Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 24 страниц)

Колдовство

Идеи Бора воодушевили многих ученых на поиски законов, правящих в микромире атома. Среди них были теоретики американец Чарлз Томсон Рис Вильсон (Нобелевская премия 1927 года за камеру Вильсона для наблюдения космических лучей) и немец Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд, ставший членом многих академий наук.

Их чрезвычайно заинтересовали квантовые числа, предложенные Бором. Казалось бы, Бор использовал формальный прием. Он «перенумеровал» орбиты электронов в атоме, приписав им простые целые числа. Так в науку впервые вошли квантовые числа, характеризующие строение атома.

В действительности этот шаг оказался отнюдь не формальным. В этом убедились прежде всего Вильсон и Зоммерфельд. Они принялись почти одновременно – в 1916 году – на основе модели атома Бора рассчитывать спектры атомов веществ, и прежде всего атома водорода. Поначалу они потерпели фиаско – не получили обещанного Бором оптического спектра водорода. Тем более не удалось рассчитать спектры более сложных атомов. Что же это значило? Неувязка, простая математическая оплошность или трагедия квантовых идей?

Правильно ли они «читают» оптические спектры? Правильно ли учитывают боровские квантовые числа?

Зоммерфельд был одним из тех тонких исследователей, о которых принято говорить, что природа наделила их верной интуицией.

Вначале он был бескомпромиссно предан взглядам Бора, принял их, как видно, полностью, без критики.

Но во всем ли Бор безупречен? Не вкрались ли в постановку задачи ошибки?

Бор считал орбиты электронов в атомах круговыми. Тут он был прямым последователем Коперника, который тоже представлял себе орбиты планет кругами. И ошибался, как мы теперь знаем. Это понял Кеплер. Он смог объяснить тонкие эффекты планетных движений, лишь предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам.

Обдумывая расхождения между расчетами Бора и спектром водорода, полученным из опыта, Зоммерфельд словно заразился сомнениями Кеплера. И он поначалу исходил из уверенности Бора: орбиты электронов в атоме круговые. Но это привело его к противоречию с опытом. Итак, может быть, они, как и орбиты планет, эллиптические? Может быть, электроны движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено ядро атома? Зоммерфельд, идя по стопам Бора, пошел дальше. Он придал новый смысл квантовому числу. Пусть оно фиксирует не радиус, а среднее расстояние от ядра, вокруг которого электрон движется по эллиптической орбите. Проверка, размышления. Совпадения со спектральными данными не было! И Зоммерфельд вводит еще одно, новое квантовое число – для обозначения угла, характеризующего направление от ядра к электрону. Снова расхождения. Зоммерфельд был вынужден предположить, что плоскость, в которой лежит оптическая орбита электрона, наклонена к некоторой экваториальной плоскости. Он характеризовал такой наклон еще одним, «экваториальным» пантовым числом.

Введя свои квантовые числа, Зоммерфельд назвал боровские квантовые числа главными, а свои – одно «азимутальным», а другое, как мы знаем, «экваториальным».

Позже Зоммерфельд напишет: «Это пространственное квантование несомненно относится к поразительным результатам теории. По простоте вывода и результатов оно выглядит почти как колдовство».

О том, как, пользуясь «колдовским» методом, ученые продолжали рассчитывать схемы устройства различных атомов, мы расскажем дальше. А сейчас несколько слов о судьбе работ Генри Мозли.

Возвратимся в 1915 год, год смерти молодого физика. Эстафетную палочку, выпавшую из его рук, поднял Вальтер Коссель, физик-экспериментатор, окончивший Гейдельбергский университет в 1911 году. Главный его интерес был сосредоточен на спектроскопии, теории химических связей и периодической системе химических элементов. Сопоставив рентгеновские спектры атомов с последовательно заполняющимися электронными оболочками атомов, он понял природу химической связи. Это было в 1916 году. Работая в Мюнхенском университете, он поразил научный мир солидной работой – показал, что химические свойства атомов определяются числом электронов во внешней электронной оболочке.

Коссель первым опубликовал вариант периодической системы Менделеева, в которой он, следуя Мозли, пронумеровал все клетки вплоть до урана, пометив прочерками места еще неизвестных в 1916 году элементов.

В том же 1916 году американский физико-химик Гилберт Ньютон Льюис (который в 1929 году введет в науке термин «фотон»), а затем в 1919 году Ирвинг Ленгмюр тоже американский физик и химик (получивший в 1932 году Нобелевскую премию по химии), связали последовательное заполнение электронных оболочек атомов с их химическими свойствами и расположением в клетках таблицы Менделеева. Затем Льюис сделал важный шаг, заметив связь устойчивости молекул с количеством электронов во внешних оболочках атомов, образующих молекулу. Для подавляющего числа устойчивых молекул суммарное количество электронов во внешних оболочках атомов, составляющих эти молекулы, является четным. Если это количество нечетно, то молекула обладает большой химической активностью, она стремится связаться с еще одним атомом или с другой молекулой, чтобы образовать соединение с четным суммарным числом электронов во внешних оболочках соединившихся атомов.

Это был период накопления опытных фактов и феноменологического (описательного) подхода к объяснению свойств атомов и их связи с периодическим законом Менделеева. Итог этому периоду подвел Бор в 1921 году в докладе «Строение атома в связи с химическими и физическими свойствами элементов».

Перечисление всех изложенных в докладе результатов заняло бы слишком много места. Все они направлены на выявление связи строения электронных оболочек атомов с их физическими и химическими свойствами. В частности, Бор подметил, что водород начинает, а гелий завершает первый период таблицы Менделеева. Далее идут периоды от лития до неона и от натрия до аргона, содержащие по 8 элементов, а два дальнейших периода – от калия до криптона и от рубидия до ксенона – содержат по 18 элементов.

Исходя из последовательного рассмотрения усложняющихся электронных оболочек и отступления от строго последовательного заполнения их в группах переходных и редкоземельных элементов, Бор объяснил причину химичкой общности элементов внутри этих групп. Он отметил, что по мере приближения к порядковому номеру 86 снова возникает симметричное образование электронной оболочки, свойственное инертным газам (это место впоследствии занял неустойчивый радиоактивный газ – радон)

В своем докладе Бор впервые последовательно показал, как в результате увеличения атомного номера (соответствующего величине положительного заряда ядра) происходит заполнение электронных оболочек атома. Как конкретные свойства оболочек, в свою очередь, приводя к периодическому изменению физических и химических свойств веществ. Квантовая теория объяснила то, что почувствовал и понял Менделеев задолго до заступления квантовой эры.

Это было одно из великих достижений первоначальной квантовой теории строения атомов. Оно стало ее последим триумфом. Чтобы после ответа на вопрос, как устроен атом, поставить и ответить на вопрос, почему он устроен именно так, а не иначе, нужен был новый скачок теории превосходящий по своей дерзости и отваге боровскую теорию квантовых атомных орбит.

Из прошлого в будущее

Идеи Бора произвели сильное впечатление на современников. Но никто из них поначалу не обратил внимания № содержащийся в его постулатах намек на трудности философского осмысления атомных процессов. Вспомним, энергия фотона, излученного электроном, определяется двумя состояниями: орбитой, которую он покидает (то есть прошлым), и орбитой, на которую он приходит (то есть будущим).

Так возникает странная ситуация, при которой физический процесс зависит не только от прошлого, но и от будущего!

Это качественно новая проблема, возникшая перед физиками в мире атома, незнакомая им в мире больших вещей. Физики встретились с ней впервые. Она противоречила всему многовековому опыту, положениям классической физики, которая выявила, казалось, неопровержимую истину: каждое явление определяется предшествующим событием. А теперь в микромире выяснилось, что иногда это явление предопределено, зависит от будущего. Создавалось впечатление, что электрон, покидая свою орбиту, знает, куда, на какую из многочисленных доступных ему орбит, он стремится.

Физики этого не знали. Но это надо было научиться предсказывать, если они хотели овладеть тайной атома.

Образовалась еще одна трещина в классической физике. Ученые не могли считать, что фотон рождается после того, как электрон покидает свою первоначальную орбиту – в тот момент, когда он занимает новую орбиту. Потому что он появляется на ней в точном смысле в тот самый момент, как исчезает с первоначальной. Этот процесс не имеет длительности. Что же предопределяет поведение электрона?

Особенно таинственным и необъяснимым казалось то, что расстояние орбит от центра ядра характеризуется определенными числами. Придумав эти числа, назвав их квантовыми, Бор ввел их в расчеты, однако объяснить физический смысл не мог. Но они не были случайностью – тут сказывался жесткий закон. Какой?

Удивительные ответы на эти вопросы дал молодой француз, который начал свою взрослую жизнь со сдачи экзаменов на звание бакалавра по истории, прошел первую мировую войну связистом и заразился физикой от всего старшего брата, рассказавшего ему о волнениях, которые внесли в жизнь ученых кванты. Младший брат, его звали Луи де Бройль, увлекся. Можно сказать, кванты подарили миру великого ученого. Его вклад в науку огромен. Отметим только одну из его работ, имеющую непосредственное отношение к нашей теме.

Размышляя над загадкой электронных орбит, Луи де Бройль представил себе, что электроны в атоме – словно ноты на нотных строчках. Разумеется, это не буквальная аналогия.

Частота звукового тона определяется тем, на какой из строчек нотной записи находится соответствующая нота. Частота электромагнитного поля, которому соответствует излученный электроном квант энергии, – фотона определяется расстоянием между орбитами: той, с которой электрон исчез, и той, на которой появился. Разность звуковых частот между соседними нотными строчками описывается определенными числами. Подобные числа появляются и при вычислении разности энергии электрона на орбитах в атоме.

Де Бройль представил себе, что электрон, словно некое умозрительное подобие звучащей ноты, связан со своей волной. Что ему уютно только на такой орбите – строчке, где укладывается целое число связанных с ним волн. И если ему суждено перескочить на другую орбиту, он выберет такую, где тоже укладывается целое число волн. У каждого вещества есть свой набор нотных строчек – орбит. Это они определяют, какие именно фотоны способны рождать электроны, перескакивая с орбиты на орбиту в атоме данного элемента.

Так де Бройль связал между собой модель атома, придуманную Бором, с особыми волнами, управляющими поведением электронов в атоме. Расчет, произведенный де Бройлем, привел его к боровским орбитам. Квантовые числа Бора обрели физический смысл.

Внутреннее строение атома все более прояснялось. Оно четко проявлялось и в расположении цветных линии оптического спектра, и в значениях квантовых чисел.

Для того чтобы избежать недоразумений, следует напомнить, что в дальнейшем квантовая физика была вынуждена отказаться от представления движения электронов при помощи определенных орбит. В соответствии с этим изменился и смысл, вкладываемый в квантовые числа, введенные Бором и Зоммерфельдом. Но эти квантовые числа остались необходимыми и в новой квантовой теории, пришедшей на смену квантовой механике Бора – Зоммерфельда.

Метод квантования, который Зоммерфельд назвал колдовством, прочно вошел в обиход физики. Но приемы колдовского ритуала постепенно совершенствовались. Этим колдовством в совершенстве овладел Эдмунд Клифтон Стонер, талантливый физик-теоретик, окончивший Кембриджский университет. Он стал в 1937 году членом Лондонского королевского общества. Круг его научных интересов – проблемы магнетизма, атомной структуры веществ, квантовая статистика. В 1925 году он ввел в науку подразделение электронных оболочек атома на подоболочки. Путь к этому начался так.

Стонер сопоставлял спектральные линии в оптических спектрах атомов со всем набором возможных сочетаний трех квантовых чисел, введенных Бором и Зоммерфельдом перед ним распахнулись двери, ведущие в «кухню» природы, где по вполне определенным рецептам «приготовлялись» те или иные атомы.

Стонер сумел проследить, как из спектров атомов с необходимостью вытекает порядок распределения электронов орбитам, начиная от простейшего атома водорода, имеющего один электрон, к сложным многоэлектронным атомам. В 1924 году в статье «Распределение электронов по атомным уровням» он показал соответствие между рентгеновскими спектрами элементов и квантовыми числами Бора и Зоммерфельда.

Стонер пишет: «Электроны могут входить в группу (группами он называл электронные оболочки) до тех пор, пока не будут заняты все возможные (для этой оболочки) орбиты, и тогда атом будет обладать симметричной структурой.

Работа Стонера послужила в определенном смысле завершением работы Менделеева по выявлению связи физических и химических свойств атомов с их взаимным расположением в периодической системе элементов. Запомним: химические свойства элементов определяются количеством электронов во внешней оболочке атома. Внутренние оболочки иногда влияют на химические свойства, но гораздо слабее, чем электроны внешней оболочки.

Теперь в каждой из клеток периодической системы элементов можно было просто нарисовать схему расположения электронных орбит, которые группируются в оболочки, соответствующие периодам таблицы Менделеева. Вопрос о том, как устроены атомы и как их устройство связано с их свойствами, казался выясненным окончательно.

За кулисами периодического закона

Истинным ученым ни один шаг не кажется последним. Прозрачная ясность схемы Стонера неизбежно породила вопрос: почему заполнение электронных оболочек происходит именно так, а не иначе? Что стоит за периодическим законом, на чем основан этот закон?

Уже в марте 1925 года немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули ответил на этот вопрос. Ответил введением постулата, ставшего затем одним из фундаментов квантовой физики. Этот постулат известен теперь как «принцип запрета» Паули.

Незадолго до того, анализируя с квантовой точки зрения влияние внешнего магнитного поля на спектр атомов, Паули пришел к любопытному выводу. Он решил, что все известные результаты такого воздействия (открытые голландцем Питером Зееманом, получившим в 1902 году Нобелевскую премию), включая воздействие сильных магнитных полей, можно объяснить. Для этого надо допустить ситуацию, которую нельзя описать классически. Как видно, электрон обладает неизвестной до того своеобразной двузначностью квантовых свойств.

В статье «О связи заполнения электронных групп в атоме со сложной структурой спектров» Паули опирается на результаты Стонера и на обнаруженную им самим двузначность квантовых свойств электрона. Для того чтобы упростить рассуждения, Паули отмечает, что при использовании трех квантовых чисел приходится признать, что в атоме, неподвергаемом внешним воздействиям, могут существовать группы орбит электронов, для которых энергии электронов одинаковы. Такие «групповые» состояния он называл вырожденными. Воздействие магнитного поля, в соответствии с наблюдениями Зеемана, выявляет отдельные орбиты, образующие группу. Для того чтобы разобраться в этом, достаточно ввести помимо трех квантовых чисел Зоммерфельда еще одно квантовое число. Если классификация группы производится при помощи четырех квантовых чисел, можно без труда объяснить, как вырожденные группы расщепляются на отдельные орбиты, различающиеся между собой величиной энергии. Причем каждая из таких орбит может быть занята только одним-единственным электроном.

Принцип запрета можно сформулировать так: если в атоме находится электрон, для которого все четыре квантовых числа имеют определенные значения, то это состояние «занято». «Занято» означает, что ни один из других электронов, входящих в состав этого атома, не может иметь такой же набор квантовых чисел.

Паули рассматривает следствия из этого принципа. Принцип запрета не только непосредственно объясняет Зееманом расщепление спектров атомов под действием магнитного поля, но и приводит к результатам Стонера. Более того, так как физические и химические свойства атома определяются его электронными оболочками, то принцип запрета позволил бы построить периодическую систему Менделеева, не опираясь на физико-химические свойства элементов. Не опираясь на то, что послужило Менделееву основой для построения его таблицы.

Система Менделеева, если бы она не была построена самим Менделеевым, возникла бы как необходимое следствие квантовых законов, включая «принцип запрета» Паули. Думая об этом, нельзя не удивляться интуиции Менделеева, позволившей ему сформулировать периодический закон задолго до возникновения квантовой механики.

Постулативный характер «принципа запрета» Паули побуждал ученых к отысканию той физической реальности, которую выявляет этот постулат. В справедливость его поверили все. Без него невозможно объяснить ни тонки детали атомных спектров, ни физическое содержание периодического закона.

Но что же стоит за этим принципом? В то время (в 1925 году) физики считали окончательно понятым только то, что можно свести к прототипам, изученный в рамках механики Ньютона или электродинамики Максвелла или, наконец, в рамках примирившей их Общей теории относительности. Как же понять физический смысл «принципа запрета» Паули?

Здесь нужно познакомиться с теоретиком, который отличался разносторонними интересами. Ему принадлежит, кроме физических, ряд исследований по египтологии Он принимал участие в американской секретной миссии «Алсос», занимавшейся в конце второй мировой войны сбором информации о состоянии атомных исследований в Германии, вывозом документации и оборудования из германских институтов, связанных с атомной проблеме и интернированием немецких физиков-атомщиков. Речь об американце Сэмюэле Абрахаме Гаудсмите.

В 1925 году Гаудсмит вместе с Дж. Уленбеком выдвинул гипотезу о вращающемся электроне. Эта гипотеза не осталась незамеченной, она вызвала волнение среди физиков. Авторы ее утверждали, что электрон похож на вращающийся, заряженный отрицательным электричеством шарик. Вращается он вокруг одного из своих диаметров. И электрон, как и подобает вращающемуся материальному телу, несущему на себе электрический заряд, обладает собственным механическим и магнитным моментом.

Для обозначения собственного вращения электрона и его механического момента ученые воспользовались четвертым квантовым числом, использовав для его обозначения английское слово «спин», которое в переводе означает «волчок». По существу, это было квантовое число, ранее введенное Паули.

Теоретическая часть рассуждений Уленбека и Гаудсмита сводится к следующему: первые три квантовых числа, соответствующие движению электрона по его орбите, отображают три степени свободы, характеризующие положение любого тела в пространстве. Четвертое квантовое число соответствует четвертой – внутренней степени свободы, которой обладает электрон.

B обычной, не квантовой механике тоже известен случаи, когда состояние тела не может быть полностью описано тремя числами, описывающими его положение в пространстве. Примером такого тела является вращающийся гироскоп (вариант волчка, применяемый в системах навигации.) Для того чтобы полностью описать состояние гироскопа, нужно иметь сведения не только о его положении, но и о направлении и скорости его вращения, а для этого нужно еще одно число.

Уленбек и Гаудсмит объяснили, что их четвертое квантовое; число не связано с движением электрона по орбите, оно характеризует его внутреннее свойство, аналогичное вращательному состоянию гироскопа. Именно поэтому они предложили называть это четвертое квантовое число словом «спин».

Они были не первыми, кто предложил идею вращающегося электрона. Это любопытная история. Впервые вращающийся электрон примыслился американцу Крекингу – стипендиату Колумбийского университета. В январе 1925 года он приехал в Тюбинген, в Германию, тогдашнюю спектроскопическую Мекку. Тут он познакомился с письмом Паули к одному из коллег. Паули сообщал, что, приписав электрону еще одно, четвертое квантовое число, описывающее его поведение в атоме, можно избавиться от всех расхождений между квантовой механикой и спектрами.

Кронинг предположил, что это квантовое число соответствует собственному вращению электрона. Однако его гипотеза была принята с недоверием и Зоммерфельдом и самим Паули. И Кронинг решил не публиковать свои догадки. Он отказался от сомнительной идеи.

И когда Гаудсмит и Уленбек пришли к той же мысли и сообщили о ней, Кронинг реагировал на это довольно своеобразно. «Представляется, что новая гипотеза просто переводит семейное привидение из полуподвала в подвал, вместо того чтобы изгнать его из дома», – проиронизировал он.

Теория спина была признана физиками после работы англичанина Л. X. Томаса и ленинградского физика Я. И. Френкеля.

Паули, возражавший против идеи вращающегося электрона, теперь сказал: «Хотя я сначала сильно сомневался… вычисления… сделали меня ее сторонником».

Вслед за ним гипотезу спина признали и остальные.

Вот так бывает в науке: в январе 1926 года, разговаривая с Бором, Паули назвал гипотезу спина ересью в марте стал ее приверженцем. Интересно, что в развития науки физики были вынуждены отказаться от наглядной модели электрона как заряженного вращающегося шарика. Эта модель, облегчившая первоначальное знакомство с квантовыми свойствами электрона, приводила к непреодолимым трудностям. Преодолеть их можно было только отказом от наглядной модели и сохранением спина как внутренней характеристики каждой из микрочастиц.

Принцип Паули и открытие спина в основном завершили выяснение физической основы периодического закона Менделеева.

Но дальнейшее развитие периодической системы – таблицы Менделеева – на этом не прекратилось.

Таблица Менделеева уточнялась в трех направлениях. Во-первых, ученые одно за другим заполняли оставшиеся в ней пустые места, во-вторых, выделяли или синтезировали изотопы, в-третьих, расширяли таблицу за пределы урана.

Пора поразмыслить об изотопах.

Осознание периодического закона и изучение радиоактивности заставило ученых вспомнить об интересной гипотезе, намного опередившей свое время и затем надолго забытой. В 1815 году лондонский врач и химик Уильям Праут выдвинул гипотезу о том, что атомы различных элементов построены из атомов водорода. Он основывался на том, что атомные веса многих элементов являются кратными атомному весу водорода. Если принять атомный вес водорода за единицу, то атомный вес лития близок к 7 бериллия – к 9, углерода – к 12, азота – к 14, кислорода – к 16, фтора – к 19. Отклонение от кратности для Бора и для атомов, более тяжелых, чем фтор, Праут относил за счет недостаточной точности измерения. В первой половине девятнадцатого века многие ученые прибивались гипотезы Праута, однако последующие нения значений атомных весов принудили их отказаться от нее. Ведь, например, атомный вес хлора равен 35,453.

Работы Резерфорда привели к планетарной модели атома. Выяснилось, что атомный вес элемента связан с порядковым номером той клетки, которую соответствующий элемент занимает в таблице Менделеева. Все это заставило ученых вспомнить о гипотезе Праута. С другой стороны, исследования радиоактивных элементов, проводившиеся Резерфордом, его сотрудником Ф. Содди и другими физиками, иногда приводили к случаям, когда радиоактивные элементы, получавшиеся в результате радиоактивного распада, обладают необычными свойствами. Заведомо различные элементы, полученные из различных источников и обладающие различной скоростью и даже различным типом дальнейших радиоактивных превращений, оказалось невозможным отделить один от другого никакими химическими методами. Возникла поразительная ситуация: с точки зрения химии эти элементы тождественны, а с точки зрения физики они различны.

Исходя из периодического закона Менделеева, элементы, обладающие тождественными химическими свойствами, следует помещать в одну и ту же клетку периодической системы элементов, несмотря на то что некоторые из их физических свойств оказываются различными. Содди назвал такие элементы изотопами.

Стабильные (нерадиоактивные) изотопы неона: неон-20 и неон-22 (здесь и дальше цифры, стоящие за названием химического элемента, указывают его атомный вес), обнаружила 1913 году Джозеф Томсон (его не следует путать с Вильямом Томсоном, лордом Кельвином, который напугал современников угрозой тепловой смерти Вселенной). Джозеф Томсон прежде всего известен как автор электрона – это он открыл электрон. Он разработал теорию движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, он же создал первую модель строении атома, впоследствии уступившую место планетарной модели Резерфорда. В 1906 году он стал нобелевским лауреатом. Именно его теория движения заряженных частиц в электромагнитных полях и легла в основу масс-спектрографа, важнейшего прибора для измерения атомного веса электронов, сконструированного Френсисом Астоном, который с 1913 года был ассистентом Томсона. Война прервала его работу. В 1919 году он возвратился и заинтересовался возможностью разделения изотопов. К тому времени никто не сомневался в существовании изотопов, но никому не удавалось выделить их в чистом виде.

Астон теоретически проанализировал возможности основных методов разделения изотопов, через много лет сыгравших свою роль в создании атомной бомбы. Сравнив метод диффузии, возгонки и центрифугирования с методом, примененным Томсоном еще в 1912 году для разделения изотопов неон-20 и неон-22, он убедился, что томсоновский метод наиболее подходящ для лабораторных следований. (Для промышленного разделения изотопов тяжелых элементов более производительными являются термодиффузия и центрифугирование.)

Метод Томсона состоит в отклонении ионизированных атомов, летящих в вакууме при помощи электрического и магнитного полей.

При проведении первых исследований в 1920 году Астон был поражен тем, что атомные веса всех легких элементов представлялись целыми цифрами. Правило целого числа начинало заметно нарушаться с номера 30.

Было лишь одно маленькое исключение: если принять атомную массу кислорода равной точно 16, то для водорода получалась не единица, а 1,008!

Нужно было обладать незаурядной интуицией, чтобы ставить это различие с предсказанием теории относительности о связи между массой и энергией.

Астон, возродив гипотезу Праута, предположил, что при образовании атомных ядер часть массы протонов переходит в энергию их связи внутри ядра. Он назвал это эффектом упаковки. Теперь это называется дефектом массы.

Получая одновременно с Бором Нобелевскую премию в 1922 году, Астон сказал: «Мы можем быть уверены, совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть, Космологическое значение этого вывода огромно, и открываемые им возможности для будущего очень важны, важнее, чем любое другое научное открытие, сделанное до сих пор человечеством».

Астон, рассуждая дальше, оценил величину выделяющейся при этом энергии.

Предвосхищая будущее почти на четверть века, он подсчитал, что водород, содержащийся в 9 граммах воды, превращаясь в гелий, высвободит энергию, эквивалентную 200000 киловатт-часов.

«Перед нами источник энергии, достаточный для объяснения происхождения тепла, излучаемого Солнцем», – писал Астон. И далее: «Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию».

Физики только сейчас приобрели уверенность в том что «такие возможности» удастся реализовать с пользой для человечества. Для этого необходимо разработать метод и создать аппаратуру, обеспечивающую возможность управления термоядерной реакцией, превращающей водород в гелий. К счастью, не оправдались опасения Астона, сказавшего тогда же: «Но нужно, однако, все время помнить о том, что освобожденная энергия может оказаться совершенно неконтролируемой и благодаря своей огромной силе произвести взрыв всего окружающего вещества».

Последующие расчеты показали, а опыт подтвердил, что взрывы водородных бомб не превратили Землю в новую звезду. Но теперь их запас стал столь большим, что ядерная война неизбежно повлечет за собой гибель человечества вследствие радиоактивности, порождаемой ядерными взрывами.

Нельзя не преклониться перед интуицией, перед истинным провидением человека, предвосхитившего на столь большой срок проблему овладения энергией термоядерного синтеза. Известно, что великий Резерфорд, открывший атомное ядро, вплоть до конца тридцатых годов отвергал возможность практического применения ядерной энергии.

Сейчас известно более 275 стабильных изотопов, принадлежащих 83 природным элементам и более 2000 радиоактивных изотопов. Среди них изотопы хлор-35 и хлор-37.

После работ Астона физики в течение многих лет считали, что атомные ядра состоят из протонов и электронов. Предполагалось, что количество протонов в ядре атома данного элемента равно его атомному весу, а количество электронов в нем таково, что их отрицательный заряд компенсирует часть суммарного заряда протонов. Точнее говоря, предполагали, что в ядре ровно такое количество электронов, которое требуется для того, чтобы нескомпенсированный положительный заряд ядра оказался равным атомному номеру – номеру той клетки таблицы Менделеева, в которой расположен соответствующий элемент.

Протонно-электронную модель ядра пришлось отвергнуть из-за того, что она ошибочно предсказывала особые свойства ядер, вытекающие из их статистических характеристик.

После того как в 1932 году английский физик Дж. Чедвиг открыл новую элементарную частицу (он дал ей название «нейтрон»), не имеющую электрического заряда и обладающую массой, лишь незначительно превышающей массу протона, удалось построить новую модель ядра, удовлетворяющую требованиям статистики. Это сделали советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм. Они показали, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Количество протонов равно атомному номеру (номеру клетки той таблицы Менделеева, в которой расположен соответствующий элемент), а количество нейтронов таково, что сумма числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в ядре, равна атомному весу соответствующего элемента. Таким образом, положительный заряд ядра равен количеству содержащихся в нем протонов и этот заряд (равный атомному номеру) определяет химические свойства атомов. Так был сделан еще один шаг к пониманию сущности периодического закона Менделеева.