Текст книги "Рассказ о строении вещества"
Автор книги: Владимир Мезенцев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 10 страниц)
3. К центру атома
Когда мы нагреваем воду, её невидимые частички – молекулы – с повышением температуры движутся всё быстрее и быстрее. Однако какого-либо нарушения внутреннего строения молекул при этом не происходит. Так бывает при любом физическом изменении тел – при их плавлении, испарении и т. д.
Если же происходит химическое изменение какого-либо тела, то при этом изменяются уже молекулы: они распадаются на атомы, и из последних образуются молекулы новых веществ; соединяясь по-новому, атомы образуют новые атомные группы, новые молекулы. Таким образом, говоря иными словами, все химические реакции связаны с движением электронов в атомах. Атомные же ядра не принимают в этом никакого участия. При любых химических превращениях с ядром ничего не случается – оно лишь переходит вместе с атомом из одного соединения в другое. Поэтому-то и не могли иметь успеха все многовековые попытки алхимиков превратить один элемент в другой химическим путём.
Не меняется атомное ядро и при таких воздействиях, как сильное сжатие, нагревание или обработка химических соединений различными растворителями.
Проникнуть внутрь очень плотного ядра, разбить его на части также чрезвычайно трудно. Узнать поэтому, как устроено атомное ядро, оказалось несравненно труднее, нежели выяснить строение самого атома. Однако физики успешно справляются и с этой задачей, хотя изучением атомного ядра занялись совсем недавно – всего каких-нибудь 30 лет назад.
Как же устроено ядро согласно данным современной физики?
Как известно, положительный заряд ядра самого лёгкого атома – атома водорода – равен 1. Поэтому ядро атома водорода стали считать за простейшую положительную частичку и назвали его протоном («протон» значит «первичный»). Позднее было найдено, что протон действительно является элементарной частичкой с минимальным положительным зарядом. В опытах по расщеплению атомных ядер учёные установили, что протоны входят в состав ядер всех атомов.
Однако состоять из одних протонов ядра атомов не могут. Если бы это было так, то масса каждого атома должна была бы быть во столько же раз больше массы атома водорода, во сколько раз число электронов в оболочке этого атома больше числа электронов в атоме водорода. В самом деле, в атоме водорода находится один электрон, и масса его равна массе одного протона. Значит, масса атома следующего элемента – гелия, который имеет в своей оболочке два электрона, должна была бы быть равной массе двух протонов. Точно так же углерод, имеющий 6 электронов, должен иметь массу, равную 6 протонам. В действительности мы, однако, наблюдаем другое. Масса атома гелия равна массе не 2 протонов, а 4; атом углерода имеет массу не 6 протонов, а 12. Таким образом, ясно, что в атомном ядре содержатся ещё какие-то другие частицы, помимо протонов.
Что это за частицы?
Было предположено, что в состав ядра входят наряду с протонами электроны. При этом всегда число протонов в ядре больше, чем электронов, так, чтобы остающийся неуравновешенным положительный заряд ядра был равен отрицательному заряду всех электронов электронной оболочки.
Такой взгляд на строение атомного ядра, казалось бы, подтверждался также и тем, что как при самопроизвольном распаде радиоактивных веществ, так и при искусственном расщеплении атомных ядер из них часто вылетают электроны.
Однако ряд опытов и расчётов заставил физиков отказаться от такого объяснения устройства ядра.
И перед учёными снова встал вопрос: каково же строение атомного ядра? Ведь неоспоримо, что что-то должно входить, помимо протонов, в состав ядра.
Это «что-то» было найдено в 1932 году. При опытах «бомбардировки» альфа-частицами атомов бериллия была найдена новая частица, не имеющая никакого заряда. Масса этой частицы, названной нейтроном, оказалась почти точно равной массе протона.
Открытие нейтрона имело большое значение для учения о составе атомного ядра. Согласно теории, впервые предложенной советским учёным Д. Д. Иваненко и теперь общепризнанной, ядро атома состоит из нейтронов и протонов, входящих в него примерно в равном количестве. Так, считают, что ядро атома гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона. Таким образом, общая масса атома гелия равна массе 4 протонов, а заряд его ядра – 2 элементарным зарядам. Ядро фосфора, имеющее заряд 15 и массу 31, построено из 16 нейтронов и 15 протонов и т. д.
Вопрос о природе и характере тех особых сил, которые связывают в ядре нейтроны с протонами и обусловливают огромную устойчивость большинства ядер обычных (нерадиоактивных) атомов, остаётся ещё окончательно не решенным.
Что, действительно, может удерживать нейтроны и протоны в атомном ядре? Электрические силы? Но электрические силы оказывают только «разрыхляющее» действие на ядро, вызывая отталкивание протонов друг от друга. Таким образом, здесь мы встречаемся с какими-то особыми силами, названными ядерными, природа которых для нас еще далеко не ясна. Ясно лишь, что эти особые ядерные силы очень велики; ведь они должны не только «цементировать», скреплять в ядре нейтроны и протоны, но и преодолевать электрические силы взаимного отталкивания между протонами, потому что эти положительно заряженные частички, отталкиваясь друг от друга, стремятся разлететься во все стороны.
В действительности мы видим, что большинство атомных ядер настолько прочно, что ни высокая температура, ни высокое давление не могут их разрушить. Следовательно, ядерные силы, о природе которых мы можем пока только догадываться, должны быть огромны.
Таков этот необычный мир малого, мир атома. Как сложен, оказывается, этот «кирпич мироздания», еще так недавно считавшийся твёрдым, непроницаемым и неделимым!
VIII. РУКАМИ ЧЕЛОВЕКА
1. «Алхимики XX века»
А теперь, когда наш рассказ о строении вещества подходит к концу, вспомним еще раз об алхимиках.
Сколько поколений учёных прошлого ценой всей своей жизни старалось превратить заманчивую мечту в действительность. Свинец – в серебро, медь – в золото! Увы! Это так и осталось для них мечтой. Теперь, когда мы читаем о работах алхимиков, мы ясно видим, почему они не могли воплотить свою мечту в жизнь. Для этого у них не было главного – истинного знания природы вещей, не говоря уже об отсутствии технических возможностей нашего времени.
Ну, а как же обстоит дело с превращением элементов сейчас? Ведь теперь мы знаем об элементах и внутреннем устройстве их атомов несравненно больше алхимиков.
Научные знания, накопленные человечеством, – вот тот истинный и всесильный «философский камень», при помощи которого можно осуществлять превращения простых веществ!
Действительно, изучение строения атомов показало, что по существу природа всех атомов едина. Все они состоят из протонов, нейтронов и электронов. И вся разница между различными элементами заключается лишь в величине заряда и массе ядра, то-есть в количестве протонов и нейтронов в ядрах атомов.
Следовательно, для того чтобы превратить один элемент в другой, надо лишь изменить каким-то образом число протонов и нейтронов, входящих в ядро данного элемента.
Можно ли это сделать? Оказывается, можно.
Прежде нем научиться делать это самим, учёные внимательно изучили, как это происходит в природе. Речь идёт о самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. Оказалось, например, что атомы радия, распадаясь, превращаются в атомы тяжёлого газа радона.
Каким образом осуществляется здесь превращение элементов друг в друга? Альфа-частички, вылетающие из радиоактивных веществ, – это не что иное, как атомные ядра элемента гелия с массой 4 и положительным зарядом 2. Таким образом, когда из ядра атома радия, масса которого равна 226 и заряд 88, вылетает одна альфа-частица, то, очевидно, что ядро радия изменяет свою массу и заряд. Масса атома вновь образовавшегося элемента будет 222, а заряд 86. При этом перестраивается и электронная оболочка атома, теряя два лишних электрона. Это уже не атом радия. Это атом тяжёлого инертного газа радона.
Сходные превращения претерпевают и другие радиоактивные элементы: торий, уран и другие.
Естественный распад радиоактивных элементов с превращением их во всё новые и новые элементы заканчивается превращением всех их в элемент, по своим химическим свойствам не отличаемый от обычного свинца.
Есть и другой вид радиоактивного распада. Как мы уже говорили, при радиоактивном распаде выделяются и бета-лучи – быстро летящие электроны. Это означает, что ядра некоторых радиоактивных элементов распадаются с выбросом из себя не альфа-частиц, а электронов. В этом случае происходит следующее: вылетающий из ядра электрон, как отрицательно заряженная частичка, увеличивает положительный заряд ядра на 1. А раз изменяется заряд ядра – это опять-таки означает превращение элемента! Таким путём распадается, например, элемент с массой 234 и зарядом 90, по своим свойствам не отличимый от тория; он превращается в элемент, по химическим свойствам не отличимый от элемента протактиния.
Ядро вновь образовавшегося элемента (масса 234, заряд 91) в свою очередь выбрасывает один электрон и превращается снова в уран с массой 234 и зарядом 92.
Но что такое? Ведь атомный вес урана, как известно, равен 238. Между тем здесь, при бета-распаде, мы получаем уран с массой 234. В чем тут дело?
Дело заключается всё в том же – химические свойства атомов какого-либо элемента определяются только зарядом их ядер. Вес же ядра, как уже говорилось, решающего значения для химических свойств элемента не имеет. Таким образом, уран с массой 238 и уран с массой 234 химически неразличимы.
Такие атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разный вес его, занимают в таблице Менделеева одно и то же место; их называют изотопами.
Существование изотопов химических элементов гениально предсказал А. М. Бутлеров еще в 1882 году.
Дальнейшее изучение атомных ядер привело к открытию изотопов у всех элементов, как радиоактивных, так и нерадиоактивных. Число изотопов у различных элементов бывает самое различное. Так, медь (атомный вес 63,57), например, имеет изотопы с атомными весами 63 и 65; хлор (атомный вес 35,5) имеет также два изотопа с атомными весами 35 и 37 (определение массы отдельных атомов осуществляется при помощи прибора, называемого масс-спектрографом).
Именно потому, что медь и хлор имеют изотопы с разной массой, средний атомный вес природной меди и природного хлора, представляющих собой смесь изотопов, и получается дробным. Этим обстоятельством объясняются дробные числа атомных весов многих других элементов в менделеевской таблице.
Так происходит в природе.
С открытием радиоактивности учёные смело взялись за опыты по превращению элементов друг в друга. Впервые это удалось осуществить в 1919 году, когда были «обстреляны» атомы обыкновенного азота альфа-частицами.
При «бомбардировке» азота (вес 14 и заряд 7) ядрами гелия (вес 4, заряд 2) последние «застревают» в атомных ядрах азота. При этом получается ядро с массой 14 + 4 = 18 и зарядом 7 + 2 = 9. Это ядро элемента фтора. Однако такое ядро искусственно полученного фтора очень неустойчиво. Поэтому оно тут же распадается, выделяя из себя один протон, то-есть ядро водорода. Оставшееся ядро превращается в ядро изотопа кислорода (заряд 8 и масса 17).
Так, в XX веке было осуществлено первое действительное превращение элементов.
После этого учёные стали осуществлять в своих лабораториях превращения и многих других элементов. Так, при помощи тех же «атомных пуль» – альфа-частичек – было осуществлено превращение натрия в алюминий и магний, алюминия – в фосфор и кремний и т. д.
Правда, надо заметить, что количество полученных искусственно химических элементов ничтожно. И говорить сейчас о каком-либо широком практическом применении искусственных элементов мы, конечно, еще не можем. Исключением являются только два случая: это использование искусственно полученных элементов, не существующих в природе, о которых мы рассказываем дальше, для освобождения внутриатомной энергии и применение многих искусственных радиоактивных изотопов обычных элементов в научной работе и медицине.
И если в наши дни вы слышите порой о каких-то неведомых «учёных», якобы уже получающих золото искусственным путем, то можете быть уверены, что это лишь жульничество. К разряду именно таких «учёных» относились, например, японцы Мите и Нагаока, якобы получившие в 1924–1925 годах золото из ртути под влиянием сильнейших электрических разрядов.
Рис. 23. Образование ядра атома кислорода (левая более короткая ветвь вилки) при столкновении альфа-частицы с атомом азота (снимок в камере Вильсона).
В поисках более успешных способов ядерных превращений учёные нашли и другие «снаряды» для обстрела атомов. Были использованы протоны, нейтроны и другие частицы.
Рис. 24 Фотография распада ядра азота, поглотившего быструю частицу. Образуется четыре альфа-частицы способ Мысовского – Жданова).
Использование этих «снарядов» дало в руки физиков ещё большие возможности.
Были подвергнуты бомбардировке атомы почти всех элементов менделеевской таблицы. К настоящему времени осуществлено множество самых разнообразных ядерных превращений.
На этом пути учёные пришли к новым замечательным открытиям.
Так, прежде всего, при обстреле атомов различных нерадиоактивных элементов были получены искусственные радиоактивные изотопы этих элементов.
Некоторые из таких изотопов «жили» всего минуты и даже секунды.
Все такие неустойчивые изотопы содержали в своих ядрах либо избыток, либо недостаток нейтронов по сравнению со своими устойчивыми напарниками.
Например, ядро устойчивого, нерадиоактивного азота построено из 7 нейтронов и 7 протонов. А в ядре радиоактивного изотопа азота на 7 протонов приходится только 6 нейтронов. Наоборот, ядро радиоактивного изотопа натрия содержит в себе 13 нейтронов против 12, содержащихся в природном натрии.
Так была найдена разгадка устойчивости и неустойчивости атомов различных элементов. Оказывается устойчивость атомного ядра зависит от того, в каком соотношении находятся в нём нейтроны и протоны.
Только ядра с определёнными соотношениями числа нейтронов к числу протонов являются устойчивыми. Любое нарушение этих соотношений – и ядро атома становится радиоактивным. Распад ядра идёт до тех пор, пока в нём не восстановится нарушенное равновесие протонов и нейтронов.
Изучая процессы внутриядерных превращений, физики пришли и к ещё более изумительному достижению. Они получили совершенно новые, не существовавшие в природе элементы!
Вот история этого открытия.
Изучая воздействие быстрых нейтронов на ядра различных элементов, учёные добрались и до последнего, самого тяжёлого элемента таблицы – до урана. Ядро этого элемента имеет самый большой вес – 238 и самый большой заряд – 92. Когда атомы урана были «обстреляны» нейтронами, то оказалось, что нейтроны, поглощаемые ядрами урановых атомов, увеличивают массу этих ядер до 239. Полученный таким образом уран с весом 239 и зарядом 92, в отличие от своего изотопа 238 (природного урана), распадается очень быстро – в течение нескольких десятков минут. Уран 239 выбрасывает из себя не альфа-частицы, как природный уран, а бета-частицы, то-есть быстрые электроны. В результате такого распада заряд ядра увеличивается до 93, а вес остаётся тем же – 239 (такие химические элементы, имеющие одинаковый атомный вес, но различный заряд ядра, называются изобарами, то-есть «имеющими один и тот же вес»). Получился новый элемент с порядковым номером 93, которого нет в природе.
Этот элемент был назван нептунием.
Но нептуний также неустойчив. Из его ядер вновь вылетает по электрону. Получается новый элемент с зарядом 94 и весом 239 – плутоний. Этот элемент распадается уже медленно, как и уран, с выделением альфа-частиц.
Подобным же образом были получены и еще четыре новых элемента. Все они получили название трансурановых элементов, то-есть элементов, расположенных в таблице Менделеева за ураном.
Так периодическая таблица элементов пополнилась в наше время шестью новыми элементами, созданными искусственным путём.
Ещё более интересным было третье открытие. Производя опыты с «бомбардировкой» урана нейтронами, физики установили также, что под действием нейтронов с ядром урана могут происходить и другие превращения, а именно – в некоторых случаях ядро урана, захватив медленный нейтрон, раскалывается на две половины! В результате получаются два новых ядра, например, ядра атомов элементов криптона и бария или рубидия и цезия. Было установлено, что это происходит с ядром изотопа урана, имеющего массу 235.
И вот что оказалось замечательным при таком делении: во-первых, выделяется в короткое время огромное количество внутриядерной энергии и, во-вторых, из образовавшихся осколков урановых ядер вылетают новые освобождающиеся нейтроны (рис. 25).
Рис. 25. Цепная реакция распада атомных ядер урана-235.
А это последнее обстоятельство и явилось основой получения и использования внутриядерной, или, как ее часто называют, атомной энергии!
В самом деле, ведь вылетающие из разбитого первым нейтроном ядра несколько новых нейтронов в свою очередь способны вызывать деление новых ядер и создавать тем самым еще большее число «ядерных пуль» и т. д. Таким образом, стоит только расколоть одно-единственное ядро урана 235, как уже дальше реакция расщепления урановых ядер с массой 235 будет всё нарастать и нарастать, не прекращаясь до тех пор, пока разложится вся масса урана 235 (происходит так называемая цепная реакция распада урановых ядер). А вместе с этим будет выделяться всё большая и большая энергия.
Так изучение строения тел природы, поиски ответа на вопрос, из чего построен мир, привели учёных к открытию и использованию грандиозной энергии, заключённой в атомных ядрах.
Чтобы представить, насколько велика эта энергия, достаточно привести хотя бы такой пример: в теле весом один килограмм содержится ядерная энергия, равная энергии, которую можно получить при сжигании трёх миллионов тонн угля!
Советские учёные и инженеры успешно решают важнейшую задачу – направить внутриядерную энергию на службу нашему народу.
«Советская наука направлена на службу делу мира и процветания нашей Родины. Если атомная энергия в руках империалистов является источником производства смертоносных орудий, средством запугивания, орудием шантажа и насилия, то в руках советских людей она может и должна служить могучим средством невиданного ещё до сих пор технического прогресса, дальнейшего быстрого роста производительных сил нашей страны» (Г. Маленков).
2. Превращения элементарных частиц
Вспомните, что при бета-распаде из ядер атомов вылетают быстрые электроны. Однако, с другой стороны, как уже говорилось, ряд серьёзных соображений – опыты и расчёты – говорит о том, что электроны не входят в состав ядра.
Откуда же берутся вылетающие из ядра электроны?
Современная наука разгадала – секрет возникновения в ядре электронов. Оказывается, электрон «рождается» в ядре в тот самый момент, когда превращается в протон один из ядерных нейтронов. При этом выделяется также особая элементарная частица – нейтрино (о ней будет ещё сказано дальше). Никаких электронов до этого превращения в ядре не существовало. Так, ядро искусственного неустойчивого изотопа натрия содержит в себе 13 нейтронов и 11 протонов. Такое ядро распадается с выделением электронов, и при этом образуется уже устойчивое ядро с 12 протонами и 12 нейтронами – это устойчивый изотоп магния, встречающийся в природе.
Если же неустойчивый изотоп имеет недостаток нейтронов, то в этом случае при превращении ядра изотопа протон превращается в нейтрон; при этом из ядра иногда выбрасывается новая частица, о которой мы ещё не говорили, – позитрон. Величина заряда, вес и размеры этой элементарной частицы таковы же, как и у электрона, но заряд позитрона – не отрицательный, а положительный. Подобное превращение может происходить также при захвате ядром одного из окружающих его электронов.
Впервые позитрон был открыт при изучении космических лучей.
Взаимное превращение нейтронов и протонов друг в друга с выделением элементарных положительных и отрицательных зарядов не говорит, однако, ничего о сложности этих частичек. Нельзя сказать, что электрон входит в состав нейтрона, а позитрон в состав протона. Они образуются, «рождаются» в момент превращения одной частички в другую.
Ясно, что такое превращение частичек происходит за счёт уменьшения энергии возбуждённого ядра.
Подобно этому элементарные частички лучистой энергии – фотоны – возникают в атоме при изменении его энергетического состояния, хотя сказать, что фотоны были запрятаны где-то в атоме раньше, нельзя.
Открытие «рождения» элементарных частиц – электрона и позитрона – в процессах распада атомных ядер заставило физиков изменить взгляд на природу всех элементарных частиц вообще.
В самом деле, до открытия новых частиц – позитронов – казалось несомненным, что все три основные элементарные частицы – электроны, протоны и нейтроны – вечны и неизменны. Движение этих частиц в пространстве обусловливает все явления нашего мира.
Но вот открывается позитрон, и оказывается, что он возникает при превращении протона в нейтрон. Более того, изучение позитрона приводит учёных к ещё более неожиданному результату. Оказывается, что «родившийся» при образовании ядра позитрон очень быстро гибнет.
Для этого ему достаточно столкнуться с электроном. Обе частички – электрон и позитрон – при таком столкновении взаимно уничтожают друг друга, «исчезают». Энергия и масса частиц переходят в совершенно другую форму – в форму световой энергии. Говоря проще, при столкновении позитрона и электрона возникает световой квант – фотон, который и уносит с собой всю энергию и всю массу столкнувшихся частиц!
Таким образом, позитрон и электрон, столкнувшись, превращаются в другие элементарные частички – фотоны.
Жизнь позитрона коротка – «родившись», он очень скоро, через миллионную долю секунды, «умирает», столкнувшись с электроном.
Было замечено физиками и другое явление – так называемое «рождение пары» – электрона и позитрона. Это происходит иногда при падении на вещество гамма-лучей.
Таким образом, теперь ясно, что и элементарные частицы, подобно атому, «смертны»!
Из этого факта реакционные физики и философы вновь сделали ненаучный вывод об исчезновении материи. Раз позитрон и электрон при столкновении «исчезают», превращаются в свет, значит, в данном случае «исчезает материя» – говорят они. Ответ этим «учёным» давно дал В. И. Ленин. Он показал, что понятие материи, как только массы, неверно. Материя несравненно богаче в своих проявлениях, чем это думают противники диалектического материализма. Нельзя смешивать чисто физическое понятие материи, как обычного вещества, связанного с массой, с общим философским понятием материи, как объективной реальности.
В действительности открытие превращения элементарных частиц говорит о другом: человек силой своего разума открывает новые формы существования и проявления материи, глубже познаёт мир.
Критики материализма атакуют великий ломоносовский закон сохранения материи и с другой стороны. Так, датский физик Н. Бор и его последователи утверждают, что в ряде случаев в процессах, происходящих внутри атома, недействителен закон сохранения энергии – энергия якобы в этих процессах возникает из ничего или превращается в ничто.
О неприемлемости закона Ломоносова в недрах атома писал также в 1936 году американский физик Шенкланд и ссылался при этом на свои опыты. Вряд ли надо говорить, что «опыты» американца были вскоре опровергнуты, в частности работами советских физиков. Более углублёнными и точными исследованиями наших учёных опровергаются и утверждения Н. Бора.
Однако и сейчас борьба за закон, открытый Ломоносовым, не окончена. И сейчас находятся люди, готовые любой ценой «доказать», что великий закон природы – закон сохранения материи – не всегда справедлив, и тем самым доказать возможность возникновения материи из ничего и превращение её в ничто.
Излишне говорить, что все такие попытки идеалистов, невежд и просто продажных писак не могут иметь успеха.
Великий закон сохранения материи, гениально установленный русским учёным 200 лет назад, закон, подтверждающий основное положение диалектического материализма и являющийся основой всех прогрессивных естественных наук, незыблем. Это – абсолютный закон природы.
Более того. В процессе развития науки о природе всё более раскрывается глубочайшее, всеобъемлющее значение великого закона. Так, в последнее время можно говорить еще об одном законе сохранения – законе сохранения электрического заряда, который имеет важнейшее значение в физике наших дней. Раскрывается новое содержание закона Ломоносова.
Ломоносовское начало сохранения, неуничтожаемости материи всегда имело и будет иметь значение не только для естествознания и техники, но и для всего нашего мировоззрения. Это – одна из основных предпосылок философии диалектического материализма. Сохранение, неразрушимость материи как объективной реальности – одно из необходимых условий её материальности и её объективности. Больше чем когда-либо начало сохранения материи служит надёжнейшим путеводителем при раскрытии тайн природы.
