Атомы и электроны
Шрифт:
В какой ужас пришёл бы старый Берцелиус, если бы ему показали такую химическую формулу!
Из всего того, о чём говорилось на предыдущих страницах, читатель может заключить, что гипотеза Резерфорда и Содди о радиоактивном распаде атома радия на атомы радона и гелия несомненно верна. Не может быть неверной гипотеза, которая подвергалась такому суровому испытанию и так блестяще его выдержала. Но Резерфорд счёл нужным подвергнуть её ещё и другому испытанию: он захотел определить непосредственно на опыте, чему равен заряд отдельной альфа-частицы. Ведь из догадки Резерфорда и Содди о сущности радиоактивности вытекает, что заряд альфа-частицы должен равняться двойному элементарному заряду: это обязательно должно быть верным, если альфа-частица есть заряженный атом гелия и если отношение e/m для неё, как показывает опыт, в два раза меньше такого же отношения, вычисленного для водородного иона. Но как это проверить? Альфа-частица — это атом гелия или, лучше сказать, ион гелия. Не слишком ли самонадеянны физики,
И всё же эта смелая попытка удалась. Физики действительно смогли увидеть невидимое. Первый, кому это удалось, был сэр Уильям Крукс. Для того чтобы совершить это чудо, он совсем не строил грандиозных и сложных приборов, при виде которых всякий неучёный человек начинает чувствовать себя нехорошо, — он соорудил совсем крохотный и пустяковый приборчик стоимостью рубля в полтора. И с помощью этого приборчика он смог увидеть отдельные атомы.
Прибор Крукса — так называемый спинтарископ{5} — имеет следующее устройство. Он состоит из небольшой трубки, напоминающей по виду и по размерам трубку от маленького театрального бинокля. Один конец трубки закрыт экраном, который покрыт (с внутренней стороны) сернистым цинком. С другого конца в трубку вставлено увеличительное стекло, с помощью которого можно рассматривать этот покрытый сернистым цинком экран. Внутри трубки укреплена иголка, конец которой расположен на оси трубки между увеличительным стеклом и экраном. На этом конце иголки имеется ничтожное количество радия, причём — и в этом состоит наиболее эффектная особенность прибора Крукса — чем меньше радия, тем лучше.
Рис. 14. Спинтарископ Крукса: а) схематический чертёж (A — иголочка, B — флюоресцирующий слой, C — лупа); б) внешний вид спинтарископа.
Для того чтобы насадить на конец иголки нужное количество радия, поступают так: этим концом иголки слегка дотрагиваются до внутренней стенки пробирки, в которой когда-то был препарат радия. Вот и всё. Неудивительно, что прибор Крукса так дёшево стоит, хотя в нём имеется радий — самое дорогое вещество в мире.
Прибор готов. Как же увидеть с помощью этого прибора отдельные атомы? Для этого нужно с ним пойти в тёмную комнату и подождать некоторое время, пока глаза отдохнут и хорошенько привыкнут к темноте. Потом нужно посмотреть в увеличительное стекло прибора.
Странное зрелище тогда предстанет перед нашими глазами. На поверхности экрана вспыхивают и гаснут маленькие неяркие звёздочки. Они загораются то тут, то там, и весь экран так и кишит ими. Его поверхность была бы похожа на звёздное небо, видимое в телескоп, если бы вся картина не менялась так быстро, как в калейдоскопе. Разорванные вспышки, усеивающие экран, гаснут так же внезапно, как появляются, и всё, что мы видим, производит впечатление беспрестанной бомбардировки экрана микроскопическими зажигательными снарядиками, вызывающими вспышку в той точке экрана, в которую они попадают. И это впечатление совершенно правильно — то, что мы видим, это и есть бомбардировка, ведь на кончике иглы находится крохотный, почти невесомый и совершенно невидимый кусочек радия, из которого всё время вырывается поток микроскопических снарядов — альфа-частиц. Если бы радия было больше, то весь экран светился бы равномерно и ярко: отдельные вспышки сливались бы в одно сплошное свечение экрана. Но так как радия очень мало, то вспышки видны раздельно: мы видим кратковременный светящийся след, который оставляет на поверхности экрана отдельная альфа-частица, один атом гелия, перелетевший от кончика иглы к экрану с огромной скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду, чтобы рассказать о смерти одного атома радия. Всяким наблюдателем, впервые смотрящим в спинтарископ и понимающим, в чём состоит смысл открывающегося перед ним зрелища, поневоле овладевает странное и жуткое чувство, похожее на то, которое овладевает нами, когда мы смотрим в телескоп на особенно богатые звёздами участки Млечного Пути. И в том, и в другом случае мы видим перед собой бездну, — в одном случае бездну бесконечно малого, в другом — бездну бесконечно большого, — и, глядя в обе эти бездны, одинаково далёкие от нас и одинаково безразличные к нам, мы начинаем понимать смысл странных слов Паскаля о том, что «человек подвешен между двумя бесконечностями».
Гениальное изобретение Крукса, сделанное им в том же 1903 году, в котором Резерфорд и Содди впервые выдвинули свою гипотезу о превращении химических элементов, знаменует, как и эта гипотеза, начало совершенно новой эпохи в физике. Не странно ли, что атомы стали видимой, ощутимой реальностью как раз в то время, когда было уничтожено представление о неразрушимости и непревращаемости атомов? Физики так долго и так тщетно стремились доказать, что атомы действительно существуют, и вот наконец эта цель достигнута: спинтарископ Крукса позволяет видеть действия отдельных атомов — заряженных атомов гелия. Но в то же самое время, когда таким образом реальность атомов доказана совершенно неоспоримо, становится ясным, что атомы совсем не те вечные, бессмертные, неразрушимые частицы, какими их представлял себе Джон Дальтон: атомы рождаются, живут и умирают, с атомами происходят чудесные превращения, ослепительные взрывы, они разлетаются на части, и возникающие при этом осколки — это новые атомы. Похоже на то, что средневековые алхимики, стремившиеся превращать
Всё это показывает, что радиоактивность принадлежит совершенно особому миру явлений, с которым физики никогда не встречались раньше, — иными словами, что в радиоактивных явлениях действуют совершенно огромные, чудовищные силы, несравнимые со всем, что было известно физике прежде, и, значит, такие же огромные чудовищные силы требуются для того, чтобы управлять радиоактивными явлениями и изменять их естественное течение. Значит, Джон Дальтон был в каком-то смысле прав, хотя правота его и не была абсолютной, а относилась только к некоторому ограниченному кругу явлений: в пределах этого круга явлений атомы действительно неразрушимы и бессмертны, и требуется далеко перейти за пределы этого круга и привести в действие силы совершенно иного порядка («тонкий и сильный агент» Роберта Бойля) для того, чтобы вызвать превращение одних химических элементов в другие. В обыкновенных явлениях, изучаемых в химической лаборатории, атомы действительно никогда не превращаются друг в друга, и ошибка средневековых алхимиков и заключалась в том, что они пытались вызвать это превращение, не располагая «тонким и сильным агентом», а пользуясь лишь обыкновенными силами, которые развиваются при химических реакциях. В тех случаях, когда они утверждали, что им действительно удалось получить золото из других металлов, всё это объяснялось или сознательным надувательством, или экспериментальной ошибкой (например, золото извлекалось из какого-либо химического соединения, содержащего золото, путём замещения золота другим металлом, а неискушённому экспериментатору казалось, что он превращает этот металл в золото).
Как только изобретённый Круксом спинтарископ стал известен остальным физикам, возникла задача счёта альфа-частиц. В спинтарископе Крукса такой счёт невозможен, потому что иголка находится слишком близко от экрана (несколько миллиметров) и в каждый момент на экран сыплется целый дождь альфа-частиц, так что сосчитать их нет никакой возможности. Но если поставить препарат с известным количеством радия достаточно далеко от экрана (но так, чтобы между препаратом и экраном был не воздух, поглощающий альфа-частицы, а безвоздушное пространство), то можно будет сосчитать количество вспышек, загорающихся на каждом квадратном сантиметре поверхности экрана в среднем в течение секунды. Отсюда уже будет легко сосчитать, сколько альфа-частиц испускает препарат по всем направлениям, т. е, узнать в конце концов, сколько альфа-частиц испускает каждый грамм радия в секунду. Знать это число важно по двум причинам: во-первых, если мы затем каким-нибудь способом измерим заряд, уносимый всеми альфа-частицами, которые вылетают в секунду из грамма радия, то мы можем, разделив его на число этих частиц, узнать заряд отдельной альфа-частицы; во-вторых, зная число альфа-частиц, испускаемых в секунду граммом радия или урана, мы тем самым знаем, сколько атомов радия или урана распадается в секунду из общего числа этих атомов в одном грамме, — иными словами, мы сумеем вычислить быстроту распада радия и урана.
В 1908 году немецкий физик Э. Регенер действительно осуществил такой подсчёт числа вспышек. Но этот метод счёта альфа-частиц не очень надёжен, так как он сильно зависит от состояния глаз наблюдателя: глаза очень быстро утомляются, и поэтому подсчёт альфа-частиц по наблюдению вспышек на экране из сернистого цинка требует миллиона предосторожностей. Физики стремились заменить метод вспышек каким-нибудь другим, более объективным (не так сильно зависящим от наблюдателя) и потому более надёжным методом. Таких методов было придумано целых три — один замечательнее другого. Эти три объективных метода обнаружения отдельных альфа-частиц мы по порядку опишем и только после этого перейдём к тем результатам, которые были с помощью этих методов получены.
Наиболее простым по идее способом является фотографический. Ведь альфа-частица вызывает заметное действие не только тогда, когда она падает на флюоресцирующий экран, но и тогда, когда она падает на фотографическую пластинку.
Рис. 15. Треки -частиц: а) наблюдается две группы альфа-частиц, излучаемых торием, с пробегами (в воздухе) в 8,6 и 4,8 см; фото Чедвика; б) альфа-лучи от точечного источника полония; фото Ирэн Жолио-Кюри.
В 1910 году японец Киносита внимательно изучил действие отдельных альфа-частиц на фотографическую пластинку и нашёл, что каждая альфа-частица вызывает заметное почернение того зёрнышка светочувствительного слоя, на которое она упала. После того, как пластинка проявлена, можно сосчитать под микроскопом количество почерневших зёрнышек, и это даст число альфа-частиц, упавших на пластинку. Можно поступить и так: дотронуться до какого-нибудь места светочувствительного слоя остриём иголки, которым мы предварительно коснулись радиоактивного препарата. Сейчас же некоторое ничтожное и совершенно невидимое количество радиоактивных атомов перейдёт на фотографическую пластинку. Эти атомы станут испускать во все стороны альфа-частицы. Некоторые из альфа-частиц полетят в самой плоскости пластинки, пронизывая одно зерно светочувствительного слоя за другим. Если через некоторое время проявить пластинку, то на ней будут явственно видны следы промчавшихся альфа-частиц в виде лучей, расходящихся во все стороны от того места, до которого мы дотронулись иголкой.