Текст книги "Превращение элементов"
Автор книги: Борис Казаков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 15 страниц)
Философы-идеалисты всё более теряли опору в естествознании. Полным их конфузом стало то, что учёные, из-за которых, собственно говоря, и «разгорелся сыр-бор», совершенно отказались от своих прежних взглядов. А.Пуанкаре, например, заявил: «…атомы более уже не являются удобными фикциями… Атом химика сейчас реальность». Такое же признание в 1908 г. сделал и В.Оствальд: «…атомическая гипотеза поднята на уровень научно обоснованной теории».
Атомистика восторжествовала, но уже в новом качестве. А для нашего повествования важно подчеркнуть, что новая атомистика признала «старую» идею превращения элементов, вдохнула в неё жизнь. Сама идея пережила трансмутацию – из недосягаемой мечты она превратилась в реальность. «Таким образом, давно всеми отвергнутая, скомпрометированная идея алхимиков о возможности трансмутации (превращения) вещества была возрождена». Это слова советского учёного академика П.Л. Капицы из предисловия к одной книге о Резерфорде.
Твёрдые факты природы
Резерфорд работал лихорадочно и быстро. Работал с напором. «Кризис в науке» его интересовал мало. Много позже он сказал, что вправе был бы сказать и тогда (а кто знает, может быть, и тогда говорил): «Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твёрдые факты природы». Резерфорд нередко бравировал: «я не теоретик», хотя прекрасно знал, что эксперимент и теория взаимно дополняют и подтверждают друг друга и, пожалуй, никто больше его не демонстрировал это с такой наглядностью.
Альфа-частицы заявили о себе не только косвенно, через показания электрометра или какого-нибудь другого прибора, а ощутимо, зримо. Резерфорд, встретившись с супругами Кюри у них дома ещё в июне 1903 г., был восхищён зрелищем, которое показал ему Пьер Кюри. В трубке, часть которой покрыта сернистым цинком, находился раствор радия, и трубка в темноте светилась удивительным светом. Это было эффектно, впрочем, не так уж и ново. За год до этого прославленный Уильям Крукс сконструировал несложный приборчик, названный им спинтарископом. В нём ничтожнейшее количество соли радия было помещено перед экраном из сернистого цинка. Альфа-частицы, вырываясь из радия, ударяли в экран, и на нём происходили вспышки света, тут же исчезающие. Многие учёные смотрели на спинтарископ как на очень любопытную, забавную даже, научную игрушку, в лучшем случае демонстрационный прибор для какой-нибудь лекции по новой отрасли науки – радиоактивности. Резерфорд отнёсся к этому иначе. Он сделал спинтарископ важнейшим инструментом глубоких исследований. Ведь этот прибор позволял считать альфа-частицы. Каждая вспышка регистрировала одну альфа-частицу, показывала, в какое место она ударялась.
В Мак-Гилле Резерфорд, изучая полёт альфа-частиц, засвечивал с их помощью фотопластинки. Резкого пятна на фотопластинке у него долгое время не получалось – до тех пор, пока он не добился достаточно высокого вакуума. Но с высоким вакуумом пришла и аномалия. Если на щель, через которую пропускали поток альфа-частиц, накладывался кусочек слюды, то на пластинке опять появлялось размытое пятно (или линия, в зависимости от щели). Отклонение было невелико, но его трудно было объяснить, поскольку время полёта частиц очень короткое, кинетическая энергия их колоссальна, расстояние до фотопластинки-мишенн – ничтожно. Резерфорд решил, что разгадка рассеяния альфа-частиц может пролить свет на внутреннюю структуру атома. Именно для такой работы и подходил спинтарископ, точнее установка, основанная на его принципе. Вместе со своим учеником Гансом Гейгером Резерфорд стал подсчитывать, какое число альфа-частиц сильно отклоняется от общего потока. Щель, через которую пропускали альфа-частицы, прикрывалась листочком из золотой фольги. Установили, что отклонение незначительно, всего полградуса, но число отклонений в разные стороны составляет две трети всех альфа-частиц. Поток рассеивается – почему? Резерфорд поручил студенту последнего курса Эрнсту Марсдену проверить, не происходит ли отражение альфа-частиц от поверхности золотой фольги. С большим старанием отнёсся студент к порученному делу и скоро сделал небольшую установку, в которой источник альфа-частиц был отделён от регистрирующего экрана массивным свинцовым блоком, а золотая фольга располагалась несколько в стороне.
Первоначально, как и ожидалось, экран из сернокислого цинка «молчал» – альфа-частицы не могли преодолеть массу свинцового блока. Но затем вдруг на экране стали появляться единичные вспышки. Чтобы попасть на экран, альфа-частица должна была отклониться на угол в 150°, т. е. почти что вернуться к излучателю. «Это казалось столь же невероятным, – говорил много позже Резерфорд, – как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, и этот снаряд отскочил бы и поразил вас».
Вспышки на экране были редки, может быть, одна из восьми тысяч альфа-частиц так отскакивала от золотой фольги, но сам факт сомнений не вызывал.
Резерфорд с Марсденом (к ним присоединился и Гейгер) погрузились в изучение странного явления. В мрачном погребе, вверху которого проходил горячий трубопровод, а внизу – две водопроводные трубы (о чём всегда предупреждал Резерфорд туда спускавшихся), были установлены самые чувствительные приборы. Предположение, что альфа-частицы отражаются от поверхности, опровергалось простым экспериментом: золотые листочки укладывались пачками, и чем толще получался пакет, тем заметнее было рассеяние альфа-частиц. Вывод был недвусмысленный: это не поверхностный эффект, т. е. не простое отражение от поверхности, а действие какой-то силы, находящейся внутри металла, возможно, внутри атома.
Но как же может это быть, если по общепринятой тогда модели Дж. Дж. Томсона в атоме равномерно распределены положительные и отрицательные заряды («пудинг с изюмом»)? Пробовали менять материал экрана – фольга из золота, олова, платины, серебра, меди, железа, алюминия и других металлов. Выявилась интересная особенность: отражалось альфа-частиц тем больше, чем выше был атомный вес металла.
Резерфорд мучительно обдумывал эти данные. Что за сила отбрасывает альфа-частицы, почему не все они отбрасываются, а только лишь одна из огромного общего числа, при чём здесь атомный вес?
Нескоро он пришёл к определённому заключению и решился, наконец, сказать историческую фразу: «Теперь я знаю, как выглядит атом». Тогда-то и была предложена им планетарная модель атома, по которой в центре его находится ядро, сосредоточивающее в себе почти всю его массу; ядро имеет положительный заряд, а электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам на огромнейших расстояниях, так что основной объём атома оказывается пустотой. Альфа-частица, направленная на какой-нибудь атом, может миновать ядро и почти, или совсем, не отклониться от своей траектории. Так происходит с большинством альфа-частиц, но некоторые из них по закону вероятности могут приблизиться к ядру на самые малые расстояния и, поскольку заряд их одинаков, будут отброшены с огромнейшей силой, причём сила эта будет тем больше, чем массивнее ядро, чем больше его заряд и, стало быть, атомный вес элемента. Много проверочных очень тонких экспериментов поставил Резерфорд, много произвёл он и математических расчётов, прежде чем решился изложить новые представления о структуре атома, и в мае 1911 г. об этом оповестил других через «Философский журнал».
Читатели, знакомые с историей науки, могут возразить: планетарная модель атома была предложена до Резерфорда. Действительно, в работе В.И.Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», которая, как известно, появилась в 1909 г., можно прочесть такие слова: «…атом удаётся объяснить как подобие бесконечно малой солнечной системы, внутри которой вокруг положительного электрона двигаются с определённой (и необъятно громадной, как мы видели) быстротой отрицательные электроны». В чём тут дело? А дело в том, что мысль о планетарном строении атома действительно высказывалась (и не раз печатно) несколькими исследователями до Резерфорда. Жан Перрен, например, свою гипотезу изложил в статье «Нуклеарно-планетарная структура атома» ещё в 1901 г. Японский учёный Нагаока предложил атомную модель с ядром, вокруг которого вращаются электроны «подобно кольцам Сатурна». В 1903 г. его статью публиковали «Труды Токийского физико-математического общества», а в 1904 г. перепечатали в европейском издании.
К подобному суждению, о структуре атома пришли также в разное время Д.Стоуни, Н.Морозов, М.Павлов, Б.Чичерин и другие. Совсем недавно стало известно, что замечательный русский физик П.Н.Лебедев придерживался такой же гипотезы ещё в 1887 г., когда самому ему было лишь двадцать лет. Можно представить себе его радость, когда появилось сообщение Резерфорда, подтвердившее его предвидение.
Выходит, Резерфорд далеко не первый в этом вопросе? Нет, первый. Первый в том смысле, что все прежние гипотезы были только догадками, ни одна из них не опиралась на эксперимент; Резерфорд пришёл к своей модели, можно сказать, «вынужденно», под напором фактов, полученных в эксперименте.
Не слишком ли много уделено внимания структуре атома в книге о превращении элементов? Нет, не слишком, ибо без знания того, как устроен атом, все попытки осуществить превращение, как выяснилось, были обречены на неудачу. Рамзай, который так безуспешно старался превратить один элемент в другой, с появлением резерфордовской модели пришёл к мысли, что необходимым условием трансмутации является раскол ядра атома. Он писал тогда: «Альфа-частица проходит через встречные молекулы, как пуля проходит через мишень… Что же случится, если произойдёт центральное столкновение? По всей вероятности, одно из 8000 столкновений будет таковым. Задетый атом получит количество энергии, эквивалентное поднятию температуры на тысячу миллионов градусов Цельсия. Можно предположить, что в этом случае произойдёт ионизация самого ядра атома, и, вероятнее всего, это будет сопровождаться необратимыми изменениями – другими словами, трансмутацией».
Эти слова Рамзая оказались пророческими. Прошло всего лишь семь лет, и правоту их подтвердил всё тот же Резерфорд: он получил из азота кислород. Как же это произошло? Для того, чтобы рассказать об этом хотя бы вкратце, следует заметить, что инструментарий исследований всё время совершенствовался. Удалось установить, какое расстояние пробегает альфа-частица, сохраняя способность к ионизирующему воздействию. Затем было замечено, что она оставляет след на фотопластинке, но длина её пробега в таком случае была в тысячу раз меньше. Этот след стал вполне определённой характеристикой альфа-частицы.
Резерфорд сконструировал приборчик, представляющий собой горизонтальный цилиндр, заполняющийся газом. В середине цилиндра на особой подставке на расстоянии от передней стенки, превышающем длину пробега альфа-частиц, укреплялся источник радиоактивного излучения. В стенке имелось окошечко с экраном из сернистого цинка, позволяющим с помощью микроскопа наблюдать сцинтилляции (свечение в виде вспышек).
Когда цилиндр заполнили азотом и начали эксперимент, на экране стали замечать вспышки. По расчётам, этого не должно было быть, так как альфа-частицы не могли достигать поверхности экрана. Очевидно, сцинтилляции вызываются ударами каких-то других частиц, имеющих большую длину пробега. Опытный Резерфорд, воздействуя электрическими и магнитными полями, измерил заряд и массу этих частиц и со всей несомненностью установил, что это ядра атомов водорода – протоны. Откуда они могли там взяться, если азот (было проверено) абсолютно чист? Вероятнее всего, протоны могли появиться только из недр атомных ядер азота. Что же произошло тогда с альфа-частицами? Ученик Резерфорда Блекетт целой серией тонко поставленных экспериментов выяснил, что альфа-частица, выбивая протон из ядра атома азота, сама в нём «застревает». Но ведь тогда ядро, поглотившее альфа-частицу, перестанет быть ядром атома азота? Совершенно верно, так и было: азот превращался в кислород. Результаты опыта подтвердились многократной и самой придирчивой проверкой – всё было правильно: обстреливая альфа-частицами азот, Резерфорд получил из него два других элемента – кислород и водород.
Так, наконец, в 1919 г. была достигнута великая цель, мечта алхимиков – превращение одного элемента в другой, и уже не естественным природным процессом, а по воле человека.
Естественно, что Резерфорд после такого триумфального результата не успокоился, а продолжил и расширил эксперименты по превращению элементов. Для этого ему пришлось видоизменить и усложнить условия опыта, усовершенствовать регистрирующую аппаратуру, – успех ему сопутствовал и на этот раз. Из алюминия он получил водород и кремний. Подверглись бомбардировке альфа-частицами также бор, фтор, натрий, фосфор и другие элементы, и всякий раз наблюдалось появление протоков и преобразование одного элемента в другой. В каждом случае происходило не только превращение, но и усложнение элемента. Если при естественном радиоактивном распаде образовывались элементы со всё меньшим и меньшим атомным весом, то в экспериментах Резерфорда получали элемент с возрастанием атомного веса. Любопытно было и другое. При таком превращении выделялось огромнейшее количество энергии, это было подсчитано подведением так называемого энергетического баланса. Можно было подумать, что этот факт особенно возбудит надежды учёных. Отнюдь нет, сам Резерфорд не придавал этому значения, так как считал такое получение энергии абсолютно невыгодным делом: ведь слишком редок был случай превращения. Превращение, например, одного ядра алюминия произойдёт лишь после того, как пролетят 125 тысяч альфа-частиц!
Начало первой мировой войны застало Резерфорда на пути в Австралию, куда он направился на очередной конгресс Британской ассоциации. По пути он побывал и в родных местах в Новой Зеландии. Когда ему предложили прочитать публичную лекцию в стенах Кентерберийского колледжа, откуда начался его путь в науку, то знаменательно, что темой он избрал не что иное, как «эволюцию элементов», – ту самую, из-за которой ему пришлось признать, что «зашёл слишком далеко». Но что очень существенно при этом отметить, так это то, что он осмелился повторить лекцию до того, как ему удалось совершить первое превращение. Стало быть, он никогда с этой мыслью не расставался.
Любопытно и другое. Длиннопробежные частицы, обнаруженные в экспериментах Резерфорда, сравнительно долго не имели названий. Их именовали Н-частицами. Предполагались самые различные названия, но Резерфорд, их открывший, настоял на том, чтобы их назвали протонами. Их так называют и по сей день. Как свидетельствуют современники Резерфорда, учёному хотелось, чтобы это название отмечало «изначальность», ибо «протос» – первый, первородный, и в то же время напоминало людям о Прауте, том самом химике, который за сто лет до Резерфорда выдвинул свою гипотезу: все элементы построены из водорода.
В чём тут дело?
После того как описано первое превращение элементов, напрашиваются слова: всё стало на свои места. Однако такое утверждение было бы эффектным, но… бессодержательным. Можем ли мы и сейчас сказать, что в физике не осталось никаких неясностей? Ни в коем случае! А тогда? Тогда и тем паче… Прежде всего и сам Резерфорд, предложив модель строения атома, не столь уж твёрдо был в ней убеждён на первых порах и прекрасно осознавал её уязвимость для математиков. Математические расчёты со всей неумолимостью доказывают, что в такой модели электроны должны непременно упасть на ядро, поскольку, как утверждает классическая электродинамика, заряжённая частица, двигаясь с ускорением, непрерывно теряет энергию. Но атом-то на самом деле устойчив. В чём тут дело?
Это становилось ясным по мере уточнения и развития резерфордовской модели. В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил свою модель атома, опираясь на идеи Резерфорда и квантовую теорию Макса Планка. Модель Н.Бора сложна для описания, и поэтому мы изложим её так, как это принято в популярных изданиях. В ней, в модели Н.Бора, электрон вращается не на любой орбите, а только на определённой, «разрешённой», и при этом никакого излучения не наблюдается. Излучение происходит только тогда, когда электрон «перескакивает» с одной орбиты на другую, выделяя или поглощая порцию, квант, энергии.
В 1913 г., когда Нильс Бор сформулировал принципы, объясняющие устойчивость атома, было уже известно около 40 радиоактивных элементов, в то время как в таблице Менделеева пустовало всего 7 клеток. Как же разместить на них такое количество элементов?
«Подкопы» под таблицу, как мы видели, предпринимались не раз, но такое случалось в более ранние годы её существования, когда в ней было больше гениального предвидения и интуиции, нежели экспериментальных подтверждений. Теперь же подвергать её какому-либо сомнению просто невозможно. Что же остаётся? Может быть, произвести некоторую перестановку, не особенно считаясь с последовательностью возрастания атомных весов? Ведь и сам Менделеев, как было замечено, не единожды нарушал это правило: тяжёлый кобальт помещал впереди более лёгкого никеля, то же самое относится к теллуру и йоду, аргону и калию.
Но всё решилось по-иному. Оказалось, что в одну и ту же клетку следует помещать по нескольку радиоактивных элементов, химически одинаковых, но имеющих разный атомный вес. Ф.Содди назвал их изотопами, что в переводе с греческого значит «одноместные».
Рентгеновские лучи много уже дали и науке, и практике, а природа их всё ещё оставалась неясной. Их не удавалось ни отразить от какой-нибудь поверхности, ни преломить через какую-нибудь линзу. Отсюда предмет спора: волны это или частицы? Лишь в 1912 г. Макс фон Лауэ предсказал, а затем совместно со своими учениками показал дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах.
Спор был разрешён: это волны, гораздо более короткие, нежели видимый свет или даже ультрафиолетовое излучение.
Развивая достигнутый Лауэ успех, отец и сын Брегги разработали рентгеновский метод анализа кристаллических структур.
Всё это было далёкими вопросами для лаборатории Резерфорда. Поэтому-то он и был очень удивлён, когда один из его учеников Генри Мозли выразил непреодолимое желание работать с X-лучами. Но он не стал этому препятствовать. А Мозли был увлечён боровской теорией устойчивости атома и писал Резерфорду, что всем своим существом чувствует её справедливость, что готов сделать всё возможное, дабы положить конец широко распространённому убеждению, будто построение Бора сводится к удачному жонглированию хорошо подобранными числами.
Выяснилось, что X-лучи также неоднородны, т. е. хотя все они коротковолновые, но одни из них имеют большую частоту, другие меньшую; иначе говоря, у них тоже свой спектр.
Как рождаются X-лучи? При падении катодных лучей на твёрдое тело. Это уже установлено. Мозли вооружился катодной трубкой, им же сконструированной и изготовленной, и целиком погрузился в измерение частот рентгеновских спектров. Он последовательно наносил на антикатод различные вещества и подвергал их воздействию катодных лучей, регистрируя в каждом случае длину волны характерного рентгеновского излучения. Ему удалось найти зависимость между длиной волны главных линий рентгеновского спектра и порядковым номером атома химического элемента. Об этом сам он сказал так: «В атоме имеется основное свойство, которое увеличивается на известную величину при переходе от одного элемента к следующему. Это свойство может быть только заряд положительного ядра атома».
Такая гипотеза была выдвинута ещё до Мозли голландцем Ван дер Броком в 1913 г., и её поддерживал Бор. Но гипотеза была совершенно бездоказательна, не связана ни с каким экспериментом. Мозли вовсе не сделал случайного открытия. Он прекрасно был осведомлён о гипотезе голландца, она ему нравилась своей ясностью и простотой, и он в том же 1913 г. заявил своему шефу, что собирается «решить эту проблему систематическими измерениями высокочастотных спектров».
Титаническая работа Мозли показала, что последовательность расположения элементов в таблице Менделеева строго закономерна, порядковый номер каждого элемента – это вполне опредёленная его характеристика – заряд ядра. Правда, формулировку закона пришлось несколько видоизменить: свойства элементов находятся в периодической зависимости не от их атомного веса, а от заряда их ядра. То, что казалось досадным исключением в таблице элементов («неправильность» расположения кобальта и никеля, калия и аргона), после работ Мозли нашло себе объяснение и вызвало восхищение блестящей интуицией Менделеева.
Всего три-четыре работы Мозли были опубликованы (он погиб в 1915 г. на турецком фронте), но они по праву признаны классическими. Измерив рентгеновский спектр самого тяжелого элемента – урана, Мозли выяснил, что порядковый номер его – 92 и, стало быть, элементов всего должно быть 92. Как известно, Менделеев оставил в таблице пустые места, предсказав, что в будущем найдут элементы, соответствующие указанным химическим свойствам. Часть из них была открыта еще при жизни Дмитрия Ивановича, некоторые же клетки продолжали пустовать. Сличая рентгеновские спектры, Мозли подтвердил, что должны быть открыты элементы с порядковыми числами 43, 72, 75, 85 и 87.
И всё же существование изотопов не было понятным даже после того, как Резерфорду удалось наблюдать первое «искусственное» превращение элементов. Проще всех устроен атом водорода: ядро, состоящее из одного протона, и один электрон на орбите. Масса протона настолько велика по сравнению с массой электрона, что последнюю при расчетах можно не принимать во внимание. Если так, то масса любого ядра определяется числом входящих в него протонов, чем выразится и атомный вес элемента. Однако почему же атомные веса дробные? Ведь нельзя же допустить, что в ядре помимо целых протонов заключены и какие-то части его. На это, кажется, есть ответ: изотопы одного и того же элемента неравномерно распределены в природе, и потому атомный вес элемента является фактически средним (не арифметическим, а сообразно с учётом процента распространения каждого изотопа). Таким образом даётся объяснение и «неправильностям» в клетках периодической системы, хотя бы аргона и калия. Просто в природе больше тяжёлых изотопов аргона, чем лёгких, а у калия картина обратная.
Однако очень трудно было объяснить разницу между зарядом ядра и атомным весом – ведь если последний определяется числом протонов, а каждый из них несёт один положительный заряд, то численно эти величины должны были совпадать. Атом в целом нейтрален. Следовательно, число электронов, вращающихся на орбитах, должно быть равным заряду ядра. Если, к примеру, у лития атомный вес – 7, а заряд ядра 3, то и электронов на орбите тоже 3. Что же даёт ему «лишнюю» массу в 4 единицы? Оставалось предположить только одно: в ядре находится 7 протонов и 4 электрона, остальные 3 – на орбитах (вспомним модель Дж. Дж. Томсона). Представление малоубедительное, ибо естественно возникал вопрос: а почему они в ядре не слипаются? Тем не менее лучшего объяснения в то время придумать не могли.
После замечательного эксперимента Резерфорда по превращению азота в кислород в течение довольно длительного времени ничего такого, что остановило бы всеобщее внимание, в атомной физике открыто не было. Объясняется это несколькими причинами. Одна из главных – это усиленное развитие физики теоретической, когда вводились в науку ранее неприемлемые понятия, без которых теперь физика не могла двигаться дальше.
Ещё в 1913 г. обсуждалась планетарная модель атома Резерфорда, основанная на новых квантовых законах. Лорд Релей, председательствовавший на собрании, где был сделан доклад, на предложение высказаться по существу вопроса, сообщил, что он придерживается правила, по которому человеку в его возрасте не следует принимать участия в дискуссии по поводу новых идей.
Представления о структуре атома видоизменялись, усложнялись, – при этом производились сложнейшие математические расчёты, продолжались давние споры о природе света, будоражила всех волновая механика, не давали покоя понятия о квантах, теория относительности Эйнштейна и многое другое.
Дискуссии по всем этим вопросам были ожесточённые, новые идеи завоёвывали себе дорогу с большим трудом, так как требовали отказа от привычного, устоявшегося образа мышления. Хорошо известно относящиеся к тем временам парадоксальные высказывания Нильса Бора: «Перед нами, без сомнения, безумная идея. Весь вопрос о том, достаточно ли она безумна для того, чтобы быть правильной». Лорд Релей же, отрицательно отнесшись к квантовой механике, выразился очень дипломатично: «У меня есть трудности в принятии этого как картины, которая действительно имеет место». Но далеко не все учёные из числа неразделявших новые взгляды в науке, были столь сдержанны и тактичны в своих высказываниях, поэтому страсти на всевозможных конгрессах и совещаниях достигали высокого накала. Высшей язвительности по адресу сторонников новых идей достиг, пожалуй, известный физик-теоретик Пауль Эренфест, пообещавший на дискуссию по квантовой механике привезти своего попугая и выдвинуть его «кандидатуру» в председатели. Попугай был им обучен произносить фразу: «Но, господа, это не физика!»
Экспериментальная физика, таким образом, оказалась призванной подтвердить или опровергнуть новые представления. Но не только это затормозило продвижение в области превращения элементов.
Удачам Резерфорда по получению новых элементов при использовании для этого альфа-частиц вскоре наступил предел. Не удалось наблюдать разрушения элементов более тяжёлых, чем калий. Объяснить это было нетрудно: с увеличением порядкового номера возрастает заряд ядра, и направленная на него альфа-частица, имеющая одноимённый заряд, отбрасывается в сторону со всё большей силой. Некоторые из лёгких элементов, такие, например, как те же гелий, углерод, кислород, также не поддавались воздействию альфа-частиц. Составление энергетического баланса показало, что здесь причина была в том, что имевшаяся в распоряжении Резерфорда «артиллерия» не была достаточно мощной: энергии его альфа-частиц не хватало для того, чтобы выбить протон из ядер этих элементов.
Встал вопрос: как получить более мощные снаряды? Конечно, различные радиоактивные элементы давали альфа-частицы неодинаковой энергии, но достаточно ли ограничиться подбором такого источника их?
Употребляя язык современных понятий, можно было бы сказать: необходима механизация подобных исследований. И это было сделано. Ученики Резерфорда Ж.Кокрофт и Э.Уолтон сконструировали установку, в которой можно было ускорять протоны, заставляя их проходить через сильные электрические поля.
Добившись успеха, они приступили к непосредственному эксперименту превращения, логически рассудив, что наиболее подходящим объектом для этого будет литий: сила отталкивания будет не столь велика вследствие малости заряда ядра элемента и самого «снаряда» – протона, у которого он равен не двум, как у альфа-частицы, а всего лишь единице.
Опыт удался, и по длине пробега образовавшихся частиц исследователи определили, что они являются не чем иным, как ядрами гелия, т. е. альфа-частицами.
Понятие «расщепление ядра», применявшееся без достаточных оснований к другим ядерным превращениям, в этом эксперименте получило своё конкретное выражение. Ядро лития под ударом протона распалось на два ядра гелия. Обычно сдержанный и уравновешенный Кокрофт пришёл в неописуемое волнение. Правда, он не выскакивал, как Архимед, из ванны голым и не кричал «Эврика!», но выбежал вечером из лаборатории на людную улицу и с дикой радостью оглядывал прохожих, а когда замечал знакомого, то ошалело сообщал ему: «Мы расщепили атом! Мы атом расщепили!» И так с обалделой улыбкой бежал дальше в поисках нового знакомого.
Успех Кокрофта и Уолтона воодушевил других исследователей, и они форсировали уже ведущиеся ими разработки конструкций для получения частиц высоких энергий. Наиболее удачной из таких следует считать циклотрон, разработанный и построенный Э.Лоуренсом и М.Ливингстоном. Это циклопическая установка, в которой ускорения частиц достигают с помощью магнитного поля и высокочастотного переменного тока.
Конечно, циклопической эта установка была лишь для тех времен; ныне на фоне гигантских ускорителей она выглядела бы малюткой. Однако эта малютка позволила учёным достичь больших успехов в изучении строения атома и превращения элементов. Не случайно элемент № 103, полученный впоследствии американскими учёными, получил имя лоуренсий.
Особым вниманием учёных по-прежнему пользовались изотопы. Физик Ф.Астон разработал метод определения величины массы частицы и сконструировал прибор, названный масс-спектрографом, с помощью которого атомный вес можно стало определять с большей точностью, чем вычислением по эквиваленту. Астон, подвергнув масс-спектрографическому анализу таблицу Менделеева, обнаружил, что изотопы есть у всех известных в то время химических элементов.
В 1932 г. сенсационным было сообщение американских учёных Г.Юри, Ф.Брикведде и Г.Мерфи об открытии ими изотопа водорода с атомным весом не единица, а два. Нашли способ его получения из так называемой тяжёлой воды, молекула которой состояла из изотопа водорода и обычного кислорода. Сама тяжёлая вода всегда присутствовала в очень незначительных количествах в воде обычной. Такой особый водород стали называть дейтерием. Если атом его ионизировать, т. е. оторвать от ядра его единственный электрон, то образуется «снаряд», более тяжёлый, чем протон, но имеющий тот же заряд. Э.Резерфорд предложил назвать новую частицу диплоном, но в науке закрепилось другое название – дейтерон, или дейтрон.
С помощью циклотрона оказалось возможным ускорять, сообщая им тем самым большую энергию, как протоны, так и дейтероны и альфа-частицы. «Атомная артиллерия» совершенствовалась, но всё же обстрел атома всегда представлялся очень непростой задачей, так как все её «снаряды» подвергались отталкивающему действию одноимённо заряженного ядра.
Что же касается изотопов, то в их изучении, разделении, использовании достигли многого, но вопрос о том, почему атомы одного и того же элемента имеют различную массу, оставался открытым.
