У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро

Известия об открытии новых благородных газов побудили Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) в 1902 году изменить свою периодическую систему химических элементов и включить в нее специальную колонку. Порядок химических элементов в периодической таблице был великим изобретением. В этой таблице элементы классифицируются в соответствии с их атомной массой и химическими свойствами. Многие химики, в том числе Лавуазье, уже обратили внимание на сходство разных элементов, но только Менделеев пришел к их упорядочиванию. Он взял за основу закономерности, наблюдавшиеся в характеристиках элементов (большая или меньшая реактивность, валентность), чтобы систематизировать их, используя классификацию двумерной таблицы. Атомный вес был важным фактором (вертикальная ось), но элементы также расположены слева направо, образуя периоды и группы. Группы, то есть элементы одной колонки, имели много общих характеристик, несмотря на различие в атомном весе. Это простое изменение формы классификации веществ сделало возможным поиск общего, в особенности в химических характеристиках. Менделеева также озарила догадка, что необходимо оставить пустые места там, где, как ему казалось, мог разместиться еще не открытый элемент. Этот великий ученый сумел предсказать некоторые характеристики неизвестных элементов, которые были открыты впоследствии; среди них германий и галлий.

Дмитрий Иванович Менделеев, примерно 1880-1890 годы.

К своему удивлению, они смогли выделить из тория вещество, испускавшее большую часть излучения. Они не знали, что это за вещество, но было ясно, что химически оно различно с торием, поэтому его назвали "торий-Х". После выделения тория-Х торий терял радиоактивность по экспоненте; всю радиоактивность получал торий-Х. Наконец не осталось сомнений, что торий мог производить торий-Х и заменять образцы, потерявшие активность. Также ученым удалось установить, что торий-Х испускал эманацию. Так они обнаружили цепочку явлений: торий порождает торий-Х, а торий-Х испускает эманацию.

Содди и Резерфорд пошли дальше своих европейских коллег и на графиках показали поведение тория и его активность, которая росла по экспоненте, а также тория-Х с его нисходящей кривой (см. график).

Этот график распада радиоактивности и восстановления показывал экспоненциальный характер отношения между активностью и временем двух показателей, сумма значений которых была константой (дополнительность). Все указывало на то, что оба явления происходили не случайно, то есть имелись отношения между торием и торием-Х. Торий порождал отличное от себя вещество — другими словами, атомы тория-Х получались в результате распада тория. Это были словно родственные отношения (как выразился Резерфорд). Эрнест Резерфорд сделал следующее заключение:

"Большая часть радиоактивности тория происходит от некоего типа материи, тория-Х, обладающего отличными от тория химическими характеристиками и являющегося временно радиоактивным: его активность затухает через четыре дня".

Позже было обнаружено, что торий-Х на самом деле является так называемым изотопом радия, обладающим исключительной радиоактивностью. Части головоломки стали соединяться. А какую же роль играла радиоактивность? Как она связана с альфа- и бета-лучами? Была ли она дополнительным продуктом трансмутации? Или, напротив, она влияла решающим образом?

То, что является грехом для моралиста, преступлением — для юриста, для ученого — незнание.

Фредерик Содди

Гипотеза, подтверждение которой начали искать Резерфорд и Содди, состояла в том, что после испускания альфа-частиц торий превращался в торий-Х. После следующего испускания альфа-частиц происходила эманация. Данная последовательность явлений была характерна также для урана и полония.

Ключ к решению проблемы находился в альфа-частицах. Когда Резерфорд понял, что представляли собой альфа-частицы, все детали головоломки сложились и встали на свои места — открылась прекрасная перспектива новой области физики, возникшей практически из ничего.

Вопрос о том, что представляли собой атомы, был абсолютно неясным — Резерфорд обнаружит ядро только через несколько лет, — в ту эпоху было едва ли что-то известно об электронах.

Хотя уже имелись предположения, что энергия радиоактивности каким-то образом исходила из сердца атомов, ее механизм был загадкой.

В первую очередь, Резерфорд делал ставку на идею, что радиоактивность возникала из-за некоторого внутреннего нарушения расположения атомов, создавая тем самым нестабильную ситуацию. В этот момент начинали испускаться рентгеновское и бета-излучение, что приводило к реконфигурации все еще нестабильного материала, и так возникало альфа-излучение. Согласно его первой гипотезе радиоактивность была непрямым следствием явления внутренней нестабильности конфигурации атомов, неким дополнительным механизмом. На тот момент уже было известно, что бета-лучи идентифицируются с электронами, поэтому считалось, что вследствие малой массы они не могут нарушать природу атомов. Но предстояло объяснить, чем являются альфа-лучи.

Имелось предположение, что их заряд был положительным. Однако в ходе попытки уловить радиоактивность с помощью магнитного поля лучи не изменили своей траектории. Казалось бы, гипотеза должна быть отвергнута, но Резерфорда не удовлетворили эти результаты, и он решил повторить эксперимент, при этом использовав более интенсивный источник альфа-лучей и более мощный генератор магнитного поля. Кюри предоставили ему радий, а аппарат для генерирования магнитного поля (магнит) ему выделили в университете Макгилла. Осенью 1902 года Резерфорд увидел, что альфа-лучи в действительности изменяли траекторию при прохождении через магнитное поле, их отклонение было противоположным бета-лучам, у которых, как уже стало известно, отрицательный заряд. Данный результат он интерпретировал как доказательство положительного заряда альфа-лучей. Выяснить это прежде было затруднительно, так как альфа-частицы значительно превосходили по массе бета-частицы.

Если лучи из частиц, имеющих далеко не ничтожную массу, возникали внутри атомов, было бы глупо не сделать вывод, что они должны представлять важные изменения для собственной внутренней структуры материи. Испускание альфа-лучей виделось некоей причиной других изменений и наблюдаемого испускания других видов излучения. При этом электромагнитное излучение или выброс электронов — бета-лучей — не предполагали трансмутации химического (радиоактивного) элемента. Однако факт испускания лучей, имевших значительную массу, заставлял проверить данное соображение. Именно поэтому в результате этого ключевого открытия Резерфорд и Содди предложили свою теорию радиоактивного распада.

Радиоактивность не могла быть вторичным, дополнительным эффектом, учитывая, что внутри радиоактивного материала отделялись частицы, имевшие массу других химических элементов. В 1903 году, когда Содди уехал из монреальского университета Макгилла и отправился в Лондон работать с Уильямом Рамзаем, теория радиоактивного распада уже сформировалась как модель, включающая в себя все части радиоактивной головоломки.

Итак, между 1902 и 1903 годом Резерфорд и Содди разработали теорию радиоактивного распада, которая раскрывала загадки радиоактивных эманаций, возбуждения, распада, радиоактивного переноса и тория-Х. По их мысли, радиоактивность возникала, потому что определенный элемент (торий или уран) трансформировался в другой элемент, излучая альфа- и бета- частицы. При трансформации и распаде первоначального атома родительского элемента возникал новый атом, который обозначался как торий-Х или уран-Х и который мог оказаться другим химическим элементом, тоже радиоактивным, например радием или полонием. Новые элементы были менее стабильными и испускали больше радиации. Парадоксально, но вследствие этого они распадались быстрее, образуя другие, тоже радиоактивные элементы. Резерфорд и Содди описали свою концепцию явления радиоактивности так: