Рассказ о строении вещества

Как же устроено ядро согласно данным современной физики?

Как известно, положительный заряд ядра самого лёгкого атома — атома водорода — равен 1. Поэтому ядро атома водорода стали считать за простейшую положительную частичку и назвали его протоном («протон» значит «первичный»). Позднее было найдено, что протон действительно является элементарной частичкой с минимальным положительным зарядом. В опытах по расщеплению атомных ядер учёные установили, что протоны входят в состав ядер всех атомов.

Однако состоять из одних протонов ядра атомов не могут. Если бы это было так, то масса каждого атома должна была бы быть во столько же раз больше массы атома водорода, во сколько раз число электронов в оболочке этого атома больше числа электронов в атоме водорода. В самом деле, в атоме водорода находится один электрон, и масса его равна массе одного протона. Значит, масса атома следующего элемента — гелия, который имеет в своей оболочке два электрона, должна была бы быть равной массе двух протонов. Точно так же углерод, имеющий 6 электронов, должен иметь массу, равную 6 протонам. В действительности мы, однако, наблюдаем другое. Масса атома гелия равна массе не 2 протонов, а 4; атом углерода имеет массу не 6 протонов, а 12. Таким образом, ясно, что в атомном ядре содержатся ещё какие-то другие частицы, помимо протонов.

Что это за частицы?

Было предположено, что в состав ядра входят наряду с протонами электроны. При этом всегда число протонов в ядре больше, чем электронов, так, чтобы остающийся неуравновешенным положительный заряд ядра был равен отрицательному заряду всех электронов электронной оболочки.

Такой взгляд на строение атомного ядра, казалось бы, подтверждался также и тем, что как при самопроизвольном распаде радиоактивных веществ, так и при искусственном расщеплении атомных ядер из них часто вылетают электроны.

Однако ряд опытов и расчётов заставил физиков отказаться от такого объяснения устройства ядра.

И перед учёными снова встал вопрос: каково же строение атомного ядра? Ведь неоспоримо, что что-то должно входить, помимо протонов, в состав ядра.

Это «что-то» было найдено в 1932 году. При опытах «бомбардировки» альфа-частицами атомов бериллия была найдена новая частица, не имеющая никакого заряда. Масса этой частицы, названной нейтроном, оказалась почти точно равной массе протона.

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.