Превращение элементов
Шрифт:
В чём тут дело?
После того как описано первое превращение элементов, напрашиваются слова: всё стало на свои места. Однако такое утверждение было бы эффектным, но… бессодержательным. Можем ли мы и сейчас сказать, что в физике не осталось никаких неясностей? Ни в коем случае! А тогда? Тогда и тем паче… Прежде всего и сам Резерфорд, предложив модель строения атома, не столь уж твёрдо был в ней убеждён на первых порах и прекрасно осознавал её уязвимость для математиков. Математические расчёты со всей неумолимостью доказывают, что в такой модели электроны должны непременно упасть на ядро, поскольку, как утверждает классическая электродинамика, заряжённая частица, двигаясь с ускорением, непрерывно теряет энергию.
Это становилось ясным по мере уточнения и развития резерфордовской модели. В 1913 г. датский физик Нильс Бор предложил свою модель атома, опираясь на идеи Резерфорда и квантовую теорию Макса Планка. Модель Н.Бора сложна для описания, и поэтому мы изложим её так, как это принято в популярных изданиях. В ней, в модели Н.Бора, электрон вращается не на любой орбите, а только на определённой, «разрешённой», и при этом никакого излучения не наблюдается. Излучение происходит только тогда, когда электрон «перескакивает» с одной орбиты на другую, выделяя или поглощая порцию, квант, энергии.
В 1913 г., когда Нильс Бор сформулировал принципы, объясняющие устойчивость атома, было уже известно около 40 радиоактивных элементов, в то время как в таблице Менделеева пустовало всего 7 клеток. Как же разместить на них такое количество элементов?
«Подкопы» под таблицу, как мы видели, предпринимались не раз, но такое случалось в более ранние годы её существования, когда в ней было больше гениального предвидения и интуиции, нежели экспериментальных подтверждений. Теперь же подвергать её какому-либо сомнению просто невозможно. Что же остаётся? Может быть, произвести некоторую перестановку, не особенно считаясь с последовательностью возрастания атомных весов? Ведь и сам Менделеев, как было замечено, не единожды нарушал это правило: тяжёлый кобальт помещал впереди более лёгкого никеля, то же самое относится к теллуру и йоду, аргону и калию.
Но всё решилось по-иному. Оказалось, что в одну и ту же клетку следует помещать по нескольку радиоактивных элементов, химически одинаковых, но имеющих разный атомный вес. Ф.Содди назвал их изотопами, что в переводе с греческого значит «одноместные».
Рентгеновские лучи много уже дали и науке, и практике, а природа их всё ещё оставалась неясной. Их не удавалось ни отразить от какой-нибудь поверхности, ни преломить через какую-нибудь линзу. Отсюда предмет спора: волны это или частицы? Лишь в 1912 г. Макс фон Лауэ предсказал, а затем совместно со своими учениками показал дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах.
Спор был разрешён: это волны, гораздо более короткие, нежели видимый свет или даже ультрафиолетовое излучение.
Развивая достигнутый Лауэ успех, отец и сын Брегги разработали рентгеновский метод анализа кристаллических структур.
Всё это было далёкими вопросами для лаборатории Резерфорда. Поэтому-то он и был очень удивлён, когда один из его учеников Генри Мозли выразил непреодолимое желание работать с X– лучами. Но он не стал этому препятствовать. А Мозли был увлечён боровской теорией устойчивости атома и писал Резерфорду, что всем своим существом чувствует её справедливость, что готов сделать всё возможное, дабы положить конец широко распространённому убеждению, будто построение Бора сводится к удачному жонглированию хорошо подобранными числами.
Выяснилось, что X– лучи также неоднородны, т. е. хотя все они коротковолновые, но одни из них имеют большую частоту, другие меньшую; иначе говоря, у них тоже свой спектр.
Как рождаются X– лучи? При падении катодных лучей на твёрдое тело. Это уже установлено. Мозли вооружился катодной трубкой, им же сконструированной и изготовленной, и целиком погрузился в измерение частот рентгеновских спектров. Он последовательно наносил на антикатод различные вещества и подвергал их воздействию катодных лучей, регистрируя в каждом случае длину волны характерного рентгеновского излучения. Ему удалось найти зависимость между длиной волны главных линий рентгеновского спектра и порядковым номером атома химического элемента. Об этом сам он сказал так: «В атоме имеется основное свойство, которое увеличивается на известную величину при переходе от одного элемента к следующему. Это свойство может быть только заряд положительного ядра атома».
Такая гипотеза была выдвинута ещё до Мозли голландцем Ван дер Броком в 1913 г., и её поддерживал Бор. Но гипотеза была совершенно бездоказательна, не связана ни с каким экспериментом. Мозли вовсе не сделал случайного открытия. Он прекрасно был осведомлён о гипотезе голландца, она ему нравилась своей ясностью и простотой, и он в том же 1913 г. заявил своему шефу, что собирается «решить эту проблему систематическими измерениями высокочастотных спектров».
Титаническая работа Мозли показала, что последовательность расположения элементов в таблице Менделеева строго закономерна, порядковый номер каждого элемента — это вполне опредёленная его характеристика — заряд ядра. Правда, формулировку закона пришлось несколько видоизменить: свойства элементов находятся в периодической зависимости не от их атомного веса, а от заряда их ядра. То, что казалось досадным исключением в таблице элементов («неправильность» расположения кобальта и никеля, калия и аргона), после работ Мозли нашло себе объяснение и вызвало восхищение блестящей интуицией Менделеева.
Всего три-четыре работы Мозли были опубликованы (он погиб в 1915 г. на турецком фронте), но они по праву признаны классическими. Измерив рентгеновский спектр самого тяжелого элемента — урана, Мозли выяснил, что порядковый номер его — 92 и, стало быть, элементов всего должно быть 92. Как известно, Менделеев оставил в таблице пустые места, предсказав, что в будущем найдут элементы, соответствующие указанным химическим свойствам. Часть из них была открыта еще при жизни Дмитрия Ивановича, некоторые же клетки продолжали пустовать. Сличая рентгеновские спектры, Мозли подтвердил, что должны быть открыты элементы с порядковыми числами 43, 72, 75, 85 и 87.
И всё же существование изотопов не было понятным даже после того, как Резерфорду удалось наблюдать первое «искусственное» превращение элементов. Проще всех устроен атом водорода: ядро, состоящее из одного протона, и один электрон на орбите. Масса протона настолько велика по сравнению с массой электрона, что последнюю при расчетах можно не принимать во внимание. Если так, то масса любого ядра определяется числом входящих в него протонов, чем выразится и атомный вес элемента. Однако почему же атомные веса дробные? Ведь нельзя же допустить, что в ядре помимо целых протонов заключены и какие-то части его. На это, кажется, есть ответ: изотопы одного и того же элемента неравномерно распределены в природе, и потому атомный вес элемента является фактически средним (не арифметическим, а сообразно с учётом процента распространения каждого изотопа). Таким образом даётся объяснение и «неправильностям» в клетках периодической системы, хотя бы аргона и калия. Просто в природе больше тяжёлых изотопов аргона, чем лёгких, а у калия картина обратная.
Однако очень трудно было объяснить разницу между зарядом ядра и атомным весом — ведь если последний определяется числом протонов, а каждый из них несёт один положительный заряд, то численно эти величины должны были совпадать. Атом в целом нейтрален. Следовательно, число электронов, вращающихся на орбитах, должно быть равным заряду ядра. Если, к примеру, у лития атомный вес — 7, а заряд ядра 3, то и электронов на орбите тоже 3. Что же даёт ему «лишнюю» массу в 4 единицы? Оставалось предположить только одно: в ядре находится 7 протонов и 4 электрона, остальные 3 — на орбитах (вспомним модель Дж. Дж. Томсона). Представление малоубедительное, ибо естественно возникал вопрос: а почему они в ядре не слипаются? Тем не менее лучшего объяснения в то время придумать не могли.