1. Один экзаменатор на вопрос студента, из чего состоит атом, с негодованием воскликнул: «Из чего состоит атом?! По-видимому, вы не знаете греческого языка! Ведь «атом» это значит «неделимое».
Этот диалог происходил не далее, как в конце прошлого столетия. Однако мы измеряем время не только минутами и часами, но и событиями, происходящими в том или ином его отрезке; с этой точки зрения последние 3-4 десятилетия представляются для нас весьма большим сроком. За это время физическая наука претерпела значительные изменения. В целом ряде понятий и воззрений на существо природных явлений произошёл коренной перелом. Представление о неделимости и вечности атома, безраздельно господствовавшее до сего времени в науках, было лишь своеобразным отражением господствующих представлений о неразрушимости и вечности социального порядка, созданного капитализмом.
«Каковы бы ни были катастрофы в мировых пространствах, — писал один из величайших учёных второй половины 19 столетия Максвелл, — атомы, из которых построены миры, основные камни мироздания, не изменяются ни в своих размерах, ни в своих свойствах. Сегодня, как и в момент творческого акта, они совершенны в мире, числе и весе. Печать неразрушимости, наложенная на эти свойства, поучает нас, что стремление к точности в измерении и правде, считаемые нами в числе благороднейших атрибутов человека, даны нам потому, что они представляют существенные черты творца».
Эта фраза ярко свидетельствует о том, насколько даже наиболее крупные учёные того времени находились в плену идеалистически-поповского мировоззрения, ослепляющего и лишающего их возможности смелого научного предвидения.
Поэтому вполне понятно, что и физик Максвелл, и химик Менделеев, которые не менее настойчиво предостерегал своих учеников от увлечения «фантастическими» идеями о делимости и разрушаемости атома, оба в этом случае ошиблись. История двинулась иными путями. В физике она привела к теории радиоактивного распада и к осуществлённому в лаборатории «вечного, совершенного и неразрушимого» атома.
2. В 1903 г. один посетитель знаменитого английского физика Стрэтта увидел в его лаборатории новый прибор. Это была стеклянная груша, в которой находились два тончайшие алюминиевые листка. Они то расходились друг от друга, то внезапно спадались, и это колебание из совершалось с такой же правильностью, как качание маятника стенных часов. Между Стрэттом и его гостем произошёл следующий разговор.
— Что это такое?
— Это часы.
— Как же они заводятся?
— Они уже заведены.
— Но ведь завод нужно возобновлять!
— Не ранее, как через 2 тысячи лет.
Недоверие читателя по поводу этих часов с заводом на два тысячелетия рассеется, если мы сообщим, что роль пружины в часах Стрэтта играл ничтожный кусочек радия, удивительного химического элементы, открытого незадолго перед тем в Париже известной исследовательницей Склодовской-Кюри.
Радий – это элемент самопроизвольно разрушающийся. Его атом существует сотни лет (и ведёт себя при этом, если попадает в пробирку химика, так же, как и атом «обыкновенных» элементов), чтобы в один прекрасный момент взорваться и перестать существовать как атом радия. Мы не можем предвидеть, «взорвётся» ли тот или иной радиевый атом через минуту или через тысячу лет. Но, применяя к атомам радия законы статистики, то, что называется законом больших чисел, мы в состоянии предвидеть, какой процент наличного числа атомов радия распадётся в течение секунды, часа или столетия. Нам достоверно известно, например, что от каждого грамма радия, в каких бы условиях он ни сохранялся, спустя 1540 лет останется ровно полграмма, остальные полграмма за это время распадутся. Спустя новые 1540 лет опять распадётся половина оставшегося количества, и теперь останется уже только четверть грамма и т.д. Этот период, 1540 лет, мы называем полупериодом жизни радиевого атома.
Замечательно при этом то, что ни одно из средств, при помощи которых мы привыкли в любой степени влиять на различные процессы, недействительны в отношении радиоактивного распада. Мы можем держать радий на свету или в темноте, нагреть до высокой температуры или погрузить в жидкий воздух, подвергнуть высоким давлениям или поместить в вакуум (разреженное пространство), воздействовать на него самыми сильными химическими средствами, — всё что мы ни проделали бы, всё это ни в малейшей степени не повлияет на радиоактивный распад ни в сторону ускорения, ни в сторону замедления. В этом заключается поразительная особенность радиоактивного процесса, характерное отличие его от всех других известных нам процессов природы.
Распадаясь, радий рассеивает лучи, которые запечатлеваются фотопластинкой, но, в противоположность световым лучам, не задерживаются чёрной бумагой. Помещая крупинку радия между заряженными обкладками конденсатора (одна положительно, а другая отрицательно), мы разделяем лучи радия на три пучка. Один луч продолжает распространяться прямолинейно, второй отклоняется от прямолинейного пути в сторону положительно заряженной пластинки, а третий в сторону отрицательной. Первый луч, называемый гамма-лучом, мы не будем рассматривать в настоящей статье. Второй, бета-луч, представляет собой поток быстро несущихся частиц отрицательного электричества. Эти частицы называются электронами. Наконец, третий луч состоит также из быстро летящих частиц, но заряженных положительно и значительно более массивных, нежели электроны. Их вес оказался таким же, как и вес атомов элементов гелия, того самого лёгкого и невоспламеняемого газа гелия, которым наполняются оболочки дирижаблей. От атомов гелия частица этого третьего луча, альфа-частица, отличается лишь тем, что несёт двукратный положительный заряд, в то время как атомы гелия не заряжены.
Альфа-частицы и должны нас теперь особенно заинтересовать. К числу их свойств, зависящих от чрезвычайно большой скорости, относится способность при ударе о поверхность кристаллов сернистого цинка производить световую вспышку, которую можно наблюдать при помощи лупы. Таким образом становится доступным нашему зрительному восприятию если не сам единичный атом, то во всяком случае действие единичного атома, в то время как до открытия этого явления мы могли видеть атомы, как выражается Энгельс, лишь мысленно. Ещё с большим правом можно сказать это про другой способ наблюдения альфа-частиц. Радиоактивное вещество помещается в очень влажный газ; выдвижением поршня создаются условия для выделения избытка влаги в виде капелек.
Капли воды не могут образоваться произвольно. Необходимо присутствие «центров конденсации», которыми могут быть либо пылинки, либо газообразные атомы и молекулы, обладающие электрическим зарядом (ионы). Пролетая сквозь газ, альфа-частица разбивает встречные молекулы на такие заряженные осколки, и таким образом вдоль её пути образуется вереница из 3-4 сотен тысяч газообразных ионов, могущих служить центрами конденсации, если в этот момент резким движением поршня создать в камере пересыщение воздуха водяными парами.
Альфа-частица мчится, как тяжёлый орудийный снаряд, сокрушая молекулы воздуха на своём пути, а в 1840 раз более лёгкая бета-частица порхает, как бабочка, как бы обходя каждую встречную молекулу воздуха.
Мы не упомянули ещё об одном свойстве движущихся альфа-частиц, пожалуй, наиболее замечательном и наиболее противоречащем повседневному опыту. Альфа-частица способна проходить через тонкие вещественные преграды, например сквозь металлические пластинки, не нанося им никаких видимых повреждений и почти не изменяя направления своего пути. Это какие-то своеобразные пули, которые проходят сквозь тела, не повреждая их.
3. Если заключить крупинку радиоактивного вещества в свинцовую ампулку с единственным отверстием для выхода лучей и поместить возле экран из сернистого цинка, на нём обозначится более или менее резкое светлое пятнышко в месте падения радиоактивных лучей. Если теперь заслонить отверстие тонким алюминиевым листочком, оно лишь несколько расплывётся. Альфа-частицы проходят через плотный слой атомов металла с такой же лёгкостью, с какой солнечные лучи проходят через негустой туман, лишь немного искривляя свои пути и рассеиваясь. Однако не всем альфа-частицам удаётся благополучно проскользнуть через препятствия. Если поместить экран в другое положение и наблюдать с достаточным терпением, можно заметить, что изредка световые вспышки на экране всё же возникают. Некоторые частицы, процент из очень невелик, испытывают упругий удар и отбрасываются назад, подобно рикошетирующей пуле.
Мы никоим образом не можем предположить, что между атомами, составляющими алюминиевый листок, имеются сквозные каналы, по которым альфа-частицы могли бы свободно проскальзывать. Мы вынуждены считать, что альфа-частицы пронизывают атомы, что атомы для альфа-частиц являются проницаемыми телами. Но в таком случае, как же объяснить то, что некоторые альфа-частицы встречают какое-то непреодолимое препятствие? Откуда берётся сила, отбрасывающая их назад? Если мы представим себе, что внутри атома имеется сгусток положительного заряда, сосредоточенный в объёме, ничтожно малом даже по сравнению с размерами атома, картина рассеяния альфа-частиц становится объяснимой. Большинство альфа-частиц хотя и пронизывают миллиарды атомов, проходят настолько далеко от сгустков положительного электричества – будем называть их ядрами атомов, — что отталкивательное действие последних не сказывается, или точнее сказывается лишь в небольших отклонениях пути альфа-частиц. Но не исключена всё же возможность, что одна из тысячи альфа-частиц пролетит в столь близком соседстве от какого-либо из атомных ядер, что будет отброшена вбок или назад. Ведь известно, что сила отталкивания одноименно заряженных тел тем сильнее возрастает, чем больше тела сближаются.
К неизбежному заключению о существовании атомных ядер приводит изучение одной лишь качественной стороны явления. Подсчёты же альфа-частиц, рассеиваемых в разных направлениях, дали возможность определить действительные размеры атомного ядра и величину его заряда для разных элементов, которые применялись в качестве экранов для альфа-частиц. Главным образом на основании именно этих работ удалось построить общую схему строения атома, ныне общепринятую, так как правильность её подтверждена фактами, найденными в других областях физики и химии.
4. Как ни ничтожно малы ядра атомов, они-то именно и заключают в себе то, что химики называют индивидуальностью элемента. У атома кислорода могут быть отняты один за другим все орбитальные электроны. От этого он не перестаёт быть атомом кислорода и при первом удобном случае вновь притянет к себе должное число орбитных электронов. К подобным захватам и отдачам и сводятся химические реакции между атомами. Но нечто совершенно иное произойдёт, если из атома будет извлечён, например, внутриядерный электрон или альфа-частица. Атом кислорода при этом перестанет быть атомом кислорода. Он сделается атомом другого элемента.
Итак, задача превращения элементов друг в друга, старая задача алхимиков, сводится исключительно к вопросу о возможности производить «хирургические операции» над ядрами атомов. В радиоактивных процессах мы имеем наглядное свидетельство в пользу возможности взаимного превращения элементов.
Но если превращение элементов идёт в природе самопроизвольно, то нельзя ли всё же как-нибудь подчинить этот процесс нашему воздействию, нельзя ли проделать это превращение искусственным путём? Здесь встаёт вопрос о средствах. Все средства к разрушению вещества, которые знала и широко использовала наука раньше, — высокая температура и давление, электрический ток, химическое воздействие – все они не достигают атомного ядра. Они «останавливаются» на электронной оболочке атомов подобно тому, как снаряды из плохой стали останавливаются бронёй современного танка.
5. В годы мировой империалистической войны в лаборатории английского учёного Резерфорда были проведены первые успешные опыты по разрушению атомных ядер альфа-частицами. Поток альфа-частиц, исходящий из радиоактивного вещества, вызвал образование в чистом азоте новых частиц, движущихся с большей скоростью и обладающих значительно большим пробегом, чем бомбардирующие азот альфа-частицы. Изменение их массы путём отклонения в электрических и магнитных полях показали, что масса этих быстрых частиц вчетверо меньше, чем масса альфа-частицы, и соответствует массе легчайшего из элементов – водорода, а заряд является положительным и однократным. Они представляют собой, следовательно, ни что иное, как ядра водородных атомов, так называемые протоны.
Вслед за тем возможность вырывания протонов из ядер элементов альфа-частицами была подтверждена и в опытах с бором, фтором, натрием и фосфором. Таким образом старинная мечта о превращении элементов друг в друга осуществилась.
Наиболее поразительные результаты бомбардировки атомных ядер альфа-частицами были получены в опытах Боте и Беккера в конце 1930 г. Источником нейтрона являлся в опытах Боте и Беккера бериллий, поэтому первоначально они и были названы бериллиевыми лучами. Эти опыты привели к обнаружению совершенно новой разновидности элементарных частиц, так называемых нейтронов. Несомненно, что нейтроны, нейтронный газ, должны существовать в природе среди других разновидностей элементов, но обнаружение его в естественных условиях встречает большие трудности.
6. Природа потенциального барьера и условий, при которых он может быть преодолён атомным снарядом, были выяснены получившими всеобщее признание работами молодого советского физика Гамова. Он показал также соответствующими вычислениями, что протону, вообще говоря, легче проникнуть в ядро, чем альфа-частице, при равной энергии того и другого. В частности, уже потому, что протон заряжен однократно положительным зарядом, отталкивание его ядром должно быть вдвое слабее, чем отталкивание альфа-частицы. Поэтому разрушительная сила нейтронов оказалась несравненно большей, ведь для них фактически не существует потенциального барьера, и поэтому почти каждый удар нейтрона о ядро атома приводит к взрыву последнего.
Как же получаются протонные лучи? Естественные радиоактивные вещества протонов не излучают. Весною прошлого года замена альфа-лучей протоновыми лучами увенчалась успехом. Молодому английскому физику Кокрофту удалось протонами, разгоняемыми электрическим напряжением в 120 тыс. В, расщепить атомы лития и ряда других элементов. А полгода спустя аналогичный результат был получен молодыми советскими учёными Синельниковым, Вальтером, Лейпунским и Латышевым в Харьковском физико-техническом институте. Последние опыты показали, что наши молодые экспериментаторы идут нога в ногу со старейшими лабораториями заграницы в такой сложной, тонкой и многообещающей работе, как разрушение и созидание атомов. Схема аппаратуры, применённой в Кэмбридже и Харькове для разрушения атомов мощными потоками протонов, такова:
Разрушение атомных ядер есть ни что иное, как превращение химических элементов. Следовательно, можно рассчитывать при помощи бомбардировки протонами превращать более распространённые и дешёвые элементы в более редкие и дорогие. Однако, если сопоставить громадный расход электрической энергии с неизмеримо малым эффектом превращения элементов, эта техническая мечта должна померкнуть. Зато открывается новая, ещё более блистательная возможность. Найдено на опыте, что энергия разлетающихся «осколков» атома в известных случаях превосходит энергию частицы, вызвавшей «взрыв» атома. Избыток энергии, очевидно, берётся из недр самого атома – иначе говоря, при разрушении атома освобождается заключенная в нём внутриатомная энергия, существование которой с такой очевидностью доказывается уже явлением радиоактивности. Развивая и усовершенствуя технику разрушения атомов, мы как бы получаем в свои руки ключ к этим новым «залежам» энергии внутри атомов самых обыденных окружающих нас веществ. Запасы внутриатомной энергии, как установлено расчётами чрезвычайно велики по сравнению с теми видами энергии, которые мы научились использовать (энергия ветра, воды, каменного угля) и многие из которых рано или поздно истощатся. Внутриатомная энергия, может быть, придёт им на смену. Здесь предстоит преодолеть ещё очень много трудностей, но зато это реальная цель, а не пустая мечта и фантазия.