Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Пора поразмыслить об изотопах.
Осознание периодического закона и изучение радиоактивности заставило ученых вспомнить об интересной гипотезе, намного опередившей свое время и затем надолго забытой. В 1815 году лондонский врач и химик Уильям Праут выдвинул гипотезу о том, что атомы различных элементов построены из атомов водорода. Он основывался на том, что атомные веса многих элементов являются кратными атомному весу водорода. Если принять атомный вес водорода за единицу, то атомный вес лития близок к 7 бериллия — к 9, углерода — к 12, азота — к 14, кислорода — к 16, фтора — к 19. Отклонение от кратности для Бора и для атомов, более тяжелых, чем фтор, Праут относил за счет недостаточной точности измерения. В первой половине девятнадцатого века многие ученые прибивались гипотезы Праута, однако последующие нения значений атомных весов принудили их отказаться от нее. Ведь, например, атомный вес хлора равен 35,453.
Работы Резерфорда привели к планетарной модели атома. Выяснилось, что атомный вес элемента связан с порядковым номером той клетки, которую соответствующий элемент занимает в таблице Менделеева. Все это заставило ученых вспомнить о гипотезе Праута. С другой стороны, исследования радиоактивных элементов, проводившиеся Резерфордом, его сотрудником Ф. Содди и другими физиками, иногда приводили к случаям, когда радиоактивные элементы, получавшиеся в результате радиоактивного распада, обладают необычными свойствами. Заведомо различные элементы, полученные из различных источников и обладающие различной скоростью и даже различным типом дальнейших радиоактивных превращений, оказалось невозможным отделить один от другого никакими химическими методами. Возникла поразительная ситуация: с точки зрения химии эти элементы тождественны, а с точки зрения физики они различны.
Исходя из периодического закона Менделеева, элементы, обладающие тождественными химическими свойствами, следует помещать в одну и ту же клетку периодической системы элементов, несмотря на то что некоторые из их физических свойств оказываются различными. Содди назвал такие элементы изотопами.
Стабильные (нерадиоактивные) изотопы неона: неон-20 и неон-22 (здесь и дальше цифры, стоящие за названием химического элемента, указывают его атомный вес), обнаружила 1913 году Джозеф Томсон (его не следует путать с Вильямом Томсоном, лордом Кельвином, который напугал современников угрозой тепловой смерти Вселенной). Джозеф Томсон прежде всего известен как автор электрона — это он открыл электрон. Он разработал теорию движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, он же создал первую модель строении атома, впоследствии уступившую место планетарной модели Резерфорда. В 1906 году он стал нобелевским лауреатом. Именно его теория движения заряженных частиц в электромагнитных полях и легла в основу масс-спектрографа, важнейшего прибора для измерения атомного веса электронов, сконструированного Френсисом Астоном, который с 1913 года был ассистентом Томсона. Война прервала его работу. В 1919 году он возвратился и заинтересовался возможностью разделения изотопов. К тому времени никто не сомневался в существовании изотопов, но никому не удавалось выделить их в чистом виде.
Астон теоретически проанализировал возможности основных методов разделения изотопов, через много лет сыгравших свою роль в создании атомной бомбы. Сравнив метод диффузии, возгонки и центрифугирования с методом, примененным Томсоном еще в 1912 году для разделения изотопов неон-20 и неон-22, он убедился, что томсоновский метод наиболее подходящ для лабораторных следований. (Для промышленного разделения изотопов тяжелых элементов более производительными являются термодиффузия и центрифугирование.)
Метод Томсона состоит в отклонении ионизированных атомов, летящих в вакууме при помощи электрического и магнитного полей.
При проведении первых исследований в 1920 году Астон был поражен тем, что атомные веса всех легких элементов представлялись целыми цифрами. Правило целого числа начинало заметно нарушаться с номера 30.
Было лишь одно маленькое исключение: если принять атомную массу кислорода равной точно 16, то для водорода получалась не единица, а 1,008!
Нужно было обладать незаурядной интуицией, чтобы ставить это различие с предсказанием теории относительности о связи между массой и энергией.
Астон, возродив гипотезу Праута, предположил, что при образовании атомных ядер часть массы протонов переходит в энергию их связи внутри ядра. Он назвал это эффектом упаковки. Теперь это называется дефектом массы.
Получая одновременно с Бором Нобелевскую премию в 1922 году, Астон сказал: «Мы можем быть уверены, совершенно уверены в том, что при превращении водорода в гелий определенная часть массы должна исчезнуть, Космологическое значение этого вывода огромно, и открываемые им возможности для будущего очень важны, важнее, чем любое другое научное открытие, сделанное до сих пор человечеством».
Астон, рассуждая дальше, оценил величину выделяющейся при этом энергии.
Предвосхищая будущее почти на четверть века, он подсчитал, что водород, содержащийся в 9 граммах воды, превращаясь в гелий, высвободит энергию, эквивалентную 200000 киловатт-часов.
«Перед нами источник энергии, достаточный для объяснения происхождения тепла, излучаемого Солнцем», — писал Астон. И далее: «Возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии, который позволит ее использовать. Тогда человечество получит в свое распоряжение такие возможности, которые превосходят любую фантазию».
Физики только сейчас приобрели уверенность в том что «такие возможности» удастся реализовать с пользой для человечества. Для этого необходимо разработать метод и создать аппаратуру, обеспечивающую возможность управления термоядерной реакцией, превращающей водород в гелий. К счастью, не оправдались опасения Астона, сказавшего тогда же: «Но нужно, однако, все время помнить о том, что освобожденная энергия может оказаться совершенно неконтролируемой и благодаря своей огромной силе произвести взрыв всего окружающего вещества».
Последующие расчеты показали, а опыт подтвердил, что взрывы водородных бомб не превратили Землю в новую звезду. Но теперь их запас стал столь большим, что ядерная война неизбежно повлечет за собой гибель человечества вследствие радиоактивности, порождаемой ядерными взрывами.
Нельзя не преклониться перед интуицией, перед истинным провидением человека, предвосхитившего на столь большой срок проблему овладения энергией термоядерного синтеза. Известно, что великий Резерфорд, открывший атомное ядро, вплоть до конца тридцатых годов отвергал возможность практического применения ядерной энергии.
Сейчас известно более 275 стабильных изотопов, принадлежащих 83 природным элементам и более 2000 радиоактивных изотопов. Среди них изотопы хлор-35 и хлор-37.
После работ Астона физики в течение многих лет считали, что атомные ядра состоят из протонов и электронов. Предполагалось, что количество протонов в ядре атома данного элемента равно его атомному весу, а количество электронов в нем таково, что их отрицательный заряд компенсирует часть суммарного заряда протонов. Точнее говоря, предполагали, что в ядре ровно такое количество электронов, которое требуется для того, чтобы нескомпенсированный положительный заряд ядра оказался равным атомному номеру — номеру той клетки таблицы Менделеева, в которой расположен соответствующий элемент.
Протонно-электронную модель ядра пришлось отвергнуть из-за
