Текст книги "Виток спирали"

Автор книги: Валентин Рич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 12 страниц)

Глава четвертая,
в которой Резерфорд находит атомное ядро, а Бор – электронную оболочку

Первый залп

Прибор, в котором Эрнст Резерфорд стал обстреливать атомами гелия (альфа-частицами) атомы других веществ, был похож на Круксов спинтарископ, только побольше. В одном конце многометровой стеклянной трубы вместо иглы находилась ампула с радиевой солью, а другой конец упирался в экран из сернистого цинка.

По трубе, как по пушечному стволу, несся в сторону цели пучок альфа-частиц. А целью была тонкая металлическая пластинка – фольга, поставленная перед экраном.

Листочек фольги, конечно, не в состоянии был задержать стремительные снаряды альфа-частиц, и позади него на экране вспыхивали, как и в Круксовом спинтарископе, искры.

Уже во время первых опытов Резерфорд заметил, что вспышки несколько смещаются от направления полета частиц. Отчего? Что могло заставить их отклоняться от первоначального пути?

Конечно, только атомы металла, из которых состояла фольга!

Вот и было бы интересно посмотреть, как это зависит от атомного веса металлов. Не совпадут ли величины отклонения с изменениями атомного веса?

В 1909 году Резерфорд поручил одному из своих лаборантов – Эрнсту Марсдену – проверить это на листках разных металлов.

Марсден начал с золотой фольги. Он поместил золотую мишень перед экраном и скоро увидел, что выполнить задание Резерфорда будет не так-то просто. Вспышки от вылетающих из круглого стеклянного дула альфа-частиц не образовывали на экране четкого круга. Некоторые искорки вспыхивали далеко в стороне.

Марсден не раз налаживал и настраивал свой прибор, но вспышки никак не желали оставаться в очерченном трубой кругу.

Он доложил о странном поведении альфа-частиц Резерфорду. Тот пришел, понаблюдал за вспышками и дал Марсдену не менее странное указание.

– Посмотрите-ка, не отражаются ли альфы-частицы от фольги.

И ушел.

Эрнст Марсден был всего-навсего двадцатилетним лаборантом. Но он понял: если хоть одна альфа-частица отразится от фольги, то тем самым выявится нечто совершенно невероятное. Потому что как это может тонюсенькая фольга отбросить снаряды, летящие со скоростью двадцать пять тысяч километров в секунду?

Прошло несколько дней.

Марсден переделал прибор, установил дополнительные экраны и стал терпеливо ждать.

И вот первая вспышка – не за фольгой, а перед фольгой!.

Вот еще одна. И еще.

И снова пауза. И снова вспышка.

Марсден считал весь вечер и всю ночь.

На каждые восемь тысяч вспышек за мишенью появлялась одна вспышка перед ней. Один из восьми тысяч снарядов фольга отказывалась пропускать и отправляла обратно.

На следующий день Марсден заменил золотой листок медным, потом медный – алюминиевым.

Он хотел выяснять, уменьшается ли число отраженных снарядов, если мишень – из более легких атомов.

И выяснил – да, уменьшается, и довольно сильно.

Через несколько дней он сказал Резерфорду:

– Вы были правы, профессор…

Событие произошло, его надо было объяснить.

Когда рикошетирует снаряд? В двух случаях. Либо – когда отскакивает от чего-то более прочного и массивного, чем он сам. Либо – когда встречается с мишенью под очень большим углом, тут он может отскочить от чего угодно.

Но здесь не было снаряда, была альфа-частица. И летела она перпендикулярно мишени. И не было брони, а была тоненькая фольга. И не было в этой фольге ничего, кроме атомов.

Какими же они были, эти атомы, если семь тысяч девятьсот девяносто девять снарядов пронзали их насквозь, а восьмитысячный отскакивал обратно?

К тому времени существовали две модели атома. Модель Томсона – кекс с изюмом, положительно заряженный шар, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны. И планетарная модель – отрицательные электроны-планеты вращаются вокруг положительного Солнца.

Томсоновский атом не выдержал первого же залпа и рассыпался навсегда. В нем не было ничего, что могло бы заставить снаряд отлететь обратно. Плавающие внутри шара электроны? С таким же успехом горошина могла бы отбить пушечное ядро: альфа-частица в восемь тысяч раз тяжелей электрона, и к тому же несется с сумасшедшей скоростью.

Оставался лишь один возможный вариант строения атома. Резерфорд пришея к нему после почти двухлетних размышлений. Положительно заряженное тяжелое ядро. И на огромных расстояниях от него, подобно планетам вокруг Солнца, – электроны. Почти пустой атом. Потому что ядро, в котором сосредоточена масса атома, занимает ничтожное место – только так можно объяснить тот факт, что семь тысяч девятьсот девяносто девять альфа-частиц проскакивали мимо. Такой была единственно возможная модель, только такой атом мог вести себя под обстрелом так, как вели себя атомы фольги в опытах Резерфорда и Марсдена.

И Резерфорд был убежден, что атом устроен именно так. Но убедить в этом других он не мог. И вот почему.

Еще в 70-х годах XIX века английский физик Джемс Максвелл доказал, что любое заряженное тело, двигающееся в электрическом поле, при изменении скорости или направления теряет энергию, излучая ее в пространство. Электроны же, вращающиеся вокруг ядра, были бы именно такими телами. И они должны были непрерывно излучать энергию. И весь запас их энергии постепенно бы иссяк. И они обязательно упали бы на ядро. Так же обязательно, как обязательно падает в конце концов на землю выпущенная из ружья пуля.

Электрон упал бы на ядро, и атом перестал бы существовать.

Но известным в то время законам природы планетарный атом Резерфорда не имел права на существование. И в то же время опыт свидетельствовал непреложно: атом ведет себя так, как будто он и есть такой несуществующий атом.

Получалось одно из двух: либо природа играла не по правилам, либо правила были не по природе.

ТРЕТЬЯ ВОЗМОЖНОСТЬ

Она почти всегда существует – еще не известная, третья возможность: в запасе у Природы есть кое-какие правила, которым и подчиняется вновь обнаруженная игра. В случае с атомом это означало, что законы для макромира – для тел величиной с атом и больших, чем атом, недействительны для микромира – для тел меньшей величины.

…Закон для тел меньше атома был обнаружен берлинским физиком Максом Планком в 1900 году, еще до того, как заговорили об атомном ядре. И тогда никто не понимал, что с этим законом делать, к чему его приложить?

Макс Планк изучал спектры нагретых веществ. Давно было известно, что цвет нагреваемого тела меняется: сперва он красный, потом желтеет, голубеет… В зависимости от того, сколько энергии получало нагреваемое тело, менялось и его излучение.

Планк старался понять, как же именно распределяется энергия по разным излучениям. И когда он собрал множество фактов, связанных с этим процессом, то оказалось, что многим бесспорным данным невозможно найти объяснения, оставаясь на позициях, типичных для макромира.

Превращения в мире веществ нельзя было понять, пока не установили главное: вещества состоят из минимальных порций – атомов. Превращения в мире излучений тоже невозможно было понять, пока Планк не пришел к гениальной мысли: надо отказаться от представления, будто энергия течет сплошным потоком, а представить себе, что энергия, как и вещество, делится на порции, и что излучение состоит из минимальных порций – Макс Планк назвал их квантами.

Почему теплота, свет, рентгеновы лучи должны обладать зернистым, как говорили в старину – корпускулярным, строением, никто не понимал. Кому и зачем могли понадобиться эти минимальные порции энергии, было неизвестно. Известно было одно: профессор Планк, изучая спектры, не смог свести концы с концами, пока не предположил, что есть такая штука – наименьшая порция излучения – квант.

Альберт Эйнштейн первый объяснил с помощью кванта одно из ранее непонятных явлений. В то время, когда Планк ломал голову над спектрами, Эйнштейн еще учился в институте. А потом стал преподавателем. В школе Эйнштейн проработал всего два года: у него было множество собственных мыслей о природе вещей, и ему хотелось найти такую работу, чтоб голова оставалась более или менее свободной для размышлении. А кому не известно, каково приходится учителям…

В 1902 году скромному двадцатитрехлетнему учителю Эйнштейну из маленького городка Шафгаузен повезло: он получил место в столице Швейцария Берне, в патентном бюро. Там, отработав положенные часы, можно было спокойно раздумывать над устройством мира.

…Когда Альберт Эйнштейн прочел статью Макса Планка о квантах, то, поразмыслив, он нашел этим квантам дело.

Давно было известно, что, облучив металлическую пластинку ультрафиолетовыми лучами, можно возбудить в ней электрический ток. И что лучи меньшей энергии, скажем, фиолетовые, сделать этого не могут. Это был твердо установленный, но совершенно непонятный факт! Казалось бы, не все ли равно – пять минут облучать ультрафиолетовыми лучами или пять часов фиолетовыми? Ведь можем же мы испарить ведро воды и на спиртовке, и на керосинке, и на газовой плите – вся разница только во времени. Но то, что получалось с испарением молекул воды, никак не получалось с электронами. Что-то мешало!

Эйнштейн понял что: кванты. Один электрон выбивается из металла одним квантом… Ультрафиолетовый квант энергичней, чем фиолетовый, вот он и выбивает электрон. А у фиолетового кванта энергии для этого не хватает.

Так в 1905 году появилась физическая теория, объясняющая, что обыкновенный свет состоит из квантов – порций энергии разной величины. Величина энергии зависит от длины волны. Чем короче волна, тем энергичней квант.

Теперь хорошо было бы узнать, откуда эти кванты берутся.

БИЛЬЯРД БОРА

Нильс Бор родился в Копенгагене, в семье профессора филологии, и учился физике. Когда он узнал об атомном ядре, открытом Резерфордом, ему было 26 лет. Он приехал в Англию и вскоре поступил стажером в лабораторию Резерфорда, Этому молодому датскому физику предстояло спасти планетарный атом Резерфорда.

Рассуждение Нильса Бора сводилось, в общем, к отказу считать всеобъемлющим правило Максвелла, отрицающее существование атома с ядром, поскольку опыт свидетельствовал, что такой атом есть. И поскольку, кроме всем известного и понятного правила Максвелла, насчет излучений, уже существовало малоизвестное и не очень понятное правило Планка о квантах. И это непонятное правило неплохо подходило к непонятному атому с ядром…

Если бы электрон непрерывно излучал, он упал бы на ядро. Но он не падает, значит, он не излучает непрерывно. Уже потому не излучает непрерывно, что непрерывное излучение невозможно – оно делится на порции, кванты.

Но каким образом эти кванты излучаются электроном?

Основные, первоначальные, принципы теории строения простейшего атома водорода Бор изложил в статье, опубликованной в 1913 году.

Чтобы более или менее наглядно представить себе обоснованное в этой статье поведение электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, попробуем обратиться к аналогии.

Разумеется, нельзя забывать, что наглядное представление о процессах внутри атома вообще не может не быть грубо упрощенным. Аналогия же никогда не соответствует истинной картине – в лучшем случае, она лишь помогает понять ее…

Есть такая игра – один из видов бильярда: наклонная доска с круглыми гнездами, по которой катятся металлические шарики. Чем ниже скатывается шарик, тем трудней ему застрять в каком-нибудь гнезде. Ведь, снижаясь, он катится все быстрей, потому что все большая часть потенциальной энергии превращается в кинетическую, в энергию движения.

Так вот. В определенном смысле атомное ядро ведет себя, как наклонная доска, электроны – как шарики, а гнезда играют роль таких уровней, на которых электрону "разрешено" находиться, не излучая. Попав в гнездо, шарик уже не расходует на движение потенциальную энергию, а лежит себе и лежит. Попав на один из разрешенных уровней, электрон уже не расходует на излучение запасенную на прежнем уровне энергию, а спокойно движется вокруг ядра.

А излучает электрон только при перескоке с одного разрешенного уровня на другой, более близкий к ядру. При этом излучается ровно квант энергии. Электрон не может излучить, скажем, полкванта – ведь он не может прекратить свое "падение" к ядру на полдороге, до следующего разрешенного уровня.

Если же нагревать атом или облучать его, то есть подавать в него энергию извне, то электроны, поглотив эту энергию, перескочат с более близких к ядру уровней на более далекие. Потом такой атом сможет отдавать энергию обратно: электроны соскакивают пониже, и кванты излучаются в пространство. Если это кванты видимого света, вещество начинает фосфоресцировать, светиться.

Как, например, устроен атом водорода? У него есть ядро, несущее один положительный электрический заряд. А вокруг него, как Луна, вращается электрон. Но, в отличие от Луны, он может находиться не на одной-единственной орбите, а на любой из нескольких разрешенных для него орбит. И перескакивая со ступеньки на ступеньку, сверху вниз, с одной разрешенной орбиты на другую, он должен при этом отдавать разные порции энергии, разные кванты.

Вот откуда серия полосок в спектре водорода, обнаруженная некогда Бальмером. У разных порций – разная энергия, значит, это разные фотоны – кванты света: один, например, желтый, другой красный, третий фиолетовый, а четвертый еще энергичней – он попадает в спектре в зону ультрафиолета.

…Люди обычно предпочитают, чтобы непонятные вещи объясняли им с помощью понятных. Поэтому способ, которым никому не ведомый молодой датчанин решил спасти непонятную конструкцию атома Резерфорда, не сразу пришелся по душе даже физикам. Лорду Релею, например.

Но все же не один Резерфорд оценил гениальную идею Бора…

Глава пятая,
в которой Мозли не только спасает естественную систему элементов, но и объясняет ее

ВСЁ СТАНОВИТСЯ НА СВОИ МЕСТА

Когда лавины новых поразительных открытий проносятся в мире науки, то сперва кажется, что ничто не осталось на месте, все рухнуло. Но вот оседает пыль: и разрушенными оказываются только предрассудки и заблуждения, а очищенный от них мир истин становится еще более незыблемым.

Так получилось и на этот раз.

Раньше других этот новый прекрасный мир увидел сверстник Бора и ученик Резерфорда Генри Гвин Мозли.

О нем не очень много известно. Вероятно, потому, что на занятия наукой судьба отпустила ему считанные годы. Летом 1910 года он окончил Оксфордский университет и явился к Резерфорду. А летом 1915 года погиб от пули на войне – в окопе, на берегу Дарданелл.

Ньютон прожил 85 лет, Бойль – 64, Ломоносов – 54. Лавуазье – 51 год, а Мозли погиб примерно в том же возрасте, что и Лермонтов…

Подобно Беккерелю, Мозли был сыном профессора и внуком профессора. Подобно Кавендишу, он был фанатически предан науке. Его друзья рассказывали: у Мозли было два рабочих правила. Первое – если начал налаживать прибор для опыта, то нельзя останавливаться, пока он не будет налажен; второе – когда прибор налажен, нельзя останавливаться, пока опыт не будет окончен. Мозли предпочитал работать в полном уединении. Известна такая история. Резерфорд курил трубку, и Мозли курил трубку. Трубка то и дело гаснет, и курильщики тратят уйму спичек. У Мозли спички были всегда, и Резерфорд нередко заходил к нему, чтобы зажечь свою потухшую трубку. Но так продолжалось недолго. Однажды, зайдя в лабораторию, где трудился его молодой сотрудник" профессор увидел гору спичечных коробков и надпись: "Пожалуйста, возьмите одну из этих коробок и оставьте в покое мои спички!"

Итак, судьба отпустила Генри Гвину Мозли совсем немного времени. Как же он распорядился им?

Первый год изучал бега-лучи и гамма-лучи. Второй год – лучи Рентгена. По-видимому, он выбирал, какой вид излучений может дать больше информации об устройство атома. Замок шкатулки не открыть ключом от городских ворот…

Самые длинные электромагнитные волны – их длина от сантиметров до километров – работают в радиоприемниках. Волны покороче – длиной в миллиметр или в его десятые доли – воспринимаются как тепло. Волны в тысячные доли миллиметра можно увидеть – это свет. Еще короче невидимые ультрафиолетовые волны, от которых темнеет наша кожа. Но самые короткие волны у рентгеновых лучей – они и сотни миллионов и миллиарды раз меньше сантиметра.

Когда Мозли определил длину волны у лучей Рентгена, он понял, что получил наконец ключ к атому. Ведь у атомов именно такие размеры – в миллиарды раз меньше сантиметра.

На третий год своей работы у Резерфорда Мозли занялся изучением рентгеновского излучения разных металлов. Ото явленно было обнаружено несколькими годами ранее: если подводить к рентгеновской трубке все более высокое напряжение, то длина волны рентгеновых лучей будет постепенно уменьшаться. Но только до тех пор, пока не вспыхнет более интенсивное излучение, уже неизменное по длине волны. И эта волна уже не зависит от напряжения, она зависит от материала, из которого сделан анод.

Рентгеновское излучение металла можно было, подобно свету, разложить и получить рентгеновский спектр металла.

Уже первые рентгеновские спектры, полученные Мозли, поразили ученого своей простотой. Если на оптических спектрах даже самых легких металлов были сотни полосок, то на каждом рентгеновском спектре была только одна серия из нескольких линий. А начиная с калия, появлялась еще одна серия линий; начиная с рубидия – третья…

Такая простота сулила бесценные возможности для исследователя: одно дело сравнивать между собой сложнейшие многолинейные оптические спектры, другое – односложные рентгеновские.

Надо было поскорей набирать факты. Напылять на анод разные металлы, получать их рентгеновские излучения, фотографировать спектры.

Мозли почти не спал и почты не ел, не выходил из лаборатории по несколько суток.

Через три месяца у него набралась обширная коллекция рентгеновских спектров. И в один прекрасный день или, что при характере Мозли еще вероятнее, в одну прекрасную ночь, он разложил на столе эти фотографии.

Он разложил их в той последовательности, в какой металлы шли в периодической таблице: под спектром титана располагался спектр ванадия, еще ниже лежал спектр хрома, далее – марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка…

И Мозли увидел замечательную картину: на каждой следующей фотографии серии линий смещались влево примерно на одинаковое расстояние. То есть у каждого следующего элемента собственное рентгеновское излучение состояло из лучей с меньшей длиной волны, или, что то же самое, с большей частотой и, следовательно, с большей энергией квантов.

Мозли стал подсчитывать, как возрастает эта частота, и получил удивительный результат – частота излучения возрастала почти в точности пропорционально… порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

Почему?

Чтобы вонять это, надо было сначала найти ответы на некоторые другие вопросы.

Прежде всего Мозли установил, чем отличается свечение поверхности анода в рентгеновской трубке от свечения атомов в спектроскопе.

Катодный луч рентгеновской трубки – это поток электронов, несущихся со скоростью десятков тысяч километров в секунду. Его энергия несравнима с энергией горелки, на которой раскаляют вещества в обычном спектроскопе. Сильнейший удар катодных лучей способен вырывать из атома металла не только наружные электроны, но и тот электрон, который находится ближе всего к атомному ядру, а значит, притягивается к нему с наибольшей силой.

И на место, освобожденное этим электроном, падает электрон, который находится на более далеком от ядра уровне. Во время такого перескока выделяется порция энергии, которая и дает на рентгеновском спектре характерную линию.

Почему же эта линия у каждого элемента своя? Потому что соответствующие порции излучаемой энергии разные. А почему порции разные? Потому что не одинакова сила, с которой атомное ядро притягивает ближайший к нему электрон. Она тем больше, чем больше положительных зарядов в ядре.

Именно положительный заряд ядра и определяет место того или иного элемента в периодической таблице, его порядковый номер в естественной системе элементов.

А раз так, то возрастание частоты линий рентгеновских спектров, которое вызывается увеличением заряда ядра, должно быть пропорционально порядковому номеру элемента.

Итак, атомный вес был заменен другим признаком – зарядом ядра. И сразу же стало ясно, что Менделеев расположил элементы в своей таблице правильно даже в тех случаях, когда последовательность атомных весов нарушалась.

Спектры свидетельствовали: у кобальта 27 положительных зарядов, а у никеля – 28. Объяснились и два других мнимых нарушения закона – теллуром и аргоном. У обоих оказалось в ядре на один положительный заряд меньше, чем у следующих за ними в таблице йода и калия.

Теперь можно было разобраться и в путанице с несколькими свинцами, радиями, радонами и прочими элементами, получавшимися при радиоактивных превращениях. Атомы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра, надлежало относить к одному и тому же элементу и помещать в одну и ту же клетку периодической таблицы.

Стал понятен и главный закон новой алхимии, названный законом сдвига: если при распаде атома из его ядра вылетает альфа-частица, то заряд ядра уменьшается на две единицы и, значит, номер элемента также уменьшается на две единицы, то есть атом сдвигается в таблице элементов на две клетки влево; а если из ядра атома вылетает бета-частица, электрон, то заряд ядра увеличивается на единицу, порядковый номер – тоже, и элемент сдвигается на одну клетку вправо.

Фредерик Содди и Казимир Фаянс, сотрудники Резерфорда, открывшие закон сдвига, дали атомам с одинаковым зарядом и разной массой название "изотопы" – "занимающие одно и то же место" ("топос" по-гречески —" "место"; отсюда "топография" – "описание местности").

Лавина прошла, унеся с собой непонятные исключения из периодического закона. Теперь он звучал так: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов их ядер. Вопрос о том, почему естественная система элементов начинается с водорода, решился сам собой – заряд ядра атома водорода + 1.

И вопрос о числе электронов в каждом атоме был теперь ясен: раз атом нейтрален, то есть его положительные заряды полностью уравновешиваются его отрицательными зарядами, значит, число электронов в нем равно числу положительных зарядов. То есть у водорода должен быть один электрон, у гелия – два, у лития – три и так далее.

Решился вопрос и о числе элементов от водорода до урана (ведь каждый новый заряд ядра давал новый элемент), и о пропущенных, еще не открытых элементах – теперь они были очевидными разрывами в непрерывной очереди зарядов, непрерывной очереди порядковых номеров.

Правда, оставалось неизвестным, почему система элементов заканчивалась ураном, и заканчивалась ли она им на самом деле, или могли быть и другие – еще не открытые элементы.

Кроме того, за полвека, прошедшие с момента открытия периодического закона, появились новые вопросы, и самый волнующий из них был о том, что же такое атомное ядро?

И не только потому, что неделимое оказалось делимым, а вечное – не вечным. Куда важней было то, что в ядре атома таились какие-то огромные силы – те самые, что разгоняли ядра гелия до скорости 25 000 километров в секунду.

Может быть, для человечества было бы лучше не задумываться над этим, не искать у природы ответа. Но стремление человека к разгадыванию тайн природы неодолимо. И сколько бы раз ни обжигались люди, они вновь и вновь летят на свет истины.

И они заглянули в ядро и увидели, что там есть.