Рассказ о строении вещества

Открытие нейтрона имело большое значение для учения о составе атомного ядра. Согласно теории, впервые предложенной советским учёным Д. Д. Иваненко и теперь общепризнанной, ядро атома состоит из нейтронов и протонов, входящих в него примерно в равном количестве. Так, считают, что ядро атома гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона. Таким образом, общая масса атома гелия равна массе 4 протонов, а заряд его ядра — 2 элементарным зарядам. Ядро фосфора, имеющее заряд 15 и массу 31, построено из 16 нейтронов и 15 протонов и т. д.

Вопрос о природе и характере тех особых сил, которые связывают в ядре нейтроны с протонами и обусловливают огромную устойчивость большинства ядер обычных (нерадиоактивных) атомов, остаётся ещё окончательно не решенным.

Что, действительно, может удерживать нейтроны и протоны в атомном ядре? Электрические силы? Но электрические силы оказывают только «разрыхляющее» действие на ядро, вызывая отталкивание протонов друг от друга. Таким образом, здесь мы встречаемся с какими-то особыми силами, названными ядерными, природа которых для нас еще далеко не ясна. Ясно лишь, что эти особые ядерные силы очень велики; ведь они должны не только «цементировать», скреплять в ядре нейтроны и протоны, но и преодолевать электрические силы взаимного отталкивания между протонами, потому что эти положительно заряженные частички, отталкиваясь друг от друга, стремятся разлететься во все стороны.

В действительности мы видим, что большинство атомных ядер настолько прочно, что ни высокая температура, ни высокое давление не могут их разрушить. Следовательно, ядерные силы, о природе которых мы можем пока только догадываться, должны быть огромны.

Таков этот необычный мир малого, мир атома. Как сложен, оказывается, этот «кирпич мироздания», еще так недавно считавшийся твёрдым, непроницаемым и неделимым!

VIII. РУКАМИ ЧЕЛОВЕКА

1. «Алхимики XX века»

А теперь, когда наш рассказ о строении вещества подходит к концу, вспомним еще раз об алхимиках.

Сколько поколений учёных прошлого ценой всей своей жизни старалось превратить заманчивую мечту в действительность. Свинец — в серебро, медь — в золото! Увы! Это так и осталось для них мечтой. Теперь, когда мы читаем о работах алхимиков, мы ясно видим, почему они не могли воплотить свою мечту в жизнь. Для этого у них не было главного — истинного знания природы вещей, не говоря уже об отсутствии технических возможностей нашего времени.

Ну, а как же обстоит дело с превращением элементов сейчас? Ведь теперь мы знаем об элементах и внутреннем устройстве их атомов несравненно больше алхимиков.

Научные знания, накопленные человечеством, — вот тот истинный и всесильный «философский камень», при помощи которого можно осуществлять превращения простых веществ!

Действительно, изучение строения атомов показало, что по существу природа всех атомов едина. Все они состоят из протонов, нейтронов и электронов. И вся разница между различными элементами заключается лишь в величине заряда и массе ядра, то-есть в количестве протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Следовательно, для того чтобы превратить один элемент в другой, надо лишь изменить каким-то образом число протонов и нейтронов, входящих в ядро данного элемента.

Можно ли это сделать? Оказывается, можно.

Прежде нем научиться делать это самим, учёные внимательно изучили, как это происходит в природе. Речь идёт о самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. Оказалось, например, что атомы радия, распадаясь, превращаются в атомы тяжёлого газа радона.

Каким образом осуществляется здесь превращение элементов друг в друга? Альфа-частички, вылетающие из радиоактивных веществ, — это не что иное, как атомные ядра элемента гелия с массой 4 и положительным зарядом 2. Таким образом, когда из ядра атома радия, масса которого равна 226 и заряд 88, вылетает одна альфа-частица, то, очевидно, что ядро радия изменяет свою массу и заряд. Масса атома вновь образовавшегося элемента будет 222, а заряд 86. При этом перестраивается и электронная оболочка атома, теряя два лишних электрона. Это уже не атом радия. Это атом тяжёлого инертного газа радона.

Сходные превращения претерпевают и другие радиоактивные элементы: торий, уран и другие.

Естественный распад радиоактивных элементов с превращением их во всё новые и новые элементы заканчивается превращением всех их в элемент, по своим химическим свойствам не отличаемый от обычного свинца.

Есть и другой вид радиоактивного распада. Как мы уже говорили, при радиоактивном распаде выделяются и бета-лучи — быстро летящие электроны. Это означает, что ядра некоторых радиоактивных элементов распадаются с выбросом из себя не альфа-частиц, а электронов. В этом случае происходит следующее: вылетающий из ядра электрон, как отрицательно заряженная частичка, увеличивает положительный заряд ядра на 1. А раз изменяется заряд ядра — это опять-таки означает превращение элемента! Таким путём распадается, например, элемент с массой 234 и зарядом 90, по своим свойствам не отличимый от тория; он превращается в элемент, по химическим свойствам не отличимый от элемента протактиния.

Ядро вновь образовавшегося элемента (масса 234, заряд 91) в свою очередь выбрасывает один электрон и превращается снова в уран с массой 234 и зарядом 92.

Но что такое? Ведь атомный вес урана, как известно, равен 238. Между тем здесь, при бета-распаде, мы получаем уран с массой 234. В чем тут дело?

Дело заключается всё в том же — химические свойства атомов какого-либо элемента определяются только зарядом их ядер. Вес же ядра, как уже говорилось, решающего значения для химических свойств элемента не имеет. Таким образом, уран с массой 238 и уран с массой 234 химически неразличимы.

Такие атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разный вес его, занимают в таблице Менделеева одно и то же место; их называют изотопами.

Существование изотопов химических элементов гениально предсказал А. М. Бутлеров еще в 1882 году.

Дальнейшее изучение атомных ядер привело к открытию изотопов у всех элементов, как радиоактивных, так и нерадиоактивных. Число изотопов у различных элементов бывает самое различное. Так, медь (атомный вес 63,57), например, имеет изотопы с атомными весами 63 и 65; хлор (атомный вес 35,5) имеет также два изотопа с атомными весами 35 и 37 (определение массы отдельных атомов осуществляется при помощи прибора, называемого масс-спектрографом).

Именно потому, что медь и хлор имеют изотопы с разной массой, средний атомный вес природной меди и природного хлора, представляющих собой смесь изотопов, и получается дробным. Этим обстоятельством объясняются дробные числа атомных весов многих других элементов в менделеевской таблице.

Так происходит в природе.

С открытием радиоактивности учёные смело взялись за опыты по превращению элементов друг в друга. Впервые это удалось осуществить в 1919 году, когда были «обстреляны» атомы обыкновенного азота альфа-частицами.

При «бомбардировке» азота (вес 14 и заряд 7) ядрами гелия (вес 4, заряд 2) последние «застревают» в атомных ядрах азота. При этом получается ядро с массой 14 + 4 = 18 и зарядом 7 + 2 = 9. Это ядро элемента фтора. Однако такое ядро искусственно полученного фтора очень неустойчиво. Поэтому оно тут же распадается, выделяя из себя один протон, то-есть ядро водорода. Оставшееся ядро превращается в ядро изотопа кислорода (заряд 8 и масса 17).

Так, в XX веке было осуществлено первое действительное превращение элементов.