Периодическая система элементов Менделеева и современная физика

А.К. Тимирязев

Речь, произнесенная на публичном заседании Московского Физического Общества имени П. Н. Лебедева, по случаю исполнившегося десятилетия со дня основания Общества 7/IV (25/III-1911-7/IV 1921. ("Красная Новь", № 1, июнь, 1921, с. 165-178)

Сегодняшний скромный праздник, по случаю исполнившегося десятилетия со дня основания нашего общества, совпадает с двадцатипятилетней годовщиной нескольких чрезвычайно крупных событий — событий, наложивших печать на все последовавшее за ними развитие физики.

В конце 1895 года Рентген открыл лучи, носящие и до сих пор его имя, в 1896 году Анри Беккерель открыл действие солей Урана на фотографическую пластинку и тем положил начало новому учению о радиоактивных явлениях и, наконец, в том же 1896 году и в самом начале 1897 сэр Джозеф Томсон в окончательной форме доказал существование электрона, как составной части каждого атома, любого элемента — любой известной нам формы материи.

Все эти открытия позволили нам глубже проникнуть в строение вещества, поставили на очередь вопрос о строении атома, позволили взглянуть на периодическую систему элементов с совершенно новой точки зрения и, наконец, в самое последнее время поставили нас лицом к лицу с разложением химических элементов — теперь ведь это совершившийся факт!

Всякий, кто имел возможность следить за событиями в науке, хотя бы только по тем скудным сведениям, которые попадают в газеты, знает, что в 1919 году английский физик Рутерфорд разложил атомы азота, а в следующем 1920 и отчасти уже в 1921 году ему же удалось разложить кислород и, по дошедшим до нас в последние дни сведениям, углерод, кремний, алюминий и бор, — впрочем, относительно последнего Рутерфорд еще сам не вполне уверен.

И вот эти новейшие открытия, которые не-специалистам, стоящим далеко от нашей науки, представляются чем-то совсем необычным, чем-то даже идущим в разрез с твердо установившимися в науке взглядами, непосредственно связаны с теми событиями, о которых я только что упомянул и которые произошли двадцать пять лет тому назад!

Когда Томсону удалось научиться отцеплять от любого атома один или несколько электронов, т.е. частиц, заряженных отрицательным электричеством и обладающих массой в 1700 раз меньшей массы атома водорода, стало совершенно ясно, что мы стоим на пути к разложению атома. Правда, отщепленные электроны скоро и легко заменяются другими, — да и атом при таком расщеплении особенно глубоких изменений не претерпевает, тем не менее начало разложению атома было положено уже тогда. Но, что, пожалуй, еще любопытнее, определение массы осколков, получающихся при разложении азота, кислорода и атомов других элементов, производится теми же самыми методами, которыми установлена была масса электрона, и, наконец, теми же методами — правда, несколько усовершенствованными, Астон, ученик Томсона, доказал, что очень многие из химических элементов, хорошо нам знакомые, представляют собой не собрание однородных атомов, а смесь нескольких разновидностей данного элемента, химически не отличимых друг от друга, но обладающих различным атомным весом. Эти разновидности носят теперь название "изотопов", что значит занимающий одно и то же место — подразумевается в системе элементов Менделеева.

Вот почему, позвольте мне прежде всего напомнить, как отщепляют электроны от любого атома. Этот процесс всего удобнее осуществить в трубке с разреженным воздухом или каким-нибудь другим газом. В промежутке между катодом K (соединенным с отрицательным полюсом источника электрического тока) и анодом A (см. фиг. 1) под влиянием большого электрического напряжения между A и K от атомов находящегося в трубке разреженного газа отщепляются электроны, заряженные отрицательным электричеством, которые, отталкиваясь от катода K, несутся к концу трубки C, ударяются о стекло и вызывают характерное зеленоватое свечение стекла трубки. Положительно заряженные "остатки" атома, т.е. то, что остается от атома после отщепления от него одного или нескольких электронов, двигаются в противоположную сторону (притягиваются катодом) и, если в катоде есть отверстие, то эти частицы проходят дальше во вторую часть трубки A'B' (фиг. 1). Так как в нормальном нерасщепленном состоянии атом не заряжен, то положительный заряд остатка атома должен как раз равняться по величине сумме отрицательных зарядов всех электронов, которые были от него отщеплены. Поток отрицательных электронов по старой привычке еще и теперь называют "катодными лучами", а поток положительно заряженных частиц "положительными" или "каналовыми лучами" — каналовыми их называют потому, что они выходят из отверстий — каналов в катоде (см. фиг. 1). Чтобы получить возможно более тонкий пучок этих "лучей" Томсон часто вставлял в катод иглу для подкожных впрыскиваний!

При движении в электрическом поле конденсатора A'B' (фиг. 1), состоящего из пары параллельных заряженных противоположными электричествами пластинок, каналовые "лучи" отклоняются, как показано на чертеже, так как это ведь поток положительно заряженных частиц, которые отталкиваются пластинкой B' и притягиваются к A'. Если мы подействуем на этот поток магнитным полем, поместив разрядную трубку между полюсами электромагнита, то весь поток отклонится в сторону, в плоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа (фиг. 1), как отклоняется любой провод, по которому идет электрический ток и который может свободно двигаться в магнитном поле. Посмотрим, что получится на фотографической пластинке PP (фиг. 1), завернутой в тонкий листок алюминия, через который быстро летящие частицы свободно проходят. Если нет электрического и магнитного поля, то поток каналовых "лучей", прошедший через узкое отверстие в катоде, дает на фотографической пластинке изображение в виде пятна O (фиг. 2), находящегося как раз против отверстия. Если действует одно только электрическое поле, то пятно отклоняется, растягиваясь в полоску AB. Почему пятно растягивается? Потому что не все частицы летят с одинаковой скоростью; процесс расщепления происходит не в одном каком-нибудь месте трубки, а на всем протяжении между анодом и катодом (Q и Q' фиг. 1); поэтому сила притяжения катодом K и отталкивания анодом A действует не одинаково долго на все частицы, а потому они и получают неодинаковые скорости. С другой стороны, медленно летящие частицы дольше будут подвергаться отклоняющему действию A'B' и потому сильнее отклонятся. То же самое происходит и с магнитным отклонением, при чем полоска получается в CD или в C'D', смотря по расположению магнитных полюсов, а если их положение во время опыта несколько раз меняется, чего достигают переменой направления тока в электромагните, то получаются обе полоски и CD, и C'D'. Если же одновременно возбудить и электрическое и магнитное поле, то оба отклонения должны произойти одновременно, вследствие чего на пластинке получаются дуги кривых (a1 b1 ab), называемых параболами.

Элементарная теория показывает, что на одной и той же параболе располагаются следы ударов частиц, имеющих одну и ту же массу. Если в трубке была смесь, состоящая из двух газов, дающих положительно заряженные частицы с массами m1 и m2, то на фотографической пластинке появляются две параболы; при чем, как показывает элементарная теория, отношение длин хорд y1 и y2 (см. фиг. 2), возведенное в квадрат, обратно пропорционально отношению масс самих частиц, т.е. (y1/y2)¤=m2/m1. Что должно существовать обратное отношение, следует из того, что чем меньше масса частицы, тем большее она при прочих равных условиях получает отклонение — тем легче ее, так сказать, сбить в сторону с ее пути.

[Несколько труднее бывает решить вопрос, отклоняется ли данная группа частиц более потому, что у нее масса меньше, или потому, что у нее заряд больше в результате отщепления двух или трех электронов зараз. Ведь увеличение заряда усиливает отклонение так же, как и уменьшение массы. Однако, по некоторым особенностям кривых (при больших зарядах скорости всех вообще частиц увеличиваются) можно безошибочно отличить, имеем ли мы дело с частицами меньшей массы по сравнению с наблюденными раньше или это те же частицы, но более сильно заряженные.]

Таким образом, является возможность определять атомные веса каких угодно газов. Необходимо отметить, что подобным же путем Томсон 25 лет тому назад определил массу электрона и показал, что, откуда бы мы ни получали электроны, они все имеют одну и ту же массу. Однако, потребовалось около 15 лет упорной работы, чтобы применить этот прием к каналовым "лучам" и выработать вытекающий из него новый метод определения атомных весов. Атомные веса получаются по методу Томсона с точностью до 1 — 2%, т.е. с точностью, значительно уступающей точности химического анализа, и все-таки Томсону удалось открыть совершенно новые и неожиданные факты. Если наполнить трубку метаном (соединением водорода с углеродом) CH4, то получаются не только частицы метана с положительным зарядом, но и группы: CH3, CH2, CH, C+, H+ и C++, т.е. соединения углерода с тремя, двумя и одним атомом водорода и, наконец, отдельные атомы водорода и углерода с положительными зарядами.

Ничего подобного химики не получали: группы CH, CH2, CH3 в свободном состоянии не были известны. Но понятие "свободное состояние" весьма относительно: в любом газе при атмосферном давлении частицы газа миллионы и миллионы раз друг с другом сталкиваются в течение одной только секунды! При каждом таком столкновении группы CH, CH2 и CH3, если бы даже нам удалось получить их в отдельности, могут соединиться между собой и дать более сложные молекулы. В разрядной же трубке Томсона частицы от того места, где произошло расщепление, без одного столкновения долетают до фотографической пластинки в несколько сто-миллионных долей секунды. Вот в этот промежуток времени они действительно, можно сказать, находятся в свободном состоянии!

После выработки Томсоном этого нового метода, спустя восемь лет в 1920 году в той же области было сделано весьма существенное усовершенствование учеником Томсона — Астоном.

Астон расположил электрическое и магнитное поле так, что вызываемые ими отклонения происходили в одной и той же плоскости, но имели противоположные направления. Очень узкий пучок "каналовых лучей" выделялся с помощью двух щелей A и A' (см. фиг. 3), имевших ширину 0,05 m/m. В заряженном конденсаторе пучок расширяется, так как более медленно двигающиеся частицы отклоняются сильнее. Магнитное же поле, производя отклонение в обратную сторону, заставляло этот рассеявшийся было пучок соединиться вновь. В месте соединения, так сказать в "фокусе" C, помещается фотографическая пластинка — там получается "изображение" щели A'; частицы, имеющие другую массу, дадут изображение в другом месте, например, в C'. Расчет, подтверждаемый опытом, показывает, что можно найти такое положение фотографической пластинки, при котором на ней именно и расположатся все изображения, все "фокусы", даваемые частицами различных масс. Получаемый на пластинке ряд полос Астон предложил назвать "спектром масс". Для определения масс, соответствующих отдельным линиям, всего удобнее подмешать к испытуемой смеси метан, который, как мы уже видели, дает частицы: CH4, CH3, CH2, CH, C, H и C++, имеющих массы 16, 15, 14, 13, 12, 1 и 6. Т.е. мы получаем как бы готовый масштаб и притом с довольно удобным распределением делений! Если измеряемые массы больше 16, то можно подобрать — это именно и делает Астон — другие органические соединения, дающие еще большее разнообразие частиц и обладающих притом большей массой частицы.

Точность метода Астона прямо удивительная, атомные веса можно определить с точностью до десятой даже нескольких сотых долей процента, — стало быть точнее, чем это делают химики! На первых же порах Астону удалось сделать с помощью этого метода ряд крупнейших открытий. Так, например, хлор, атомный вес которого очень хорошо был известен химикам (его вес выражается числом 35,49), дал в спектре масс две линии: одну, соответствующую 35,00, и другую, соответствующую 37,00, — есть еще слабый намек на линию 39,00, но принадлежит ли она хлору или какой-либо примеси, установить пока не удалось. Если сравнить степень почернения фотографической пластинки этих двух линий и считать, что почернение пластинки зависит от числа ударившихся частиц, мы приходим к такой пропорции, которая как раз соответствует числу 35,49. Итак, обыкновенный хлор есть смесь по крайней мере двух разновидностей — двух "изотопов", занимающих одно и то же место в системе Менделеева и ничем, кроме своей массы, не отличимых друг от друга!

На следующей таблице (см. табл. 1) начерчена система Менделеева в таком виде, как она представляется физикам. Рядом с порядковым числом, характеризующим положение данного элемента в системе — физический смысл этого числа мы разберем несколько позже — и химическим знаком, сопровождаемым атомным весом по данным химического анализа, мы видим числа, соответствующие атомным весам "изотопов". Мы видим, что у Бора два изотопа, у неона два, у кремния два, у брома и аргона по 2, у криптона 6 и у ртути не менее 6. Но, что всего любопытнее, атомные веса изотопов оказываются целыми числами. Перед нами вновь всплывает смелая гипотеза Виллиама Проута!

Но мне сейчас же могут возразить: как же это может получиться, когда атомный вес водорода 1,008, а не 1,000 и притом Астон своим же методом подтвердил хорошо известное число 1,008?

Однако, по-видимому, в ядре атомов, в состав которых входят атомы водорода, а также в соединениях вроде метана или групп CH3, CH2, CH масса атома равна единице. Все зависит от того, определяем ли мы массу ядра атома водорода отдельно или массу ядра плюс электрон, который при разных условиях может находиться на неодинаковых расстояниях от ядра. Во всех этих случаях масса всей системы может немного отличаться друг от друга; так как, становясь на точку зрения электронной теории, мы должны считать массу атомов и электронов электромагнитной, а электромагнитная масса системы зарядов зависит от их расположения.

Очень часто приходится слышать, что понятие об электромагнитной массе противоречит основам механики; в связи с этим философы и философствующие естествоиспытатели заговорили даже о дематериализации материи! Попытаемся разобраться, в чем здесь дело. Если мы хотим заставить двигаться какой-нибудь предмет, скажем шар, имеющий массу m со скоростью v, то, как известно из механики, этому шару надо сообщить энергию в количестве, равном mv^2/2.

Представим себе, что мы бросаем тот же шар, но предварительно мы его зарядили электричеством. Летящий заряженный шар будет обладать теперь при той же скорости движения большей энергией: движущийся заряд в силу одного только своего движения будет проявлять все свойства электрического тока, будет отклонять магнитные стрелки, мимо которых он будет пролетать, и т.д.

[Кроме этого магнитного действия, шар может еще и притягивать и отталкивать электрически заряженные тела. Эта часть энергии сообщается шару при заряжении. Магнитная же энергия или энергия электрического тока черпается из того источника, который приводит шар в движение, как это указано в тексте.]

Словом, движущийся заряженный шар обладает большей энергией при той же самой скорости. Таким образом, чтобы привести в движение заряженный шар со скоростью v, надо затратить больше энергии, т.е. не mv^2/2, а (m+m1)v^2/2, дело происходит так, как будто масса шара стала больше. Опыты с электронами, вылетающими с громадными скоростями из радиоактивных тел, показали, что электроны обладают одной только электромагнитной массой m1, обыкновенная же масса равна нулю: m = 0. Более того, эта масса m1, как показывает теория, подтверждаемая опытом, возрастает со скоростью; кроме того, если мы захотели бы подтолкнуть электрон в ту же сторону, в которую он летит, то придется затратить больше энергии, чем при смещении электрона в направлении, перпендикулярном к направлению его полета: при больших скоростях, как говорят, электромагнитная масса бывает продольная и поперечная. Но так ли уж сильно противоречат нашим механическим представлениям эти новые факты? Представим себе пузырек воздуха, поднимающийся со дна пруда; он поднимается, ускоряясь, гораздо медленнее, чем мы могли бы ожидать, зная, что воздух почти в 1000 раз легче воды. Это происходит потому, что при движении пузырек должен расталкивать воду перед собой; на фиг. 4 показаны направления струек воды, приводимых в движение пузырьком. Теория показывает, что движение происходит так, как будто к пузырю была прибавлена половина массы воды, вытесняемой им, а двигался он в пустоте. Представим себе шар с твердыми и очень легкими стенками, из которого весь воздух выкачен, такой шар, двигаясь в воде, будет увлекать с собой таким же образом окружающую воду, и движущаяся масса будет состоять главным образом из увлекаемой шаром воды. Этот пример может служить аналогией между отсутствующей "обыкновенной" массой электрона и шарика, массы шарика тоже нет, раз воздух из него выкачан. "Электромагнитная масса" в нашем примере есть масса окружающей шарик воды, но ведь эта масса воды самая настоящая, материальная, хотя мы ее и не видим при движении пузырька! Аналогия однако может быть проведена далее; если мы возьмем тонкий и длинный цилиндр и будем его двигать в воде, тогда окажется, что, смотря по направлению движения, цилиндр будет захватывать с собой при движении различные количества воды: при движении параллельно оси, т.е. торцом вперед, он будет приводить в движение меньшие количества воды, чем тогда, когда мы будем его двигать перпендикулярно его оси. Вот, следовательно, пример на продольную и поперечную массу, взятый из области чистой механики!

Наконец, можно доказать, что когда в воде двигаются несколько цилиндров одновременно, то увлекаемые ими массы воды, зависят от того: близко ли друг к другу расположены цилиндры или нет.

Но вернемся к электромагнитной массе и посмотрим, как Томсон, который раньше других показал, как надо рассчитывать электромагнитную массу, и первый заговорил вообще об электромагнитной массе еще в 1881 году ["Effects produced by the Motion of Electrified Bodies, "Philosophical Magazine", April 1881], объясняет, исходя из этой механической аналогии, продольную и поперечную массу электрона; а также возрастание массы со скоростью. Томсон, так же как Фарадей и Максвелл, приписывает так наз. силовым линиям реальное существование. Эти линии располагаются вокруг заряженного неподвижного шара, как изображено на фиг. 5 А. Фактически их можно наблюдать следующим образом: если в расплавленный параффин, к которому подмешана угольная пыль, опустить на шелковинке заряженный шарик, то угольные пылинки располагаются по направлению радиусов шара, как показано на фиг. 5 А. При движении электрона в эфире эти силовые линии по Томсону должны сместиться в экваториальную область электрона (см. фиг. 5 В) по той же причине, по которой полураскрытый зонтик сам раскрывается при движении против ветра. По мере увеличения скорости силовые линии все гуще скопляются в экваториальном поясе и все большие массы захватывают с собой из окружающей среды — эфира; этим объясняется таинственное возрастание массы со скоростью! Из одного взгляда на фиг. 5 В ясно, что при движении в направлении ab увлекаемая масса будет больше, чем в направлении cd. Таким образом, понятно, почему "продольная" масса электрона больше "поперечной". На это возразят, что эфир уже сдан в архив; новый принцип относительности его более не допускает. Не лишне однако заметить, что изложенная нами сейчас теория Томсона с помощью эфира ["Physikalische Zeitschrift", 1921, Februar] объясняет очень просто те же самые явления, которые были предсказаны принципом относительности путем самых головоломных вычислений! Свою теорию Томсон резюмирует следующим образом: "Всякая масса — есть масса эфира, всякое количество движения есть количество движения эфира и всякая кинетическая энергия есть кинетическая энергия эфира" [Дж. Дж. Томсон. "Elektricitat und Materie", p. 33, Vieweg Braunschweig 1904].

Вернемся однако к вопросу об атомном весе водорода: из сказанного ясно, что если ядро и электрон не во всех случаях одинаково расположены, то связывающие их линии сил будут иметь неодинаковое расположение, не одинаковую густоту, а это сказывается на величине массы увлекаемого ими эфира. Где же здесь, спрашивается, дематериализация материи? И не забудем, что Томсон является основателем учения об электромагнитной массе.

Открытие Астоном изотопов хлора, брома и ртути очень удивило неспециалистов, а между тем мы, физики, имеем уже дело с изотопами несколько лет. Только эти изотопы были найдены среди недолговечных продуктов распада урана, радия, тория и актиния — словом, изотопы были установлены для радиоактивных тел, а в них еще и до сих пор некоторые ученые стесняются видеть настоящие химические элементы.

Так в недавно вышедшем руководстве по химии проф. В. Я. Курбатова атомы радиоактивных тел из осторожности называются: "атомоидами". Такова уж сила привычки и... наклонность к философствованию. А именно здесь в этой области радиоактивных процессов выяснилось, что собственно делает изотопы химически не отличимыми друг от друга, а также какой именно фактор определяет положение элемента в периодической системе. В длинном ряде известных нам радиоактивных превращений мы встречаемся с двумя типами этих превращений. В превращениях первого типа происходит выделение одной alpha частицы, т.е. одного атома гелия (атомный вес = 4), от которого отщеплено два электрона и который, следовательно, несет с собой двойной положительный заряд. Будем называть такой процесс alpha-превращением.

Превращения второго типа сопровождаются выделением одной beta частицы, т.е. одного электрона с одним отрицательным зарядом — будем называть это beta-превращением. Возьмем для примера радий с атомным весом 226 — он принадлежит к той же II группе, что и кальций, стронций и барий. Атом радия, распадаясь, дает одну alpha частицу с атомным весом четыре и атом нитона или эманации радия с атомным весом 222. Эманация по своим химическим свойствам относится к нулевой группе, т.е. к той группе, где помещаются так называемые благородные газы: гелий, аргон, неон, криптон и ксенон. Заметим, что атомный вес убавился на четыре единицы, заряд ядра атома убавился на две единицы, так как из него вылетела одна alpha частица с двойным зарядом и в то же время при этом в процессе эволюции вещество переместилось в Менделеевской системе на два места назад: из второй в нулевую группу. То же самое происходит и при двух следующих за тем alpha-превращениях: заряд ядра уменьшается на два элементарных заряда, получающееся вещество по своим химическим свойствам попадает в системе элементов на место, отстоящее на два номера назад — в сторону убывающих атомных весов; в данном случае атомный вес действительно убывает на четыре единицы. После трех alpha-превращений радий — эманация, эманация — радий A, радий A — радий B, наступает beta-превращение радий B — радий C при этом выделяется один электрон.

Атомный вес при этом почти не изменяется; во всяком случае учесть это изменение мы не можем и, несмотря на это, по своим свойствам радий C принадлежит к V группе, тогда как радий B имеет место в IV. Следовательно, при beta-превращении вещество перемещается на одно место в Менделеевской системе вперед в сторону возрастающих атомных весов, атомный вес не возрастает, заряд же ядра (положительный) возрастает также на единицу, так как из ядра вылетает один заряженный отрицательным электричеством электрон. Изложенное правило, установленное Содди и Фаянсом, показывает, что с физической точки зрения положение того или другого элемента в периодической системе обусловлено не атомным весом, а числом свободных элементарных положительных зарядов ядра атома. Это число, как мы увидим, совпадает с порядковым числом, т.е. с N места в Менделеевской системе.

Слово свободный имеет следующий смысл: из ядра атома вылетают alpha и beta частицы, значит в ядре имеются заряды и того и другого знака. Поэтому, если в ядре будет 10 зарядов + и 2 заряда -, то свободным зарядом ядра мы будем считать +8; но то же число +8 мы получим взяв +12 и –4. Среди весьма значительного числа продуктов распада радиоактивных веществ, получающихся путем alpha и beta превращений встречается много изотопов: число их на табл. I отмечено римскими цифрами. Эти вещества химически не отличимы друг от друга, и если мы узнали об их существовании, то исключительно по их радиоактивным свойствам; эти вещества обладают различной долговечностью: одни из них распадаются так быстро, что через несколько минут после их выделения от них остается очень незначительная доля, для других этот процесс идет часами, годами и даже тысячелетиями. Кроме того эти вещества при alpha и beta превращениях выделяют alpha и beta частицы, обладающие различными скоростями, которые благодаря этому могут проникать через различную толщу воздуха: получаются, как говорят, alpha частицы различного свободного пробега. От радия C, например, видны следы ударов alpha частиц на экране сернистого цинка в виде вспышек, заметных в лупу, в воздухе при атмосферном давлении еще на расстоянии в 7 сантиметров от источника alpha частиц, а от самого радия только на расстоянии в 3,3 сантиметра. На длине свободного пробега основан способ анализа радиоактивных веществ.

Однако все эти исследования с такими малыми количествами и производятся они с помощью таких необычных — в житейском смысле — экспериментальных приемов, что у многих ученых, не специалистов в данной области, оставались сомнения и самый факт существования изотопов не получил той широкой огласки, которой он заслуживал. Однако в 1915 году и в этой области было сделано открытие, которое способно было заставить призадуматься самого непримиримого скептика.

Если мы просмотрим всю цепь превращений от урана (атомн. вес 238) до радия G, то при этом заметим 8 alpha-превращений, отсюда атомный вес радия G должен равняться 238 – 8*4 = 206. По правилу Фаянса радий G попадает на одно и то же место менделеевской системы, где стоит свинец с атомным весом 207,2, а известно, что свинец встречается всегда в рудах, содержащих уран и торий. С другой стороны конечный продукт распада тория получается из него после 6 alpha-превращений, следовательно, атомный вес этого тела равен 232 (ат. вес тория) – 4*6 = 208, а если мы рассчитаем по правилу Фаянса, где должно находиться в системе элементов это вещество, мы приходим на то же самое место, т.е. туда, где стоит свинец! Числа 206 и 208 и атомный вес свинца 207,2 заставляет сделать предположение: не представляет ли обыкновенный свинец смесь двух изотопов?

Для проверки этой гипотезы были добыты урановая руда из южной Африки, содержащая ничтожнейшие следы тория, и с другой стороны были отобраны куски торита, не содержащего урана, из той и другой руды был выделен свинец и был определен его атомный вес; результаты получились следующие: атомный вес уранового свинца RdG = 206,05, а для ториевого свинца получилось 207,77! Лучшего подтверждения нельзя было и желать!

Итак, положение элемента в периодической системе определяется свободным положительным зарядом ядра, свободным в указанном выше смысле этого слова. Но ведь атом нормальный нерасщепленный электрически нейтрален; как же располагаются в нем электроны, нейтрализующие этот свободный заряд ядра?

Для того, чтобы наши рассуждения не носили отвлеченного характера, позвольте с помощью модели иллюстрировать расположение электронов в атоме. В деревянной ванне налита ртуть; к центру ванны подводится один полюс электрического провода, по краям имеются электроды, соединенные с другим полюсом. Под ванной находится полюс сильного электромагнита. На ртути плавают стальные намагниченные шарики. Под влиянием притяжения электромагнитом все шарики поворачиваются к полюсу N (см. фиг. 6) своими S полюсами и начинают двигаться к центру ванны, но тут начинает сказываться взаимное отталкивание одноименных полюсов S плавающих шариков. Они располагаются под действием электромагнита (полюс электромагнита изображает ядро атома) и взаимных отталкиваний в фигуры равновесия в виде одного или нескольких колец с центром в средине ванны, находящемся над электромагнитом. Пропуская ток через ртуть, мы можем заставить ее вместе с шариками вращаться в поле электромагнита и тем получить иллюзию движения электронов в атоме. В нашей модели мы можем сколько угодно шариков бросать на ртуть, в атоме же число электронов в кольцах определяется свободным зарядом ядра, так как ведь атом должен быть электрически нейтрален. А числом электронов определяется число и размеры колец, так что, если, как у изотопов, ядро имеет один и тот же заряд, то внешняя оболочка атома — его кольца одинаковы, а следовательно, внешние размеры и его химические и физические свойства за исключением радиоактивных, определяемых самим ядром, должны быть одинаковы. Это вполне подтверждается целым рядом опытов.

В таблице II приведены вычисления атомных объемов: если мы атомный вес или число граммов, равное числу единиц в атомном весе (грамм-атом), разделим на плотность, т.е. на массу в одном кубическом сантиметре, мы получаем объем одного грамм-атома. А разделив еще на N, т.е. на число атомов в грамм-атоме, мы получим объем приходящийся на каждый атом: это число N теперь хорошо известно. Как видно из таблицы, атомный объем для изотопов и для смесей изотопов один и тот же, следовательно внешние размеры атомов одинаковы.

В следующей табл. III приведены схемы гальванических элементов: при чем один электрод состоит из каломели Hg2Cl2, другой из перекиси свинца PbO2 или перекиси RdGO2 (перекись радия G — изотоп свинца) в качестве электролита в этом элементе берется азотнокислый свинец или азотнокислый радий G.

Как показывает опыт, электродвижущая сила этих элементов с точностью до 0,005 милливольта одинакова. А между тем обыкновенно ничтожнейшие изменения электродов или электролита вызывают сильные изменения электродвижущей силы. Таким образом, электрохимические свойства изотопов одинаковы.

Далее оказывается, что спектры лучей Рентгена, получаемых в результате бомбардировки катодными частицами тел, состоящих из различных элементов, тесно связаны с порядковым числом элемента, т.е. с свободным зарядом атома. Квадратный корень из частоты колебания, соответствующей какой-либо линии рентгеновского спектра, оказывается пропорциональным порядковому числу. Для этого приходится только выбирать определенную линию из той или другой серии. Дело в том, что рентгеновские спектры различных веществ все похожи друг на друга и в них можно найти соответствующие друг другу линии и вот для этих линий и имеет место указанная закономерность. Таким именно путем и были точно установлены порядковые числа, стоящие в табл. I и эти числа и послужили основанием для несколько необычного, с точки зрения химика, размещения обведенных в таблице I чертой элементов: так называемых редких земель. Из таблицы видно, что вплоть до самого тяжелого элемента урана остается только пять пустых мест. Существует в этих пределах еще пять неизвестных видов материи, число же разновидностей изотопов может быть и очень велико даже в этих пределах (от водорода до урана). Предела для числа разновидностей мы пока установить не можем.

Но, пожалуй, еще более интересное и более наглядное доказательство правильности излагаемой нами теории дают опыты, впервые осуществленные Гейгером и Марзденом. Эти опыты в последнее время были тщательно проверены и дополнены, о чем уже имеются указания в литературе, но полностью они еще, повидимому, не опубликованы. Дело сводится к следующему, если пучок alpha лучей, т.е. заряженных атомов гелия, пустить на экран сернистого цинка, то каждая частица вызывает заметную в лупу для глаза искру и если на пути пучка нет особых препятствий; если, например, газ, через который они пролетают, разрежен, то пучок имеет размеры тех отверстий, через которые его пропускают (см. рис. 7). Но если мы на пути поставим тонкий листок какого-нибудь металла, то, пролетая вблизи ядра, заряженный положительно атом гелия или alpha частица оттолкнется в сторону: он может оттолкнуться только от ядра, имеющего большую по сравнению с ним массу, а не от отдельных электронов, которые он сам разбросает в стороны, так как масса атома гелия относится к массе электрона примерно так, как масса солнца относится к массе планеты Уран. Вследствие этих отклонений пучок станет расходящимся и, как показывает теория Рутерфорда, изучая распределение искр на экране в этом расходящемся пучке, можно определить заряд ядра отклоняющего атома.

Выполненные измерения блестяще подтвердили основное предположение, что число свободных зарядов ядра для каждого элемента оказывается равным порядковому числу. Таким образом и эта цепь фактов приводит нас к тому же результату. Однако я здесь должен оговориться: способ Гейгера и Марздена применим к исследованию атомов значительно более тяжелых, чем атомы гелия, — так, например, для алюминия отношение будет 27:4. Только в таком случае мы можем отвлекаться от перемещений отклоняющего ядра, т.е. можем считать, что ядра атомов в металлических пластинках сами не смещаются. В этом предположении и была построена теория Рутерфорда, объясняющая опыты Гейгера и Марздена. Но является вопрос: а что же случится, если атом гелия ударится о какой-нибудь легкий атом, например, налетит на один из двух атомов молекулы водорода? Тут, конечно, придется считаться с тем, что обе частицы будут двигаться после столкновения — теорию пришлось дополнить. Эта новая задача была выполнена молодым английским теоретиком Дарвином, внуком знаменитого Чарльза. — Интересно отметить: дед изучал эволюцию органического мира, отец — эволюцию двойных звезд, а сын изучает эволюцию атома! Дарвин показал, что если alpha частица налетает в упор на атом водорода или почти в упор, то атом, во-первых, вылетает из молекулы и движется со скоростью в 1,6 раз большей, чем сама выбившая его alpha частица, вылетающая из радия C. А вместе со скоростью возрастает так называемый свободный пробег частицы, т.е. то расстояние, на котором еще видно действие частицы, на экране сернистого цинка. Для радия C в воздухе при атмосферном давлении искры на экране сернистого цинка видны еще на расстоянии 7 сантиметров. Опыт показывает, что максимальный пробег растет пропорционально третьей степени скорости, а потому для водородных или, как их теперь обозначают, для H частиц этот пробег будет в (1,6)^3 = 4 раза больше, чем для радия C. H частицы должны быть видны в воздухе на расстоянии 28 сантиметров.

Поставленные для этой цели опыты блестяще подтвердили расчеты Дарвина. Можно поставить на пути alpha частиц, летящих в атмосфере водорода в какой-нибудь трубке, алюминиевый экран такой толщины, чтобы он задержал все частицы с пробегом в 7 сантиметров. Этим экраном можно, например, закрыть окошко в трубе, наполненной водородом, и по другую сторону, т.е. в воздухе поместить подвижной экран с лупой для наблюдения искр, вызываемых H частицами, обладающими большим пробегом. Когда же начали проверять теорию Дарвина с количественной стороны, так как по теории можно для данного слоя водорода подсчитать, сколько придется ударов, дающих в результате одну H частицу, — оказалось, что водородных частиц больше, чем этого требует теория, и они появлялись, правда в очень небольшом числе, даже тогда, когда в трубке водорода не было, а был воздух. Долгое время Рутерфорд, занявшийся этим вопросом со своими учениками, думал, что H частицы получаются из следов влаги, имеющейся в трубках и в препаратах радия, но это предположение не оправдалось. Загадка была решена, когда трубку вместо воздуха наполнили азотом: число H частиц возросло на 25%. Стало ясно, что водородные частицы выбиваются не только из молекул водорода, но также из атомов азота, а это значит, что атомы азота разложены! Вы видите таким образом, что открытие Рутерфорда не было случайностью, что здесь мы имеем сложную, но вместе с тем крайне логичную связь, правильное чередование опыта и теории, которое неизбежно роковым образом должно было привести Рутерфорда к его замечательному открытию.

Все, что последовало за этим, представляет собой верх экспериментального искусства. Не надо забывать, что наблюдение и подсчет искр, появляющихся на экране сернистого цинка, требуют огромного напряжения.

H частицы дают искры более тусклые — опытный глаз их сразу отличает от alpha частиц, поэтому их гораздо труднее наблюдать, особенно когда они появляются редко, а это как раз и имеет место в опытах Рутерфорда. Он проделал опыты с отклонением этих частиц магнитным полем, т.е. воспользовался теми методами, о которых у нас шла речь. Ему удалось установить, что масса H частиц равна 1, т.е. что это несомненно атомы водорода. Кроме этих H частиц он нашел еще и другие, названные им X3 с атомным весом, равным 3, он считает эти частицы за изотоп гелия, так как они несут такой же двойной заряд, как и alpha частицы. Эти частицы X3 получаются из атомов азота и кислорода. Как я уже сказал, по самым последним известиям Рутерфорду удалось разложить атомы углерода, кремния, алюминия и, быть может, бора.

Позвольте привести теперь ряд крайне любопытных цифр. Как часто выбивает alpha частица H частицу, т.е. частицу водорода из молекулы водорода, т.е. как велик % благоприятных для этого выбивания столкновений? Оказывается, что на 10.000 столкновений только одно дает H частицу! Для азота дело обстоит еще хуже: при столкновении с alpha частицами распад атома получается только в одном случае на 10 миллиардов столкновений! Значит, надо попасть в определенное место атома, чтобы вызвать его распад.

Далее, если бы мы взяли один грамм радия и заставили его день и ночь бомбардировать азот или кислород, то мы собрали бы 1 кубический миллиметр газа X3, т.е. объем, немного больший булавочной головки, только через 250 миллионов лет!

Это показывает, как мало мы еще овладели процессом распада, а с другой стороны это показывает, как чувствительны наши методы исследования. Да ведь и в самом деле каждая искра на экране, которую мы можем учесть — это ведь всего один атом!

Между прочим, Рутерфорду удалось показать, что энергия движения частиц H и X3, получаемых из азота и кислорода, на несколько процентов больше, чем она должна получиться от толчка, вызванного ударом alpha частицы. Это показывает, что в ядре разрушаемого атома эти частицы уже обладали некоторой энергией. Факт крайне интересный, но его и следовало ожидать. Из опытов с радиоактивными веществами мы знаем, какие колоссальные количества энергии таятся в атоме; и если эти запасы существуют в атомах одного вида, то естественно было предполагать их и во всех остальных.

Во всяком случае, процесс распада атомов подчиняется теперь, хотя и в очень слабой степени, руке экспериментатора. Это огромный успех: начало новой эпохи в истории физики!

В заключение позвольте мне остановиться на двух наиболее прочно установившихся предрассудках, связанных с этими замечательными открытиями. Прежде всего говорят, что не только эти блестящие исследования Рутерфорда, но и самая электронная теория опровергла атомную теорию вещества. Говорят, что раз атом можно разделить — значит он более не атом! Я думаю, что этот предрассудок никогда бы и не появился на свет, если бы атом окрестили не по-гречески, а хотя бы по-латыни, если бы его назвали, скажем, индивидуумом. Это ведь тоже значит неделимый. Но никому из нас в голову не придет сказать, что человек теряет окончательно и бесповоротно свою индивидуальность, перестает быть индивидуумом, когда хирург ему вырежет червеобразный отросток или ампутирует руку или ногу. На это возразят, что в обычных известных химику условиях атом все-таки был неделим. Совершенно верно, но ведь при нормальных условиях нормальным людям хирурги операций также не делают!

В этом отношении для нас особенно ценно признание самого творца периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева — ценно потому, что он как раз был страстным противником применения принципа эволюции к химическим элементам. Он скептически относился к теории атомного распада радиоактивных элементов и, несмотря на это, вот что он писал в своих знаменитых "Основах химии": "Для нас ныне атом есть неделимое не в геометрическом, абстрактном смысле, а только в реальном физическом и химическом. А потому лучше было бы назвать атомы индивидуумами — неделимыми. Греческое атом = индивидууму латинскому по сумме и смыслу слов, но исторически этим двум словам придан разный смысл. Индивидуум механически и геометрически делим и только в определенном реальном смысле неделим.

Земля, солнце, человек, муха суть индивидуумы, хотя геометрически делимы. Так атомы современных естествоиспытателей, неделимые в физико-химическом смысле, составляют те единицы, с которыми имеют дело при рассмотрении естественных явлений вещества, подобно тому как при рассмотрении людских отношений человек есть неделимая единица, или как в астрономии единицей служат светила, планеты, звезды"... [Д. И. Менделеев. "Основы химии", стр. 164, 5-е издание 1889 г.] А к этому можно добавить, что первые атомисты, поставившие атомную теорию на строго научную почву, как раз пытались найти, хотя бы только внешнюю — только числовую, связь между атомными весами, чтобы тем самым подтвердить гипотезу Виллиама Проута о возможном происхождении всех элементов из водорода; как мы видели после опытов Астона, эта гипотеза становится теперь через сто лет весьма вероятной! Таким образом не атомисты, своими смелыми мыслями забегавшие на сто лет вперед, огорчились бы, если бы могли воскреснуть в наши дни, а скорее их противники, предостерегавшие их от смелых гипотез и своей осторожностью создававшие догматы вроде абсолютной неделимости атома, и не давшие науке ничего, кроме тормоза для творческой мысли ученого.

Переходим ко второму предрассудку: он интересен хотя бы уже и потому, что он прямо противоположен первому, что не мешает ему пользоваться одинаково широким распространением. Нам говорят, что теперь, наконец, осуществилась мечта средневековья — мечта алхимиков: элементы разложены! Говорится это часто в виде упрека. Вот вы, мол, ученые превозносите вашу науку, а что вы сделали? Только подходите к тому, над чем еще вчера смеялись, как над несбыточной мечтой. Насколько же умнее вас были те люди, которые за много столетий думали о том, о чем вы только теперь удосужились как следует подумать! Рассмотрим это обвинение со всем хладнокровием терпеливого исследователя. Говорить серьезно об исполнении желаний алхимиков может лишь тот, кто весьма скромно относится к человеческим желаниям вообще; кто не только не унывает, когда желание не исполнилось, но даже способен радоваться, когда исполнилось прямо противоположное тому, чего люди желали!

В средние века искали способа получить золото — тяжелый металл — элемент с большим атомным весом. Словом, тогда искали синтеза элементов. Современная наука открыла естественные процессы распада, а за последние два года нашла способ вызывать этот распад искусственно. На это можно возразить, что и алхимики искали предварительно составных частей металлов, из которых можно было бы путем синтеза построить золото, но они не учли одного: они не учли, что процесс распада сопровождается выделением огромных количеств энергии, которую неизбежно придется затратить на синтез, если бы даже мы и научились этому синтезу когда-нибудь. Таким образом, если даже в более или менее отдаленном будущем мы и научимся тела низкого атомного веса превращать в золото, то при этом придется затрачивать огромные количества энергии. Если мы будем расценивать эту энергию на золото же, то придется во много раз больше истратить золота, чем сколько его получится! А если бы золото удалось получить из более тяжелого элемента, то выделенные при этом огромные запасы энергии будут стоить гораздо дороже, чем полученное в конце концов золото, которое в данном случае будет служить побочным продуктом производства, если не отбросом!

Вообще сравнение младенческих исканий человечества с современной наукой крайне поучительно. Полу-ученый, полу-фантаст, сидевший в своей полутемной келье, окруженный отошедшими в область истории ретортами, мечтал о драгоценном золоте, в котором он видел верх благополучия. Он не знал, что такое энергия, не думал об ее источниках, да к чему это и было тогда? Люди работали сами или заставляли работать своих лошадей; ни фабрик, ни заводов, ни железных дорог тогда не было!

И вот для сравнения мысли Фредерика Содди — ученого, впервые увидавшего в 1903 году появление элемента гелия из другого элемента радия и подсчитавшего те огромные количества атомной энергии, которые выделяются при этом процессе. В своей книжке "Материя и энергия" [Ф. Содди, "Материя и энергия", перевод под редакцией А. Тимирязева, издание "Печатник", 1913.] он высказывает серьезные опасения, что на земном шаре в будущем не хватит топлива: запасы угля и нефти истощаются. Он предвидит, хотя и в отдаленном будущем, бедствия, а в науке, открывающей путь к атомной энергии, он видит избавление от этого бедствия. Он ставит вопрос ребром: "Или вся наша цивилизация будет разрушена, или будет разрушен атом!".

В этих словах видно, на сколько мы ушли вперед. Современного ученого — правда, это один из лучших представителей науки во всех отношениях [Содди отличается редким качеством: он без всякого стеснения говорит, что думает. Его резкая критика нынешнего английского правительства навлекла на него резкие нападки "свободной" печати в Англии.] — влечет не золото, не личное благополучие; для него в будущем его отвлеченные, чисто академические работы о строении атома связываются с самыми жизненными, самыми насущными вопросами о возможности дальнейшего существования человечества на земном шаре...

Но не будем заглядывать в будущее так далеко! Вернемся к тому, о чем у нас была речь сегодня, и зададим себе вопрос, что дало современной физике возможность добиться таких замечательных результатов? Как физик, я должен буду ответить: электронная, или, как предпочитает говорить Томсон, электрическая теория материи. В XIX столетии было установлено, что любая форма лучистой энергии, — свет, лучистое тепло, волны беспроволочного телеграфа, — представляет собой электромагнитные процессы, получающиеся в результате движения электронов — электрических зарядов в том, что мы называем материей.

В XX столетии выяснилось, что заряд атома определяет его физические и химические свойства, что нет материи без электричества и нет электричества без материи.

Но что же, кроме этого, остается во всей физике?

Я думаю, что мы только теперь начинаем понимать тот глубокий пророческий смысл, который заключался в одной шутке, сказанной великим английским физиком лордом Кельвиным уже много лет тому назад. Одну из своих бесед со студентами после лекции он закончил следующими словами: "Скажите мне, что такое электричество, и тогда я вам объясню все остальное!".

Внутриатомная энергия

А.К. Тимирязев

Публичная лекция, прочитанная в Научно-Техническом Клубе 15 февраля 1922 г. и повторенная в клубе Коммунистического Университета имени Я. М. Свердлова 7 апреля 1922 г. Сборник статей "Естествознание и диалектический материализм. —М.: Материалист, 1925, с.50–86

Если мы сравним состояние естественных наук в начале XX столетия с тем, что было сто лет тому назад, нас поразит, на первый взгляд почти необъяснимое, противоречие между блестящими — почти сказочными — успехами самой науки и тем разочарованием, тем недоверием к ней, которое стало развиваться особенно сильно с конца XIX века в широких кругах образованных людей на всем земном шаре.

Более чем сто лет тому назад французский математик Лаплас — один из величайших умов своего века — достигший небывалых успехов в применении математики к изучению движения планет, с юношеским задором и увлечением говорил: "Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, который знал бы взаимные расположения частей, из которых построен мир, и который мог бы обработать эти данные математическим анализом, был бы в состоянии одной и той же формулой охватить движения величайших мировых тел и самого легкого атома: его взору предстало бы сразу и прошлое и будущее!" В этих словах видна уверенность человека, преодолевшего громадные трудности, видна уверенность в том, что, когда будет во всех деталях изучен механизм любого сложного явления, нам удастся путем математического расчета узнать, что будет и что было, подобно тому, как астроном с громадной точностью может предсказать на сколько угодно веков вперед, когда будет затмение солнца или луны, или рассчитать с не меньшей точностью, когда и где были затмения в очень отдаленном от нас прошлом.

Эта бодрая уверенность в своих силах великого ученого подхватывалась тогда, можно сказать, налету всеми мыслящими людьми того времени. Старый буржуазно-капиталистический мир, который на наших глазах трещит и расползается, переживал тогда пору цветущей юности: он спокойно мог заглядывать в будущее: оно было ему не страшно, а потому и убежденный голос ученого, уверенного в грядущих победах науки, был близок и понятен.

Как мало походит эта картина на то, что происходит теперь и происходило в сравнительно недавнем прошлом на наших глазах. Наука достигла таких успехов, которые превзошли самые смелые ожидания; реальной основы для уверенности в будущих успехах сейчас гораздо больше, чем во времена Лапласа, — и в то же время, как часто мы видим попытки изобразить новые успехи науки, как ее крушение, как ее банкротство, как признак ее растущей слабости, и эти явления наблюдаются уже не один десяток лет. Надвигающаяся социальная революция заставила тех, кто ее предвидел и кто никак не может с ней примириться, повернуть назад: им не по пути с наукой, которая не может остановиться, которая вынуждена идти вперед, так как иначе она перестанет быть наукой. Тому, кто зашел в тупик, из которого нет выхода, хочется думать, что все и везде зашло в тупик. Этим и только этим можно объяснить себе радостные крики о мнимом банкротстве науки, которые в начале XX столетия стали раздаваться все громче и громче, несмотря на то, что наука идет от победы к победе.

Вот мысли, которые невольно приходят на ум, когда вспоминаешь, с каким злорадством, с каким глумлением над наукой было встречено открытие радиоактивных явлений, детальное изучение которых привело к открытию внутриатомной энергии, т.е. как раз к тому, что составляет тему нашей сегодняшней беседы.

Замечательное открытие радиоактивных процессов старались изобразить, как крушение двух основных законов, на которых покоится современное естествознание: закона сохранения вещества и закона сохранения энергии. Ученые утверждали, говорилось тогда — лет двадцать тому назад, — что вещество-материя не уничтожается и не созидается, — а вот из радия и других похожих на него тел беспрерывно вылетают материальные частицы, а вес радия от того не убывает! Ученые утверждали также, что и энергия не уничтожается и не созидается, — и вот тот же радий выделяет непрерывно энергию в форме тепла, при чем источник этот не иссякает!

В популярно-научных книжках, в газетах и так называемых толстых журналах с нескрываемым злорадством заговорили, что всю науку надо создавать сызнова, а может быть и вообще ее нельзя будет создать, что мы вообще ничего не можем знать и т. д.

Надо отдать справедливость специалистам ученым — они, нисколько не смущаясь этими досужими философствованиями, продолжали заниматься делом, и за 20 — 25 лет упорного тяжелого труда им удалось создать новую главу физики — учение о строении атома.

Впервые о радиоактивных явлениях ученый мир узнал из доклада Анри Беккереля (теперь уже умершего), — доклада, который им был прочитан на заседании парижской академии 24 февраля 1896 года.

История этого исследования такова. Всего за несколько месяцев перед тем Рентген открыл новые лучи, носящие и по сей день его имя. Эти лучи получались из стеклянных трубок, наполненных разреженным газом при пропускании через них электрического тока. При действии такой трубки, т.е. при прохождении электрического тока через нее, стекло самой трубки светится зеленовато-желтым светом. С этим характерным свечением тесно связывали появление невидимых глазу лучей Рентгена, действующих на фотографическую пластинку. С другой стороны, это видимое свечение стекла напоминало т.н. фосфоресценцию некоторых солей урана, т.е. способность этих солей испускать свет и притом также зеленовато-желтой окраски под влиянием лучей света того или другого источника.

Беккерель решил попробовать, не будут ли фосфоресцирующие соли урана испускать лучи, похожие на лучи Рентгена. Он завернул в черную, непроницаемую для видимого света, бумагу фотографическую пластинку (лучи Рентгена действуют на фотографическую пластинку так же, как и видимые лучи) и положил на нее препарат урановой соли, которая была освещена лучами солнца.

Через несколько часов на пластинке появилось, после проявления, темное пятно как раз в том месте, где лежал препарат урановой соли. Дальнейшие опыты показали, что свечение урановой соли тут не при чем. Существует ряд солей того же урана, которые не фосфоресцируют, и тем не менее они давали на фотографической пластинке ясный отпечаток и притом независимо от того, освещались ли эти соли светом или нет. Наконец, был получен отпечаток на пластинке, вызванный препаратом, пролежавшим несколько лет в темноте, да и самый опыт был произведен в темной комнате. Далее было установлено, что кроме урана существует целый ряд веществ, обладающих тем же свойством, причем некоторые среди них — как, например, радий, — обладают этим свойством вызывать почернение фотографической пластинки в гораздо более сильной степени, чем уран. Таким образом были открыты так называемые радиоактивные вещества.

Очень скоро однако выяснилось, что действие радиоактивных тел на фотографическую пластинку гораздо сложнее, чем это по началу думал Беккерель. Если поместить небольшое количество соли радия R (см. рис. 1) в углублении, сделанном в куске свинца Q, задерживающего излучения радия, то на завернутой в черную бумагу фотографической пластинке P, помещенной над углублением, получается маленький след в <гамма> как раз против углубления.

Если, однако, пучок лучей радия пропустить между двумя металлическими пластинами — S и T, соединенными с полюсами электрической машины, то на фотографической пластинке вместо одного пятна — <гамма> получается три: <альфа>, <бета> и <гамма>. Одно — <гамма> — остается на прежнем месте, другое — <бета> — смещено в сторону положительно заряженной пластинки S и, наконец, третье смещено в противоположную сторону <альфа>, но смещено значительно меньше, чем пятно <бета>. Это явление объяснили так: радий испускает три рода лучей — их назвали тремя первыми буквами греческого алфавита <альфа>, <бета> и <гамма>, при чем по существу одни только <гамма>-лучи заслуживают названия лучей: это лучи Рентгена. Таким образом, как мы видим, поиски Анри Беккереля были не напрасны. Что касается <альфа> и <бета>-лучей, то это не лучи, а потоки заряженных электричеством частиц, при чем <альфа>-частицы заряжены положительным электричеством, оттого они и притягиваются отрицательно заряженной пластинкой Т (см. рис. 1). Частицы <бета> заряжены противоположным электричеством, поэтому они отклоняются в противоположную сторону, а кроме того, так как они примерно в восемь тысяч раз легче <альфа>-частиц, они отклоняются значительно сильнее. Эти <бета>-частицы представляют собой так называемые электроны, которые входят в состав любого атома любого вещества. Они сами по себе представляют громадный интерес, но в интересующем нас сейчас вопросе они играют значительно меньшую роль, чем частицы <альфа>.

В 1903 году знаменитый химик сэр Вилиам Крукс сделал открытие, позволившее наглядно доказать частичную природу <альфа>-лучей, т.е. показать, что это поток отдельных частиц. Крукс построил следующий прибор (см. рис. 2,I). В трубке В на небольшой игле R смазанной клеем, прикрепляется еле видимая глазу крупинка радиевой соли. Недалеко от кончика иглы на дне трубки помещается пластинка C, покрытая слоем сернистого цинка; в противоположный конец трубки вставлено увеличительное стекло А. Если теперь в хорошо затемненной комнате мы будем рассматривать экран сернистого цинка, лежащий на дне трубки, то мы увидим все поле зрения усеянным вспыхивающими и сейчас же гаснущими искрами (рис. 2, II). Каждая искра есть результат удара одной <альфа>-частицы. Крукс назвал этот новый прибор по установившейся в науке привычке греческой кличкой: "спинтарископ", что значит — наблюдающий искры.

Мы можем с уверенностью говорить — и сейчас мы увидим, какие у нас к тому основания, — что каждая вспышка есть результат удара отдельного атома, так как оказалось, что <альфа>-частица есть заряженный положительным электричеством атом гелия, одного из так называемых благородных газов. По этому поводу на первых же порах после открытия Крукса посыпались возражения: как может невидимый глазу атом вызывать вспышку легко видимую - и даже не в микроскоп, а в обыкновенную лупу?

Это сомнение Крукс разъяснил очень простым и красивым сравнением. Если вы бросите, говорил он, в пруд маленький камень, то в том случае, когда камень попадет в воду далеко от вас, вы его перестанете различать глазом и в то же время вы ясно увидите те круги, которые расходятся по воде. Благодаря огромным скоростям, с которыми двигаются <альфа>-частицы, они вызывают сильное возмущение на большом протяжении вокруг места удара, и поэтому светлое пятно, сопровождающее это возмущение, может иметь значительные размеры.

Остановим теперь на время наше внимание на том, каким образом было доказано, что <альфа>-частицы представляют собой атомы гелия. В том же 1903 году, когда Крукс построил свой спинтарископ, спустя несколько месяцев, Рамзай и Содди показали, что радий выделяет из себя кроме тяжелого газа, называемого эманацией радия, еще и легкий газ гелий, атомы которого только в 4 раза тяжелее самого легкого из атомов — атома водорода. Эманация обладает также радиоактивными свойствами, как и радий и уран: из нее выстреливаются &-частицы, которые можно наблюдать при помощи спинтарископа. Эта эманация выделяет в свою очередь гелий. Если наполнить чистую запаянную стеклянную трубочку эманацией, то через некоторое время там оказывается гелий.

Все это дало повод Содди сделать предположение, что атом радия разрывается на две части: <альфа>-частицу и атом тяжелого газа, названного эманацией радия; в свою очередь атомы эманации, взрываясь, дают по одной <альфа>-частице и по одному атому вещества, названного радием A [Впоследствии был установлен длинный ряд последовательных превращений радия. В настоящее время установлено, что конечный продукт в этом ряде — обыкновенный свинец].

Что касается <альфа>-частиц, то невольно напрашивается мысль, не тождественны ли эти частицы с атомами гелия? Ведь все радиоактивные вещества, выделяющие <альфа>-частицы, присутствие которых можно установить с помощью спинтарископа, выделяют и гелий. Тем наука и сильна, что каждое предположение, каждая смелая догадка сейчас же подвергается самой строгой и всесторонней проверке. Рассмотрим четыре независимых друг от друга доказательства того, что <альфа>-частица и атом гелия — одно и то же.

Начнем с опытов, проделанных Рутерфордом и Ройдсом. В тонкую стеклянную трубку А (см. рис. 3) со стенками толщиною в 1/100 миллиметра вводят небольшое количество эманации радия. Стенки трубки настолько тонки, что сквозь них могут проходить <альфа>-частицы; по крайней мере, прикладывая снаружи к наполненной эманацией трубки А пластинку, покрытую сернистым цинком, можно без труда заметить на ней вспышки, как и в круксовом спинтарископе.

Трубка А впаяна в сосуд К, из которого выкачан воздух. Через несколько дней сосуд К заполняется ртутью; для этого поднимают сосуд со ртутью С и содержимое сосуда К вгоняется в маленькую трубочку EDF. При пропускании электрического разряда через EDF можно было обнаружить спектр газа гелия. Таким образом в сосуде К, куда сквозь тонкую стеклянную стенку проникали <альфа>-частицы, оказывался гелий, которого раньше там не было. Но можно возразить: может быть, гелий проходит через стекло независимо от <альфа>-частиц или, может быть, <альфа>-частицы пробивают стекло, а вслед за ними уже проходит гелий? Чтобы устранить эти возражения, Рутерфорд и Ройдс удаляли из трубки А эманацию и накачивали в нее под повышенным давлением гелий. Результат получился отрицательный: никаких следов гелия нельзя было обнаружить в сосуде К или в трубке EDF.

Переходим ко второму доказательству. Уже значительно раньше, чем были открыты радиоактивные вещества, были известны способы, правда, довольно сложные, которые позволяли измерять число атомов, заключающихся в кубическом сантиметре любого газа. Эти разнообразные приемы, представляющие собой сочетание непосредственных измерений с математическими расчетами, дают для числа атомов в кубическом сантиметре при нуле градусов и нормальном давлении атмосферы число, которое трудно себе наглядно представить, именно: двадцать семь с лишним триллионов! или 27.200.000.000.000.000.000. Хотя курс нашего советского рубля и приучил нас к операциям с большими числами, но с такого рода числами нам все-таки не приходится иметь дело! Всякий, кто сам не работал в этой области науки, готов подумать, что приведенная нами цифра фантастична — так думали и некоторые из ученых, — хотя в защиту этих расчетов можно привести хотя бы и то соображение, что очень близкие к указанному числа получаются совершенно независимыми друг от друга путями, и число таких независимых друг от друга путей в настоящее время уже более десяти. Как бы то ни было, Круксов спинтарископ позволяет непосредственным подсчетом проверить все эти выкладки. В самом деле, подсчитаем число искр, получающихся из очень малого, но известного нам по весу, количества радия за какой-либо определенный промежуток времени, скажем, 5-10 минут; тогда нетрудно рассчитать, сколько выделится <альфа>-частиц в год любым количеством радия. С другой стороны, соберем из определенного количества радия выделившийся за год гелий и смерим его объем. Путем деления числа частиц на полученный объем мы узнаем, сколько <альфа>-частиц — или атомов гелия — приходится на один кубический сантиметр. Оказывается, что это число очень близко к 27.200.000.000.000.000.000! Таким образом мы имеем замечательное подтверждение атомной теории и кроме того еще лишний довод, что <альфа>-частица и атом гелия — одно и то же.

Переходим к третьему способу проверки. Радиоактивные вещества получаются нами в ничтожных количествах. Для изучения их, по мысли недавно умершего химика Рамзая, были построены специальные "микровесы", на которых с большой точностью можно взвешивать ничтожно малые количества вещества. Таким образом удалось установить, что эманация радия имеет атомный вес 222, тогда как сам радий имеет атомный вес 226. Разница равна 4, т.е. как раз равна атомному весу гелия. На опыте было установлено, что радий превращается в эманацию и гелий. Непосредственное измерение атомных весов подтверждает, как нельзя лучше, сделанное предположение о том, что атом радия разрывается на две части, которые представляют собой атом гелия и атом эманации.

Кроме того, на этих весах можно было наблюдать уменьшение веса радия, сопровождающее выделение гелия и эманации, потеря в весе оказалась равной весу выделенной эманации и гелия. Таким образом никакого противоречия с законом сохранения вещества не оказалось. Эти непосредственные измерения убыли веса, вместе с целым рядом более косвенных данных, показали, что радий распадается очень медленно, что от одного грамма его через 1.850 лет останется еще полграмма. Немудрено, что при таком медленном разложении, на первых порах совсем не заметили потерю в весе, и что удалось эту потерю заметить только тогда, когда были построены специальные весы.

Наконец, переходим к четвертому доказательству тождества <альфа>-частицы и атома гелия. Мы уже видели, как подсчитываются <альфа>-частицы. Если мы это число знаем, то можно измерить их электрический заряд, заставляя падать на металлическую пластинку, соединенную с электрометром, поток <альфа>-частиц, в котором число было уже ранее подсчитано методом спинтарископа. Если мы таким образом выяснили величину положительного заряда <альфа>-частицы, то, измеряя отклонения потока <альфа>-частиц, вызванные электрическим полем (см. рис. 1) и производя аналогичный опыт с отклонением потока при помощи электромагнита, можно измерить массу частицы и ее скорость. Что отклонение <альфа>-частицы должно зависеть от массы следует из того, что, имея в распоряжении определенную силу, мы сможем вызвать значительно большее отклонение у малой массы, чем у большой. Так, например, если мы ударим крокетным молотком под прямым углом к направлению скорости катящегося шара, то мы добьемся несравненно большего успеха в том случае, когда перед нами будет катиться деревянный крокетный шар, чем таких же размеров старинное чугунное пушечное ядро.

Далее, отклонение будет зависеть также от скорости движения. При большой скорости даже значительная сила не успеет подействовать: движущийся снаряд будет находиться в поле действия ее очень незначительный промежуток времени.

Теория показывает, что, сделав оба опыта, т.е. измерив отклонения электрическим и магнитным полем, мы можем найти как массу, так и скорость <альфа>-частиц. Для этого однако необходимо знать величину заряда, так как чем больше заряд, тем больше отклоняющее действие электрического и магнитного поля, но эту третью неизвестную, как уже было указано, нетрудно определить независимым образом, измеряя заряд известного числа частиц. Произведенные Рутерфордом опыты с отклонением <альфа>-частиц подтвердили прежние предположения: масса <альфа>-частиц оказалась равной массе атома гелия. Таким образом, четырьмя независимыми друг от друга способами доказывается тождество <альфа>-частиц и атомов гелия. Мы остановились на изложении этих опытов для того, чтобы показать, как тщательно проверяются в современной науке все предположения и догадки, прежде чем их, так сказать, пускают в дело. Последний способ определения массы <альфа>-частицы интересен тем, что мы попутно измеряем скорость, с которой движутся <альфа>-частицы. Эта скорость оказалась громадной — около 20.000 верст в секунду.

Чтобы заставить двигаться с такой громадной скоростью хотя бы и один атом, требуется затрата энергии. Частица с этой громадной скоростью вылетает из атома радия — значит, в нем был запас энергии, достаточной для сообщения этой скорости; в нем должна была заключаться вся та энергия, которая проявилась в летящем атоме, вызывающем при ударе о сернистый цинк видимую глазу вспышку, подобно тому, как в том взрывчатом веществе, которое находится в заряженном орудии сосредоточена энергия, которую проявляет вылетевший снаряд.

Мы подходим, таким образом, вплотную к вопросу о внутриатомной энергии, мы можем даже подсчитать ее. В самом деле, мы видели, как подсчитывается число атомов гелия, выделяющихся из данного весового количества радия, мы знаем массу этих частиц и, наконец, знаем скорость, а этих данных вполне достаточно, чтобы определить общее количество энергии, проявляющееся в этих летящих осколках атомов радиоактивных веществ; так же как, зная скорость и массу, мы определим энергию каждого летящего снаряда, а зная число снарядов, узнаем и общую переносимую ими энергию. На следующей таблице приведем данные для радия и его ближайших продуктов распада, при чем энергия <альфа>-частиц выражена в калориях. На той же таблице приведены количества энергии, выделяемые <бета> и <гамма>-лучами, но мы видим, что их энергия составляет всего 8% общего количества, а потому мы можем в первом приближении с ней не считаться. .

Табл. I. Количество энергии, выделяемое радием в час,
рассчитанное на 1 грамм радия и выраженное в калориях (малых).

	Альфа	Бета	Гамма	Всего
Радий	25,1	—	—	25,1
Эманация	28,6	—	—	28,6
Радий А	30,5	—	—	30,5
Радий В и Радий С	39,4	4,3	6,5	50,2
Всего	123,6	4,3	6,5	134,4

Наряду с этим расчетом можно энергию <альфа>-частиц (а также и <бета>-частиц и <гамма>-лучей) измерить непосредственно и притом прямо в калориях. Если мы поместим препарат радия в свинцовую оболочку, то эта оболочка задержит летящие частицы — их энергия перейдет в тепло, подобно тому, как энергия ударов молота превращается в тепло, когда мы ударяем молотом по железной полосе. На рис. 4 изображен прибор, в котором производится измерение выделяемого радием тепла. Препарат радия, завернутый в свинец, опускается в трубочку R внутри колбы А. Выделяющееся тепло согревает воздух колбы А и вытесняет жидкость в манометре из колена С1 в С2; тогда в трубку W вводят проволоку, по которой пропускают электрический ток, силу его подбирают так, чтобы уровни в манометре C1 и C2 выровнялись. .

[Подбирая надлежащим образом толщину свинцовой оболочки, можно добиться того, что поглощаться будут одни только <альфа>-частицы, тогда нагревание будет зависеть только от них. Если же взять оболочку потолще, то можно поглотить и <бета>-частицы и наконец и <гамма>-лучи, и таким образом измерить выделяемое ими тепло.] .

В этом случае количество тепла, выделяемое током, которое легко подсчитывается по силе тока и сопротивлению проволоки, должно равняться теплу, выделяемому радием. Проделанные несколько раз тщательные измерения показали, что на один грамм радия (при поглощении лучей всех трех типов) в час приходится 134 малых калории. Таким образом, опыт блестящим образом подтвердил приведенные в табл. I расчеты. Для того, чтобы нагляднее представить себе количество энергии, выделяемое одним граммом радия в час, вспомним, что для нагревания одного кубического сантиметра воды, т.е. количества, свободно помещающегося в наперстке, от нуля градусов, т.е. от температуры замерзания, до температуры кипения требуется 100 малых калорий, т.е. на 30% меньше, чем радий дает в час. Итак, мы можем сказать, что в один час грамм радия выделяет тепла приблизительно столько, сколько его требуется, чтобы вскипятить наперсток ледяной воды.

Сколько может выделить всего энергии один грамм радия? Мы уже видели, как медленно разлагается радий: через 1.850 лет остается половина. Таким образом, если мы имеем 1 грамм, который выделяет 134 калории, то через 1.850 лет радия останется 1/2 грамма и в час он будет выделять 67 калорий. Отсюда нетрудно рассчитать, сколько всего выделит радий, прежде чем он не превратится нацело в свинец и гелий. Для одного грамма это выходит 3.700.000.000 малых калорий или 3.700.000 больших. Один грамм бакинской нефти при сгорании дает 11 больших калорий. Отсюда видно, насколько запасы внутриатомной энергии превосходят известные нам запасы, заключенные даже в лучших видах топлива.

Но вся беда в том, что, во-первых, радия очень мало и его нелегко добывать, а, во-вторых, его энергия, как мы видели, выделяется очень медленно: хуже чем в час по столовой ложке! До сих пор физикам не удалось ускорить этого процесса. Радий пробовали нагревать до нескольких тысяч градусов, охлаждать до 200 градусов мороза, подвергали действию громадных давлений... ничего не помогает! А между тем простой расчет показывает, что, если бы израсходовать эти 3.700.000 больших калорий не в несколько тысяч лет, а в две недели, то запаса энергии, находящегося в одном грамме радия, занимающего объем мелкой горошины, хватило бы на непрерывную работу двигателя в 5 лошадиных сил на две недели! Не правда ли, заманчивая картина? И притом в этой картине пока фантастичен только быстрый расход энергии, количество же энергии и самый факт ее существования в атомах радия — прочно установлены. Может быть, конечно, мы в подсчете ошибаемся на десяток процентов в ту или другую сторону, но это ведь совсем не изменяет дела.

Сделанный нами подсчет показывает кроме того, что количество энергии, заключенной в атомах, огромно, но не безгранично и что не было никакого смысла кричать о противоречиях с законом сохранения энергии.

Обратимся теперь к дальнейшим работам Рутерфорда и его учеников. Эти работы привели к искусственному разложению атомов нерадиоактивных тел и к выделению из них внутриатомной энергии. Начиная с 1908 года в лаборатории Рутерфорда были поставлены исследования, выясняющие, как <альфа>-частицы проходят сквозь тонкие слои материи того или другого вида. Прежде всего <альфа>-частицы, летевшие параллельным пучком, после прохождения через тонкий слой материи — например, прокатанный листок металла — рассеиваются в разные стороны. Искры на поставленном на их пути экране сернистого цинка оказываются рассеянными на значительном пространстве, вместо прежнего резко ограниченного пятна. Это объясняется тем, что, пролетая вблизи ядра какого-либо из атомов заряженного положительным электричеством, <альфа>-частица, заряженная также положительным электричеством, претерпевает сильное отталкивание. Степень рассеяния, наблюдаемая в прошедшем через слой металла пучке, зависит от величины зарядов, находящихся в ядре атома. Поэтому, изучая распределение частиц в прошедшем через определенный слой металла пучке, можно вывести важные заключения о заряде ядра атома. Таким образом было установлено, что чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, который нейтрализуется отрицательными зарядами электронов, вращающихся вокруг ядра на подобие планет, движущихся вокруг солнца. Отклоняются <альфа>-частицы по преимуществу только ядрами атомов, так как ядра обладают для элементов с атомным весом более 4 массой большей, чем <альфа>-частицы. Электроны же очень легки, они сами смещаются при прохождении <альфа>-частицы, заметно не влияя на ее путь. Но нас сейчас интересует не эта сторона дела; наблюдая искры, можно показать, что прошедший пучок <альфа>-частиц будет не только расходящимся, но и не все частицы пройдут насквозь: часть будет отброшена назад, т.е. мы заметим искры, если поставим экран спереди — с той стороны, где пучок частиц входит в поставленную на его пути пластинку. Что же это значит? Это значит, что когда атом гелия налетает в упор на самый центр атома, на его ядро — он отбрасывается назад. Число таких случаев очень невелико, и это показывает, что размеры ядра атома очень малы и на основании только что упомянутых опытов мы можем их измерить. Представьте себе проволочную решетку или сетку и представьте, что мы начинаем бросать в эту сетку пригоршнями сухой песок: часть песчинок пролетит в отверстие сетки, часть же, ударившись о проволоки, полетит обратно. Взвесив общее количество песчинок, отброшенных назад, и сравнив с весом пролетевших сквозь сетку, мы можем судить о том, сколько места в сетке занимали проволоки и какая часть приходится на отверстия. Так как методом спинтарископа можно определить, какая доля общего числа <альфа>-частиц отражается обратно, то можно подсчитать, как велика площадь непроницаемого в данном листке металла, а так как мы знаем число атомов в любом количестве вещества, то можно подсчитать, какая площадь чего-то непроницаемого для <альфа>-частиц приходится на долю каждого атома.

Из данных опыта вытекает, что в среднем радиус ядра атома равняется приблизительно трем миллионным долям от миллионной доли сантиметра!

Представить себе наглядно такую маленькую величину чрезвычайно трудно. Но именно из этого маленького ядра и вылетают положительно заряженные атомы гелия — <альфа>-частицы и электроны, заряженные отрицательно — <бета>-частицы. При превращении атома радия в свинец из него вылетает 5 <альфа>-частиц и 2 электрона. Принимая во внимание заряд <альфа>-частиц и то малое пространство, на котором они сосредоточены, мы приходим к выводу, что между <альфа>-частицами должны действовать громадные силы отталкивания, так как сила электрического притяжения и отталкивания быстро возрастают с уменьшением расстояния между зарядами. [У нас есть данные, что на очень малых расстояниях обычный закон притяжения и отталкивания неприложим, но вплоть до расстояний, сравнимых с радиусом непроницаемого ядра, упомянутого в тексте, приложим обычный закон Кулона.] Эти силы и сообщают те громадные скорости, какие мы наблюдаем в явлениях радиоактивного распада. Таким образом два факта: измеренная величина зарядов и малое пространство, на котором эти заряды сосредоточены, объясняют, почему в атоме имеется такой большой запас энергии.

Но сейчас является возражение: а что же удерживает эти заряды, пока взрыв атома еще не произошел? Это возражение не трудно обойти; ведь кроме положительных зарядов в ядре находятся и отрицательные: при радиоактивных процессах выстреливаются атомом и электроны, только положительных зарядов всегда больше в ядре — ядро всегда имеет положительный заряд. Не надо обладать большой фантазией, чтобы представить себе такое расположение положительно и отрицательно заряженных частей, чтобы притяжение разноименных зарядов как раз уравновешивало бы отталкивание одноименных. Такая группа может быть устойчива только при определенном расположении ее частей, стоит только некоторым частям немного сместиться — и вся система, перестав быть устойчивой, разлетается в разные стороны.

Подобные модели неоднократно предлагались учеными; конечно, сейчас никто не может поручиться, что ядра атомов построены именно так: мы имеем пока что еще очень мало данных о строении ядра, но, как и всякая модель, они имеют ту ценность, что дают нам возможность понимать то, что происходит в действительности. Раз мы знаем, что такая модель возможна, для нас уже в той реальной действительности, которую мы наблюдаем, нет больше ничего таинственного и непонятного, и, кроме того, мы получаем новый стимул, заставляющий нас искать новых опытных доказательств, выясняющих сходства или различия действительного атома и придуманной нами модели.

В опытах, о которых у нас шла речь, атомы гелия, вылетающие из взрывающихся атомов радиоактивных тел, пролетали мимо ядер атомов, имевших значительную массу по сравнению с атомом гелия; а что случится, если пропустить поток атомов гелия или <альфа>-частиц через слой, занятый более легкими атомами, например, атомами водорода? Ясно, что если атом гелия налетает в упор на в четыре раза более легкий атом водорода, то этот атом водорода должен начать двигаться со скоростью, значительно превосходящей скорость <альфа>-частицы. Расчет, выполненный Дарвином (внуком знаменитого Чарльза Дарвина), показывает, что при наиболее благоприятном столкновении — при лобовом ударе, скорость атома водорода должна превосходить скорость <альфа>-частиц в 1,6 раз, т.е. более чем в полтора раза. Но как проверить этот расчет? Конечно, можно было бы попытаться измерить скорость атомов водорода, получивших эту скорость благодаря бомбардировке водорода <альфа>-частицами, отклоняя эти частицы магнитным и электрическим полем — это и было с успехом выполнено Рутерфордом в 1920 году, — но оказывается, что существует гораздо более простой и удобный способ для измерения скоростей частиц, способных вызывать искры в спинтарископе.

Если в спинтарископе (см. рис. 1) мы будем отодвигать иглу R от экрана все дальше и дальше, то при некотором определенном расстоянии иглы от экрана искры вдруг пропадают — это расстояние, которое нетрудно бывает определить с большой точностью, называется средним пробегом <альфа>-частицы. Пролетая через воздух, частицы теряют постепенно свою скорость, а когда скорость достигнет значений немного меньших некоторой вполне определенной величины, свечение вдруг исчезает. В зависимости от величины начальной скорости, т.е. от той скорости, которая получается при взрыве атома, мы будем иметь различной длины средний пробег. Так для самого радия средний пробег выделяемых им <альфа>-частиц равен 33 миллиметрам, для эманации этот пробег оказывается равным 41,6 миллиметра; для радия С — 70 миллиметров. Так как различные виды радиоактивных тел выстреливают <альфа>-частицы с разными скоростями, т.е. дают <альфа>-частицы с средним пробегом различной длины, то по длине пробега можно определить, что служит источником этих <альфа>-частиц. На этом принципе основан способ определения радиоактивных веществ — это один из методов радиоактивного анализа.

Непосредственные измерения скорости <альфа>-частиц, о которых у нас уже шла речь, показали, что средний пробег в очень сильной степени зависит от начальной скорости данной группы частиц. Если скорость уменьшить вдвое, то пробег уменьшится в 2х2х2=8 раз.

Поэтому по величине среднего пробега, т.е. определяя наибольшее расстояние, при котором искра еще видна между источником и экраном, на котором наблюдаются искры, можно хорошо судить об изменениях скорости, вызванных тем или другим фактором.

Мы только что видели, какие у нас имеются данные ожидать появления быстро движущихся атомов водорода при бомбардировке его <альфа>-частицами. В 1914 году Марзден, сделав опыт, нашел, что при бомбардировке водорода получаются частицы с пробегом в 29 сантиметров, по расчету Дарвина так и должно было получиться: <альфа>-частицы радия С, которым пользовались для бомбардировки, имеют пробег 7 сантиметров, по Дарвину скорость водородных или "Н-частиц", как их теперь называют, должна быть в 1,6 раз больше, но средний пробег при этом должен увеличиться в 1,6x1,6x1,6=4,1 раз, т.е. должен получиться пробег в 28,7 сантиметров, т.е. очень близкий к тому, что наблюдал Марзден. Эти водородные или Н-частицы дают очень слабую вспышку на экране сернистого цинка, пришлось даже строить специальный микроскоп для их наблюдения, но это имеет и свои хорошие стороны: опытный глаз без труда различает <альфа>-частицу от Н-частицы, т.е. на глаз может сказать, ударился ли об экран атом гелия или атом водорода!

Дальнейшие опыты показали, что водородные частицы получаются не только из водорода, но и из целого ряда других тел: из азота, натрия, алюминия, фосфора и притом независимо от того, находятся ли эти тела в чистом виде или в виде химических соединений.

Таким образом систематическое исследование прохождения <альфа>-частиц через слои того или другого вещества привело к открытию искусственного разложения атомов. Быстро летящие <альфа>-частицы могут разбивать атомы азота, натрия, алюминия и т.д., выбивая из них входящие в их состав атомы водорода. [При бомбардировке кислорода, кальция и серы получаются какие-то другие частицы, природа которых еще не установлена. Вообще выбивать атомы водорода удалось пока из легких атомов до фосфора (атомный вес 31) включительно, при чем водород выбивается из атомов, имеющих атомный вес 4n+1, 4n+2, 4n+3, где n целое число; атомы типа 4n не дают водородных частиц: например, кислород 16 (n=4) и сера 32 (n=8). Это дает некоторое основание для гипотезы, что водородные атомы могут образовать очень стойкие группы по 4 атома — атом гелия, из которых нельзя выбить ни одного атома водорода теми средствами, какими мы в настоящее время располагаем.] На первых же порах было установлено, что выбиваемые <альфа>-частицами из атомов азота, бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора водородные частицы имеют больший свободный пробег, чем водородные частицы, полученные непосредственной бомбардировкой водорода. Это было доказано Рутерфордом с помощью весьма несложного прибора (см. рис. 5). Латунный диск R покрывался налетом радия c, дающего <альфа>-частицы с пробегом в 7 сантиметров; трубка Т наполняется чистым водородом; окошко S закрывается листком серебра, толщина которого подбирается так, чтобы на экране сернистого цинка не появлялось больше искр, что можно установить с помощью микроскопа специальной конструкции М. Таким образом, листок серебра задерживает все частицы с пробегом в 29 сантиметров и меньше. Если теперь в трубку Т вместо водорода внести азот, то искры вновь появляются, а, перемещая источник R или экран Z, можно показать, что средний пробег водородных частиц, выбитых из азота, будет около 40 сантиметров. Помещая перед источником <альфа>-частиц R в Q листок алюминия, мы получаем Н-частицы с пробегом в 80 даже 90 сантиметров! Что это доказывает? Это доказывает, что атомы водорода, входившие в состав атомов азота и алюминия, получают энергию не только от <альфа>-частицы при ударе, но сверх того они обладают запасом внутри атомной энергии, которую они несут с собой, вылетая из искусственно разрушенного атома. В самом деле, если бы они этой энергией не обладали, то от удара <альфа>-частицы они могли бы получить скорость, соответствующую maximum 29 сантиметрам пробега, а для атома водорода, выбитого из атома алюминия, пробег равен 80-90 сантиметрам! Расчет показывает, что от 25% до 45% всей энергии водородных частиц, выбитых из атома алюминия, должно быть отнесено на долю освобожденной внутриатомной энергии атомов алюминия.

Сделаем теперь самый скромный подсчет энергии, освобождаемой при разрушении атома алюминия, т.е. возьмем меньшую цифру 25%. Это значит — цифры, приведенные нами для радия, надо разделить на 4; но не забудем, что атом алюминия почти в 10 раз легче атома радия; поэтому в одном грамме алюминия будет в 10 раз больше атомов, следовательно, при расчете на 1 грамм надо умножить все цифры на 10: разделить на 4 и умножить на 10 — значит умножить на 2 1/2.

Итак, в грамме алюминия находится в 2,5 раза больше энергии, чем в грамме радия, предполагая, что процесс распада радия оканчивается свинцом.

Таким образом, внутриатомная энергия содержится не в одних только атомах радиоактивных тел. Если оценить с экономической точки зрения этот искусственный процесс разложения атомов алюминия, то он далеко не блестящ; во-первых, нам нужен источник <альфа>-частиц, а скоростью радиоактивного распада мы еще не умеем управлять, и во-вторых, искусственно вызванный распад получается очень редко: на полмиллиона столкновений <альфа>-частиц с атомами алюминия только одно бывает благоприятное в том смысле, что атом разбивается. Как будто <альфа>-частица должна попасть в какое-то особое, так сказать, уязвимое место атома, чтобы вызвать процесс распада атома.

Но, как бы то ни было, успех, достигнутый Рутерфордом, громадный: впервые рукой человека разбит атом; до сих пор мы могли только наблюдать естественные процессы распада, — теперь мы этот процесс вызываем и при том в обыкновенных, нерадиоактивных телах. Эти опыты несомненно составят эпоху в истории физики.

Но что же будет дальше? Можно ли надеяться овладеть этим процессом? Возможно, что вызываемые в электрических разрядных трубках потоки атомов — так называемые положительные лучи, — когда мы научимся сообщать им скорости такие же, какие имеют <альфа>-частицы, — помогут нам разбивать атомы — это вполне возможно, но поручиться за это пока еще, конечно, нельзя.

А пока приходится поневоле терпеливо ждать, прилагая все усилия к детальному изучению вновь открытых явлений. В науке, так же как и в экономической политике, приходится часто отказываться от штурма и переходить к правильной осаде. Но чем же, спрашивается, занимаются сейчас те ученые, которые открыли эти замечательные явления? Судя по последним известиям, Рутерфорд исследует теперь, по каким направлениям вылетают водородные частицы из алюминия при бомбардировке их <альфа>-частицами. Любой практик, который, узнав о существовании внутриатомной энергии, ждет — не дождется, когда наконец можно будет носить годичный запас топлива для большого завода у себя в кармане, скажет, что Рутерфорд занимается пустяками. А разве не пустяки были с точки зрения близорукого практика опыты Анри Беккереля с действием урана на фотографическую пластинку? И, тем не менее, эти пустяки открыли существование несметных запасов внутриатомной энергии! Я этим вовсе не хочу сказать, что наука не должна быть связана с жизнью и техникой; наоборот — мысли ученого невольно приспособляются к тем техническим средствам, какими он располагает. Талант ученого в том и состоит, чтобы использовать все, что у него есть под рукою для открытия в природе того нового, что явится фундаментом для будущей техники. Потому-то так часто и приходится отказываться от штурма очень заманчивых позиций. Чем лучше ученый умеет использовать то, что у него в руках, тем скорее он приходит к изобретению новых средств, новых технических орудий, позволяющих итти все дальше и дальше. Всякое на вид ненужное специальное исследование, производимое с надлежащей строгостью в лаборатории, есть первая разведка для техники. И вот поэтому в деле использования того, что существует в природе, мы добиваемся прочных успехов только тогда, когда впереди техники идет наука! .