Атомы и электроны
Шрифт:
Когда врачи стали лечить лучами радия разные болезни, то на радий сейчас же появился спрос. Все крупные больницы обязательно захотели иметь у себя хотя бы крупинку этого вещества для того, чтобы излечивать кожные болезни. Но радий доставать было очень трудно, немецкий физик Гизель вскоре после того, как Пьер и Мария Кюри открыли радий, достал из Иоахимсталя небольшое количество тех же остатков от переработки урановой смоляной руды, которыми пользовались супруги Кюри, и начал добывать из них радий, применяя те же самые способы. После этого он очень великодушно разослал весь добытый им радий всем физикам, которые занимались изучением лучей Беккереля и пробовали раздать тайну радиоактивности. Австрийское правительство очень скоро сообразило, что отбросы от переработки урановой смоляной руды теперь будут цениться дороже самого урана, и просто-напросто запретило вывозить эти отбросы за границу. Это подняло цены на радий до таких пределов, что даже те физики, которые больше всего сделали для открытия и добычи радия (Пьер и Мария Кюри, Гизель), потеряли всякую возможность его покупать. Когда через несколько лет после открытия радия английским физикам понадобилось крохотное количество радия для научной работы, они вынуждены были использовать очень сложную протекцию: обратились к принцу Уэльскому (наследнику английского престола), он воспользовался
В 1912 году Парижский университет совместно с знаменитым медицинским институтом Пастера организовал в Париже так называемый Институт радия. Этот институт открылся на улице, которая была названа именем Пьера Кюри, а мадам Кюри получила должность директора этого института, которую она сохранила до самой своей смерти (в 1934 году). В этом институте производятся важные физические исследования, относящиеся к свойствам радиоактивных веществ и их лучей, но, кроме того, ещё и производится лечение больных. В 1918 году Мария Кюри подарила клинике своего института грамм радия, извлечённый ею и её мужем из иоахимстальской руды и представлявший её личную собственность. В то время, когда был сделан этот подарок, грамм радия стоил сто тысяч долларов (полтора миллиона франков). Практические применения радия в медицине вызвали необходимость добывать заводским путём значительное количество радия. В 1914 году правительство Соединённых Штатов организовало завод для добычи радия из так называемых карнотитовых руд, которые встречаются в разных местах Соединённых Штатов и содержат в себе уран и радий. В 1921 году в местечке Кантага (бельгийские владения в Центральной Африке [2] ) были открыты богатые залежи урановой смоляной руды. Оказалось, что в этой руде есть довольно значительная примесь радия. Поэтому в 1923 году в местечке Оолен, вблизи бельгийского города Антверпен, был построен радиевый завод, куда привозили урановую смоляную руду добытую в Катанге, и извлекали из неё радий. В течение месяца на этом заводе добывали четыре грамма радия. Способ добычи, в основном, такой же, как тот, который применяли Пьер и Мария Кюри в своих первых лабораториях на улице Ломон и на улице Кювье. Этот способ очень сложен; для интересующихся мы приводим цитату из «Курса общей химии» проф. Б. Н. Меншуткши (4-е издание, Ленинград, 1933):
2
Катанга — в настоящее время провинция Шаба в Заире (Прим. ред.)
«Переработка урановой смолки в Оолен ведётся так: действием серной и азотной кислот извлекают из руды соединения урана, затем после удаления кремнезёма обрабатывают соляною кислотою и (после прибавления необходимого количества солей бария) полученные сернокислые соли бария и радия отфильтровывают и под давлением нагревают с раствором соды для перевода сернокислых солей бария и радия в углекислые; их растворяют в чистой соляной кислоте и снова осаждают раствором угленатриевой соли. Полученные чистые углекислые соли действием чистой же соляной кислоты переводят в хлористые барий и радий, готовят почти насыщенный при 100 °C раствор последних и охлаждают его; при дробной кристаллизации сперва осаждается труднее растворимый хлористый радий, потом уже хлористый барий. Поэтому отдельно собирают первые порции кристаллов и последующие. С маточным рассолом и этими кристаллами повторяют много раз такую перекристаллизацию, пока не получится хлористый барий со значительным содержанием хлористого радия. Тогда раствор их осаждают углекислой солью аммония, полученный осадок промывают, растворяют в бромоводородной кислоте и получают ещё более различающиеся растворимостью в воде бромистые барий и радий. Их снова подвергают дробной перекристаллизации вплоть до получения чистого бромистого радия, который запаивают в стеклянные трубочки, помещённые в толстые свинцовые футляры, и сохраняют в отдалённом от жилья помещении».
Глава вторая. Атомы
Физические явления, происходящие в окружающем нас мире, представляют бесконечную цепь загадок. Вода, охлаждаясь, превращается в твёрдый, бесцветный лёд, нагреваясь же, становится невидимым водяным паром. Если её слегка подкислить серной кислотой и пропускать через неё электрический ток, она постепенно превращается в два газа — водород и кислород. Стоит только смешать эти газы и поджечь их искрой, как они со взрывом снова превращаются в воду. Блестящее железо в сыром воздухе превращается в ржавчину. Горящий уголь становится углекислым газом. Подлинно, «природа находит удовольствие во всевозможных превращениях», как когда-то сказал знаменитый английский учёный Исаак Ньютон. И все эти превращения ставят перед нами всё тот же вопрос: в чём заключается интимная, внутренняя сторона всех этих явлений, которые мы воспринимаем как холод, как тепло, как пламя, как взрыв и т. д.? Каков закулисный механизм всех этих театральных эффектов, которые мы всё время наблюдаем и которые изучает физика и химия? С давних пор люди стремились получить ответ на этот вопрос. И ещё перед тем, как наука доросла до того, чтобы суметь ответить на этот вопрос правильно, нетерпеливые философы пытались ответить на него, заменив строгое исследование простой догадкой.
В глубокой древности, больше чем 2000 лет тому назад (в 5-м столетии до начала нашего летосчисления), греческие философы Демокрит Абдерский и Левкипп высказали замечательную догадку, которой впоследствии было суждено сыграть огромную роль в истории научного понимания мира. Демокрит и Левкипп утверждали, что все вещи в мире состоят из ничтожно малых, невидимых глазу по причине своей малости, частиц. Эти частицы уже не могут быть разрезаны на дальнейшие части, они являются последними и самыми основными частицами всего существующего на свете; поэтому они получили название «атомов» (по-гречески «атомос» значит неделимое — то, что не может быть разрезано или разорвано). Но в том рое атомов, которым является каждое тело окружающего нас мира, мы не видим отдельных атомов, подобно тому как в рое пчёл мы издали не видим отдельных пчёл: все пчёлы сливаются для нас в одну сплошную тучу. Все явления, происходящие на свете, заключаются лишь в том, что атомы движутся в пространстве, образуют друг с другом разные комбинации, затем эти комбинации распадаются, возникают новые и т. д. Мы можем видеть пламя, ощущать холод, тепло, слышать звук и т. д., но всё это лишь внешняя видимость вещей, воспринимаемая нашими несовершенными органами чувств, а на самом деле (с той самой внутренней, закулисной стороны, о которой мы говорили раньше) происходит одно только движение
В этом и заключалось учение Левкиппа и Демокрита. Хотя оно было основано на простой догадке и не было подкреплено серьёзными доказательствами, тем не менее оно получило широкое распространение уже в глубокой древности. Учение о том, что все тела природы состоят из атомов разной величины и разной формы, было особенно развито Эпикуром (300 лет до начала нашего летосчисления) и Лукрецием (в I веке до начала нашего летосчисления). Не только греко-римская цивилизация создала это учение, но и индийская: современник Лукреция индийский философ Канада учил, что тела состоят из атомов, отличающихся друг от друга различными свойствами. Мельчайшая пылинка солнечного луча, — так учил Канада, — состоит из шести атомов, из которых каждые два «волей бога или ещё чем-нибудь» соединены в двойные атомы. Четыре пылинки солнечного луча образуют следующую по сложности частицу, — с восхитительной наглостью продолжает Канада (как будто он мог обо всём этом хоть что-нибудь знать!). Так, смешанная с фантастическими и грубо ошибочными рассуждениями, создавалась атомистическая теория — одна из наиболее глубоких и важных теорий строения вещества.
В средние века атомистическая теория имела сравнительно мало сторонников. Но в XVII веке, когда наука стала огромными шагами идти вперёд, когда появилась научная механика и начала появляться научная химия, атомистическая теория снова стала распространяться среди физиков и философов. Вот что говорит об атомах Исаак Ньютон (приводим в точном переводе этот отрывок, чрезвычайно характерный для науки XVII столетия):
«Мне представляется, что бог с самого начала сотворил вещество в виде твёрдых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем те тела, которые из них состоят, — настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам бог создал неразделимым и целым в первый день творения. Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и осколков, отличались бы по строению и свойствам от воды и земли, построенных из ещё целых частиц в начале творения. Поэтому, для того чтобы природа могла быть долговечной, все изменения тел природы могут заключаться лишь в перемене расположения, в образовании новых комбинаций и в движении этих вечных частиц. Бог мог создать частицы вещества, обладающие разными размерами и разной формой, поместить их на разных расстояниях друг от друга, наделить их, быть может, разными плотностями и разными действующими силами. Во всём этом я, по крайней мере, не вижу никаких внутренних противоречий. Итак, по-видимому, все тела были построены из вышеупомянутых твёрдых непроницаемых частиц, которые были в первый день творения размещены в пространстве по указанию божественного разума».
В 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу под заглавием «Скептический химик». В этой книге он дал необыкновенно ясный анализ атомистической теории с точки зрения химии. Атомы, как учил Роберт Бойль, бывают различных сортов; все тела, построенные из атомов одного и того же сорта, являются «простыми телами» (теперь говорят — химическими элементами). Атомы могут, соединяясь друг с другом, образовывать более сложные частицы. Если какое-нибудь тело состоит из одинаковых частиц, каждая из которых есть комбинация нескольких атомов разного сорта, то такое тело, по Бойлю, является «совершенной смесью» (теперь принято говорить — химическим соединением). Всякая «совершенная смесь» может быть разложена на «простые тела», из которых она состоит. Однако скудные химические познания XVII века не дали Бойлю возможности установить, какие из окружающих нас тел являются «совершенными смесями», а какие — «простыми телами». Он даже склонен был допустить, что единственным известным «простым телом» является вода, а что все другие вещества — в том числе железо, медь, золото, серебро, свинец, ртуть — это «совершенные, смеси». В этом Бойль заблуждался, и больше столетия понадобилось для того, чтобы выяснить, какие тела являются сложными, т. е. «смесями», а какие — простыми.
В 1808 году в Лондоне вышел первый том книги «Новая система химической философии», написанной Джоном Дальтоном, учителем в Манчестере. В этой книге Дальтон, по существу, повторяет взгляды Бойля, но какая огромная разница между книгами Бойля и Дальтона! Не будем забывать, что между выходом этих двух книг прошло 147 лет и что в течение этих лет в химии появился Лавуазье. Уже было известно, что водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий (открыты Дэви в 1807 году), кальций, стронций, барий и магний (открыты тем же Дэви в 1808 году), железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть являются простыми телами, а вода, аммиак, углекислый газ и многие другие — сложными. В химии уже употреблялись весы, и целый ряд количественных анализов сложных веществ уже был произведён. Поэтому Джон Дальтон и мог поставить перед собой смелую задачу: определить относительные массы всевозможных атомов.
Водород — простое тело, рассуждал Дальтон, значит, водород состоит из атомов одного и того же сорта — атомов водорода. Обозначим атом водорода значком