Вярнуцца: Льоцци Марио. История физики

ГЛАВА 14. CTPOEHИE МАТЕРИИ


Аўтар: Льоцци Марио,
Дадана: 23-10-2014,
Крыніца: Льоцци Марио. История физики. Москва, 1970.



РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

1. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии в английской семье. В Новой Зеландии он получил высшее образование, а затем в 1895 г. приехал в Кембридж и занялся научной работой в качестве ассистента Томсона. В 1898 г. Резерфорд был приглашен на кафедру физики Монреальского университета Мак-Гилла (Канада), где продолжал исследование радиоактивности, начатое еще в Кембридже.

В 1899 г. в Монреале коллега Резерфорда Оунз сообщил ему, что радиоактивность тория чувствительна к потокам воздуха. Это наблюдение показалось любопытным, Резерфорд заинтересовался и обнаружил, что радиоактивность соединений тория, если торий находится в закрытой ампуле, сохраняет постоянную интенсивность, если же опыт производится на открытом воздухе, то она быстро уменьшается, причем на результатах сказываются даже слабые потоки воздуха. Кроме того, тела, расположенные по соседству с соединениями тория, спустя некоторое время сами начинают испускать излучение, как если бы они тоже были радиоактивными. Это свойство Резерфорд назвал «возбужденной активностью».

Резерфорд довольно скоро понял, что все эти явления можно легко объяснить, если предположить, что соединения тория испускают, кроме α-частиц, еще другие частицы, которые в свою очередь радиоактивны. Вещество, состоящее из этих частиц, он назвал «эманацией» и считал его подобным радиоактивному газу, который, располагаясь тончайшим невидимым слоем на телах, находящихся рядом с выделяющим эту эманацию торием, сообщает этим телам кажущуюся радиоактивность. Руководствуясь этим предположением, Резерфорд сумел отделить этот радиоактивный газ с помощью простой вытяжки воздуха, имевшего соприкосновение с препаратом тория, а затем, введя его в ионизационную камеру, определил таким образом его активность и основные физические свойства. В частности, Резерфорд показал, что степень радиоактивности эманации (окрещенной позднее тороном, подобно тому как были названы радоном и актиноном радиоактивные газы, испускаемые радием и актинием) очень быстро уменьшается в геометрической прогрессии в зависимости от времени: каждую минуту активность уменьшается вдвое, через десять минут она уже становится совсем незаметной.

Тем временем супруги Кюри показали, что радий тоже обладает свойством возбуждать активность близлежащих тел. Для объяснения радиоактивности осадков радиоактивных растворов они приняли выдвинутую Беккерелем теорию и назвали это новое явление «индуцированной радиоактивностью». Супруги Кюри полагали, что индуцированная радиоактивность вызывается каким-то особым возбуждением тел лучами, испускаемыми радием: нечто похожее на фосфоресценцию, которой они прямо уподобляли это явление. Впрочем, Резерфорд, говоря о «возбужденной активности», первое время тоже, должно быть, имел в виду явление индукции, которое физика XIX века вполне готова была принять. Но Резерфорду уже было известно нечто большее, нежели супругам Кюри: он знал, что возбуждение, или индукция, было не прямым следствием воздействия тория, а результатом действия эманации. Тогда Кюри еще не открыли эманации радия, она была получена Латером и Дорном в 1900 г., после того как они повторили такие же исследования радия, какие Резерфорд провел ранее с торием.

Весной 1900г., опубликовав свое открытие, Резерфорд прервал исследования и вернулся в Новую Зеландию, где должна была состояться его свадьба. По возвращении в Монреаль в том же году он встретился с Фредериком Содди (1877-1956), окончившим химический факультет в Оксфорде в 1898 г. и также недавно приехавшим в Монреаль. Встреча этих двух молодых людей была счастливым событием для истории физики. Резерфорд рассказал Содди о своем открытии, о том, что ему удалось выделить торон, подчеркнул широкое поле исследований, которое здесь открывалось, и предложил ему объединиться для совместного химико-физического изучения соединения тория. Содди согласился.

Это исследование заняло у молодых ученых два года. Содди, в частности, изучил химическую природу эманации тория. В результате своих исследований он показал, что новый газ совершенно не вступает ни в какие известные химические реакции. Поэтому оставалось предположить, что он принадлежит к числу инертных газов, а именно (как Содди определенно показал в начале 1901 г.) новый газ по своим химическим свойствам подобен аргону (сейчас известно, что это один из его изотопов), который Рэлей и Рамсей обнаружили в воздухе в 1894 г.

Упорная работа двух молодых ученых увенчалась новым значительным открытием: вместе с торием в их препаратах был обнаружен другой элемент, отличавшийся по химическим свойствам от тория, а по активности превосходивший торий по крайней мере в несколько тысяч раз. Этот элемент был химически отделен от тория осаждением с помощью аммиака. По примеру Уильяма Крукса, который в 1900 г. назвал радиоактивный элемент, полученный им из урана, ураном X, молодые ученые назвали новый радиоактивный элемент торием X. Активность этого нового элемента в течение четырех дней уменьшается наполовину; этого времени было достаточно, чтобы обстоятельно изучить его. Исследования позволили сделать не подлежащий сомнению вывод: эманация тория получается вовсе не из тория, как это казалось, а из тория X. Если в некотором образце тория торий X отделялся от тория, то интенсивность радиации тория была сначала намного меньше, чем до разделения, но постепенно она увеличивалась со временем по экспоненциальному закону благодаря постоянному образованию нового радиоактивного вещества.

В первой работе 1902 г. ученые, объясняя все эти явления, пришли к выводу, что

«...радиоактивность - это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества. Эти изменения д0лжны происходить внутри атома, а радиоактивные элементы являются, должно быть, спонтанными превращениями атомов... Поэтому радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса».

А в следующем году они писали уже более определенно:

«Радиоактивные элементы обладают среди всех других элементов самым большим атомным весом. Это, собственно, и есть их единственное общее химическое свойство. В результате атомного распада и выбрасывания тяжелых заряженных частиц с массой того же порядка, что и масса атома водорода, остается новая система, более легкая, чем первоначальная, с физическими и химическими свойствами, совершенно отличными от свойств исходного элемента. Процесс распада, начавшись однажды, затем уже переходит с одной ступени на другую с определенными скоростями, вполне измеримыми. На каждой ступени испускается одна или несколько α-частиц, пока не достигаются последние ступени, когда α-частицы или электроны уже испущены. По-видимому, целесообразно было бы дать специальные названия этим новым осколкам атомов и новым атомам, которые получаются из первоначального атома после испускания частицы и существуют лишь ограниченный отрезок времени, постоянно подвергаясь дальнейшим изменениям. Их отличительным свойством является неустойчивость. Количества, в которых они могут скопляться, очень невелики, так что маловероятно, чтобы их можно было изучать обычными способами. Неустойчивость и связанное с ней испускание лучей и дают нам способ их изучения. Поэтому мы предлагаем называть эти осколки атомов "метаболонами"».

Предложенный термин не удержался, потому что эта первая осторожная попытка сформулировать теорию была вскоре исправлена самими авторами и уточнена в ряде неясных пунктов, которые, наверно, отметил и сам читатель. В исправленном виде теория уже не нуждалась в новом термине и лет десять спустя одним из этих молодых ученых, ставшим к тому времени уже ученым с мировым имененем и лауреатом Нобелевской премии по физике, была выражена так:

«Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев с огромной скоростью выбрасывается осколок атома - α-частица, в некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением рентгеновских лучей, обладающих большой проникающей способностью и известных под названием γ-излучения. Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распада. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само тоже неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения...

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».

В уже цитировавшейся статье 1903 г. Резерфорд и Содди составили таблицу «метаболонов», которые, согласно их теории, образуются в соответствии с их собственными опытами и опытами других ученых как продукты распада:

Таковы первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Постепенно другие вещества заняли свое место в этих семействах естественных радиоактивных элементов, и было установлено, что таких семейств всего три, из коих два имеют родоначальником уран, а третье - торий. Первое семейство насчитывает 14 «потомков», т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате последовательного распада, второе - 10, третье - 11; в любом современном учебнике физики можно найти подробное описание этих «генеалогических деревьев».

Позволим себе одно замечание. Сейчас может казаться вполне естественным, более того, само собой разумеющимся тот вывод, к которому пришли в результате своих опытов Резерфорд и Содди. По сути дела, о чем шла речь? О том, что спустя некоторое время в первоначально чистом тории оказывалась примесь нового элемента, из которого в свою очередь образовывался газ, также обладающий радиоактивностью. Образование новых элементов можно видеть наглядно. Наглядно, но не очень. Нужно иметь в виду, что количества, в которых образовывались новые элементы, были очень далеки от тех минимальных доз, которые в то время были необходимы для самого точного химического анализа. Речь шла о едва заметных следах, которые можно обнаружить лишь радиоактивными методами, по фотографии и ионизации. Но все эти эффекты можно было объяснить и другим способом (индукцией, присутствием новых элементов в исходных препаратах с самого начала, как это было при открытии радия, и т. п.). То, что распад вовсе не был так уж очевиден, ясно хотя бы из того, что ни Крукс, ни Кюри не увидели ни малейшего намека на это, хотя и наблюдали аналогичные явления. Нельзя умолчать и о том, что нужно было большое мужество, чтобы в 1903 г., в самый разгар триумфа атомистики, говорить о превращениях элементов. Эта гипотеза отнюдь не была защищена от всевозможной критики и, быть может, не устояла бы, если бы Резерфорд и Содди с удивительным упорством не отстаивали ее в течение целых десятилетий, прибегая все к новым доказательствам, о которых мы еще будем говорить.

Нам кажется уместным прибавить здесь, что теория радиоактивной индукции также оказала большую услугу науке, предотвратив распыление сил в поисках новых радиоактивных элементов при каждом проявлении радиоактивности у нерадиоактивных элементов.

2. ПРИРОДА α-ЧАСТИЦ

Очень важным пунктом в теории радиоактивного распада, который мы до сих пор обходили, однако, молчанием в целях простоты изложения, является природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, ибо гипотеза, приписывающая им корпускулярные свойства, имеет определяющее значение для теории Резерфорда и Содди.

Сначала α-частицы - медленная, легко поглощаемая веществом компонента излучения - после их открытия Резерфордом не привлекали особого внимания физиков, интересовавшихся преимущественно быстрыми β-лучами, обладающими в сто раз большей проникающей способностью, нежели α-частицы.

Тот факт, что Резерфорд предугадал важность α-частиц для объяснения радиоактивных процессов и многие годы посвятил их изучению, является одним из самых ясных проявлений гениальности Резерфорда и одним из главных факторов, определивших успех его деятельности.

В 1900 г. Роберт Рэлей (Роберт Стретт, сын Джона Уильяма Рэлея) и независимо от него Крукс выдвинули гипотезу, не подтвержденную никаким опытным доказательством, согласно которой α-частицы несут положительный заряд. Сегодня очень хорошо можно понять те трудности, которые стояли на пути экспериментального исследования α-частиц. Этих трудностей две: во-первых, α-частицы намного тяжелее β-частиц, поэтому они незначительно отклоняются под воздействием электрических и магнитных полей, и, конечно, простого магнита было недостаточно, чтобы получить заметное отклонение; во-вторых, α-частицы быстро поглощаются воздухом, отчего наблюдать их становится еще труднее.

В течение двух лет Резерфорд пытался добиться отклонения α-частиц в магнитном поле, но все время получал неопределенные результаты. Наконец, в конце 1902 г., когда ему удалось благодаря любезному посредничеству Пьера Кюри получить достаточное количество радия, он смог надежно установить отклонение α-частиц в магнитном и электрическом полях с помощью показанного на стр. 364 устройства.

Наблюдавшееся им отклонение позволило определить, что α-частица несет положительный заряд; по характеру отклонения Резерфорд определил также, что скорость α-частицы приблизительно равна половине скорости света (позднейшие уточнения уменьшили скорость примерно до одной десятой скорости света); отношение e/m получилось равным приблизительно 6000 электромагнитных единиц. Из этого следовало, что если α-частица несет элементарный заряд, то ее масса должна быть вдвое больше массы атома водорода. Резерфорд отдавал себе отчет в том, что все эти данные в высшей степени приближенны, но один качественный вывод они все же позволяли сделать: α-частицы обладают массой того же порядка, что и атомные массы, и поэтому подобны каналовым лучам, которые наблюдал Гольдштейн, но обладают значительно большей скоростью. Полученные результаты, говорит Резерфорд, «проливают свет на радиоактивные процессы», и отражение этого света мы уже видели в цитировавшихся отрывках из статей Резерфорда и Содди.

В 1903 г. Мария Кюри подтвердила открытие Резерфорда с помощью описываемой теперь во всех учебниках физики установки, в которой благодаря сцинтилляции, вызываемой всеми лучами, которые испускает радий, можно было одновременно наблюдать противоположные отклонения α-частиц и β-лучей и невосприимчивость γ-излучения к электрическому и магнитному полям.

Теория радиоактивного распада навела Резерфорда и Содди на мысль, что все устойчивые вещества, получающиеся при радиоактивных превращениях элементов, должны присутствовать в радиоактивных рудах, в которых эти превращения происходят уже в течение многих тысяч лет. Не следует ли тогда считать гелий, найденный Рамсеем и Траверсом в урановых рудах, продуктом радиоактивного распада?

С начала 1903 г. изучение радиоактивности получило неожиданно новый толчок благодаря тому, что Гизель (фирма «Хининфабрик», Брауншвейг) выпустил в продажу по сравнительно умеренным ценам такие чистые соединения радия, как гидрат бромистого радия, содержащий 50% чистого элемента. До этого приходилось работать с соединениями, содержавшими самое большее 0,1% чистого элемента!

К тому времени Содди вернулся в Лондон, чтобы продолжать там изучение свойств эманации в химической лаборатории Рамсея - единственной тогда в мире лаборатории, где можно было проводить исследования такого рода. Он купил 30 мг поступившего в продажу препарата, и этого количества оказалось ему достаточно, чтобы вместе с Рамсеем в том же 1903 г. доказать, что гелий присутствует в радии, имеющем возраст несколько месяцев, и что при распаде эманации образуется гелий.

Но какое место занимал гелий в таблице радиоактивных превращений? Был ли он конечным продуктом превращений радия или же продуктом какой-то из стадий его эволюции? Резерфорд очень скоро догадался, что гелий образуемся α-частицами, испускаемыми радием, что каждая α-частица является атомом гелия с двумя положительными зарядами. Но чтобы доказать это, понадобились годы работы. Доказательство было получено лишь тогда, когда Резерфорд и Гейгер изобрели счетчик α-частиц, о котором мы говорили в гл. 13. Измерение заряда отдельной α-частицы и определение отношения e/m сразу же дало для ее массы m значение, равное массе атома гелия.

И все же все эти исследования и подсчеты еще не доказывали решительно, что α-частицы тождественны с ионами гелия. В самом деле, если бы, скажем, одновременно с выбрасыванием α-частицы освобождался атом гелия, то все опыты и расчеты оставались бы в силе, но α-частица могла бы быть и атомом водорода или какого-нибудь другого неизвестного вещества. Резерфорд хорошо понимал возможность такой критики и, чтобы отклонить ее, в 1908 г. вместе с Ройдсом дал решительное доказательство своей гипотезы с помощью установки, схематически изображенной на приведенном рисунке: α-частицы, испускаемые радоном, собираются и накапливаются в трубке для спектроскопического анализа; при этом наблюдается характерный спектр гелия.

Таким образом, начиная с 1908 г. уже не было никаких сомнений в том, что α-частицы являются ионами гелия и что гелий представляет собой составную часть естественных радиоактивных веществ.

Прежде чем перейти к другому вопросу, добавим еще, что через несколько лет после обнаружения гелия в урановых рудах американский химик Болтвуд, исследуя руды, содержащие уран и торий, пришел к выводу, что последним нерадиоактивным продуктом последовательного ряда превращений урана является свинец и что, кроме того, радий и актиний - сами продукты распада урана. Таблица «метаболонов» Резерфорда и Содди должна была, таким образом, претерпеть существенное изменение.

Теория атомного распада приводила к еще одному новому интересному следствию. Поскольку радиоактивные превращения происходят с неизменной скоростью, которую не мог изменить никакой физический фактор, известный в то время (1930 г.), то по соотношению количеств урана, свинца и гелияг присутствующих в урановой руде, можно определить возраст самой руды, т. е. возраст Земли. Первый подсчет дал цифру в один миллиард восемьсот миллионов лет, но Джон Джоли (1857-1933) и Роберт Рэлей (1875-1947), проведшие важные исследования в этой области, считали эту оценку весьма неточной. Сейчас возраст урановых руд считают примерно равным полутора миллиардам лет, что не очень отличается от первоначальной оценки.

3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОСТИ

Мы уже говорили, что Резерфорд установил на опыте экспоненциальный закон убывания активности эманации тория со временем: активность уменьшается вдвое примерно за одну минуту. Все радиоактивные вещества, исследованные Резерфордом и другими, подчинялись качественно такому же закону, но каждому из них соответствовал свой период полураспада. Этот экспериментальный факт выражается простой формулой, устанавливающей соотношение между числом N0 радиоактивных атомов в начальный момент и числом еще не распавшихся атомов в момент t. Этот закон можно выразить иначе: доля атомов, распадающихся за определенный промежуток времени, является постоянной, характеризующей элемент, и называется постоянной радиоактивного распада, а величина, обратная ей, называется средним временем жизни.

До 1930 г. не было известно какого-либо фактора, который влиял бы хоть в малейшей степени на естественную скорость этого явления. Начиная с 1902 г., Резерфорд и Содди, а затем и многие другие физики помещали радиоактивные тела в самые различные физические условия, но ни разу не получили ни малейшего изменения постоянной радиоактивного распада.

«Радиоактивность, - писали Резерфорд и Содди, - согласно нашим сегодняшним знаниям о ней, следует рассматривать как результат процесса, остающегося совершенно вне сферы действия известных нам и контролируемых сил; она не может быть ни создана, ни изменена, ни остановлена».

Среднее время жизни элемента - это точно определенная константа,, неизменная для каждого элемента, однако индивидуальное время жизни отдельного атома данного элемента совершенно неопределенно. Среднее время жизни не уменьшается со временем: оно одно и то же как для группы только что образовавшихся атомов, так и для группы атомов, образовавшихся в ранние геологические эпохи. Короче говоря, прибегая к антропоморфному сравнению, можно сказать, что атомы радиоактивных элементов умирают, но не стареют. В общем с самого начала основной закон радиоактивности показался совершенно непостижимым, каким остается и до наших дней.

Из всего сказанного ясно, и это было понятно сразу же, что закон радиоактивности - закон вероятностный. Он утверждает, что возможность распада атома в данный момент одинакова для всех имеющихся радиоактивных атомов. Речь идет, таким образом, о статистическом законе, который тем яснее выявляется, чем больше число рассматриваемых атомов. Если бы на явление радиоактивности влияли внешние причины, то объяснение этого закона было бы довольно простым: в таком случае атомами, распадающимися в данный момент, были бы как раз те атомы, которые находятся по отношению к воздействующей внешней причине в особенно благоприятных услов-виях. Эти особые условия, приводящие к распаду атома, можно было бы, например, объяснить тепловым возбуждением атомов. Иными словами, статистический закон радиоактивности имел бы тогда такой же смысл, как и статистические законы классической физики, рассматриваемые как синтез частных динамических законов, которые из-за большого их числа просто удобно рассматривать статистически.

Но данные опыта не давали абсолютно никакой возможности свести этот статистический закон к сумме частных законов, определяемых внешними причинами. Исключив внешние причины, стали искать причины превращения атома в самом атоме.

«Так как, - писала Мария Кюри, - в совокупности большого числа атомов некоторые из них немедленно разрушаются, в то время как другие продолжают существовать в течение очень долгого времени, то нельзя уже рассматривать все атомы одного и того же простого вещества как совершенно одинаковые, а следует признать, что различие в их судьбе определяется индивидуальными различиями. Но тогда возникает новая трудность. Различия, которые мы хотим учитывать, должны быть такого рода, что они не должны определять, так сказать, «старения» вещества. Они должны быть такими, чтобы вероятность того, что атом проживет еще некоторое данное время, не зависела от того времени, в течение которого он уже существует. Любая теория строения атомов должна удовлетворять этому требованию, если она основана на высказанных выше соображениях».

Точку зрения Марии Кюри разделял и ее ученик Дебьерн, который выдвинул предположение, что каждый радиоактивный атом непрерывно быстро проходит через многочисленные различные состояния, сохраняя неизменным и независимым от внешних условий некое среднее состояние. Отсюда следует, что в среднем все атомы одного и того же вида обладают одинаковыми свойствами и одинаковой вероятностью распада, обусловливаемого неустойчивым состоянием, через которое атом время от времени проходит. Но наличие постоянной вероятности распада атома предполагает чрезвычайную его сложность, поскольку он должен состоять из большого числа элементов, подверженных беспорядочным движениям. Это внутриатомное возбуждение, ограниченное центральной частью атома, может привести к необходимости введения внутренней температуры атома, которая значительно выше внешней.

Эти соображения Марии Кюри и Дебьерна, не подтвержденные, однако, никакими опытными данными и не приведшие ни к каким реальным следствиям, не нашли отклика среди физиков. Мы вспомнили их потому, что оказавшаяся безрезультатной попытка классического истолкования закона радиоактивного распада была первым, или по крайней мере наиболее убедительным, примером статистического закона, который нельзя получить из законов индивидуального поведения отдельных объектов. Возникает новая концепция статистического закона, данного непосредственно, безотносительно к поведению индивидуальных объектов, составляющих совокупность. Такая концепция станет ясной лишь спустя десять лет после безуспешных усилий Кюри и Дебьерна.

4. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

В первой половине прошлого века некоторые химики, в частности Жан Батист Дюма (1800-1884), В заметили определенную связь между атомным весом элементов и их химическими и физическими свойствами. Эти наблюдения были завершены Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907), который в 1868 г. опубликовал свою гениальную теорию периодической системы элементов, одно из самых глубоких обобщений в химии. Менделеев расположил известные в то время элементы в порядке возрастания атомного веса. Вот первые из них, с указанием их атомного веса по данным того времени:

7Li; 9,4Ве; 11В; 12С; 14N; 160; 19F;

23Na; 24Mg; 27,3Al; 28Si; 31P; 32S; 35,50Сl.

Менделеев заметил, что химические и физические свойства элементов являются периодическими функциями от атомного веса. Например, в первом ряду выписанных элементов плотность регулярно возрастает с увеличением атомного веса, достигает максимума в середине ряда, а затем уменьшается; такую же периодичность, хотя и не столь четкую, можно видеть и в отношении других химических и физических свойств (точка плавления, коэффициент расширения, проводимость, окисляемость и т. п.) для элементов как первого, так и второго ряда. Эти изменения происходят по одинаковому закону в обоих рядах, так что элементы, которые находятся в одной и той же колонке (Li и Na, Be и Mg и т. д.), обладают аналогичными химическими свойствами. Эти два ряда называются периодами. Таким образом, все элементы можно распределить по периодам в соответствии с их свойствами. Из этого и следует закон Менделеева: свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов.

Здесь не место рассказывать об оживленной дискуссии, которую вызвала периодическая классификация, и о ее постепенном утверждении благодаря бесценным услугам, которые она оказала развитию науки. Достаточно лишь указать, что к концу прошлого столетия она была принята почти всеми химиками, которые принимали ее как опытный факт, убедившись в тщетности всех попыток теоретически ее интерпретировать.

В самом начале XX века при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал, торианит, который, как известно сейчас, представляет собой ториево-урановый минерал. Некоторое количество торианита было послано в Англию для анализа. Однако при первом анализе из-за ошибки, которую Содди приписывает известной немецкой работе по аналитической химии, был спутан торий с цирконием, из-за чего исследуемое вещество, считавшееся урановой рудой, было подвергнуто обработке по методу Кюри для отделения радия от урановой руды. В 1905 г., применив указанный способ, Вильгельм Рамсей и Отто Хан (последний обессмертил свое имя тридцать лет спустя, открыв реакцию деления урана) получили вещество, которое химический анализ определял как торий, но которое отличалось от него гораздо более интенсивной радиоактивностью. Как и в случае тория, в результате его распада образовались торий X; торон и другие радиоактивные элементы. Интенсивная радиоактивность свидетельствовала о наличии в полученном веществе нового радиоактивного элемента, химически еще не определенного. Его назвали радиоторием. Вскоре выяснилось, что он представляет собой элемент из ряда распада тория, что он ускользнул от предшествовавшего анализа Резерфорда и Содди и должен быть вставлен между торием и торием X. Среднее время жизни радиотория оказалось равным примерно двум годам. Это достаточно долгий срок, чтобы радиоторий мог заменить в лабораториях дорогостоящий радий. Помимо чисто научного интереса, эта экономическая причина побудила многих химиков попытаться выделить его, но все попытки оказались безрезультатными. Никаким химическим процессом отделить его от тория не удавалось, более того, в 1907 г. проблема, казалось, еще более усложнилась, потому что Хан открыл мезоторий - элемент, порождающий радиоторий, который тоже оказался неотделимым от тория. Американские химики Мак-Кой и Росс, потерпев неудачу, имели смелость объяснять ее и неудачи других экспериментаторов принципиальной невозможностью отделения, но их современникам такое объяснение показалось лишь удобной отговоркой. Между тем в период 1907-1910 гг. были отмечены другие случаи, когда одни радиоактивные элементы не удавалось отделить от других. Наиболее типичными примерами были торий и ионий, мезоторий I и радий, радий D и свинец.

Некоторые химики уподобляли неотделимость новых радиоэлементов случаю с редкоземельными элементами, с которым химия столкнулась в XIX веке. Первое время сходные химические свойства редких земель заставили считать свойства этих элементов одинаковыми, и лишь позднее по мере совершенствования химических методов постепенно удалось отделить их. Однако Содди считал, что эта аналогия надуманная: в случае с редкими землями трудность состояла не в том, чтобы разделить элементыг а в том, чтобы установить факт их разделения. Напротив, в случае радиоактивных элементов с самого начала ясно различие двух элементов, а вот отделить их не удается.

В 1911 г. Содди провел систематическое исследование коммерческого препарата мезотория, содержащего также радий, и обнаружил, что относительное содержание одного из этих двух элементов увеличить невозможно, даже прибегая к многократной фракционной кристаллизации. Содди пришел к выводу, что два элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами и тем не менее иметь настолько сходные другие химические и физические свойства, что они оказываются неразделимыми с помощью обычных химических процессов. Если два таких элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, их следует помещать на одно и то же место в периодической таблице элементов; поэтому он назвал их изотопами.

Исходя из этой основной идеи, Содди попытался дать теоретическое объяснение, сформулировав «правило смещения при радиоактивных превращениях»: испускание одной α-частицы приводит к смещению элемента на два места влево в периодической системе. Но превращенный элемент может впоследствии вернуться в ту же клетку периодической системы при последующем испускании двух β-частиц, в результате чего два элемента будут обладать одинаковыми химическими свойствами, несмотря на различные атомные веса. В 1911 г. химические свойства радиоактивных элементов, испускающих β-лучи и обладающих, как правило, очень малой продолжительностью жизни, были еще мало известны, поэтому, прежде чем принять такое объяснение, нужно было лучше узнать свойства элементов, испускающих β-лучи. Содди поручил эту работу своему ассистенту Флекку. Работа потребовала много времени, и в ней приняли участие оба ассистента Резерфорда - Рессел и Хевеши; позднее этим занялся также Фаянс.

Весной 1913 г. работа была завершена и правило Содди было подтверждено без всяких исключений. Его можно было сформулировать очень просто: испускание α-частицы уменьшает атомный вес данного элемента на 4 единицы и смещает элемент на два места влево в периодической системе; испускание же β-частицы не меняет существенно атомного веса элемента, но смещает его на одно место вправо в периодической системе. Поэтому если за превращением, вызванным испусканием α-частицы, следует два превращения с испусканием β-частиц, то после трех превращений элемент возвращается на первоначальное место в таблице и приобретает те же химические свойства, что и исходный элемент, обладая, однако, атомным весом, меньшим на 4 единицы. Из этого ясно следует также, что изотопы двух различных элементов могут иметь одинаковый атомный вес, но различные химические свойства. Стьюарт назвал их изобарами. На стр. 371 воспроизведена схема, иллюстрирующая правило смещения при радиоактивных превращениях в форме, данной Содди в 1913 г. Сейчас мы знаем, конечно, значительно больше радиоактивных изотопов, чем знал Содди в 1913 г. Но нам не стоит, пожалуй, прослеживать все эти последующие технические завоевания. Важнее лишний раз подчеркнуть главное: α-частицы несут два положительных заряда, а β-частицы - один отрицательный заряд; испускание любой из этих частиц изменяет химические свойства элемента. Глубокий смысл правила Содди состоит, таким образом, в том, что химические свойства элементов, или по крайней мере радиоактивных элементов, пока это правило не распространено дальше, связаны не с атомным весом, как это утверждала классическая химия, а с внутриатомным электрическим зарядом.

НЕКВАНТОВЫЕ МОДЕЛИ АТОМА

5. ПЕРВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СЛОЖНОМ СТРОЕНИИ АТОМОВ

Вторая часть работы Джозефа Джона Томсона, в которой изложен упоминавшийся нами в гл. 11 метод определения отношения заряда электрона к efo массе, посвящена рассмотрению строения вещества. Из первых опытов, как мы уже говорили, следовало, что «корпускулы» обладают массой, которая несомненно значительно меньше, нежели масса самого простого атома, однако, по мнению Дж. Дж. Томсона, не меньше десятой или сотой доли массы атома водорода. Томсон считал приемлемой гипотезу Праута, согласно которой различные химические элементы представляют собой различные соединения атомов первоэлемента одной и той же природы. Если заменить атомы водорода из гипотезы Праута «корпускулами», то теория первоэлемента согласуется как с опытными данными, так и с выдвинутой в то время для объяснения особенностей спектров звезд гипотезой Нормана Локкайера.

Но как располагаются «корпускулы» в атоме? Дж. Дж. Томсон считал, что можно принять модель Босковича или даже просто модель «некоторого числа взаимоотталкивающихся частиц, сдерживаемых вместе некоторой центральной силой». К сожалению, экспериментальное изучение такого «коллектива» частиц так стремительно усложняется с ростом числа частиц, что практически становится невозможным. Поэтому целесообразнее прибегнуть к модельным представлениям, чтобы уяснить возможную структуру этих атомов, состоящих из корпускул.

По мнению Дж. Дж. Томсона, самой простой моделью следует считать модель плавающих магнитов, предложенную американцем Альфредом Майером. В этой модели магниты самопроизвольно располагаются в состоянии равновесия под действием взаимного отталкивания и силы притяжения большого магнита. Если плавающих магнитов не больше пяти, то они располагаются в вершинах правильного многоугольника; если же их больше, то они располагаются несколькими кольцами. Например, если магнитов шесть, то один помещается в центре, остальные пять его окружают, располагаясь в вершинах правильного многоугольника; если магнитов 29, то один помещается в центре, его окружает первое кольцо из 6 магнитов, второе, большее кольцо из 10 магнитов и третье, еще большее кольцо из 12 магнитов. Если принять эту систему магнитов за модель атома, причем число магнитов будет пропорционально атомному весу, то из нее сразу же следует, что если, скажем, какое-нибудь свойство зависит от числа магнитов в самом меньшем круге, то, поскольку кольцо такого типа может повторяться в нескольких моделях, появляется возможность рационального объяснения периодической системы элементов. Какая соблазнительная перспектива для физики конца прошлого века!

Но, к сожалению, эта модель смогла продержаться лишь несколько месяцев. В самом деле, ее достоверность связана с идеей о небольшом числе составляющих атом «корпускул», порядка нескольких десятков. Но если для представления строения простейшего атома требуется вообразить целое облако из тысяч «корпускул», то такая модель, очевидно, не давала бы никаких возможностей для экспериментального изучения, а может быть, и для теоретического. Вот почему, когда вскоре после этого Дж. Дж. Томсон и другие установили, что эти «корпускулы» (отныне мы будем называть их современным именем - электроны) обладают массой, во много раз меньшей массы атома водорода, Томсон вынужден был (в 1899 г.) изменить свою модель. Теперь она выглядела так: нейтральный атом содержит большое число электронов, отрицательный заряд которых компенсируется

«чем-то, что делает пространство, в котором рассеяны электроны, способным действовать так, как если бы оно имело положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов».

Эта вторая томсоновская модель атома все еще страдает некоторой неясностью, но по сравнению с первой это уже большой шаг вперед, потому что она признает, что атом состоит не только из электронов, но из электронов и из чего-то, точно еще не определенного, которое служит как бы центром образования атома.

6. АТОМ ТОМСОНА

Вторая модель Дж. Дж. Томсона вскоре получила более четкий характер благодаря работе лорда Кельвина, чей огромный авторитет, несомненно, сильно помог дальнейшему успеху модели Томсона. В этой работе, появившейся в 1901 г., выдвигается предположение, что поток отрицательного электричества, состоящий из электронов (которые Кельвин; пожалуй, этимологически более правильно называет электрионами по аналогии с термином ионы), свободно пронизывает не только пустое пространство между атомами, но и сами атомы. Кроме того, Кельвин постулирует притяжение между атомом обычной материи и электроном, определяемое следующим законом:

Притяжение атомом внешнего электрона обратно пропорционально квадрату расстояния между их центрами, а притяжение электрона, находящегося внутри самого атома, пропорционально расстоянию между их центрами.

Этот закон, согласно знаменитой теореме Ньютона, равносилен допущению о равномерном распределении положительного электричества в пространстве, занимаемом атомом обычной материи. Из этого следовало, что существует два рода электричества: отрицательное, «зерновидное», и положительное в виде непрерывного облака, как обычно представляли себе «флюиды», и в частности эфир.

Обычная незаряженная материя представляет собой совокупность атомов, содержащих столько электронов, сколько необходимо для того, чтобы вне атома нейтрализовать электрические силы. Короче говоря, модель атома Кельвина предполагает, что в атоме имеется равномерное сферическое распределение положительного электричества и определенное число электронов. Но при чтении статьи Кельвина нельзя понять, является ли для него так называемая материя носителем этого электрического заряда или же она отождествляется с ним. Эта же двусмысленность потом будет присуща и последующим моделям атома.

Как бы там ни было, простейшая модель атома представляет собой равномерное сферическое распределение положительного электрического заряда с одним электроном в центре. Что же касается атомов с двумя и более электронами, то здесь возникает проблема устойчивости, которую Кельвин без долгих рассуждений разрешает утверждением, что электроны, вероятно, располагаются по сферическим поверхностям, концентричным границе атома, находящимся внутри него, и, должно быть, вращаются вокруг центра.

Модель Кельвина подымала две важные проблемы. Вращающиеся электроны должны были бы, согласно электромагнитной теории света, вызывать электромагнитные волны и магнитное поле. Как проявляются оба эти явления? Изучением этого занялся Дж. Дж. Томсон и примерно в течение пятнадцати лет оставался верным модели Кельвина, которая была воспринята физиками как развитие модели Дж. Дж. Томсона и поэтому в течение первых двух десятилетий нашего века называлась «атомом Томсона».

Томсон установил сначала (1903 г.), что вращающиеся электроны должны создавать эллиптически поляризованные световые волны. Что же касается магнитного поля, создаваемого вращающимися зарядами, то, как показывала теория представление об электронах, вращающихся под действием силы, пропорциональной расстоянию, не может объяснить магнитных свойств тел, если только движение происходит без рассеяния энергии. Если допустить, что движение частиц испытывает торможение по какой-то неизвестной причине, то таким образом можно было бы объяснить парамагнетизм. Но происходит ли на самом деле рассеяние энергии? Томсон не высказывается ясно на этот счет, предчувствуя серьезные следствия, которые повлекло бы за собой такое утверждение. За год до этого Вильгельм Фохт тоже был вынужден для объяснения пара- и диамагнетизма привлечь довольно сложную гипотезу о вращающихся электронах, тормозимых в их движении постоянными соударениями. В противоположность заключениям Томсона и Фохта Пьер Ланжевен в одной чрезвычайно важной работе 1905 г., на которую все еще продолжают опираться книги по теории магнетизма, считает возможным придать гипотезе Ампера точное истолкование с помощью модели вращающихся по замкнутым траекториям электронов. Ланжевен показал также, что эффект Зеемана можно объяснить гипотезой вращающихся электронов, даже не зная закона притяжения, удерживающего электроны на орбите.

Механическая устойчивость атомной структуры была исследована Дж. Дж. Томсоном в его следующей работе в том же 1904 г. Он пришел к выводу, что электроны должны находиться в быстром вращательном движении, причем скорость их не меньше некоторой определенной предельной величины, а если электронов много (больше восьми), то они располагаются несколькими кольцами (отсюда и связь между структурой атомов и периодической системой элементов) и число электронов в каждом кольце уменьшается с уменьшением радиуса самого кольца. В радиоактивных атомах вследствие излучения скорость электронов постепенно уменьшается; когда она достигает предельной величины, устойчивость нарушается и происходит взрыв атома, в результате которого выбрасываются частицы и устанавливается новая структура атома.

Известно, что атом Томсона не устоял перед критикой и перед опытной проверкой. Но было бы неверно думать, что его исследование было бесполезно. Напротив, оно представляло собой ценное руководство для теоретических и опытных изысканий того времени и выявило основные проблемы, которые предстояло решить при любой модели атома, принимающей электроны его составной частью. Эти проблемы можно свести к трем: связь между числом и распределением электронов и массой атома; природа и распределение положительного электричества, компенсирующего общий отрицатель ный заряд электронов; природа и распределение массы атома.

Томсон понимал, что главная проблема, перед которой стоит любая модель атома, состоит в нахождении такого пути, который позволил бы по данным опыта как-то судить о числе электронов, содержащихся в атоме. И он нашел такой путь, предположив, что каждый электрон является центром рассеяния излучения, падающего на атом. Если основываться на этой гипотезе, то четыре явления позволяли получить необходимые оценки: рассеяние рентгеновских лучей, поглощение катодных лучей, дисперсия света и отклонение быстрых заряженных частиц при их прохождении через вещество.

Идя по этому пути, Дж. Дж. Томсон и многие другие исследователи, среди которых самыми известными были Краутер и Баркла, пришли к выводу, что число электронов в атоме должно быть пропорционально атомному весу. Точнее говоря, Краутер, исходя из опытов по рассеянию лучей, пришел в 1910 г. к выводу, что число электронов должно быть в 2-3 раза больше атомного веса данного элемента; Баркла же по данным о рассеянии рентгеновских лучей в 1911 г. пришел к выводу, что в легких атомах число электронов должно равняться примерно половине их атомного веса. Эти данные взаимно противоречивы, но их объединяет одно: число электронов каким-то образом связывается с массой рассматриваемого атома. Разве уже один этот качественный вывод, который впоследствии побудит других к более тщательным исследованиям, не делает атом Томсона достойным упоминания?

Гораздо труднее получить данные, необходимые для решения второй проблемы, касающейся положительного заряда атома. Здесь вопрос не столь ясен, как в случае с отрицательными зарядами. И все же, по мнению Томсона, имелись два указания на существование положительного заряда в атоме. Испускание α-частиц радиоактивными веществами заставляло предполагать, что они исходили изнутри атома, более того, они представляли собой составную часть атомов в радиоактивных элементах. А разве устойчивые элементы не могли иметь тот же состав?

«По-моему, - писал Томсон в 1913 г., - можно быть уверенным, что и другие атомы, помимо атомов радиоактивных элементов, могут быть тоже разложены и что гелий может быть получен в качестве продукта такого разложения».

Более того, - и это как раз и есть второе указание на существование положительного заряда в атоме - Томсону показалось, что он наблюдал (каким метким кажется нам замечание Гальвани о том, что часто каждый из нас видит в явлениях то, что хочет видеть!), как некоторые металлы, бомбардируемые быстрыми катодными лучами, испускали гелий. Однако этот факт был позже опровергнут Марией Кюри.

7. АТОМ НАГАОКА - РЕЗЕРФОРДА

Кельвин лишь упомянул о возможности существования внутри атома центрального положительно заряженного ядра. Эта идея, оставленная без внимания Томсоном, была развита японским физиком Хантаро Нагаока (1865-1950) в сообщении, сделанном им в декабре 1903 г. в Токийском физико-математическом обществе; в следующем году это сообщение было опубликовано в английском журнале «Nature». Томсон выдвигал свою модель, учитывая прежде всего электрические явления, тогда как Нагаока решил заняться изучением сатурноподобной системы, чтобы попытаться объяснить спектры эмиссии.

«Система, - разъясняет ученый, - состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через равные угловые интервалы и взаимно отталкивающихся, с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; в центре круга помещается большая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону».

Заметив, что при движении частиц вокруг центра система остается устойчивой по отношению к малым поперечным или продольным колебаниям, Нагаока добавляет:

«Очевидно, рассмотренная здесь система будет приблизительно реализована, если мы разместим электроны по кольцу, а положительный заряд в центре. Такой атом не будет противоречить результатам недавних опытов с катодными лучами, радиоактивностью и другими связанными с этим явлениями».

И все же первое время модель Нагаока не имела особого успеха.

В 1908 г. Гейгер и Марсден начали экспериментальное изучение прохождения α-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов. Они заметили, что большинство частиц проходит через пластинку почти по прямой и продолжает дальше за пластинкой свой путь так, как будто никакого препятствия со стороны вещества и не было. Аналогичное наблюдение было проведено Уильямом Брэггом в 1904 г. Но Гейгер и Марсден заметили, что наряду с таким поведением большинства α-частиц иногда какая-нибудь частица - примерно одна из 10 000 - все же сильно отклонялась, причем отклонение было больше прямого угла.

Здесь, несомненно, речь шла о явлении столкновения а-частицы с атомами вещества. Но как в модели атома Томсона, так и в модели Нагаока предполагалось радикальное изменение понятия столкновения атомов по сравнению с тем, которое существовало в кинетической теории газов. В кинетической теории атомы уподоблялись упругим шарикам и проблемы столкновения рассматривались точно так же, как рассматривается столкновение двух бильярдных шаров. Новые модели атомов больше не допускали такого уподобления, потому что при сближении двух атомов со своими электрическими зарядами между соответствующими электрическими зарядами возникают довольно значительные силы отталкивания, изменяющие первоначальные траектории атомов: «удара» в механическом смысле не происходит. Теория, объясняющая изменение движения двух таких сильно сближающихся атомов, гораздо сложнее с математической точки зрения. В первом приближении, однако, движение двух таких атомов с соответствующими зарядами изменяется приблизительно так же, как и при механическом столкновении, поэтому можно еще продолжать говорить о столкновениях, помня, однако, что это не настоящие столкновения.

Имея все это в виду, Томсон истолковывал сильное отклонение, наблюдавшееся Гейгером и Марсденом, не как отклонение, вызванное одним-единственным столкновением α-частицы с атомом, а как сумму многочисленных мелких отклонений частицы в ее последовательных столкновениях с атомами проходимого вещества. Напрасно было бы ждать, чтобы Томсон объяснил, каким же образом последовательные мелкие отклонения направлены все в одну сторону так, что складываются в одно общее большое отклонение, которое и наблюдается.

Модель Томсона не допускала другой интерпретации опыта Гейгера и Марсдена, ибо очевидно, даже если не вникать в расчеты Томсона, что размазанный положительный электрический заряд (α-частица), проходя через другой размазанный электрический заряд с примесью электронов (атом), может претерпеть лишь незначительные отклонения.

Модель Томсона не могла удовлетворительно объяснить опыт Гейгера и Марсдена. Решить эту задачу смог в 1911 г. бывший ассистент Томсона Эрнест Резерфорд. Он пришел к убеждению, что сильное отклонение, наблюдавшееся Гейгером и Марсденом у некоторых α-частиц, должно объясняться резким отклоняющим действием, испытываемым α-частицей при прохождении через интенсивное электрическое поле атома, или, иначе говоря, в результате одного-единственного столкновения с атомом. Но если отклонение вызывается одним столкновением, то неизбежно приходится предположить, что в центре атома имеется некое ядро чрезвычайно малых размеров, заряженное положительно и заключающее в себе большую часть массы атома. Одним словом, нужно было принять модель атома Нагаока, устойчивость которого, подвергавшаяся сомнению, по мнению Резерфорда, не должна вызывать особого беспокойства, ибо этот вопрос должен рассматриваться лишь во вторую очередь, когда будет подробно изучена структура атома.

С помощью модели Нагаока сильное отклонение получает очень простое объяснение: α-частица пересекает электронную атмосферу атома металлической пластинки, приближается к ядру и благодаря большой силе кулоновского взаимодействия между двумя положительными зарядами сильно отклоняется, описывая траекторию гиперболического типа.

Ланжевен обратил внимание на то, что модель атома Нагаока как будто не совсем соответствовала данным о радиоактивных явлениях, поскольку радиоактивные вещества испускают также и β-лучи, которые, как кажется, выходят из самых глубин атома. Поэтому в атомном ядре должны находиться также и электроны, так что с этой точки зрения модель Томсона казалась более приемлемой. Мария Кюри настаивала на необходимости признать существование электронов в ядре. Эти «основные» электроны, как она их назвала, или «ядерные», как их стали называть позже, не могут быть испущены без разрушения самого атома, тогда как другие, получившие название «периферических», могут быть оторваны от атома без изменения его химической природы. В течение двадцати лет ядерные электроны считались частью атомной структуры (запоздалая дань уважения модели Томсона?). По предложению Резерфорда им была приписана функция склеивания положительных зарядов ядра, которые сила взаимного кулоновского отталкивания стремилась разделить.

Модель Нагаока - Резерфорда была лишь качественным представлением строения атома, и необходимо было перейти к количественным характеристикам, подобно тому как это было сделано для модели Томсона. Эксперименты, которые привели к выводу, что ядерный заряд равен половине атомного веса, очевидно, были применимы и к новой модели. Но Резерфорд заметил, что эта закономерность, по крайней мере для легких ядер, не вполне точна. В самом деле, трудно допустить, что отдельная α-частица, испущенная радиоактивным веществом в виде иона гелия с двумя положительными зарядами, сохраняет какой-нибудь из своих периферических электронов. Поэтому нейтральный атом гелия должен иметь два электрона, а атом водорода по аналогии - один электрон, причем заряд ядра тоже должен быть равен единице, из чего ясно, что указанный закон здесь несправедлив.

Решающим, или, как назвал его Содди, «драматическим», годом для модели Резерфорда был 1913 год. Четыре основных факта, установленных почти одновременно, сильно помогли уверовать в достоверность ядерной модели атома. Эти четыре факта взаимно связаны и взаимно обусловлены не только потому, что все они (за исключением одного) установлены в географически близких друг другу местах (Кембридж, Манчестер и Глазго), но и благодаря общему для всех них более или менее непосредственному влиянию самого Резерфорда. Мы уже говорили о первом из этих фактов, об экспериментальном правиле смещения, ясно сформулированном Содди весной 1913 г. Расскажем теперь об остальных трех: о понятии «атомного номера», выдвинутом незадолго до этого Ван ден Брейком (1870-1926), о квантовании электронных орбит, сформулированном Бором летом того же года, и об опытном законе Мозли, установленном зимой.

Ван ден Брейк заметил, что данные по рассеянию α-частиц лучше объясняются моделью Резерфорда, если предположить ядерный заряд равным порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, названному им «атомным номером». Отношение атомного номера к атомному весу приблизительно равно 0,5 для легких атомов и постепенно уменьшается, достигая примерно 0,4 для урана, последнего элемента системы. Таким образом, идея Ван ден Брейка, не удаляясь сильно от ранее найденного экспериментального закона, обладала соблазнительной простотой.

Однако основание ее было довольно хрупким. Твердый экспериментально обоснованный фундамент ей придало лишь последнее из важных событии того года (о третьем мы будем подробно говорить в § 12) - закон Мозли.

Генри Мозли (1887-1915), безвременно погибший в сражении на полуострове Галлиполи, начал в Манчестере в качестве добровольного ассистента Резерфорда свои исследования спектров рентгеновских лучей 5 помощью незадолго до этого введенного Брэггом метода вращающегося кристалла. По словам Резерфорда, целью его исследований было решить, что существеннее для жестких рентгеновских спектров - атомный номер элемента или его атомный вес. Баркла уже показал, что достаточно жесткие рентгеновские лучи, попадая на простое вещество, порождают другие рентгеновские лучи, названные вторичными, которые однородны, т. е. имеют одну и ту же частоту, характерную для облучаемого вещества и не зависящую от частоты первичных рентгеновских лучей. Мозли измерил частоту основных спектральных линий, открытых Баркла для ряда элементов периодической системы, и нашел, что она пропорциональна квадрату числа, которое изменяется на единицу при переходе от одного элемента периодической системы к соседнему. Это был опытный факт, не предполагавший никакого теоретического представления о строении атома и о происхождении его излучения. Но он приобрел глубокий смысл, как только Мозли показал, что наблюдаемый факт может служить доказательством того, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть не чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».

Кроме этих опытных данных Мозли, правило Содди также подтверждало простую идею Ван ден Брейка. Поскольку каждое испускание одной α-частицы уменьшает массу атома на 4, а атомный номер на 2, тогда как выбрасывание β-лучей увеличивает заряд на 1 и оставляет неизменной массу атома, то достаточно узнать тип излучения данного радиоактивного семейства и атомный номер его родоначальника, чтобы непосредственно определить атомный номер и массу всех элементов данного семейства и сопоставить их с данными опыта. Сопоставление давало результаты, полностью соответствующие теории.

Деятельная группа Резерфорда искала способ непосредственного определения величины ядерного заряда, но первая мировая война замедлила, если не совсем остановила работу, потому что тогда в отличие от положения, сложившегося в период второй мировой войны, никто не считал, что эти исследования смогут в будущем иметь какое-то военное значение; они целиком принадлежали к области «доброй старой философии», которой нужно было пожертвовать ради военных нужд. Вот почему только в 1920 г. Джемс Чэдвик произвел первое точное измерение ядерного заряда некоторых элементов, определив его по доле α-частиц, отклоняющихся на определенный угол при столкновении с атомами исследуемого элемента. Этим методом он нашел ядерные заряды для меди, серебра и платины, оказавшиеся соответственно равными 29,3; 46,3 и 77,4, а их атомные номера 29, 47 и 78; соответствие вполне удовлетворительное.

8. ИСКУССТВЕННОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

Факты, которые в 1913 г. придали вес модели атома Резерфорда, принадлежали главным образом к области радиоактивных явлений. Но эти явления были столь специфичны, что можно было даже допустить, что строение радиоактивных атомов отличается от строения обычных устойчивых атомов. Перенесение структуры радиоактивного атома на устойчивый атом было чистой экстраполяцией.

«Совершенно необходимо, - предупреждал Томсон в 1913 г., - устанавливать теорию строения атома на базе более широкой, чем одни лишь явления радиоактивности. Химические свойства атомов и многие физические свойства зависят от распределения электронов, находящихся вблизи поверхности атомов. Эти электроны не участвуют в радиоактивных превращениях, так что данные о радиоактивных превращениях не могут дать нам никаких указаний на их счет».

Поэтому было бы очень важно получить какое-нибудь опытное доказательство того, что строение устойчивых атомов подобно строению радиоактивных. В 1920 г. Резерфорд попытался получить это доказательство, руководствуясь следующим чрезвычайно простым соображением, которое стоит воспроизвести буквально:

«Испускаемая радием а-частица является самым концентрированным источником энергии из всех, какими мы располагаем, и, как мы видели, имеются все основания предполагать, что α-частица радия С способна проникать внутрь ядер легких атомов, а может быть, даже тяжелых. Если только ядра атомов не представляют собой исключительно устойчивых структур, то можно ожидать, что они разрушатся под действием внутренних сил, проявляющихся в момент столкновения с частицей... Если учесть незначительные размеры ядер, то возможность центрального столкновения маловероятна, и даже в наиболее благоприятных случаях не больше одной α-частицы из 10 000 действительно производит расщепление».

В связи с этим Резерфорд стал пропускать через азот α-частицы, получаемые от радиоактивного вещества, или, как говорят, бомбардировал азот α-частицами. При этом он наблюдал появление ионов водорода с одним зарядом, которые Марсден наблюдал уже в 1914 г. и назвал протонами, Число полученных протонов было чрезвычайно мало: миллион α-частиц, бомбардирующих азот, едва давал 20 протонов, наблюдавшихся Резерфордом методом сцинтилляций. Полученный эффект, говорит Резерфорд,

«незначителен и с трудом поддается измерению, но в общем создается впечатление, что атомы водорода рождаются в результате расщепления ядра азота».

Протоны были получены также при бомбардировке α-частицами радия С других элементов (бора, фтора, натрия, алюминия, фосфора). В 1921 и 1922 гг. Резерфорд и Чэдвик осуществили другие ядерные реакции, а в 1925 г. Резерфорд истолковал все эти результаты как расщепление атомов, показав, что α-частица может быть захвачена ядром. Позднее, когда искусственные превращения уже перестали быть чем-то необычным, стало ясно, что Резерфорд в действительности добился расщепления еще в 1920 г., хотя первое время сообщения о полученных им результатах принимались сдержанно, если не скептически. Так, первый опыт Резерфорда по бомбардировке азота объясняется следующим образом: α-частица захватывается ядром азота с последующим испусканием протона и образованием ядра с массой 17, являющегося изотопом кислорода.

9. НЕРАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

Изотопия (или, как иначе говорят, изотопизм) радиоактивных элементов была установлена как опытный факт, не зависящий от каких бы то ни было гипотез о структуре атомов. Чтобы подчеркнуть это, мы упомянули о ней до того, как перешли к моделям атома, помня, что современные авторы курсов физики в этом случае нарушают хронологический порядок для удобства изложения (Содди даже считал, пожалуй несколько преувеличивая, что нарушение хронологии проводилось нарочно, чтобы умалить его заслуги).

Но после того как правило смещения Содди было использовано как одно из наиболее убедительных доказательств правильности модели Резерфорда, перенесенной также и на устойчивые элементы, изотопия нерадиоактивных элементов казалась прямым следствием этой теории и пролила новый свет яа явление, открытое Томсоном в 1912 г.

До этого, в 1910 г., Уотсон измерил с большой тщательностью атомный вес неона и нашел его равным 20,200 (принимая атомный вес кислорода равным 16). В 1912 г. Томсон, воздействуя на каналовые лучи неона одновременно электрическим и магнитным полями, согласно своему методу (см. гл. 11), заметил, что эти лучи неоднородны, потому что получались две параболы: одна, соответствующая частицам с атомным весом 20, а другая, более слабая, но все же четкая, соответствующая частицам с атомным весом 22. Томсон предположил, что атмосферный неон представлял собой смесь двух различных газов. Содди же сразу отметил:

«Это открытие представляет собой самое неожиданное приложение того, что было найдено для одного конца периодической системы, к элементу другого конца системы; оно подтверждает предположение о том, что структура материи вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе».

В 1913 и 1914 гг. Фрэнсис Уильям Астон (1877-1945), ассистент Томсона, попытался фракционной возгонкой разделить два предполагаемых компонента атмосферного неона, однако не добился результатов. Весьма неопределенный результат дала и последующая очень трудоемкая попытка разделения методом диффузии через пористые перегородки.

Началась первая мировая война. Астон был призван и прервал свои исследования. Он смог возобновить их лишь в 1919 г., когда в существовании радиоактивных изотопов уже никто не сомневался. Начал Астон (совместно с Линдеманом) с теоретического исследования, в котором показал, что из всех возможных физических методов разделения изотопов (диффузия, возгонка, центрифугирование) самым многообещающим и результативным является электромагнитный метод Томсона. В том же году Астон начал экспериментальные исследования и в следующем году усовершенствовал их, применив устройство, которое назвал масс-спектрографом. Название это так и осталось в науке. В масс-спектрографе применяется томсоновский метод отклонения заряженных частиц под действием двух полей, электрического и магнитного, но Астон значительно увеличил его чувствительность, введя фотографирование, а главное применяя электрические и магнитные отклонения в одной и той же плоскости, но в противоположных направлениях. Впрочем, физические принципы, примененные в масс-спектрографе, общеизвестны. Ионы исследуемого вещества, проходя вначале электрическое, а затем магнитное поле, попадают на фотопластинку и оставляют на ней след. Отклонения ионов зависят от отношения e/m заряда, одинакового для всех ионов, к массе (или, лучше сказать, от nе/m, потому что ион может нести более одного элементарного заряда). Поэтому все ионы одинаковой массы концентрируются в одной и той же точке фотопластинки, а ионы с другой массой - в других точках, так что по точке попадания иона на пластинку можно определить его массу.

Новый инструмент сразу же позволил получить замечательные результаты, Астон нашел непосредственное подтверждение того, что неон состоит из двух изотопов с массами 20 и 22. Следующим исследованным элементом был хлор; здесь тоже были найдены два изотопа с массами 35 и 37. Астон начал систематическое изучение различных элементов, и клетки периодической системы наполнились изотопами: в 1921 г. из 21 исследованного элемента у 11 имелись изотопы, а 10 лет спустя из 64 исследованных элементов у 42 оказались изотопы. В 1945г. из 83 исследованных элементов только 10 оказались чистыми элементами, остальные имели 283 изотопа. Это, пожалуй, было чересчур! Теперь уже многочисленность различных атомов представляет серьезную трудность на пути изучения атомной структуры.

Постепенно спектрографы все более усовершенствовались. В 1925 г. Астон сконструировал второй спектрограф, который обладал точностью 1/10 000, а в 1937 г. третий спектрограф достигал уже точности 1/100 000. По словам Содди,

«эти инструменты можно поставить в ряд с наиболее удивительными и точными приборами, которые когда-либо изобретал человеческий ум».

Открытие Астона имело исключительно важное значение для теории. Непосредственным следствием его было то, что вновь был поставлен вековой вопрос об определении понятия элемента. Речь идет о том, нужно ли рассматривать каждый изотоп как отличный элемент и каждое вещество, содержащее несколько изотопов, как смесь различных элементов, а не как один химически определенный элемент? Сейчас подавляющее большинство химиков продолжает придерживаться классической концепции, т. е. считает, что каждый элемент химически определяется своими химическими свойствами и своим спектром излучения при заданных условиях. Для элементов, обладающих одинаковыми химическими свойствами, но различными ядерными массами, вводится понятие и название изотопа. Другими словами, изотопы считаются элементами химически эквивалентными, но физически отличными.

Здесь впервые проявляется недостаточность периодической системы, которая годится для классификации большинства таких физических и химических свойств элементов, как объем, валентность, теплопроводность и электропроводность, т. е. тех свойств, которые называются электронными и которые зависят от числа и расположения самых внешних электронов атома. Для других же свойств, таких, как масса, радиоактивность, спектр рентгеновского излучения, которые зависят от строения ядра и от наиболее близких к нему электронов, классификация, основывающаяся на знании одного лишь атомного номера, недостаточна.

10. МАТЕРИЯ И ЭНЕРГИЯ

При проведении самых первых исследований в 1920 г. Астона и его сотрудников больше всего поразил тот факт, что атомные веса всех легких элементов представляли собой целые числа, по крайней мере в пределах экспериментальных ошибок, возможных в то время, т. е. с точностью до 1/1000.

Это «правило целого числа» начинало, однако, слегка нарушаться для более тяжелых атомов - с номера 30 и дальше, для которых отклонение от этого правила, правда незначительное, неуклонно возрастало с атомным номером. Правило целого числа, заключает Астон, придает соблазнительную простоту нашему представлению об атомном весе. Это правило реабилитирует гипотезу, выдвинутую в 1816 г. Праутом: первоэлемент «протил», из которого составлены все остальные элементы, это не водород, как думал Праут, а протон, сочетающийся с частицей, примерно в две тысячи раз меньшей, - с электроном. Из этого следует, что дробные числа, полученные химиками для атомных весов многих элементов, представляют собой средние взвешенные значения для смеси изотопов, из которых состоит химический элемент. Это просто случайный результат статистического усреднения, определяемый соотношением различных изотопов.

Но у правила целого числа было одно исключение - исключение, которое оказалось гораздо важнее самого правила: атомная масса водорода, определенная также и с помощью масс-спектрографа, оказывалась равной не 1 (если массу атома кислорода принять равной 16), а 1,008, как это установили химики. Разница очень незначительная, но все же ее нельзя было отнести за счет ошибок опытов, существенно меньших этой разницы.

Астону первому (1920 г.) пришла замечательная мысль объяснить эту аномалию неаддитивностью масс, которая предсказывалась сначала электронной теорией Лоренца, а затем теорией относительности. Именно в то время, т. е. около 1920 г., теория относительности, несмотря на суровую критику, которой она подвергалась, начинала приобретать популярность. Одним из следствий теории относительности является то, что масса и энергия оказываются разными аспектами одной и той же реальности и, согласно точно определенному соотношению, могут переходить одна в другую. Всего за несколько лет до открытия Астона известнейшие физики считали эквивалентность массы и энергии одной из самых парадоксальных шуток теории относительности (см. гл. 12). Однако Астон находит в принципе относительности объяснение отклонения массы водорода от целого числа. По мнению Астона, когда несколько протонов соединяются, образуя атомное ядро элемента, часть их массы переходит в энергию связи ядра. Это явление, названное Астоном «packing effect» («эффект упаковки») и называемое теперь дефектом массы, объясняет кажущуюся потерю массы ядра водорода при его соединении с другими ядрами и образовании нового ядра. Едва ли следует упоминать о том, что это объяснение дефекта массы сегодня есть краеугольный камень теории ядра, все еще далеко не завершенной.

«Теория показывает, - писал Астон в своей Нобелевской лекции,- что когда имеет место такая тесная упаковка, то эффективная масса уменьшается. Таким образом, при упаковке четырех протонов с двумя электронами в ядре гелия вес этого ядра несколько меньше учетверенного веса ядра водорода. Давно известно, что атомный вес водорода больше одной четвертой веса гелия, но до тех пор, пока были приняты дробные атомные веса, не было никакой нужды объяснять этот факт и из него нельзя было извлечь никакого определенного вывода. Результаты, полученные с помощью масс-спектрографа, устранили всякие сомнения в этом вопросе, так что уменьшение массы в результате упаковки не подлежит больше обсуждению. Мы можем быть совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть. Космологическое значение этого вывода огромно, и открываемые им возможности для будущего очень важны, важнее, чем любое другое научное открытие, сделанное до сих пор человечеством.

Мы знаем из теории относительности Эйнштейна, что масса и энергия переходят друг в друга и что в единицах СГС масса покоя т может быть выражена как некое количество энергии mс 2, где с - скорость света. Даже при самых малых массах эта энергия огромна. Потеря массы даже в одном-единственном ядре гелия эквивалентна энергии, получаемой электрическим зарядом е при прохождении им разности потенциалов примерно в тридцать миллионов вольт. Если же рассматривать не один атом, а обычные количества вещества, то величина энергии становится колоссальной.

Рассмотрим, например, один грамм-атом водорода, т. е. количество водорода, содержащееся в 9 г воды. Если это количество водорода целиком превращается в гелий, то величина освобожденной энергии равна

0,0077•9•10 20=6,93•10 18 эрг.

Выраженная в виде теплоты, эта энергия равняется 1,11•10 11 кал, а в виде работы - 200000 квт-час. Перед нами источник энергии, достаточный для объяснения происхождения тепла, излучаемого Солнцем. По этому поводу Эддингтон замечает, что если бы лишь 10% всего водорода, имеющегося на Солнце, превратилось в гелий, то освободилась бы энергия, достаточная для того, чтобы поддерживать сегодняшний уровень радиации Солнца в течение миллиарда лет.

Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию. Но нужно, однако, все время помнить о том, что освобожденная энергия может оказаться совершенно неконтролируемой и благодаря своей огромной силе произвести взрыв всего окружающего вещества. В этом случае весь водород Земли внезапно превратится в энергию и успех этого эксперимента предстанет перед Вселенной в виде вновь появившейся звезды».

За два года (1919 и 1920) решение частной задачи об атомной массе неона привело к пересмотру одной из самых важных космологических проблем. Этот факт может показать, насколько важным было открытие изотопов для всех наук, а не только для физики: для великих открытий характерно сведение к одному и тому же принципу явлений, кажущихся очень далекими друг от друга.

АТОМ БОРА

11. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СЕРИИ

С самого начала исследования светового спектра (см. гл. 8) физики заметили, что, несмотря на кажущийся беспорядок, в распределении спектральных линий элементов имеется некоторая закономерность. Первым, кто открыл здесь точное соотношение, был, пожалуй, Джонстон Стони. В 1870г. он заметил, что частоты линий С, F, h солнечного спектра, соответствующих линиям α, β, δ спектра водорода, относятся между собой как 20:27:32. Установление этого факта сразу же навело его на мысль, что эти три линии, должно быть, имеют своим источником какое-то периодическое явление внутри молекулы водорода. Он утвердился в этом предположении, когда в следующем году в сотрудничестве с Дж. Рей-нольдсом установил, что частоты линий спектра поглощения хлористого хромила (СrO 2Сl 2) находятся при определенных условиях в простых отношениях с частотами гармоник скрипичной струны.

В 1885 г. Иоганн Бальмер (1825-1898) показал, что результаты Стони можно рассматривать как частный случай более общего закона. Он нашел, что длины волн (или обратные им величины, называемые «волновыми числами») линий видимого спектра водорода могут быть выражены простой формулой, с помощью которой длины волн различных спектральных линий получаются при приписывании некоторой переменной целых значений от 3 и больше. Ободренные успехом Бальмера, Ридберг в 1889 г., а Кайзер и Рунге в 1890 г. также начали исследования спектров. Ридберг нашел серию линий для таллия и ртути, а проводившиеся в течение нескольких лет работы Кайзера и Рунге, применивших метод фотографирования, составили целую эпоху в этой области. Они исследовали также интенсивность спектральных линий, различие между искровыми и дуговыми спектрами и установили серии линий для многих элементов, в частности для щелочных элементов и щелочноземельных.

В XX веке работы сосредоточились на изучении серий водорода. В 1904 г. Лайман нашел еще одну серию водорода в ультрафиолетовой части спектра, в 1909 г. Пашен нашел серию водорода в инфракрасной части, а в 1922 г. Блэккет установил вторую серию в инфракрасной части спектра.

Все эти серии описываются формулами, похожими на формулу для серии Бальмера. В них входит постоянная, называемая в спектроскопии постоянной Ридберга, величина которой определена с большой точностью. Все эти серии установлены чисто экспериментально и обладают одной особенностью: волновые числа спектральных линий получаются каждый раз приписыванием только целых значений некоторой переменной, входящей в формулу. В физике были известны только два случая, когда величины менялись не непрерывно, а лишь по целым числам: это явление интерференции и явления собственных колебаний тел (например, струны).

Благодаря этой особенности математического выражения серий часто случается, что частота линии представляет собой сумму частот двух других линий. Из всей этой группы эмпирических формул Ритц вывел так называемый комбинационный принцип, являющийся основой современной спектроскопии. Этот принцип можно выразить так: для каждого элемента можно найти совокупность чисел, называемых спектральными термами рассматриваемого атома, таких, что частота любой спектральной линии данного элемента равна разности двух спектральных термов этого элемента.

Вплоть до 1913 г. не было никакого намека на то, каким образом можно было бы теоретически истолковать эти серии, а тем более комбинационный принцип; они оставались лишь эмпирическими формулами, точными, но таинственными. Одно казалось ясным в первом десятилетии нашего века: весь этот комплекс многочисленных неопровержимых экспериментальных фактов должен был определяться структурой элементарных частиц материи. Классическая электродинамика объясняла излучение существованием в излучающей материи электрических зарядов, обычно неподвижных, но под влиянием внешних воздействий могущих совершать колебания вокруг центра равновесия с вполне определенными частотами с одновременным испусканием излучения. Постепенно осцилляторы (как называют колеблющиеся электрические заряды) теряют свою энергию на излучение и возвращаются в состояние покоя. Таким образом, классическая электромагнитная теория объясняла спектральные линии, которые, однако, согласно этой теории, получались совершенно отличными по положению и по свойствам от того, что давал опыт. Анри Пуанкаре, отмечая эту неудачу классической электродинамики, писал:

«Исследование распределения линий сразу же заставляет вспомнить гармонические соотношения в акустике, но различие все же огромно; не только волновые числа не являются последовательными целыми кратными одного и того же числа, но мы не находим никаких аналогий с корнями трансцендентных уравнений, к которым приводятся многочисленные проблемы математической физики: задача об упругих колебаниях тела произвольной формы, задача о волнах Герца для осциллятора любой формы, задача Фурье об охлаждении твердого тела. Эти законы проще, но они совсем иной природы... Во всем этом еще не отдают себе достаточно отчета, и я думаю, что здесь заключается одна из самых важных тайн природы».

12. ТЕОРИЯ БОРА

На третьем Сольвеевском конгрессе, состоявшемся в Брюсселе в 1921 г., Перрен спросил Резерфорда, существует ли разница между ядерными электронами и периферическими в его модели атома и какая. Резерфорд кратко бросил в ответ фразу, ставшую популярной во время последней войны: «no man's land», - решительно выразив таким образом основную идею, которой руководствовался он сам и его школа начиная

с 1911 г. Атом разделяется на две области, внутреннюю и внешнюю, на ядро и электронную систему, отделенные друг от друга непреодолимым барьером, в том смысле, что ни периферические электроны не могут войти в ядро, ни частицы, составляющие ядро, не могут перейти в электронную систему (только совсем недавно пришлось принять одно исключение для периферического электрона, самого близкого к ядру, который может быть им захвачен). В электронной системе могут сравнительно легко происходить изменения, определяющие химические свойства элемента, но не сопровождающиеся изменениями в ядре. В ядре же изменения происходят с гораздо большим трудом и всегда немедленно сопровождаются перестройкой электронной системы, которая сразу же приспосабливается к новому ядру.

Главная заслуга Резерфорда в том, что он угадал, что радиоактивные явления происходят в ядре, и посвятил себя изучению именно ядра, не позволяя сбить себя с этого пути ни вновь возникающим проблемам, связанным с электронной системой, ни критическим возражениям против его концепции. В самом деле, модель Резерфорда находилась в решительном противоречии с классической электромагнитной теорией, согласно которой вращающийся электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны и поэтому должен непрерывно терять энергию, приближаться к ядру и, наконец, упав на ядро, нейтрализовать его или даже разрушить. Нужно было либо отказаться от этой модели, чтобы остаться верным классической физике, либо отказаться от классической физики и найти в иных физических принципах оправдание этой модели.

Этот второй путь избрал молодой датский физик Нильс Бор (1885 - 1962) из Копенгагена, который в 1911 г. приехал работать в лабораторию Томсона в Кембридж, а в следующем году перешел в лабораторию Резерфорда в Манчестере. Здесь он соприкоснулся с самыми передовыми теориями атома того времени.

Бор увидел, что можно одновременно спасти устойчивость планетарного атома и объяснить спектроскопические данные на основе квантовой теории, которая априори исключает всякую возможность непрерывного излучения. Форма квантования, примененная Бором к модели Резерфорда, теперь общеизвестна, но, может быть, будет полезно услышать о ней еще раз от самого

«В форме, в которой мы будем в дальнейшем применять принципы квантовой теории, за основу в наших рассуждениях будет принят следующий постулат: атомная система, испускающая спектр, состоящий из четких линии может находиться в определенных различных состояниях, которые мы будем называть стационарными состояниями. Система может пребывать в таком состоянии по крайней мере в течение некоторого времени, не излучая. Излучение имеет место только при полном переходе из одного стационарного состояния в другое и представляет собой всегда ряд простых гармонических волн. В этой теории частота излучения, испускае-э при таком процессе, не определяется непосредственно движением электронов в атоме, подобно тому как это имеет место в классической электродинамике. Вместо этого частота просто связана с общим количеством энергии излученным во время перехода: произведение частоты ν на постоянную Планка h равно разности значений Е' и Е" энергии атома в обеих стадиях интересующего нас процесса, так что hν=Е' - Е"».

Таким образом, электрон, вращающийся вокруг ядра, подчиняется по существу всем механическим законам классической физики, но не законам электродинамики, в том смысле, что во время вращения он не излучает. В соответствии с классической механикой можно рассмотреть динамическое равновесие системы в стационарном состоянии и при известном радиусе орбиты рассчитать скорость, частоту, потенциальную и общую энергию вращающегося электрона. Это, однако, относится не к любой орбите, а только к тем, для которых величина действия является целым кратным кванта действия h. Это так называемые квантовые орбиты, которые нумеруются по порядку, начиная с самой близкой к ядру. Атом может находиться в целом ряде стационарных состояний, причем каждое соответствует особой орбите, на которой расположены электроны. Атом всегда находится в каком-либо стационарном состоянии с определенным значением энергии, так что для каждого атома характерна последовательность значений энергии, соответствующих различным возможным стационарным состояниям.

Бор справедливо заметил, что такая квантованная планетарная система может быть лишь частично уподоблена астрономической планетной системе. В самом деле, законы тяготения позволяют нам изучать и объяснять с большой степенью точности движение планет, но не позволяют предсказывать их орбиты, неполностью определяемые массами планет и Солнца. Орбиты планет существенно зависят от условий образования планетной системы, т. е. от ее истории. Из этого вытекает существенное различие между планетной системой и системой электронов: в первой орбиты планет остаются постоянными, во второй меняются.

Но каковы основные свойства стационарных состояний электронных систем? Как следует рассматривать вопрос об их устойчивости? Первое время Бор был настроен весьма примирительно в этом вопросе:

«Даже если нам приходится, - пишет он, - вводить в классическую теорию электронов изменения, которые означают радикальную перемену в наших взглядах на механизм излучения, мы все же вовсе не обязаны из-за этого считать, что в каждый момент движение существенно отличается от того, что должно было бы быть согласно классической электронной теории. Напротив тогог мы совершенно естественно приходим к выводу и эта гипотеза в настоящее время лежит в основе всех применений квантовой теории к атомным проблемам, - что с большой степенью точности можно описывать движение частиц при стационарных состояниях атомной системы как движение точечных масс под действием их взаимного отталкивания и притяжения, вызываемого электрическими зарядами.

Если мы затем рассмотрим вопрос об «устойчивости» стационарных состояний, то сразу же увидим, что как необходимое условие устойчивости, так и вообще действие внешних факторов на движение частиц атома не подчиняется обычным законам механики. В самом деле, мы увидим, что те свойства, которые отличают стационарные состояния от возможных механических движений атомной системы, не характеризуются просто в соответствии с их природой скоростями и координатами частиц в данный момент, но существенно зависят от свойства периодичности орбит, которым соответствуют мгновенные распределения и скорости. Если мы будем затем рассматривать атом при меняющихся внешних условиях, то для определения изменений, вызываемых в движении изменением этих условий, недостаточно просто рассмотреть, как в обычной механике, эффект сил, действующих в данный момент на частицы, потому что результирующее движение должно существенно зависеть от изменения характера возможных орбит, соответствующего изменению во внешних условиях».

Основав свою теорию на таком полуклассическом фундаменте, Бор предполагает (по причине, о которой мы будем говорить дальше), что электронные орбиты являются точными окружностями, и отсюда находит радиус наименьшей орбиты, орбиты № 1, равным 0,556•10 -8 см, т.е. равным по порядку величины атомному радиусу, определяемому кинетической теорией газов.

Затем Бор применяет свою теорию к самой простой модели атома, к атому водорода, состоящему из центрального ядра с массой 1 и единичным положительным зарядом и одного вращающегося электрона. После очень простого подсчета он получает общую формулу для серий водородного спектра, т. е. для уже известных в то время серий Бальмера и Пашена и для серий Лаймана и Блэккета, в то время (1913 г.) еще не открытых. Кроме того, он вычисляет постоянную Ридберга, получая величину, совпадающую с даваемой опытом.

Это был большой успех, потому что впервые удалось дать рациональное объяснение таинственным сериям спектральных линий, были рассчитаны атомные радиусы, априори определялась постоянная Ридберга. Таким образом, теория Бора, с одной стороны, подкрепляла гипотезу Резерфорда о строении атома, а с другой - удачно применяла к теории атома квантовую гипотезу.

От атома водорода Бор перешел к однократно ионизованному гелию, т. е. к системе, которая, согласно модели Резерфорда, состояла из ядра с массой 4 и зарядом 2 с одним внешним электроном. Задача здесь, очевидно, тождественна с задачей об атоме водорода лишь с некоторыми количественными поправками. Для линий однократно ионизованного гелия Бор также получил серию, аналогичную серии Бальмера, но тогда еще не наблюдавшуюся. Бор отождествил ее с серией Пикеринга, уже обнаруженной в спектре некоторых звезд и приписывавшейся водороду.

Но когда Бор попытался распространить свою теорию на атомы с несколькими вращающимися электронами, то натолкнулся на большие трудности. Уже в случае с атомом гелия, который имеет всего два вращающихся электрона, даже математическая часть задачи становится весьма сложной. В самом деле, нужно учитывать, что на каждый электрон действует как ядро, так и другой электрон. Мы приходим к «задаче трех тел», еще более трудной, чем соответствующая астрономическая задача, подробно изучавшаяся Ньютоном и его последователями, потому что взаимодействие двух электронов того же порядка, что и взаимодействие между ядром и электроном, тогда как в астрономической задаче притяжение между двумя планетами незначительно по сравнению с взаимодействием планеты и Солнца. Но кроме математических трудностей, которые для более сложных атомов становятся уже непреодолимыми, была также трудность принципиального характера: при наличии нескольких электронов квантование становится неопределенным. В ожидании дальнейшего развития квантовой теории, которое помогло бы преодолеть эту принципиальную трудность, Бор ограничился в 1913 г. попыткой применить свою теорию по крайней мере к водородоподобным атомам, т. е. к атомам, структуру которых можно представить себе следующим образом: если атом содержит N электронов, то N-1 электронов принадлежат к центральной области, а N-й, самый внешний, вращается вокруг центральной части, образуемой ядром и N-1 электроном. Переходы N-го электрона (названного оптическим) с одной орбиты на другую определяют излучение светового спектра элемента. К этой группе атомов принадлежат литий, натрий, калий и др. При применении теории Бора к этой группе атомов получилось несоответствие с опытными данными.

13. ТЕОРИЯ ЗОММЕРФЕЛЬДА

Когда Бор в 1913 г. сформулировал свою теорию, физики могли квантовать только движения, зависящие от одной переменной. По этой причине Бор был вынужден считать орбиты периферических электронов точными окружностями, тогда как законы механики указывали на то, что электронные орбиты должны быть кеплеровскими эллипсами. Но для определения положения точки на эллипсе нужны две переменные, и поэтому, чтобы квантовать эллиптические орбиты, нужно уметь квантовать движения, определяемые двумя переменными.

В 1916 г. Вильсон и Зоммерфельд почти одновременно предложили метод квантования механических систем, определяемых несколькими переменными. Зоммерфельду сразу же пришла мысль применить этот метод к атомной модели Бора, введя в нее в соответствии с этим эллиптические орбиты, но это не влекло за собой существенных изменений в выводах Бора. Зоммерфельду удалось лишь объяснить некоторые другие эмпирические формулы, известные в спектроскопии, и в частности комбинационный принцип Ритца.

Но Зоммерфельд заметил еще, что Бор считал массу вращающегося электрона постоянной в строгом соответствии с ортодоксальной классической механикой, тогда как из его же собственных формул можно было видеть, что скорость электрона слишком велика для того, чтобы можно было пренебречь поправками теории относительности. Поэтому нужно было изменить теорию Бора, введя в формулы релятивистскую массу электрона, зависящую от скорости. После такого изменения орбита электрона оказалась уже не неподвижным эллипсом, а эллипсом, вращающимся в своей плоскости вокруг фокуса, занятого ядром. Учитывая это обстоятельство и применяя развитый им метод квантования, Зоммерфельд в том же 1916 г. дал объяснение тонкой структуры не только водородного спектра, но и спектров рентгеновских лучей.

Теория Зоммерфельда произвела в свое время большое впечатление и была воспринята как важнейшее подтверждение квантовых методов, а также теории относительности. Однако вскоре спокойный критический разбор и более тщательная опытная проверка несколько поубавили восторги. Спектральные линии, даваемые теорией Зоммерфельда, менее многочисленны, чем наблюдаемые на опыте; кроме того, эта теория оказалась неприменимой к атомам с несколькими планетарными электронами. Ее нельзя было даже применить к атому гелия, в частности из-за математических трудностей, на которые мы уже раньше указывали.

14. ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ

Неудачи теорий Бора и Зоммерфельда не столь уж существенны. Кроме того, наряду с неудачами был один существенный положительный фактор: теории Бора удалось впервые охватить единым принципом бесконечное разнообразие спектроскопических наблюдений, указать характер их законов. Отдельные неудачи могли означать лишь то, что кое-что в теории было еще не на месте, но не обесценивали основные ее утверждения.

Более серьезными, однако, были возражения общего характера, выдвинутые против этой теории. В то время как электродинамика точно описывала излучение, указывая для каждой монохроматической волны не только частоту, но и интенсивность и характер поляризации, теория Бора не могла ничего сказать о двух последних характеристиках, необходимых для полного определения монохроматического излучения.

Но помимо этих недостатков в теории Бора было также одно кричащее несоответствие: взаимодействие между ядром и электроном понималось и рассматривалось чисто классически, но в эту классическую картину Бор неожиданно вводил квантовые ограничения. Скачки электрона с одной орбиты на другую нельзя описать с помощью классической механики, однако в стационарном состоянии электрон подчиняется законам классической механики. Не излучая энергии, как того требуют законы электродинамики, электрон существует как бы вне времени и пространства, в рамках которых действуют законы механики и классической электродинамики. Одним словом, Бор исходит из понятий классической физики, а приходит к заключениям, несовместимым с классической физикой; таким образом, его теории присуща внутренняя несогласованность.

Физики видели это противоречие, видел его и сам Бор. В надежде на лучшее они попытались пока что устранить слишком большие отклонения выводов из теории от физической реальности, введя подходящие ориентирующие критерии, которые приобрели большое значение в дальнейшем развитии науки.

Примером такого критерия служит сформулированный Бором в 1918 г. принцип соответствия, зачатки которого можно найти также в его первых работах 1913 г. Этот эвристический принцип Бор формулирует следующим образом: при разработке теории необходимо руководствоваться тем соображением, что, когда квантовые числа системы принимают все большие и большие значения, испускаемое излучение должно асимптотически стремиться к значению, определяемому классическими законами.

Другими словами, законы новой физики должны переходить в законы классической физики, когда квантовая дискретность стремится к нулю, т. е. когда величина кванта действия пренебрежимо мала. Тем самым классическая физика, хотя и признается неточной, приобретает, однако, руководящее значение в открытии квантовых законов.

В различных работах Бор дал методику использования этого принципа, отнюдь не такого понятного и легко применимого. Среди конкретных результатов, полученных с помощью принципа соответствия, упомянем выполненный Бором приблизительный квантовый расчет интенсивности спектральных линий и данную (в 1923 г.) его учениками Крамерсом и Гейзенбергом квантовую формулу для дисперсии, которая не совпадала с классической, однако соответствовала данным опыта.

Но по мере расширения области применения принципа соответствия значительно увеличивались трудности. Физики были вынуждены вводить все новые правила отбора или правила запрета, которые казались не только малоубедительными, но и загадочными. Таков, например, принцип запрета Паули (1925 г.), который утверждает, что в квантовой системе два или несколько электронов не могут находиться в одинаковых физических состояниях. Физики задавали себе вопрос, в чем глубокий смысл этого странного правила, применение которого, однако, приводит к результатам, согласующимся с опытом. О нем много дискутировали. Некоторые пытались объяснить его неразличимостью электронов, но похоже, что такое объяснение не выдерживает критики. Многие физики склонны были скорее считать, что оно является просто корректирующим правилом, исключающим вредные последствия подхода, при котором, быть может в противоречии с реальностью, электроны рассматриваются как корпускулы.

15. СТРОЕНИЕ АТОМОВ

К концу первой мировой войны стало ясно, что, основываясь на гипотезах Резерфорда и Бора, невозможно прийти дедуктивным путем к генетической теории строения атомов. Тогда по предложению Бора физики попытались приступить к осуществлению этой задачи индуктивным путем, т. е., основывась на обширном опытном материале, относящемся к химическим, магнитным и спектральным свойствам разных атомов, которые, как можно полагать, зависят от их строения, определить структуру атомов, и в частности расположение электронов. Это была внушительная работа, давшая большие результаты, конечно, носившие более эмпирический характер, чем ожидалось от теории Бора.

В основу исследования были положены периодическая система элементов и понятие атомного номера, равного числу периферических электронов и порядковому номеру элемента в периодической таблице. Так как существует 92 элемента, то существуют также 92 атома, в которых число периферических электронов регулярно растет от 1 до 92. Но как расположены эти электроны? Все на одной и той же орбите или на разных орбитах?

Мы уже видели, что, начиная с первых моделей Томсона, электроны предполагались расположенными в разных слоях и что только таким способом можно было объяснить периодичность таблицы Менделеева. Теория Бора тоже, и из тех же соображений, исходила из предположения, что на каждом квантованном уровне может быть не больше некоторого максимального числа электронов. Этот принцип насыщения уровней и фундаментальный физический принцип, согласно которому устойчивое состояние системы всегда является состоянием минимальной энергии, представляют собой основания теории строения атомов.

Не имея возможности вдаваться в подробности, мы лишь кратко упомянем примененные здесь методы. Исходным являлся следующий результат наблюдений: атомы первого столбца таблицы Менделеева (водород, литий, натрий, калий, медь, рубидий, серебро, цезий, золото; см. гл. 14) обладают спектром, аналогичным спектру водорода, легко ионизуются и обладают другими общими свойствами. Из всех опытных данных резонно заключить, что все эти атомы обладают структурой, аналогичной структуре водорода, т. е. являются водородоподобными атомами с особой структурой, о которой мы уже говорили.

Второй столбец периодической таблицы можно истолковать как получающийся из первого путем прибавления к каждому атому нового орбитального электрона с одновременным прибавлением одного элементарного заряда к ядру. Аналогично можно получить и следующие столбцы.

Распределение электронов в остове водородоподобных атомов находится с помощью особого процесса, в котором используется правило запрета. Атом водорода состоит, как мы уже говорили много раз, из одного ядерного протона и одного планетарного электрона. В своем устойчивом, т. е. невозбужденном, состоянии система обладает минимальной энергией, и поэтому электрон вращается по орбите, наиболее близкой к ядру, или на уровне, который принято обозначать буквой К.

Если на этот уровень К добавить второй электрон с соответствующими характеристиками и одновременно добавить положительный заряд к ядру, то получится атом гелия.

После добавления второго электрона слой К уже насыщен, или, как говорят, заполнен. Если к атому добавить третий электрон, то он уже не может поместиться в слое К, а помещается на следующем уровне, который принято обозначать буквой L; так получается (опять-таки с одновременным добавлением положительного заряда к ядру) литий.

Таким образом были сконструированы один за другим все 92 различных атома периодической системы, с указанием для каждого из них распределения периферических электронов по разным уровням. К 1927 г. это внушительное сооружение, созданное индуктивным путем, было в основном завершено. Существование квантованных уровней и описанные выше схемы строения атомов были многократно подтверждены опытами по ионизации при соударениях и анализом спектров рентгеновских лучей.

 
Top
[Home] [Library] [Maps] [Collections] [Memoirs] [Genealogy] [Ziemia lidzka] [Наша Cлова] [Лідскі летапісец]
Web-master: Leon
© Pawet 1999-2009
PaWetCMS® by NOX