Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

С точки зрения Резерфорда и Содди, причина должна быть как раз обратная: гелий возникает внутри минералов, содержащих уран или торий, и возникает потому, что он является одним из продуктов радиоактивного распада: альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, постепенно накапливаются внутри минералов, в которых вкраплены радиоактивные вещества, и тот гелий, который химики находят в этих минералах, как раз и состоит из таких альфа-частиц. Гелий этот состоит из обломков давно распавшихся более тяжёлых атомов: он представляет последнее звено в той медленной эволюции вещества, которая происходит в земной коре.

Вероятно, не только гелий, находимый в минералах, но и тот гелий, который в огромных количествах поднимается из трещин земной коры в некоторых местах Соединённых Штатов и уже в течение многих лет (со времени первой мировой войны) больше не рассеивается в атмосфере, а используется для наполнения дирижаблей, — даже

и этот гелий, вероятно, тоже образовался в результате каких-то радиоактивных процессов в глубоких недрах земного шара.

Эволюция вещества, связанная с радиоактивностью, должна совершаться очень медленно и постепенно: радий, который всегда находят в урановых рудах, безусловно является одним из потомков урана; далее атомы радия, испуская альфа-частицы, превращаются в атомы эманации; эта последняя испытывает какие-то дальнейшие превращения, так как ведь и она испускает альфа-частицы, и т. д., и т. д. Как далеко идёт это превращение, когда оно прекращается и какие окончательные продукты, кроме гелия, получаются в результате всего этого последовательного ступенчатого распада — на эти вопросы Резерфорд и Содди тогда (в 1903 году) ещё не могли дать окончательного ответа.

Рис. 13. Спектроскопическая трубочка, в которой Содди и Рамзай обнаружили появление гелия из эманации радия.

Содди переселился из Монреаля в Англию и стал работать вместе с Рамзаем. Они взяли некоторое количество воздуха, к которому была примешана эманация радия, и поместили его в спектроскопическую трубочку. Это длинная стеклянная трубочка, у концов она шире, а в середине она совсем узка. С того и с другого конца в неё впаяны платиновые проволочки: через эти проволочки можно пропускать электрический ток по газу, запертому в трубочке. Когда через такую спектроскопическую трубочку пропускают ток, то в узком её месте газ начинает ярко светиться и с помощью спектроскопа можно рассмотреть его спектр.

Рамзай и Содди запаяли трубочку, а затем несколько дней подряд ходили смотреть на спектр эманации. И вот оказалось, что с каждым днём спектральные линии эманации становятся всё слабее и слабее. А вместо них загораются другие линии, которых раньше не было, — спектральные линии гелия. С волнением рассматривал Рамзай этот хорошо ему известный спектр. Чем слабее становился спектр эманации радия, тем ярче и ярче разгорался спектр гелия. Гелий рождался на глазах у Рамзая и Содди.

Впоследствии (в 1909 году) Резерфорд сделал (вместе с одним из своих помощников — Ройдсом) другой опыт, ещё более убедительно доказавший, что альфа-частица — это атом гелия. Резерфорд и Ройдс заперли эманацию радия в стеклянную трубочку с такими тонкими стенками, что испускаемые эманацией альфа-частицы совершенно свободно проходили сквозь эти стенки. Эту тонкостенную трубку они поместили в стеклянный сосуд, который был вверху соединён со спектроскопической трубочкой. Из сосуда был откачан воздух. После этого они подождали два дня, в течение которых некоторое количество альфа-частиц успело выскочить из тонкостенной трубочки и скопиться в сосуде. Тогда они, наполнив сосуд ртутью, заставили всё, что там было, подняться наверх в спектроскопическую трубочку и сжаться там. Через трубочку был пропущен ток, и в поле зрения спектроскопа явственно загоралась жёлтая спектральная линия гелия. А через шесть дней можно было видеть и другие, менее яркие линии гелиевого спектра. Значит, альфа-частицы, прошедшие через тонкие стенки трубочки, в которой была заперта эманация, и собранные затем в спектроскопической трубочке, действительно оказались самым обыкновенным гелием. Поэтому гипотетическую формулу распада радия следует писать в следующем виде:

атом радия -> атом эманации + атом гелия.

Ещё одна, последняя, окончательная проверка была необходима: нужно было проверить, действительно ли масса атома эманации радия, сложенная с массой атома гелия, даст массу атома радия. Атомная масса радия была известна: её с большой точностью определил химик Хенигшмидт, и она оказалась равной 225,97. Атомная масса гелия равна 4,00. Поэтому, если только гипотеза Резерфорда и Содди правильна, то атомная масса эманации радия должна быть приблизительно равна 222.

Предстоял решающий эксперимент. Атомная масса эманации радия была неизвестна, но теория утверждала, что она должна равняться 222. Если опыт подтвердит это предсказание, то взгляды Резерфорда и Содди приобретут необыкновенную убедительность и силу. Если предсказание окажется неверным, то их теорию нужно будет отбросить и искать какую-то совершенно другую.

За производство

эксперимента взялся сэр Уильям Рамзай. Необыкновенная трудность стоявшей перед ним задачи, неслыханная в истории химии, заключалась в том, что количество эманации, бывшее в его распоряжении, было совершенно ничтожным — не больше булавочной головки. Даже и это крохотное количество эманации должно было считаться очень большим: в громадном большинстве радиоактивных опытов физики имеют в своём распоряжении ещё более ничтожные количества этого газа, который, вероятно, поэтому никогда и не был бы открыт, если бы не лучи Беккереля, которые он испускает и которые позволяют заметить его присутствие.

Но Рамзай должен был проделать со своей булавочной головкой эманации всё, что химики делали с другими газами, атомную массу которых они хотели найти. Прежде всего нужно было определить химические свойства эманации радия. Это была сравнительно лёгкая часть задачи; даже если бы у Рамзая было эманации ещё меньше, — так мало, что её можно было бы обнаружить лишь по действию испускаемых ею лучей Беккереля, — он всё равно сумел бы определить её химическую природу, пробуя соединить её с различными веществами: то вещество, к которому перешла бы радиоактивность эманации, тем самым обнаружило бы свою способность вступать с эманацией в химическое соединение. Но из опытов Рамзая вытекало, что эманация радия ускользает от любого химического поглотителя и что, следовательно, она не соединяется ни с чем. Иными словами, эманация радия принадлежит к группе «благородных газов», к которой относятся, кроме неё, гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. [Заметим, что, с тех пор как этот факт был установлен, эманация радия получила новое название — радон — для того, очевидно, чтобы рифмовать с неоном, аргоном, криптоном и ксеноном. В нашей таблице химических элементов (см. с. 49) эманация радия тоже фигурирует под этим именем, и отныне мы её будем называть именно так].

Из того, что радон принадлежит к группе благородных газов, отказывающихся соединяться и между собою, и с какими угодно другими веществами, следует, что на него можно распространить все те законы, которые оказались справедливыми для остальных благородных газов. В частности, можно утверждать (всё это было хорошо проверено на остальных благородных газах), что молекула радона состоит только из одного атома радона и что его атомная масса может быть вычислена из его плотности (атомные массы всех благородных газов пропорциональны их плотности). Поэтому перед Рамзаем встала задача — взвесить крохотное, почти незаметное количество радона, бывшее в его распоряжении, чтобы определить его плотность, а значит, и атомную массу.

Эту трудную задачу Рамзай и его помощник Уайтлоу-Грей разрешили следующим образом. Они построили специальные «микровесы», чувствительность которых превосходила всё, что когда-либо было известно в истории измерительного искусства. Крохотное количество эманации радия было введено в пустой и очень лёгкий кварцевый шарик, который был подвешен к одному концу легчайшего кварцевого же коромысла весов. К другому концу был подвешен кварцевый противовес, приблизительно уравновешивавший кварцевый шарик с радоном. Для того чтобы точно уравновесить весы, Рамзай и Уайтлоу-Грей пользовались не добавочными разновесками или чем-нибудь в этом роде; а поставили микровесы под стеклянный колпак и стали менять с помощью насоса давление воздуха под этим колпаком. По закону Архимеда всякое тело, погружённое в газ, теряет в своём весе столько, сколько весит газ, занимающий такой же объём. А так как кварцевый шарик с радоном имел больший объём, чем кварцевый противовес, то он больше терял в весе, чем противовес, и это становилось тем ощутимее, чем плотнее был газ под колпаком. Поэтому Рамзай и его помощник могли управлять своими весами, не прибегая к помощи разновесок: хотят они, чтобы противовес опустился, а шарик с радоном поднялся, — для этого нужно только ещё подкачать насосом под колпак воздух; а чтобы шарик с радоном опустился, а противовес пошёл вверх, следует насосом немножко откачать воздух из-под колпака. С помощью этих остроумных «весов без разновесок» Рамзай и Уайтлоу-Грей сумели довольно точно взвесить свой шарик с радоном, а значит, и вычислить атомную массу радона. Когда измерения и вычисления были закончены, то в результате получилось, что атомная масса радона почти точно равна 222, т. е. тому самому числу, которое предсказали Резерфорд и Содди.

Резерфорд и Содди торжествовали победу. Теперь уже никто не мог отрицать, что их разгадка радиоактивности правильна и что атом радия действительно распадается на атом радона и атом гелия. Начиналась новая эпоха в истории физики и химии. Наряду с обыкновенными химическими реакциями, которые изображаются формулами, где справа и слева стоят те же самые атомы, но только в разных комбинациях, теперь физики и химики должны были рассматривать и такую реакцию: Ra– >Rn+He.