1. На пороге атомного века
Человеку еще не удалось увидеть атомы: размеры их слишком ничтожны. Даже самые мощные микроскопы пока не могут помочь. Но ученые, развивая теорию и проверяя ее долголетними кропотливыми экспериментами, сумели многое узнать о мире атомов. Однако чем больше они узнают, тем больше появляется непознанного. Всегда кажется, что истина лежит за той гранью, которую преодолела самая гениальная человеческая мысль, преодолела с помощью сложных приборов, изготовленных руками людей. Сейчас об атомах известно достаточно для того, чтобы создать довольно ясную картину.
Появившееся еще в древности представление об атоме как о неделимой частице вещества, было опровергнуто в начале XX в. великими открытиями в области физики. Теперь известно, что и атом, эта мельчайшая частица материи, имеет сложную структуру.
В строении атома различают оболочку и ядро. Оболочка состоит из отрицательно заряженных, непрерывно движущихся легких частиц — электронов. Оболочка атома водорода — простейшего из атомов — состоит только из одного электрона. В оболочке атома урана 92 электрона. Чем выше порядковый номер элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева, тем больше электронов в оболочке атома элемента. За последнее время искусственно созданы новые элементы, которые в периодической таблице Менделеева расположены за ураном так называемые трансурановые.
Электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Однако аналогию между солнечной системой и атомом не надо понимать чересчур буквально. Хорошо это выразил Валерий Брюсов:
Еще, быть может, каждый атом
Вселенная, где сто планет,
Где все, что здесь, — в объеме сжатом,
А также то, чего здесь нет.
Огромные внутриядерные силы сцепления делают вещество в атомном ядре необыкновенно плотным. Если попытаться определить удельный вес «ядерного вещества», то можно прийти к выводу, что 1 см3 этого вещества весит около 100 млн. т, т. е. приблизительно в 7 млрд. раз больше, чем 1 см3 ртути, и в 100 млрд. раз больше, чем 1 см3 воды.
Делим не только атом, но и атомное ядро. Ядро атома состоит из протонов, положительно заряженных частиц, и нейтронов — частиц, примерно равных протонам по массе, но не имеющих электрического заряда. В каждом атоме число Протонов внутри ядра равно числу электронов в оболочке.
Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может быть неодинаковым. Разновидности химического элемента, различающиеся по числу нейтронов в ядре атома, называются изотопами этого элемента. Так, кроме обычного ядра атома водорода, представляющего собой один протон, встречаются ядра водорода, состоящие из протона и нейтрона. Водород, имеющий такое ядро (дейтерий), по своим химическим свойствам практически не отличается от обычного водорода, однако ядро его примерно вдвое тяжелее. Поэтому дейтерий называют тяжелым водородом. В воде и в других веществах, в состав которых входит водород, содержится около 0,02 % тяжелого водорода. Известен и еще более тяжелый водород — тритий, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов.
В США любят говорить, что атом — уроженец Америки. Но это не так.
На рубеже XIX и XX вв. расщеплением атома занимались главным образом европейские ученые. Английский ученый В. Томсон предложил модель, согласно которой атом Состоит из положительно заряженного вещества, внутри которого вкраплены электроны. По Томсону, атом напоминает пудинг с изюмом. Томсоновскую модель атома нельзя было проверить непосредственно, но в её пользу свидетельствовали некоторые аналогии.
Француз А. Беккерель открыл радиоактивность в 1896 г. Он показал, что все соединения урана радиоактивны, причем активность примерно пропорциональна количеству содержащегося в них урана.
Французы П. и М. Кюри открыли радиоактивный элемент радий в 1898 г. Они сообщили, что им удалось выделить из урановых отходов «вещество, содержащее… некоторый новый элемент, сообщающий ему свойство радиоактивности и очень близкий по своим химическим свойствам к барию».
Радиоактивность радия примерно в миллион раз больше радиоактивности урана. Без открытия радия большая часть последующих работ была бы невозможна и, быть может, по сей день мы продолжали бы поиски объяснения радиоактивности.
Англичанин Э. Резерфорд в 1902 г. разработал теорию радиоактивного распада, в 1911 г. открыл атомное ядро и в 1919 г. наблюдал искусственное превращение ядер.
А. Эйнштейн, живший до 1933 г. в Германии, в 1905 г. разработал принцип эквивалентности массы и энергии. Он связал воедино оба эти понятия и доказал, что определенному количеству материи соответствует определенное количество энергии.
Датчанин Н. Бор в 1913 г. разработал теорию строения атома, которая легла в основу физической модели устойчивого атома. Он принял за основу модель атома Резерфорда и предположил, что процесс излучения есть квантовое явление. Бор считал, что «классическая электродинамика недостаточна для описания систем атомного размера», поскольку модель атома Резерфорда неустойчива с точки зрения классической электродинамики.
Дж. Кокрофт и Э. Уолтон (Англия) в 1932 г. экспериментальным путем подтвердили теорию Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии.
Дж. Чедвик (Англия) в 1932 г. открыл новую элементарную частицу нейтрон.
Д. Д. Иваненко (СССР) в 1932 г. выдвинул гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов.
И. и Ф. Жолио-Кюри (Франция) в 1933 г. впервые искусственно получили радиоизотопы.
Э. Ферми (Италия) в 1934 г. первым использовал нейтроны для бомбардировки атомного ядра.
С этого времени ядерная физика стала быстро развиваться.
В 1937 г. И. Кюри (Франция) открыла деление урана под действием медленных нейтронов. Какие элементы рождаются, когда ядро атома урана захватывает нейтрон? До сих пор во всех ядерных реакциях при естественном радиоактивном распаде, в опытах Э. Резерфорда и в опытах по искусственной радиоактивности всегда образовывались элементы, стоящие в соседних клетках периодической таблицы Д. И. Менделеева. Но у И. Кюри и ее ученика — югослава П. Савича результат получился невероятный: продуктом распада урана был… лантан — 57-й элемент, расположенный в середине таблицы Менделеева.
Процесс деления объяснил советский ученый Я. И. Френкель с помощью так называемой капельной модели ядра. В ее основе лежит представление о сходстве свойств ядра и капли «ядерной жидкости», удерживаемой в равновесии силами поверхностного натяжения.
Об этом мы сейчас и расскажем…
В 1938 г. в Риме, на конгрессе Национального химического объединения Ф. Жолио-Кюри познакомился с О. Ганом, авторитетным химиком, работавшим в Химическом институте Общества кайзера Вильгельма, и обсуждал с ним работу И. Кюри и П. Савича. Ган сомневался в правильности вывода, сделанного И. Кюри.
— Я восхищаюсь вашей женой, — говорил О. Ган, — я весьма дружелюбно отношусь к ней. Но на этот раз она ошиблась. Посоветуйте мадам Жолио проверить. Впрочем, я повторю ее опыты и надеюсь в скором времени доказать ей, что она неправа.
Вернувшись в Берлин, Ган проделал те же опыты.
Немало великих открытий в истории науки кажутся случайными, и, действительно, они нередко были следствием счастливого стечения обстоятельств, хотя в науке, по словам Планка, никогда не существовало «счастья без заслуг».
Ган и Штрассман облучили уран нейтронами и тщательно проверили результаты И. Кюри. И, несмотря на то что Ган долго не соглашался с этими результатами, ему в конце концов пришлось признать: И. Кюри права. Да, там был лантан, а в числе продуктов распада урана оказался еще и сосед лантана барий. В книге «Искусственные элементы», вышедшей в 1948 г., О. Ган писал: «Осенью 1938 г. мы — Штрассман и я, — основываясь на опытах Кюри и Савича, пришли к удивительным результатам. Мы выделили три щелочных металла, которые вначале приняли за искусственные изотопы радия. Уже одно это было бы достойно удивления, потому что радий с зарядом ядра 88 вовсе не является близким соседом урана. Но результаты оказались еще непонятнее. Ни одним из известных методов разделения радия и бария, нам не удалось отделить наши «изотопы радия»… Контрольные опыты, в которых мы смешивали свои искусственные «изотопы радия» с его природными изотопами, а потом их разделяли, наконец разрешили проблему. Природный радий удалось отделить от бария, а искусственные «изотопы радия» — нет. Таким образом мы пришли к выводу, что щелочноземельный элемент, образующийся при воздействии нейтронов на уран, — не радий, а барий. Это был совершенно неожиданный результат…».
Результат для химиков был бесспорным, а для физиков необъяснимым. Снова загадка, и снова пришлось признать, что И. Кюри права. Ган и Штрассман отправили в научный журнал заметку, в которой писали: «Как химики, мы принуждены определенно заявить, что новые вещества (подразумеваются продукты деления урана. — Авт.) ведут себя не как радий, а как барий». Это сообщение, опубликованное 6 января 1939 г., заинтересовало ученых.
