Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Поэтому к двум фактам, открытым Резерфордом и Содди и указанным ранее, необходимо прибавить еще и третий необычайной важности факт.

Атомы радия и других радиоактивных веществ испускают весьма быстрые электроны, а также и альфа-частицы, по крайней мере в два раза (а может быть, и больше) превосходящие по массе атом водорода.

Когда Резерфорд и Содди собрали и сопоставили эти три факта, то они, как настоящие герои детективной истории, решили, что теперь уже пора выставить гипотезу, которая дала бы объяснение загадочных явлений радиоактивности. Гипотеза, которую они придумали и опубликовали (в 1903 году), заключается в следующем.

Атомы радиоактивных веществ взрываются, распадаются на части. Лучи Беккереля, которые испускаются радиоактивными веществами, — это осколки, отлетающие от атома при таком взрыве. Неверно, что все атомы бессмертны, что они живут вечно, не изменяются, не стареют, не разрушаются. Все это предрассудок, как и то, что атомы не могут быть разделены на части. Предрассудок о неделимости атома был уничтожен благодаря открытию электрона, которое показало, что атом — сложная система, состоящая из более мелких частиц. Таким же образом исследование радиоактивности должно уничтожить предрассудок о бессмертии атомов. Атом радиоактивного вещества живет некоторое время, а затем умирает, взрываясь на части и разбрызгивая во все стороны свои осколки. Но не у всех радиоактивных атомов одинаковая «смертность»: атомы эманации радия вымирают очень быстро, так что через несколько дней от первоначального количества эманации радия остается только небольшая часть, а атомы самого радия или урана вымирают гораздо медленнее, так что даже через несколько лет практически мы не можем еще заметить никакого уменьшения их количества. Но все же и они умирают и дают об этом знать своими лучами Беккереля. Эманация радия, постепенно возникающая из радия, состоит из атомов эманации радия. Так как в лучах Беккереля, испускаемых радием, никаких тяжелых частиц, кроме альфа-частиц, не обнаружено, то самое естественное предположение, которое можно сделать, заключается в том, что атом радия распадается на атом эманации радия и альфа-частицу, что можно записать так:

атом радия → атом эманации + альфа-частица.

При таком распаде летят еще и мелкие брызги в виде электронов и гамма-лучей (что касается гамма-лучей, то они ничем не отличаются от очень жестких, т. е. очень проникающих, лучей Рентгена). Выходит, что после смерти атома радия образовался атом другого вещества — эманации радия — и альфа-частица, которая, вероятно, тоже является атомом какого-то вещества. В радиоактивных явлениях мы имеем дело с превращением одних химических элементов в другие, с рождением и смертью атомов, то есть как раз со всем тем, что считал невозможным Дальтон и все химики XIX столетия, но к чему стремились средневековые «делатели золота». Правда, средневековые алхимики стремились превращать одни химические элементы в другие по собственному желанию, стремились управлять этим превращением, а радий, как мы видели, остается совершенно равнодушным ко всем попыткам физиков как-то повлиять на интенсивность испускаемых им лучей Беккереля и замедлить или ускорить его распад. Но, как знать, может быть, когда-нибудь и удастся добыть тот «тонкий и сильный агент», о котором мечтал Роберт Бойль, и научиться управлять с его помощью радиоактивными явлениями, замедляя и ускоряя их по произволу, вызывая распад атомов там, где он не хочет происходить сам собою, и прекращая его там, где он происходит.

Но не для того нам пригодится этот «тонкий и сильный агент», чтобы добывать золото, — этот хотя и полезный, но все же не очень важный химический элемент. Есть вещи поважнее золота, и их мы найдем в недрах атомов. Радий — это склад энергии. Его запас энергии не безграничен, потому что, с точки зрения гипотезы Резерфорда и Содди, в радии, как и в горящем топливе, что-то тратится, и это что-то есть он сам: атомы радия уничтожаются, превращаясь в другие атомы. Но все-таки этот запас энергии очень велик (когда Резерфорд и Содди впервые выставили свою гипотезу, его нельзя было даже приблизительно учесть). Грамм радия — это резервуар энергии, резервуар, из которого она вытекает медленно и неохотно. Удастся ли когда-нибудь открыть кран пошире — так, чтобы она вытекала быстрей? А может быть, и другие атомы тоже радиоактивны, но только отдают свои лучи так медленно и так мало, что мы не в состоянии этого заметить? И есть ли какие-нибудь способы заставить эти атомы распадаться на части быстрее, чем они распадаются сами? Какими могущественными стали бы люди, если бы им удалось взнуздать и подчинить себе эти таинственные силы, клокочущие в недрах атомов! «Люди, которые могли бы это сделать, — писал Содди, — не особенно нуждались бы в том, чтобы в поте лица своего добывать хлеб свой. Они могли бы переделать пустыни, растопить обледенелые полюсы, сделать весь мир веселым райским садом». И какими жалкими показались бы им те запасы энергии — сила воды и ветра, химическая энергия безумно растрачиваемых нами угля и нефти, — которыми располагает современное человечество. Подчинив себе радиоактивность, люди совершили бы такой же огромный скачок вперед, какой они совершили когда-то, когда первобытный человек, подчинив себе огонь, сделался повелителем и господином остальных животных.

Такова была гипотеза Резерфорда и Содди. Такова была предложенная ими разгадка радиоактивности. Она открывала перед физикой широчайшие перспективы. Она в корне меняла все физические представления, относящиеся к атомам и к их судьбе. Она была смела, необычна. Но была ли она правильна?

Предстояло проделать огромную работу, проверить во всех деталях эту «гипотезу превращения элементов», как называли ее Резерфорд и Содди, объяснить все темные, неясные пункты. И прежде всего, конечно, нужно было проверить, действительно ли атом радия превращается в атом эманации радия и в альфа-частицу.

Для этого следовало собрать как можно больше дополнительных сведений. В частности, нужно было, наконец, узнать, что же такое эта альфа-частица? Имеет ли она элементарный заряд и массу, равную удвоенной массе атома водорода, или же два элементарных заряда и массу, равную учетверенной массе атома водорода, или же три элементарных заряда и массу, равную ушестеренной массе атома водорода, и т. д.?

Резерфорд и Содди рассуждали так: альфа-частица должна быть каким-то атомом, обыкновенным атомом какого-то химического элемента, хотя и положительно заряженным, т. е. потерявшим один, или два, или три и т. д. электрона. Но такого химического элемента, у которого атом имел бы вдвое большую массу, чем атом водорода, по-видимому, не существует. Поэтому первую из перечисленных возможностей приходится отбросить. Но существует атом, который по массе в четыре раза больше атома водорода, — это атом газа гелия, открытого в 1896 году сэром Уильямом Рамзаем. Поэтому весьма вероятно, что альфа-частица — это и есть атом гелия, заряженный двумя положительными элементарными зарядами, т. е. потерявший два электрона. Конечно, такое рассуждение нельзя считать очень убедительным потому, что легко могло бы оказаться, например, и что альфа-частица есть атом кислорода, потерявший восемь электронов (это тоже дало бы правильное значение для отношения e/m, так как знаменатель был бы в 16 раз большим, чем у водородного иона, а числитель — в 8 раз).