процесса.
За решение этой проблемы взялись Ирен Кюри и ее ассистент югославский физик Савич. В 1938 г. они
133
вплотную подошли к правильному решению проблемы, но не «могли сделать верных выводов из своего открытия. Вскоре Ган и Штрассман повторили опыты И. Кюри и Савича. Исследуя вопрос о том, какие элементы излучают бета-лучи, Ган и Штрассман заметили, что один из них подобен по химическим
свойствам радию и, возможно, представляет собой какой-то изотоп радия. Чтобы отделить ничтожно малые количества этого «радия» от урана, они поступили так: подвергнутый облучению нейтронами уран растворили и затем добавили элемент барий (барий по своим свойствам аналогичен радию, они стоят в одном столбце в периодической системе). Барий добавлялся в качестве «носителя», выпадая в осадок, он с собой уносил и химически родственный радий (сам радий не выпал бы в осадок вследствие мизерных количеств его в растворе). Но когда они попытались отделить «радий» от бария, то никаким образом этого сделать не удалось. Отсюда неизбежно вытекал вывод, что в действительности «радий» представляет собой барий. Это было удивительно: в результате соединения нейтрона с атомом урана получается новое ядро, от которого отщепляется ядро бария. После облучения урана возникают не ка
кие-то неведомые трансурановые атомы, а давно известные атомы бария. Итак, облучая уран нейтронами, получили атомы элемента, занимающего среднюю часть таблицы Менделеева.
Чтобы объяснить, как из урана образуется барий, Лиза Мейтнер предположила, что при попадании в ядро урана нейтрона образуется возбужденное ядро, которое распадается на два более мелких ядра. Найденный Ганом и Штрассманом барий и представляет собой один из осколков урана. К такому же выводу почти одновременно и незави
134
симо от Лизы Мейтнер пришел Ф. Жолио-Кюри. Он доказал это на опытах, изложение которых было опубликовано в «Трудах Парижской Академии» в 1939 г.
Открытие Гана и Штрассмана вызвало такой огромный интерес потому, что при делении тяжелых ядер на ядра средней величины должно выделиться колоссальное количество энергии.
Оно и понятно: в результате деления тяжелого ядра образуются два меньших ядра (два положительных заряда), между которыми возникает большая сила отталкивания, так что осколки ядра урана разлетаются с большой скоростью. Сталкиваясь с молекулами вещества, эти осколки передают им большую часть своей кинетической энергии. Вследствие этого молекулы начинают двигаться быстрее, отчего температура тела повышается. Таким образом, в конечном итоге ядерная энергия превращается в теплоту.
Ленинградский профессор Я. И. Френкель, а затем Н. Бор для объяснения процесса деления ядер предположили, что ядро ведет себя, подобно капле воды. Если привести в колебание каплю воды, то она может разорваться на две меньшие капли. Точно так же и ядро можно разбить на два меньших. У тяжелых ядер вследствие большого числа протонов электрические силы отталкивания стремятся нарушить сферическую форму и разорвать ядро. Но даже у самых тяжелых ядер электрические силы все же меньше, чем ядерные, так что сами разорвать ядро они не могут. Но если в тяжелое, малоустойчивое ядро влетит нейтрон, то он вызовет колебания капли ядра. При этом одноименные заряды, накопившиеся на вытянутых концах капли, стремятся из-за отталкивания еще сильнее вытянуть ядро. В результате многократных колебаний у ядра образуется перетяжка, которая становится все уже и, наконец, ядро распадается на две части, быстро разлетающиеся в противоположные стороны.
Легко поэтому понять, что не все изотопы урана в равной степени способны расщепляться нейтронами. Так, если сравнить уран 238 и уран 235, то, хотя у них равное число протонов, ядро урана 235 легче распадается, ибо в нем меньше нейтронов, играющих роль цементирующего материала в ядре. Ядра урана 238 могут делиться только при попадании в них очень бы
135
стрых нейтронов, а уран 235 делится под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.
Более того, в 1940 г. молодые советские ученые Флеров и Петржак обнаружили, что ядра урана 235 иногда, правда очень редко, сами по себе распадаются на две половинки, если даже нейтрон в такое ядро не попал. Это явление получило название спонтанного (самопроизвольного) деления урана.
ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Следующий важный вопрос для физики был такой: сопровождается ли деление урана возникновением вторичных нейтронов. Мы знаем, что с увеличением ядра увеличивается относительное количество нейтронов. В самом деле, у легких ядер числа протонов и нейтронов равны, у ядер средней массы на один протон приходится 1,3 нейтрона, а в ядрах урана — на один протон в среднем 1,6 нейтрона. Ясно, что при делении урана на меньшие ядра в них должен быть избыток нейтронов. Такое неравновесное состояние ядра может легко перейти в устойчивое путем превращения нейтронов внутри ядра в протоны с последующим выбросом бета-частиц. Но, может быть, один или несколько лишних нейтронов попросту вылетят из возбужденного ядра? Наличие таких вторичных нейтронов было бы необходимым условием для осуществления непрерывной (цепной) реакции деления ядер.
Поэтому-то многие ученые и занялись решением этого вопроса. Наибольших успехов добились работавшие независимо друг от друга Жолио-Кюри и Ферми. 8 марта 1939 г. Ф. Жолио выступил в Парижской Академии с докладом, в котором рассказал о результатах, полученных им совместно с его учениками Альбаном и Коварским. Оказалось, что деление ядер урана действительно сопровождается возникновением вторичных нейтронов. В среднем при каждом делении ядра вылетают два-три нейтрона.
В эти же дни к аналогичному выводу пришел в США Энрико Ферми. Произошло это так. Еще в середине января 1939 г. Нильс Бор, узнав об открытии Л. Мейтнер, срочно вылетел в США для встречи с
136
Э. Ферми (1901—1954)
Известный итальянский физик-теоретик и экспериментатор, лауреат Нобелевской премии 1938 г. В 1942 г. создал первый атомный реактор. В его честь назван 100-й элемент таблицы Менделеева.
А. Эйнштейном. Бор торопился обменяться мнениями со своим старым другом о значении новой ядерной реакции для судеб человечества. Через несколько дней Бор прочел соответствующий доклад, на котором присутствовал Энрико Ферми. Таким образом, Ферми еще до опубликования работы Л. Мейтнер в английском журнале «Природа» 18 февраля 1939 г. смог приступить к исследованию свойств ядерной реакции деления урана.
Полученный результат имел первостепенное значение. Это означало, что возможна нарастающая цепная реакция. Задача получения ядерной энергии была в принципе решена.
Поясним теперь на простом примере смысл слов «нарастающая цепная реакция».
Как разжигают печь, топящуюся углем? При трении спичечной головки о коробок выделяется теплота, достаточная для воспламенения спички. Горящая спичка выделяет значительно больше теплоты и от нее может загореться бумага, от бумаги — щепки, затем дрова и только после этого загорится уголь. Харак
137
терно, что здесь происходит нарастание количества выделяющейся теплоты, это нарастающая цепная реакция.
Пусть при делении ядра в результате попадания в него одного нейтрона образуются два новых нейтрона. Предположим, что каждый из этих вторичных нейтронов попадет в какие-нибудь ядра урана м в свою очередь вызовет деление. Тогда будет разрушено уже не одно ядро, а два, и в результате из двух ядер вылетят по два (а всего четыре) нейтрона. Эти нейтроны в свою очередь вызовут деление четырех ядер урана с образованием восьми вторичных нейтронов, которые вызовут 8 делений ядер, причем возникнет 16 вторичных нейтронов и т. д. Число нейтронов и число делящихся ядер быстро возрастает. Это и будет цепная реакция при делении урана.
Возникает такой вопрос: почему же нет цепной реакции деления природного урана, который в больших количествах содержится внутри Земли? Ведь всегда в уране есть нейтроны за счет самопроизвольного деления урана 235, открытого Флеровым и Петржа-ком. А, кроме того, нейтроны имеются и в космических лучах, непрерывно падающих на Землю из далеких космических пространств.
Дело в том, что мы весьма упрощенно рассмотрели картину деления урана. В действительности такому нарастанию цепной реакции в природном уране препятствует ряд обстоятельств.
Во-первых, в природном уране содержится только 0,7% урана 235, который делится при попадании в него любого нейтрона. Основная же масса природного урана — это уран 238, который делится только под действием быстрых нейтронов. Если в уран 238 попадет нейтрон с энергией меньше 1 Мэв, то деления ядра урана не произойдет. В этом случае нейтрон поглотится ядром урана 238 и перестанет играть какую-либо роль в развитии цепной реакции. Особенно сильно поглощает уран 238 нейтроны, обладающие энергией, около 7 эв. Иначе говоря, у нейтронов существует как бы «опасная зона» скоростей. Как только скорость нейтрона приблизится к этой «опасной» скорости, нейтрон почти наверняка поглотится ураном 238 (так называемый резонансный захват).
138
Во-вторых, мы считали, что всякий возникающий нейтрон обязательно попадает в какое-нибудь ядро урана, но так как кусок урана имеет ограниченные размеры, то часть нейтронов обязательно вылетит наружу, не встретив на своем пути ни одного ядра урана. Вероятность такой встречи тем больше, чем меньше скорость нейтрона и чем крупнее кусок урана.
В-третьих, в уране всегда есть различные примеси, которые могут поглощать нейтроны, что также уменьшает количество нейтронов, поддерживающих деление урана.
Чтобы произошла цепная реакция, нужно устранить или уменьшить действие перечисленных препятствий.
Для устранения первого препятствия можно энергетическую установку целиком основать на легком уране 235, отделив его от урана 238. Так, например, поступили американцы при изготовлении ими первых атомных бомб. Но так как урана 235 в природном уране очень мало и к тому же разделить изотопы технически весьма сложно, то в установках для получения атомной энергии в мирных целях поступают иначе. При делении урана вылетающие быстрые нейтроны превращают в медленные. Этим «убивают сразу двух зайцев». Во-первых, медленные нейтроны значительно лучше, чем быстрые, .делят уран 235 (правда, медленные нейтроны не делят уран 238, но выигрыш оказывается намного больше проигрыша). Во-вторых, при быстром торможении нейтронов вероятность попадания в область резонансного захвата значительно меньше. Для быстрого торможения нейтронов к урану добавляют замедлитель (вещество, не погло-
139
щающее нейтроны). В качестве замедлителя нужно брать легкие вещества по следующей причине. При столкновении нейтрона с ядром не всегда нейтрон поглощается. Обычно, прежде чем поглотиться, нейтрон испытывает несколько столкновений с ядрами. При таком столкновении нейтрон отдает часть своей кинетической энергии ядру, с которым столкнулся. Энергия же
(и скорость) нейтрона при этом уменьшается. Если движущийся шар сталкивается с покоящимся шаром значительно больших размеров, то движущийся теряет мало энергии и отскакивает от второго почти с первоначальной скоростью. Так же мало энергии теряет движущийся шар, если он сталкивается с шаром значительно меньших размеров. В этом случае он полностью отбрасывает маленький шар. Больше всего энергии теряет движущийся шар при столкновении с шаром равной массы. При подходящем ударе движущийся шар может полностью затормозиться, а неподвижный начнет двигаться со скоростью первого шара. Чем ближе масса ядра к массе нейтрона, тем сильнее будет тормозиться нейтрон. Но масса нейтрона равна
массе самого легкого ядра водорода — протона. Поэтому водородсодержащие вещества и могут применяться в качестве замедлителя.
Водород был бы идеальным замедлителем, если бы к замедлителям предъявлялось только одно требование — быть легким веществом. Но замедлитель должен еще удовлетворять и таким важным условиям: не поглощать нейтроны, стоимость его должна быть низкой (в котлах обычно содержится несколько тонн * замедлителя); плотность его должна быть как можно
140
больше, чтобы у нейтрона вероятность столкновения с атомом замедлителя была не очень мала; чтобы он не вступал в химические реакции с ураном и другими веществами в котле и др.
Обычный водород в качестве замедлителя не годится, так как это газ с очень малой плотностью. Жидкие же или твердые водородсодержащие вещества можно применять в качестве замедлителя, но и они для этого не очень хороши, ибо ядра водорода (протоны) легко соединяются с нейтронами, превращаясь в дейтрон (ядра тяжелого водорода).
Поэтому в качестве замедлителя приходится брать вещества, которые, хотя и значительно тяжелее водорода и, следовательно, хуже замедляют нейтроны, но зато не имеют тех недостатков, что водород. Так, ядро тяжелого водорода (дейтрон) с массовым числом 2 почти совершенно не поглощает нейтроны. В обычном виде тяжелый водород (дейтерий) — газ, поэтому в качестве замедлителя применяется жидкая тяжелая вода (молекулы тяжелой воды содержат один атом
кислорода и два атома дейтерия). Так как атомы кислорода не взаимодействуют с нейтронами, то тяжелая вода — прекрасный замедлитель, но она очень дорога, ибо ее трудно выделить.
Тяжелую воду впервые получили англичане Льюис и Макдональд в 1933 г. По многим физическим свойствам тяжелая вода отличается от легкой. Плотность ее равна 1,11. Кипит тяжелая вода при 101,4° С, замерзает при 3,8° С. Особенно резкое различие было обнаружено в биологических свойствах тяжелой и обычной воды. В тяжелой воде не прорастают се-
141
мена, в ней погибают микробы, а также рыбы.
Тяжелая вода в ничтожных количествах содержится в морской воде: в 10 кг морской воды содержится 2 г тяжелой воды.
Очень часто в качестве замедлителя применяют чистый углерод, хотя его ядра в 12 раз тяжелее нейтронов, и, следовательно, замедляет он их значительно хуже дейтронов, но зато он легкодоступен и не дорог.
Полностью устранить второе препятствие — помешать бесполезному вылету нейтронов из урана в пространство, конечно, нельзя. Но чем больше размер куска урана, внутри которого происходит деление ядер нейтронами, тем больше возможности каждому нейтрону встретить на своем пути ядра урана. Поэтому, для того чтобы цепная реакция могла развиваться, необходимо взять достаточно большой кусок урана (больше некоторого «критического» размера). Критический размер, или, как говорят, критическая масса, зависит от состава урана, от его геометрической формы и от других обстоятельств. Так, критическая масса может быть значительно уменьшена, если уран окружить веществом, отражающим вылетающие нейтроны и возвращающим их обратно внутрь урана.
Установка, в которой осуществляется цепная ядерная реакция, называется атомным или ядерным реактором или котлом. Существует множество различных типов реакторов. Но любой из них представляет собой сооружение, внутри которого находятся уран и замедлитель.
Впервые идею ядерного реактора теоретически разработали Ф. Жолио-Кюри, Аль-
142
бан и Коварский. В сентябре 1939 г. они сдали в научный журнал статью «Экспериментальное доказательство цепной ядерной реакции в уране». Они же разработали технический проект реактора, описанный в работе «О возможности получения в уране нарастающей цепной реакции». Но к этому воемени уже нача-
143
лась вторая мировая война, публикация научных статей по вопросам атомной энергии была запрещена. Поэтому они передали Парижской Академии наук свой проект в запечатанном конверте, с тем чтобы его вскрыли, когда уже не будет засекречивания научных достижений.
Первый в мире атомный реактор был построен в Чикаго в декабре 1942 г. группой ученых во главе с Ферми. Основной задачей этого реактора было получение плутония. Первый в Европе реактор был построен через пять лет в СССР. 27 июня 1954 г. начала работать первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР. В 1958 г. начала работать первая очередь Ново-Воронежской атомной электростанции, проектная мощность которой 600 тыс. кет. Завершается строительство Белоярской атомной электростанции имени акад. И. В. Курчатова с полезной мощностью 400 тыс. кет. Первая очередь этой станции — реактор на 100 тыс. кет уже дает ток.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
Мы уже говорили, что атомную энергию можно получать двумя способами: делением ядер тяжелых элементов и соединением ядер легких элементов. До сих пор мы рассказывали о первом способе. Теперь поговорим о втором.
Хорошо известно, что Солнце ежесекундно отдает в мировое пространство громадное количество тепла и света. Это излучение приводит к огромным потерям энергии Солнца. Если бы энергия непрерывно не пополнялась, то интенсивность солнечного излучения быстро уменьшалась бы, Солнце потухало бы со временем.
Тем не менее наукой доказано, что и миллионы лет назад наше Солнце посылало на Землю такое же количество энергии, что и сейчас.
Откуда же Солнце, да и другие звезды, черпают свою энергию? За счет каких колоссальных источников в этих раскаленных светилах поддерживается столь высокая температура, достигающая в недрах звезд десятков миллионов градусов?
144
Когда-то думали, что Солнце представляет собой большой раскаленный шар, в котором непрерывно происходит горение. Если бы это было так, то Солнце полностью бы сгорело за 4—5 тысяч лет.
Лет семьдесят пять назад известные физики Гельмгольц и Томсон выдвинули гипотезу, что Солнце излучает тепло вследствие того, что оно беспрерывно сжимается под действием сил взаимного притяжения. Расчеты показали, что и эту гипотезу приходится отвергнуть, ибо она приводит к тому выводу, что возраст Солнца не больше 20 миллионов лет. Но это противоречит общеизвестным научным данным. Ведь жизнь на Земле, невозможная без тепла Солнца, существует уже более сотни миллионов лет.
Наукой доказано, что источник энергии звезд — реакции синтеза легких ядер.
При достаточном сближении, скажем, двух ядер тяжелого водорода образуется более прочное ядро гелия и при этом выделяется много энергии (в несколько раз больше, чем при делении урана в расчете на одинаковую массу). В обычных земных условиях осуществлению такой реакции препятствуют два обстоятельства: во-первых, ядра окружены электронными оболочками, размеры которых в десятки тысяч раз больше ядер. При сближении атомов между электронами возникают силы отталкивания, препятствующие дальнейшему сближению ядер. Во-вторых, даже если бы удалось лишить ядра электронных оболочек, то и в этом случае сближение ядер до непосредственного соприкосновения было бы невозможно из-за возникающих при этом огромных сил отталкивания между одноименными (положительными) зарядами ядер.
Но при температуре 20 миллионов градусов, которая существует в глубине Солнца и других звезд, оба эти препятствия отпадают. Во-первых, при столь высокой температуре ядро не в состоянии удержать электроны на оболочке атома — происходит полная ионизация, распад атомов на ядра и электроны. Такое состояние вещества называется плазмой. Во-вторых, в высокотемпературной плазме ядра приобретают огромную скорость, так что они в состоянии преодолеть взаимное отталкивание и сблизиться до соприкосновения. При этом под действием ядерных сил происходит ядер-
10
145
ная реакция синтеза, или, как ее называют, термоядерная реакция.
Как показал известный немецкий физик Бете, в глубине звезд происходит ядерная реакция превращения водорода в гелий. Справедливость этой теории, в частности, подтверждается тем, что Солнце на 50% состоит из водорода и на 45 % — из гелия.
Расчеты показывают, что еще миллиарды лет Солнце будет светить так же интенсивно, как и сейчас.
Естественно возникает вопрос: нельзя ли в земных условиях искусственно осуществить термоядерную реакцию? Она имела бы практически неизмеримо большее значение, чем реакция деления урана. Ведь термоядерная реакция дает на единицу массы примерно в 8 раз больше энергии, чем при делении урана, а главное, сырья для ее осуществления — водорода, в природе имеется неограниченное количество.
Как уже указывалось, для протекания термоядерной реакции необходима температура в десятки миллионов градусов.
Искусственно получить такую температуру двадцать лет назад казалось фантазией. В настоящее время наука уже знает способ получения таких температур — это атомный взрыв. Поэтому если внутрь большого количества сжатого тяжелого водорода поместить атомную бомбу, то образующаяся при ее взрыве огромная температура создаст условия для протекания термоядерной реакции.
По этому принципу устроена водородная бомба. В очень прочной стальной оболочке находится тяжелый и сверхтяжелый водород: внутри помещается небольшая атомная бомба, играющая роль запала водородной бомбы.
Но нас интересует не столько водородная бомба, сколько возможность использования термоядерной реакции для мирных целей. Возможно ли получить энергию термоядерной реакции не в виде взрыва, а постепенно, нужными порциями?
В СССР начиная с 1949 г. исследуются пути осуществления управляемой термоядерной реакции.
Как уже отмечалось, в высокотемпературной плазме могут происходить столкновения ядер и реакция их синтеза. Но вероятность этого будет тем больше, чем
146
выше температура плазмы. Чтобы такая реакция представляла практический интерес, она должна быть самоподдерживающейся (как, например, горение). Это значит, что выделяющаяся вследствие термоядерной реакции энергия полностью компенсирует потери тепла за счет горячей плазмы. Расчет показывает, что только при температуре 350 миллионов градусов плазма, содержащая только ядра дейтерия, «самовоспламеняется». В плазме из ядер дейтерия и трития ядерное «горение» начинается при 45 миллионах градусов.
Количество энергии, необходимое для нагревания плазмы до нескольких десятков миллионов градусов, сравнительно невелико. Но как удержать при такой температуре плазму и обеспечить сохранение в ней накопленной теплоты?
Если в сосуде попытаться нагревать тяжелый водород, то его частицы, разлетаясь во все стороны, отдадут теплоту стенкам, а от них окружающей среде. Уже при температуре в несколько тысяч градусов потери тепла становятся столь значительными, что дальнейшее повышение температуры становится невозможным. Следовательно, нужно было найти соответствующий теплоизолятор. Но где взять материал, способный выдержать температуру в миллионы градусов?
Казалось, что эта задача неразрешима. Но ее решили в 1950 г. молодой советский физик А. Д. Сахаров (ныне академик) совместно с академиком И. Е. Таммом. В качестве теплоизолятора они предложили применить магнитное поле, которое играет роль незримой теплоизолирующей стены. Магнитное поле заставляет заряженные частицы плазмы двигаться по винтовой линии малого радиуса. Чем сильнее магнитное поле, тем уже становится пучок, сжимаясь в тонкий шнур. Акамедик И. В. Курчатов сравнивал это состояние ядер и электронов с белкой в колесе. Лишенные свободы частицы в магнитном поле уже не могут унести энергии из плазмы. Но самое интересное состоит в том, что необходимое для этого магнитное поле возникает само, если через разреженный газ пропустить электрический ток большой силы — в сотни тысяч ампер. Этот ток сыграет двойную роль — он выделит тепло для нагревания и за счет своего магнитного поля не даст этому теплу пропасть зря. Под действием магнит-
*
147
И. В. Курчатов (1903—1961)
Выдающийся советский физик. Возглавлял в СССР все научные исследования по атомной энергии^ Открыл явления сегнетоэлектричества и ядерной изомерии. Под его руководством было открыто самопроизвольное деление урана.
ного поля заряженные частицы мгновенно сжимаются в тончайший плазменный шнур, оторванный от стенок сосуда. Температура быстро начинает возрастать, достигая миллиона градусов.
Советские физики под руководством академика Арцимовича специальными экспериментами исследовали явления, происходящие в дейтерии при прохождении больших токов. В некоторых опытах сила тока достигала двух миллионов ампер, а мгновенная мощность примерно в 10 раз была больше мощности Куйбышевской гидроэлектростанции. Температура в трубке с газом превосходила миллион градусов, но в отличие от водородной бомбы тяжелый водород здесь совершенно безопасен, так как его в трубке было ничтожно мало. Эти эксперименты подтвердили справедливость идеи Сахарова и Тамма. Но наряду с этим выяснилось, что, к сожалению, в плазме процессы идут значительно сложнее, чем предполагалось.
148
Прежде всего плазменные шнуры неустойчивы г достаточно малейшего нарушения условий равновесия в трубке и шнур начнет изгибаться до тех пор, пока не коснется стенок. Для стабилизации плазмы приходится накладывать дополнительное магнитное поле.
Слабым местом в прямой разрядной трубке являются также электроны. Ведь магнитное поле ограждает плазменный шнур только с боков, у обоих же оснований трубки плазма «касается» сравнительно холодных электродов и, таким образом, теряется большая часть накопленного тепла. Поэтому стали создавать замкнутые разрядные трубки в виде «бублика» без электродов — тороидальные камеры.
По законам физики вокруг электромагнита, по которому течет переменный ток, возникают кольцеобразные силовые линии электрического поля. Поэтому если такой электромагнит окружить тороидальной разрядной камерой, то частицы плазмы будут непрерывно двигаться внутри камеры по окружности под действием существующего в ней кольцевого электрического поля. Чтобы плазменный шнур внутри тороида был устойчив и случайно не коснулся холодных стенок камеры, стали, во-первых, накладывать дополнительное продольное фокусирующее магнитное поле (для чего тороид обмотали проволочной катушкой с током) и, во-вторых, камеры сделали не из стекла или фарфора, а из металла. Дело в том, что в металле возникают вихревые токи (токи Фуко), магнитное поле которых не даст частицам плазмы приблизиться к стенкам.
Значительно более мощная тороидальная разрядная камера «Альфа» с железным сердечником, построенная ,в СССР, имеет диаметр трубы 1 м и наружный диаметр 4,2 м. Аналогичную камеру «Зета» построили англичане. В тороидальных камерах удалось получить значительно более устойчивую плазму, чем в прямых трубках.
На конференции в Женеве в сентябре 1958 г. советские ученые рассказали и о других направлениях исследований получения звездных температур. Большой интерес вызвало сообщение о создании в Институте атомной энергии Академии наук СССР колоссальной магнитной ловушки «Огра», с помощью которой
149
можно надеяться осуществить управляемую термоядерную реакцию.
Опыты по осуществлению управляемой термоядерной реакции проводятся и в других направлениях.
В 1957 г. мексиканский физик Луис Альварец на космотране Калифорнийского университета осуществил замечательную ядерную реакцию синтеза водорода в гелий при обычных температурах. Интересно, что идея этого метода была теоретически предсказана еще в 1954 г. независимо друг от друга советскими учеными-академиками Я. Б. Зельдовичем и А. Д. Сахаровым. Они рассчитали, что взаимное отталкивание ядер можно преодолеть не только высокой температурой, но и с помощью частиц мю-мезонов, о которых мы подробно будем говорить в следующей главе. Дело в том, что наряду с обычными атомами теория допускала возможность существования мезо-атомов. У мезоатомов вокруг ядра вращаются не электроны, а отрицательные мю-мезоны. Поскольку мю-мезоны, как и электроны, подчиняются принципу Паули, то мезоатомы также образуют своеобразную периодическую систему от мезо-водорода до мезо-нобелия. Основное отличие мезо-атомов от обычных состоит в размерах мезонных орбит: поскольку мю-мезон в 207 раз тяжелее электрона, то радиус мезонной орбиты во столько же раз меньше радиуса соответствующей электронной орбиты.
Мю-мезон частица неустойчивая и в течение миллионных долей секунды превращается в более легкие частицы. Поэтому понятно, что и сами мезо-атомы могут существовать очень недолго. Но и за свою короткую жизнь они могут сыграть большую роль в науке. Мезо-атомы могут объединяться в мезо-молекулы, у которых вокруг нескольких ядер имеется единая мезонная оболочка. Так, молекула мезо-водорода, подобно молекуле обычного водорода Нг, напоминает пространственную мезонную «восьмерку», охватывающую оба ядра водорода, только эта восьмерка в 207 раз меньше, чем у обычной молекулы.
Представим себе теперь, что произойдет с мезомолекулой дейтерия после распада мезонов: молекулы не будет, но мезоны сыграли свою роль — сблизили ядра тяжелого водорода до столь малых рас
150
стояний, что между ними начнут действовать ядер-ные силы.
Таким образом, по идее Я. Б. Зельдовича и А. Д. Сахарова можно, создав мезо-дейтерий, надеяться на протекание в нем самопроизвольной ядерной реакции синтеза.
Эту реакцию на опыте и осуществил Альварец. Он облучал сосуд с сжиженным тяжелым водородом мощным пучком мезонов и наблюдал в отдельных случаях протекание указанной реакции.
Можно подумать, что грандиозная задача, о которой говорилось выше, уже решена. К сожалению, еще нет. Дело в том, что вероятность такой реакции очень мала. Чтобы получить, таким образом, из водорода гелий в заметных количествах, нужно создать такие интенсивные пучки мезонов, что на их получение придется затратить энергии немного больше, чем выделится при ядерной реакции синтеза.
Тем не менее ясно, что тот исторический момент, когда будет не только принципиально, но и технически решена задача осуществления реакции ядерного синтеза, уже близок.

Э Л\ ГЕ DO ГЕ ОППЛ IP И СЬО И 'ЩАХаШЮОфЬП
✓ этой главе рассказывается о достижениях физики в изучении свойств тех мельчайших элементарных частиц, из которых образуются атомы и ядра атомов.
Как мы уже знаем, к концу 1932 г. физики знали четыре элементарные частицы: протон, нейтрон, электрон и позитрон. К ним вскоре добавили и пятую — фотон, т. е. квант света. Ведь опыты все более убеждали, что частицы света — фотоны — ничем принципиально не отличаются от частиц вещества. Более того, и те, и другие «при удобном случае» превращаются друг в друга. Но оказалось, что список элементарных частиц природы еще далеко не исчерпан.
НЕЙТРИНО
Шестой открытой элементарной частицей, совсем необычной по своим свойствам, было «нейтрино» *.
Подобно позитрону, нейтрино было сначала предсказано теоретически. Произошло это так. Сразу после открытия супругами Кюри и Резерфордом трех видов радиоактивных лучей — альфа, бета и гамма — началось их тщательное исследование и сопоставление. Такие опыты проводились и в Парижском институте радия под руководством Марии Кюри, и в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Результаты этих опытов говорили о различии в процессах альфа- и бета-распада. При альфа-распаде все частицы, вылетающие
Нейтрино — маленький нейтрон.
152
из атомов данного Вещества, имеют одинаковую энергию. Это хорошо видно на рисунке следов альфа-частиц в камере Вильсона, где все треки приблизительно равны по длине. Но у разных радиоактивных веществ энергия вылетающих альфа-частиц различна. Была даже установлена зависимость между длино!1 пробега альфа-частиц и постоянной рас
пада А: чем быстрее данное вещество распадается, тем большей длиной пробега (следовательно, и энергией) обладают альфа-частицы этого вещества.
Ясно, что ядра альфа-радиоактивных атомов воз буждены, т. е. обладают некоторой избыточной энергией, которую уносят с собой вылетающие альфа-частицы. Чем больше возбуждены ядра атомов данного вещества, тем быстрее они распадаются и с большей энергией вылетают из них альфа-частицы. Такие пред
ставления о процессе альфа-распада хорошо согласуются с фактами. Естественно было ожидать, что нечто подобное происходит и при бета-распаде: вылетающие из возбужденных ядер электроны должны уносить избыток энергии, которым обладает возбужденное ядро по сравнению с нормальным, невозбужденным. Поэтому все бета-электроны одного и того же вещества должны иметь одинаковую энергию. Но
опыты приводили к совершенно иным результатам: каждое бета-радиоактивное вещество выбрасывает электроны самых различных энергий — от нуля до некоторого максимального значения Ет. Это было удивительно. Тогда ученые сравнили энергию атома до и после бета-распада. Выяснилось, что в результате
распада энергия атома как раз уменьшилась на величину Ет. Поэтому первое напрашивающееся объяснение существования бета-распада у вылетающих с различной энергией частиц сводилось к следующему.
При бета-распаде, как и при альфа-распаде, все электроны вылетают с одинаковой энергией, равной Ет, но во время движения постепенно, по разным причинам (столкновение с молекулами воздуха, излучение света и т. п.) теряют часть своей первоначальной энергии. Были поставлены специальные опыты с це
153
лью уловить ту часть энергии, которую бета-электроны теряют во время своего полета. Для этого бета-излучатель был помещен в толстостенный свинцовый калориметр. В конечном итоге вся энергия, выделившаяся при бета-распаде, должна будет превратиться в теплоту, что можно определить по повышению температуры в калориметре. Но несмотря на всю тщательность опытов, ожидавшейся потери энергии электронов обнаружить не удалось.
Получился поразительный результат. Все бета-ра-диоактивные атомы уменьшают свою энергию на величину Е т, а вылетающие при этом электроны уносят обычно меньшую энергию. Куда же исчезает остальная часть энергии распада? Вновь в физике возникла серьезная трудность. Некоторые физики, в том числе и Бор, выдвинули антиматериалистическую гипотезу, что закон сохранения энергии не является абсолютным, что могут быть небольшие нарушения в ту или Другую сторону, так что в среднем общая энергия сохраняется. Но встать на такую точку зрения — это значит допустить мысль о возможности исчезновения и возникновения движения материи, а значит, и самой материи. Не удивительно поэтому, что развитие естествознания вскоре отбросило совершенно ненаучную гипотезу Бора.
В 1933 г. известный немецкий физик Вольфганг Паули выдвинул смелую гипотезу о процессе бета-распада, согласующуюся с законом сохранения энергии. Согласно Паули, при бета-распаде из ядра вылетает не только электрон, но еще одна частица, которая уносит остальную часть избыточной энергии ядра.
Возникает вопрос: почему же в опыте с калориметром не удалось обнаружить энергию, которой обладают эти частицы, вылетающие вместе с электронами? На это гипотеза Паули отвечает: вторая частица — нейтрино — не обладает зарядом и имеет ничтожную массу, поэтому она легко проходит даже через толстые свинцовые стенки калориметра. Так появилась в физике шестая элементарная частица. Но нейтрино еще очень долго оставалось гипотетической частицей. Ведь ее не только никто в мире не обнаружил, но даже нельзя было, кажется, придумать способ ее обнару-
154
женин. В отличие от всех других частиц реальность нейтрино подтверждалась постепенно в течение примерно 20 лет.
В 1934 г. Ферми показал, что только с помощью гипотезы Паули можно согласовать процесс бета-распада с наличием у частиц спина. Так, при бета-распаде нейтрон превращается в протон и электрон. Но ведь у всех этих частиц спин равен Таким обра-& зом, чтобы в соответствии с общими законами атомной физики суммарный спин частиц после превраще-1 й д ния нейтрона оставался равным необходимо образование нечетного числа частиц:
нейтрон —> протон+электрон+нейтрино
В 1935 г. советский физик А. И. Лейпунский решил поставить опыт, в котором должно было проявиться существование нейтрино. Идея опыта состояла в том, что поскольку непосредственно наблюдать нейтрино очень трудно, то их вылет из ядра должен сказаться в виде отдачи ядра. Подобно тому как при выстреле из винтовки она получает толчок назад, так же при бета-распаде ядро атома должно испытать отдачу в сторону, противоположную вылету частицы. Нетрудно видеть, что отдача ядра должна быть различной в случае вылета одного электрона и в случае двух частиц — электрона и нейтрино. Опыты Лейпун-ского показали, что отдача ядер при бета-распаде отличается от той отдачи, которую они должны были бы иметь, если бы из ядра вылетал один электрон. Отсюда следовало, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает еще по крайней мере одна частица.
Значительно улучшил идею опыта Лейпунского в 1939 г. известный советский физик-экспериментатор академик А. И. Алиханов, который решил воспользоваться своеобразной ядерной реакцией, обратной бета-распаду и называемой в физике К-захватом. При К-захвате ядро атома не излучает, а поглощает электрон с ближайшей электронной оболочки (называемой К-оболочкой), превращаясь в новое ядро с порядковым номером на единицу меньшим первоначального. Так
155
как такая реакция прямо противоположна бета-распаду, то следует ожидать и в этом случае образования нейтрино.
Преимущество этой реакции для целей обнаружения нейтрино состоит в том, что здесь из ядра либо вовсе не вылетает частиц, либо, если верна гипотеза Паули, вылетает только одна частица — нейтрино. Поэтому если мы обнаружим отдачу ядра, то она могла возникнуть не иначе, как вследствие вылета нейтрино.
Закончить исследования А. И. Алиханову помешала война. В 1942 г. американский ученый Аллен осуществил идею Алиханова и измерил отдачу ядер при К-захвате. Результаты оказались такими, какие следовало ожидать, исходя из гипотезы нейтрино.
Еще более убедительный опыт, подтверждавший образование при бета-распаде, помимо электрона, другой частицы, был поставлен в 1948 г. Шервином. В этом опыте удалось определить не только энергию, но и скорость, и направление полета нейтрино. Оказалось, что масса нейтрино очень мала, во всяком случае меньше одной двухтысячной доли массы электрона.
Доказательством существования нейтрино были проведенные в 1956 г. опыты по облучению воды мощным пучком нейтрино, образующихся в ядерных реакторах. При этом в толще воды образовывались позитроны и нейтроны. А этого и следовало ожидать, если нейтрино действительно существуют. В этом случае будет такая реакция:
нейтрино + ядро водорода (протон) —>
—>- нейтрон+позитрон.
МЕЗОНЫ
Еще в конце XIX в. физики заметили, что заряженный электроскоп постепенно самопроизвольно теряет свой заряд. С открытием радиоактивности это явление как будто стало понятным. Ведь в почве, воде, растениях есть ничтожные следы радиоактивных веществ, которые своим излучением ионизируют воз
156
дух. А ионизированный воздух — хороший проводник, и через него электроскоп разряжается. Тогда поместили заряженные электроскопы в свинцовые оболочки, поглощающие радиоактивные лучи, но разрядка продолжалась, хотя и медленнее. По-видимому, радиоактивные примеси были и в свинце.
Чтобы совсем избавиться от радиоактивных лучей, идущих из почвы, немецкий физик Гокель в 1909 г. решил подняться на воздушном шаре и там проследить за заряженными электроскопами. Сначала с удалением от земли скорость разрядки действительно уменьшилась, но начиная с высоты 0,5 км разрядка вновь начала возрастать. Он поднялся на высоту 4,5 км и там ионизация воздуха оказалась в несколько раз больше, чем у поверхности Земли.
Эти наблюдения вскоре подтвердились и другими учеными. Стало ясно, что ионизирующее излучение попадает в воздух не только от радиоактивных солей почвы, но в значительно больших масштабах с верхних слоев атмосферы или более далекого космического пространства. Эти лучи позднее назвали космическими.
После первой мировой войны началось всестороннее изучение космических лучей. Прежде всего эти лучи поражали своей колоссальной проникающей способностью, оказавшейся значительно большей, чем у гамма-лучей. Дальнейшие, более подробные исследования показали, что космические лучи состоят из двух частей, или компонент. Мягкая компонента — это та часть лучей, которая поглощается примерно в 10 см толще свинца, в то время как жесткая компонента пронизывает свинцовые плиты толщиной в несколько метров.
Вскоре удалось выяснить, что мягкая компонента состоит из электронов и фотонов, обладающих большими энергиями. Сложнее оказалось решить вопрос о природе жесткой компоненты. К этому времени уже было известно, что космические лучи падают на нашу планету из далекого мирового пространства, а не возникают в атмосфере. Это, прежде всего, следовало из измерений Милликена и советского физика С. Н. Вер-нова, показавших, что количество космических частиц, достигающих поверхности Земли, зависит от ши
157
роты места. Меньше всего падает лучей у экватора, больше всего — у полюсов. Эту особенность лучей нетрудно понять, если учесть, что вокруг Земли существует магнитное поле. Любая заряженная частица, летящая на Землю, еще на больших расстояниях от поверхности начинает отклоняться к тому или иному полюсу. Но в таком случае первичные космические лучи не могут быть потоком электронов и позитронов. Ведь, попав в земную атмосферу, они вследствие своей малой массы стали бы резко затормаживаться и излучать при этом электромагнитные волны. Расчет показывает, что электроны и позитроны поглотились бы еще в верхних слоях атмосферы. Таким образом, выяснилось, что мягкая компонента образуется уже у самой поверхности Земли. Первичные космические частицы должны быть значительно массивнее электрона, чтобы они не растеряли свою энергию на излучение при торможении.
В 1937 г. американские физики Андерсон и Нед-дермейер действительно обнаружили в камере Вильсона следы заряженных частиц, масса которых должна была быть значительно больше, чем у электрона, но меньше массы протона. Дальнейшие, более точные исследования показали, что масса этих частиц равна 207 массам электрона и, следовательно, примерно в 9 раз меньше массы протона. Эти частицы назвали мезонами ’. Оказалось, что мезоны бывают положительные и отрицательные. Самое удивительное свойство мезонов — это их неустойчивость. Мезон в среднем «живет» примерно две миллионные доли секунды, после чего превращается в электрон или позитрон и нейтрино.
Мезон был теоретически предсказан японским теоретиком X. Юкавой в 1935 г. Юкава развил первоначальные идеи советского ученого И. Е. Тамма о природе ядерных сил и пришел к выводу о существовании заряженных частиц с массой, в 200—300 раз превосходящей массу электрона. Ядерные силы притяжения между нуклонами по этим представлениям возникают вследствие своеобразного взаимного обме-
1 Мезон — означает промежуточный (по-гречески мезон — средний).
158
на такими «частицами Юкавы». Большинство свойств, предсказанных Юкавой для этих частиц: масса, заряд, время жизни — совпадало с этими величинами у мезонов. Поэтому физики решили, что мезоны и есть «частицы Юка вы».
Но уже через несколько лет стало выясняться, что мезоны не могут обеспечить существования известных нам ядерных сил. Прежде всего более глубокая теория показала, что для объяснения ядерных сил притяжения между двумя одинаковыми нуклонами (двумя протонами или двумя нейтронами) следует предположить наличие в природе нейтрального мезона, в то время как притяжение протона и нейтрона вызывается обменом заряженными мезонами. На опытах же удавалось обнаружить только заряженные мезоны. Но главная трудность состояла в том, что мезоны, даже отрицательно заряженные, почему-то совершенно не поглощались ядрами. Ведь если мезоны создают ядерные силы, то такие частицы должны чрезвычайно сильно взаимодействовать с ядрами.
Вскоре удалось выяснить, в чем же тут дело. Английские физики Поуэлл и Оккиалини в 1947 г. сообщили об открытии в космических лучах частиц более тяжелых, чем мезоны (масса их равна около 270 масс электрона), которые в течение стомиллионной доли секунды превращаются в обычные мезоны. Чтобы различать оба типа мезонов, тяжелые мезоны стали называть пи-мезонами (или пионами), а легкие мезоны — мю-мезонами (или мюонами). Дальнейшее изучение пи-мезонов показало, что они-то и есть «ядерные» мезоны, т. е. частицы, предсказанные Юкавой еще в 1935 г. Через некоторое время с помощью современных гигантских ускорителей заряженных частиц ученые стали получать пи-мезоны искусственно. Удалось также наблюдать таким путем и нейтральные пи-мезоны.
Только после всех этих открытий удалось восстановить общую картину процессов, происходящих в космических лучах. Первичная составляющая космических лучей — это летящие с колоссальной скоростью из мирового пространства протоны (ядра водорода), а также ядра других легких элементов. Попадая в верхние слои атмосферы, протоны взаимодействуют
159
с ядрами атомов воздуха, образуя пи-мезоны. Пи-мезоны, имеющие очень маленькое время жизни, пролетев незначительный путь, превращаются в очень быстрые и значительно более долговечные мю-мезоны. Мю-мезоны и составляют жесткую компоненту космических лучей.
Мю-мезоны образуются главным образом на высоте 15—20 км, за время своей жизни они успевают дойти до земной поверхности, где превращаются в электроны, позитроны и нейтрино, составляющие мягкую компоненту.
АНТИЧАСТИЦЫ
В предыдущих главах отмечалось, что из уравнения
Дирака следовало наличие у электронов соответствующих антиподов — позитронов, позднее обнаруженных на опыте. Но из того же уравнения вытекало, что и у протонов должна существовать противоположная частица — антипротон. Существование такой частицы и было теоретически предсказано Дираком еще в 1928 г. Но несмотря на тщательные поиски, обнаружить антипротон на опыте не удавалось в течение 25 лет. Нам теперь ясно, почему эти поиски были безуспешны: облучая вещество лучами с энергией не менее 1 Мэв, можно получить пару частиц: электрон и позитрон; чтобы получить тяжелую пару — протон и антипротон, нужно вещество бомбардировать лучами с энергией, примерно в 2000 раз большей (протон, как мы знаем, тяжелее электрона почти в 2000 раз, значит, и энергия у него во столько же раз больше).
Поэтому, чтобы получить протон и антипротон, нужно бомбардировать вещество лучами с энергией не менее 2 млрд. эв. Более точный расчет показывает, что необходима энергия не менее 4 млрд. эв. Частицы с такой огромной энергией физики научились получать совсем недавно, когда были созданы сверхмощные ускорители — синхрофазотроны. В космических лучах, хотя и встречаются частицы таких больших энергий, но интенсивность этих лучей очень мала, и антипротоны под действием космических лучей образуются очень редко.
160
В августе 1955 г., бомбардируя медную пластинку протонами, ускоренными до энергии в 6,2 млрд, эв, ученые Э. Сегре, К. Виганц и О. Чемберлен обнаружили частицу, по массе в точности равную протону, но имеющую отрицательный заряд. Это и был антипротон.
В пустоте антипротон существует сколь угодно долго, но если он столкнется с протоном, то оба они исчезнут, превращаясь в несколько мезонов, разлетающихся с огромной скоростью.
В самое последнее время была открыта таким же методом еще одна предсказанная теорией Дирака частица — антинейтрон. Антинейтрон, как и нейтрон, не имеет заряда. Различаются они только взаимопроти-воположным направлением магнитных моментов (в предположении, что спины, т. е. направления собственного вращения, совпадают).
В последние годы стало совершенно ясно, что в природе существует закон зарядового сопряжения. Это значит, что у каждой элементарной частицы должна быть античастица, причем физические свойства системы не изменятся, если все ее частицы заменить античастицами. Отсюда следует, что наряду с обычными атомами возможны и «антиатомы». Ядра антиатомов имеют отрицательный заряд, ибо состоят из антипротонов и антинейтронов. Вокруг таких антиядер вращаются положительные позитроны. Таким образом, антиатом — полная противоположность обычного атома, вместо каждой частицы атома существует античастица антиатома. По закону зарядового сопряжения свойства антиатомов ничем не отличаются от свойств обычных атомов. И антиатомы образуют периодическую систему от антиводорода до антиурана, и у них возможны трансурановые антиатомы антинептуния, антиплутония и т. д. Спектры антиатомов ничем не будут отличаться от спектров соответствующих атомов. В принципе возможны и антимезоатомы — вокруг отрицательных ядер вращаются положительные мезоны. При столкновении антиатомов с обычными атомами должен был бы произойти взрыв.
В настоящее время почти у всех частиц найдены античастицы.
11
161
СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ МЕЗОНЫ И ЗАКОН ЗЕРКАЛЬНОЙ симметрии
Теперь мы расскажем об одном очень интересном открытии последних лет в области элементарных частиц. Но для этого придется начать издалека.
Материя движется в пространстве и во времени. По определению В. И. Ленина, пространство и время — это основные формы существования материи.
В природе существует несколько законов, или принципов симметрии, выражающих наиболее общие свойства пространства и времени. Эти законы симметрии настолько привычны, что их утверждения обычно воспринимаются нами как само собой разумеющиеся. Но из каждого принципа симметрии в свою очередь вытекает определенный закон сохранения. Законы сохранения являются важнейшими законами естествознания.
Поясним это. В физике известен принцип однородности времени. Он означает, что все моменты времени равноправны. Если бы все часы на Земле перевели на час вперед, то физические законы, характеризующие свойства природы, от этого не изменились бы. Из принципа однородности времени можно вывести закон сохранения энергии.
Другой принцип симметрии — принцип однородности пространства: все точки пространства равноправны. Из однородности пространства вытекает закон сохранения количества движения.
К подобным принципам симметрии относится и принцип зеркальной симметрии: физические свойства тел при замене их строения зеркально отраженным не меняются. Так, если у человека сердце и другие органы, расположенные обычно слева, находятся справа, то от этого физические свойства его организма не отличаются от обычных людей.
Из принципа зеркальной симметрии вытекает важный закон в квантовой механике — закон четности. По этому закону все элементарные частицы можно разделить на два класса: четные (четность равна + 1) и нечетные (четность равна —1). Если мы имеем систему из нескольких частиц, то ее четность равна произведению четностей всех составных частиц. За
162'
кон четности гласит: полная четность системы частиц ни при каких превращениях не может измениться. Поскольку этот закон был многократно подтвержден и, что самое главное, является следствием давно и хорошо известного принципа зеркальной симметрии, то в справедливости его сомневаться не приходилось. Но вот последние открытия в физике элементарных частиц поколебали эту уверенность.
Начиная с 1950 г. ученые обнаружили в космических лучах, а затем искусственно получили с помощью ускорителей несколько новых типов элементарных частиц еще более тяжелых по сравнению с пи-мезонами. Всю эту группу частиц назвали К-мезо-нами.
Подробное и тщательное изучение свойств К-мезо-нов показало, что среди них бывают заряженные положительно и отрицательно, а также нейтральные частицы. Масса всех К-мезонов была одинаковой, равной примерно 965 массам электрона. Спин у всех типов К-мезонов оказался равным нулю. Время жизни заряженных К-мезонов примерно одинаковое. Из всего этого можно было бы заключить, что мы имеем дело с одним типом элементарных частиц, если бы не следующее обстоятельство.
В одних случаях заряженный К-мезон распадался на три пи-мезона, в других — на два, вот как схематически можно записать реакцию распада положительных К-мезонов:
К+ (1)
К+—(2)
Поскольку, как показывают опыты, пи-мезон — частица нечетная (четность равна —1), то по закону четности К-мезон, распадающийся по первой схеме, является нечетной частицей, а второй — четной. Нечетный К-мезон назвали тау-мезоном (т-мезон), а четный — тэта-мезон (0-мезон). Таким образом, та у- и тэта-мезоны отличаются только четностью, во всем остальном их свойства совершенно одинаковы.
Но самое удивительное обстоятельство, связанное с этими мезонами, состоит в следующем. Сколько бы К-мезонов ни взяли, всегда количество распадающих-4=
163
ся на три пти-мезона вдвое больше числа распадающихся на два пинмезона. Чем объяснить, что соотношение числа тау- и тэта-мезонов, к тому же во всем, кроме четности, тождественных друг другу, всегда постоянно? Эта проблема получила название «тау — тэта загадки».
Работающие в США китайские физики-теоретики Ли Чжен-дао и Янг Чжень-нин в 1956 г. выдвинули для объяснения этой загадки смелую научную гипотезу: тау- и тэта-мезон — это одна и та же частица. Но, возразит внимательный читатель, такое предположение противоречит закону четности, а следовательно, и принципу зеркальной симметрии. В этом и суть гипотезы Ли и Янга. Они предположили, что при некоторых процессах, относящихся к слабым взаимодействиям (к ним относится и бета-распад), закон четности может не выполняться. Они даже указали опыты, с помощью которых можно это проверить.
Через несколько месяцев китаянка By, современный физик-экспериментатор, осуществила такой опыт, полностью подтвердивший справедливость гипотезы Янга и Ли. By с помощью сильного магнитного поля и очень низкой температуры добилась одинакового направления спинового вращения ядер бета-радиоактивного кобальта 60 вокруг вертикальной оси. После этого она исследовала, как из этих ядер вылетают бета-электроны. Если при этом процессе выполняется закон зеркальной симметрии, то электроны должны вылетать из ядер вверх и вниз в равной степени. На опыте же оказалось, что ядра выбрасывают электроны только в одном направлении — вверх. Отсюда вытекает, что зеркальная симметрия не имеет места. Действительно, рассмотрим всю картину распада в горизонтальном зеркале, расположенном ниже ядер. Тогда у зеркального отражения направления вращения ядер останется прежним, а направление вылета электронов
164
изменится на противоположное. Выходит, что взаимные направления вылета электронов и вращения ядер при зеркальном отражении меняются. А это противоречит формулировке принципа зеркальной симметрии. Такую же картину мы увидим и в вертикальном зеркале, расположенном сбоку.
Итак, иногда принцип зеркальной симметрии может нарушиться, так что его нельзя уже считать абсолютным законом природы. В связи с этим возникал вопрос: неужели пространство несимметрично относительно «левого» и «правого»? Как может пустое пространство (вакуум) быть несимметричным?
Блестяще разрешил этот вопрос крупнейший советский физик-теоретик академик Л. Д. Ландау. По его теории пространство остается зеркально симметричным, но сами частицы при своем отражении превращаются в античастицы.
Ландау так наглядно объяснял смысл своей теории: «Когда мы смотрим в зеркало, то наше изображение нам кажется отличающимся от нас только заменой левой стороны на правую. В действительности же, если бы зеркальное изображение было реальным, то оно отличалось бы еще и тем, что оно состояло бы не из атомов, протонов, нейтронов и электронов, а из антиатомов, антипротонов, антинейтронов и позитронов». Опыты, проведенные на ускорителях, подтвердили эту теорию.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ, СВЯЗАННЫЕ СО СВОЙСТВАМИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Познакомимся теперь с проблемами современной физики элементарных частиц, ядер и атомов.
Прежде всего выясним, сколько всего существует в природе химических элементов. В настоящее время известны 103 элемента. Можно ли сказать, что открытый в 1961 г. 103-й элемент — лоуренсий — последний элемент или будут открыты еще более сложные элементы? 1 Существует ли граница усложнения ядер? 1
1 В августе 1964 г. советские ученые под руководством проф. Г. Н. Флерова открыли 104-й элемент таблицы Менделеева.
165
Л. Д. Ландау
(1908)
Крупнейший советский физик-теоретик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий по физике. Ему принадлежат открытия в различных областях современной физики: теории магнетизма, фазовых превращений, явления сверхтекучести и физики элементарных частиц.
Последним элементом, очевидно, будет такой, у которого прочность равна нулю, в ядрах этого элемента силы отталкивания равны силам притяжения. Точно указать, какой элемент будет последним, теория пока не может, по расчетам одних ученых, это элемент с номером 118, по расчетам других — с номером 137.
Теперь остановимся на вопросе о структуре элементарных частиц. Чтобы понять, каким образом осуществляется действие ядерных сил между нуклонами, нужно выяснить, как устроены протоны и нейтроны.
Несколько лет назад считалось, что протон — это мельчайшая и простейшая элементарная частица вещества и поэтому бессмысленно говорить о структуре протона. Недавно ученым удалось проникнуть внутрь ядер и даже протонов и многое о них узнать. Как же это удалось сделать? Оказалось, что пройти сквозь
166
ядро могут достаточно быстрые электроны. Это может показаться странным. Ведь из-за их легкости электроны давно были сброшены со счетов возможных ядерных процессов. Да, те сравнительно медленные электроны, которыми располагали ученые лет 20 назад, для этого не годились. Самые быстрые электроны получали тогда при естественном радиоактивном бета-распаде. Их энергия была не более 10 Мэв.
С помощью же ускорителей получают электроны с энергией в миллиард электрон-вольт. А при таких фантастически огромных энергиях ничто не может помешать электрону влететь внутрь ядра. Но может возникнуть вопрос: в чем преимущество электронов перед обычными ядерными «тяжелыми снарядами» — протонами или нейтронами? В этом-то и суть: внутри ядра электронов нет и на них не действуют ядерные силы. Когда электрон пролетает мимо протонов и нейтронов, то на него действуют только электрические и магнитные силы, которые достаточно изучены в физике. Наблюдая отклонение электрона от первоначального пути вследствие прохождения через ядра атомов, можно уверенно рассчитать силы, испытываемые электроном, а отсюда судить о строении ядра. Так, если ядро имеет очень малые размеры с четкими границами, то при бомбардировке его электронами рассеивание электронов будет иметь другой характер, чем если ядро расплывчатое.
Несколько лет назад американский физик Р. Хоф-стадтер в Стенфорде поставил опыты по рассеиванию столь энергичных электронов ядрами и протонами. Из этих опытов выяснилось, что ядра атомов неоднородны по всему объему. В центре ядра расположена очень плотная сердцевина, вокруг которой находится разреженная оболочка. Интересно, что, как отмечает Хофстадтер, у различных ядер толщина этой расплывчатой оболочки одна и та же, в то время как размер плотной сердцевины увеличивается с увеличением массового числа. У легких ядер внутренняя сердце-вина вообще отсутствует и плотность ядра равномерно уменьшается от центра к краям.
Еще более интересны оказались результаты опытов по «просверливанию» электронным пучком протонов. Вот что пишет Хофстадтер:
167
«Оказывается, что протон представляет собой ничтожных размеров центр («керн»), вокруг которого существует облако «мезонов». Теория утверждает, что протон через определенные промежутки времени испускает мезон, который вращается вокруг него ничтожные доли секунды, а затем обратно поглощается протоном. Новейшая ядерная физика приходит к выводу, что процесс выбрасывания и поглощения мезона должен рассматриваться как постоянная и неотъемлемая деятельность протона и нейтрона».
Ученые предполагают, что внутриядерные силы возникают вследствие обмена мезонами между нуклонами (т. е. протонами или нейтронами). В настоящее время считают, что протоны и нейтроны, а также и более тяжелые частицы гипероны (масса гиперонов более чем в 2000 раз больше массы электрона) — это различные состояния одной и той же частицы — нуклона.
[РАЦЦЕЮ ФАХООТЕЮ ЕВ DO СЬО ЕЕ ЭЭЛХЕЕОЮЕЕЮШЪа DO DO5\ DEI ЕР ЕЮ EMJ DE ЕЮ ЕЕ ЕЮ DO EE
КАК ОБНАРУЖИВАЮТ РАДИОАКТИВНЫЕ АТОМЫ?
ля обнаружения радиоактивных атомов используют различные физические свойства, например способность их излучения действовать на фотопластинку. Этот способ называется радиографией, а снимок — радиоавтографом. Для получения такого снимка предмет, содержащий радиоактивный элемент, прикладывается на некоторое время в темноте к фотопленке. Затем пленка проявляется. В тех местах, куда попали радиоактивные лучи, получается потемнение.
Другой способ обнаружения радиоактивного излучения основан на его свойстве ионизировать воздух. Для этого применяют счетчики Гейгера. Принцип действия такого счетчика весьма прост: между металлическим полым цилиндром (корпус счетчика) и изолированной от него металлической нитью, проходящей по оси цилиндра, приложено напряжение в 1500— 2000 в. В электрическую цепь включают какой-нибудь чувствительный электроизмерительный прибор (гальванометр). В обычных условиях гальванометр покажет отсутствие тока, ибо через воздух между нитью и корпусом при указанном напряжении ток очень слаб. Но если через счетчик пролетит альфа или бета-частица, то они вызовут ионизацию молекул воздуха и величина тока от корпуса к нити резко возрастает. По силе тока можно судить об интенсивности излучения.
169
Еще более замечательный прибор для регистрации заряженных частиц — камера, сконструированная в 1912 г. английским ученым Вильсоном. Этот прибор основан на свойстве пересыщенных паров конденсироваться в капельки тумана на ионах. Если тщательно очистить пространство камеры от пылинок, то имеющийся в ней пересыщенный пар не сможет конденсироваться. Когда же через камеру пролетит радиоактивная частица, то она на своем пути создаст множество ионов, вокруг которых пар сконденсируется в капельки жидкости.
Камера работает так. Предварительно ее заполняют парами воды. Пусть через камеру пролетела альфа-частица, создав ряд ионов. Если теперь быстро увеличить объем камеры, то пары в ней охладятся
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ТРУБКА
К РЕГИСТРАТОРУ ИМПУЛЬСОВ
СОПРОТИВЛЕНИЕ
2000 в
ИЗОЛИРОВАННАЯ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ НИТЬ
170
и станут пересыщенными Молекулы этого пара будут конденсироваться на имеющихся ионах. Маленькие капельки, образованные вокруг ионов, сольются в одну цепочку и воспроизведут траекторию пролетевшей частицы (треки). Эти треки можно сфотографировать, по ним можно судить о превращениях, происшедших с радиоактивной частицей на пути ее следования.
Физик, работающий с камерой Вильсона, подобен охотнику, который
ФОТО-КАМЕРА
по следам зверя на свежевы-
павшем снегу судит о повадках этого зверя.
Существуют и другие методы обнаружения радио-
активных частиц.
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
Известно, что с движением атомов и молекул связаны многие свойства окружающих нас тел. Поэтому перед наукой стояла задача — научиться следить за движением невидимых частиц вещества. Для этого нужно было найти способ как-то отличить отдельные атомы от других атомов того же химического элемента. Ученые давно пытались пометить атомы, как иногда метят птиц или животных. При этом не обязательно, чтобы движение было видно простым глазом. Ведь по звуку самолета мы часто судим о его движении ночью. Радиосигнал, посылаемый передатчиком самолета, тоже может нам помочь в определении его местонахождения.
Так как радиоактивные атомы тоже посылают «сигналы» в виде излучения, которое можно зарегистрировать прибором, то мы получаем возможность проследить за движением таких атомов. Надо только иметь
171
в виду, что радиоактивные лучи выделяются при распаде атома, т. е. при его превращении в другой атом. Меченый атом недолговечен. Но в процессах, за которыми наблюдают с помощью меченых атомов, участвует такое колоссальное их количество, что превращение даже десятков тысяч атомов почти не меняет картины их движения.
Возможность использования радиоактивных атомов в качестве меченых атомов основана на том, что во всех процессах в природе изотопы одного и того же элемента
ведут себя одинаково. При этом безразлично, радиоактивны изотопы или нет. Например, при сжигании водорода, содержащего смесь легкого, тяжелого и сверхтяжелого изотопа с кислородом, соединяются в равной мере атомы всех изотопов, хотя обычный водород и дейтерий устойчивы, а тритий радиоактивен.
При попадании в организм человека, например,
смеси радиоактивных и нерадиоактивных атомов одного и того же элемента оба вида атомов ведут себя химически и физически совершенно одинаково. Но
радиоактивные атомы непрерывно излучают радио
активные лучи, тем самым сигнализируя о своем местопребывании и, значит, о движении всего данного
вещества.
Пусть, например, нужно проследить за процессом обмена в организме, чтобы узнать, где, в каких органах задерживается тот или иной элемент, принятый с пищей или лекарством. К пище добавляют вещество, содержащее атомы соответствующего элемента. С помощью счетчиков, располагаемых вокруг организма, легко следить за мечеными атомами, за их движением по различным органам человека.
Метод меченых атомов широко применяют в науке и технике.
172
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ
Широкое применение получили в медицине радиоактивные изотопы, выделяющиеся при работе атомных реакторов. Приведем примеры. Одна из важнейших задач современной медицины — распознавание и лечение злокачественных опухолей (рак, саркома). Лечение рака рентгеновскими или радиоактивными лучами дает неплохие результаты, ибо эти лучи разрушают болезнетворные клетки. Но недостатком метода является то, что при облучении опухоли, особенно если она расположена глубоко внутри организма, подвергаются воздействию и здоровые клетки. Возникла поэтому задача найти способ облучать опухоль, не подвергая разрушающему действию здоровые ткани тела. Эта проблема успешно разрешается с помощью радиоактивных изотопов.
Например, для лечения заболевания щитовидной железы — базедовой болезни — очень действенным средством оказался радиоактивный иод. Щитовидная железа принадлежит к органам внутренней секреции, которые выделяют в кровь гормоны — вещества, регулирующие различные виды деятельности организма. При базедовой болезни щитовидная железа разрастается, содержащийся в ней гормон вырабатывается в избытке. Это усиливает обмен, увеличивает потребление кислорода, нарушает работу сердца и нервной системы. Раньше единственным эффективным методом лечения считалось оперативное вмешательство — удаление части железы. Теперь для лечения этой болезни используют свойство йода накапливаться в щитовидной железе. Известно, что многие элементы накапливаются преимущественно в определенных органах и тканях. Иод поглощается щитовидной железой, причем особенно сильно при базедовой болезни. Поэтому если такому больному ввести радиоактивный йод, то он, накапливаясь в щитовидной железе, будет своим излучением разрушать клетки железы, что уменьшит размеры разросшегося органа и прекратит избыточную выработку гормона.
Существенно при этом то, что радиоактивный йод не оказывает никакого влияния на другие органы, поскольку он весь накапливается в щитовидной желе-
173
зе. Да и на нее он действует недолго, так как быстро распадается. Уже через месяц-два от него не остается и следа.	'
Для лечения саркомы (раковая опухоль костной ткани) применяют радиоактивный стронций, накапливающийся в костях.
Широко применяется для лечения опухолей радиоактивный кобальт 60, излучающий мощные гамма-лучи. Кобальт .почти полностью вытеснил значительно более дорогой радий, перед которым у кобальта есть и другие преимущества. Кобальт 60 получают в ядерных реакторах.
С помощью радиоактивных элементов медицина разрешает много и других важных для здоровья людей задач.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Метод меченых атомов применяется и в сельском хозяйстве. При этом используют радиоактивные изотопы тех элементов, из которых построены живые организмы и растения: углерод, водород, кислород, азот, а также фосфор, сера, железо и др. Период полураспада радиоактивных изотопов должен быть большой, в противном случае меченые атомы почти полностью распадутся еще до того, как закончится экс
перимент.
Рассмотрим несколько примеров использования радиоактивных элементов. Для поднятия урожайно-
сти первостепенное значение имеет правильное удобрение почвы. Пусть требуется выяснить наиболее целесообразные условия введения в почву суперфосфата. Для этого приготавливают удобрение с незначительной добавкой меченых атомов радиоактивного изотопа фосфора. Затем на опытном поле вводят на различную глубину в почву
174
меченое удобрение. На каждом участке высаживают одну и ту же культуру и изо дня в день измеряют радиоактивность листьев растущих растений. То растение, в котором лучше усваивается фосфор из удобрения, будет раньше и больше излучать радиоактивные лучи, что и зарегистрирует счетчик. Растение как бы расскажет счетчику о том, как ему легче всего использовать предложенное ему удобрение.
Замечательные открытия в вопросе углеродного питания растений сделали советские ученые за последние годы с помощью меченых атомов. До конца XVIII в. считали, что углерод — основа всех органических веществ — усваивается растением из почвы. Но в первой половине XIX в. опытным путем было доказано, что растения на солнце поглощают углерод из воздуха с помощью листьев. Так как на свету растения не только поглощают углекислый газ, но и выделяют кислород, то сложилось мнение о разложении под влиянием солнечного света поглощаемого листьями углекислого газа. Предполагалось, что углекислый газ в листе растения соединяется с хлорофиллом, который отрывает кислород. Советские биологи с помощью меченых атомов доказали, что кислород выделяется не из углекислого газа, а из воды, т. е. на свету разлагается не углекислота, а вода с выделением кислорода. Более того, как показали экспериментаторы А. П. Виноградов и Р. В. Рейс, углекислый газ может поглощаться растением и в темноте, вопреки установившемуся взгляду, что в темноте растение поглощает кислород и выделяет углекислый газ.
Но когда выяснилось, что поглощение углекислого газа листом растения не зависит от света, возникла мысль: обязательно ли углерод попадает в растение из воздуха? Может быть и корни доставляют растениям углекислоту?
В 1955 г. советские ученые А. Л. Курсанов, А. М. Кузин и другие, применив меченые атомы, доказали, что растение корнями забирает из почвы углеродистые соединения и переводит углерод в стебель и листья, где он идет на образование углеводов.
Наиболее интересно применение радиоактивных лучей для искусственного создания облаков и осадков. Всем известны работы ученых по получению
175
дождя из неустойчивых облаков. Если такое облако «засеять» частичками сухого льда, то оно превращается в капли дождя. Таким способом часто удается разрушать и рассеивать облака и туманы. Другой метод воздействия на облака — химический. В этом случае для искусственного вызывания дождя облако засеивают различными фосфорными или азотными соединениями.
Над проблемой создания осадков облучением воздуха радиоактивными лучами работает профессор Б. В. Дерягин. Уже первые опыты вселяют уверенность в успешном разрешении задачи получения искусственного дождя.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ТЕХНИКЕ
Приведем два примера применения радиоактивных элементов для охраны здоровья рабочих. На некоторых производствах при обработке металлов, содержащих углерод, в воздухе может появиться вредный для здоровья угарный газ. Если к обычному углероду примешать радиоактивный изотоп, то появление в воздухе угарного газа легко заметить с помощью счетчиков.
Недавно за границей был сконструирован пресс, совершенно безопасный при работе. Пресс этот может быть пущен в ход только при одновременном нажатии кнопки и наличии радиоактивного сигнала. Этот сигнал излучают радиоактивные вещества, содержащиеся в ничтожных количествах в особых браслетах, надетых на обоих руках рабочего. Если рабочий, забывшись, просунет руку внутрь пресса, то радиоактивные лучи воздействуют на счетчик, который моментально остановит пресс.
Чтобы определить, нет ли в отлитых деталях каких-нибудь дефектов, успешно применяют простой и дешевый метод просвечивания изделий гамма-лучами — гаммаграфию.
Для определения в каком-нибудь теле ничтожных следов различных химических элементов создан новый сверхчувствительный радиоактивационный анализ. Этот метод позволяет обнаруживать присутствие посто
176
ронних примесей к основному веществу в количестве миллионных долей процента. Такая точность важна в некоторых современных типах производства. Исследуемый образец помещают в атомный котел, где он облучается нейтронами. Атомы примеси, поглощая нейтроны, становятся радиоактивными. Затем образец помещают вблизи счетчика и по интенсивности излучения судят о количестве присутствующих в образце примесей.
Исключительную роль за последние годы стали играть радиоактивные изотопы в химической промышленности, и прежде всего в наиболее бурно развивающейся ее отрасли — производстве пластмассы. Пластмассы создают с помощью полимеризации — реакции соединения множества молекул в одну сложную, огромную молекулу, имеющую форму длинной цепочки и называемую полимером. Обычно для осуществления такой реакции применяют высокие температуры и давления, необходимо также присутствие катализатора. С помощью радиоактивных облучений получают новый метод полимеризации, не требующий ни высокой температуры и давления, ни катализатора. При этом можно сознательно регулировать процесс полимеризации, т. е. получать полимеры с желательными свойствами. Более того, облучая уже готовые полимеры, можно менять их физико-химические свойства.
Большинство аппаратов и приборов, использующих радиоактивные изотопы, можно увидеть на Выставке достижений народного хозяйства СССР, а также в Политехническом музее в Москве.
Мы подошли к концу нашего путешествия в глубь атома. Долгим и тернистым был этот путь для великих первооткрывателей, замечательных ученых, проникнувших в глубь материи и ее «кирпичей» — молекул, атомов, ядер и элементарных частиц.
Огромны успехи науки на этом пути, и .величайшим из этих открытий было получение атомной энергии. Физики всех стран мира продолжают поиски возможных направлений дальнейшего продвижения вперед. Ведь каждое новое открытие на этом пути делает нашу жизнь краше и лучше.
12
177
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОМ УКАЗАТЕЛЬ
Авогадро Амедео 9, 10
Азимутальное число 72, 74, 77, 79, 99
Алиханов А. И. 156
Алхимия 4, 5
Альфа-лучи (а-лучи) 43—46, 48, 51, 53—55, 110, 111, 114—116, 120, 122, 123, 132, 152, 169, 170
Альфа-распад 55, 153
Анодные лучи 21, 22, 86, 108
Антинейтрон 161
Антипротон 161
Античастицы 160, 161
Араго Доминик Франсуа 62
Арцимович Л. А. 148
Атомная теория строения вещества 15
Атомное учение 5
Атомный вес 9, 10, 12, 46, 47, 49, 107—109
— взрыв 146
— реактор 137, 144, 173
Атомная электростанция 144
Бальмер Иоганн Якоб 59, 60, 66, 68
Беккерель Антуан Анри 34— 36, 39, 40
Бета-лучи (0-лучи) 43—46, 48, 132—134, 136, 152, 169
Бета-распад 56, 110, 114, 153, 164, 167
Бойль Роберт 5, 7
Бор Нильс 61, 66, 67, 70, 74, 135—137
Валентность 11
— электроположительная 103 — электроотрицательная 103 Вернов С. Н. 157
Вес атома 10
— удельный 13, 26
Взаимопревращаемость частиц 120
Вильсон Ч. 170
Вин Вильгельм 63
Водородсодержащие вещества 140, 141
Волновая теория 62, 63, 65, 66
Галилей Галилео 4
Гаммаграфия 176
Гамма-лучи (у-лучи) 43—46, 48, 110, 111, 118, 120, 152, 158, 174, 176
Гейгер Ганс 54
Гейзенберг Вернер 113
Гельмгольц Герман Людвиг
Фердинанд 16, 145
Герц Генрих Рудольф 18, 19, 23—25
Гиперон 168
Гипотеза де Бройля 105
— Иваненко — Гейзенберга 113
— Паули 156
— протонно-электронная 109
— Чедвика 111
Главное квантовое число 72, 99, 100
Гюйгенс Христиан 61
Дальтон Джон 7—9, 47
Де Бройль 105
Дейтерий 141, 147, 148, 150, 172
Дейтрон 141, 142
Деление ядра 132, 136
Диамагнетики 94—96
Дирак Поль 116, 118, 120
Дифракция 62, 66
Диэлектрики 91
178
Диэлектрическая постоянная 91
Длина пробега 115
Жолио-Кюри Ирен 49, 110, 120—123, 133, 152
Жолио-Кюри Фредерик. 110, 120—121, 123, 136, 142, 152
Закон Авогадро 9, 16
— взаимосвязи массы и энергии 111, 125—127
— Видемана—Франца 89
— Джоуля—Ленца 88
— зарядового сопряжения 161
— зеркальной симметрии 162
— Кирхгофа 63
— Кулона 53, 75, 90
—	Кюри 39
—	Менделеева периодический 11, 13
—	Ома 88
—	пропорциональности энергии и массы 124
— сохранения количества вещества 6
—	— движения 162
—	— массы 7, 125
—	— энергии 41, 46, 120, 125, 162
—	фотоэффекта 25
—	четности 162, 164
— Эйнштейна 117
Зееман Питер 77
Зельдович Я. Б. 151
Зоммерфельд Арнольд 66,- 71, 72, 74
Иваненко Д. Д. 113
Изобар 109
Изотоп 28, 49, 50, 108, 123, 133—135, 173, 174, 177
Ион 16, 17, 20—22, 32, 45, 46,
87, 88, 98, 170
Иоффе А. Ф. 25, 26
Ионизация 45, 145, 156, 157, 169
Инертный газ 14, 47, 102, 103, 109, 131
Интерференция 62, 66
Инфракрасные лучи 70
Камера Вильсона 118, 119, 121, 122, 153, 158, 171
Катодные лучи 18, 20т—22, 30, 86
Квант 61, 64, 65, 68, 80
Квантование пространственное 78—80
Квантовая теория 65
К-захват 156
Кирхгоф Густав Роберт 57, 63
Корпускула 7, 20, 61
Корпускулярная теория 61, 62, 65, 66
Космические лучи 118, 119, 122, 138, 157—160, 163
Коэффициент использования ядерных сил 130
Критическая масса 142
Крукс Уильям 18, 19
Кулон Шарль Огюстен 75
Курчатов И. В. 147, 148
Кюри Пьер 37—43
Кюри Мария (Склодовская-Кюри) 36—43
Лавуазье Антуан Лоран 7
Лайман 70, 71
Ландау Л. Д. 165, 166
Ланжевен Поль 93
Ленин В. И. 4, 46, 84, 162
Ломоносов М. В. 4, 6, 7, 62
Лоренц Г. 77, 78, 86, 87, 89— 93
Магнетики 94, 95
Магнетон- Бора 77, 78, 82, 84
Магнитная восприимчивость 95
Магнитное квантовое число 79, 99
Магнитный момент 75—77, 79, 82, 83, 85, 96. 97. 112. 116, 161
— — орбитальный 76, 78, 82, 83, 96
Макромир 105
Максвелл Джемс Клерк 62
Массовое число 108, 129
Мезон 85, 156, 158, 159, 161— 163, 168
Мейтнер Лизе 133—137
Менделеев Д. И. 8—10, 12— 15, 54, 97
Меченые атомы 171, 172, 174, 175
179
Микромир 105
Милликен Роберт Эндрус 25, 26, 88, 118, 157
Михельсон В. А. 63
Модель атома Бора—Резерфорда 106
— — планетарная 44, 53, 66, 71, 106
— — по Томсоиу 27, 29, 52, 78, 87, 91, 98, 106
Молекулярно-кинетическая теория 7
Намагничение 95
Нейтрино 152, 154—156
Нейтрон 50, 85, 155, 156, 167, 168
Нуклон 129, 158, 159, 166, 168
Ньютон Исаак 4, 5, 56, 57, 61, 65
Оккиалини 159
Орбитальное число 99
Парамагнетики 94—97
Паули Вольфганг 100
Пашен Фридрих 70, 71
Период полураспада 50
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева 9—11, 13—15, 49, 53—56, 59, 97, 101, 102, 108, 116, 127, 131, 133, 165
Петржак 136, 138
Петров П. П. 17
Плазма 145—149
Планк Макс 63—65, 68
Полимер 177
Полимеризация 177
Поляризация 91—95, 97
Поляризуемость 91, 93, 95
Попов А. С. 27
Постоянная Планка 64, 69, 105
—	радиоактивного распада 50
—	Ридберга 70
Принцип зеркальной симметрии 162—165
—	минимума энергии 100, 102
—	однородности времени 162
—	— пространства 162
— Паули 100—102, 150
Протонно-нейтронная теория строения ядра 112—114
Проут 107, 109
Прочность ядра 130
Пуанкаре Анри 46
Пьезоэлектричество 39
Радиоавтограф 169
Радиоактивационный анализ 176
Радиоактивность 38, 43, 48, 120, 123, 156
— искусственная 120, 121
Радиоактивные лучи 35, 38, 40—48, 51, 55, 123, 132, 156, 157, 169, 172, 173, 175, 176
Радиоактивный распад 42, 44, 49, 50, 55, 86
— элемент 41, 42, 47, 50, 169, 173, 174
Радиоактивные семейства 49, 50
Радиография 169
Радиотерапия 40
Рассеивание альфа-частиц 52, 53
Реакция разложения 131
— синтеза легких ядер 145, 150
— соединения 131
— термоядерная 132, 144— 146, 149
— экзотермическая 127
Резерфорд Эрнст 43—48, 51— 56, 66, 67, 110, 111, 114, 116, 152
Резонансный захват 138, 139
Рентген Вильгельм Конрад 30—34
Рентгеновские лучи (х-лучи) 30, 32—36, 45, 105, 173
Рентгеновская трубка 33
Рэлей Джон 14, 63
Савич 133, 134
Сахаров А. Д. 147, 148, 151
Синхрофазотрон 160
Скобельцын Д. В. 118
Спектр 10, 48, 57—60, 67, 68, 71, 74, 77, 78, 80, 81, 83, 104
— линейчатый 56—59, -68 — Солнца 14
180
— сплошной 56—58
Спектральный анализ 58, 66 Спектральные линии 48, 58, 70—73, 77
Спектроскоп 58, 77, 81, 83
Спин 81—84, 100, 112, 116, 161, 163
Спиновый магнитный момент 100
Спонтанное деление урана 136 Столетов А. Г. 24, 25, 65 Счетчик Гейгера 169
Тамм И. Е. 147, 148, 158
Тартаковский П. С. 105 «Тау-тэта загадка» 164 Теория Бора 61, 68, 70, 71, 74, 78, 79, 81, 98, 99, 101, 104 — относительности 65, 116, 124, 125
Термоэлектронная эмиссия 20, 23, 86, 90
Токи Фуко 149
Томсон Дж. Дж. 19, 20, 25, 27—29, 53, 108, 118, 145
Тритий 147, 172
Тяжелая вода 141, 142
Ультрафиолетовые лучи 24, 60, 70
Уравнение Дирака 117, 160
Урановые лучи (лучи Беккереля) 24, 60, 70
Фарадей Майкл 15—17, 94, 95
Ферромагнетики 95—97 Ферми Экрико 123, 132, 133, 136, 137, 144
Физо Ипполит Луи 62, 66 «Философский камень» 4 Флеминг Джон Амброз 24 Флеров Г. Н. 136, 138, 165 Флуоресценция 31, 34—36, 41
Формула Бальмера 59, 60, 66, 70, 71
— Бора 69, 72
— де Бройля 105
— Планка 64
— Резерфорда 115
— Ридберга 60, 71, 74
Фотон 65, 66, 85, 152, 157
Фотоэлектрический эффект
25, 26, 65, 66, 86
Франк И. М. 120
Френель Огюстен Жан 62
Френкель Я. И. 135
Цепная реакция 136—139, 142, 143
«Частица Юкавы» 159
Чедвик Джеймс 111, 120
Штерн Отто 83, 84
Штрассман Ф. 133—135
Эдисон Томас Альва 22
Эйнштейн Альберт 65, 84, 124, 125
Электролиз 15—17
Электрон 17, 19, 21—23, 26, 28, 42, 43, 52
— заряд 25, 26, 77, 88
Электронная теория 86—89, 91, 95, 98
Элемент 5
Эманация 47
Энгельс Ф. 4, 5, 13
Энергия внутриатомная 132
— деления тяжелых ядер 131
— ионизации 98
— электрона 69, 72, 73, 77,
79, 80, 117
Эрстед Ханс Христиан 75
Эффект Зеемана 81
.— Эдисона 23
Юкава Хидэни 158, 159
Юленбек 81, 82
Явление Зеемана аномальное 78
— — нормальное 78, 104
Ядерная изомерия 148
— реакция 116, 151
— энергия 131, 135
Ядерный реактор 142, 156, 174
Ядерные силы 110, 128—130, 159, 167
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава I. Наука об атомах................................3
Немного истории.............................—
Карта атомного мира.........................8
Как был подтвержден закон Менделеева ... 11
Глава П. Атом..........................................15
Атомные вещества и атомы электричества . . —
Катодные лучи..............................17
Открытие электрона.........................19
Анодные лучи...............................21
Накаленный металл выбрасывает электроны . . 22
Свет выбивает из металла электроны .... 23
Определение заряда электрона...............25
Первая модель атома........................26
Глава Ш. Радиоактивность...............................30
Рентгеновские лучи..........................—
Лучи Беккереля.............................34
Открытия Марии и Пьера-Кюри................36
Радиоактивные лучи.........................40
Еще о' свойствах радиоактивных лучей ... 42 Радиоактивный распад.......................45
Радиоактивные семейства....................49
Глава IV. Атомы и свет.................................51
Атом имеет ядро.............................—
Заряд ядра и периодическая система Менделеева 53
Сплощной и линейчатые спектры..............56
Спектр водорода и формула Бальмера ... 59 Гипотеза квантов...........................61
Квантовая теория света.....................65
Бор уточняет атомную модель Резерфорда . . 66
Дальнейшее развитие теории Бора............71
Магнитные свойства электронов..............75
Магнитное поле и атомный спектр............77
Спин и собственный магнитный момент электрона 81
Глава V. Электроны в атомах............................86
Электронная теория..........................—
Электроны в металлах.......................87
182
Диэлектрики...............................91
Магнетики.................................94
Как атомная физика объясняет периодическую систему Менделеева.....................97
Теория Бора уступает место квантовой механике 104
Глава VI. Ядро атома..................................107
О чем может рассказать масса ядра? .... — Первоначальная теория строения ядра . . . 109 Открытие нейтрона........................110
Протонно-нейтроииая теория строения ядра . 112 Превращение ядер.........................114
Позитрон.................................116
Искусственная радиоактивность............120
Глава VII. Атомная энергия............................124
Закон пропорциональности энергии и массы . —
Энергия, сосредоточенная в атоме.........126
Силы, действующие в ядре.................127
Энергия деления тяжелых ядер.............131
Цепная реакция...........................136
Термоядерная реакция.....................144
Глава .VIII. Элементарные частицы.....................162
Нейтрино...................................—
Мезоны...................................156
Античастицы..............................160
Сверхтяжелые мезоны и закон зеркальной симметрии . . . '........................162
Некоторые вопросы, связанные со свойствами элементарных частиц...................165
Глава IX. Радиоактивные элементы и их применение . 169 Как обнаруживают радиоактивиые-атомы? . . — Меченые атомы.........................................171
Радиоактивные элементы в медицине . . . .173 Радиоактивные элементы в сельском хозяйстве 174 Радиоактивные элементы в технике .... 176 Предметно-именной указатель..............178
Ефим Израилевич Несис
ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ АТОМА
Рецензенты: О. И. Захаров-Нарциссов, Б. А. Снегирев. Редактор Н. В. Хрусталь. Обложка художника С. Я. Нод ель мана. Рисунки художников Г. И. Прокудиной, Г. Ф. Лукьяненко. Художественный редактор И. Л. Волкова. Технические редакторы В. Л. Коваленко, Т. Н. -Зыкина. Корректор Т. Н. Карасева.
Сдано в набор 16/XI 1964 г. Подписано к печати 3/V 1965 г. 84X108V32. Печ. л. 5,75 (9,66). Уч.-изд. л. 9,31. Тираж 46 тыс. экз. (Тем. пл. 1965 г. № 454) А 04454
‘ + *
Издательство «Просвещение» Государственного комитета Совета Министров РСФСР по печати. Москва, 3-й проезд Марьиной рощн, 41 Ленинградская фабрика офсетной печати № 1 Главполиграфпрома Государственного "комитета Совета Министров СССР по печати. Кронверкская ул., 7. Заказ № 2332
Цена без переплета 33 коп., переплет 10 коп.
ЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
ЭЛЕМЕНТОВ											
VI		VII		VIII						0	
		(И)								2 Не ГЕЛИЙ 4,003	
8 О кислород 16		9 F фтор 19,00								" Ne НЕОН 20,183	
16 S СЕРА 32,066		17 С1 хлор 35,457								“ Аг АРГОН 39,944	
Ст 24 ХРОМ 52,01		Мп 25 МАРГАНЕЦ 54,94		Fe 26 ЖЕЛЕЗО 55,85		Со 27 КОБАЛЬТ 58,94		Ni 28 НИКЕЛЬ 58,71			
34 Se СЕЛЕН 78,96		35 Вт БРОМ 79.916								34 Кг КРИПТОН 63.80	
Мо 42 МОЛИБДЕН 95,95		Те 43 ТЕХНЕЦИЙ [971		Ru 44 РУТЕНИЙ 101,1		Rh 45 РОДИЙ 102,91		Pd 46 ПАЛЛАДИЙ 106,4			
52 Те ТЕЛЛУР 127,61		53	J ИОД 126,91								54 Хе КСЕНОН 131,30	
W 74 ВОЛЬФРАМ 183,86		Re 75 РЕНИЙ 186,22		Os 76 осмий 190,2		1г 77 ИРИДИЙ 192,2		Pt 78 ПЛАТИНА 195,09			
84 Ро ПОЛОНИЙ [210]		85 At АСТАТ [2Ю]								" Rn РАДОН [222]	
(к)											
ко,		К2О,		ro4							
rh2		RH									
а64 1ЛИНИЙ 157,26	ТЬ 65 ТЕРБИЙ 158,93		Dy 66 ДИСПРОЗИЙ 162.51	Но 67 ГОЛЬМИЙ 164,94	Ег 68 ЭРБИЙ 167,27		Ти 69 ТУЛИЙ 166,94		¥Ь 70 ИТТЕРБИЙ 173,04		Lu 71 ЛЮТЕЦИЙ 174,99
п 96 (ЮРИЙ [247]	Вк 97 БЕРКЛИЙ [247]		Cf 9f КАЛИФОРНИ [249]	' Es " ЭЙНШТЕЙНИЙ [254]	Fin” ФЕРМИЙ [253]		Md’°’ МЕНДЕЛЕ ЕВИЙ [256]		No 102 НОБЕЛИЙ [255]		I.W 103 ЛОУРЕНСИЙ [257]
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭД
ПЕРИОДЫ	РЯДЫ			Г Р	У п п ы							
		1		II		III		IV		V	
1	1	1 и									
II	2	3 Li литий 6,940		4 Be БЕРИЛЛИЙ 9,013		8 в БОР 10,82		8 С УГЛЕРОД 12,011		7 N АЗОТ 14,008	
III	3	11 Na НАТРИЙ 22,991		“ Мд МАГНИЙ 24,32		13 А1 АЛЮМИНИЙ 26.98		14 Si КРЕМНИЙ 28,09		15	р ФОСФОР 30,975	
IV	4	19 К КАЛИЙ 39,100		“ Са КАЛЬЦИЙ 40,08		Sc 21 СКАНДИЙ 44,96		Ti 22 ТИТАН 47,90		V 23 ВАНАДИЙ 50,95	
	5	Си 29 МЕДЬ 63,54		Zn 30 цинк 65,38		31 Ga ГАЛЛИЙ 69,72		32 Ge ГЕРМАНИЙ 72,60		33 As мышьяк 74,91	
V	6	37 ЛЬ РУБИДИЙ 85,48		38 Sr СТРОНЦИЙ 87,63		Y	39 ИТТРИЙ 88,92		Zr 40 ЦИРКОНИЙ 91,22		Nb 41 НИОБИЙ 92,91	
	7	Ад « СЕРЕБРО 107,880		Cd 48 КАДМИЙ 112,41		49 In ИНДИЙ 114,82		50 Sn олово 118,70		5’ Sb СУРЬМА 121,76	
VI	8	55 Cs ЦЕЗИЙ 132,91		56 Ва БАРИЙ 137,36		Lat 57 ЛАНТАН 138,92		Hi 72 ГАФНИЙ 178,50		Та 73 ТАНТАЛ 180.95	
	9	Аи 79 золото 197,0		Нд 88 РТУТЬ 200,61		81 Т1 ТАЛЛИЙ 204,39		82 РЪ СВИНЕЦ 207.Z1		83 Bi ВИСМУТ 209.00	
VII	10	•’ Fr ФРАНЦИЙ [223]		88 Ra РАДИЙ [226L		Ас**89 АКТИНИЙ [227]		(Th)		(Ра)	
ВЫСШИЕ солеобразующие □кислы		r2o		RO		RZO3		во2		r2o5	
ВЫСШИЕ ГАЗООБРАЗНЫЕ ВОДОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ								rh4		RH3	
Ж j ЛАНТАНОИДЫ		Се58 ЦЕРМЙ 140,13	Рр 59 ПРАЗЕОДИМ 140,92		Nd60 НЕОДИМ 144,27		Pm61 ПРОМЕТИЙ [МП		Sm62 САМАРИЙ 150,35	Eu 63 ЕВРОПИЙ 152,0	G< ГАДО
ЖЖ АКТИНОИДЫ		Th90 ТОРИЙ 232,05	Ра 91 ПРОТАКТИНИЙ [231]		U 92 УРАН 238,07		Np 93 НЕПТУНИЙ 	L2LL		Pu 94 ПЛУТОНИЙ [242]	Am 95 АМЕРИЦИЙ [243]	Ci к
Книжная иллюстрация СОВЕТСКОГО ВРЕМЕНИ
Музей детских книг DjVu/PDF
sh eba.spb.pu/bi в