Краткая история науки - Уильям Байнум

Вскоре стало ясно, что не только уран, но целая группа элементов испускает такие лучи. Эти элементы вызвали большое воодушевление в начале двадцатого века, и сохраняют значение и сейчас. Их называют радиоактивными, и в число наиболее известных помимо урана входят радий и торий. Начав изучать их особые свойства, физики узнали много интересного о структуре атомов.

Альфа-лучи оказались в числе фундаментальных вещей (их часто еще называют альфа-частицами – различие между тем и другим часто размывается в очень маленьком и быстром мире атомной науки). Резерфорд и его коллеги направляли эти лучи на очень тонкие пластинки металла и смотрели, что выйдет. Обычно лучи проходили через металл, но иногда отражались, точно свет от зеркала.

Вообразите изумление Резерфорда, когда он понял, что произошло на его глазах. Выглядит все так, словно вы выстрелили из пушки в лист бумаги и обнаружили, что ядро отскочило.

Такой результат подразумевал, что альфа-частица встретила на пути очень плотную часть атома того металла, из которого состоит частица, наткнулась на ядро атома. Эксперименты показали, что атомы состоят большей частью из пустого пространства, и именно поэтому альфа-частицы легко пробивают пластину. И только когда они сталкиваются с концентрацией массы в центральном ядре, они отражаются.

Дальнейшая работа позволила продемонстрировать, что ядро обладает положительным зарядом. Физики начали подозревать, что позитивный заряд ядра балансируется отрицательными зарядами электронов и что электроны вращаются вокруг ядра в огромном пустом пространстве атома.

Резерфорда сейчас называют основателем ядерной физики, в 1908 он получил Нобелевскую премию по химии. Премия была названа в честь основателя, шведского миллионера, она стала высшим знаком отличия в научном мире после ее учреждения в 1901 году. Так что многие амбициозные ученые стали стремиться к тому, чтобы получить ее. Новозеландец оказался еще и хорошим наставником, и несколько его студентов и сотрудников тоже получили Нобелевку.

Датчанин Нильс Бор (1885–1962) был в их числе.

Он взял идею Резерфорда по поводу того, что почти вся масса атома сосредоточена в небольшом ядре, и, приложив к ней новый научный инструмент, именуемый «квантовой физикой», в 1913-м предложил то, что назвали «боровской моделью атома». В модели он изобразил, как устроен атом, используя всю информацию, имевшуюся в распоряжении ученых того времени.

Представлялось, что атом в чем-то похож на нашу Солнечную систему, где в центре Солнце/ядро, а планеты/электроны вращаются вокруг него по определенным орбитам. В модели Бора вес положительно заряженного ядра давал атому его атомный вес и место в таблице Менделеева, ядро же состояло из положительно заряженных протонов.

Чем тяжелее атом, тем больше в его ядре протонов.

Количество протонов должно соответствовать числу электронов, чтобы атом в целом был электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по определенным орбитам, и вот в этом месте в дело вступала «квантовость».

Одной из блестящих идей, легших в основание квантовой физики, стала мысль о том, что феномены в природе проявляются определенными, индивидуальными порциями или квантами (история квантов будет рассказана в главе 32). В число этих вещей входят масса, энергия или вообще что угодно из научных величин.

В модели Бора орбиты электронов находятся в различных, индивидуальных квантовых состояниях. Электроны, расположенные ближе к ядру, притягиваются к нему сильнее, расположенные дальше – привязаны слабее, и именно они имеют возможность принимать участие в химических реакциях и порождать такие вещи, как электричество или магнетизм.

Если все это выглядит в достаточной степени сложным… так оно и есть.

Бор это отлично знал, но он также понимал, что его модель атома позволит химикам и физикам заговорить на одном языке. Она была построена на основании физических экспериментов, но позволяла объяснить многое из того, что химики наблюдали в своих лабораториях.

В особенности она помогала бросить свет на то, почему элементы в периодической системе ведут себя определенным образом и имеют конкретный шаблон сочетаемости, или валентность. Те атомы, которые объединяются поодиночке, поступают так потому, что у них есть лишь один «свободный» электрон, другие ведут себя иначе, поскольку число таких электронов у них иное.

Модель Бора стала одним из символов современной науки, при том что сейчас мы знаем – атом намного сложнее, чем полагал датский ученый.

С появлением его модели появились и новые вопросы.

Во-первых, как положительно заряженные протоны могут сосуществовать в крохотном пространстве атомного ядра? Если говорить об электрическом заряде, то противоположности притягиваются, а вещи со схожим полюсом отталкиваются (вспомните, как ведут себя два магнита). Почему тогда протоны не отталкиваются друг от друга и отчего электроны не затягивает в ядро?

Во-вторых, легчайший из известных атомов принадлежит водороду, и давайте предположим, что водород с его атомной массой 1 состоит из единственного протона и почти невесомого электрона. Это означает, что масса собственного протона будет та же 1. Почему тогда атомные массы в таблице Менделеева просто не увеличиваются в арифметической последовательности: 1, 2, 3, 4 и так далее?

Ответ на первую загадку появился только тогда, когда квантовая механика получила дальнейшее развитие. Второй вопрос, касавшийся пробелов в линии атомных масс, получил ответ много раньше, с ним разобрался другой коллега Резерфорда по Кембриджу. Джеймс Чедвик (1891–1974).

В 1932 году Чедвик объявил о результатах своих экспериментов по «бомбардировке» атомов. Со времени первых опытов Резерфорда этот метод стал жизненно важным для физиков, занимавшихся структурой вещества. Чедвик направлял потоки альфа-частиц на свой любимый металл, бериллий, и обнаружил, что тот иногда испускает частицу с атомной массой в единицу, но не имеющую заряда.

Он использовал имя Резерфорда для этой частицы – нейтрон, – но вскоре стало ясно, что это не просто скомбинированные электрон и протон, как полагал Резерфорд, а фундаментальная частица природы. Нейтрон оказался чем-то вроде потерянного звена для физиков, он позволил объяснить загадки атомных масс и мест элементов в таблице. Предложенная Менделеевым схема классификации продолжила доказывать свою полезность.

Нейтрон Чедвика также позволил открыть такое явление, как изотопы.

Иногда атомы одного и того же элемента имеют разные атомные массы, если у них в ядре имеется отличающееся количество нейтронов, нейтральных частиц. Изотопами как раз называют атомы одного элемента с разной атомной массой, даже водород иногда может обладать атомной массой в 2 вместо 1, когда к его единственному протону добавляется нейтрон.

Чедвик получил премию Нобеля за открытие нейтронов и их свойств уже через три года после самого открытия.

Нейтрон оказался прекрасным «оружием» для бомбардировки ядер других атомов. Лишенный и положительного, и отрицательного заряда, он не отталкивается положительно заряженным ядром, где находятся плотно «напиханные» протоны. Чедвик признал это и увидел, что если вы собираетесь разбивать атомы, то вам необходима машина, способная ускорять их до высоких скоростей и энергий: циклотрон или синхротрон.