Прежде чем пускаться в дорогу в чудесную страну химических элементов, непременно нужно прочитать эту статью. В ней излагаются некоторые подробности из биографии «неделимого». А что говорили о нем Левкипп и Демокрит? Вещество состоит, утверждали они, из мельчайших частичек. Атомы бесконечны в числе и разнообразны по форме. У них нет «внутреннего состояния». Они действуют друг на друга посредством давления и удара.
Двадцать последующих веков мало что добавили к гениальной догадке греческих мыслителей, несмотря на усилия французского философа Пьера Гассенди, англичанина Роберта Бойля и других ученых. Больше того, некоторые физики вообще стали отрицать существование атомов, они требовали фактов.
Но неоспоримых доказательств у науки не было, и спор затянулся на многие годы. А может и вправду атомы «придуманы» учеными? Ответ на этот вопрос могла дать лишь природа. Но она молчала, так как физики не знали, как ее спросить, и о своих законах не рассказывала, хотя и не скрывала их.
Теория Ломоносова
В первой половине XVIII века Михаил Васильевич Ломоносов изложил свою знаменитую теорию строения вещества. Сквозь своеобразную словесную вязь его научных трудов проступает образ мудрого и проницательного естествоиспытателя-материалиста, по взглядам — почти нашего современника. Он дерзновенно призывает
«разумом достигнуть потаенного в безмерной малости вида, движения и положения первоначальных частиц, смешенные тела составляющих».
По его теории все вещества состоят из корпускул (так Ломоносов назвал молекулы). А корпускулы состоят из атомов, мельчайших неделимых частиц вещества, которые могут быть отличными друг от друга. Свойства вещества определяются набором различных атомов в корпускуле. Меткости такого определения могут позавидовать и современные ученые! Это же на самом деле так.
Видите, к каким выводам пришел Ломоносов? Даже через много лет ученые-естествоиспытатели не проводили такого различия между атомом и молекулой, то есть между элементами и соединениями.
Чтобы покончить с путаницей, участники химического конгресса, собравшегося в 1860 году, вынуждены, были решить вопрос о названии частиц… голосованием! С тех пор атомами стали считать наименьшее количество неделимого тела, заключенное в частицах. Химические элементы были признаны первичными и неизменными. Идея алхимиков о превращении одного элемента в другой еще никогда не казалась такой фантастической, как в тот период. Глубоким и незыблемым выглядело учение об электричестве и магнетизме. Газовые законы и термодинамика (наука о теплоте) уверенно входили в инженерную практику. Венцом познания природы казалась волновая теория света.
Открытие электронов
Но это было лишь предгрозовое затишье. И гром грянул… Английский ученый Вильям Крукс, изучавший катодные лучи, серией блестящих экспериментов доказал, в 1879 году сложное строение вещества. Под действием электричества из недр атома вылетел его крохотный полпред — электрон. Репутации «неделимого» был нанесен первый чувствительный удар.
В устоявшейся физической картине мира, составленной учеными на протяжении столетий, обнаружились и другие досадные бреши. Французский физик Анри Беккерель установил, что уран посылает из своих глубин таинственные «депеши» — невидимые, обладающие колоссальной проникающей способностью лучи. Атомы некоторых других элементов почему-то исчезали, как бы таяли. Свет вдруг обнаружил свойства, никак не присущие волнам…
Что это означало? Кризис науки? Непознаваемость природы? Нашлись люди, которые сделали именно такой вывод. Яростным нападкам подвергли они атомы. «Их нет вообще!» — твердили они.
В течение многих столетий наука имела дело со сравнительно простыми явлениями, с какими человек сталкивался повседневно, которые он мог наблюдать во всех подробностях. Поэтому нет ничего удивительного в том, что ею были даны вполне разумные, довольно глубокие и логически стройные объяснения таким процессам, как движение тел, доступных осязанию, измерению, взвешиванию, притяжение их Землей, распространение волн в воздухе, на воде и т. д. С этой точки зрения классическая физика непогрешима. Но кто сказал, что ее законы должны быть универсальными? Почему свет должен быть похожим на звук, а атомы — на бильярдные шары? Разве можно сравнивать Солнце, величественное и грандиозное, с вязанкой горящих дров?
Пока ученые с обычной меркой подходили ко всем этим фактам и явлениям, они терпели неудачу за неудачей. Ведь в разных условиях и масштабах физические закономерности неодинаковы. Природа неисчерпаемо многообразна. Она ни когда не повторяет самое себя. В мире бесконечно больших величин и в атоме бесполезно искать дубликаты наших земных понятий и представлений.
Как уже говорилось, опыты Крукса поколебали веру в незыблемость «неделимого». Но скептики не сдавались.
— Может быть, это вовсе не электрон, а «атомы электричества?» — говорили они.
Исследования, проведенные в 1897 году руководителем знаменитой Кавендишской лаборатории английским профессором Джозефом Джоном Томсоном, развеяли последние иллюзии. По предложению Джонстона Стонея первая элементарная частица была названа электроном. А через несколько лет американец Роберт Милликен взвесил его. Масса электрона оказалась ничтожно маленькой и равнялась 910*10-30 грамма. Измерения показали также, что электрон обладает и наименьшим отрицательным электрическим зарядом.
Модель атома: первые шаги к пониманию
Вскоре Томсон предложил модель атома. Он представлялся ему сферическим облаком, равномерно заряженным положительным электричеством, а в него вкраплены электроны — «что-то вроде пудинга с изюмом», как выразился однажды Томсон. Причем электроны расположены в атоме симметрично. Их может вывести из равновесия лишь внешнее воздействие. Ну, а что представлял собой сам «пудинг»? Не содержит ли атом подобные электронам, но положительно заряженные частицы?
Такие мысли закономерны. Они вполне отвечают логике развития науки, которая перестанет двигаться вперед, если каждая теория будет давать исчерпывающие ответы на все наши вопросы.
Чтобы лучше понять, в каком направлении вели поиск физики, необходимо рассказать о проблемах, вставших перед наукой в связи с открытием естественной радиоактивности. Прежде всего, ученые решили установить, не являются ли лучи, исторгаемые из недр атомов, потоком заряженных частиц. Классический опыт с магнитом помог «рассортировать» их на три «сорта». Выяснилось, что альфа-лучи почти не отклоняются под влиянием магнитного поля. Они обладают незначительной проникающей способностью. Даже лист обыкновенной бумаги способен задержать их. Самую искривленную часть потока стали именовать бета-лучами. Их с трудом останавливали алюминиевые пластинки толщиной в несколько миллиметров. Гамма-лучи – это сверхультракоротковолновое электромагнитное излучение, образующееся в тот момент, когда ядро атома освобождается от избыточной энергии. Поскольку гамма-лучи не являются частицами вещества и электрически нейтральны, они обладают большой проникающей способностью. Для защиты от них нужны толстые свинцовые плиты.
Ученые установили, что альфа-лучи – это быстролетящие (со скоростью 20 тыс. километров в секунду) положительно заряженные частицы. По своему весу они примерно в семь тысяч раз тяжелее электронов, образующих пучок бета-лучей.
Английский физик Эрнест Резерфорд выяснил природу альфа-частиц. Ученый положил крупинки радия в стеклянный сосуд с двойными стенками, откуда был выкачан воздух. Излучаемые радием альфа-лучи затрачивали на преодоление первой преграды почти всю энергию и уже не могли одолеть второй барьер. Когда Резерфорд исследовал пространство между стенками, то там оказался… гелий. Так были «анатомированы» альфа-частицы.
Вскоре Резерфорд проделал другой опыт. На пути этих лучей он поместил тонкую золотую пластинку, а позади ее — экран из сернистого цинка. Каждая альфа-частица, пройдя сквозь пластинку, должна была оставить свой «автограф» на экране, или, как говорят физики, вызвать сцинтилляцию — хорошо заметную в темноте вспышку света. Если атомы представляют собой сплошные шарики, рассуждал Резерфорд, то они будут отталкивать лучи. А может быть, альфа-частицы беспрепятственно пройдут сквозь них?
Как показали опыты, большинство «пуль», излученных радием, действительно проносилось через пластинку, не задевая атомы золота. Но некоторые частицы слегка отклонялись в сторону, а иные просто отскакивали назад! После размышления и расчетов Резерфорд пришел к выводу, что основная масса атома сосредоточена в ядре.
Возникла рабочая гипотеза, угловатая, еще необкатаная идея. Но лишь спустя два года, на основании многочисленных и безукоризненных по точности экспериментов, пришла уверенность. Резерфорд создал новую модель атома – планетарную. Вокруг ядра, имеющего положительный заряд как планеты Солнечной системы, вращаются электроны. Они-то и определяют свойства веществ, их «темперамент». Ведь любая химическая реакция основана на том, сколько электронов может отдать или приобрести тот, или иной атом. В целом же он нейтрален, так как электроны, имеющие отрицательный заряд, уравновешиваются положительным зарядом ядра. Количество протонов (от греческого слова «протос» — простейший) равно количеству электронов, вращающихся на различных орбитах.
Эта модель атома покорила современников своей наглядностью и ясностью, хотя у нее и были кое-какие недомолвки. Так, например электроны не могут безнаказанно менять скорость движения. Иначе они будут непрерывно «расплескивать» энергию своего поля, излучать ее. Им не удастся долго противиться притяжению ядра, и электроны непременно упадут на него… Но атомы ведут себя иначе. Их невозможно втиснуть в прокрустово ложе законов классической физики.
Тут уместно, пожалуй, вспомнить о гипотезах русских физиков, во многом опередивших Резерфорда. Прежде всего, хочется назвать профессора Московского университета Михаила Григорьевича Павлова, лекциями которого в свое время восхищались Герцен и Огарев.
В 1934 году в архиве была найдена тетрадь с его записями, относящимися к 1819 году. Вот несколько постулатов, взятых оттуда.
«Природа света электрическая», — пишет Павлов. Предвосхищая современные представления о строении материи, он утверждает, что структура атома связана с электрическими зарядами. «Элементы имеют планетарное строение», — говорится далее. А вот еще одно предвидение ученого: «Первый элемент построен из плюс и минус заряда»?
Только через сто лет наука сумела подтвердить:
— Верно. «Первый элемент» — водород — состоит из одного протона, заряженного положительно, и одного электрона, несущего отрицательный заряд.
Нельзя не помянуть добрым словом другого нашего соотечественника — Бориса Николаевича Чичерина. Он изложил свои взгляды на строение атома в статьях, опубликованных, в трудах Русского химического общества в восьмидесятых годах прошлого столетия. В ту пору еще не был открыт электрон и о естественной радиоактивности никто не подозревал. В науке на все лады доказывалась неделимость атома. Английский физик Максвелл, например, писал, что атом есть то, что нельзя рассечь пополам, «он близок к математической точке и, следовательно, не имеет никакой структуры».
Чичерин же думал иначе. Он представлял атом подобием солнечной системы. В качестве ядра Солнце, с вращающимися вокруг ней орбитами планет. При этом Солнце положительно заряжено, планеты – отрицательно. Математические расчеты доказали, что частицы, имеющие отрицательный заряд, имеют наибольшую подвижность. По его мнению, чем дальше расположен химический элемент в Периодической системе, тем больше у него вращающихся вокруг ядра частиц. Планетарное строение атомов предполагал и Петр Николаевич Лебедев, «взвесивший свет». Но, как нередко бывает в науке, она не смогла воспользоваться их предположениями. Ее трудно убеждать догадками, пусть даже гениальными…
Модель атома Нильса Бора
Теперь настала пора рассказать, как датский физик Нильс Бор спас идеей квантовых скачков планетарную модель своего учителя Резерфорда. Имевшиеся в его распоряжении факты привели к неожиданной на первый взгляд мысли: атомы имеют набор устойчивых орбит. Пока электроны движутся по ним, все идет нормально. Они не теряют энергию. Атом в таких случаях весьма похож на солнечную систему, где планеты-электроны выполняют все предписания классической механики.
Почему электроны срываются со своих орбит? Причины бывают разные. Но главная — атом стремится к стабильности. Чем меньше в нем запас энергии, тем он устойчивей. Поэтому атом старается избавиться от нее, как уставший путник от тяжелой клади. Однако электрон падает на ядро не сразу. Вначале он «скатывается» на ближайшую устойчивую орбиту, излучая при этом часть своей энергии. Нильс Бор доказал, что такие переходы с орбиты на орбиту совершаются скачками. Точно так же теряет электрон и энергию — не постепенно, а единой порцией — квантами. Термин этот был введен в 1900 году берлинским профессором Максом Планком (от немецкого слова Quantum — количество, масса).
Все это было ново, неожиданно. Поэтому многие физики настороженно встретили теоретические выкладки Бора. Однако время брало свое. Под напором фактов ученые вынуждены были соглашаться с теоретическими построениями знаменитого датчанина.
Атом Бора постепенно усложнялся. Немецкий теоретик Зоммерфельд предложил усовершенствованную модель его орбит. Она разрешала электронам описывать вокруг ядер не только круговые, но и эллиптические витки. Атом стал еще больше походить на планетарную систему. Но к огорчению любителей аналогии, механика микромира оказалась гораздо сложнее небесной. Каждое новое подтверждение «планетарности» атома являлось одновременно и новой характеристикой его особых, ни с чем несравнимых свойств.
Атом оказался шкатулкой, в которой скачки в излучении и поглощении энергии были не самой потрясающей находкой. Рассказывать же о них не так-то просто. Ведь это — не историческое повествование, где каждое последующее событие моложе предыдущего. Тут все сложнее. В ходе поисков выдвигалось столько разноречивых теорий, гипотез, что, анализируя их, можно утонуть в океане подробностей. Поэтому поговорим лишь о тех открытиях, которые, углубили наши познания, усилили власть человека над веществом.
Можно спросить: каким путем физики «видят» невидимое и «слышат» неслышное? С помощью чувствительнейших приборов. Верой и правдой служат в ядерных лабораториях счетчики заряженных частиц, созданные учеником знаменитого английского физика Резерфорда немцем Гансом Гейгером и усовершенствованные впоследствии его соотечественником В. Мюллером. Работает он удивительно чутко, без малейших капризов. Вот как действует этот прибор. Внутри полой трубки натянута по оси металлическая нить. На корпус счетчика подается отрицательное напряжение, на нить — положительное. Прибор наполнен смесью газов. Проникшие внутрь альфа-частицы ионизируют его. В зависимости от заряда ионы движутся к аноду или катоду. По пути они сталкиваются с атомами газов. Возникает кратковременный импульс тока, который регистрируется счетным устройством. В течение секунды прибор может «сосчитать» до миллиона частиц! В настоящее время с его помощью определяют также гамма-лучи и электроны. Роль этого прибора в исследовании ядер необычайно велика. Ее можно сравнить только с ролью аналитических весов при химическом анализе.
И все-таки этот прибор «слепой». Он не «видит» того, что регистрирует. В тех случаях, когда нужно воочию убедиться в присутствии частиц, пользуются туманной камерой, изобретенной англичанином Чарльзом Вильсоном. Она делает видимым их путь. Попавшие внутрь прибора частицы высоких энергий срывают с атомов электронную шубу, превращают их в ионы. К обритым наголо атомам устремляются молекулы пересыщенного пара, образуя вокруг них капельки. Это «визитные карточки» пролетевших частиц. Их фотографируют и по характеру туманных треков определяют, что за гостья побывала в камере. Прибор этот после ряда усовершенствований, сделанных советскими академиками Петром Леонидовичем Капицей и Дмитрием Владимировичем Скобельциным, стал еще чувствительней.
Физики пользуются также камерами других типов — диффузионной, люминесцентной, пузырьковой. Принцип их действия примерно такой же. В погоне за невидимками они играют ту же роль, что микроскоп в биологии или телескоп в астрономии.
А теперь об атоме Бора. Не успела утвердиться предложенная им теория атомного ядра, состоящего из протонов и электронов, как физики забили тревогу: тут что-то не так! Они понимали, что электроны нельзя допускать внутрь ядра, а без них невозможно было объяснить его строение. Взять хотя бы азот. Его атомный вес 14. Заряд ядра равен плюс 7. Следовательно, в состав ядра входит семь протонов. А куда девать в таком случае семь «лишних» единиц массы? Допустим, в ядре азота 14 протонов и 7 электронов, которые компенсируют семь избыточных единиц заряда. Но против этого восстает квантовая механика!
Вот в каком положении очутились исследователи? Они должны были либо объяснить на основе каких-то новых принципов странности в поведении микрочастиц, либо мириться с бессмыслицей. Физики поступили проще, — предсказали существование еще одной элементарной частицы, равной по массе протону, но электрически нейтральной. Эту мысль высказали почти одновременно Резерфорд в Англии, Мэссон в Австралии и Гаркинс в США.
Но обнаружить такие частицы с помощью имевшихся в ту пору средств было невозможно. Лишь через двенадцать лет это удалось сделать талантливому ученику Резерфорда Джеймсу Чедвику. Произошло это при таких обстоятельствах. В начале 30-х годов ученые установили интересный факт. После бомбардировки бериллиевой мишени альфа-частицами она начинает испускать исключительно интенсивные по проникающей способности лучи. Свинцовые экраны, целиком поглощавшие гамма-лучи, для них не преграда. Физики долго терялись в догадках: что бы это значило? И вот тогда-то сказал свое слово Чэдвик: серией хитроумных опытов он доказал в 1932 году, что «бериллиевые лучи» не являются электромагнитными волнами. Это поток элементарных незаряженных частиц, масса которых близка к массе протона. Их назвали нейтронами. (Этот термин ввел англичанин Вильям Сезерленд еще в 1902 году).
Ученые облегченно вздохнули: теперь они смогут нарисовать более полную картину строения ядра. Советские физики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон опубликовали в 1932 году небольшую заметку, в которой изложили свою гипотезу строения ядра. По их мнению, оно содержит в себе протоны и нейтроны. При этом заряду соответствует количество протонов, а атомному весу суммарное количество нейтронов и протонов. Например, в ядре гелия находятся два протона и нейтрона. Поэтому его атомный заряд будет два, а масса — четыре. Два электрона компенсируют заряд ядра, и делают атом нейтральным.
Идея Иваненко и Гапона привлекла внимание многих теоретиков. Один из них — немецкий физик Вернер Гейзинберг — всесторонне разработал ее, а последующие эксперименты подтвердили правильность гипотезы. С открытием нейтронов удалось довольно просто объяснить природу изотопов. Стало ясно, что изотопы одного и того же элемента разнятся между собой по массе за счет различного количества нейтронов в ядре. Новая теория, вполне удовлетворительно трактуя многие процессы в субатомном мире, помогла физикам уточнить направление дальнейших поисков.
Но относительное затишье длилось недолго. Ученые обнаружили новые странности в поведении частиц. Почему протоны в ядре не отталкивают друг друга, ведь у них одноименный заряд. А что удерживает в ядре нейтроны, вообще не имеющие заряда?
Ответить на такие, казалось бы, безобидные вопросы физикам было невероятно трудно. Но в конце концов, с большой точностью были высчитаны силы притяжения в ядрах. Насколько они огромны? Связанная этими силами материя в триллионы раз тяжелей свинца и в миллиард раз прочней любой стали.
И при этом атом не ажурен, он скорее… пуст. Если увеличить его в миллиарды раз, то он будет размером с дом в три этажа, а ядро внутри его всего с булавочную головку. Но в ядре сконцентрирована основная масса атома. Кубический сантиметр ядер весил бы 114 миллионов тонн! Поясним это еще одним примером. В буханке ржаного хлеба, на долю ядер придется в данном случае 999,75 грамма, а вес электронов не превысит 0,25 грамма! Между тем, энергия любому организму дается только электронами, да и то лишь теми, что находятся дальше от ядра. Именно отсюда начинаются химические процессы, в том числе и для жизни.
Работая над теорией электрона, ученик Резерфорда Поль Дирак вывел замечательное уравнение, определяющее магнитные свойства ветерана субатомного мира. При этом он пришел к нелепому выводу, будто у электрона есть двойник с противоположным зарядом — античастица. Их сразу же прозвали «электронами-ослами», но признать не решались. И вдруг — сенсация. Применив камеру Вильсона для изучения космических лучей, американский физик Карл Дэвид Андерсон обнаружил след, оставленный какой-то неизвестной частицей. Он ничем не отличался от следов электрона, но отклонился под действием магнитного поля в противоположную сторону. Так был найден позитрон. Он не внес особой смуты в строение атома, но физики еще раз убедились в том, что у каждой странности есть своего рода материальный носитель.
В конце сороковых годов Андерсону посчастливилось открыть еще одну элементарную частицу — мезон (от греческого слова «мезос» — промежуточный, средний). Оказалось, что ее масса покоя в 207 раз больше электронной и примерно в десять раз меньше протонной.
Семья элементарных частиц растет год от года. Их уже более ста. Гипероны, резонансы, бозоны, фермионы… Наконец, нейтрино — самая удивительная из них, названная так итальянским физиком Энрико Ферми. Ее проникающая способность поистине невероятна. В любом плотном веществе она может пролететь больше миллиона миллиардов (!) километров, «не задев» ни одного атома…
Сейчас физики заняты созданием новой теории, поисками «формулы, объясняющей мир». И они уже близки к цели. Здесь умышленно нет еще описаний самых парадоксальных «чудес» микромира — принципа неопределенностей, открытом Вернером Гейзенбергом, «волн материи» Луи де Бройля и других сложных вещей. По словам русского академика Льва Давыдовича Ландау, сознание физиков работает теперь в таких сферах, где воображение уже не может им оказать никаких услуг…
Если нынешние успехи химии и физики действительно потрясающие, то будущее у них еще блистательней. Говоря словами Ньютона, ученые только омочили пальцы ног, стоя на берегу безбрежного океана открытий.
