Текст книги "Виток спирали"

Автор книги: Валентин Рич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 12 страниц)

Глава шестая,
в которой появляются протон и нейтрон

ВОДОРОДНЫЕ ЛУЧИ

Для того, чтобы узнать, что находится в орехе, нужно разбить орех. Для того, чтобы узнать, что находится в ядре, нужно разбить ядро. Или, обстреливая альфа-частицами какие-либо атомы, посмотреть, что происходит не со снарядами, а с мишенью.

Если обстрелять, например, атомы водорода, вчетверо более легкие, чем сами альфа-частицы, то при столкновении альфа-частица должна была бы так толкнуть водородный атом, что он должен был пролететь вчетверо дальше, чем она сама.

Резерфорд предложил Марсдену провести такой эксперимент.

И действительно, альфа-частицы отшвыривали водородные атомы, как бита отшвыривает городок.

Но этим опытом Марсден не ограничился. Ему захотелось посмотреть, как будут вести себя другие атомы, тоже легкие, но тяжелей водорода.

Проще всего было обстрелять альфа-частицами просто воздух, состоящий из атомов азота и кислорода. Они примерно в полтора десятка раз тяжелей атомов водорода, значит, и отлетать от удара альфа-частиц должны были не очень далеко.

Марсден был прекрасным экспериментатором. Но тут произошла осечка. Как ни очищал он воздух в приборе от водяных паров, все равно обнаруживались ядра, летящие вчетверо дальше, чем альфа-частицы.

И Марсден выдвинул смелое предположение – эти водородные ядра несутся оттуда же, откуда несутся альфа-лучи – из ядер радия.

Продолжению опытов с "водородными лучами" помешала первая мировая война. Почти всех сотрудников Резерфорда – в том числе и Марсдена – забрали в армию. Но когда война стала подходить к концу, Резерфорд начал планомерную охоту за таинственным водородом. И в одном из опытов заменил воздух чистым азотом. Теперь в приборе было ровно на четверть больше атомов азота, чем в воздухе.

Резерфорд принялся считать вспышки на экране. И когда истекло положенное время, оказалось, что и вспышек стало больше ровно на четверть – двадцать пять лишних на каждую сотню.

Это значило, что водород вылетал из азота!

Это значило, что ядра атомов водорода входят в состав ядер атомов других элементов.

И еще: не значило ли это, что Уильям Праут 100 лет назад верно угадал, из чего состоят атомы?

Но за эти 100 лет люди узнали о природе вещей больше, чем за два тысячелетия, прошедшие со времен Демокрита и Аристотеля. И потому Эрнст Резерфорд, раздумывая о том, что он увидел, в конце концов пришел к выводам, которые Прауту показались бы абсурдом. Касались они устройства атомного ядра.

…Как же устроено атомное ядро, если из него могут вылетать ядра водорода? Ну, хотя бы самое простое после водородного – ядро гелия?

Оно в четыре раза тяжелей – следовательно, в нем четыре водородных ядра. Но зарядов у него не четыре, а всего два. Не значит ли это, что четыре водородных ядра удерживаются вместе двумя электронами, находящимися внутри ядра гелия? В таком случае на два водородных ядра приходился бы один электрон. Но если электрон может удерживать в одном ядре два водородных ядра, то тем легче ему удерживать в ядре одно водородное ядро… И тогда получится удивительное ядро, состоящее из ядра водорода и электрона – ядро, не имеющее заряда. Получится как бы нулевой атом – атом с пулевым зарядом ядра и, следовательно, без электронной оболочки. Он не сможет химически взаимодействовать с другими атомами. Но зато ни одно ядро не оттолкнет его. Идеальный снаряд для обстрела ядер!

Так Резерфорд предсказал нейтрон – правда, еще не названный этим словом.

А самому водородному ядру, составной части всех прочих атомных ядер, Эрнст Резерфорд и английский физик Оливер Лодж дали имя "протон", от греческого "протеос" – "первичный, первоначальный".

БЕРИЛЛИЕВЫЕ ЛУЧИ

Бериллий, тот самый элемент, что поначалу причинил столько беспокойств Менделееву, в дальнейшем ничем особенно не выделялся. При добавлении его к меди получали твердый упругий сплав – бериллиевую бронзу; вот, пожалуй, и все.

И вдруг немецкие физики Вальтер Воте и Ганс Беккер обнаружили бериллиевые лучи? Они обстреливали листок бериллия альфа-частицами, и на экране никаких вспышек не появилось, но золотые листочке электроскопа, стоявшего за экраном, опали. Значит, что-то спокойно проходило через экран. Боте и Беккер попробовали отклонить это "что-то" магнитом. Не вышло.

Бериллиевыми лучами заинтересовались французские физики Фредерик Жолио и его жена Ирен Кюри, дочь Марии и Пьера Кюри. Они проверили сообщение немцев и убедились – так оно и есть: под ударами альфа-частиц бериллий дает мощное излучение без признаков электрического заряда. Они решили подставить под бериллиевые лучи водородную мишень. И сразу же обнаружили за ней поток ядер водорода.

Ирен Кюри и Фредерик Жолио не читали журнала, в котором было напечатано предсказание Резерфорда. И сами не догадались, в чем тут дело.

Но Джеймс Чедвик, который помогал Резерфорду расщеплять ядра азота и не раз обсуждал с ним возможные последствия их алхимического эксперимента, понял, что Боте и Беккер наткнулись на нейтрон. А 27 февраля 1932 года он подтвердил это опытом.

В этот день стала известна вторая составная часть атомного ядра. Протон и нейтрон – вот блоки, из которых природа соорудила атомные ядра; электрон в этом случае был не нужен.

Ядро водорода? Один протон: масса 1, заряд 1.

Ядро гелия? Два протона плюс два нейтрона: масса 4, заряд 2.

Ядро урана? Девяносто два протона плюс сто сорок шесть нейтронов: масса 238, заряд 92.

Теперь, правда, затуманивалось дело с бета-лучами. Как могут вылетать из ядер электроны, если их там нет, а есть лишь протоны и нейтроны?

Впрочем, появление бета-лучей можно было объяснить, предположив, что сами по себе нейтроны способны в определенных условиях превращаться в протон, остающийся в ядре, и электрон, покидающий ядро.

А вот как объяснить, что за сила удерживает в ядре положительно заряженные протоны? Пока считалось, что в ядре находятся протоны и электроны, можно было думать, что отрицательные электроны склеивают положительные протоны электрическими силами. Но если электронного клея в ядрах не существует, то что же тогда противодействует отталкиванию одинаково заряженных протонов, что превращает их в монолит чудовищной прочности?

Это очень трудный вопрос, но мы забрались уже туда, где простых ответов не знает никто.

В самом деле, что происходит, когда притягиваются два разноименных заряда? Что их тянет друг к другу? Или – когда одноименные отталкиваются. Что их оттаскивает?

В учебниках пишут, что притягивание и отталкивание – суть действия электромагнитного поля. Но что такое это поле? Не последний ли потомок последней тонкой материи – эфира?

…Когда в 1923 году шведский король вручал Нобелевскую премию физику Роберту Милликену за многочисленные успехи в изучении природы электричества, Милликен сказал: "Я прошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и часто предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но вместе с тем прост и определенен. Экспериментатор констатирует прежде всего, что о последней сущности электричества он не знает ничего".

А другой известный ученый Герман Вейль утверждал, что "…различие между обоими видами электричества (положительным и отрицательным) представляет собой еще более глубокую загадку природы, нежели различие между прошлым и будущим…"

Глава седьмая,
в которой Севре делает первый искусственный элемент, Ферми разбивает ядро урана пополам, а Петржак и Флеров доходят до границы Менделеевской системы

ЗАПРЕЩЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Последним из предсказанных Менделеевым элементов, который удалось открыть обычным химическим путем, был элемент номер 75, или, по терминологии Менделеева, двимарганец.

Открыть его было чрезвычайно трудно.

Во-первых, выше двимарганца стоял в таблице еще один неоткрытый элемент – номер 43, И потому о свойствах двимарганца нельзя было судить так, как о свойствах экасилиция (германия) но свойствам кремния и олова или о свойствах экаалюминия (галлия) по свойствам алюминия и индия.

Во-вторых, находясь в восьмой группе элементов и считаясь аналогом марганца, двимарганец на самом деле, как потом обнаружилось, походил на него мало. И потому, сколько ни искали его в марганцевых минералах, так и не нашли.

Эту особенность элемента номер 75 удалось разгадать немецким химикам – супругам Иде и Вальтеру Поддан.

Но, пожалуй, слово "разгадать" неверно. Ида Ноддак рассказывала, что они с мужем целый год по десять – двенадцать часов в день читали отчеты о всех исследованиях всех соединений тяжелых элементов пятой, шестой, седьмой и восьмой групп таблицы Менделеева.

Они выяснили, как изменяются их свойства сверху вниз и слева направо. И поняли, что двимарганец должен во многом походить на осмий, рутений, молибден и другие тяжелые металлы. И что надо искать его не в марганцевых минералах, а в платиновых или в ниобиевом минерале колумбите.

Предположение подтвердилось. В 1922 году они обнаружили в русской платиновой руде новый окисел, а в 1926 году выделили из норвежского колумбита первые миллиграммы нового металла – рения.

Между прочим, деньги на эти исследования Ноддакам дали владельцы электроламповых заводов, которые надеялись, что металл, расположенный между вольфрамом и осмием, сможет заменить вольфрам в лампочках и будет служить дольше. К двадцатым годам XX века менделеевскую таблицу знали уже все.

После того как клетка номер 75 была заполнена, внутри таблицы остались только четыре пустые клетки.

Клетка номер 43 – над рением. Там было место предсказанного еще Менделеевым экамарганца.

Клетка номер 85 – под йодом. Ее должен был занимать предсказанный Менделеевым экайод, самый тяжелый галоген.

Клетка номер 87 – под цезием. Менделеев называл этот элемент экацезием. Это должен был быть самый тяжелый щелочной металл.

Наконец, клетка номер 61 принадлежала еще не открытому родственнику редкого элемента лантана.

У всех этих, не обнаруженных пока еще, элементов была одна общая особенность – та же, что у открытых последними европия 83), актиния (№ 89), протактивия (№ 91) и рения (№ 75), – элементы с нечетным номером, то есть с нечетным числом протонов в ядре, дольше скрывались от исследователей. Почему именно – никто не знал (это и сейчас еще не известно). Но так или иначе, а то, что все неоткрытые элементы были нечетными, легкого успеха охотникам за элементами не предвещало.

Возможные трудности усугубила еще одна непонятная закономерность, впервые замеченная еще в 1923 году русским химиком С. А. Щукаревым и окончательно сформулированная в 1934 году немецким физиком Маттаухом.

Они изучали атомы с одинаковой массой, но принадлежащие разным элементам. После Мозли, объяснившего, что дело не в атомном весе, а в заряде ядра, такие атомы никого не удивляли. Что из того, что у атомов ниобия, циркония и молибдена может быть одинаковый атомный вес – скажем, 93? Ведь заряд у них разный, значит, и число электронов разное – у ниобия 41, у циркония 40, у молибдена 42. И ведут себя эти атомы одного веса совсем по-разному.

Но вот что обнаружили Щукарев и Маттаух. Среди таких одинаковых по атомной массе атомов разных элементов не может быть двух стабильных, нераспадающихся соседей. Например, если цирконий-93 стабилен, то ниобий-93 радиоактивен. А вот "следующий за ниобием молибден-93 опять может быть стабильным.

И когда приложили это правило к недостающим элементам № 43 и № 61, то выяснили досадную вещь: у обоих были стабильные соседи такого же атомного веса, как они. Значит, нераспадающихся атомов этих неоткрытых элементов существовать не могло. Атомы двух других искомых элементов – № 85 и № 87 – не могли не распадаться потому, что все элементы тяжелее 82-го распадались. Так что всех четырех неоткрытых элементов могло просто не остаться на свете!

Труднее всего было поверить, что не удастся обнаружить легкий элемент под № 43. Но что поделаешь! В таблице Менделеева он находился между молибденом (атомный вес 96) и рутением (атомный вес 101). Значит, атомный вес неоткрытого экамарганца мог быть только 97. 98, 99 или 100. Но у молибдена были найдены стабильные изотопы с атомным весом 96. 97. 98 и 100. А у рутения – 99, 101 и 102. Поэтому места для нераспадающегося экамарганца просто не оставалось. Странно, но факт!

Тем не менее молодой итальянец Эмилио Сегре, знавший все это, начал в 1936 году охоту именно за экамарганцем.

ИСКУССТВЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Сегре прекрасно понимал, что на природные минералы ему рассчитывать нечего. Раз до сих пор экамарганец никому не попался, раз все сообщения об открытии новых элементов в марганцевых минералах неизменно оказывались ошибочными, значит, если он когда-нибудь там и был, то весь уже распался.

Точно так же нечего было рассчитывать, что экамарганец мог образоваться при естественном распаде урана, тория, актиния и других радиоактивных элементов. Там дело всегда кончалось свинцом – элементом № 82. А среди промежуточных неустойчивых ядер – таллием, элементом № 81. От номера 81 до номера 43 было слишком далеко.

Нет, на природу Сегре не рассчитывал. Он рассчитывал на циклотрон.

…Во времена, которые уже в эпоху Демокрита и Аристотеля, вероятно, считались древними, существовало такое оружие – праща. Веревку складывали вдвое, в петлю закладывали камень, раскручивали веревку с камнем и, раскрутив, отпускали один конец – камень с силой летел вперед…

Американский физик Эрнест Лоуренс придумал, как закрутить заряженную частицу магнитами, чтоб она, летя по кругу, набирала скорость. И как потом бросить ее в мишень. Там, где ускоренные в циклотроне частицы вылетали по касательной наружу, Лоуренс поставил на их пути массивную металлическую пластину – зуб. Большинство частиц, ударяясь о скошенную грань зуба, отражалось в нужную сторону. Но некоторые частицы проникали внутрь зуба и, конечно, разогревали его. Поэтому зуб приходилось делать из очень тугоплавкого металла. Лоуренс выбрал молибден.

И вот что сообразил Эмилио Сегре: на циклотроне ускоряли ядра дейтериа – тяжелого изотопа водорода; ядра водорода, которые натыкались на зуб и застревали в нем, могли сталкиваться с ядрами молибдена; но если к ядру атома молибдена, элемента № 42, прибавить еще один положительный заряд, то получится ядро элемента № 43.

Молибденовый зуб циклотрона – вот где могло быть единственное на Земле прибежище для экамарганца! Сегре отправился в Америку и получил там кусок облученного на циклотроне молибдена.

30 января 1937 года работа в его лаборатории закипела.

Сперва надо было посмотреть – излучает ли облученный молибден. Оказалось, излучает. Значит, какая-то радиоактивная примесь в нем была.

Но какая именно? Вопрос этот был вовсе не прост, потому что источником излучения мог быть не только таинственный элемент № 43.

В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли новое явление – искусственную радиоактивность. Обстреливая альфа-частицами алюминий, они обнаружили, что часть его превратилась в неустойчивый, радиоактивный изотоп фосфора. Затем удалось получить искусственные радиоактивные изотопы многих других химических элементов. Какой-нибудь радиоактивный изотоп известного элемента вполне мог оказаться и в облученном молибденовом зубе.

Чтобы обнаружить экамарганец, Эмилио Сегре и его помощник Казимир Перье растворили излучающий молибден в царской водке и химическим путем стали удалять из раствора все атомы с зарядом ядра, отличным от 43. Сначала из раствора вывели ниобий. Но излучение осталось. Потом цирконий. Излучение осталось. Потом молибден. Результат тот же. Потом рутений. То же самое. Особенно трудно было с рением. Но и это труднейшее разделение осталось позади, и рений ушел из раствора. А радио-активность осталась!

И только тогда Сегре и Перье объявили: открыт новый радиоактивный элемент, образовавшийся из молибдена в циклотроне.

Этот искусственный элемент назвали технецием – от греческого слова "технитос" – "искусственный".

Позже тем же способом были изготовлены элемент № 85, названный астатом, и элемент № 61, который назвали прометием. А элемент № 87 – франций, удалось найти среди остатков распада актиния.

Обстрел атомных ядер ядрами водорода и альфа-частицами привел к созданию первых искусственных элементов. Но к еще более поразительным результатам привели опыты, в которых ядра стали обстреливать нейтронами.

ОБСТРЕЛ НЕЙТРОНАМИ

О поразительных свойствах нейтрона Эрнст Резерфорд предупреждал еще тогда, когда у него только-только мелькнула мысль о том, что нулевой атом может существовать. В июне 1920 года Резерфорд говорил: «Такой атом должен обладать небывалыми свойствами. Он должен отличаться способностью свободно двигаться через вещество. Он должен с легкостью проникать в глубины атомов и там может либо соединяться с атомными ядрами, либо подвергаться распаду».

Но к каким событиям могли привести эти небывалые свойства нейтрона – об этом даже Резерфорд догадаться не мог.

Довольно долго не мог догадаться об этом и тот, кто первым вызвал эти события, – итальянец Энрико Ферми, один из самых замечательных физиков XX века.

Энрико Ферми учился в Пизанском университете, а потом – в университетах Германии и Голландии, как раз в те годы, когда наука вступала в эпоху новой алхимии и перед молодыми исследователями открывались неслыханные возможности.

Именно тогда, в начале двадцатых годов, из стен университетов вышли многие прославленные физики и химики мира. Людям старших поколений не так-то легко было воспринять "алхимические" веяния нового времени, и молодежь быстро завоевывала себе место под солнцем. Прошли те времена, когда Томсон смог потрясти всю ученую Англию, став профессором в двадцать восемь лет. Энрико Ферми не было и двадцати пяти, когда он оказался профессором Римского университета.

Ферми принялся обстреливать нейтронами мишени из самых разных элементов, и у него получались самые разные радиоактивные изотопы.

Пока Ферми занимался сравнительно легкими элементами, все было более или менее понятно. Но когда он стал обстреливать уран, появилось множество радиоактивных ядер с неожиданными свойствами – не похожими ни на уран, ни на торий, ни на радий, радон, полоний, ни на прочно радиоактивные элементы, расположенные неподалеку.

И точно такие же непонятные вещи стали получаться у немцев Отто Гана и Фридриха Штрассмана, которые тоже занялись нейтронным обстрелом урана.

Сперва Ферми, а за ним и немецкие исследователи решили, что у них получились атомы новых элементов, которые должны идти в таблице Менделеева после урана, – экарения, экаосмия, экаиридия, экаплатины. Но выделить их химическими способами никак не удавалось. И вдруг – это было уже в 1930 году, на шестой год после начала нейтронного обстрела урана – Ган и Штрассман поняли, в чем дело. И Ферми, и они искали атомные ядра тяжелее урана. А надо было искать легкие, И не чуть-чуть легче, а приблизительно в два раза!

Из урана, элемента № 92, получался не радий – элемент № 88, не свинец – элемент Да 82, а например, бром – элемент № 35, рубидий – элемент № 37, стронций – элемент № 38, молибден – элемент № 42, наш новый знакомый – технеций, элемент № 43.

Нейтрон отбивал от уранового ядра не какую-то малую часть вроде альфа-частицы, а буквально разваливал ядра пополам. И каждый разделившийся надвое атом урана излучал энергии раз в сто больше, чем при альфа-распаде. Со времен Беккереля не обнаруживали атомы таких небывалых свойств!

И еще одна особенность была у нового вида ядерных превращений. Чем тяжелее атом, тем больше нейтронов приходится в его ядре на один протон. Поэтому при распаде ядра урана на два ядра средней массы неминуемо должны были высвободиться "лишние" нейтроны. Подсчеты показали: каждый атом урана, поглотив один нейтрон и развалившись, высвобождает два новых нейтрона.

Тогда не так уж много людей понимало, что означает это роковое число: два. Между тем вот как должны были вести себя эти два нейтрона в достаточно большой массе урана: каждый нейтрон, разрушая новое ядро, освобождал бы два новых нейтрона, каждый из новых двух – еще два, и цепная реакция должна была мгновенно охватить весь уран, освобождая из него чудовищное количество ядерной энергии.

Это поняли Эйнштейн и Ферми, бежавшие от фашистов в Америку, Жолио-Кюри во Франции, Ган и Штрассман в Германии, это поняли и советские физики.

Дальнейшее известно, но ядерное оружие – не тема этой книги…

ПОСЛЕДНИЙ В ТАБЛИЦЕ

Почти одновременно с Энрико Ферми нейтронной бомбардировкой атомных ядер начал заниматься в Ленинграде молодой физик – на год моложе Ферми – Игорь Васильевич Курчатов.

И как только стало известно, что при нейтронном облучении атомы урана делятся и что при этом освобождается гораздо больше энергии, чем при обычном распаде, Курчатов занялся ураном. Двум своим помощникам, Константину Петржаку и Георгию Флерову, он поручил проверить, как зависит деление урана от энергии нейтронов – то есть, попросту говоря, от скорости нейтронных снарядов.

Петржак и Флеров взяли ампулку с радоном – источником альфа-лучей. Взяли бериллий – из которого альфа-лучи могли бы выбить нейтронные снаряды. Взяли урановую смолку. Смонтировали такой счетчик, чтобы от альфа-частиц он не щелкал, а щелкал от импульса в сто раз большего. И приступили к опытам.

Но прежде чем начать нейтронный обстрел урана бериллиевыми лучами, они решили удостовериться, что у них не будет никаких помех. Смонтировав свой прибор, убрали ампулку с радоном, убрали бериллий и включили счетчик. И тут же раздался щелчок.

Они немного подождали. Новый щелчок!

Не в порядке счетчик?

Петржак проверил все лампы, все конденсаторы, все сопротивления, неисправностей не было.

Значит, помехи не внутри прибора, а вне его. Может быть, виноваты космические лучи? А может, еще проще – по соседней улице прошел трамвай, дуга заискрила? Но существовала еще одна возможность, и молодым экспериментаторам она была, конечно, стократ милей: ну, а если это – свидетельство самопроизвольного деления отдельных урановых ядер? Еще Нильс Бор на основе теоретических расчетов, сделанных вскоре после открытия Гана и Штрассмана, предупреждал, что в принципе урановые ядра могли бы распадаться пополам и самопроизвольно. Надо было продолжить эксперимент. И попытаться проверить это. То есть доказать, что виновник щелчка – именно уран. Но следовало избавиться от всевозможных посторонних помех.

Сперва решили уйти под воду, благо море рядом, Стали уже договариваться с подводниками, но потом от этой затеи отказались: Балтийское море мелкое" а космические лучи проходят через десятки метров воды.

Тогда придумали другой выход: московское метро.

И вот Петржак с Флеровым перевезли свое нехитрое оборудование из Ленинграда в Москву и обосновались на станции "Динамо". Шестидесятиметровый слой земли я бетона надежно изолировал прибор от посторонних зарядов.

Вставлен в счетчик тонкий диск с намазанной на него окисью урана, никаких других источников излучения нет поблизости и в помине.

Томительно потянулись минуты, часы. И вдруг – щелчок. И следом – другой.

В прибор вложили еще один диск с ураном, и щелчков стало вдвое больше. Еще один диск – еще больше щелчков. На сколько больше дисков, на столько больше щелчков!

Так произошло открытие самопроизвольного или, по-научному, спонтанного деления.

Ядро атома урана оказалось таким громоздким сооружением, что уже не могло выдерживать собственной массы. Если у висмута, так сказать, чуть-чуть осыпалась штукатурка, если у полония, астата, радона, радия, тория вываливались из стен отдельные кирпичи, то уран разваливался весь.

После открытия самопроизвольного деления урана можно было уже понять, почему таблица Менделеева кончалась на атом элементе: все ядра, начиная с уранового, неизбежно разваливались…