Виток спирали

Спектры свидетельствовали: у кобальта 27 положительных зарядов, а у никеля — 28. Объяснились и два других мнимых нарушения закона — теллуром и аргоном. У обоих оказалось в ядре на один положительный заряд меньше, чем у следующих за ними в таблице йода и калия.

Теперь можно было разобраться и в путанице с несколькими свинцами, радиями, радонами и прочими элементами, получавшимися при радиоактивных превращениях. Атомы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра, надлежало относить к одному и тому же элементу и помещать в одну и ту же клетку периодической таблицы.

Стал понятен и главный закон новой алхимии, названный законом сдвига: если при распаде атома из его ядра вылетает альфа-частица, то заряд ядра уменьшается на две единицы и, значит, номер элемента также уменьшается на две единицы, то есть атом сдвигается в таблице элементов на две клетки влево; а если из ядра атома вылетает бета-частица, электрон, то заряд ядра увеличивается на единицу, порядковый номер — тоже, и элемент сдвигается на одну клетку вправо.

Фредерик Содди и Казимир Фаянс, сотрудники Резерфорда, открывшие закон сдвига, дали атомам с одинаковым зарядом и разной массой название "изотопы" — "занимающие одно и то же место" ("топос" по-гречески —" "место"; отсюда "топография" — "описание местности").

Лавина прошла, унеся с собой непонятные исключения из периодического закона. Теперь он звучал так: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов их ядер. Вопрос о том, почему естественная система элементов начинается с водорода, решился сам собой — заряд ядра атома водорода + 1.

И вопрос о числе электронов в каждом атоме был теперь ясен: раз атом нейтрален, то есть его положительные заряды полностью уравновешиваются его отрицательными зарядами, значит, число электронов в нем равно числу положительных зарядов. То есть у водорода должен быть один электрон, у гелия — два, у лития — три и так далее.

Решился вопрос и о числе элементов от водорода до урана (ведь каждый новый заряд ядра давал новый элемент), и о пропущенных, еще не открытых элементах — теперь они были очевидными разрывами в непрерывной очереди зарядов, непрерывной очереди порядковых номеров.

Правда, оставалось неизвестным, почему система элементов заканчивалась ураном, и заканчивалась ли она им на самом деле, или могли быть и другие — еще не открытые элементы.

Кроме того, за полвека, прошедшие с момента открытия периодического закона, появились новые вопросы, и самый волнующий из них был о том, что же такое атомное ядро?

И не только потому, что неделимое оказалось делимым, а вечное — не вечным. Куда важней было то, что в ядре атома таились какие-то огромные силы — те самые, что разгоняли ядра гелия до скорости 25 000 километров в секунду.

Может быть, для человечества было бы лучше не задумываться над этим, не искать у природы ответа. Но стремление человека к разгадыванию тайн природы неодолимо. И сколько бы раз ни обжигались люди, они вновь и вновь летят на свет истины.

И они заглянули в ядро и увидели, что там есть.

Глава шестая, в которой появляются протон и нейтрон

ВОДОРОДНЫЕ ЛУЧИ

Для того, чтобы узнать, что находится в орехе, нужно разбить орех. Для того, чтобы узнать, что находится в ядре, нужно разбить ядро. Или, обстреливая альфа-частицами какие-либо атомы, посмотреть, что происходит не со снарядами, а с мишенью.

Если обстрелять, например, атомы водорода, вчетверо более легкие, чем сами альфа-частицы, то при столкновении альфа-частица должна была бы так толкнуть водородный атом, что он должен был пролететь вчетверо дальше, чем она сама.

Резерфорд предложил Марсдену провести такой эксперимент.

И действительно, альфа-частицы отшвыривали водородные атомы, как бита отшвыривает городок.

Но этим опытом Марсден не ограничился. Ему захотелось посмотреть, как будут вести себя другие атомы, тоже легкие, но тяжелей водорода.

Проще всего было обстрелять альфа-частицами просто воздух, состоящий из атомов азота и кислорода. Они примерно в полтора десятка раз тяжелей атомов водорода, значит, и отлетать от удара альфа-частиц должны были не очень далеко.

Марсден был прекрасным экспериментатором. Но тут произошла осечка. Как ни очищал он воздух в приборе от водяных паров, все равно обнаруживались ядра, летящие вчетверо дальше, чем альфа-частицы.

И Марсден выдвинул смелое предположение — эти водородные ядра несутся оттуда же, откуда несутся альфа-лучи — из ядер радия.

Продолжению опытов с "водородными лучами" помешала первая мировая война. Почти всех сотрудников Резерфорда — в том числе и Марсдена — забрали в армию. Но когда война стала подходить к концу, Резерфорд начал планомерную охоту за таинственным водородом. И в одном из опытов заменил воздух чистым азотом. Теперь в приборе было ровно на четверть больше атомов азота, чем в воздухе.

Резерфорд принялся считать вспышки на экране. И когда истекло положенное время, оказалось, что и вспышек стало больше ровно на четверть — двадцать пять лишних на каждую сотню.

Это значило, что водород вылетал из азота!

Это значило, что ядра атомов водорода входят в состав ядер атомов других элементов.

И еще: не значило ли это, что Уильям Праут 100 лет назад верно угадал, из чего состоят атомы?

Но за эти 100 лет люди узнали о природе вещей больше, чем за два тысячелетия, прошедшие со времен Демокрита и Аристотеля. И потому Эрнст Резерфорд, раздумывая о том, что он увидел, в конце концов пришел к выводам, которые Прауту показались бы абсурдом. Касались они устройства атомного ядра.

…Как же устроено атомное ядро, если из него могут вылетать ядра водорода? Ну, хотя бы самое простое после водородного — ядро гелия?

Оно в четыре раза тяжелей — следовательно, в нем четыре водородных ядра. Но зарядов у него не четыре, а всего два. Не значит ли это, что четыре водородных ядра удерживаются вместе двумя электронами, находящимися внутри ядра гелия? В таком случае на два водородных ядра приходился бы один электрон. Но если электрон может удерживать в одном ядре два водородных ядра, то тем легче ему удерживать в ядре одно водородное ядро… И тогда получится удивительное ядро, состоящее из ядра водорода и электрона — ядро, не имеющее заряда. Получится как бы нулевой атом — атом с пулевым зарядом ядра и, следовательно, без электронной оболочки. Он не сможет химически взаимодействовать с другими атомами. Но зато ни одно ядро не оттолкнет его. Идеальный снаряд для обстрела ядер!

Так Резерфорд предсказал нейтрон — правда, еще не названный этим словом.

А самому водородному ядру, составной части всех прочих атомных ядер, Эрнст Резерфорд и английский физик Оливер Лодж дали имя "протон", от греческого "протеос" — "первичный, первоначальный".

БЕРИЛЛИЕВЫЕ ЛУЧИ

Бериллий, тот самый элемент, что поначалу причинил столько беспокойств Менделееву, в дальнейшем ничем особенно не выделялся. При добавлении его к меди получали твердый упругий сплав — бериллиевую бронзу; вот, пожалуй, и все.