Свет невидимого

Чем меньше изучаемый объект, тем более изощренным и сложным должен быть прибор, предназначенный для его изучения. Это утверждение, смахивающее на своеобразный естественно-научный закон (но тем не менее никак не претендующее на столь высокий ранг), может быть подтверждено многими примерами.

Биолог, которого вы попросите продемонстрировать одноклеточный организм, подвинет к вам обычный школьный микроскоп, размером чуть больше портативного радиоприемника и весом несколько килограммов. Микроскоп, позволяющий рассматривать внутриклеточную структуру, куда более внушительное устройство — со множеством объективов, с лампами и лампочками, проводами и проводочками, полками и полочками. Для изучения же вирусов применяется электронный микроскоп — сооружение, занимающее отдельную немалую комнату и работа на котором сложностью своей внушает смешанное чувство уважения и робости.

А что говорить об исследованиях вещества в физических или химических лабораториях! Здесь наш закон оправдывается на каждом шагу.

Чтобы взвесить грамм вещества, вполне достаточно обычных весов, например аптечных (таких, какие держит в правой руке богиня правосудия Фемида; прибор, как понимаете, несложный).

Определить точный вес крупинки в несколько тысячных долей грамма — задача посложнее. Для этого необходимы аналитические весы. Такие весы — сложное сооружение, состоящее из нескольких сот деталей и покрытое стеклянным колпаком (чтобы, упаси боже, не попала пыль).

Но весы, позволяющие взвешивать с точностью до одной миллионной доли грамма, размерами походят на магазинный холодильник. Работа с ними требует таких предосторожностей, что одно перечисление их занимает три страницы убористого текста.

А как обстоит дело с определением еще меньших количеств веществ? Ну, скажем, 10^-7-10^-10 долей грамма. Для этого служит прибор, называемый масс-спектрографом. Впрочем, просто прибором его назвать неудобно. Это громадная установка, которая, даже не работая, внушает благоговейное почтение. Но когда она работает, тогда…

Тогда у масс-спектрографа хлопочут двое, а то и трое операторов. Они прислуживают ему с беззаветной преданностью и самопожертвованием. У них бездна различных обязанностей. Они должны накормить масс-спектрограф электроэнергией, напоить его жидким азотом, одеть в глубокий вакуум. Но они не ропщут на своего «повелителя». Они благодарны ему за каждое верное показание. Ох, как благодарны! Это я знаю точно: сам работал на масс-спектрографе и скажу, что эти дни отнюдь не самые радостные в моей жизни.

Итак, можно считать, что закон, сформулированный в начале этого раздела, бесспорно соблюдается.

А сейчас познакомимся с прибором, позволяющим наблюдать за отдельными атомами, то есть за совершенно ничтожным количеством вещества — примерно в 10^-21 грамма. Очевидно, что более мелких объектов (для химика, во всяком случае) быть уже не может.

Запаянная с обоих концов стеклянная трубочка, именно трубочка, а не трубка. Внутри трубочки тоненькая, с волос, проволочка. Впаянные в трубку электроды. Все вместе это называется счетчиком радиоактивного излучения Гейгера — Мюллера и является блестящим опровержением столь поспешно сформулированного мною закона.

Именно этот счетчик позволяет регистрировать радиоактивный распад одного отдельного (одного!) атома. Достигается это за счет остроумного приема.

Нитка, протянутая вдоль оси счетчика, присоединена к одному из электродов. Другой электрод ни к чему не присоединен. Упирается, так сказать, в пустоту. Впрочем, в «пустоту» — сказано не совсем верно. Потому что в счетчике отнюдь не пустота. Заполнен он каким-либо инертным газом, например аргоном, к которому примешано некоторое количество паров спирта или йода.

Чтобы счетчик мог действовать, к его электродам подводят высокое напряжение. Из рисунка видно, что размеры каждого из электродов сильно разнятся; один из них — довольно солидная по размерам металлическая пластинка, а другой — тонюсенькая ниточка. И в этом-то различии — вся изюминка счетчиков Гейгера. Потому что при включении счетчика создаются около электродов поля неоднородной напряженности.

Этот скучный термин станет абсолютно понятным, если вспомнить то, чему всех нас учили в школе на уроках физики. Вокруг любого заряженного предмета создается электрическое поле. И понятно, что напряженность электрического поля вокруг электрода-нити во много-много раз больше, чем вокруг электрода-пластинки. Запомним это.

Когда в счетчик попадает радиоактивный снаряд, вылетевший из распадающегося ядра (скажем, гамма-квант), то он, преодолев стеклянную ограду, попадает во внутреннее пространство счетчика. Здесь на своем пути частица обязательно повстречает молекулу газа и ионизирует ее, иными словами — разобьет на части: положительную и отрицательную.

Предположим, что электрод-нить заряжен положительно, электрод-пластинка — отрицательно. Тогда образовавшаяся пара ионов поведет себя по-разному: положительный ион будет притягиваться пластинкой, а отрицательный — нитью. Но напряженность поля у пластинки гораздо меньше, чем у нити. Поэтому положительный ион движется к пластинке с неторопливостью толстяка, только что прикончившего двойной обед. Зато отрицательный ион ринется к нити со скоростью курьерского поезда.

Сравнение это не очень точное. Потому что отрицательный ион несется к нити со скоростью, превышающей скорость поезда раз… в 50, не меньше.

Представьте себе поезд, мчащийся со скоростью не меньшей, чем километр в секунду, и сталкивающийся при этом с другим поездом. Говорите, полетят осколки? Так почему же по-иному должны вести себя молекулы?

Стремительно летящий к нити ион на своем пути сталкивается с молекулами газа и разбивает их, если не вдребезги, то по крайней мере на две части: положительную и отрицательную. При этом вновь образовавшийся положительный ион поплетется к пластинке, а отрицательный устремится за своим отрицательно заряженным коллегой.

Чем ближе к нити, тем выше скорость. Поэтому дружная пара отрицательных ионов с еще большей силой врезается в подвернувшиеся на пути молекулы газа. Образуется уже четыре иона. Через неуловимую долю секунды их уже будет восемь, потом шестнадцать, а затем количество ионов неумолимо нарастает, точно так же, как число зерен пшеницы в известной легенде о хитроумном изобретателе шахматной игры и жадном правителе.

Вот почему к нити подходит уже солидная компания отрицательных ионов — несколько миллионов, а то и больше. При столкновении отрицательных ионов с положительно заряженной нитью происходит разряд, и поскольку количество ионов, повторяю, весьма велико, то этот разряд может быть зафиксирован специальным и, кстати, не очень сложным устройством. Вот и все.

Как видим, счетчик Гейгера — Мюллера устроен просто, но очень хитро: один-единственный ион он превращает в несколько миллионов. И поэтому такой своеобразный микроскоп позволяет регистрировать распад одного отдельного атома.

Физика и химия не знают другого прибора, который был бы столь же простым и позволял в то же время определять такой ничтожный эффект, как распад отдельного атома.

Итак, с помощью радиоактивности можно определить то наименьшее количество вещества, меньше которого оно, собственно говоря, уже перестает быть веществом. Последняя фраза походит на каламбур. Но если вы расщепите атом, то это будет уже не тот элемент, который вас интересовал, а совсем другой. Поэтому химическим пределом вещества является именно атом. А что получается дальше — это уже забота физики.

Был бы атом элемента радиоактивен, а обнаружить его благодаря такому отличию несложно. Но вот ведь беда — далеко не все элементы радиоактивны, во всяком случае в такой степени, чтобы можно было достаточно быстро уловить акт распада атома элемента. Поэтому с помощью измерения радиоактивности можно определить ничтожные в весовом выражении количества лишь элементов с ярко выраженными радиоактивными свойствами — радия, полония, радона, тория, урана. Но ведь это лишь малая доля всех известных нам естественных химических элементов. Как же быть с остальными?