Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Аргон — один из содержащихся в атмосфере благородных газов. Все эти газы, за исключением аргона–40, встречаются на Земле в исчезающе малых количествах. Возможно, что за заре своей истории Земля могла удерживать лишь твердые химические соединения, в то время как газообразные вещества просто «улетали», либо из-за малой массы, либо из-за высокой температуры планеты. А благородные газы как раз и не образуют никаких химических соединений.

С другой стороны, аргон–40 составляет около 1% атмосферы. Это значит, что аргон–40 образовался уже после того, как масса и температура Земли приблизились к современному значению (то есть когда у Земли появилась способность удерживать благородные газы). Скорее всего, аргон–40 появился в процессе распада калия-40. Если подсчитать, сколько времени для этого понадобилось, то получится, что Земля в ее современном облике существует уже не менее 4 000 000 000 лет.

Итак, различные методы вычисления возраста дают одну и ту же цифру, которая и является общепринятой на сегодняшний день.

Пока атом считался неделимой частицей, было ясно, что его структуру невозможно изменить в лабораторных условиях за отсутствием таковой. Однако как только обнаружилось, что атом состоит из огромного количества упорядоченных субатомных частиц, у ученых зародилась мысль о том, что этот порядок можно каким-либо образом изменить.

Порядок электронов внешних оболочек атомов изменить довольно просто. Для этого достаточно заставить атомы и молекулы сталкиваться между собой, что ученым удалось сделать еще в XIX веке, подвергая атомы и молекулы нагреванию. Здесь безраздельно правили химики: обычные химические реакции происходят именно за счет перераспределения электронов.

А можно ли перестроить структуру самого ядра? Столь фундаментальная перестройка атома элемента приведет к его превращению в атом другого элемента.

Для того чтобы при столкновении двух атомов их ядра соприкоснулись, преодолев «подушку» из электронов, нужно подвергнуть эти атомы нагреванию до чрезвычайно высокой температуры. К счастью, в XX веке был найден способ обойтись и без высоких температур. Радиоактивные элементы испускают субатомные частицы и при комнатной температуре. Одна из таких частиц — альфа-частица — как раз и является «голым» атомным ядром (атома гелия).

Конечно же направить альфа-частицу в определенное атомное ядро невозможно, но с точки зрения статистики из достаточно большого количества альфа-частиц хотя бы несколько попадут в ядра. Исследуя такие столкновения и «почти» столкновения, Резерфорд и разработал концепцию атома с атомным ядром и рассчитал размер ядра (см. гл. 4).

С другой стороны, столкновения, в результате которых атом и альфа-частица лишь отклоняются или отталкиваются друг от друга, не приводят к изменениям ни того ни другого.

Здесь нужно нечто большее. После серии экспериментов, результаты которых были опубликованы в 1919 году, Резерфорд доказал, что иногда это «нечто большее» все-таки происходит. В начале своих опытов Резерфорд поместил источник альфа-частиц в закрытый цилиндр, один конец которого был покрыт слоем сульфида цинка.

Когда альфа-частица ударяется о сульфид цинка, возникает вспышка люминесценции, или сцинтилляция (мерцание). Это происходит потому, что за счет кинетической энергии альфа-частицы происходит возбуждение молекулы цинка, а возвращаясь в свое прежнее состояние, молекула испускает фотон видимого света. (Впервые это явление наблюдал Беккерель в 1899 году. Позже такой способ стали применять при производстве светящихся объектов. Смесь небольшого количества соединения радия с сульфидом цинка или некоторых других веществ дает свечение, легко заметное в темноте. Самым «писком» 1920-х годов стали часы, на циферблатах которых цифры были нанесены такими вот люминесцентными материалами.)

Если рассматривать мерцающий экран в темноте (когда глаза привыкли к темноте и легко замечают даже слабый свет) с помощью лупы, то можно увидеть каждую вспышку в отдельности. Учитывая, что каждая вспышка вызвана попавшей в экран альфа-частицей, то, подсчитав количество вспышек в заданной области за определенное время, можно определить скорость распада некоторой массы радиоактивного вещества и с помощью этого выяснить, например, период полураспада данного вещества. Прибор, который Резерфорд использовал в своих экспериментах, получил название сцинтилляционный счетчик.

В современных сцинтилляционных счетчиках используются более эффективные сцинтилляторы, а вспышки подсчитываются с помощью фотоэлементов и электроники.

Если же в трубке присутствует газ (например, углекислый или кислород), количество вспышек на экране становится меньше. Это происходит потому, что, сталкиваясь с молекулами газа, альфа-частицы замедляются и некоторые из них присоединяют электроны и становятся обычными атомами гелия. Поэтому до экрана «добирается» меньше частиц, и уровень их кинетической энергии ниже.

Однако если заполнить трубку водородом, то на экране время от времени начинают появляться очень яркие вспышки. Это можно объяснить тем, что иногда альфа-частица сталкивается с ядром водорода (то есть с протоном) и тот, оставив свой электрон, устремляется вперед. В этом случае скорость протона будет гораздо выше, чем у тяжелых ядер углерода и кислорода, и достаточной для того, чтобы при его столкновении с экраном возникла яркая вспышка.

Резерфорд обнаружил, что если заполнить трубку азотом, то на экране также появляются фотонные вспышки. Альфа-частица не могла толкнуть ядро атома азота сильнее, чем ядра углерода или кислорода, но вполне могла выбить из него протон, который и устремлялся к экрану.

В 1925 году английский физик Патрик Блэкетт (1897–1974) доказал это. Он бомбардировал альфа-частицами атомы азота внутри камеры Вильсона. В большинстве случаев альфа-частица оставляла за собой след из водяных капель, не сталкиваясь ни с одним ядром, и, когда ее энергия уменьшалась, присоединяла электроны и исчезала. Однако одна из 350 000 альфа-частиц все же встречала на своем пути препятствие.

В этом случае след ее траектории раздваивался на конце. Один конец был тоньше и довольно длинный. Это — ионизирующий протон, с меньшим, чем у альфа-частицы, зарядом (+1 против +2). Второй след был толстый и короткий. Это — отскочившее ядро атома азота, лишенное большинства электронов, благодаря чему оно получило высокий положительный заряд и соответственно сильные ионизирующие свойства. Тем не менее оно двигалось медленно и, быстро набрав электроны, лишилось этих свойств. Никаких следов альфа-частицы не было, значит, она присоединилась к ядру атома азота.

В 1919 году Резерфорд стал первым, кому удалось изменить структуру атомного ядра, то есть провести первую искусственную ядерную реакцию. (Это что-то вроде «ядерной химии»: нуклоны перераспределяются аналогично тому, как перераспределяются электроны в процессе обычной химической реакции.)

Предположим, вначале у нас было ядро атома азота (7 протонов, 7 нейтронов). Добавим сюда альфа-частицу (2 протона, 2 нейрона) и вычтем протон, который был «выбит» альфа-частицей. Получаем атом, состоящий из 8 протонов и 9 нейтронов, то есть кислород–17. В записи это выглядит так: