БИБЛИОТЕКА ШКОЛЬНИКА
3-
ПУТЕШЕСТВИЕ
В ГЛУБЬ
атама
Ь С I В О „ П Р О С В Е Ш,Е Н НЕ"
Учение об атомах и атомных ядрах стало
важнейшей областью физики. Автор книги в
исторической последовательности и в доступной
форме рассказывает о том, как развивалось это
учение.
Читателя ожидает увлекательное путеше-
ствие в таинственный атомный мир, в котором
он познакомится с удивительными приборами
и машинами, позволившими человеку проник-
нуть в этот мир, и со сложными, странными за-
конами этого мира.
Книга познакомит читателя с основными
представлениями о строении атомов, со свой-
ствами атомов, с составом атомного ядра, эле-
ментарными частицами и свойствами этих ча-
стиц. Ее с интересом прочтут учащиеся средней
школы.
Впервые эта книга под названием «Путеше-
ствие внутрь атома» была выпущена Ставро-
польским книжным издательством в 1958 г. На-
стоящее издание переработано и дополнено, в
нем учтены последние достижения атомной
физики.
ФЕБ АПТФСМЗАШ
t/И ира атома не найти ни на одной, даже самой
подробной карте. Тем не менее он реален.
Вместе с тобой, юный читатель, мы совершим пу-
тешествие в этот таинственный мир. Как и всем пу-
тешественникам, нам в пути понадобится карта. И та-
кая карта существует. Создана она сравнительно не-
давно. И это не удивительно. Ведь о существовании
самих атомов люди долго ничего не знали.
О том, как постепенно был открыт удивительный
мир атома и создана его карта, рассказывается в пер-
вой главе этой книги.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Первые представления об атомах как мельчайших
частицах вещества возникли еще задолго до нашей
эры. Древнегреческий философ Анаксагор (ок. 500—
428 до н. э.) учил, что все вещи построены из первич-
ных мельчайших частиц— «семян». Его
идеи развили известные греческие фи-
лософы — Левкипп .и Демокрит (ок.
460—370 до н. э.). Левкипп считал, что
мельчайшие неделимые частицы веще-
ства — атомы («атом» по-гречески — не-
делимый) — вечны. Все изменения, про-
исходящие в природе, вызываются со-
единением и разъединением атомов.
Эти представления углубил Демо-
крит, один из основателей учения атоми-
стов. Демокрит считал, что мир состоит
из неизменных и неделимых атомов,
движущихся в пустом пространстве.
з
По Демокриту, атомов существует бесконечное
множество, и они могут принимать бесчисленное мно-
жество различных форм. Качественно все атомы оди-
наковы. Различие всех тел зависит от количества ато-
мов, их величины, формы и порядка. Атомы — это
простейшие частицы, не имеющие никакого внутрен-
него строения.
Атомистическими идеями Демокрита руководство-
вались великие основатели современного естествозна-
ния: Г. Галилей, И. Ньютон, М. В. Ломоносов, хотя,
конечно, представления Демокрита были еще доволь-
но примитивными и наивными.
Воззрения Демокрита были развиты греческим фи-
лософом-материалистом Эпикуром (341—270 до н. э.).
Учение Эпикура было изложено поэтом-философом
Лукрецием Каром (ок. 99—55 до н. э.) в его знамени-
той поэме *0 природе вещей». Все тела, по Эпикуру,
состоят из мельчайших атомов, непрерывно движу-
щихся, подобно пылинкам, в лучах солнца.
Воззрения древних атомистов были только догад-
ками. И тем не менее, как указывал В. И. Ленин, за-
слуга древних атомистов велика, ибо их «гениальные
догадки» служили науке, а не поповщине.
В средние века в течение полутора тысяч лет нау-
ка в Западной Европе находилась во власти богосло-
вия и мракобесия. Этот период характеризуется раз-
витием алхимии, которая возникла и распространи-
лась в странах Востока в VHI—XI вв.,
когда высокого расцвета достигла
культура у арабов. Алхимией назы-
вали в то время науку о превращении
различных металлов в золото и полу-
чение «философского камня», кото-
рый будто бы может излечить самые
тяжелые болезни, возвратить стари-
кам молодость. Пытаясь получить
«философский камень», алхимики,
несмотря на постоянные неудачи, в
течение многих лет проделывали все-
возможные опыты, которые изредка
приводили к научным открытиям.
Среди алхимиков было немало лов-
ких жуликов, которые изготовляли
4
«золото» из медных сплавов. Следует тем не менее
отметить, что алхимия была закономерным явлением
в истории развития естествознания. Она накопила
множество научных фактов, выработала ряд экспери-
ментальных методов. Ф. Энгельс писал, что без алхи-
мии не было бы и химии.
Однако эти ценные крупицы тонули в море ми-
стики и религии. Поэтому понятно, что алхимия не
могла удовлетворить практических потребностей че-
ловека эпохи Возрождения.
Чтобы вывести науку о природе из тупика, необ-
ходимо было возвратиться к атомистическим пред-
ставлениям, что сделать тогда было нелегко, так как
церковь жестоко преследовала атомное учение.
Эпоха Возрождения, последовавшая за мрачным
средневековьем, приводит к зарождению научного
естествознания, основанного на опытном изучении
природы. Одним из первых, кто возродил представ-
ления древних атомистов, был крупнейший англий-
ский химик и физик Роберт Бойль (1627—1691). Он
считал, что элемент — это простейшее, химически не-
разложимое вещество, которое может входить состав-
ной частью в сложное вещество. Простейшей же ча-
стицей химического элемента является неделимый и
ней вменяющийся атом.
Великий Ньютон, создатель механики, придал ато-
мистическим представлениям Бойля механическую
окраску. По мнению Ньютона, у атомов имеются за-
зубренные края (крючки), при помощи которых они
могут сцепляться друг с другом, образуя различные
сочетания. Атомы способны лишь к механическому
движению и внешним соединениям между собой. Со-
четание нескольких атомов не образует чего-нибудь
качественно нового.
Ясно, что такое чисто механическое представле-
ние об атомах не могло разрешить вопрос об изучении
немеханических форм движения материи.
В 1647 г. во Франции вышла книга ученого Гас-
сенди об атомах, в которой он утверждал, как и Демо-
крит, что все вещества в природе состоят из недели-
мых частиц-атомов, отличающихся друг от друга
формой, величиной и весом. Гасбенди развил учение
древних атомистов. Он писал, что для образования
5
М. В. Ломоносов
(1711—1765)
Величайший рус-
ский ученый — физик,
химик, метдллург, исто-
рик и литератор.
Впервые сформули-
ровал закон сохранения
количества вещества,
развил представления
об атомно-молекуляр-
ном строении материи,
о кинетической приро-
де тепла.
миллионов разнообразных тел не нужно большого чи-
сла различных атомов. Атомы — своеобразные кирпи-
чики, из которых можно построить сложные и разно-
образные строения — молекулы.
Следующий существенный шаг вперед был сделан
после того, как впервые удалось связать теоретические
представления об атомах с опытными данными о со-
ставе и свойствах различных веществ. Виднейшая за-
слуга в этом принадлежит знаменитому русскому уче-
ному Михаилу Васильевичу Ломоносову.
По Ломоносову, все вещества в природе делятся
на простые и сложные. Вещества, которые можно раз-
ложить на составные, называются сложными. Те же
вещества, которые никакими физическими и химиче-
скими способами не удается разложить на более про-
стые (например, кислород, водород, углерод, медь, же-
лезо, цинк и др.), называются химическими элемен-
тами.
6
Ломоносов указал на то» что должно существовать
определенное наименьшее количество каждого веще-
ства, сохраняющее его свойства, — корпускула (позд-
нее это количество вещества стали называть, по Гас-
сенди, молекулой). Все вещества состоят из молекул,
все молекулы данного вещества совершенно одинако-
вы, а молекулы различных веществ различны.
По Ломоносову, частицы вещества находятся в
непрерывном движении. Чем интенсивнее это движе-
ние, тем выше температура тела. Ломоносов предска-
зал существование абсолютного нуля температуры.
Исходя из этих представлений, он обосновал молеку-
лярно-кинетическую теорию газов. Газ — это совокуп-
ность молекул, свободно движущихся с большой ско-
ростью в пространстве и непрерывно сталкивающихся
друг с другом. Совокупность ударов огромного числа
молекул о стенки сосуда создает давление газа. Основ-
ные положения молекулярной теории Ломоносова со-
хранились и поныне.
Большой вклад в науку о строении вещества внес
известный французский ученый Лавуазье (1743—
1794). На опытах он подтвердил справедливость от-
крытого Ломоносовым закона сохранения масс. Лаву-
азье выяснил также сущность процесса горения и
установил точный состав воды. Он развил представ-
ления Бойля о простейших веществах — химических
элементах.
Для дальнейшего успешного развития химии тре-
бовалось выяснить, в чем различие в строении про-
стых и сложных веществ. Эту важнейшую научную
задачу решил знаменитый английский физик и хи-
мик Джон Дальтон (1766—1844) — создатель хими-
ческой атомистики. По Дальтону, молекула сложного
вещества представляет собой устойчивое соединение
нескольких атомов — мельчайших частиц химических
элементов. Сортов атомов существует столько, сколь-
ко различных в природе элементов. Из атомов можно
образовать большое количество разных сочетаний,
т. е. молекул.
Все тела состоят из молекул, причем все молекулы
одного и того же вещества совершенно одинаковы,
ибо состав их одинаков. При химических реакциях
атомы разных элементов могут между собой соеди-
7
д. и. Менделеев
(1834—1907)
Величайший рус-
ский химик и физик.
Открыл периодический
закон химических эле-
ментов, создал теорию
растворов, установил
существование критике
ской температуры у
жидкостей, вывел общее
уравнение состояния га-
зов. Д. И. Менделеев —
автор капитального
учебника «Основы хи-
мии».
ниться в определенных пропорциях в молекулы более
сложного вещества. Для обозначения атомов различ-
ных элементов Дальтон ввел особые значки.
КАРТА АТОМНОГО МИРА
К концу XVIII в. химия знала немногим более двух
десятков химических элементов. Но вскоре было
открыто еще много новых неразложимых веществ, чи-
сло которых к середине прошлого века достигло уже
пятидесяти.
И после каждого открытия нового химического
элемента перед учеными возникали два вопроса:
1) Все ли существующие в природе элементы из-
вестны, а если есть еще неизвестные, то сколько их?
2) Существует ли какая-нибудь связь между раз-
личными химическими элементами или они совер-
шенно независимы, не имеют ничего общего?
8
К тому времени были изучены свойства многих
химических элементов и их соединений. Чтобы разо-
браться в многотысячном множестве веществ, ученым
нужна была какая-то система, подобно тому как ка-
питану корабля необходима карта. Такая система
была создана в 1869 г. гениальным русским хими-
ком — Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Она была
названа периодической системой элементов.
Вспомним сначала, как определяется атомный вес
элементов. Уже в начале XIX в. химики предположи-
ли, что атомы различных элементов отличаются друг
от друга своим весом. Казалось бы, сравнить веса
атомов элементов довольно просто: нужно на одну
чашку весов положить один или несколько атомов
одного сорта и уравновесить их некоторым количе-
ством атомов другого. Но из-за ничтожной величины
атомов сделать так нельзя: ведь диаметр различных
атомов приблизительно равен одной стомиллионной
доле сантиметра. Молекула представляет собой соеди-
нение нескольких атомов, поэтому размеры молекул
тоже очень малы. Как же все-таки можно сравнить
веса различных атомов?
Это проще всего сделать, воспользовавшись зако-
ном Авогадро. В 1811 г. итальянский ученый Аво-
гадро пришел к выводу, что при одинаковой темпе-
ратуре и давлении в равных объемах любых газов
содержится одинаковое число молекул. Поэтому до-
статочно взвесить при одинаковых условиях по одно-
му литру различных газов. Так как один литр кисло-
рода в 16 раз тяжелее одного литра водорода, то
молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы во-
дорода. Молекулы кислорода и водорода содержат по
два атома, поэтому вес одного атома кислорода равен
весу 16 атомов водорода.
Следуя Дальтону, впервые введшему это понятие,
атомным весом элемента стали называть число, пока-
зывающее, во сколько раз атомы данного элемента
тяжелее атомов водорода!. Очевидно, что атомный
1 Современные более точные измерения показывают, что отно-
шение веса 1 л кислорода к весу 1 л водорода несколько отлхгчает-
ся от 16. Поэтому в настоящее время атомные веса элементов от-
носят ие к водороду, а к Vie веса кислорода.
9
вес водорода равен 1, кисло-
рода — 16.
Нужно иметь в виду, что
наряду с атомным весом су-
ществует также совершенно
отличное от него понятие —
веса атома, измеряемое в
граммах. Так, например, вес
атома водорода 167 • 1О~24 г.
Анализ атомных весов
и свойств всех известных
к тому времени элементов
позволил Д. И. Менделееву
создать единую систему хи-
мических элементов. Впер-
вые работа Менделеева бы-
ла зачитана на заседании Русского физико-химиче-
ского общества в Петербурге 6 марта 1869 г.
Менделеев предположил, что свойства химических
элементов зависят от их атомных весов. Если все хи-
мические элементы расположить в по^ дке возраста-
ния их атомных весов, начиная с наиболее легкого
элемента водорода и кончая самым тяжелым — ура-
ном, то химические свойства элементов будут повто-
ряться через некоторые правильные промежутки. По-
этому систему элементов Менделеева назвали перио-
дической.
Рассмотрим подробнее периодическую систему эле-
ментов. Это — таблица, разбитая на отдельные клетки,
в каждой из которых расположен определенный хи-
мический элемент — его символ, порядковый номер и
атомный вес. Все элементы расположены в порядке
возрастания их атомного веса слева направо. После
заполнения первого горизонтального ряда заполняет-
ся второй, затем третий и т. д. Главная особенность
таблицы в том, что все элементы, расположенные
друг под другом в одном вертикальюм столбце, по-
добны по своим химическим свойствам и по излучае-
мым ими спектрам 1. Так, в первом столбце располо-
жены химически наиболее активные одновалентные
элементы — щелочные металлы: литий, натрий, ка- 1
1 О спектрах атомов подробнее рассказывается в главе IV.
10
лий и т. д. Спектры всех этих элементов похожи друг
на друга. Это первая группа системы Менделеева. Во
втором столбце — двухвалентные щелочноземельные
металлы: бериллий, магний, кальций и др. — вторая
группа элементов.
Третья группа — это трехвалентные элементы (бор,
алюминий и т. п.) Далее идут четвертая, пятая, ше-
стая группы элементов. В седьмую группу Менделеев
расположил типичные неметаллические вещества:
фтор, хлор, бром, иод и др. Эти элементы называют
галогенами или галоидами.
Таким образом, если рассмотреть все элементы в
порядке возрастания атомного веса, то валентность1
будет последовательно увеличиваться от 1 до опреде-
ленного значения, равного обычно 8. Этим заканчи-
вается один период. Затем валентность вновь умень-
шается до 1 и начинается следующий период эле-
ментов. Так же периодически изменяются химиче-
ские и спектральные свойства элементов. Периодиче-
ский закон Менделеева показал, что все химические
элементы едины по своей природе. Огромное зна-
чение периодической системы состояло не только в
этом.
Система Менделеева позволила научно предска-
зать существование неизвестных элементов и заранее
описать их химические и физические свойства.
Можно сказать, что Менделеев создал карту атом-
ного мира.
КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЕН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
Открытие Менделеевым периодического закона не
было случайным. Около двадцати лет Менделеев ра-
ботал над созданием системы элементов. Будучи еще
студентом Петербургского педагогического института,
Менделеев задумывался над тем, какая связь суще-
ствует между различными химическими элементами.
Но ответить на этот вопрос было не так просто. Слиш-
1 Валентностью элемента в химии называют число, показы-
вающее, со сколькими атомами водорода может соединиться атом
данного элемента.
11
ком уж разнообразны свойства хими-
ческих элементов: некоторые легко
вступают в реакции, другие мало
активны, одни — твердые, другие —
жидкие, третьи — газообразные; есть
и легкие, и тяжелые элементы, есть
металлы и неметаллы. Чтобы разо-
браться в этом пестром множестве
свойств химических элементов, нужно
было иметь глубокие химические зна-
ния и уметь делать широкие научные
обобщения. Обладая этими данными,
Д. И. Менделеев и сумел сделать свое
великое открытие.
Трудность установления связи ме-
жду химическими свойствами элементов и их атомным
весом состояла в том, что при расположении всех из-
вестных в то время элементов по мере возрастания их
атомных весов периодическая последовательность в из-
менении химических свойств во многих местах наруша-
лась. Например, если располагать элементы строго по-
следовательно по их атомным весам, то на том месте, где
должен был стоять элемент, подобный по химическим
свойствам алюминию, находился бы титан. Но титан
и алюминий обладают совершенно различными хими-
ческими и спектральными свойствами. К тому же,
оставив титан на этом месте, мы бы нарушили общую
периодическую закономерность свойств и у после-
дующих элементов. Тщательно проанализировав этот
факт, Менделеев заключил, что на месте титана дол-
жен стоять какой-то другой элемент. Химия в то вре-
мя еще не знала элемента, близкого по атомному весу
к титану, со свойствами, подобными алюминию. Но
Менделеев, убежденный в правильности периодиче-
ской системы, смело предположил, что такой элемент
должен в периоде быть, но пока еще учеными не об-
наружен. Для этого неизвестного элемента Менделеев
оставил в периодической системе пустое место с во-
просительным знаком и присвоил ему условное на-
звание «экаалюминий» («эка» означает «подобный»).
Более того, Менделеев описал физические и химиче-
ские свойства этого элемента. А через четыре года
французский химик Буабодран открыл новый эле-
12
мент, назвав его в честь своей родины (в старину —
Галлия) галлием. Исследования показали, что по
своим химическим свойствам галлий подобен алю-
минию. Галлий и был предсказанный Менделеевым
экаалюминий.
Произошло это так: Буабодран, исследовавший
свойства открытого им элемента, неверно определил
удельный вес галлия. Менделеев тотчас же написал
об этом ему в Париж. Он указал, что, согласно пе-
риодической системе, удельный вес этого элемента
должен быть равен 5,9, а не 4,7, как утверждал Буа-
бодран. Французский ученый еще раз более тщатель-
но проверил изменения и убедился, что Менделеев
был прав.
В 1880 г. шведский ученый Нильсон открыл пред-
сказанный Менделеевым в 1871 г. элемент экабор,
получивший название ♦скандий». Вот что писал тогда
Нильсон: »Не остается никакого сомнения, что в
скандии открыт экабор... Так подтверждаются самым
наглядным образом мысли русского химика, позво-
лившие не только предвидеть существование назван-
ного элемента, но и предсказать его важнейшие свой-
ства».
В 1886 г. был найден химический элемент гер-
маний. Свойства и этого элемента совпадали с опи-
санными Менделеевым за полтора десятка лет до
этого элементом экакремнием.
Не случайно Ф. Энгельс считал, что Менделеев,
создав периодическую систему,
совершил большой научный по-
двиг. Кроме упомянутых трех
элементов, Менделеев предсказал
существование и других элемен-
тов, позднее найденных уче-
ными.
В конце XIX в. периодиче-
ская система Менделеева вновь
подверглась серьезному испыта-
нию, из которого она вышла еще
более окрепшей. Дело в том, что
одновременно с открытием пе-
риодического закона спектроско-
писты Жансен и Локьер, незави-
13
симо друг от друга, обнаружили в спектре Солнца яр-
кую желтую линию, которую не излучал ни один эле-
мент в природе. Предположили, что эту линию излучает
какой-то неизвестный элемент, имеющийся только на
Солнце. Этот элемент назвали гелием («Гелиос» по-гре-
чески — Солнце).
А в 1883 г. известные английские ученые — физик
Рэлей и химик Рамзай — установили, что в воздухе
содержится какой-то газ, который ни при каких усло-
виях не вступает в химические реакции. Это был но-
вый химический элемент аргон (по-гречески — «лени-
вый»). Вскоре после этого выяснилось, что гелий су-
ществует не только на Солнце, но и на Земле. Гелий,
как и аргон, оказался инертным, или, как его когда-
то называли, «благородным» газом. Но для этих газов
в таблице Менделеева и места не находилось. Ока-
залось, однако, что инертные газы, число которых по-
полнилось позднее открытыми неоном («новый»),
криптоном («тайный»), ксеноном («странный») и ра-
доном («излучающий»), образуют особую нулевую
группу элементов.
Возникает вопрос: в чем же причина периодично-
сти свойств химических элементов, установленная
Менделеевым ?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно
проникнуть в глубь атома, выяснить его строение,
структуру. Только современная атомная физика ре-
шила эту задачу и показала, почему периодическая
система Менделеева поистине стала картой атомного
мира.
ДАТТфЕМ]
4
II осле создания Д. И. Менделеевым периодической
системы элементов перед наукой возник новый фун-
даментальный вопрос: является ли атом элементар-
ной частицей или он в свою очередь состоит из более
простых частиц?
Ответить на этот вопрос можно было только после
более глубокого исследования свойств материи.
АТОМЫ ВЕЩЕСТВА И АТОМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Люди очень давно заметили, что если два различ-
ных тела потереть друг о друга, то эти тела электри-
зуются — одно заряжается положительно, другое —
отрицательно. Этот простейший опыт показывает, что
внутри вещества есть электрические заряды.
В каком же виде электричество содержится вну-
три атомов вещества, было неясно.
Над этим вопросом работал известный английский
физик М. Фарадей (1791—1867). Пропуская электри-
ческий ток через различные электролиты (растворы
кислот, солей или щелочей), Фарадей заметил, что на
электродах всегда выделяются вещества, представляю-
щие собой составные части электролита.
Это явление, называемое электролизом, ныне ши-
роко используется в технике. Исследуя явление элек-
тролиза, Фарадей установил следующий закон: коли-
чество выделяющихся веществ прямо пропорциональ-
но количеству электричества, прошедшего через
электролит. Как же представить себе явление элек-
тролиза с точки зрения атомной теории строения ве-
щества? По-видимому, мы должны предположить, что
15
в электролите происходит
распад молекул на части,
каждая из которых состоит
из одного или нескольких
атомов. При наличии раз-
ности потенциалов не толь-
ко выделяется часть моле-
кул электролита, но и одно-
временно по цепи идет ток,
т. е. переносятся заряды.
Поэтому мы приходим к вы-
воду, что эти «осколки» мо-
лекул несут на себе элек-
трический заряд. (Часть
молекулы, несущая элек-
трический заряд, называется ионом.)
Фарадей заметил, что вне зависимости от силы
тока, от формы электродов, от длительности прохо-
ждения тока объем выделившегося при электролизе
воды водорода точно в два раза больше объема выде-
лившегося кислорода. Если же пропустить ток через
раствор соляной кислоты, то на электродах всегда вы-
деляются одинаковые объемы водорода и хлора. Про-
пуская ток последовательно через оба электролита,
можно убедиться, что объем водорода, выделившегося
из первого электролита, всегда равен объему водорода
второго электролита и равен объему выделившегося
хлора. Объем же выделившегося кислорода точно в
два раза меньше. Вспомним теперь, что водород и
хлор одновалентны, а кислород двухвалентен и что
в равных объемах газов содержится равное число
молекул (закон Авогадро). При электролизе одновре-
менно происходит и перенос электричества, и перенос
вещества, причем при прохождении некоторого коли-
чества электричества выделяется соответствующее ко-
личество молекул (или атомов) вещества. Поэтому
естественно предположить, что каждая молекула (или
атом) переносит строго определенную порцию поло-
жительного и отрицательного электричества.
Такой вывод сделал немецкий ученый Гельмгольц
в 1881 г. в речи, посвященной памяти Фарадея:
«Если мы принимаем существование атомов элемен-
тов, то мы не можем избежать и дальнейшего след-
16
ствия, — что и электричество, как положительное, так
и отрицательное, разделено на определенные элемен-
тарные количества, которые ведут себя как атомы
электричества».
Несколько ранее, в 1874 г., ирландский физик Сто-
ней выступил с докладом, в котором утверждал, что
в природе существуют три основные мировые постоян-
ные: скорость света, постоянная тяготения и заряд
♦электрического атома». Предполагая существование
атома электричества, он говорил: «Природа одарила
нас в явлениях электролиза строго определенным ко-
личеством электричества». Стоней позднее даже пред-
сказал величину этого заряда, разделив количество
электричества, необходимого для получения 1 слс3 во-
дорода путем электролиза, на число атомов в нем.
Этот электрический атом Стоней предложил назвать
электроном.
Итак, из опытов Фарадея вытекало, что молекулы
и атомы вещества состоят из заряженных частей —
ионов. Величина заряда иона не может быть произ-
вольной, а должна быть кратной наименьшему воз-
можному количеству, «зерну» — атому электричества.
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
Вначале XIX в. петербургский физик академик
В. В. Петров заметил, что разреженные газы способ-
ны проводить электрический ток и что при этом они
светятся. Эти опыты повторялись многими учеными, в
том числе и Фарадеем, который тщательно исследовал
особенности электриче-
ского тока в газах.
Оказалось, что при
уменьшении давления
в трубке характер све-
чения меняется и, что
самое удивительное,
сила тока возрастает.
К шестидесятым го-
дам прошлого столетия
техника разрежения
воздуха достигла боль-
2
17
ших успехов, позволяя получать давления в несколько
тысяч раз меньше атмосферного. Создав такое сильное
по тому времени разрежение в разрядной трубке, Гит-
торф (Германия) в 1869 г. заметил, что свечение газа со-
всем исчезает в трубке, но на стеклянной стенке как
раз против отрицательного электрода (катода) появ-
ляется яркое изумрудно-зеленое светящееся пятно.
Если на пути между катодом и зеленым пятном по-
местить какой-нибудь предмет, то он будет отбрасы-
вать резкую тень. Это навело ученых на мысль, что
трубку пронизывают какие-то особые невидимые лучи,
которые распространяются прямолинейно от катода
и вызывают свечение стекла. Немецкий физик Гольд-
штейн назвал эти лучи катодными лучами.
Впоследствии ученые смогли еще больше увели-
чить разрежение газа в трубках — до миллионных до-
лей атмосферы. При таком разрежении катодные
лучи слабели, а зеленое пятно исчезало, приборы по-
казывали отсутствие тока в цепи трубки. Но интерес-
но, что даже при таком разрежении воздуха в трубке
зеленое пятно вспыхивает с прежней силой, если ка-
тод накалить. Раскаленный катод испускает лучи,
несмотря на почти полное отсутствие воздуха.
Что же такое катодные лучи? Природа катодных
лучей долгое время оставалась загадочной. Известный
немецкий физик Генрих Герц считал катодные лучи
возмущениями эфира. Правильный ответ на этот во-
прос дали опыты английского физика Крукса в
1879 г. Крукс показал, что катодные лучи несут зна-
чительную энергию — стекло в том месте, где сияет
зеленое пятно, нагревается. Под действием магнита
пучок катодных лучей отклоняется и зеленое пятно
на стекле соответственно смещается. Как известно,
световые лучи в магнитном поле не отклоняются. Зна-
чит, катодные лучи — это не световые лучи, а поток
заряженных частиц.
По направлению отклонения катодных лучей в
магнитном или электрическом поле можно было
определить, что это поток отрицательных зарядов.
Позднее французский физик Перрен поставил бо-
лее точные опыты по определению заряда катодных
частиц. Он улавливал их полым металлическим ци-
линдром, к которому был присоединен электрометр.
18
Оказалось, что электрометр действительно зарядился
отрицательно.
Опыты Перрена как будто не оставляли сомнения
в том, что катодные лучи представляют собой поток
отрицательных зарядов.
Однако немецкие физики Герц, Ленард и другие
продолжали настаивать на том, что катодные лучи —
это особые короткие электромагнитные волны. Осно-
ванием для этого послужили их попытки отклонить
катодные лучи электрическим полем конденсатора,
помещенного в разрядную трубку, которые не увенча-
лись успехом.
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА
Выяснить причины расхождения между поведением
катодных лучей в магнитном и электрическом по-
лях попытался в 1897 г. известный английский фи-
зик Дж. Дж. Томсон. Проводя опыты с катодными
лучами, проходящими между пластинами конденса-
тора, Томсон обратил внимание на следующее обстоя-
тельство. Хотя электрическое поле конденсатора, рас-
положенного внутри разрядной трубки, действительно
не отклоняло пучок катодных лучей, однако в самый
момент включения электрического поля некоторое от-
клонение наблюдалось. Заинтересовавшись этим, Том-
сон вскоре выяснил, в чем дело. В разрядной трубке
давление воздуха было малым, но в ней еще остава-
19
лось достаточное количество газа. Молекулы газа под
воздействием катодных лучей распадались на поло-
жительные и отрицательные ионы. При включении
электрического поля положительные ионы притягива-
лись к отрицательной пластине конденсатора, а от-
рицательные — к положительной пластине. Эти ионы
нейтрализовывали заряды на пластинах, так что фак-
тически, за исключением самого первого мгновения,
электрического поля между пластинами конденсаторе
нет. Таким образом, Томсону стало ясно, что заря-
женный конденсатор не отклоняет катодные лучи из-
за того, что в трубке много газа. Поэтому он поста-
рался повысить степень разрежения воздуха в трубке,
что ему не без труда удалось сделать. И действитель-
но, с увеличением вакуума отклонение катодных лу-
чей стало вполне заметным, причем это отклонение
соответствовало отрицательному знаку катодных ча-
стиц.
Таким образом, только в 1897 г. было окончатель-
но выяснено, что катодные лучи — это поток отрица-
тельно заряженных частиц. (Томсон сначала назвал
их «корпускулами»).
Усовершенствуя свои опыты по отклонению катод-
ных лучей в электрическом и магнитном полях, Том-
сон смог определить заряд и массу1 катодной части-
цы. Когда ему это удалось сделать, он аналогичным
методом определил значения заряда и массы у заря-
женных частиц, вылетающих из накаленного или
облученного светом металла. Явления термоэлектрон-
ной эмиссии и фотоэлектричества, о которых мы рас-
скажем ниже, были уже известны к этому времени.
Оказалось, что и в этих явлениях отрицательно за-
ряженные частицы имеют такую же массу и заряд,
как и в катодных лучах.
Тщательно проанализировав результаты своих опы-
тов, Томсон 29 апреля 1897 г. сделал в Лондонском
Королевском обществе доклад, основные выводы ко-
торого сводились к следующему:
1)	Атомы не неделимы, ибо из них могут быть вы-
рваны отрицательные частицы действием тепла, света,
г Строго говоря, во всех рассматриваемых здесь опытах опре-
делялось отношение величины заряда к массе частицы.
20
электрического поля или механического удара быстро
движущейся частицы.
2)	Отрицательные частицы независимо от того, ка-
ким путем они были выбиты и из какого рода ато-
мов, все одинаковы по массе и по величине заряда.
3)	Масса такой частицы приблизительно равна
1
2QQ0 массы атома водорода.
4)	Отрицательные частицы являются, таким обра-
зом, зернами, «атомами» отрицательного электриче-
ства. Эти частицы стали называть, по Стонею, элек-
тронами.
АНОДНЫЕ ЛУЧИ
Итак, катодные лучи — это поток электронов. От-
куда берутся эти электроны? Естественно допустить,
что они являются частицами атомов газа, который в
небольших количествах всегда имеется в трубке. Но
атомы всех тел нейтральны. Значит, если из атома вы-
летит один или несколько отрицательно заряженных
электронов, то остальная часть атома должна иметь
положительный заряд. И если в разрядной трубке
электроны движутся от катода (—) к аноду ( + ), то по-
ложительно заряженные атомные остатки должны дви-
гаться в противоположную сторону — от анода к катоду.
Наличие таких положительных частиц было под-
тверждено в 1886 г. немецким физиком Гольдштей-
ном с помощью следующего опыта. Он взял обычную
разрядную трубку, расположив отрицательный элек-
трод (катод) посередине трубки. В катоде он просвер-
лил несколько узких каналов (отверстий). Положи-
тельные атомные остатки, или ионы, возникшие в газе
трубки между анодом и катодом, двигаясь к катоду,
приобретали большую скорость. Конечно, большая
часть ионов при этом задерживалась поверхностью
катода, но те ионы, которые попадали в каналы, про-
никали в «закатодную» часть разрядной трубки. Они
и образовывали анодные лучи, которые называются
еще каналовыми.
Анодные лучи, попадая на стекло, как и катодные
лучи, вызывают свечение стекла. Под действием силь-
ного магнитного или электрического поля анодные
21
лучи тоже отклоняются, хотя и значительно слабее,
чем катодные. По направлению их отклонения мож-
но судить, что частицы, из которых они состоят, име-
ют положительный заряд. Масса этих положительных
частиц в несколько тысяч раз больше массы катод-
ных частиц.
Исследования катодных и анодных лучей показа-
ли, что атомы имеют сложное строение и состоят из
отрицательно заряженных электронов и положитель-
ных остатков.
НАКАЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ ВЫБРАСЫВАЕТ ЭЛЕКТРОНЫ
В 1873 г. было замечено, что электрически заряжен-
ные металлы при сильном нагревании теряют свой
заряд. Поскольку это явление наблюдалось в воздухе,
то уменьшение заряда у накаленного металла объяс-
нили образованием газовых ионов вблизи металла под
действием высокой температуры.
Спустя 10 лет знаменитый американский изобре-
татель Т. Эдисон, изучая свойства усовершенствован-
ных им угольных ламп накаливания, обнаружил ана-
логичное явление в вакууме. Он впаял в лампу, кро-
ме угольной нити накаливания, еще металлическую
пластинку, от которой наружу через стекло был вы-
веден проводник. Затем этот провод через гальвано-
метр соединил с нитью. Оказалось, что если соеди-
нить провод от пластинки с положительным концом
нити, то стрелка гальванометра отклоняется, хотя ме-
жду нитью и пластинкой цепь разорвана. При соеди-
нении же пластинки с отрицательным концом нити
тока в цепи нет. Это явление назвали эффектом Эди-
22
сона. Дальнейшие исследования Флеминга, Ольстера
и Гейтеля показали, что причина тока в эффекте Эди-
сона — испускание накаленной нитью отрицательных
электрических зарядов.
Когда после упоминавшихся классических опытов
Томсона в 1897 г. оказалось, что масса и заряд выле-
тающих из накаленного металла отрицательных ча-
стиц в точности совпадают со значениями этих вели-
чин у катодных частиц, то картина полностью прояс-
нилась. С поверхности всякого накаленного до высокой
температуры металла и вылетают в большом коли-
честве электроны. Они-то и переносили заряд с нити
на пластинку в опытах Эдисона.
Явление испускания раскаленными телами элек-
тронов получило название термоэлектронной эмиссии.
Оказалось, что количество вылетающих из накален-
ного металла электронов резко возрастает при повы-
шении температуры, а также при нанесении на по-
верхность металла тонкой пленки некоторых метал-
лов. На явлении термоэлектронной эмиссии основано
действие радиоламп, кинескопов телевизоров, рентге-
новских трубок и многих других радиоэлектронных
приборов. Для нас важно, что это явление подтвер-
ждает сложное строение атомов вещества.
СВЕТ ВЫБИВАЕТ ИЗ МЕТАЛЛА ЭЛЕКТРОНЫ
Доказательством того, что в состав атомов метал-
лов входят электроны, было явление, открытое не-
мецким ученым Г. Герцем в 1887 г. Он изучал, как
влияют внешние условия на электрический разряд,
возникающий между электродами, к которым прило-
жено высокое напряжение. Чтобы сделать более за-
метной возникающую в промежутке слабую искру,
Герц поместил свою установку в темную камеру. Но
оказалось, что искра возникала только при меныпих
расстояниях между электродами. Проверяя, в чем де-
ло, Герц обнаружил, что, как только на искровой
промежуток падает свет, искра возникает при боль-
ших расстояниях между электродами. Если же на
пути такого пучка света поместить прозрачное стекло,
искра уменьшается. Заменив стекло кварцевой пла-
23
А. Г. Столетов
(1839—1896)
Выдающийся рус-
ский физик, профессор
Московского университе-
та. Впервые исследовал
ферромагнитные свой-
ства железа. Установил
основные законы фото-
электрического эффекта.
Показал, что световую
энергию можно непо-
средственно превращать
в электрическую. Изу-
чал электрические раз-
ряды в газах.
('тинкой. Герц заметил, что искра вновь увеличивает^
ся. Поскольку кварц в отличие от стекла пропускает
ультрафиолетовые лучи, то стало ясно, что они облег-
чают образование искры. Сделав это открытие, Герц
исследовал его подробнее. Свою статью с изложением
полученных результатов он закончил словами: *В на-
стоящее время я ограничиваюсь сообщением этих фак-
тов и не делаю попыток дать теорию этих явлений».
Изучением этого явления занялись в Германии
Гальвакс и в России профессор А. Г. Столетов. Галь-
вакс облучал светом отрицательно заряженный цин-
ковый шарик, который был соединен с электроскопом.
Если до освещения шарика лучами листочки электро-
скопа были разведены, то, направив яркий пучок све-
та от электрической дуги на шарик, он замечал бы-
строе опускание листочков. Если до облучения цин-
ковый шарик был незаряжен, то после облучения
шарик заряжался положительно. Выяснилось, что
24
металлы при облучении их светом теряют отрица-
тельные заряды. Это явление назвали фотоэлектриче-
ским эффектом.
Значительно более серьезные количественные ре-
зультаты получил А. Г. Столетов, который приступил
к исследованию этого явления в начале 1888 г., сразу
же после опубликования Герцем его сообщения. Пре-
жде всего Столетов создал оригинальную установку
для проведения опытов. Он установил два небольших
металлических диска — один сплошной, другой в виде
сетки — параллельно друг другу. Оба диска соединил
с электрической батареей и гальванометром и облу-
чил их светом, свободно проходившим через сетку и
попадавшим на сплошной диск. Столетов провел ог-
ромное множество опытов, меняя полярность и ма-
териал дисков, длину волны падающего света, давле-
ние воздуха между дисками, электродвижущую силу
батарей и т. п. В результате этих экспериментов, а
также исследований других ученых были сформули-
рованы законы фотоэффекта.
Сущность этих законов состоит в том, что при об-
лучении светом металла из него вылетают отрица-
тельно заряженные частицы, количество которых пря-
мо пропорционально величине светового потока. Фо-
тоэффект наблюдается тем лучше, чем короче длина
волны падающего света.
Фотоэффект получил широкое применение в совре-
менной технике: ни телевидение, ни звуковое кино,
ни фототелеграф не существовали бы без фотоэлемен-
тов, впервые созданных А. Г. Столетовым.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
Как только Томсон в 1897 г. сообщил об открытии
электрона, ученые (в том числе и сам Томсон) по-
пытались измерить заряд одного электрона. Но из-за
ничтожных размеров электрона возникали огромные
технические трудности и эти измерения не отличались
большой точностью.
Только американскому физику Милликену в
1911 г. и советскому академику А. Ф. Иоффе в 1912 г.
удалось, преодолев все трудности, получить те значе-
25
ния величины заряда электрона е, которые и сейчас
считаются общепризнанными.
Суть опытов Милликена такова. В камеру, из ко-
торой был тщательно выкачан воздух, помещался го-
ризонтальный плоский конденсатор с отверстием в
верхней пластинке. С помощью особого приспособле-
ния в камеру впускали капельки масла, которые в
момент отрыва от пульверизатора вследствие трения,
оказывались заряженными. Эти капельки, падая, по-
падали через отверстие в электрическое поле конден-
сатора. Меняя напряжение пластин, можно было урав-
новесить электрической силой вес капельки. Капелька
повисала неподвижно, что можно было видеть в ми-
кроскопе. Определяя размеры капелек и зная удель-
ный вес масла, нетрудно было вычислить их вес, а
следовательно, и уравновешивающую его электриче-
скую силу. А отсюда уже совсем просто определить
величину заряда этих капелек. Такие измерения про-
изводились сотни раз и оказывалось, что у капелек
всегда заряды кратны некоторой наименьшей вели-
чине, а именно величине, близкой к той, которая
была получена из опытов по электролизу для «атома
электричества». Таким образом, Милликен показал,
что электричество имеет зернистое, атомарное строе-
ние и что заряд атома электричества, т. е. заряд элек-
трона, равен 1,6 • 10-19 к.
Такой же результат получил А. Ф. Иоффе в опы-
тах, где он наблюдал за отрицательно заряженными
металлическими пылинками, взвешенными между
пластинками конденсатора и облучавшимися ультра-
фиолетовым светом. При освещении металлических
пылинок происходил фотоэффект, и из них выбива-
лись электроны. При этом заряд пылинок всегда
уменьшался на величину, кратную заряду электрона.
ПЕРВАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
К концу XIX в. стало совершенно ясно, что вопреки
своему названию («неделимый») атом имеет слож-
ное строение. Как же он устроен? Даже сейчас видеть
атом в современные электронные микроскопы невоз-
можно, а 60 лет назад об этом не могло быть и речи.
26
Но науке было известно, что при определенных усло-
виях, например при высокой температуре, атомы
излучают свет. Нельзя ли по этому свету что-либо
сказать об устройстве атома? Впервые за решение
этой задачи взялся в 1903 г. известный уже нам
Дж. Дж. Томсон.
Рассмотренные в этой главе опыты, несомненно,
указывали на электрическую природу строения ато-
мов — они состоят из отрицательных электронов и по-
ложительных остатков. Поскольку в обычных усло-
виях атомы нейтральны, то положительный заряд
остатка, очевидно, равен суммарному отрицательному
заряду всех электронов атома. С другой стороны, при
определенных условиях атом может излучать свет.
А свет, как было к тому же времени доказано, пред-
ставляет собой электромагнитные волны, которые наш
великий соотечественник А. С. Попов в 1895 г. впер-
вые в мире использовал для установления беспрово-
лочной телеграфной связи. Радиоволны отличаются
от световых волн только длиной волны. Длина волны
равна расстоянию, на которое распространяется коле-
бание в среде за период колебания. Так, в радиотех-
нике применяются электромагнитные волны длиной
от тысячи метров до нескольких сантиметров. Наш
глаз может воспринимать только электромагнитные
волны длиной в несколько стотысячных долей санти-
метра — это и есть световые волны. Природа световых
и радиоволн одна и та же.
Вернемся к рассуждениям Том-
сена о строении атома. Так как
атом может излучать электромаг-
нитные волны, то его строение
должно напоминать собой вибратор.
Томсон предложил следующую мо-
дель атома, состоящую из отрица-
тельных электронов и положитель-
ного остатка. Атом — это положи-
тельно заряженный жидкий шар,
внутри которого плавают электро-
ны. Заряд положительного шара
равен отрицательному заряду элек-
тронов, так что в целом атом ней-
трален. Когда атом находится в
27
Дж. Дж. Томсон
(1856—1940)
Выдающийся ан-
глийский физик. Дока-
зал существование элек-
трона. Автор первой в
истории физики модели
атома. Сыграл важней-
шую роль в создании
электронной теории ме-
таллов. Открыл суще-
ствование у некоторых
химических элементов
стабильных разновид-
ностей — изотопов.
нормальном состоянии, электроны находятся в положе-
ниях равновесия. Если же на атом воздействуют какие-
нибудь внешние силы и он возбуждается, то электроны
начинают колебаться около положения равновесия.
Рассмотрим с точки зрения этой модели атом во-
дорода, у которого всего один электрон. В обычном
состоянии электрон находится в центре шара, так что
силы, действующие на электрон, уравновешены. Но
при повышении температуры тела, когда учащаются
столкновения атомов, электрон может отклониться от
положения равновесия и сместиться в сторону. Тогда
на него будут действовать силы со стороны положи-
тельного шара, которые притянут его к центру. Элек-
трон под действием этих сил будет двигаться все быст-
рее и быстрее к центру и по инерции, подобно маят-
нику, проскочит положение равновесия и начнет
удаляться от центра. С этого момента силы электри-
ческого поля положительного шара будут тянуть элек-
28
трон в другую сторону. Под действием этих сил элек-
трон затормозится, остановится и вновь начнет уско-
ренно двигаться к центру и т. д. Таким образом,
электрон будет непрерывно колебаться относительно
центра атома.
Чтобы атом мог излучать световые электромагнит-
ные волны, частота которых порядка миллиона мил-
лиардов колебаний в секунду, электроны в атомах
должны тоже колебаться с такой частотой. Томсон
подсчитал, что для этого диаметр положительного
шара, то есть размер атома, должен примерно быть
равным одной стомиллионной доли сантиметра. Такие
же размеры атомов получались и из других вычисле-
ний и опытов, поэтому полученный Томсоном резуль-
тат был в то время убедительным аргументом в поль-
зу правильности его модели.
Модель атома по Томсону, оказавшись неверной,
просуществовала в науке недолго — около пятнадцати
лет, но с ее помощью удалось объяснить многие слож-
ные физические явления.
[РАМЦООФАМКТПЮ В DDOGUQ.
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
конце 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад
Рентген сделал открытие, сыгравшее огромную роль
в развитии атомной физики.
Рентген в это время был уже известным физиком,
выполнившим большое количество сложнейших иссле-
дований электрических и оптических свойств кристал-
лов, магнитного поля движущихся заряженных ди-
электриков и многих других. Характерной чертой всех
этих работ было сочетание высокого мастерства экспе-
риментатора с чрезвычайной точностью измерений.
Не случайно Рентген считался в то время лучшим
экспериментатором в мире, и многие полученные им
результаты по определению различных физических ве-
личин и сейчас считаются образцовыми.
И все же открытие Рентгеном каких-то загадоч-
ных, невидимых лучей, способных проникать через
любые тела, названных им х-лучами (икс-лучами),
вызвало во всем мире сенсацию и было встречено
многими учеными с недоверием. Уж слишком необыч-
ным оказалось научное сообщение профессора Рент-
гена «О новом виде лучей». Да и само открытие, как
выяснилось, было сделано ученым до некоторой сте-
пени случайно. В то время Рентген изучал всевозмож-
ные свойства катодных лучей. Для этого он испыты-
вал разнообразные по форме и размерам разрядные
трубки и определял, как влияют на электрический
ток в газах форма и размер трубок, а также давление
газа в них.
Как-то поздно вечером профессор, закончив, нако-
нец, цикл исследований в лаборатории, собрался до-
зп
мой. Он закрыл разрядную трубку непрозрачным чех-
лом, потушил свет в лаборатории и стал закрывать
дверь на ключ. В этот момент он вспомнил, что не
выключил ток высокого напряжения, идущий через
разрядную трубку. Он вернулся в комнату и, не вклю-
чая свет, подошел к столу с установкой, чтобы вы-
ключить рубильник. И вдруг ученый заметил на столе
какой-то ярко светящийся предмет. Оказалось, что
это светится небольшой экран, покрытый флуоресци-
рующим составом (платино-синеродистая соль бария).
Флуоресцирующие вещества обладают тем замечатель-
ным свойством, что, если на них падает свет, они в
свою очередь начинают светиться, испуская своеоб-
разные, характерные для данного вещества световые
лучи. Но в лаборатории было темно, и на флуоресци-
рующий экран, стоявший на столе, свету неоткуда
было попадать, а экран все-таки излучал свет. Рентген
осторожно разомкнул рубильник в цепи разрядной
трубки — экран перестал светиться. Он вновь включил
ток в трубке, и экран опять засветился. Рентген не-
сколько раз выключал и включал рубильник, и тот-
час же экран то потухал, то вспыхивал. Ученый оце-
пенел от удивления. Как может прохождение тока
через трубку, к тому же накрытую непрозрачным чер-
ным картонным чехлом, вызвать свечение флуоресци-
рующего вещества, расположенного на значительном
расстоянии от трубки? Не сомкнув глаз до рассвета,
Рентген всю ночь экспериментировал в лаборатории.
Сначала он постарался выяснить, не светится ли экран
только в данном месте стола. Он перемещал экран то
дальше, то ближе к трубке. Оказалось, что с удале-
нием от трубки свечение экрана ослабевает, но еще
заметно на расстоянии более двух метров. Уже эта
зависимость интенсивности свечения от расстояния
указывала на то, что причина флуоресценции исхо-
дит именно от разрядной трубки.
Рентген предположил, что внутри разрядной труб-
ки при достаточном напряжении между электродами
образуются какие-то особые лучи, способные пройти
через непрозрачный картонный чехол. На пути пред-
полагаемых лучей он поставил толстую книгу — экран
продолжал светиться несколько слабее. Тогда ученый
начал помещать между трубкой и светящимся экра-
31
ном различные материалы, оказавшиеся у него в ла-
боратории : куски досок, металлические пластинки
и т. п. Оказалось, что эти тела в различной степени
проницаемы для этих таинственных лучей.
Рентген начал более подробно изучать возникно-
вение и действие х-лучей. Прежде всего он выяснил,
что источником лучей служит анод (положительный
электрод разрядной трубки). Помимо способности
проникать через различные тела, которая тем вы-
ше, чем больше напряжение, приложенное к трубке,
эти лучи обладали и другими интересными свой-
ствами.
Под действием х-лучей воздух, который в обычных
условиях изолятор, хорошо проводит электрический
ток. (Позднее выяснилось, что рентгеновские лучи
ионизируют молекулы воздуха, разбивая их на поло-
жительные и отрицательные ионы.) Рентген обнару-
жил также, что х-лучи, подобно обычным видимым
лучам, но более сильно, воздействуют на фотопла-
стинку.
Как только в печати появилось сообщение Рентге-
на, сотни ученых во всем мире начали ставить опыты
по изучению х-лучей. Все они полностью подтвердили
результаты Рентгена. Мало кому после Рентгена уда-
лось обнаружить какие бы то ни было новые суще-
ственные свойства х-лучей. В опубликованных Рент-
геном в течение 1895—1897 гг. трех статьях были из-
ложены все основные свойства этих лучей.
Более того, Рентген впервые понял, что х-лучи
можно использовать для просвечивания различных
тел, и прежде всего живых организмов. Он писал в
одной из упомянутых статей, что если на пути этих
лучей расположить руку, то на экране можно увидеть
темные тени костей на фоне слабой тени самой руки.
При этом был приложен первый в мире рентгеновский
снимок, полученный им, — это была рентгенограмма
руки его жены.
Рентген указывал и на удобство таких снимков, ко-
торые можно делать и в светлой комнате, пользуясь
фотопластинкой, завернутой в черную бумагу или по-
мещенную в кассету.
Приведенных примеров достаточно, чтобы понять,
сколь справедливо всемирное признание заслуг Рент-
32
В. К. Рентген
(1845—1923)
Выдающийся не-
мецкий физик, искус-
нейший эксперимента-
тор, проведший точней-
шие измерения различ-
ных физических посто-
янных. Первый лауреат
Нобелевской премии по
физике (1901) за откры-
тие х-лучей, названных
в его честь рентгенов-
скими.
гена, в честь которого открытые им х-лучи стали на-
зывать рентгеновскими.
Что же представляют собой рентгеновские лучи?
Природа рентгеновских лучей такая же, как и обыч-
ных видимых лучей. Это электромагнитные волны, но
значительно более короткие. Рентгеновские лучи воз-
никают при резком торможении быстро летящих элек-
тронов, которые вылетают из накаленной нити отри-
цательного электрода (катода) и летят, все ускоря-
ясь под действием электрического поля к аноду. Уда-
ряясь о вещество анода, электроны затрачивают часть
своей энергии на его нагревание, а остальная часть
идет на излучение весьма коротких рентгеновских
волн.
В настоящее время рентгеновские лучи широко
применяют не только в медицине, но и в промышлен-
ности, сельском хозяйстве, науке. Рентгеновская труб-
ка прочно вошла в нашу жизнь.
3—2447
33
ЛУЧИ БЕККЕРЕЛЯ
Открытие Рентгена имело огромное значение для по-
следующего развития физики. Оно послужило, в
частности, толчком для исследований французского фи-
зика Анри Беккереля, который тоже исследовал рент-
геновские лучи. В статье Рентгена сообщалось, что в
том месте, где рентгеновские лучи выходят из трубки,
стекло трубки светится желтовато-зеленым светом, по-
добным свету многих флуоресцирующих веществ. Ан-
туан Анри Беккерель, профессор Парижской политех-
нической школы и член Парижской Академии наук,
уже давно изучал свойства различных флуоресцирую-
щих составов. Интересно отметить, что изучение флуо-
ресценции было своеобразной традицией в семье Бек-
керелей : и дед Анри — академик Антуан Сезар
Беккерель, и отец — профессор Александр Эдмон Бек-
керель сделали важные открытия в этой области фи-
зики. В начале XX в. исследования флуоресценции
продолжал сын Анри — профессор Жан Беккерель.
Поскольку и рентгеновские лучи и лучи флуоресцен-
ции образуются в одном и том же месте, то у Бекке-
реля возникла мысль: не является ли флуоресцен-
ция основной причиной возникновения рентгеновских
лучей?
В опытах Рентгена, думал Беккерель, катодные
лучи, ударяясь о стенку разрядной трубки, вызывают
флуоресценцию, которая, может быть, и
порождает рентгеновские лучи? Может
• быть, рентгеновские лучи существуют все-
гда, когда есть флуоресценция? Беккерель
а решил проверить это предположение.
I ’ > В качестве ф луоресцирующего вещества
/ он взял кусочек минеральной соли урана
у и положил его на фотопластинку, тщатель-
у	но обернутую в черную бумагу, не про-
»	зрачную для видимых лучей. Затем пла-
«стинка с минералом выставлялась на солн-
це и через некоторое время проявлялась.
Эти опыты Беккереля показали, что на
пластинке каждый раз отпечатывалось
темное пятно, по форме совпадающее с ку-
ском минерала. Сначала Беккерель пред-
34
А. Беккерель
(1852—1908)
Известный француз-
ский физик, член Па-
рижской Академии
наук, лауреат Нобелев-
ской премии (1903). Вы-
полнил ряд работ по
оптике и электромагне-
тизму. Открыл излуче-
ние ураном радиоактив-
ных лучей.
положил, что это потемнение объясняется действием
солнечного света на флуоресцирующее вещество, кото-
рое излучает еще и рентгеновские лучи. А они, прони-
кая через черную бумагу, воздействуют на фотопла-
стинку. Однако, как скоро выяснилось, это объяснение
не соответствовало действительности. Однажды Бекке-
рель производил свои опыты в пасмурный день, и пла-
стинка почти не флуоресцировала. Решив отложить
опыт, он положил пластинку с солью в темный шкаф.
Так как погода не прояснялась несколько дней, то
Беккерель проявил пластинку, ожидая получить на
ней очень слабое изображение минерала. Но, взглянув
на негатив, он обнаружил совершенно неожиданную
картину — потемнение, напоминавшее форму куска
минерала, оказалось более интенсивным, чем во всех
предыдущих случаях, хотя в темном шкафу на соль
не попадал свет и она не могла флуоресцировать.
Следовательно, его первоначальное предположение о
*
35
возникновении рентгеновских лучей при флуоресцен-
ции отпадало. Опыт показал, что, хотя соль урана не
была предварительно освещена солнечным светом, на
пластинку воздействовали какие-то лучи, проникающие
через черную бумагу. Беккерель понял, что это какое-
то новое явление, и он начал его исследовать.
Он проделал подобные опыты с другими флуорес-
цирующими веществами. Оказалось, что на фотопла-
стинку действовали только те вещества, которые со-
держали в себе уран. Беккерелю стало ясно, что лучи,
способные проникнуть через черную бумагу, испу-
скают уран, поэтому он назвал их урановыми лучами.
Лучи, открытые Беккерелем, подобны по многим
своим свойствам лучам Рентгена. Они тоже действуют
на фотопластинку, проходят через непрозрачные тела
(черную бумагу, тонкие металлические пластинки),
под их влиянием воздух становится проводником элек-
тричества. Но в отличие от рентгеновских лучей, ко-
торые можно получить только при специальных усло-
виях — высоком напряжении и сильно разреженном
газе, урановые лучи (первое время их называли лу-
чами Беккереля) излучаются всегда, все время, непре-
рывно, для их получения не нужно затрачивать энер-
гию.
Эта способность урана излучать самопроизвольно,
без видимого внешнего воздействия, казалась особенно
поразительной. Ведь уже первые опыты показали, что
урановые лучи обладают большой энергией. Что же
служит источником этой энергии?
ОТКРЫТИЕ МАРИИ И ПЬЕРА КЮРИ
В связи с открытием Беккереля перед физикой встал
новый вопрос: только ли один элемент в природе
излучает их? Как только было опубликовано сообще-
ние Беккереля, за решение этого вопроса смело взялась
молодая польская ученая, только что начавшая само-
стоятельную научную деятельность, — Мария Скло-
довская-Кюри. Она родилась и выросла в семье учи-
теля Варшавской гимназии. Уже в средней школе Ма-
рия проявила незаурядные способности. Блестяще
окончив Парижский университет в 1894 г., Мария
36
М. Склодоиская-
Ihojhi
/1867—1934)
Выдающийся физик,
основоположница учения о
радиоактивности. В 1903 г.
защитила докторскую дис-
сертацию «Исследование
радиоактивных веществ».
Мария Кюри — единствен-
ная в мире ученый, два-
жды удостоенный Нобелев-
ской премии, в 1903 г. и
в 1911 г. Член Парижской
и многих иностранных
Академий, почетный член
Академии наук СССР.
Склодовская начала свою научно-исследовательскую
работу. В 1897 г. сразу же после защиты кандидат-
ской диссертации она по совету мужа Пьера Кюри
приступила к исследованию лучей Беккереля. Ее увле-
кла эта еще совершенно не исследованная область
физики.
В труднейших условиях, в сырой, холодной, тес-
ной комнате, при почти полном отсутствии материа-
лов и приборов, необходимых для проведения опытов,
с маленькой дочерью Ирен на руках, Мария Кюри
начала свою работу.
Два года она упорно и настойчиво исследовала
свойства тысяч различных солей, минералов, рудных
пород. Наконец, она получила первый важный ре-
зультат. Оказалось, что элемент торий тоже испускает
лучи Беккереля. Кюри продолжала поиски. Вскоре
она обнаружила еще более удивительный факт: ура-
новая руда испускает лучи Беккереля с гораздо боль-
37
шей интенсивностью, чем чистый уран. Следователь-
но, заключила Мария Кюри, в этой руде имеется в
виде примеси ничтожное количество какого-то неиз-
вестного вещества, излучающего такие лучи значи-
тельно сильнее, чем уран, которого в руде много.
В результате долгого и упорного труда Марии, рабо-
тавшей теперь вместе о Пьером Кюри, удалось выде-
лить два дотоле неизвестных элемента, испускающих
лучи Беккереля. Один из них они назвали полонием
(в честь Польши — родины Марии Склодовской-Кюри),
другой — радием (т. е. «излучающий»)- Интенсивность
излучения радия оказалась в миллион раз больше,
чем урана. Все вещества, способные излучать лучи
Беккереля, супруги Кюри назвали радиоактивными,
а само явление — испускание этих лучей — радиоак-
тивностью. Позднее лучи Беккереля стали называться
радиоактивными.
Часть полученных радиоактивных препаратов су-
пруги Кюри передали ученым, в том числе Беккерелю.
Таким образом, большая группа физиков и химиков
могла одновременно изучать свойства радия и других
радиоактивных веществ.
После открытия радия Мария и Пьер Кюри еще
в течение четырех лет упорно работали, чтобы полу-
чить радий и полоний в чистом виде, и притом в за-
метных количествах. Чтобы извлечь эти новые веще-
ства, нужно было обработать огромные количества
урановой руды, которая была очень дорога (ее добы-
вали в Австро-Венгрии, где из нее извлекали соли
урана). Так как на помощь со стороны государства
им рассчитывать не приходилось, то они -на свои лич-
ные весьма скромные средства купили отходы урано-
вой руды, из которой были извлечены соли урана.
С большим трудом им удалось выхлопотать для своих
исследований сарай со стеклянной крышей, в котором
зимой была лютая стужа, летом жарко, как в пар-
нике, а в дождливую погоду вода капала на столы.
В таких условиях они работали с 1898 по 1902 г.
В 1902 г., через сорок пять месяцев после того,
как супруги Кюри объявили о предполагаемом суще-
ствовании радия, после неимоверных, нечеловеческих
усилий, Мария Кюри, наконец, одерживает победу.
Ей удалось добыть 0,1 грамма хлорида радия и опре-
38
П. Кюри
(1859—1906)
Знаменитый фран-
цузский физик, акаде-
мик. Открыл в 1880 г.
совместно со своим бра-
том Жаном явле-
ние пьезоэлектричества.
Провел классические ис-
следования магнитных
свойств тел и сформу-
лировал закон Кюри.
Совместно с Марией
Склодовской-Кюри от-
крыл радий и полоний,
изучил свойства радио-
активного распада.
делить атомный вес нового элемента — он равен 226.
С этого момента существование радия было признано
всеми физиками и химиками мира. За это открытие
в 1903 г. Марии и Пьеру Кюри была присуждена (по-
полам с Беккерелем) Нобелевская премия по физике.
За получение радия в чистом виде Марии Кюри в
1911 г. была вторично присуждена Нобелевская пре-
мия по химии.
В 1903 г., выступая с докладом в Стокгольмской
Академии наук, Пьер Кюри высказал следующую про-
роческую мысль: «Не трудно предвидеть, что в пре-
ступных руках радий может сделаться крайне опас-
ным. Возникает вопрос: действительно ли полезно для
человечества знать секреты природы, действительно
ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно
использовать, или это значение принесет ему только
вред? Я принадлежу к числу тех, которые считают,
что все же новые открытия в конечном счете прино-
сят человечеству больше пользы, чем вреда».
39
РАДИОАКТИВНЫЕ ЛУЧИ
Т> 1899 г. было обнаружено еще одно интересное
U свойство радиоактивных лучей. Как-то, направ-
ляясь на лекцию в университет, Беккерель захватил в
кармане пиджака ампулу с порошком соли радия, что-
бы показать студентам его замечательные свойства. Че-
рез два дня Беккерель заметил у себя красноту на
груди как раз против кармана пиджака. Самое уди-
вительное, что покраснение по форме было похоже на
ампулу, пролежавшую в кармане всего два часа. За-
тем у Беккереля началось воспаление, появилась ост-
рая боль, кожа потрескалась, превратившись .в язву,
которую пришлось лечить много недель.
Узнав о таком свойстве радиоактивных лучей,
Пьер Кюри решил рискнуть своей левой рукой и под-
верг ее длительному облучению. Явление, наблюдав-
шееся Беккерелем, полностью повторилось. На руке
через несколько дней появилось покраснение, пере-
шедшее в воспаление, а затем и в открытую рану, ко-
торая, несмотря на интенсивное лечение, зарубцева-
лась только почти через полгода.
Тогда П. Кюри совместно с врачами Бушаром и
Балтазаром стали исследовать, как воздействуют ра-
диоактивные лучи на животных. Этими опытами за-
интересовался известный парижский врач Данло, ко-
торый всесторонне и глубоко изучал действие лучей
радия на живые организмы. Он показал, что в не-
больших дозах радиоактивные
лучи могут быть использованы
для лечения различных забо-
леваний. Вскоре радий стали
применять для борьбы со стра-
шной болезнью — раковой опу-
холью. Радиоактивные лучи
разрушают главным образом
те клетки организма, которые
быстро размножаются. А та-
кими как раз и являются ра-
ковые клетки. Применение ра-
диоактивных лучей для лече-
ния больных получило назва-
ние радио- или кюритерапии.
40
Помимо биологического действия, были открыты
и другие интересные свойства радиоактивных лучей.
Подобно солнечному свету, радиоактивные лучи так-
же могут вызывать флуоресценцию. Рели мизерное
количество какого-нибудь радиоактивного элемента
примешать к флуоресцирующему веществу, то оно
будет годами непрерывно светиться.
Но если под действием радиоактивных лучей ве-
щество в состоянии излучать обычные световые лучи,
несущие с собой энергию, то по закону сохранения
энергии и сами радиоактивные лучи должны обладать
энергией. Следовательно, приходится допустить, что
всякое радиоактивное вещество непрерывно годами
выделяет энергию.
За выяснение этого вопроса впервые взялся в
1903 г. Пьер Кюри вместе со своим сотрудником
А. Лабордом. Они заметили, что температура в сосу-
де, где содержится радий, всегда выше температуры
окружающей среды. Они провели такой простой опыт.
В два совершенно одинаковых термосных баллона,
двойные стенки которых очень плохо проводят тепло,
они поместили по одной ампулке и по термометру.
Но в одной ампулке был радиоактивный элемент ра-
дий, а в другой очень близкий к нему по химическим
свойствам, но не радиоактивный элемент барий. Тер-
мометр в баллоне с радием показы-
вал более высокую температуру.
Точными измерениями они показа-
ли, что грамм радия ежечасно вы-
деляет примерно 140 кал, способ-
ных нагреть 140 г воды на 1е С.
Конечно, эта энергия невелика, но
если учесть, что теплота выделяет-
ся радием непрерывно и очень дол-
го, то в общем радий выделяет
огромное количество энергии. Мож-
но подсчитать, что количество теп-
ла, выделяемое 1 г радия «за всю
его жизнь» (т. е. когда все его ато-
мы распадутся), равно 3 миллиар-
дам калорий. Такое же количество
тепла выделяется при сгорании
примерно 400 кг антрацита.
41
Откуда же черпается эта энер-
гия радиоактивных лучей? Пьер
Кюри уже тогда высказал смелую
гипотезу, что радиоактивные веще-
ства черпают выделяемую энергию
из самих себя, в результате превра-
щения атомов. «Преобразование
здесь более глубокое, чем обычные
химические превращения, — пред-
полагал Кюри, — здесь идет речь
о существовании самого атома и мы имеем дело с пре-
вращением элементов».
ЕЩЕ О СВОЙСТВАХ РАДИОАКТИВНЫХ ЛУЧЕЙ
Чтобы выяснить, каков механизм этих атомных пре-
вращений, ученые прежде всего пытались ответить
на вопрос: какие силы природы способны воздейство-
вать на радиоактивный распад, ускорить или замед-
лить его. Тщательные исследования показали, что ни
самые высокие или низкие температуры, ни самые
мощные электрические и магнитные поля, ни огром-
ное давление и ускорение, ни сильнейшие химические
реактивы не могли повлиять на способность радия
излучать энергию. Поэтому большой интерес вызвал
следующий опыт Пьера и Марии Кюри. Поместив
крупинку радия в магнитное поле, они заметили, что
бывший ранее однородным пучок радиоактивных лу-
чей расщепляется под действием поля на два пучка.
В одном из них радиоактивные частицы движутся
прямолинейно по первоначальному направлению, а
в другом частицы искривляют свой путь, отклоняясь
в сторону. По направлению и величине отклонения
лучей можно убедиться, что отклоняющиеся лучи
представляют собой поток отрицательных частиц. Бо-
лее тщательные исследования показали, что это —
электроны. Скорости вылетающих электронов оказа-
лись самыми различными. В отклоняющемся под дей-
ствием магнитного поля пучке встречаются электро-
ны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости
света.
42
Оставалось выяснить, какова природа той части
радиоактивных лучей, которая не отклоняется в маг-
нитном поле. За решение этой задачи взялся тогда
еще молодой английский физик Эрнст Резерфорд. Ре-
зерфорд родился в Новой Зеландии в семье мелкого
фермера. Окончив университет в 1894 г., он в виде
премии получил стипендию для повышения своей на-
учной квалификации в знаменитом Кембриджском
университете, в лаборатории Дж. Дж. Томсона.
В 1897 г. Резерфорд получил приглашение занять ка-
федру физики в университете г. Монреаль (Канада).
Здесь Резерфорд и начал свои, ставшие затем знаме-
нитыми работы по радиоактивности.
Прежде всего Резерфорд решил повторить опыт
супругов Кюри, применив, однако, значительно более
сильное магнитное поле. И действительно, Резерфорд
обнаружил следующий интересный факт. Оказывает-
ся, что та часть радиоактивных лучей, которая в опы-
тах Пьера и Марии Кюри не отклонялась в магнитном
поле, теперь, в значительно более сильном поле, так-
же расщеплялась на два пуч-
ка. Один из этих двух пучков
оставался прямолинейным, со-
вершенно не отклоняясь маг-
нитным полем, а другой пучок
лучей слегка отклонился от
первоначального направления,
причем в сторону, противопо-
ложную отклонению электро-
нов. Анализируя результаты
своего опыта, Резерфорд сде-
лал вывод, что эта последняя
часть радиоактивных лучей
является потоком положитель-
но заряженных частиц.
Итак, радиоактивные лучи
состоят из потока положитель-
Разложение радиоактивных
лучей в магнитном поле:
1 — источник лучей; 2 —
сосуд;	3 — гамма-лучи;
4 — альфа-лучи; 5 — бета-
лучи.
ных частиц, которые назвали
альфа-лучами, потока электро-
нов — бета-лучи и не откло-
няющихся в магнитном поле
гамма-лучей. Но не только ха-
рактером отклонения в маг-
43
Э. Резерфорд
(1871—1937)
Выдающийся ан-
глийский ученый, один
из творцов современной
атомной физики. Со-
здал теорию радиоак-
тивного распада и пла-
нетарную модель атома.
Впервые в науке осуще
ствил искусственное
превращение атомных
ядер.
нитном поле отличаются альфа-, бета- и гамма-лучи
(а-, р- и учлучи).
Если отделить каждый вид этих лучей и затем
исследовать их способность проходить через различ-
ные тела, то окажется, что и в этом отношении они
ведут себя по-разному. Хуже всего проникают через
вещество альфа-лучи. Уже обычный лист бумаги пол-
ностью их задерживает. Проникающая способность
бета-лучей значительно больше, они в состоянии прой-
ти через пластинку алюминия толщиной до одной
трети сантиметра. Гамма-лучи могут пройти через
пластинку алюминия толщиной в несколько десятков
сантиметров.
Различаются альфа-, бета- и гамма-лучи и по их
ионизирующему действию. Мы уже знаем, что воздух,
являющийся непроводником (диэлектриком), при про-
хождении через него радиоактивных лучей становится
проводником электрического тока. Как и в случае
рентгеновских лучей, здесь происходит (но в значи-
44
тельно больших масштабах) ионизация молекул воз-
духа. Когда радиоактивная частица, двигаясь с боль-
шой скоростью, встречает на своем пути молекулу
воздуха, она разбивает, раскалывает эту электриче-
ски нейтральную молекулу на две разноименные ча-
сти: положительный ион и отрицательный электрон.
Такой процесс расщепления нейтральных молекул на
заряженные осколки и называется ионизацией, По-
скольку в ионизированном воздухе содержится мно-
жество таких осколков — ионов и электронов, которые
под действием электрического поля могут легко пере-
мещаться, такой воздух будет проводником.
Воздух ионизируется (в разной степени) нагрева-
нием, рентгеновскими лучами, очень сильным элек-
трическим полем и т. п. Наиболее мощный иониза-
тор— радиоактивные лучи, но и здесь действие их
составных частей — альфа-, бета- и гамма-лучей —
различно. Оказывается, что ионизирующая способ-
ность лучей обратно пропорциональна их проникаю-
щей способности. Лучше всех ионизируют воздух аль-
фа-лучи, значительно хуже — бета-лучи и еще во мно-
го раз меньше — гамма-лучи.
Чтобы ионизировать, т. е. разбить молекулу на
разноименные заряженные части, нужно затратить
определенное количество энергии. Поэтому после каж-
дого отдельного акта ионизации радиоактивная ча-
стица теряет такую же порции? энергии, а значит,
уменьшает свою скорость. Альфа-частицы, обладаю-
щие хорошей ионизирующей способностью, на своем
пути образуют много ионов, быстро теряют свою пер-
воначальную энергию (и скорость) и поглощаются ве-
ществом. Наоборот, гамма-лучи на своем пути обра-
зуют мало ионов, поэтому проникающая способность
у них большая.
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
К на чалу XX в. наука уже знала и могла объяс-
нить многие свойства радиоактивных лучей. Но
оставалось непонятным самое главное: отчего и как
возникают внутри атомов эти лучи, что служит источ-
ником их колоссальной энергии?
45
Некоторые физики-идеалисты, в том числе извест-
ный французский ученый Пуанкаре, считали, что при
образовании радиоактивных лучей нарушается закон
сохранения энергии. Многие буржуазные философы
стали утверждать, что поскольку один из основных
законов материализма — закон сохранения энергии —
не имеет места в природе, то и движение материи и
сама материя могут быть уничтожены и сотворены.
В. И. Ленин в своей известной книге «Материа-
лизм и эмпириокритицизм» не оставил камня на кам-
не от этих идеалистических рассуждений. И действи-
тельно, весь дальнейший ход развития физики, как
мы увидим, блестяще подтвердил незыблемость зако-
на сохранения энергии.
Чтобы выяснить сущность процесса образования
радиоактивных лучей, ученые продолжали все глубже
изучать явление радиоактивных лучей. К этому вре-
мени уже было известно, что бета-лучи — это поток
электронов. Но что представляют собой альфа- и гам-
ма-лучи? По направлению отклонения альфа-лучей в
магнитном поле было установлено, что это по-
ток положительно заряженных частиц. Но что это за
частицы? Чтобы ответить на этот вопрос, Резерфорд
со своим сотрудником Содди решили определить мас-
су альфа-частицы. Для этого они отклоняли пучок
альфа-лучей с помощью электрического и магнитного
полей. Зная напряженности этих полей, можно было
по величине смещения пучка определить отношение
величины заряда е к массе частиц т. Оказалось, что
это отношение у альфа-частиц вдвое меньше, чем
у положительных ионов водорода. Так как у атома
водорода есть всего один электрон, то и заряд поло-
жительного иона у него равен 1, т. е. наименьшему
возможному в природе заряду. Если предположить и
у альфа-частиц заряд равным 1, то получится, что их
масса вдвое больше, чем у атомов водорода. Но ве-
ществ с атомным весом, равным 2, наука тогда не
знала *.
Объяснить природу альфа-частиц помогло извест-
ное уже тогда, но совершенно непонятное обстоятель-
1 Тяжелый водород с атомным весом 2 был открыт значи-
тельно позднее.
46
ство. У всех природных .веществ, содержащих радио-
активные элементы, почему-то всегда присутствовал
инертный газ гелий. Это было весьма удивительно.
Гелий, как мы знаем, в земных условиях встречается
редко (ведь именно поэтому этот элемент был открыт
в спектре Солнца), а в радиоактивных рудах он обя-
зательно присутствует. По-видимому, рассуждали Ре-
зерфорд и Содди, наличие гелия в этих рудах как-то
связано с образованием радиоактивных лучей. Тща-
тельно проанализировав указанные факты, они вы-
двинули смелую научную гипотезу, противоречившую
общепринятым со времени Дальтона представлениям
о вечности и неизменности атомов. Резерфорд и Сод-
ди предположили, что альфа-частицы — это атомы ге-
лия (атомный вес равен 4), лишенные двух электро-
нов. У таких ионов заряд будет равен 2 и отношение
е- будет вдвое меньше, чем у ионов водорода, у ко-
торых заряд и атомный вес (масса) равны 1.
Согласно этой гипотезе, газ гелий образуется в ра-
диоактивных рудах. Ведь альфа-частица, т. е. ионы
гелия, поглотившись в веществе, легко присоединяют
к себе два электрона и превращаются в нейтральные
атомы гелия. Таким образом, выходило, что внутри
тяжелых радиоактивных атомов урана, тория, радия,
полония рождаются совершенно отличные от них
атомы легкого газа гелия.
Это было столь необычное революционное утвер-
ждение, что многие физики встретили его с явным
недоверием. Однако Резерфорд вместе со своими со-
трудниками вскоре блестяще подтвердил справедли-
вость этой гипотезы, открыв существование радиоак-
тивных газов, превращающихся в гедий.
Если засосать в ампулу воздух, длительное время
соприкасавшийся с радием или торием, то окажется,
что воздух в ампуле излучает радиоактивные лучи.
Правда, это было известно и раньше, но только Резер-
форд сумел объяснить причину этого явления. Оказы-
вается, что вокруг радия и тория все время обра-
зуются какие-то неизвестные до тех пор газы, обла-
дающие в свою очередь радиоактивными свойствами.
Эти газы он назвал «эманацией радия» 1 и «эмана-
1 Эманация означает по-русски, примерно, «выходящее из».
47
цией тория», а позднее их стали называть радоном и
тороном. (Позднее был открыт еще один радиоактив-
ный газ, образующийся из элемента актиния и на-
званный актиноном.) Резерфорд со своими ассистен-
тами подробно изучил свойства радона, который вел
себя как обычный газ, но резко отличался своей ра-
диоактивностью. С другой стороны, оказалось, что по
своим радиоактивным свойствам радон не похож на
известные радиоактивные вещества — уран, радий, то-
рий и т. п. А именно в то время, как, скажем, радий
годами непрерывно излучает с неизменной интенсив-
ностью радиоактивные лучи, количество вылетающих
из ампулки с радоном радиоактивных частиц уже че-
рез несколько дней заметно уменьшается, а через 2—
3 недели становится едва заметным. Контрольный
опыт, проведенный Резерфордом, показал, что коли-
чество радона в ампулке со временем убывает. Чтобы
выяснить, куда же исчезает радон, Резерфорд, Содди
и Ройдс стали исследовать его спектр, нагрев газ до
высокой температуры в стеклянной ампулке. И тут
обнаружилось, что со временем спектральные линии
радона постепенно ослабевали, зато появлялись линии
гелия, интенсивность которых возрастала.
Этот опыт убедительно показал, что в закрытой
ампулке, содержащей только альфа-радиоактивный
газ, образуется газ гелий. Видоизменяя этот опыт, уче-
ные откачали из сосуда воздух и поместили в сосуд
радоновую ампулку, в которой они сделали тонкое
окошечко, так что альфа-частицы могли проникать в
сосуд. Спустя некоторое время с помощью спектро-
скопа можно было увидеть, что в сосуде есть гелий,
причем яркость его спектральных линий постепенно
усиливалась. Итак, стало совершенно ясно, что альфа-
частицы — это ионы гелия.
В 1903 г. Резерфорд и Содди развили полную тео-
рию образования радиоактивных лучей. Согласно этой
теории, радиоактивные лучи образуются в результате
самопроизвольною распада атомов радиоактивных ве-
ществ. Некоторые радиоактивные вещества при своем
распаде выбрасывают альфа-частицы, другие — бета-
частицы. Гамма-лучи обычно выделяются и в том и
в другом случае, они как бы сопровождают и альфа-
и бета-лучи.
48
РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА
Атомы вещества при радиоактивном распаде пре-
вращаются в атомы других химических элементов.
Первоначальный элемент называется материнским, а
продукт его распада — дочерним. Часто дочернее ве-
щество в свою очередь может радиоактивно распа-
даться, порождая как бы внучатый элемент. Совокуп-
ность всех продуктов распада данного элемента полу-
чила название радиоактивного семейства. Наиболее
известны семейства урана, тория и актиния. Родона-
чальник семейства урана 92-й элемент таблицы Мен-
делеева — уран (отсюда и название всего семейства)
с атомным весом 238. Путем нескольких последова-
тельных превращений возникает 88-й элемент — ра-
дий, который превращается в 86-й — радон, и т. д.
Кончается это семейство свинцом (с атомным весом
206), являющимся устойчивым элементом, далее не
распадающимся.
Другое радиоактивное семейство ведет свой род от
тория — 90-го элемента в таблице Менделеева. От него
идет длинная цепь поколений, заканчивающихся так-
же свинцом (с атомным весом 208). Изотоп свинца,
замыкающий ториево семейство, немного тяжелее ура-
нового свинца.
Кроме этих двух наиболее известных радиоактив-
ных семейств, известны еще семейство актиния, начи-
нающегося с 89-го элемента — актиния, и сравнитель-
но недавно открытое Ирен Кюри семейство нептуния,
которое имеет несколько возможных родоначальни-
ков. Плутон 241 и уран 237 могут рассматриваться
4
49
родоначальником этого семейства. Исходным продук-
том этого семейства может быть торий, при облуче-
нии его нейтронами в результате целой цепочки ра-
диоактивных распадов из него возникает уран 233,
являющийся членом семейства нептуния. Родоначаль-
ником этого семейства может быть торий 241, кали-
форний 249, берклий 245.
Подробное изучение всех звеньев радиоактивных
семейств позволило сделать много интересных и важ-
ных выводов о возникновении тех или иных видов
атомов, о динамике развития элементов в природе.
Прежде всего оказалось, что не все радиоактивные
вещества распадаются одинаково быстро. Наоборот,
скорость радиоактивного распада у разных веществ
совершенно различная. Отношение количества атомов,
распадающихся в единицу времени, к общему числу
атомов данного радиоактивного вещества называют
постоянной радиоактивного распада X. Чем больше
постоянная А, тем быстрее данный элемент распа-
дается. Часто быстроту распада радиоактивного веще-
ства характеризуют величиной, обратно пропорцио-
нальной А, называемой периодом полураспада Г.
Т — это промежуток времени, в течение которого рас-
падается половина всех его атомов. Чем быстрее ве-
щество распадается, тем меньше его период полурас-
пада 7, и наоборот.
Рассмотрим это на примере уранового семейства.
Медленнее всего распадается родоначальник семей-
ства— уран 238. Его период полураспада 7=4,5 мил-
лиарда лет. Это значит, что если взять 1 г урана, то
через четыре с половиной миллиарда лет от него оста-
нется ровно половина.
У радия период полураспада равен 1590 лет; у
радона половина первоначального количества атомов
останется примерно через четверо суток, а у радио-
активного вещества RaC' (изотоп полония) период по-
лураспада всего одна десятитысячная доля секунды.
Есть радиоактивные элементы с еще меньшим перио-
дом полураспада, распадающиеся быстрее, чем Ra С'.
Обычно родоначальник радиоактивного семейства
имеет чрезвычайно большой период полураспада (по-
рядка миллиарда лет). Например, у тория он равен
около 20 миллиардов лет.
50
АХТГФМЕЬ□ DO SQJCETT
ATOM ИМЕЕТ ЯДРО
родолжая исследовать радиоактивные лучи, Резер-
форд в 1906 г. произвел следующий опыт. На пути
пучка альфа-лучей он ставил металлическую пластин-
ку, в которой была прорезана узкая щель. Прешедшие
через щель альфа-лучи затем попадали на завернутую
в тонкую бумагу фотопластинку. После проявления
обнаружилось, что пятно, получающееся на пластинке
от попадания альфа-частиц, бывает различным в зави-
симости от того, находится ли на пути между щелью и
фотопластинкой воздух или нет. Если на пути альфа-
частиц воздуха не было, то пятно имело форму щели;
при наличии же воздуха пятно получалось размытым.
Резерфорд объяснил причину этого различия. Если
воздуха нет, то альфа-частицы не сталкиваются с мо-
лекулами газов и летят прямолинейно — пятно на пла-
стинке будет иметь очергания щели с четкими краями.
Если же на пути альфа-частиц попадаются молекулы
воздуха, то от соударений с ними альфа-частицы от-
клоняются от первоначального направления и пятно
получается расплывчатым. В этом случае говорят, что
молекулы воздуха рассеивают первоначальный пучок
альфа-лучей.
Обладая гениальным чутьем экспериментатора, Ре-
зерфорд из этих опытов пришел к выводу, что можно
использовать альфа-частицы в качестве своеобразных
мельчайших снарядов для обстрела атомов и исследо-
вания таким образом их внутреннего строения. И он
решил поставить опыты по изучению явлений, связан-
ных с прохождением альфа-лучей через вещество. За
эти работы, сыгравшие огромную роль в развитии пред-
*
51
ставлений о строении атома,
Резерфорд был удостоен в кон-
/' це 1908 г. Нобелевской премии.
4	Резерфорд и его сотрудни-
+	+	ки исследовали рассеивание
4- 4. 4.	альфа-частиц различными сре-
.J.	дами, для чего они пропуска-
4-	ли эти лучи через тончайшие
пластинки из различных ве-
ществ. При этом исследователи
1+) заметили любопытное	явле-
.	ние: хотя подавляющее	боль-
1 *	шинство альфа-частиц	при
прохождении через вещество
совсем немного отклоняется
О	ч\ от первоначального направле-
+ ния, некоторые частицы от-
клоняются иногда на 90° и
даже большие углы.
Вначале Резерфорд попытался объяснить явление
рассеивания альфа-частиц на основании общепринятой
в то время модели атома Томсона. Но тут-то и выясни-
лась полная непригодность этой модели. Ведь из опы-
тов Резерфорда вытекают совершенно непонятные с
точки зрения модели Томсона следствия о строении
атома. Прежде всего ясно, что вещество должно в ос-
новном состоять из «пустоты», ибо большинство альфа-
частиц пролетает через пластинку совершенно не от-
клоняясь. Затем внутри атома должны существовать
какие-то мощные силы, способные резко изменить на-
правление быстро летящей альфа-частицы. Эти силы
может породить только электрическое поле положи-
тельно или отрицательно заряженных частей атома. Но
отрицательно заряженные частицы — это электроны,
масса которых ничтожно мала по сравнению с тяжелой
альфа-частицей. Поэтому остается предположить, что
причиной отклонения альфа-частиц является положи-
тельно заряженная часть атома, которая должна быть
настолько массивна, что способна резко отклонить
траекторию пролетающей поблизости альфа-частицы.
Более того, из этих опытов можно было определить при-
мерный объем, занимаемый положительным зарядом.
Он оказался во много раз меньше объема самого атома.
52
Все эти соображения привели
Резерфорда в 1911 г. к совершенно
отличному от Томсона представле-
нию о строении атома. По Резер-
форду, атом состоит из центрально-
го ядра, в котором сосредоточены
почти вся масса атома и весь его
положительный заряд. Вокруг ядра
по круговым орбитам, подобно пла-
нетам вокруг Солнца, движутся от-
дельные электроны. Число электро-
нов в каждом атоме таково, что их
суммарный отрицательный заряд
равен положительному заряду ядра, поэтому в целом
атом нейтрален. Диаметр ядра, как показали подсче-
ты Резерфорда, примерно в сто тысяч раз меньше
всего атома (размер всего атома определяется разме-
ром наибольшей из орбит, по которой движется элек-
трон).
Эта модель строения атома получила название
ядерной или планетарной.
ЗАРЯД ЯДРА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕНДЕЛЕЕВА
Всякую физическую теорию всесторонне проверяют
на опыте. Так поступили и с новой моделью атома.
В лаборатории Резерфорда его ученики бомбардиро-
вали атомы различных элементов альфа-частицами —
этими наиболее мощными и быстрыми в то время атом-
ными снарядами. По отклонению альфа-частиц опре-
деленной энергии при прохождении их через различ-
ные вещества можно было вычислить величину заряда
атомного ядра. Действительно, угол отклонения альфа-
частицы от ее первоначального направления, очевидно,
зависит от силы отталкивания между частицей и
ядром, силы, определяемой по закону Кулона. Исходя
из этого, Резерфорд теоретически показал, что доля
первоначального числа альфа-частиц, отклонившихся
ядрами рассеивателя на некоторый угол 0, прямо про-
порциональна квадрату заряда ядра Z, выраженному
в элементарных единицах е. В опытах по рассеиванию
альфа-частиц в качестве рассеивателя Резерфорд выби-
53
рал тончайшие пластинки из различных металлов, со-
храняя остальные условия опытов неизменными. Тогда
из сравнения числа отклонившихся частиц на опреде-
ленный угол можно было судить о зарядовых числах Z
этих металлов. Так, пусть число отклонившихся на не-
который угол альфа-частиц при прохождении через
металл с зарядовым числом Z\ в четыре раза меньше,
чем число частиц, отклонившихся на такой же угол,
в случае металла с зарядом ядра Z2. Тогда, по Резер-
форду, = 4 и, следовательно, Z2=2Zb
Чтобы считать число альфа-частиц, отклонившихся
на тот или иной угол, Резерфорд и его сотрудники Гей-
гер и Марсден поступили так. На пути альфа-лучей за
рассеивателем они располагали особый, весьма чув-
ствительный флуоресцирующий экран. Достаточно по-
пасть на такой экран одной альфа-частице, чтобы вы-
звать в этом месте маленькую желтовато-зеленую
вспышку. Так как такие вспышки очень слабые, то их
рассматривали в темноте с помощью лупы или микро-
скопа. В целом картина вспышек (сцинтилляций), воз-
никающих на экране под ударами альфа-частиц, напо-
минает звездное небо в темную ночь, с той только раз-
ницей, что картина эта непрерывно меняется.
Таким образом, Резерфорд смог определить количе-
ство альфа-частиц, отклонившихся на определенный
угол, и сравнить зарядовые числа различных элемен-
тов. Выяснилось, что заряд ядра атома химического
элемента совпадает с порядковым номером этого эле-
мента в таблице Менделеева, если принять заряд ядра
водорода за единицу измерения.
Иными словами, число электронов
в атоме данного элемента и поряд-
г* }	ковый номер элемента всегда
W-	равны.
Водород стоит на первом месте
в таблице Менделеева — это значит,
j	что заряд его ядра равен единице
/щЛХк	и, следовательно, в атоме водорода
один .электрон. Атом водорода —
простейший из всех атомов. Вторым
в таблице стоит гелий. Заряд его
Ц	ядра равен двум, вокруг ядра дви-
54
жутся два электрона (альфа-частицы и есть ядра гелия).
Самый тяжелый элемент в природе — уран — стоит на
92-м месте в таблице Менделеева, значит, заряд равен
92, число электронов также равно 92. Таким образом,
все атомы принципиально устроены одинаково. Разли-
чие состоит только в величине заряда ядра и связанного
с ним числом электронов. Любой атом состоит из цен-
трального положительно заряженного ядра и электрон-
ной оболочки, т. е. движущихся вокруг ядра отрица-
тельных электронов. Причем и заряд ядра, и число
электронов в атоме равны порядковому номеру соот-
ветствующего химического элемента.
Теперь в физике и химии стала полностью ясной
последовательность элементов в системе Менделеева.
Все элементы располагаются в периодической таблице
не в порядке возрастания их атомных весов, а в поряд-
ке возрастания зарядов ядра. Поэтому стало понятно,
почему Менделеев расположил, например, более тяже-
лый иод раньше теллура — заряд ядра атома иода
меньше заряда ядра теллура.
Хотя Менделеев не знал и не мог тогда знать ничего
о зарядах ядер, он гениально предугадал правильную
закономерность в последовательности расположения
химических элементов.
Теперь стало также очевидным, что происходит с
атомами при радиоактивном распаде. Из того факта,
что при радиоактивном распаде происходит превраще-
ние атомов из одного вида в другой, следует такой вы-
вод: радиоактивные лучи испускаются ядрами атомов.
Действительно, химическая
индивидуальность атома
определяется зарядом ядра.
Атом становится другим
только в том случае, если
изменится заряд его ядра.
При альфа-распаде из ядра
вылетают частицы, имею-
щие положительный заряд,
равный двум. Следователь-
но, при альфа-распаде за-
ряд ядра уменьшается на
две единицы, поэтому обра-
зующийся при этом дочер-
55
ний атом сместится в после-
довательности элементов на
два места назад относитель-
но материнского элемента
или на две клетки влево в
таблице Менделеева. Наобо-
рот, при бета-распаде из
ядра вылетает электрон, за-
ряд ядра увеличивается на
единицу и дочерний эле-
мент смещается на одну клетку вправо в периодической
системе. Эти правила смещения были установлены еще
ранее учениками Резерфорда — Содди и Фаянсом, но
только теперь стали понятны.
СПЛОШНОЙ И ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ
Хорошо известно, что солнечный, или, как его назы-
вают, белый свет, — сложный свет. Это впервые до-
казал И. Ньютон почти 300 лет назад. Пытаясь улуч-
шить -существовавшие тогда телескопы, Ньютон на пути
узкого пучка солнечного света поставил треугольную
стеклянную призму. И тут обнаружилось явление, ко-
торого Ньютон никак не ожидал. После прохождения
через призму пучок света превращался в широкую
разноцветную полосу, подобную радуге. На противопо-
ложной стене ясно были видны красная, оранжевая,
желтая, зеленая, голубая, синяя и фиолетовая полоски,
плавно переходящие друг в друга. Ньютон правильно
объяснил это явление. Белый солнечный луч не про-
стой, а сложный — он состоит из ряда цветных лучей.
Призма в различной степени отклоняет лучи разных
цветов — меньше всего отклоняются от первоначаль-
ного направления белого пучка света красные лучи,
больше всего — фиолетовые. Ньютон полагал, что
призма просто разлагает белый свет на составные ча-
сти. Это подтверждалось и следующим его опытом.
Если на пути цветных лучей, полученных при разло-
жении белого света в треугольной призме, поставить
другую призму, но только вершиной в противополож-
ную сторону, то наблюдается такая картина: белый
свет, пройдя через первую призму, разлагается на цвет-
56
ные лучи, а эти цветные лучи, пройдя через вторую
призму, вновь «складываются» и образуют белый свет.
Цветные полосы, получающиеся при разложении бе-
лого света, получили название спектра.
Ньютон также впервые установил, что световые
лучи разных цветов имеют и разную длину волны.
Наибольшую длину волны имеют красные лучи, затем
оранжевые, желтые и т. д. Самые короткие световые
лучи — это фиолетовые. Следовательно, треугольная
призма больше всего отклоняет короткие и меньше все-
го длинные волны.
Так как всякое накаленное тело излучает свет, то
перед физиками, естественно, возник вопрос: как ве-
дет себя излучаемый различными телами свет при про-
хождении через треугольную призму? В первой поло-
вине XIX в. физики установили, что спектр накален-
ного тела, скажем металла, ничем не отличается от
спектра солнечного света. Напротив, как показали опы-
ты, спектр окрашенного пламени совершенно отличен от
спектра белого света. Если в почти бесцветное пламя
(спиртовки или газовой горелки) внести кусочек обыч-
ной поваренной соли, то пламя становится ярко-жел-
тым. Это окрашивание возникло от того, что в пламя
попали пары натрия (поваренная соль при высокой
температуре распадается на составные элементы — на-
трий и хлор).
Свойством окрашивать пламя обладают и пары
других металлов: пары калия дают фиолетовую окра-
ску, лития — красную, меди — зеленую и т. п. Если че-
рез узкую щель пропустить тонкую полоску света окра-
шенного пламени и затем направить ее на треуголь-
ную стеклянную призму, то вместо сплошного спектра,
наблюдаемого у белого света, мы увидим линейчатый
спектр: на темном фоне видны одна, две или несколько
цветных тонких полос или линий. В зависимости от
того, пары какого металла содержатся в пламени, в
спектре видны различные линии. Так, спектр натрия
содержит яркую желтую линию, спектр лития — крас-
ную и оранжевую линии и т. д.
В 1859 г. известные немецкие ученые — физик
Кирхгоф и химик Бунзен обнаружили, что не только
металлы, но и любое вещество, превращенное в раска-
ленный газ, испускает свой особый, характерный
57
только для данного вещества, линейчатый спектр и
что, как они писали: «...ни различие соединений, ни
разнообразие химических процессов в отдельных пла-
менах, ни громадное различие температур нисколько
не влияют на положение спектральных линий соответ-
ствующих отдельных элементов».
Так возник новый, весьма простой и удобный метод
химического анализа — спектральный анализ. Чтобы
определить состав какого-нибудь сложного вещества,
достаточно рассмотреть спектр этого вещества и срав-
нить его со спектрами различных элементов, которые
приведены в специальных справочниках спектров.
В течение трех лет (1859—1862) с помощью спектраль-
ного анализа были открыты новые элементы: цезий,
рубидий, таллий, индий и др.
Эти открытия вынудили ученых создать прибор, с
помощью которого можно было бы отчетливо наблю-
дать спектральные линии и измерять соответствующие
длины волн. Основной частью этого прибора, назван-
ного спектроскопом, была треугольная призма. Спек-
троскоп и его усовершенствованные разновидности —
спектрометр, спектрограф — стали основными прибо-
рами физического и химического исследования приро-
ды, и прежде всего состава самых различных тел.
Инертный газ гелий, как уже упоминалось, был от-
крыт в 1868 г. в спектре Солнца именно с помощью
спектроскопа. Интересно отметить, что неизвестная
тогда желтая спектральная линия, по которой и был
открыт гелий, на цвет ничем не отличалась от желтой
линии натрия. Однако точные измерения показали, что
длина волны желтой линии, сфотографированной во
время наблюдения полного солнечного затмения, на
1,5 миллимикрона короче подобной линии у натрия.
Это было достаточно для того, чтобы сделать вывод об
излучении этой линии отличным от натрия элементом.
Так как из всех известных к тому времени элементов
ни у одного не наблюдалась такая линия, то ученые и
предположили существование на Солнце какого-то не-
известного элемента — гелия.
Линейчатые спектры часто еще называют атомны-
ми, и вот почему. Накаленные твердые и жидкие тела,
например расплавленные металлы, излучают сплошной
спектр (силы взаимодействия между атомами у таких
58
тел значительны). Раскаленные же газы, у которых
атомы расположены далеко друг от друга и взаимодей-
ствие между ними почти отсутствует, испускают линей-
чатый спектр. Здесь атомы находятся как бы в есте-
ственном состоянии. Спектр газов или паров обусловли-
вается только строением их атомов. Поэтому столь
важно изучить закономерности именно линейчатых
спектров.
Прежде всего нужно отметить, что, как показали
исследования, несмотря на различие спектров у разных
элементов, линейчатые спектры элементов, относящих-
ся к одной группе периодической системы Менделеева,
похожи. Это наводило на мысль, что между химиче-
скими и спектральными свойствами элементов суще-
ствует непосредственная связь. Дальше мы увидим, что
так оно и есть.
СПЕКТР ВОДОРОДА И ФОРМУЛА БАЛЬМЕРА
Один из наиболее простых спектров в природе —
спектр водорода — состоит из четырех линий:
красной, голубой и двух фиолетовых.
В 1885 г. учитель женской гимназии в Базеле
(Швейцария) Бальмер опубликовал формулу, позволив-
шую с большой точностью определять длины световых
волн в видимой части спектра, излучаемых водородом.
Эта формула, названная формулой Бальмера, просла-
вила ее автора навечно, ибо сыграла важнейшую роль
в атомной физике.
Каковы же особенности этой формулы? Первая
особенность состоит в том, что Бальмер вывел свою
формулу не из каких-нибудь теоретических соображе-
ний. Он стремился подобрать искусственно такую фор-
мулу, чтобы не надо было запоминать длины волн ли-
ний спектра водорода (такие формулы в физике назы-
ваются эмпирическими). Бальмеру удалось составить
очень простую формулу, по которой длина волны есть
функция переменной величины п:
где X — длина волны спектральной линии,
R — постоянная величина, равная 109 677 еле-1.
59
Если вместо п подставить цифру 3, то формула дает
длину волны красной линии спектра; если подставить
п = 4, получим длину волны голубой линии; при
н = 5 — первой фиолетовой линии и при п = 6 — второй
фиолетовой линии.
Вторая особенность формулы Бальмера — в ее ис-
ключительной точности. Физика не знает другой эмпи-
рически подобранной формулы, которая давала бы та-
кое поразительное совпадение с опытом — с точностью
до тысячных долей процента!
Третья, не менее интересная особенность этой фор-
мулы в том, что она прекрасно определяла некоторые
новые линии, позднее открытые физиками в спектре
водорода (эти линии невидимы глазом, они относятся
к ультрафиолетовым лучам и могут быть обнаружены,
например, с помощью фотографии). Для вычисления
длин волн этих новых линий нужно в формуле Баль-
мера соответственно подставить вместо п значения 7,
8, 9, 10,11 и т. д.
Наконец, последняя и, пожалуй, наиболее важная
особенность формулы Бальмера состоит в том, что в
отличие от всех других формул, известных до того в
физике, искомая величина здесь — функция только
целых чисел. Если вместо п подставить значение не це-
лого числа (например, -х-), то соответствующей линии
о
в спектре не существует.
После формулы Бальмера были открыты анало-
гичные формулы и для спектров некоторых других
элементов — одновалентных щелочных металлов
лития, натрия, калия, цезия, рубидия (формулы Рид-
берга).
Формулы Ридберга по внешнему виду очень похо-
жи на формулу Бальмера. Основное отличие состоит
только в том, что в формулах Ридберга есть небольшие
слагаемые, играющие роль поправок. Величина этих
поправок очень незначительна — менее десятых долей
процента, но это приводит к некоторому отличию длин
волн, излучаемых щелочными металлами, от линий
спектра водорода.
Основное удивительное свойство формулы Бальме-
ра — зависимость длины излучаемых волн только от
целых чисел существует и в формулах Ридберга. Сле-
60
дователъно, это не случайность, а, по-видимому, харак-
терная закономерность атомных спектров.
Причину такой странной закономерности удалось
раскрыть только почти через 30 лет, после появления
теории Бора.
ГИПОТЕЗ/ КВАНТОВ
В древности ученые считали, что глаз человека по-
сылает особые «зрительные лучи», с помощью кото-
рых он как бы «ощупывает» находящиеся перед ним
предметы.
Только в конце XVII в. великий английский физик
И. Ньютон сумел отделить объективные свойства света
от субъективных зрительных ощущений. Занимаясь
изучением оптических явлений, Ньютон, в конце кон-
цов, приходит к убеждению, что свет — это поток мель-
чайших частичек — корпускул, выбрасываемых светя-
щимся телом. Корпускулярная теория света Ньютона
удовлетворительно могла объяснить всевозможные
факты, связанные с распространением, излучением и
поглощением света.
Примерно в это же время другой известный гол-
ландский физик X. Гюйгенс выдвинул совершенно от-
личную теорию света. Согласно Гюйгенсу, свет — это
упругие волны, распространяющиеся в эфире — особой
прозрачной среде, заполняющей все бесконечное про-
странство. Эта теория могла также объяснить различ-
ные оптические явления.
Только в одном отношении волновая теория приво-
дила к прямо противоположным, по сравнению с кор-
пускулярной теорией, выводам. Из корпускулярной
теории следовало, что скорость света в различных сре-
дах (например, в воде) больше, чем скорость в пустоте
(вакууме), по волновой же теории скорость в воде дол-
жна быть меньше, чем в вакууме.
Измерять скорости распространения света в различ-
ных веществах ученые научились в конце XIX в.,
только через 200 лет после Ньютона и Гюйгенса. Поэто-
му опытом нельзя было проверить, чья теория правиль-
на. Научный авторитет Ньютона был столь велик, что
подавляющее большинство ученых в XVIH в. придер-
61
живались его корпускулярной теории. Но следует ска-
зать» что некоторые великие умы того времени, и пре-
жде всего Эйлер и Ломоносов, видели недостатки тео-
рии Ньютона и стояли на точке зрения волновой теории
света.
Только в начале XIX в.» когда было показано, что,
во-первых, свет вовсе не распространяется прямолиней-
но и способен огибать небольшие препятствия (дифрак-
ция света) и, во-вторых, при наложении двух пучков
света может образоваться темнота (интерференция све-
та), волновая теория получила всеобщее признание.
Позднее французский физик Физо непосредственными
измерениями показал, что свет в воде распространяется
медленнее, чем в воздухе, что было лишним доказа-
тельством в пользу волновой теории.
Все XIX столетие в физике господствует волновая
теория света, которая получает все новые и новые под-
тверждения. Правда, эта теория при объяснении неко-
торых новых опытных фактов наталкивается на серь-
езные затруднения, которые, казалось бы, должны при-
вести ее к кризису. Но после внесения важных уточне-
ний трудности преодолены и волновая теория света
продолжает успешно развиваться. Так, например, слу-
чилось, когда после опыта в 1817 г. французских физи-
ков Френеля и Араго оказалось, что световые волны в
отличие от звуковых должны быть поперечными. Но из
механики было известно, что в газах и невязких жид-
костях могут распространяться только продольные
волны. В реальных твердых телах волны частично про-
дольные и частично поперечные. Чем тверже (более
упруго) вещество, тем больше поперечная составляю-
щая волны. Как показали опыты Френеля и Араго,
световые волны являются чисто поперечными, а среда,
в которой они распространяются, т. е. эфир, должна
представлять собой абсолютно упругое, абсолютно
твердое вещество. Но как себе представить вездесущее,
совершенно прозрачное и проницаемое, невесомое и не-
вязкое вещество совершенно твердым? Это был слож-
нейший вопрос для волновой теории света.
В 60-х годах XIX в. крупнейший физик-теоретик
Максвелл создал знаменитую стройную теорию элек-
трических и магнитных явлений. Из этой теории, в
частности, следовало, что в пространстве могут распро-
62
страняться со скоростью света поперечные электромаг-
нитные волны. Стало ясно, что свет — это электромаг-
нитные, а не упругие волны. При этом сразу же отпала
необходимость предполагать наличие какой-то абсо-
лютно упругой среды — светового эфира.
И все же в конце XIX в. волновая теория света по-
терпела крах. Началось с теплового излучения. Хорошо
известно, что всякое достаточно хорошо нагретое тело
излучает свет, накаляется. Основной закон теплового
излучения был сформулирован в 1859 г. Кирхгофом.
По закону Кирхгофа, чем больше при данных условиях
тело поглощает световых волн определенной длины,
тем больше оно излучает света этой длины волны.
Нагреем несколько тел разного цвета (белое, черное
и зеленое) до одной и той же высокой температуры. Все
они по-разному будут излучать свет. Белое тело отра-
жает почти все падающие на него извне световые вол-
ны, черное все волны поглощает, а зеленое отражает
зеленые волны, а остальные поглощает (поэтому оно и
представляется зеленым, что от него в наш глаз попа-
дают только отраженные зеленые лучи). Следователь-
но, при нагревании белое тело не будет практически
излучать никаких световых волн, зеленое излу-
чает волны всех цветов, кроме зеленого, а черное —
световые волны всевозможных длин (т. е. белый
свет).
Закон Кирхгофа, многократно подтвержденный
экспериментально, имеет огромное значение. Из этого
закона были получены важные следствия, относящиеся
к излучению черных тел.
Однако все попытки теоретически определить коли-
чество энергии, излучаемой световыми волнами данной
длины, были безуспешны. Над решением этой пробле-
мы трудились такие выдающиеся физики, как русский
профессор В. А. Михельсон, австрийский профессор
В. Вин и известный английский ученый Рэлей. Было
получено несколько формул, каждая из которых ока-
залась верной для определенного участка длин волн,
но совершенно неверной вне этого участка. Перед фи-
зикой возникла задача вывести единую общую форму-
лу, справедливую для любых длин волн.
После тщательного анализа работ Михельсона, Ви-
на и Рэлея немецкий физик-теоретик Макс Планк в
63
М. Планк
(1858—1947)
Выдающийся не-
мецкий физик-теоретик,
автор гипотезы квантов,
положившей начало со-
временной физике мик-
ромира.
1900 г. сумел найти такую формулу. Формула Планка
полностью совпадала с опытными измерениями. Но
самое удивительное было в том, что для вывода фор-
мулы Планку пришлось сделать предположение, совер-
шенно чуждое волновой теории света, а именно, что
тела могут излучать и поглощать свет не любыми ко-
личествами, а только определенными порциями, или
квантами, энергия которых
e = v/i,
где v — частота света,
h — знаменитая постоянная Планка.
Гипотеза квантов, т. е. предположение, которое вы-
нужден был сделать Планк, чтобы получить правиль-
ную формулу излучения абсолютно черного тела, ка-
завшаяся в то время совершенно непонятной и даже
нелепой, лежит в основе всей современной теоретиче-
ской физики.
64
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА
Вскоре гипотеза квантов М. Планка получила даль-
нейшее развитие. В 1905 г. никому не известный
тогда 26-летний физик Альберт Эйнштейн опубликовал
в научных журналах три небольшие по объему статьи.
В дальнейшем оказалось, что каждая из этих статей
была целой эпохой в своей области. Одна была по-
священа созданной им теории относительности, дру-
гая — законам движения молекул в газах, в тре-
тьей Эйнштейн развивал новые взгляды на природу
света.
Подробно исследовав установленные Столетовым
закономерности фотоэффекта, Эйнштейн показал, что
их никак нельзя объяснить, исходя из представлений
о волновой природе света. Так, фотоэлектрический ток
возникает только при облучении металла светом до-
статочно* короткой длины волны. Но из общих сообра-
жений ясно, что только свет определенной энергии смо-
жет вырвать электрон из вещества. Энергия же волны
зависит не от частоты, а от амплитуды колебаний.
Итак, если свет есть поток волн, то фотоэффект должен
был бы наблюдаться только при облучении металла
волнами достаточной амплитуды, а не определенной
частоты. Чтобы объяснить закономерности фотоэф-
фекта, молодой ученый выдвинул смелое утвер-
ждение, явившееся обобщением гипотезы квантов
Планка.
Свет не только излучается и поглощается, но и рас-
пространяется в виде потока определенных квантов
(или, как их теперь называют, фотонов) с энергией,
равной hv. Чем больше частота света v, тем больше
энергия его квантов (фотонов) и тем легче такие кванты
могут выбить электроны из металла.
Может показаться, что квантовая или фотонная
теория света Эйнштейна — возвращение к корпуску-
лярной теории Ньютона. Но это не так. Квантовая тео-
рия света — это диалектический синтез на более высо-
кой основе корпускулярных и волновых представлений
о природе света. Можно образно сказать, что по кван-
товой теории свет — это поток фотонов, распространяю-
щихся по волновым законам. Интересно, например, что
и по квантовой теории скорость света в воде меньше.
5
65
чем в пустоте (вакууме), что согласуется с опытами
Физо.
В настоящее время физики считают частицы све-
та — фотоны — такими же реальными, как электрон
или протон.
По современным представлениям свет обладает
взаимно противоположными и волновыми, и корпуску-
лярными свойствами. В некоторых явлениях (интерфе-
ренция, дифракция) больше проявляются волновые, в
других (фотоэффект, излучение и поглощение света)
проявляются корпускулярные свойства.
БОР УТОЧНЯЕТ АТОМНУЮ МОДЕЛЬ РЕЗЕРФОРДА
В каких бы условиях ни находились атомы элемен-
та, они всегда излучают один и тот же спектр, по-
этому, очевидно, что спектр непосредственно связан со
строением атома. Это хорошо выразил известный немец-
кий физик Зоммерфельд: «Со времени открытия спек-
трального анализа никто из специалистов не сомневал-
ся, что проблема атома была бы решена, если бы мы
научились понимать язык спектра. То, что мы слышим
в говоре спектральных линии, есть настоящая музыка,
звучащая в атоме».
В 1913 г. молодой датский физик, ученик Резерфор-
да, Нильс Бор впервые попытался объяснить спектр
простейшего атома водорода.
Бор прежде всего поставил перед собой задачу:
определить, как должен быть устроен атом водорода,
чтобы он мог излучать спектр, описываемый формулой
Бальмера. Ему было ясно, что старая модель Томсона
для этой цели не годится: она никак не может объяс-
нить, почему длины волн спектральных линий зависят
только от целых чисел.
Но и новая, планетарная модель Резерфорда нужда-
лась в значительном уточнении. Действительно, по Ре-
зерфорду, атом водорода состоит из положительного
ядра и отрицательного электрона, вращающегося по
круговой орбите вокруг центрального ядра. Но движе-
ние по окружности есть движение с ускорением. В тео-
рии электричества доказывается, что при ускоренном
движении зарядов излучаются электромагнитные вол-
66
И. Бор.
(1885—1962)
Знаменитый дат-
ский физик-теоретик,
ученик Резерфорда, ав-
тор теории, связавшей
строение атома с излу-
чаемым им спектром.
Развил капельную мо-
дель ядра и теорию де-
ления ядер. Сыграл
большую роль в откры-
тии принципов получе-
ния атомной энергии.
ны, т. е. свет. Частота света, излучаемого атомом Ре-
зерфорда, должна равняться частоте обращения элек-
трона. Но тогда вследствие непрерывного излучения
энергия атома должна постепенно убывать, а умень-
шение энергии атома в свою очередь будет сопровож-
даться плавным приближением орбиты электрона к
ядру. При этом электрон будет двигаться по сворачи-
вающейся спирали (радиус которой непрерывно умень-
шается), так что в конце концов электрон должен будет
упасть на ядро.
Итак, если применять без всяких уточнений модель
Резерфорда, то мы должны допустить, что атом должен
при любых условиях излучать свет и спектр излучения
должен быть сплошным, а не линейчатым. Более того,
так как в атоме электрон в результате своего движения
падает на ядро, то атом, как таковой, не может долго
существовать.
Но все эти выводы совершенно противоречат мно-
гочисленным фактам и, прежде всего, следующим:
атомы излучают не всегда, а только при определенных
условиях (скажем, при нагревании или прохождении
*	67
через газ тока); спектры, излучаемые атомами, всегда
линейчатые, причем вид этого спектра зависит от рода
химического элемента; атом — устойчивая систе-
ма, которая может существовать сколько угодно
долго, сохраняя свои физические и химические свой-
ства.
Из этих резких противоречий модели атома по Ре-
зерфорду и опытов Бор сделал правильный вывод о
том, что внутри атома господствуют особые законы
природы, что к внутриатомным процессам непримени-
мы закономерности, установленные в мире больших
тел, содержащих огромное множество атомов. Кроме
того, Бор учел особенности спектральных формул Баль-
мера и Ридберга и уже ставшей общепринятой гипотезу
квантов Планка.
Приняв во внимание все указанные факты, Бор и
выдвинул свою новую теорию строения атома. Вот как
по этой теории следует уточнить модель Резерфорда,
чтобы понять строение атома водорода: хотя электрон
вращается вокруг ядра по круговой орбите, т. е. с уско-
рением, он при этом не излучает света. Электрон в ато-
ме может двигаться не по любой круговой орбите, суще-
ствуют только определенные «разрешенные» орбиты.
Энергия, которой обладает атом, зависит от того, по
какой орбите движется электрон. Чем больше радиус
орбиты, тем больше энергия. Атом излучает только то-
гда, когда электрон переходит с большей (или, как го-
ворят, более высокой) орбиты на меньшую. Чем больше
разность энергии между начальной и конечной орбитой,
тем больше энергия излучаемого квайта и тем короче
длина волны, излучаемой при таком переходе.
Из теории Бора непосредственно вытекает формула
Бальмера, которая, оказывается, соответствует перехо-
дам электрона с более высоких орбит на вторую орбиту.
Теперь становится ясным, почему в формулу Бальмера
входят только целые числа, начиная с трех. Это номера
орбит, с которых электрон перескакивает на вторую
орбиту.
Рассмотрим, как Бор теоретически получил форму-
лу для длин волн линий спектра водорода, в точности
совпавшей с формулой Бальмера. Энергия электрона
в атоме складывается из кинетической энергии движе-
ния по орбите и потенциальной энергии электрического
68
притяжения. Простой расчет показы-
вает, что полная энергия электрона
где г — радиус орбиты, е — заряд
электрона, а знак минус появился от
того, что электрон и ядро имеют раз-
ноименные заряды, численно рав-
ные е.
Радиусы орбит «квантованы», т. е. могут принимать
только некоторые определенные значения п, гз и т. д.
При этом оказывается, что радиус наименьшей первой
орбиты Г| связан с массой т и зарядом электрона е, а
также постоянной Планка h простой формулой:
_ /*2
Г1 li&rne* *
Радиусы всех последующих орбит кратны Г|, а
именно:
г2 = 2гг1, г3 = 32л, г4 = 42Г| ... r„==/?r(.
Пусть электрон движется по некоторой орбите с но-
мером л, тогда энергия электрона равна:
Если этот электрон «упадет» на другую, более низ-
кую орбиту с номером /л, то при этом излучится квант
света:

Так как произведение длины волны X на частоту v
равна скорости света с
Xv — с,
то мы легко получим:
X — 2hc \ гт гп )
(1)
Бор подсчитал, таким образом, длины волн, излу-
чаемых атомом (водорода при различных переходах
электрона. Подставив в (1) гт=т2Гц rn~n2rv и учиты-
вая значение и, получим формулу Бора:
69
1   2i&mc* / 1 , 1 \
К	ch® \m2 n2 J *
(2)
Бор подсчитал значение коэффициента, стоящего в
формуле перед скобками. И тут обнаружился порази-
тельный факт:
= 109 677 см .
Но ведь число в правой части — это известная по-
стоянная Ридберга. Поэтому, положив в последней
формуле tn = 2 (электрон «падает» на вторую орбиту),
Бор получил значения длин волн, совпадающие с фор-
мулой Бальмера.
Более того, из теории Бора следовало, что наряду с
бальмеровской серией в спектре водорода должны су-
ществовать и другие серии линий, соответствующие
переходам на первую, третью орбиту и т. д. Бор смело
предсказал существование этих линий и теоретически
вычислил длину волн этих линий. В дальнейшем эти
серии линий были обнаружены на опыте: первая, соот-
ветствующая переходам на первую орбиту, Лайманом
(серия Лаймана) и вторая, соответствующая переходам
на третью орбиту, — серия Пашена.
Серии Лаймана и
ИНФРАКРАСНЫЕ
Схема возможных электронных переходов
в атоме водорода и излучаемых при этом
спектральных линий.
Пашена не видны про-
стым глазом, так как
первая лежит в обла-
сти ультрафиолетовых,
а вторая — инфракрас-
ных лучей. Бор напи-
сал обобщенную фор-
мулу Бальмера, охва-
тывающую все спек-
тральные серии водо-
рода:
где т и п — номера
конечной и начальной
орбит перехода элек-
трона.
70
Положив tfz = 2, получим видимую серию Бальмера,
при т = 3 — серию Пашена, при т — 1 — серию Лай-
мана.
Прекрасные результаты теории Бора в отношении
спектра водорода вызвали огромный интерес физиков
и побудили многих ученых еще глубже развить плане-
тарную модель атома Бора — Резерфорда.
ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ БОРА
(Эллиптическое квантование)
Перед теорией Бора стояла следующая задача: объ-
яснить спектры других элементов. Наиболее про-
стые после водорода спектры излучают щелочные ме-
таллы литий, натрий, калий и др. Длины волн этих
спектральных линий можно определить с помощью
формул Ридберга. В целом формулы Ридберга похожи
на формулу Бальмера. И в этом нет ничего удивитель-
ного, ибо и водород, и щелочные металлы стоят в пер-
вой группе таблицы Менделеева и обладают сходными
спектральными закономерностями.
Но есть одно существенное отличие между форму-
лами Бальмера и Ридберга. В первой, как мы знаем,
переменная п принимает строго целочисленные значе-
ния. В формулах же Ридберга к этим целым числам
следует прибавлять небольшие поправки, величина ко-
торых менее 0,01. Конечно, такая поправка невелика,
но имеет принципиальное значение. Чем объясняется
ее существование?
Ответить на этот вопрос взялся один из ближайших
последователей Бора — немецкий физик Зоммерфельд.
Известно, что под действием сил притяжения к Солнцу
планеты могут вращаться не только по круговым, но и
по эллиптическим орбитам. Подобное должно наблю-
даться, по Зоммерфельду, и в атомах. Но эллипс в от-
71
личие от окружности
характеризуется не од-
ним радиусом г, а дву-
мя полуосями а и Ь.
Большая полуось а
определяет размер эл-
липса, а отношение
Ь
—----его форму.
Сначала Зоммерфе^льд решил проверить свои со-
ображения на атоме водорода. Оказалось, что энергия
электрона при движении по эллиптической орбите
определяется формулой:
е2
2а ‘

Она отличается от формулы Бора для круговых орбит
только тем, что вместо радиуса г здесь стоит большая
полуось а. Это значит, что энергия электрона зависит
только от размера эллипса, но не от его формы.
Развивая первоначальную идею Бора, Зоммерфельд
предположил, что электроны в атомах могут двигаться
не по любым эллипсам, а только по некоторым, размер
и форма которых вполне определенны. Причем боль-
шая полуось эллипса может принимать точно те же
значения, что и радиусы воровских круговых орбит:
= 22<J1, ав = Згаи = п2ах.
Число н, характеризующее размер орбиты, а следо-
вательно, и энергию, называется главным квантовым
числом. Но не только большая, а и малая полуось b
является квантованной величиной. А именно, возмож-
b
ны такие эллипсы, у которых величина п — = прини-
мает целые значения 1, 2, ..., п, где — азимуталь-
ное число. Изложенные условия, которым должны
удовлетворять электронные орбиты в атомах, называют
постулатами или правилами эллиптического квантова-
ния. Поясним теперь их смысл.
Пусть п==1. Так как п? не может быть меньше 1
и больше л, то в этом случае =	=1. Это значит,
72
что эллипсов размера Ci имеется только один, причем
= т. е. орбита имеет форму окружности.
Пусть и=2, очевидно, у возможны два значе-
ния = 1 и = 2. Соответственно получаем две раз-
личные орбиты размера а%: эллиптическую и круго-
вую. Аналогично для п = 3 возможны одна круговая и
две эллиптические орбиты.
Как же теория эллиптического квантования объяс-
няет закономерности атомных спектров щелочных ме-
таллов? Прежде всего отметим, что по отношению к
спектру водорода мы ничего нового не получим по
сравнению с первоначальной теорией, предполагавшей,
что электроны движутся только по круговым орбитам.
Ведь длина волны спектральной линии зависит только
от энергии электрона на начальной и конечной орбите.
Энергия же электрона не зависит от формы орбиты, а
зависит только от ее размера.
По-иному обстоит дело в случае более сложных
атомов. Здесь внешний электрон движется не только
под действием силы притяжения к ядру. Некоторое
воздействие («возмущение») оказывают «внутренние»
73
электроны атома. Величина этого возмущающего дей-
ствия зависит от формы эллипса. На рисунке показаны
три различные электронные орбиты одинакового раз-
мера. В случае атома водорода, не имеющего других
электронов, все три орбиты энергетически совершенно
равноправны.
Если же в атоме есть еще и внутренние электроны,
то энергия на разных орбитах несколько различна.
Наименьшей энергией обладает электрон, движущийся
по самой вытянутой орбите, наибольшей — на круговой
орбите. Выяснив это обстоятельство, Зоммерфельд тео-
ретически показал, что наличие возмущения приводит
к появлению небольших поправок в формулах Ридбер-
га. Но чтобы получить полное согласие с формулами
Ридберга, Зоммерфельду пришлось ввести еще одно
дополнительное предположение, получившее название
«правила отбора».
Смысл этого правила состоит в том, что возможны
не любые переходы электрона с каждой верхней на бо-
лее низкую орбиту, а только «дозволенные». Согласно
правилу отбора, возможен переход электрона с одной
орбиты на другую, более низкую, если азимутальные
квантовые числа этих орбит отличаются на единицу:
= А ± 1.
Если не вводить правила отбора, то в спектре ще-
лочных металлов должно было быть значительно боль-
ше линий, чем в действительности.
Таким образом, с помощью эллиптического кванто-
вания и правила отбора улучшенная Зоммерфельдом
теория Бора теоретически предсказывала формулы
Ридберга и объясняла спектры щелочных металлов.
74
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНОВ
Много внимания уделили мы электрону, но далеко
не со всеми важнейшими его свойствами познако-
мились. Ничего еще не рассказывалось о магнитных
свойствах электрона.
Задолго до нашей эры греки знали удивительную
способность магнитных железных руд притягивать к
себе маленькие кусочки таких же руд.
В 1785 г. французский физик Кулон открыл закон
взаимодействия магнитных полюсов. Магнитный закон
Кулона подобен почти одновременно открытому им за-
кону взаимодействия электрических зарядов. Вокруг
магнитных полюсов всегда сухцествует магнитное поле.
Если поместить в такое поле магнитную стрелку, то
она ориентируется определенным образом вдоль сило-
вых линий поля. Если поместить магнитную стрелку
перпендикулярно силовым линиям, то со стороны маг-
нитного поля на нее будет действовать момент сил N9
стремящийся повернуть стрелку вдоль линий. Поль-
зуясь магнитным законом Кулона, легко вычислить,
что величина этого момента сил равна:
7V= mJH,
где /и0 — величина одного из магнитных полюсов
стрелки, / — длина стрелки, Н — напряженность маг-
нитного поля.
Произведение m0Z зависит только от степени намаг-
ниченности и расстояния между
называется магнитным момен-
том ц. Магнитный момент изо-
бражают в виде векторной стрел-
ки, направленной от южного
полюса к северному.
В 1820 г. датский ученый Эр-
стед сделал важное для учения
о магнетизме открытие. Он за-
метил, что магнитная стрелка
отклоняется не только при под-
несении магнита, но и проводни-
ка с постоянным током. Очевид-
но, что вокруг электрического
тока также существует магнит-
ное поле. Сейчас уже твердо
полюсами магнита и
/4- т-g
75
установлено: там, где
перемещаются электри-
ческие заряды, т. е. идет
ток, всегда есть и магнит-
ное поле. Опыты показы-
вают, что вокруг катуш-
ки, по которой протекает
ток, существует магнит-
ное поле, весьма похожее
на поле постоянного маг-
нита. Простейшим типом
такой катушки служит
виток тока — катушка,
состоящая из одного вит-
ка проволоки. Виток тока
в магнитном отношении
ведет себя как магнитная
стрелка, перпендикуляр-
ная плоскости витка. Действительно, если подвесить
виток тока в магнитном поле, то под действием магнит-
ных сил виток установится так, чтобы его магнитный
момент р. совпал с направлением линий поля.
Теория показывает, что магнитный момент любого
замкнутого проводника с током равен произведению
силы тока / на площадь витка S:
P = /S.
Так как по теории Бора электроны в атоме движут-
ся по круговым 1 орбитам, то каждой электронной орби-
те соответствует определенный орбитальный магнит-
ный момент р,. Величина орбитального момента зави-
сит от площади круга орбиты S. Мы знаем, что радиус
электронной орбиты в атоме не может быть произволь-
ным. Существуют орбиты только определенных радиу-
сов Г|, г2, г3, ..., причем радиусы второй, третьей и т. д.
орбит в целое число раз больше радиуса орбиты rt.
Поэтому и орбитальные магнитные моменты не мо-
гут принимать любых значений — они всегда кратны
1 Как уже упоминалось, электроны могут двигаться и по
эллиптическим орбитам, но для простоты мы говорим только о
круговых.
76
магнитному моменту
первой орбиты рь на-
званном у магнетоном
Бора. Электрон, дви-
гаясь по любой воз-
можной .атомной орби-
те, может обладать
магнитным моментом
ц, равным либо |Л|,
либо 2рt, либо 3pj и т. Д.» но никогда не может иметь
3 •
момент, равный, скажем, pj.
Магнетон Бора служит как бы своеобразным мель-
чайшим зерном, «атомом» магнетизма, подобно тому
как заряд электрона играет роль «атома» электриче-
ства. Как показывает расчет, величина магнитного
момента р При движении электрона по некоторой орби-
те равна произведению азимутального квантового чис-
ла на магнетон Бора:
Н = ^Pi-
Это значит, что магнитный момент зависит не от раз-
мера, а от формы орбиты.
Какое же влияние на характер излучения света
атомом оказывает существование у электрона магнит-
ного момента? Ответ на этот вопрос зависит от того, в
каких условиях находятся атомы, излучающие свет.
Мы уже неоднократно подчеркивали, что длины волн
спектральных линий определяются энергиями электро-
на на начальной и конечной орбите атома. Поэтому при
отсутствии внешнего магнитного поля в атомном
спектре роль магнитного момента не проявляется. Дру-
гим будет ответ, когда источник света находится в маг-
нитном поле.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И АТОМНЫЙ СПЕКТР
(Пространственное квантование)
В 1896 г. голландский физик Зееман по совету сво-
его учителя Г. Лоренца поставил такой опыт. Поме-
стив источник света между полюсами сильного элек-
тромагнита, он наблюдал в спектроскоп, как влияет
77
внешнее магнитное поле на вид спектральных линий.
Оказалось, что, как и предполагал Лоренц, при включе-
нии электромагнита каждая спектральная линия как бы
расщеплялась на три близкие линии. Это нормальное
явление Зеемана вполне удовлетворительно сумел объ-
яснить Лоренц, исходя из Томсоновой модели атома.
Но вскоре выяснилось, что чаще спектральные ли-
нии под действием магнитного поля расщепляются не
на три, а на пять, семь и большее число тонких линий.
Такое расщепление в отличие от нормального явления
Зеемана было названо аномальным («а* — греческое
отрицание, соответствующее русскому «не»). Аномаль-
ный эффект Зеемана электронная теория совершенно
не могла объяснить. Естественно, что теория Бора дол-
жна была доказать, что явление Зеемана можно объяс-
нить на основе планетарной модели атома.
Для этой цели в теории Бора пришлось сделать еще
два необычных предположения. Одно, получившее на-
звание пространственного квантования, утверждает,
что плоскость орбиты не может располагаться в про-
странстве произвольным образом; «дозволенными» яв-
ляются только некоторые определенные ориентации.
Например, пусть атом находится в магнитном поле,
направленном вертикально вверх. Тогда плоскость лю-
бой орбиты может располагаться только таким обра-
зом, чтобы проекция орбитального магнитного момен-
та р на вертикаль содержала целое число магнетонов
Н	и^р-1	п^-2
т = 2
т--2
7Я
Бора. Обозначим проекцию магнитного момента ц на
направление магнитного поля Н через Кл,- Тогда усло-
вие пространственного квантования выразится в виде
равенства:
где т — целое число (положительное или отрицатель-
ное), называемое магнитным квантовым числом.
Так как проекция отрезка не может быть больше
самого отрезка, то меньше или равно р. Но орби-
тальный магнитный момент ц тоже кратен рь а именно
ц= и? • Сопоставляя формулы для и р, получим,
что магнитное квантовое число может принимать сле-
дующие значения: т = 0, ±1, ±2,..., ±п^. Например,
орбита, азимутальное число которой л<р=1, может
иметь три ориентации ш = 0, ±1. У орбиты с = 2 воз-
можны пять ориентаций: т = 0, ±1, ±2 и т. д. Вспо-
мним теперь, что магнитное поле стремится повернуть
магнитную стрелку и установить ее вдоль силовых ли-
ний. Следовательно, любой магнитный момент облада-
ет некоторой энергией в магнитном поле. Величина этой
магнитной энергии равна произведению напряженно-
сти поля Н на проекцию магнитного момента
Так как электронная орбита обладает магнитным
моментом, то в присутствии магнитного поля энергия
электрона будет состоять, помимо кинетической и элек-
трической, еще из магнитной энергии WM. Для разных
ориентаций орбит различно, поэтому и величина до-
бавки (сама по себе незначительная) будет неоди-
накова.
Второе предположение, сделанное в теории Бора, —
это правило отбора магнитного квантового числа. Ра-
нее мы уже встречались с одним правилом отбора для
азимутального числа
По новому правилу возможность перехода электро-
на с одной орбиты на другую зависит не только от форм
этих орбит, но и от их ориентаций. А именно дозволены
такие переходы, при которых, помимо выполнения
условия Дп? — ±1, магнитные числа tn2 и тх нячяль-
79
ной и конечной орбит либо равны, либо отличаются на
единицу. Это правило выражается в виде формулы:
т2— /и1 = Д/и = 0,
Таким образом, на произвольную орбиту может
4 упасть» электрон с трех различно ориентированных
более высоких орбит данного размера и формы.
Теперь можно представить себе, какое влияние на
атомный спектр оказывает внешнее магнитное поле.
Пусть источник содержит три миллиона атомов водо-
рода, у которых электрон движется по орбите л^=1.По
условию пространственного квантования такая орбита
может иметь три ориентации. Можно предположить,
что из общего количества излучающих атомов (три
миллиона) у одного миллиона атомов орбита имеет
одну ориентацию, у второго миллиона — другую, а у
оставшегося количества атомов орбиты расположены
третьим возможным образом. У каждого атома элек-
трон с более высокой орбиты может упасть на одну и
ту же нижнюю орбиту. При этом, конечно, будет излу-
чаться квант света, равный разности энергий на верх-
ней и нижней орбите:
Поскольку в отсутствие магнитного поля энергия элек-
трона не зависит от ориентации орбиты, то все три мил-
лиона атомов излучат одну и ту же спектральную ли-
нию.
Если же источник света находится в магнитном
поле, то полная энергия электрона начальной орбиты
будет зависеть от ее ориентации. Поэтому в этом случае
80
мы будем вместо одной спектральной линии, излучае-
мой тремя миллионами атомов, наблюдать три различ-
ные линии, каждая из которых излучена одним мил-
лионом атомов. Таким образом, и, согласно теории
Бора, должно всегда наблюдаться расщепление спек-
тральной линии в магнитном поле па три близкие ли-
нии — «триплет», т. е. нормальный эффект Зеемана.
А как объяснить аномальную разновидность этого эф-
фекта? На этот вопрос теория Бора смогла ответить
значительно позднее, когда был открыт «спин» элек-
трона.
О том, что такое «спин» и как он был открыт, и
рассказывается дальше.
СПИН И СОБСТВЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ЭЛЕКТРОНА
Рассматривая спектры щелочных металлов в очень
сильные спектроскопы, ученые обнаружили, что в
действительности каждая линия состоит из двух близ-
ких линий, образует «дублет». Но почему происходит
такое расщепление каждой спектральной линии па две,
образующие тонкую структуру спектра? Ответить на
этот вопрос теория Бора, несмотря на многие попытки,
не смогла. Вновь в теоретической физике создалось труд-
ное положение. Но, как всегда, в истории естествозна-
ния такие трудности в науке служат толчком к даль-
нейшему углублению представлений о свойствах мате-
рии. Так произошло и на этот раз.
В 1925 г. молодые голландские физики Гаудсмит и
Юленбек предложили интересное объяснение причины
возникновения дублетов с помощью так называемой
гипотезы спина.
Спин — это английское слово, означающее веретено,
волчок. Согласно гипотезе Гаудсмита и Юленбека, каж-
дый электрон, двигаясь по эллиптической орбите во-
круг ядра, одновременно вращается вокруг собственной
оси. Таким образом, гипотеза спина еще больше упо-
добляет движение электрона в атоме движению вокруг
Солнца планет, совершающих и годовое, и суточное
вращение. В дальнейшем выяснилось, что аналогия эта
только внешняя.
Свойство электрона вращаться вокруг своей оси и
называется спином. Так как электрон обладает элек-
6	81
трическим зарядом, то это вращение должно сопровож-
даться образованием магнитного поля, характеризуе-
мого собственным магнитным моментом. Иными слова-
ми, электрон в атоме обладает, помимо орбитального
магнитного момента ц, являющегося следствием орби-
тального движения, еще и собственным магнитным мо-
ментом возникающим от «спинового» вращения.
Согласно гипотезе Гаудсмита и Юленбека, спин и
собственный магнитный момент электрона должны
обладать следующими основными свойствами:
1) Угловая скорость «суточного» вращения элек
трона вокруг собственной оси всегда одна и та же и яв-
ляется величиной, характерной для электрона. Отсюда
следует, что и спиновый магнитный момент электро-
на — это универсальная постоянная, равная, как пока-
зали последующие опыты, магнетону Бора.
2) Ось электрона, т. е. ось его собственного враще-
ния, может располагаться в пространстве только одним
единственным образом. Это надо понимать так. Допу-
стим, что поместили атом в магнитное (или электриче-
ское) поле, направленное вертикально вверх. Тогда оси
вращения всех электронов этого атома обязательно
займут также вертикальное положение. При этом каж-
дый из электронов может вращаться вокруг этой оси
либо по часовой, либо против часовой стрелки. В зави-
симости от направления вращения собственный маг-
нитный момент электрона направлен либо вверх, либо
вниз.
Приняв во внимание свойства спина, мы можем те-
перь объяснить в общих чертах, почему спектральные
линии представляют собой дублеты. Дело в том, что
из-за наличия у электрона спинового магнитного мо-
мента полная энергия каждого электрона в атоме все-
гда состоит из трех слагаемых. Это — кинетическая
энергия движения, электрическая энергия взаимодей-
ствия (притяжения) к
ядру и магнитная энер-
гия взаимодействия орби-
тального и спинового маг-
нитных моментов. По-
следнее слагаемое мало
по сравнению с двумя
первыми, его теория
82
Бора не учитывала и не могла учи-
тывать до появления гипотезы
спина. И до тех пор, пока физики
рассматривали спектр одновалент-
ных атомов в общих чертах, такое
пренебрежение оказывалось вполне
допустимым. Для того же, чтобы
объяснить тонкую структуру спек-
тра, необходимо было учесть маг-
нитное взаимодействие моментов.
Допустим, что в источнике света
одновременно излучает одну и ту
же линию определенное количество
одновалентных атомов. Это может
быть в том случае, если внешние
электроны во всех атомах движутся
по одинаковым орбитам. При этом
кинетическая и электрическая энергия внешнего элек-
трона во всех атомах одна и та же. Но магнитная энер-
гия может быть различной. У той части атомов, где
собственный магнитный момент электрона параллелен
его орбитальному магнитному моменту, величина взаи-
модействия будет «иной, чем у второй части, где эти
магнитные стрелки будут антипараллельны. Поэтому
у одной половины атомов энергия внешнего электрона
будет отличаться, хотя и незначительно, от соответ-
ствующей энергии у другой половины излучающих
атомов. Следовательно, и частота излучаемых ими све-
товых волн будет несколько отличаться, и мы увидим
в спектроскопе дублет.
Итак, если принять гипотезу спина, то становится
понятна тонкая структура спектра. Но достаточно ли
этого доказательства для принятия этой гипотезы?
Оказывается, что можно поставить опыты, непосред-
ственно подтверждающие эту гипотезу. Наиболее убе-
дительный опыт осуществили немецкие физики Штерн
и Герлах. В сосуде, из которого до предела был выка-
чан воздух, создавался узкий пучок быстрых электро-
нов. С помощью сильного электромагнита внутри сосу-
да можно было создавать неоднородное магнитное
поле, направленное перпендикулярно к направлению
движения электронов. Когда поле отсутствовало, элек-
троны попадали в центр экрана. При включении же
83
электромагнита на экране вместо одного пятна получа-
лось два, расположенных симметрично по обе стороны
от центра. Это расщепление пучка можно объяснить
только тем, что у одной части летевших электронов
собственный магнитный момент был направлен вдоль
поля, у другой — против поля. Поэтому сила отклоняю-
щего действия со стороны внешнего поля на электроны
будет различной и пучок разделится на два. Более того,
из своего опыта Штерн и Герлах вычислили собствен-
ный магнитный момент электрона. Он оказался в точ-
ности равным одному магнетону Бора.
Что электрон обладает спином и связанным с ним
магнитным моментом, следует также из магнитно-
механических опытов. Один из них был поставлен еще
в 1916 г. А. Эйнштейном и голландским физиком-
экспериментатором де Гаазом. Внутри проволочной ка-
тушки подвешивается на тонкой нити железный стер-
женек. Если по катушке пропустить ток, то его магнит-
ное поле намагнитит стерженек. При изменении на-
правления тока в катушке стерженек перемагничивает-
ся, и при этом, как обнаружилось, стерженек немного
повернется вокруг оси, закручивая нить, на которой
он висит. Через несколько лет физик Барнет осуще-
ствил обратный опыт: приводя в быстрое вращение
железные стерженьки, он заметил их намагничивание.
При изменении направления вращения стерженьки пе-
ремагничивались.
Оба эти опыта до появления гипотезы спина не
могли быть удовлетворительно объяснены. Когда же
выяснилось, что каждый электрон представляет собой
как бы волчок с магнитной стрелкой, направленной
вдоль оси вращения, то сущность магнитно-механиче-
ских явлений стала совершенно понятной. Более того,
из опытов Эйнштейна—де Гааза и Барнета можно было
вычислить величину собственного магнитного момента
электрона — он оказался и в этом случае равным маг-
нетону Бора.
Рассмотрим теперь некоторые общие вопросы, свя-
занные со спином электрона и его магнитным момен-
том. Существование у электрона спина еще раз убеж-
дает нас в справедливости гениального научного про-
рочества В. И. Ленина, который, исходя из общих зако-
нов диалектического материализма, еще более 50 лет
84
назад утверждал, что «электрон так же неисчерпан,
как и атом».
Действительно, можно ли считать электрон просто
маленьким заряженным шариком, как утверждали в
свое время некоторые ученые? Конечно, нет. Электрон
обладает многими своеобразными свойствами, и пре-
жде всего спином и связанным с ним магнитным мо-
ментом. При этом, как в настоящее время твердо дока-
зано, спин нельзя понимать буквально, как вращение
электрона вокруг собственной оси. Спин — это такое же
внутреннее свойство электрона, как и его заряд или
масса. Кстати, спином и собственным магнитным мо-
ментом обладает не только электрон, но и некоторые
другие элементарные частицы и в том числе нейтрон,
лишенный электрического заряда. Величину спина ча-
стицы выражают в условных единицах. Так, спин элек-
трона, протона и нейтрона равен 1/г фотона — 1, у тя-
желых мезонов — 0.
©лшсклпрфиасьп ш лтгфсмзми
этой главе мы познакомимся с основными свой-
ствами электронов, образующих оболочку атома, с
историей развития наших представлений об электроне
и электронных явлениях.
ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ
К началу XX в. физики убедились в том, что веще-
ство любого тела имеет электрическое строение. Это
подтверждалось разнообразными фактами: существо-
ванием катодных и анодных лучей, фотоэлектрическим
эффектом и термоэлектронной эмиссией, существова-
нием электрона и радиоактивным распадом.
Но если все тела состоят из положительных и отри-
цательных зарядов, то как объяснить существование в
природе веществ с совершенно отличными физически-
ми свойствами? Почему наряду с электрическими про-
водниками встречаются изоляторы? Отчего одни тела
легко намагничиваются, а на другие магнитное поле
практически не действует? В чем причина того, что
стекло прозрачно (пропускает световые электромагнит-
ные волны), а металлы нет? С другой стороны, метал-
лы хорошо проводят тепло, а стекло — плохо. С чем
это связано?
Чтобы ответить на эти и многие подобные вопросы,
необходимо было создать электрическую теорию строе-
ния вещества. За решение этой большой и интересной
задачи взялся голландский физик-теоретик Гендрик
Антон Лоренц. Свою теорию он создавал более десяти
лет и в окончательном виде изложил в знаменитой
книге «Теория электронов», изданной в 1909 г.
86
Основным опытным фактом, послужившим Лорен-
цу исходным пунктом при создании электронной тео-
рии, было открытие электрона, а важнейшим теорети-
ческим положением — модель атома по Томсону. От-
крытие электрона доказало зернистое, или, как при-
нято говорить, дискретное строение электричества. Лю-
бой электрический заряд всегда равен целому числу
элементарных зарядов е.
По электронной теории Лоренца атомы вещества со-
стоят из отрицательных электронов и положительно за-
ряженных частиц. Эти мельчайшие заряды служат ис-
точниками электрического поля внутри вещества. При
своем движении электроны образуют вокруг себя еще и
магнитное поле. Таким образом, в веществе существует
порожденное атомными зарядами электромагнитное
поле, в свою очередь воздействующее на эти заряды.
Различия в свойствах тел, согласно этой теории, объ-
ясняются разным пространственным распределением
зарядов и характером их движения -внутри вещества.
ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛАХ
Первым успехом электронной теории было объясне-
ние причин различия в свойствах проводников
электричества (металлов) и диэлектриков (изоляторов).
Если собрать электрическую цепь из нескольких раз-
личных металлов и пропустить по цепи ток, то никакого
изменения химического состава у металлов при этом не
наблюдается. Так, например, ученый Рике пропускал по
такой цепи ток большой силы в течение нескольких ме-
сяцев. Но последующий химический анализ проводни-
ков не обнаружил ни малейшего присутствия в каж-
дом из них следов атомов другого. Это могло быть при
условии, что носителями электрического тока в метал-
лах служат заряды, лишенные химической индивиду-
альности, т. е. такие части атома, которые совершенно
одинаковы у всех металлов ’. Поэтому предположили,
1 Наоборот, прохождение тока через электролиты (растворы
солей, кислот и щелочей) всегда сопровождается выделением не-
которых веществ на электродах. В этом случае носителями тока
являются положительно и отрицательно заряженные части ато-
мов — ионы, движущиеся в противоположных направлениях.
87
что носители тока в металлах — это электроны, ведь
электроны разных тел одинаковы.
Металл по электронной теории состоит из непо-
движных положительных ионов, расположенных в уз-
лах кристаллической решетки, и свободных электронов,
которые могут, почти не взаимодействуя с ионами и
друг с другом, двигаться хаотически внутри металла,
подобно частицам газа. Если к металлу приложить
разность потенциалов, то хаотическое движение элек-
тронов превратится в направленное ускоренное движе-
ние под действием сил электрического поля. Так как
теперь электроны будут двигаться преимущественно в
одну сторону, то они будут переносить заряд, т. е. по
металлу пойдет ток. На пути электронам встречаются
ионы, сталкиваясь с которыми электроны отдают им
накопленную кинетическую энергию. Ионы начина-
ют интенсивнее колебаться — температура металла
повышается. Вот почему при прохождении тока в
проводнике выделяется теплота (закон Джоуля —
Ленца).
Основное положение электронной теории — носите-
ли тока в металлах — это электроны — было доказано
опытами Толмена и Стюарта в 1916 г. Идея их опытов
состояла в следующем: если куску металла сообщить
большую скорость, скажем, вправо, а затем его резко
затормозить, то находящиеся в нем электроны по инер-
ции будут продолжать свое движение. Электроны, на-
копившись в правой части металла, образуют отрица-
тельный заряд. Левая часть куска металла, лишившись
части электронов, зарядится положительно. С помощью
весьма чувствительного гальванометра Толмен и Стю-
арт действительно обнаружили возникшую между кон-
цами металлического стержня разность потенциалов.
Более того, из этих опытов они определили величину
заряда электрона. Она оказалась такой же, как и в
опытах Милликена.
Электронная теория металлов, исходя из указанных
представлений, довольно просто объясняла не только
закон Джоуля—Ленца, но и закон Ома: чем выше на-
пряжение, тем с большей скоростью движутся в метал-
ле электроны, т. е. сила тока увеличивается. Также
просто эта теория выяснила причину зависимости
удельного сопротивления металла от температуры. Чем
88
Г. А. Лоренц
(1854—1928)
Выдающийся гол-
ландский физик-теоре-
тик. Основоположник
электронной теории,
объяснившей строение
различных типов тел.
Выяснил сущность мно-
гих электрических и
оптических явлений.
выше температура, тем сильнее колебания ионов, а зна
чит, тем чаще сталкиваются с ними электроны, т. е.
с повышением температуры электронам все труднее
пробираться через металл — сопротивление увеличи-
вается.
В физике существует закон Видемана—Франца, по
которому, чем лучше металл проводит электрический
ток, тем лучше он проводит и тепло. Так, наилучшие
проводники среди металлов — серебро, медь, золото —
прекрасные проводники тепла. Электронная теория
объяснила и этот закон. Электропроводность металла,
естественно, тем выше, чем больше в нем свободных
электронов.
От количества свободных электронов должна зави-
сеть и теплопроводность металла. Действительно, если
нагреть левый конец металлического стержня, то при
этом увеличится размах колебаний атомов (вернее,
атомных остатков) в узлах решетки. Сталкиваясь с эти-
ми атомами, электроны тоже начнут двигаться быст-
89
рее. Можно сказать, что «давление электронного газа»
в левой части стержня станет больше, чем в правой.
Поэтому быстро движущиеся электроны будут переме-
щаться вправо, сообщая свою избыточную энергию
встречающимся на их пути атомам. В результате в пра-
вой части стержня частота колебаний атомов также
увеличится, что приведет к повышению температуры.
Чем больше в металле свободных электронов — «пе-
реносчиков тепла», тем быстрее распространяется
в нем теплота. Таким образом, не только электронро
водность, но и теплопроводность металла пропорцио-
нальна числу существующих в нем свободных элек-
тронов.
Сущность термоэлектронной эмиссии по теории Ло-
ренца состоит в следующем. Так как суммарный заряд
всех электронов и ионов металла равен нулю, то элек-
трического поля вне и внутри металла в обычных усло-
виях нет. Поэтому электроны довольно свободно дви-
жутся между ионами, только изредка сталкиваясь с
ними. Электроны в металле напоминают мелких ры-
бок, плавающих внутри сети с очень крупными ячей-
ками.
Но эта аналогия сразу же исчезает, как только элек-
трон выскочит за пределы металла. Ибо в отличие от
рыбки, выплывшей из сети, на вылетевший из металла
электрон начинает действовать сила, втягивающая его
обратно внутрь. Нетрудно понять причину появления
этой силы. Ведь вокруг металла пет электрического
поля именно потому, что отрицательный заряд электро-
нов уравновешивается положительным зарядом ионов.
Но как только хотя бы один электрон вылетит из ме-
талла, металл заряжается положительно. Между ме-
таллом и электроном по закону Кулона возникает сила
притяжения — она-то и заставит электрон возвратиться
в металл. Поэтому в обычном, холодном состоянии
электроны не могут вырваться из металла. А при на-
гревании металла скорость электронов увеличивается
и при достаточно высокой температуре некоторые наи-
более быстрые электроны способны уже преодолеть
электрическое притяжение и вырваться наружу. Чем
выше температура металла, тем большее количество
электронов вырывается, или, как говорят, эмитирует
из металла.
90
ДИЭЛЕКТРИКИ
Рассмотрим, как электронная теория объясняет
строение диэлектриков. Если поместить диэлектрик
в электрическое поле, скажем, между пластинами кон-
денсатора, то на его поверхности появятся заряды:
сторона, которая ближе к положительной пластине,
приобретает отрицательный, а противоположная — по-
ложительный заряд. Явление накопления в электриче-
ском поле противоположных зарядов на поверхности
диэлектрика называется поляризацией.
Степень накопления в электрическом поле зарядов
на поверхности диэлектрика характеризуют поляриза-
цией Р, равной величине заряда 1 см2 поверхности
тела. Опыт показывает, что с увеличением напряжен-
ности поля Е растет и поляризация диэлектрика. Но не
все диэлектрики в одном и том же поле поляризуются
одинаково. Поляризация диэлектрика определяется по
формуле:
Р=а£,
где а — коэффициент пропорциональности, зависящий
от рода диэлектрика и называемый поляризуе-
мостью
По Лоренцу, в отличие от проводников в диэлектри-
ке нет свободных зарядов. Каждый атом в нем, как и в
свободном состоянии, нейтрален: электроны удержива-
ются притяжением к центру положительно заряжен-
ного шара (модель Томсона). Если поместить диэлек-
трик во внешнее электрическое поле, то это поле будет
действовать на отрицательные и положительные заря-
ды атомов силами, направленными в противоположные
стороны. В результате каждый атом как бы растяги-
вается подобно пружине, на концах которой располо-
жены разноименные заряды.
Под действием поля деформируются, или, как гово-
рят, поляризуются, все атомы тела. Строение поляризо-
ванного диэлектрика схематически изображено на ри-
сунке. Внутри тела отрицательные и положительные
1 Электрические свойства диэлектрика чаще характеризуют
диэлектрической постоянной е, которая связана с поляризуемо-
стью простой зависимостью е = 1 + 4 ка.
91
заряды компенсируются, а на левой и правой гранях
накапливаются разноименные заряды. Чем сильнее
растянуты «пружины» атомов, тем большее количество
зарядов оказывается на поверхности тела. Но для боль-
шей деформации атомов необходимо приложить боль-
шую силу. Поэтому с увеличением напряженности
внешнего поля Е растет поляризация диэлектрика Р.
С помощью таких представлений о строении ди-
электриков Лоренц и его последователи вполне удовле-
творительно объяснили известные тогда свойства тел,
не проводящих электрического тока.
После этих работ Лоренца многие физики-экспери-
ментаторы начали всесторонне изучать свойства раз-
личных диэлектриков. И вот к каким выводам они
вскоре пришли. Большинство диэлектриков действи-
тельно ведет себя «нормально», т. е. так, как это сле-
дует из теории Лоренца. Наряду с этим существуют в
природе и такие диэлектрики, свойства которых
нельзя понять, если стоять на точке зрения Лоренца.
Так, например, по Лоренцу, поляризуемость а, опреде-
ляемая смещением зарядов в атомах вещества, не дол-
жна зависеть от температуры. Для большинства ди-
электриков это справедливо. Но у некоторых непровод-
ников величина коэффициента а очень сильно зависит
от температуры: чем более нагрето тело, тем хуже оно
поляризуется. Кроме того, у такого типа диэлектриков
наблюдается еще одно непонятное с точки зрения тео-
рии Лоренца явление — насыщение поляризации.
о		О xnzvn. О	О	ч/4 Z С?	О "VW	о
о		©-VXZV©	© ЧЛ-rxrvO			О
о		О njxrvO	© ГчГ	jvO	© VW	о
© о		© о			© WV	о
©			© “\/4ZV-O		©\Z\Z>	о
А именно при очень
низких температурах и
огромных электрических
полях поляризация ди-
электрика достигает не-
которого максимального
значения и при дальней-
шем увеличении поля не
растет. По Лоренцу, по-
ляризация Р всегда пря-
мо пропорциональна на-
пряженности электриче-
ского поля £.
Выход «из создавшего-
ся положения нашел за-
мечательный французский физик Поль Ланжевен в
1912 г. Он выяснил, что существуют два типа диэлек-
триков. У одних поляризация действительно происхо-
дит по схеме Лоренца. У второго же типа диэлектриков
молекулы, хотя в целом и нейтральны, имеют несим-
метричное, или, как говорят, полярное, электрическое
строение. Простейшим примером такого типа диэлек-
триков может служить молекула кристалла поварен-
ной соли. Эта молекула состоит из положительного
иона натрия и отрицательного иона хлора. Сила при-
тяжения между ионами столь велика, что внешнее
электрическое поле не в состоянии растянуть, деформи-
ровать такую молекулу, говорят, что она жесткая. Та-
кая молекула ведет себя в электрическом поле так, как
магнитная стрелка в магнитном поле. Поэтому будем
называть жесткие молекулы таких диэлектриков элек-
трическими стрелками. Пока внешнего поля нет, элек-
трические стрелки молекул расположены совершенно
хаотически и в целом тело не поляризовано. Под дей-
ствием же поля электрические стрелки рачнут пово-
рачиваться, ориентируясь вдоль поля, что и приводит
к поляризации. Конечно, такому упорядочению будет
мешать тепловое хаотическое движение молекул. По-
этому у таких диэлектриков с жесткими электриче-
скими стрелками поляризуемость а должна зависеть
от температуры: чем выше температура тела, тем мень-
ше его поляризуемость.
С точки зрения теории Ланжевена нетрудно понять,
93
в чем сущность насыщенной поляризации и почему это
явление наблюдается при низких температурах и в
очень сильных полях. Насыщение поляризации диэлек-
триков с жесткими молекулами наступит тогда, когда
все электрические стрелки повернутся вдоль поля.
С этого момента дальнейшее увеличение внешнего поля
не может увеличить поляризацию.
Степень средней ориентированности в диэлектрике
электрических стрелок тем выше, чем больше повора-
чивающая их сила и чем меньше тепловое движение
молекул. Полная ориентированность электрических
стрелок может наблюдаться только в очень сильных
полях и при весьма низких температурах.
МАГНЕТИКИ
Магнетиками называются тела, способные намагни-
чиваться в магнитном поле. Строго говоря, маг-
нетиком может быть любое тело в природе. Но не все
тела ведут себя в магнитном поле одинаково.
Впервые, более ста лет назад, экспериментально
изучал поведение различных веществ в магнитном поле
Майкл Фарадей. Он подвешивал между полюсами элек-
тромагнитов стерженьки из различных металлов. При
включении электрического тока возникало сильное
магнитное поле, которое по-разному действовало на
различные стерженьки. Образцы, изготовленные из
вольфрама, марганца, платины, хрома, поворачивались
и располагались вдоль силовых линий магнитного
поля. Фарадей назвал их парамагнитными («пара» по-
гречески — вдоль). К группе диамагнитных веществ
Фарадей отнес медь, цинк, серебро, золото, висмут.
Стерженьки из этих металлов при включении тока уста-
навливались поперек силовых линий магнитного поля
(«диа» по-гречески — поперек).
Подобно парамагнитным телам, ведут себя в маг-
нитном поле железо, кобальт, никель и их сплавы. Но
так как они обладают особенно большой способностью
к намагничиванию даже в очень слабых полях, то их
выделили в особую группу — ферромагнетиков («фер-
рум» по-латыни — железо).
Фарадей обнаружил, что не только металлы и вооб-
ще твердые тела, но и жидкости, и газы способны на-
магничиваться — одни, как парамагнетики, другие,
как диамагнетики. На рисунке показано затягивание
в магнитное поле парамагнитной жидкости и выталки-
вание пламени свечи (раскаленные газы диамагнитны).
Подчеркнем еще раз, что, хотя большинство тел намаг-
ничиваются очень слабо, магнетизм является непре-
менным свойством любого вещества.
Одной из важнейших задач электронной теории
было объяснение природы магнетизма и причин суще-
ствования различных типов магнетиков. Прежде всего
следовало понять явление диамагнетизма. Ведь среди
различных веществ природы чаще всего встречаются
именно диамагнитные вещества (к ним относятся, на-
пример, водород, кислород, вода, стекло, каменная
соль). Другой, не менее важной причиной особого инте-
реса физиков к диамагнетизму была удивительная не-
обычность этого явления.
Намагничение — это накопление магнитных заря-
дов на поверхности тела, помещенного в магнитное
поле. Ясно, что намагничение тел в магнитном поле
должно быть подобно поляризации тел в электрическом
поле. Поэтому у магнетиков величина намагничения р
связана с напряженностью поля Н такой же формулой,
как поляризация диэлектриков:
где х — коэффициент пропорциональности, называе-
мый магнитной восприимчивостью. У диэлектриков по-
ляризуемость а всегда положительна, а магнитная
восприимчивость у диамагнитных тел отрицательна.
Какая же сила заставляет так располагать элемен-
95
tOo+Ь)
тарные магниты? Ответить на этот вопрос электронная
теория смогла после того, как было обнаружено плане-
тарное строение атомов.
Мы уже знаем, что любой электрон в атоме обла-
дает орбитальным и собственным магнитными момен-
тами. Каждый из этих моментов может быть направлен
в ту или противоположную сторону. Если сложить
алгебраически все магнитные моменты электронов, то
получится общий магнитный момент атома. (Ядро ато-
ма тоже обладает магнитным моментом, но он очень
мал, и его можно не учитывать.)
Очевидно, что у некоторых атомов общий магнит-
ный момент будет равен нулю. Таковы, например, ато-
мы инертных газов — гелия и неона, металлов — меди,
висмута и сурьмы и многих других веществ. Это все
диамагнитные материалы. В других случаях магнит-
ные моменты электронов в атоме не компенсируются и
общий момент их не равен нулю. Такие атомы ведут
себя как элементарные магнитики, а вещество, состоя-
щее из таких атомов, — парамагнитное.
Особый случай у ферромагнетиков. Атомы ферро-
магнитных веществ обладают магнитным моментом,
складывающимся, как оказалось, из спиновых момен-
тов внешних электронов.
Электронная теория показала, что в любом атоме
независимо от того, обладал ли он вначале магнитным
моментом или нет, под действием внешнего магнитного
поля возникает дополнительный момент, направлен-
ный в сторону, противоположную внешнему полю. Ве-
личина этого отрицательного по направлению диамаг-
нитного момента мала и становится заметной только
96
тогда, когда общий момент
атома в отсутствие поля ра-
вен нулю.
Каждый атом у парамаг-
нитных веществ обладает маг-
нитным моментом. Но в от-
сутствие внешнего магнитно-
го поля эти моменты направ-
лены совершенно хаотично, ( а
так что в целом, намагниче-
ние тела равно нулю. Если же
парамагнетик поместить в магнитное поле, то поле бу-
дет ориентировать атомные моменты, стремясь устано-
вить их вдоль силовых линий поля. Намагничение
парамагнетиков происходит так же, как поляризация
диэлектриков с жесткими стрелками.
Что же касается ферромагнетиков, то их строение
оказалось более сложным. Теория ферромагнетиков
была создана только на основе квантовой механики.
КАК АТОМНАЯ ФИЗИКА ОБЪЯСНЯЕТ ПЕРИОДИЧЕСКУЮ
СИСТЕМУ МЕНДЕЛЕЕВА
Перед физиками стояла задача — выяснить причину
периодичности свойств элементов, установленной
Менделеевым. Надо было понять, почему периодиче-
ски повторяются химические и спектральные свойства
атомов при последовательном увеличении порядкового
номера, т. е. заряда ядра, и, следовательно, числа элек-
тронов. Теория атома должна была объяснить, почему
таблица Менделеева может служить как бы картой
атомного мира.
И эту сложнейшую проблему наука сумела решить.
Опыты указывали на то, что не все электроны в атоме
одинаково прочно связаны
с ядром и, по-видимому,
различно расположены в
атоме. Так, например, ато-
мы элементов первой
группы — щелочных метал-
лов — лития, натрия, ка-
лия, рубидия ч цезия легко
7
97
теряют по одному электрону, превращаясь в однозаряд-
ные ионы, но оторвать у них по второму электрону
оказывается неизмеримо труднее. У атомов элементов
второй группы — щелочноземельных металлов — бе-
риллия, магния, кальция, стронция, бария и радия
можно легко отделить два электрона. Но значительно
сложнее выбить третий, четвертый и все другие элек-
троны. Аналогично у элементов третьей группы. Из их
атомов по три электрона отрывается намного легче,
чем любой из последующих.
Естественно предположить, что легко отделяемые
электроны расположены в атоме дальше от ядра, чем
остальные. Двигаясь по более удаленным, перифериче-
ским орбитам, эти электроны менее прочно «привя-
заны» к ядру. Для отрыва таких «внешних» электронов
не нужно много энергии.
У каждого химического элемента электрон в атоме
можно разбить на несколько групп. Энергия ионизации
(т. е. отрыва от ядра) различных электронов одной груп-
пы приблизительно одна и та же, меняясь скачком при
переходе к последующей группе. Рассмотрим, напри-
мер, атом натрия. Он занимает 11-е место в таблице
Менделеева, и, следовательно, вокруг его ядра вращает-
ся одиннадцать электронов. Как показывают опыты,
один электрон отрывается легко. Но чтобы оторвать лю-
бой из последующих восьми электронов, нужно затра-
тить почти вдвое большую энергию. А на отрыв послед-
них двух электронов — десятого или одиннадцатого —
вновь нужно увеличить затрату энергии еще почти
вдвое. Очевидно, что одиннадцать электронов распола-
гаются в атоме натрия следующим образом: два элек-
трона наиболее прочно связаны с ядром — они движут-
ся по наименьшей орбите, последующие восемь — вра-
щаются по орбитам большего радиуса (одинакового для
всех этих восьми электронов), наконец, одиннадцатый,
последний электрон, движется по самой большой внеш-
ней орбите.
Возникает естественный вопрос: почему электроны
в атомах расположены именно так и как это располо-
жение связано с периодичностью свойств химических
элементов? На этот трудный вопрос электронная тео-
рия, исходившая из томсоновой модели атома, ответить
не могла. Да и теория Бора на первых порах не в со-
98
стоянии была разрешить поставленный вопрос. Только
в дальнейшем с помощью некоторых дополнительных
предположений и уточнений теория Бора смогла удо-
влетворительно решить указанную задачу.
Познакомимся с этим решением. Электроны в ато-
мах движутся по дозволенным, или, стационарным,
эллиптическим орбитам, характеризуемым, как мы
знаем, тремя квантовыми числами п, п? и /и. Для со-
гласования выводов теории с действительностью при-
шлось сделать допущение (смысл которого стал ясен
только в квантовой механике), что вместо азимуталь-
ного числа п следует пользоваться величиной /» на
единицу меньшей п?:
I =	1.
По условиям эллиптического квантования может
принимать значения 1, 2, ..., л, поэтому квантовое
число /, названное «орбитальным», может равняться
О, 1,___ (л—1). Орбиты, у которых /=0, называют
S-орбитами, /=1—P-орбитами, /=2— О-орбитами.
Что касается магнитного квантового числа /л, то, со-
гласно уточненному условию, возможные его значения
равны го=О, ±1, ±2,... , ±/.
Таким образом, размер орбиты характеризуется
главным квантовым числом п =	2, 3, ..., форма эл-
липса— орбитальным числом, пространственная ори-
ентация орбиты — числом го.
Все возможные орбиты данного размера, т. е. эллип-
сы с разными значениями /иго, но одинаковым л,
образуют л-ю оболочку. Легко видеть, что первая обо-
лочка (л=1) содержит только одну орбиту, ибо / и го
могут иметь только по одному значению /=0, го=О. Го-
ворят, что в этом случае есть одна орбита 1s.
Если л =2, то для / имеются две возможности: либо
/==0 (25-орбита), либо /=1 (2Р-орбита). Орбита 2s может
иметь одну ориентацию (го=О), а орбит 2Р с различной
ориентацией может быть три (го = О, го = ±1). Таким об-
разом, ко второй оболочке относятся четыре орбиты.
Аналогично у третьей оболочки. Она состоит из де-
вяти орбит: одна 3s, три ЗР и пять 3D.
Количество орбит у некоторой оболочки равно квад-
рату номера оболочки — л2.
*
99
Так как энергия электрона главным образом зави-
сит от размера орбиты, т. е. главного квантового числа
л, и только в незначительной степени от формы эллип-
са, то электроны одной оболочки имеют примерно оди-
наковую энергию.
Определив количество возможных орбит в атоме,
мы можем теперь выяснить, как электроны распола-
гаются по этим орбитам. Устойчивое, стационарное рас-
пределение электронов в атомах подчиняется двум
общим законам или принципам природы. Первый из
них — принцип минимума энергии. Для атомной си-
стемы этот принцип гласит: электроны с верхних обо-
лочек стремятся упасть на более низкие, на которых
энергия электронов меньше.
Если бы электроны в атомах подчинялись только
этому принципу, то в устойчивом атоме все электроны
располагались бы на первой оболочке. В действитель-
ности же электроны в атомах подчиняются еще и дру-
гому принципу — принципу Паули.
Анализируя многочисленные атомные спектры, не-
мецкий физик В. Паули пришел в 1927 г. к следую-
щему выводу: на одной орбите в атоме не может нахо-
диться более двух электронов. В настоящее время прин-
цип Паули формулируют так.
В атоме не может быть двух электронов в одном и
том же состоянии.
Электроны либо движутся по разным орбитам, либо,
двигаясь по одной орбите, различаются ориентацией
спинового магнитного момента.
Так как магнитная стрелка электрона может при-
нимать только два положения («вверх» и «вниз»), то
на одной орбите не может находиться более двух элек-
тронов ’.
Исходя из указанных двух принципов, можно по-
нять, как устроены атомы различных элементов и по-
чему они обладают теми или другими свойствами.
Согласно теории Бора, физическце и химические
свойства элементов определяются числом электронов на
1 Позднее выяснилось, что принципу Паули в такой общей
формулировке подчиняются не только электроны, но и прото-
ны, нейтроны и другие элементарные частицы, у которых спин
равен ’/г.
100
АТОМ ЛИТИЯ ATOM БЕРИЛЛ ИЯ АТОМ БОРА
АТОМ КИСЛОРОДА АТОМ АЗОТА АТОМ УГЛЕРОДА
АТОМ ФТОРА АТОМ НЕОНА
верхней, внешней оболочке. Атомы всех элементов од-
ной и той же группы таблицы Менделеева имеют оди-
наковое число внешних <валентных» электронов.
Теперь о связи между строением атома и периодич-
ностью в свойствах химических элементов при после-
довательном увеличении их порядкового номера.
Теория Бора показала, что эта периодичность —
следствие повторяемости в расположении электронов
на внешней оболочке, поскольку на каждой оболочке
может, по принципу Паули, располагаться ограничен-
ное число электронов.
Щелочные металлы относятся к первой группе таб-
лицы Менделеева — у них на внешней оболочке по од-
101
ному электрону. У элементов второй группы — два
внешних электрона, у элементов третьей группы — три
и т. д. Каждый период таблицы Менделеева начинается
с заполнения электронами новой оболочки, поэтому
периодическое заполнение новых оболочек ведет к пе-
риодичности свойств атомов.
Разберем это подробнее на анализе строения раз-
личных атомов. У атома водорода всего один электрон,
который находится на первой оболочке атома. Только
сообщив атому дополнительную энергию, например при
нагревании, можно заставить электрон перескочить на
какую-нибудь более высокую орбиту — атом будет ♦ воз-
бужденным». Но возбужденное состояние обычно не
сохраняется долго, электрон падает на нижнюю орбиту,
излучая при этом свет.
Второй элемент в системе Менделеева — гелий.
У гелия два электрона, оба они располагаются на пер-
вой оболочке. Так как первая оболочка состоит из од-
ной орбиты, то оба электрона гелия полностью ее запол-
няют. Это значит, что на первой оболочке больше сво-
бодных мест нет. Поэтому нетрудно понять, почему
гелий является инертным, или, как говорят, ♦благород-
ным» газом. Присоединить к себе электроны от другого
атома он не может, да и свои электроны передать дру-
гому атому ему не легко. Оба его электрона ♦ прочно
устроены» на собственной оболочке. Другое дело — во-
дород. У него на первой оболочке один электрон, в то
время как при «прочной упаковке» на ней могут нахо-
диться два электрона. Поэтому от атома водорода легко
оторвать его единственный электрон, при этом атом
водорода превращается в положительный ион, а тот
атом, который присоединил к себе этот электрон, станет
отрицательным ионом. Между разноименными ионами
возникнут электрические силы притяжения и из двух
атомов образуется единая молекула.
Гелием заканчивается первый период системы Мен-
делеева. Следующий, третий элемент — литий. У него
три электрона. По принципу минимума энергии все три
электрона стремятся расположиться на первой обо-
лочке, но это запрещено по принципу Паули. Поэтому
два электрона находятся на первой оболочке, а тре-
тий — вынужден расположиться на второй оболочке.
Легко понять, что вследствие такого строения его хими-
102
ческие и спектральные свойства должны быть подобны
водороду. Литий тоже может отдать один электрон (т. е.
является, как и водород, одновалентным элементом).
Четвертый элемент — бериллий, у него два элек-
трона на первой оболочке и два на второй, но вторая
оболочка, как мы знаем, состоит из четырех орбит, так
что всего на ней восемь мест. Поэтому эти два элек-
трона на второй оболочке не полностью заполняют ее
и легко могут быть отданы — бериллий двухвалентный
элемент. Пятый элемент — бор, из пяти электронов два
заполняют первую оболочку, а остальные три располо-
жены на второй оболочке. Элемент трехвалентный.
Углерод — шестой элемент, имеет на второй оболочке
четыре электрона, поэтому углерод — четырехвалент-
ный элемент. На седьмом месте — азот, у которого на
второй оболочке пять электронов. Азот может отдать
эти пять электронов, но еще проще для него оторвать
три электрона от другого атома и образовать заполнен-
ную вторую оболочку. Поэтому азот может быть и трех-
валентным (электроотрицательная валентность) и пяти-
валентным (электроположительная валентность).
Кислород — восьмой элемент. Он содержит на вто-
рой оболочке шесть электронов. До полной второй обо-
лочки не хватает двух электронов, поэтому кислороду
легко оторвать у другого атома два электрона, превра-
щаясь в дважды отрицательный ион. Кислород — двух-
валентный элемент с отрицательной валентностью.
На девятом месте элемент из группы галогенов —
фтор. На второй оболочке у него семь электронов,
т. е. до полной оболочки не хватает одного элек-
трона. Фтор — элемент одинарной отрицательной ва-
лентности. Последний, десятый, элемент во втором пе-
риоде — неон. У него на второй оболочке восемь элек-
тронов — оболочка заполнена. Неон, как и гелий, —
инертный газ.
Третий период начинается с одиннадцатого элемен-
та — натрия, у которого два электрона на первой обо-
лочке, восемь — на второй и одиннадцатый электрон
находится на третьей оболочке. Химические и спект-
ральные свойства у натрия должны быть аналогичны
литию и водороду.
Далее заполняется третья оболочка. Так, у двена-
дцатого элемента — магния, помимо двух заполненных
103
оболочек, на третьей оболочке находится два элек-
трона. Поэтому магний принадлежит ко второй группе
элементов — щелочноземельным металлам, подобно бе-
риллию, кальцию и др. Тринадцатый элемент — алю-
миний, у него на третьей оболочке три электрона. По
своим химическим свойствам он подобен бору. Анало-
гично заполняются оболочки следующих элементов:
кремний имеет четыре внешних электрона, фосфор —
пять, сера — шесть, хлор — семь и т. д.
ТЕОРИЯ БОРЛ УСТУПАЕТ МЕСТО КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ
а
Успехи теории Бора в объяснении закономерностей
спектров одновалентных элементов, явления Зее-
мана и строения различных атомов, казалось бы, при-
водили к выводу, что развитие физики атома должно
идти по пути дальнейшего совершенствования этой тео-
рии. Но уже примерно через десять лет после возник-
новения этой теории стала обнаруживаться все боль-
шая беспомощность ее при попытках объяснить спект-
ры двухвалентных и многовалентных атомов.
В 1925 г. усилиями большой группы молодых фи-
зиков-теоретиков различных стран начала создаваться
новая теория микромира — физика молекул, атомов,
электронов — волновая, или квантовая механика. К со-
жалению, квантовая механика — это очень сложная
теория, выводы которой трудно представить наглядно.
Поэтому мы не будем подробно останавливаться на
ней, а познакомимся лишь в самых общих чертах.
Для изучения строения атома не нужно глубокого
знания квантовой механики. Дело в том, что теория
Бора была гениальной догадкой многих атомных зако-
номерностей, поэтому большинство ее выводов в основ-
ном правильны, хотя исходные положения этой теории
были предположены Бором и его последователями спе-
циально с целью объяснения спектров водорода и ще-
лочных металлов.
Началом создания квантовой механики была ра-
бота французского ученого-материалиста Луи де Брой-
ля, опубликованная в 1924 г. Исходя из самых
общих представлений о двойственной природе света,
де Бройль выдвинул смелую гипотезу, что и частицы
104
вещества обладают наряду с корпускулярными также
и волновыми свойствами. По этой гипотезе каждой ча-
стице, движущейся со скоростью v, соответствует вол-
на, длина которой равна:
Л = —,
ти 9
где Л — постоянная Планка, т — масса частицы. Это —
знаменитая формула де Бройля.
Гипотеза де Бройля вскоре была полностью подтвер-
ждена непосредственными опытами.
Но прежде чем рассказать об этих опытах, рассмо-
трим еще раз формулу де Бройля, по которой, чем
больше масса ги, тем меньше длина волны Л. Если вы-
числить длину волны де Бройля для электрона, то она
приблизительно равна 1 А. (Один ангстрем). Такую
длину волны имеют жесткие рентгеновские лучи.
У атома водорода длина волны де Бройля в 2000 раз
короче (ибо атом водорода примерно в 2000 раз тяже-
лее электрона). Длина волны де Бройля для тела с мас-
сой 1 г будет еще в 1025 раз короче. Такие короткие
волны даже с помощью самых чувствительных совре-
менных приборов нельзя обнаружить, поэтому мы ни-
когда не замечали у тел волновых свойств.
Как только де Бройль опубликовал свою гипотезу,
американский физик Дэвидсон вместе с сотрудниками
осуществил опыты по исследованию отражения элек-
тронов от гладкой плоскости кристалла.
Оказалось, что пучки электронов действительно
обладают волновыми свойствами. Подобно световым
пучкам, они могут, например, интерферировать. Изме-
рения Дэвидсона, показали, что длина волны у элек-
тронов совпадает с теоретически вычисленной по фор-
муле де Бройля.
В дальнейшем многие ученые, и в том числе совет-
ский физик П. С. Тартаковский, осуществили много
различных опытов, полностью подтвердивших гипотезу
де Бройля.
Теория де Бройля сыграла фундаментальную роль
в развитии современной физики. Она показала, что мир
атома и атомных частиц — микромир отличается от
мира больших тел — макромира не только размерами
(количественно), но и своими свойствами (качественно).
105
В мире атома существуют свои особые физические за-
кономерности, к микрочастицам (молекулам, атомам,
электронам, ядрам и т. п.) полностью неприменимы
обычные представления, созданные наукой при изуче-
нии макроскопических тел.
По квантовой механике нельзя, например, предста-
вить электрон подобным очень маленькому шарику.
Электрон напоминает собой скорее своеобразное элек-
тронное облачко неоднородной плотности с совершенно
размытыми краями. А невозбужденный атом водорода
представляет собой шарообразное электронное облако,
в центре которого находится маленькое положительное
ядро. Плотность электронного облака с удалением от
центра постепенно возрастает, становясь наибольшей
на сфере радиуса Г|, а затем вновь уменьшается.
Интересно, что радиус сферы наибольшей плотно-
сти электронного облака и совпадает с радиусом пер-
вой орбиты атомной модели Бора—Резерфорда.
Мы видим, что представления о строении атома в
физике изменялись от модели Томсона к планетарной
модели Резерфорда—Бора и от нее к квантовомехани-
ческой теории. Каждая новая теория не отбрасывала
целиком старые представления, а непрерывно их со-
вершенствовала, заменяла новыми. Можно сказать, что
подтвержденная опытами старая физическая теория
до некоторой степени правильно отражала объектив-
ную реальность явлений природы и была рациональ-
ным зерном новой, более глубокой теории.
£ОЩЕРФ АШФСЮАХ
О ЧЕМ МОЖЕТ РАССКАЗЫВАТЬ МАССА ЯДРА?
Д| ы выяснили, что основная часть атома — ядро, за-
ряд которого равен порядковому номеру элемента, а
масса близка к массе всего атома. Ядро имеет сложное
строение и состоит из более простых частиц. Чтобы
изучить строение атомного ядра, надо было прежде
всего с большой точностью определить массы различ-
ных ядер.
Еще в начале XIX в. английский врач Проут заме-
тил, что атомные веса различных элементов приблизи-
тельно целочисленны, т. е. веса атомов в целое число
раз больше веса атома водорода. Причиной небольших
отклонений от целых чисел атомных весов у отдельных
элементов Проут считал недостаточную точность изме-
рений. Он высказал предположение, что атомы любого
элемента состоят из атомов водорода в количестве,
равном их атомному весу. Например, атомный вес
кислорода — 16, значит атом кислорода состоит из 16
атомов водорода. Последующие более точные измере-
ния показали, что в действительности у многих элемен-
тов атомный вес не целое число. Так, атомный вес хло-
ра — 35,5. Поэтому гипотеза Проута была отвергнута.
В 1906 г. сотрудники Резерфорда случайно смешали
два однородных соединения иония и тория. Но несмо-
тря на различие радиоактивных свойств и атомных ве-
сов этих элементов, никакими физическими или хими-
ческими способами разделить их не* удалось. Более
того, оказалось, что в любых химических реакциях
ионий и торий ведут себя одинаково. Дальнейшие ис-
следования показали, что подобные случаи, когда ато-
мы с различными атомными весами имеют тождествен-
ные химические свойства, встречаются и у нерадиоак-
тивных элементов.
107
Стало ясно, что среди одного и того же вида ато-
мов, характеризующих определенный химический эле-
мент, могут существовать несколько разновидностей.
Такие разновидности одного и того же химического
элемента, имеющие различные атомные веса, стали на-
зывать изотопами (по-гречески «изос» — равный, ♦то-
пос» — место), т. е. элементами, занимающими одно и
то же место в таблице Менделеева.
Некоторые элементы имеют до десяти изотопов. На-
личие нескольких изотопов, естественно, усложняет
определение массы ядер. Следовательно, определяя
атомный вес какого-нибудь элемента, мы фактически
сравниваем средний вес всех изотопов, входящих в
данный элемент, с весом водорода. Возникла задача —
научиться измерять массу отдельных атомов.
Для определения массы атома Томсон предложил
следующий способ. Заполнить элементом разрядную
трубку, в катоде которой есть отверстия. Ионизировав
атомы элемента, мы получим пучок быстро летящих
ионов — анодные лучи. Если же трубку с пучком этих
ионов поместить в магнитное или электрическое поле-
то пучок ионов будет отклоняться. Это можно обнару-
жить на фотопластинке. Величина отклонения для
ионов будет зависеть от их массы. Поэтому если в пуч-
ке содержатся ионы, скажем, трех изотопов, то мы по-
лучим вместо одного три пучка, в каждом из которых
содержатся ионы определенной массы. Масса иона
практически равна массе атома.
Так Томсон и другие ученые установили, что боль-
шинство элементов состоят из смеси изотопов и что
атомные веса изотопов выражаются целыми числами.
Лишь небольшое число состоит только из одного изо-
топа. К таким элементам, например, относятся фтор,
натрий, алюминий, фосфор, золото и др.
Целое число, характеризующее массу атомов изо-
топа, называют массовым числом.
В отличие от массового числа атомный вес может
быть не целым числом, если элемент состоит из смеси
нескольких изотопов. Так, например, газ хлор состоит
из смеси двух изотопов: хлора 35 и хлора 37. Так как
в природном хлоре содержится 3/ч части легкого изо-
топа и ‘/4 часть тяжелого изотопа, то средний атомный
вес получается 35,5.
108
Интересно отметить, что наряду с изотопами в при-
роде встречаются изобары. Изобарами называются раз-
личные химические элементы, имеющие одинаковый
атомный вес. Изобарами, например, являются инертный
газ аргон и металл кальций (атомный вес у них равен
40). Теория строения ядра должна объяснить, почему
изотопы, обладающие различными атомными весами,
химически неразличимы, а изобары с одинаковыми мас-
совыми числами совершенно отличны по своим физико-
химическим свойствам.
ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ЯДРА
Так как атомные веса изотопов всех элементов дей-
ствительно выражаются целыми числами, то вновь
возникла мысль о справедливости идеи Проута. А имен-
но, что ядра всех элементов построены из ядер водо-
рода, или, как их назвали, протонов (♦протон» — про-
стейший). Поэтому массы ядер (почти точно равные
атомным весам) должны быть кратными массе про-
тона.
Чтобы согласовать эту гипотезу с фактами, требова-
лось ее несколько дополнить. Так, если все ядра со-
стоят из протонов, то, скажем, ядро урана, атомный
вес которого 238, должно состоять из 238 положитель-
но заряженных протонов. (Протон имеет заряд, числен-
но равный заряду электрона.) Если бы ядро урана
состояло только из протонов, то заряд ядра был бы ра-
вен 238, в то время как в действительности он равен
92. В то время были известны только две элементар-
ные частицы — протон и электрон, поэтому предполо-
жили, что в ядре, кроме протонов,
есть еще и электроны в количестве,
равном разности атомного веса и
заряда ядра. Например, ядро ура-
на по этой гипотезе состоит из 238
протонов и 146 электронов.
Эта протонно-электронная гипо-
теза строения атомных ядер была
общепринятой в двадцатых годах.
Серьезным фактом, как будто под-
тверждающим наличие в ядре, по-
мимо протонов, еще и электронов,
109
был бета-распад, при котором из ядра самопроизволь-
но с большой скоростью вылетают электроны. Счита-
лось само собой разумеющимся, что атомные ядра мо-
гут выбрасывать только такие частицы, которые они
содержат внутри себя. Присутствие внутри ядра элек-
тронов считалось необходимым и по следующей при-
чине. Физика в то время не знала еще о существовании
в природе ядерных сил. Поэтому отрицательные элек-
троны в ядре должны были играть роль своеобразного
клея, связывающего одноименно заряженные положи-
тельные протоны. Но протонно-электронная гипотеза
строения ядра оказалась ошибочной.
ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
©
В 1920 г. Резерфорд смело предположил, что в при-
роде, помимо известных, существуют еще ядра с
зарядом, равным нулю, и массой, равной единице.
Но поставленные тогда Резерфордом и его учени-
ками опыты по обнаружению этих ядер оказались без-
успешными.
Через 10 лет немецкие ученые Боте и Беккер заме-
тили, что при бомбардировке альфа-частицами некото-
рых легких элементов (бериллия, бора, лития) возни-
кают какие-то лучи с огромной проникающей способ-
ностью— они проходят через толстые слои свинца
почти не ослабляясь. Боте и Беккер решили, что они
получили очень жесткие гамма-лучи.
В 1932 г. французские ученые Фредерик Жолио-
Кюри и его жена Ирен Кюри решили подробнее иссле-
довать излучение, образующееся при бомбардировке
бериллия альфа-лучами. Прежде всего они выяснили,
что эти лучи почти не ионизируют воздух, через кото-
рый они проходят. Но если на пути этих лучей поме-
стить парафин или какое-нибудь другое вещество, со-
держащее много водорода, то ионизирующая способ-
ность лучей резко возрастает. Супруги Кюри объяс-
нили это тем, что излучение
бериллия, проходя через та-
кое вещество, выбивает из
него ядра водорода (протоны),
которые вследствие большой
1Ве|Е2хРьН?
по
начальной энергии спо-
собны сильно ионизиро-
вать воздух. Они подсчи-
тали, какой энергией
должны обладать гамма-
лучи, способные выбить из тела столь быстрые прото-
ны. Оказалось, что эта энергия должна быть раз в 10
больше энергии, полученной из расчетов Боте и Бек-
кера. Такое большое расхождение (нельзя было объяс-
нить ошибкой в расчете, и, пснвидимому, оно имело
принципиальный характер.
Стало ясно, что создавшееся противоречие не мо-
жет быть объяснено без коренной ломки самих пред-
ставлений о природе бериллиевого излучения.
В 1932 г. английский ученый, сотрудник Резер-
форда, Чедвик, проанализировав результаты указан-
ных опытов, выдвинул следующую гипотезу: при облу-
чении бериллия (а также лития и бора) альфа-лучами
вылетают не гамма-лучи, а поток особых частиц, ли-
шенных электрических зарядов, по размеру и массе
близких к протонам. Эти частицы он назвал «нейтро-
нами». Эта гипотеза позволила без всяких противоре-
чий объяснить все особенности лучей, выбрасываемых
бериллием. Дальнейшее развитие физики полностью
подтвердило справедливость гипотезы Чедвика. Ней-
троны и были теми ядрами, которые предсказывал в
1920 г. Резерфорд.
Так как нейтроны не имеют заряда, то на них элек-
трические поля ядер или электронных оболочек атомов
не действуют. Поэтому для нейтрона всякое тело пред-
ставляет собой редкую решетку, через которую он лег-
ко может пройти. Удерживать нейтроны в сосуде прак-
тически невозможно. Все это затрудняло эксперименты
с нейтронами.
Чедвик впервые определил массу нейтрона; по со-
временным данным, она равна 1,001 массы протона.
В приближенных расчетах массы нейтрона и протона
можно считать одинаковыми, но тем не менее неболь-
шое различие (разность масс примерно равна массе
двух электронов) имеет важное принципиальное зна-
чение. Из закона взаимосвязи массы и энергии (рас-
сматривается далее) следовало самопроизвольное пре-
вращение нейтрона в протон и электрон. Позднее было
111
действительно обнаружено,
что в свободном состоянии
нейтрон бета-радиоактивен,
период его полураспада
равен примерно 13 мин.
Подобно электрону и про-
гону, нейтрон обладает спи-
ном, равным ’/2- Более того,
у незаряженного нейтрона
есть магнитный момент.
Этим еще раз подтверждает-
ся отмечавшееся ранее об-
стоятельство, что спин нельзя понимать буквально в
виде вращения частицы вокруг собственной оси. Ведь
такое вращение незаряженного нейтрона не могло бы
породить его магнитный момент.
Наличие у нейтрона магнитного момента можно
продемонстрировать на следующем опыте. На пути пуч-
ка нейтронов последовательно поставить два куска на-
магниченного железа. При этом оказывается, что ко-
личество прошедших через оба куска железа нейтронов
зависит от взаимного направления намагничения же-
лезных брусков. Если оба куска намагничены в одну
сторону, то нейтронов проходит больше, чем при взаим-
но противоположном направлении намагничения. Это
можно объяснить только тем, что магнитные моменты
нейтронов при прохождении через первый кусок же-
леза ориентировались вдоль его магнитного поля. Вза-
имодействие же таких направленных элементарных
магнитиков с магнитным полем второго куска железа
различно в зависимости от направления этого поля.
ПРОТОННО-НЕЙТРОННАЯ ТЕОРИЯ
СТРОЕНИЯ ЯДРА
С появлением новых открытий в
ядерной физике первоначаль-
ная протонно-электронная теория
ядра наталкивалась на ряд труд-
ностей. Одним из таких затрудне-
ний было следующее: если подсчи-
тать по законам квантовой механи-
112
ки энергию, которой должен обладать электрон, на-
ходясь внутри ядра, то получается совершенно немыс-
лимая огромная величина, несовместимая с опытными
данными.
Несовместима протонно-электронная гипотеза строе-
ния ядра и с представлениями о спине ядер. Возьмем,
например, ядро тяжелого водорода — дейтрон. По-
скольку массовое число у него равно 2, а порядковый
номер равен 1, то, согласно этой гипотезе, дейтрон со-
стоит из двух протонов и одного электрона. Но по-
скольку спин каждой из этих трех частиц равен ‘/г, то
спин всего ядра может быть равен либо 3/г (ориентации
спинов совпадают), либо ’/2 (два спина направлены в
одну сторону, третий — в противоположную). Опытные
же измерения показали, что спин дейтрона равен 1,
так что ядро дейтерия может состоять только из чет-
ного числа элементарных частиц.
Чтобы разрешить эти и ряд других принципиаль-
ных противоречий, советский физик Д. Д. Иваненко в
1932 г. выдвинул, а немецкий физик Гейзенберг теоре-
тически обосновал новую гипотезу строения ядра. По
этой гипотезе в ядре атома электронов нет, а все атом-
ные ядра состоят из протонов и нейтронов. Число про-
тонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а
общее число протонов и нейтронов равно массовому
числу. Иначе говоря, число нейтронов равно разности
между массовым числом и зарядом ядра. Например,
ядро урана имеет заряд, равный 92, а массовое чис-
ло — 238. Значит, в ядро урана входит 92 протона и
146 нейтронов.
Гипотеза Иванен-
ко —Гейзенберга пол-
ностью устранила вы-
шеупомянутые труд-
ности, но перед ней
возникла другая зада-
ча. Если в ядре нет
электронов, то откуда
же берутся бета-части-
цы при радиоактивном
распаде? На этот во-
прос протонно-ней-
тронная теория строе-
8
113
ния ядра отвечала так: при бета-радиоактивном рас-
паде внутри ядра происходит превращение нейтрона
в протон и электрон (сумма электрических зарядов про-
тона и электрона равна заряду нейтрона, т. е. нулю).
За счет энергии, выделяющейся при этом превращении,
электрон получает большую скорость и вылетает из
ядра. Возможно и обратное превращение протона в
нейтрон с выбросом из ядра позитрона.
Заслуга ныне общепризнанной протонно-нейтронной
теории, помимо выяснения действительной картины
строения атомных ядер, состоит еще в том, что по ее
выводам не только атомы и ядра, но и простейшие эле-
ментарные частицы не являются неизменными, а спо-
собны к взаимопревращениям.
ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР
В 1919 г. Резерфорд поставил эксперимент, сыграв-
ший важнейшую роль в атомной физике. Это был
опыт, когда впервые в физике удалось проникнуть
внутрь атомного ядра. До этого считалось, что воздей-
ствовать на ядра извне, изменять их строение по воле
человека, невозможно. Это мнение как будто имело ос-
нование. Ведь ни сверхвысокими температурами, ни
колоссальными давлениями, ни сильнейшими элек-
трическими и магнитными полями не удавалось раз-
бить ядро.
История знаменитого опыта Резерфорда такова. За-
нимаясь вместе со своими сотрудниками изучением
рассеяния альфа-частиц ядрами атомов, Резерфорд ста-
вил различные варианты опытов. В частности, он ре-
шил сравнить характер рассеяния альфа-частиц ядрами
легких и тяжелых элементов. И тут обнаружилось, что
в то время как рассеяние альфа-частиц тяжелыми яд-
рами соответствует теоретическим расчетам, опыты с
ядрами легких элементов противоречили теории. Есте-
ственно, Резерфорд постарался выяснить причину этого
противоречия. Различие между тяжелыми и легкими
ядрами состоит только в величине заряда. У тяжелых
ядер заряд велик и сила отталкивания между такими
ядрами и альфа-частицами очень большая, она откло-
няет альфа-частицы от первоначального направления
114
еще тогда, когда они находятся на больших расстоя-
ниях от ядра. У легких же ядер силы отталкивания
малы, поэтому возможно, что альфа-частицы прони-
кают внутрь ядра, где, по-видимому, наряду с электри-
ческими действуют и другие силы. Не удивительно, что
в этом случае теоретическая формула Резерфорда для
рассеяния альфа-частиц уже не верна. Но если альфа-
частицы могут проникнуть внутрь ядра, то стоит попы-
таться использовать эти частицы в качестве «снаря-
дов» для бомбардировки атомных ядер, с тем чтобы
проникнуть внутрь них и возможно даже расщепить
их. Вскоре Резерфорд приступил к осуществлению это-
го чрезвычайно интересного и смелого эксперимента.
Для большей уверенности он выбрал наиболее быстрые
альфа-частицы, испускаемые радием С'. Скорость их
19 200 км/сек. Объектом бомбардировок альфа-части-
цами были легкие элементы. Установка Резерфорда
представляла собой наполненный азотом сосуд, в кото-
ром находился перемещающийся источник альфа-ча-
стиц. За отверстием в боковой стенке сосуда находился
флуоресцирующий экран, на котором возникали
вспышки (сцинтилляции) при попадании на него аль-
фа-частиц. Сначала источник лучей располагали близ-
ко от окошка, и на экране были видны вспышки. Затем
его медленно удаляли от экрана. Когда расстояние от
t точника до экрана стало большим длины пробега 1
альфа-частиц в азоте, то вопреки ожиданиям вспышки
на экране не исчезали. Но ведь альфа-частицы не могли
пройти в газе такое расстояние. Когда Резерфорд за-
менял азот другими газами, вспышки исчезали. Следо-
вательно, решил ученый, частицы, вызывающие сцин-
тилляции, не связаны с источником альфа-частиц, они
возникают в азоте. По величине пробега этих частиц,
образовавшихся в азоте, установили, что это протоны.
Но откуда же взялись в азоте ядра водорода? Может
азот был не совсем чистым и содержал в виде примеси
немного водорода? Азот тщательно химически очисти-
ли. Но вспышки на экране от этого не исчезли. При-
шлось сделать необычное предположение: при бомбар-
дировке ядер азота возникают ядра водорода. 1
1 Длиной пробега называется величина пути, проходимого ча-
стицами в данной среде. Длина пробега зависит от энергии
частиц, их массы.
115
Дальнейшее исследование этого явления с несо-
мненностью установило, что в опытах Резерфорда про-
исходила ядерная реакция. Заряд ядра азота равен 7.
Когда в это ядро влетает альфа-частица, заряд которой
равен 2, то образуется новое ядро с зарядом в 9 единиц.
Но так как при этом вылетает ядро водорода с зарядом,
равным единице, то в результате захвата ядром азота
альфа-частицы образуют новое ядро с зарядом, > рав-
ным 8. Восьмой элемент в таблице Менделеева — кисло-
род. Итак, бомбардируя атомы азота ядрами гелия,
Резерфорд получил два других элемента: кислород и
водород!
Эта реакция была первой в истории человечества
ядерной реакцией превращения одних элементов в
другие.
Ядерная реакция, осуществленная Резерфордом,
имела большое философское значение. Она показала,
что не только атомы, но и ядра атомов не являются
вечными, неизменными.
ПОЗИТРОН
С открытием нейтрона число элементарных частиц
увеличилось до трех — электрон, протон, нейтрон.
Но такое положение сохранялось недолго. В том же
1932 г. Андерсон сообщил об открытии им в составе
космического излучения новой частицы — положитель-
ного электрона, или, как его позднее стали называть,
позитрона. Открытие было столь же неожиданно, как
и сделанное в этом же году открытие нейтрона. Расска-
жем об этом подробнее.
В 1928 г. молодой ан
глийский физик Дирак вы-
вел из общих представле-
ний теории относительно-
сти и квантовой механики
з ам ечате л ьное у ра вн ение,
из которого следовало на-
личие у электрона спина и
магнитного момента. Коли-
чественное совпадение зна-
чений этих важнейших ве-
личин, полученных теоре-
116
тически из уравнения Дирака, с опытными данными
было блестящим подтверждением справедливости
этого уравнения. Но, продолжая изучать всевозможные
следствия, вытекающие из его уравнения, Дирак на-
толкнулся на, казалось бы, совершенно непонятный
факт, связанный с тем, что энергия электрона не мо-
жет быть меньше некоторой определе>нной величины:
Ео = /дно с4 = тос2.
Подставляя в эту формулу значения массы элек-
трона то и скорости света с, получим, что Ео равно
0,5 Мэе. Ничего удивительного в этом не было. По за-
кону Эйнштейна (о котором будет рассказано далее)
всякое тело, даже если оно не движется и на него не
действуют никакие силы, обладает энергией по-
коя mQc 2.
Серьезная трудность, возникшая перед Дираком, со-
стояла в другом. Математика утверждает, что при из-
влечении квадратного корня мы получаем два значе-
ния: одно с плюсом, другое с минусом. Поэтому из
уравнения Дирака следовало, что электроны могут об-
ладать либо положительной энергией, большей /ис2,
либо отрицательной энергией, меньшей — тс2. Но как
можно себе представить электрон с отрицательной
энергией и, следовательно, с отрицательной массой?
Такая частица долж-
на была бы вести себя
совершенно фантасти-
чески: чтобы она дви-
галась вправо, надо
толкать ее влево и
т. п. Но таких тел ни-
кто в мире никогда не
встречал. Выходит,
что уравнение Дирака
приводит к нелепым
выводам. Над всей тео-
рией Дирака нависла
угроза.
Но молодой уче-
ный, уверенный в спра-
117
ведливости своего уравнения, вскоре нашел остроумный
выход из создавшегося затруднения. Еще со времен
Томсона было известно, что поведение электрона в
электрическом и магнитном полях определяется не
только его массой т9 но и зарядом (—е), точнее говоря,
—е
отношением —•
т
Поэтому, рассуждал Дирак, отрицательно заряжен-
ный электрон с отрицательной массой — т ведет себя
как частица с положительной массой гп и положитель-
ным зарядом -Не:
— е__-he
—т	-ри *
Дирак предположил, что в природе, кроме обычных
отрицательных электронов, существуют и положитель-
ные электроны.
Эта гипотеза полностью разрешала вопрос об элек-
троне с отрицательной энергией. Более того, на основа-
нии этой гипотезы Дирак предсказал, что при облуче-
нии вещества гамма-лучами с энергией квантов 1 Мэв
(или более) могут возникнуть две частицы: отрицатель-
ный и положительный электроны.
Теория Дирака была столь необычной, что боль-
шинство физиков отнеслись к ней с недоверием. Отно-
шение к теории Дирака сразу изменилось после 2 авгу-
ста 1932 г., когда предсказанный положительный элек-
трон был обнаружен на опыте. Вот как это случилось.
Так как даже наиболее быстрые радиоактивные ча-
стицы не имеют энергии, большей 15 Мэв, то ученые
искали различные источники более энергичных частиц,
чтобы с их помощью глубже проникнуть в мир атома и
ядра. К концу двадцатых годов нашего, столетия выяс-
нилось, что в космических лучах, о которых мы расска-
жем ниже, встречаются частицы с колоссальной энер-
гией — до миллиарда электрон-вольт.
Американские физики Милликен и Андерсон ре-
шили исследовать поведение столь быстрых частиц в
камере Вильсона по методу советского ученого-физика
Д. В. Скобельцына, поместив камеру в сильное магнит-
ное поле. Всякая заряженная частица под действием
этого поля искривляет свою траекторию, так что и след
в камере Вильсона будет в зависимости от скорости
частицы более или менее искривлен. Вскоре эти ученые
118
получили фотографии ис-
кривленных следов ча-
стиц в камере Вильсона.	/ \ I РьИ
Андерсон обратил /	\ W
внимание на то, что на I у	\
некоторых снимках по- **
лучаются два одинако-
вых по толщине следа,	а	&
но искривленных в раз-
ные стороны. Если счи-
тать, что обе частицы летели сверху вниз, то выходило,
что у одной частицы заряд положительный, а у дру-
гой — отрицательный. Сначала Андерсон думал, что
один след образован протоном, другой — электроном.
Но протон вследствие большой массы образует более
толстый след в камере Вильсона. У Андерсона поэтому
появилось предположение: не вызваны ли эти тонкие
изогнутые в разные стороны следы разноименными ча-
стицами, имеющими равную массу?
Чтобы сделать определенное заключение, нужно
было убедиться, что действительно обе частицы в ка-
мере летели сверху. Ведь могло случиться, что из двух
электронов один летел сверху вниз, а другой снизу
вверх. В этом случае их траектории тоже были бы
изогнуты в противоположные стороны.
Тогда Андерсон поместил в камеру Вильсона свин-
цовую пластинку. После многочисленных неудач вече-
ром 2 августа 1932 г. Андерсон получил исторический
снимок. На этом снимке был виден след движения за-
ряженной частицы, прошедшей через свинцовую пере-
городку. Частица летела сверху вниз, ибо под свинцо-
вой пластинкой след был значительно сильнее искрив-
лен. А ведь искривление траектории тем больше, чем
меньше скорость заряженной частицы. Следовательно,
при прохождении частицы через свинец сверху вниз
он несколько замедлился. С другой стороны, по на-
правлению отклонения частицы, летевшей сверху вниз,
можно было однозначно утверждать: заряд у этой ча-
стицы положительный. Так было экспериментально
доказано присутствие в космических лучах новой, чет-
вертой элементарной частицы — позитрона. Масса и
величина заряда позитрона, как показали специальные
опыты, в точности такие же, как у электрона. Новой
119
частицей заинтересовались ученые многих стран мира.
Начались различные исследования свойств позитрона.
И вот тогда оказалось, что все предсказанные теорией
Дирака свойства положительного электрона наблю-
даются и у позитрона. Вскоре выяснилось, что пози-
троны могут возникать и в земных условиях, например
порождаться гамма-лучами.
Фредерик и Ирен Жолио-Кюри во Франции и неза-
висимо от них советские ученые Грошев, Франк и Доб-
ротин получили снимки следов пар — электрона и по-
зитрона, образующихся при облучении вещества гам-
ма-лучами, энергия которых больше 1 Мэв. Все эти
(Птыты подтверждали теорию Дирака.
Более того, вскоре оказалось, что наряду с процес-
сом рождения пары частиц возможен и обратный про-
цесс совместного исчезновения электрона и позитрона.
Наиболее удивительное свойство позитрона — это его
способность рождаться и умирать в паре с электроном.
Буржуазные ученые, стоящие на идеалистических
позициях, вновь, как и после открытия радиоактивно-
сти, стали утверждать, будто эти факты говорят о воз-
можности материи возникать и исчезать и что, следо-
вательно, материализм устарел. В действительности
дело обстоит как раз наоборот. Когда исчезает пара —
электрон и позитрон, то это вовсе не значит, что исче-
зает материя. Ведь при этом образуются гамма-лучи,
причем полностью соблюдаются основные законы при-
роды — законы сохранения массы и энергии.
Таким образом, в явлениях образования и исчезно-
вения пар мы сталкиваемся с новым, ранее неизвест-
ным свойством материи — взаимопревращаемостью ча-
стиц. Электрон и позитрон превращаются в гамма-кван-
ты, а гамма-кванты могут превратиться в электрон и
позитрон. Материя из формы вещества превращается
в форму электромагнитного поля и обратно.
ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
В конце 1932 г., сразу же после открытия Чедвиком
природы бериллиевого излучения, Ирен и Фредерик
Жолио-Кюри поставили опыты по исследованию того,
какие вещества при бомбардировке их альфа-частица-
120
Ф. Жолно-Кюрн
(1900—1958)
Крупнейший француз-
ский ученый, один из твор-
цов современной атомной фи-
зики. Открыл совместно с
Ирен Кюри искусственную
радиоактивность. Впервые
вплотную подошел к практи-
ческому использованию атом-
ной энергии. Виднейший об-
щественный деятель, активно
боровшийся против фашизма,
за мир во всем мире.
ми выбрасывают нейтроны. Вскоре они нашли несколь-
ко таких ядерных реакций. Но вот что самое замеча-
тельное. Подробно исследуя указанные ядерные реак-
ции, они установили, что в ходе реакции образуется и
другая новая элементарная частица — позитрон. Ирен и
Фредерик Жолио-Кюри, упорно работая в течение поч-
ти двух лет над расшифрованием всех сложных процес-
сов, происходящих в этих реакциях, пришли в 1934 г. к
великому открытию, удостоенному Нобелевской премии.
Дело происходило так. Облучая алюминий альфа-
частицами, они заметили выделение нейтронов. С дру-
гой стороны, еще раньше было известно, что под дей-
ствием альфа-частиц ядро атома алюминия превра-
щается в кремний-30 и выбрасывает при этом протон.
Чтобы разобраться, каким образом из ядер вылетают
и протоны, и нейтроны, ядерную реакцию решили про-
вести в камере Вильсона. И тут на снимках были обна-
ружены какие-то тонкие следы, или, как их еще назы-
вают, треки, которые нельзя было приписать ни прото-
нам, ни тем более ядрам отдачи. Такие тонкие треки
могли образовать только быстрые электроны. Картина
121
Ирен Жолво-Кюрн
(1897—1956)
Известная француз-
ская ученая и обще-
ственный деятель, дочь
Марии и Пьера Кюри.
Совместно со своим му-
жем открыла искус-
ственную радиоактив-
ность. Сыграла видней-
шую роль в открытии
деления урана.
осложнилась. Но еще больше экспериментаторы удиви-
лись, когда оказалось, что в магнитном поле трек элек-
трона изгибается в сторону положительного заряда.
Выходило, что тонкий след в камере Вильсона вызван
позитроном, частицей, незадолго до этого обнаружен-
ной Андерсоном в космических лучах. Ирен и Фреде-
рик Жолио-Кюри решили разобраться до конца во всей
реакции, происходящей при бомбардировке алюминия
альфа-частицами. Помещая на пути альфа-лучей свин-
цовый экран, они обнаружили, что, хотя нейтроны уже
не выделялись (этого и следовало ожидать), позитроны
продолжали вылетать, причем со временем количество
вылетающих позитронов постепенно уменьшалось. По-
добным же образом вели себя при облучении альфа-
частицами элементы магний и бор. Стало ясно, что
при бомбардировке этих хорошо известных, устойчи-
вых элементов образуются какие-то новые вещества,
выбрасывающие позитроны.
122
Супруги Жолио-Кюри так сформулировали резуль-
таты своих опытов.
Если бомбардировать алюминий альфа-частицами,
то из ядра алюминия вылетает нейтрон и образует лег-
кий изотоп фосфора с атомным весом 30 (обычный изо-
топ фосфора имеет атомный вес 31), полученный изо-
топ фосфора неустойчив и выбрасывает радиоактивные
лучи.
В результате такой ядерной реакции удалось искус-
ственно получить радиоактивный элемент. Явление
радиоактивности, на которое еще недавно физики не
могли никак влиять, было теперь создано волей чело-
века искусственно. Но в отличие от естественных искус-
ственные радиоактивные лучи представляют собой по-
ток позитронов.
Из открытия супругов Жолио-Кюри следовало, что
радиоактивными могут быть не только тяжелые, но и
легкие элементы — азот, кремний, фосфор и что у
обыкновенных, устойчивых элементов существуют ра-
диоактивные изотопы. В природе они не встречаются,
так как уже давно распались, но их можно получить
искусственно.
После открытия супругами Жолио-Кюри искус-
ственной радиоактивности итальянский физик Ферми
решил выяснить, существуют ли в природе радиоактив-
ные изотопы и у других элементов, кроме азота, крем-
ния и фосфора. Ферми вместе со своими сотрудниками
бомбардировал ядра всех устойчивых элементов. В ка-
честве ядерных снарядов Ферми впервые в физике при-
менил нейтроны. В отличие от альфа-частиц, испыты-
вающих электрическое отталкивание со стороны бом-
бардируемых ядер, на нейтроны не будут действовать
электрические силы. Поэтому нейтроны должны очень
легко проникать в ядра атомов. Поместив в ампулку
смесь порошка бериллия и альфа-радиоактивного ве-
щества, Ферми получил источник нейтронов. Облучая
этими нейтронами различные вещества, он обнаружил,
что радиоактивные изотопы можно создать почти у
всех стабильных элементов. Эти исследования Ферми
сыграли, как мы увидим в дальнейшем, большую роль
в получении атомной энергии.
123
ЛТГФМЕИШЯ) гИЕСРСГООЯ]
ЗАКОН ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ ЭНЕРГИИ И МАССЫ
О природе каждое тело обладает определенным коли-
чеством энергии. Но как определить, какое количество
ее содержится в данном теле? Существует ли метод, с
помощью которого можно было бы заранее вычислить,
сколько энергии содержится в любом теле?
Такой способ был найден немецким ученым Альбер-
том Эйнштейном в 1905 г. В статье, посвященной со-
зданной им теории относительности, Эйнштейн сформу-
лировал важнейший закон природы — закон взаимо-
связи массы и энергии. Сущность этого закона состоит
в том, что энергия, которой обладает всякое тело, прямо
пропорциональна массе этого тела:
Е = тс2,
где Е — полная энергия, сопоставляемая массе т9
с = 3 • 1010 см)сек — скорость света.
Иначе говоря: еслт масса одного тела в несколь-
ко раз больше массы другого, то энергия первого
тела точно во столько же раз больше, чем энергия
второго.
Из этого закона вытекал еще и другой вывод. По-
скольку энергия тела может изменяться, то масса тела
соответственно должна изменяться, т. е. масса тела не
абсолютно постоянная величина, она зависит от тех
условий, в которых находится тело. Опыт показывает,
что масса тела возрастает с увеличением его скорости
(при обычных скоростях это изменение массы незна-
124
А. Эйвштейн
(1879—1955)
Величайший физик
XX в., создатель спе-
циальной и общей тео-
рии относительности,
квантовой теории света.
Его теоретические ра-
боты послужили осно-
вой открытия атомной
энергии. В его честь
был назван 99-й элемент
системы Менделеева.
чительно). Строго говоря, мы не можем ответить на во-
прос, какова, скажем, масса снаряда, если неизвестно,
о каком снаряде идет речь — о неподвижном или дви-
жущемся. Летящий снаряд обладает кинетической
энергией, а покоящийся — такой энергии не имеет, по-
этому полная энергия летящего снаряда больше, чем у
снаряда неподвижного.
Таким образом, существует прямая связь между
массой и энергией, которые ранее считались совершен-
но независимыми. Закон сохранения массы и закон
сохранения энергии после открытия Эйнштейна сли-
лись в единый закон — закон сохранения массы и
энергии.
Закон взаимосвязи массы и энергии имеет огромное
значение в современной физике, именно с его помощью
была впервые указана принципиальная возможность
получения атомной энергии.
125
ЭНЕРГИЯ, СОСРЕДОТОЧЕННАЯ
В АТОМЕ
Т> технике для получения
" энергии используют глав-
ным образом теплоту, выде-
ляющуюся при горении. В ре-
зультате химической реакции,
будь то реакция соединения
или разложения, электронная
оболочка перестраивается. Го-
рение как раз и представляет
собой реакцию соединения,
при которой образуется более
прочная электронная оболоч-
ка, и поэтому выделяется
энергия.
Примером выделения энер-
гии при реакции разложения неустой-
чивых молекул на более устойчивые
части является действие взрывчатых
веществ. При взрыве такого вещества
его сложные малоустойчивые моле-
кулы распадаются на более мелкие,
более прочные молекулы, в резуль-
тате выделяется большое количество
энергии.
До самого последнего времени в
технике в основном использовалась,
да и сейчас используется энергия, вы-
деляющаяся в результате перестрой-
ки электронных оболочек. Ядра ато-
мов при этом остаются совершенно
неизменными. Но ведь ядра — глав-
ная часть атомов, масса ядер в не-
сколько тысяч раз больше массы элек-
тронов, участвующих в химических
реакциях. Исходя из известного нам
закона взаимосвязи массы и энергии,
мы можем ожидать, что, если бы
удалось осуществить реакцию, в ко-
торой участвовали ядра, количество
выделяющейся (или поглощающей-
126
силы, действующие в ядре
ся) энергии было бы во много раз
больше, чем при химических реакци-
ях. Более того, мы можем заранее
предусмотреть, какого типа ядерные
реакции будут экзотермическими, т. е.
будут идти с выделением энергии.
Всякая ядерная реакция, при ко-
торой из менее прочных ядер полу-
чаются более прочные, будет идти с
выделением энергии. Поэтому, чтобы
выбрать нужную ядерную реакцию,
нужно прежде всего выяснить вопрос
о прочности ядер.
Пользуясь законом взаимосвязи
массы и энергии, можно определить
прочность ядра, если из-
вестна его масса, а также
массы составляющих его
частиц. Соответствующие
вычисления показывают,
что наиболее прочные
ядра в природе — это
ядра атомов, занимаю-
щих среднее положение в
таблице Менделеева. Са-
мые легкие и самые тя-
желые ядра менее проч-
ные.
Ядра состоят из протонов и
нейтронов. Так как про-
тоны — положительно заря-
женные частицы, то между
ними, как между одноимен-
ными зарядами, должны дей-
ствовать силы отталкивания.
Если бы между частицами в
ядре не действовали никакие
другие силы, то ядра не могли
бы существовать как единое
целое — протоны, входящие в
них, отталкиваясь, разлете-
лись бы во все стороны.
127
Но, как мы уже хорошо знаем,
ядра существуют. Следовательно,
на протоны действуют, помимо
электрических, еще какие-то дру-
гие силы, и эти силы должны быть
обязательно силами притяжения,
величина которых больше сил от-
талкивания. Эти силы, действую-
щие между частицами ядра, на-
звали ядерными силами.
Исследования показали, что
ядерные силы действуют в равной
степени между двумя протонами,
между двумя нейтронами и между
протоном и нейтроном. Далее ока-
залось, что ядерные силы на очень малых расстояниях
(порядка одной биллионной (миллионная миллионной)
доли миллиметра) чрезвычайно велики. Они во много
раз больше, чем силы отталкивания между протонами,
находящимися на таком расстоянии. Но с увеличением
расстояния между ядерными частицами до двух-трех
биллионных долей миллиметра ядерные силы ослабе-
вают настолько, что практически их можно считать
равными нулю.
Это характерное отличие ядерных сил — сил корот-
кодействующих. Наоборот, дальнодействующие элек-
трические силы сказываются, если даже расстояние
между заряженными частицами значительно превосхо-
дит размеры атома. Поэтому эти силы действуют между
всеми протонами, находящи-
мися в ядре. По-иному ведут
себя ядерные силы: если рас-
положить в ряд, скажем, три
ядерные частицы, то первая
будет притягивать только вто-
рую частицу, но на третью
частицу уже не действует.
Отсюда ясно, что каждая час-
тица в ядре может притянуть
к себе столько частиц, сколь-
ко у нее непосредственных
♦соседей». Нечто подобное
происходит среди капелек
128
обыкновенной жидко-
сти — каждая молеку-
ла притягивает к себе
только соседние моле-
кулы. Но ядерные си-
лы» действующие на
нуклон1, примерно в
миллион раз больше
молекулярных сил,
действующих на одну
молекулу.
Мы до сих пор не
учитывали электриче-
ских сил отталкивания
между протонами яд-
ра. У малых ядер, которые содержат небольшое число
протонов, эти силы отталкивания малы по сравнению
с ядерными силами и их можно не учитывать. Но чем
крупнее ядро, тем больше в нем протонов и тем значи-
тельнее силы отталкивания. Поэтому с увеличением
числа частиц в ядре оно становится все более вытяну-
тым, так как одноименные заряды стремятся удалить-
ся друг от друга.
Теперь мы можем привести весьма упрощенное объ-
яснение того, почему прочность ядер зависит от числа
частиц в ядре, т. е. массового числа. Рассмотрим какое-
нибудь легкое ядро, скажем ядро сверхтяжелого водо-
рода (трития), состоящее из трех нуклонов (1 протон и
2 нейтрона).
Каждая из частиц в ядре трития имеет двух сосе-
дей, поэтому каждый нуклон связан как бы двумя пру-
жинками с остальными части-
цами ядра. Если же мы перей-
дем к более крупным ядрам,
то число соседей у каждой
частицы будет увеличиваться
и для достаточно больших
ядер (содержащих примерно
100 частиц) все нуклоны пол-
ностью окружены соседями.
1 Нуклонами называют части-
цы, образующие ядро, т. е. протоны
и нейтроны.
9
129
ПРОЧНОСТЬ
Из математики известно, что при самой плотной
упаковке любой шар можно окружить 12 шарами та-
кого же радиуса. Поэтому у больших ядер каждая ча-
стица скреплена уже 12 пружинками и коэффициент
использования ядерных сил будет выше, чем у легких
ядер. Дальнейшее увеличение числа частиц в ядре
свыше 100 уже не может заметно увеличить коэффи-
циент использования ядерных сил. Ведь и так каждая
частица (за исключением небольшого числа тех, кото-
рые находятся на поверхности ядра) скреплена макси-
мальным числом пружинок — 12. Поэтому, если бы не
существовало в ядрах еще и электрических сил, проч-
ность ядер при увеличении числа частиц сначала бы
возрастала, а начиная с ядер с массовым числом 100,
оставалась бы почти одинаковой.
Но в ядре, помимо ядерных сил притяжения, суще-
ствуют электрические силы отталкивания, они отрица-
тельно влияют на прочность ядра и тем сильнее, чем
больше протонов в ядре. Число же протонов в ядре ра-
стет с увеличением массового числа.
Поскольку в ядре действуют и те, и другие силы, то
истинная зависимость прочности ядра от массового
числа получится такой, как это показано на графике,
из которого следует, что наиболее прочные — ядра сред-
ней величины.
Нужно сказать, что мы крайне упростили картину
взаимодействия частиц в ядрах. В действительности
она значительно сложнее, так, мы не касались того,
почему в устойчивых ядрах число протонов приблизи-
тельно равно числу нейтронов. При этом оказывается,
что полная энергия ядра минимальна, т. е. ядро наибо-
лее прочно. Если бы ядро состояло из одних протонов,
130
то вследствие электрического отталкивания потенци-
альная энергия ядра была бы велика. Напротив, ядро,
состоящее из одних нейтронов, имело бы большую энер-
гию из-за того, что масса нейтрона больше массы про-
тона. Энергия ядра будет наименьшей при равенстве
числа протонов и нейтронов. Правда, с увеличением
общего количества нуклонов в ядре возрастает роль
электрических сил отталкивания, так что наиболее
устойчивыми становятся те ядра, у которых число ней-
тронов несколько больше числа протонов.
Когда мы рассматривали периодическую систему
Менделеева, то отмечали, что атомы химических эле-
ментов с определенным числом электронов обладают
особой устойчивостью — это инертные газы. У них
внешняя оболочка полностью заполнена электронами.
Нечто подобное существует и в ядрах.
Оказывается, не все частицы внутри ядра находятся
в одинаковых условиях, нейтроны и протоны тоже об-
разуют внутри ядра оболочки. При определенных так
называемых «магических* числах протонов и нейтро-
нов ядра особенно прочные. Такими «магическими»
числами являются 2, 8, 14, 20, 28, 50 и 82.
Если ядро содержит «магическое» число протонов и
нейтронов, то такое ядро будет значительно более проч-
ным, чем соседние ядра. Особенно устойчивы, напри-
мер, ядра гелия (2 протона, 2 нейтрона), кислорода
(8 протонов, 8 нейтронов), кремния (14 протонов, 14 ней-
тронов). Наличие «магических» чисел говорит о слож-
ном строении ядер. Для выяснения принципов получе-
ния атомной энергии достаточно нашей упрощенной
картины.
ЭНЕРГИЯ ДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР
Зная, что не все ядра одинаково прочны, можно
для получения ядерной энергии воспользоваться од-
ним из двух типов ядерных реакций: либо разбить тя-
желые ядра с образованием двух средних, более проч-
ных ядер (реакция разложения), либо соединить не-
сколько легких ядер в одно среднее ядро (реакция со-
единения).
В настоящее время оба пути практически осуще-
ствлены: первый — реакция деления ядер урана, а вто-
*
131
рой — это термоядерная реакция соединения самых
легких ядер водорода в ядро гелия.
Рассмотрим существующие методы получения вну-
триатомной энергии.
Мы уже знаем, что единственный способ разбить
атомное ядро — это бомбардировать его какими-нибудь
быстрыми частицами. Поэтому первой мыслью ученых
было использовать в качестве снарядов естественно-
радиоактивные лучи, а именно поток альфа-частиц
(бета-частицы из-за малой массы не годятся для бом-
бардировки). Оказывается, таким путем идти бессмыс-
ленно. Дело в том, что естественно-радиоактивными
частицами можно разбить только легкие ядра. Чтобы
разбить тяжелые ядра, нужно ускорить снаряды огром-
ных энергий, когда они в состоянии будут преодолеть
отталкивание со стороны мишеней, т. е. бомбардируе-
мых ядер. Таких готовых снарядов в природе нет. Прав-
да, можно воспользоваться заряженными частицами
(протонами или альфа-частицами), ускоренными до не-
обходимой скорости в ускорителях. Энергии на полу-
чение таких частиц придется затратить много, а вероят-
ность попадания их в ядро ничтожна; ведь размеры
ядер очень малы по сравнению с атомами, и при малей-
шем воздействии такая частица отклонится в сторону
и не попадет в ядро. Практически заряженные частицы
растрачивают при прохождении через вещество очень
много энергии, прежде чем натолкнуться на атомное
ядро. Если же в ядро попадет частица, у которой ско-
рость мала, то деления ядра уже не произойдет. По-
этому примерно только один на миллион таких снаря-
дов вызывает деление бомбардируемого ядра. И хотя
при этом делении выделится энергия во много раз
большая той, которой обладает сама частица-снаряд, в
целом из-за огромных потерь энергии, растраченной
теми частицами, которые не вызвали деления, мы не
только никакого выигрыша энергии не получим, а, на-
оборот, окажемся в большом проигрыше.
Значит, ни альфа-частица, ни протон, ни электрон
не пригодны в качестве снарядов для деления ядра.
В природе существуют более выгодные снаряды —
это нейтроны. Впервые к этому выводу пришел Ферми.
Нам уже известно, что, как только был открыт ней-
трон, Ферми подвергал бомбардировке нейтронами раз-
132
личные элементы с целью обнаружить у них радиоак-
тивные изотопы. Во время этих опытов он заметил, что
обычно ядра захватывают нейтроны и в результате
получаются изотопы первоначальных атомов с массой
на единицу больше. Эти новые ядра, как правило, не-
устойчивы и излучают бета-частицы. Что же случится,
подумал тогда Ферми, в том случае, если действию ней-
трона подвергнуть уран? Ведь уран 92 — последний
элемент в периодической системе. Если и в этом случае
так будет идти процесс, то в результате получится тя-
желый изотоп урана 239, который, вероятно, выбросит
бета-частицу и превратится в 93-й элемент, т. е. эле-
мент, который в природе не существует. Это был заман-
чивый опыт. Ведь и 93-й элемент, очевидно, радиоакти-
вен, в противном случае мы нашли бы его среди устой-
чивых элементов. А в результате распада 93-го элемен-
та, возможно, получается 94-й элемент.
Опыт, действительно, дал очень интересные резуль-
таты. Облучив уран нейтронами, Ферми обнаружил,
что у урана появилось радиоактивное излучение, до
того не наблюдавшееся. Оно состояло из бета-лучей
четырех сортов, излучаемых, по-видимому, четырьмя
различными типами атомов. Сначала Ферми подумал,
что радиоактивными элементами, выбрасывающими
эти бета-лучи, являются какие-то неизвестные изотопы
тяжелых элементов. Но к концу 1935 г. тщательные
химические исследования показали, что излучающие
элементы не могут быть изотопами ни одного из эле-
ментов, начиная от ртути и кончая ураном. Пришлось
допустить, что при облучении урана нейтронами обра-
зуются новые элементы с порядковым номером боль-
ше 92. Их назвали трансурановыми (заурановыми)
элементами.
Подробным изучением трансурановых элементов
занялись немецкие ученые Ган, Мейтнер и Штрассман.
Они выдвинули гипотезу, по которой при бомбардиров-
ке урана нейтронами получаются три радиоактивных
изотопа урана, которые, распадаясь, превращаются в
трансурановые элементы. Но эта гипотеза не могла
объяснить некоторые особенности исследуемого про-
цесса.
За решение этой проблемы взялись Ирен Кюри и
ее ассистент югославский физик Савич. В 1938 г. они
133
вплотную подошли к пра-
вильному решению пробле-
мы, но не смогли сделать
верных выводов из своего
открытия. Вскоре Ган и
Штрассман повторили опы-
ты И. Кюри и Савича. Ис-
следуя вопрос о том, какие
элементы излучают бета-
лучи, Гая и Штрассман за-
метили, что один из них
подобен по химическим
свойствам радию и, возможно, представляет собой ка-
кой-то изотоп радия. Чтобы отделить ничтожно малые
количества этого ♦ радия» от урана, они поступили так:
подвергнутый облучению нейтронами уран растворили
и затем добавили элемент барий (барий по своим свой-
ствам аналогичен радию, они стоят в одном столбце в
периодической системе). Барий добавлялся в качестве
♦носителя», выпадая в осадок, он с собой уносил и хи-
мически родственный радий (сам радий не выпал бы
в осадок вследствие мизерных количеств его в раство-
ре). Но когда они попытались отделить ♦ радий» от ба-
рия, то никаким образом этого сделать не удалось. От-
сюда неизбежно вытекал вывод, что в действительности
♦радий» представляет собой барий. Это было удиви-
тельно: в результате соединения нейтрона с атомом
урана получается новое ядро, от которого отщепляется
ядро бария. После облучения урана возникают не ка-
кие-то неведомые трансурановые атомы,
а давно известные атомы бария. Итак,
облучая уран нейтронами, получили
атомы элемента, занимающего среднюю
часть таблицы Менделеева.
Чтобы объяснить, как из урана об-
разуется барий, Лиза Мейтнер предпо-
ложила, что при попадании в ядро ура-
на нейтрона образуется возбужденное
ядро, которое распадается на два более
мелких ядра. Найденный Ганом и
Штрассманом барий и представляет со-
бой один из осколков урана. К такому же
выводу почти одновременно и незави-
134
симо от Лизы Мейтнер пришел Ф. Жолио-Кюри. Он до-
казал это на опытах, изложение которых было опубли-
ковано в «Трудах Парижской Академии» в 1939 г.
Открытие Гана и Штрассмана вызвало такой огром-
ный интерес потому, что при делении тяжелых ядер на
ядра средней величины должно выделиться колоссаль-
ное количество энергии.
Оно и понятно: в результате деления тяжелого ядра
образуются два меньших ядра (два положительных за-
ряда), между которыми возникает большая сила оттал-
кивания, так что осколки ядра урана разлетаются с
большой скоростью. Сталкиваясь с молекулами веще-
ства, эти осколки передают им большую часть своей
кинетической энергии. Вследствие этого молекулы на-
чинают двигаться быстрее, отчего температура тела
повышается. Таким образом, в конечном итоге ядерная
энергия превращается в теплоту.
Ленинградский профессор Я. И. Френкель, а затем
Н. Бор для объяснения процесса деления ядер предпо-
ложили, что ядро ведет себя, подобно капле воды. Если
привести в колебание каплю воды, то она может разо-
рваться на две меньшие капли. Точно так же и ядро
можно разбить на два меньших. У тяжелых ядер вслед-
ствие большого числа протонов электрические силы от-
талкивания стремятся нарушить сферическую форму и
разорвать ядро. Но даже у самых тяжелых ядер элек-
трические силы все же меньше, чем ядерные, так что
сами разорвать ядро они не могут. Но если в тяжелое,
малоустойчивое ядро влетит нейтрон, то он вызовет
колебания капли ядра. При этом одноименные заряды,
накопившиеся на вытянутых концах капли, стремятся
из-за отталкивания еще сильнее вытянуть ядро. В ре-
зультате многократных колебаний у ядра образуется
перетяжка, которая становится все уже и, наконец,
ядро распадается на две части, быстро разлетающиеся
в противоположные стороны.
Легко поэтому понять, что не все изотопы урана в
равной степени способны расщепляться нейтронами.
Так, если сравнить уран 238 и уран 235, то, хотя у них
равное число протонов, ядро урана 235 легче распа-
дается, ибо в нем меньше нейтронов, играющих роль
цементирующего материала в ядре. Ядра урана 238 мо-
гут делиться только при попадании в них очень бы-
135
стрых нейтронов, а уран 235 делится под действием
как быстрых, так и медленных нейтронов.
Более того, в 1940 г, молодые советские ученые Фле-
ров и Петржак обнаружили, что ядра урана 235 ино-
гда, правда очень редко, сами по себе распадаются на
две половинки, если даже нейтрон в такое ядро не по-
пал. Это явление получило название спонтанного (само-
произвольного) деления урана.
ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Следующий важный вопрос для физики был такой:
сопровождается ли деление урана возникновением
вторичных нейтронов. Мы знаем, что с увеличением
ядра увеличивается относительное количество нейтро-
нов. В самом деле, у легких ядер числа протонов и ней-
тронов равны, у ядер средней массы на один протон
приходится 1,3 нейтрона, а в ядрах урана — на один
протон в среднем 1,6 нейтрона. Ясно, что при делении
урана на меньшие ядра в них должен быть избыток
нейтронов. Такое неравновесное состояние ядра может
легко перейти в устойчивое путем превращения нейтро-
нов внутри ядра в протоны с последующим выбросом
бета-частиц. Но, может быть, один или несколько лиш-
них нейтронов попросту вылетят из возбужденного
ядра? Наличие таких вторичных нейтронов было бы
необходимым условием для осуществления непрерыв-
ной (цепной) реакции деления ядер.
Поэтому-то многие ученые и занялись решением
этого вопроса. Наибольших успехов добились работав-
шие независимо друг от друга Жолио-Кюри и Ферми.
8 марта 1939 г. Ф. Жолио выступил в Парижской Ака-
демии с докладом, в котором рассказал о результатах,
полученных им совместно с его учениками Альбаном
и Коварским. Оказалось, что деление ядер урана дей-
ствительно сопровождается возникновением вторичных
нейтронов. В среднем при каждом делении ядра выле-
тают два-три нейтрона.
В эти же дни к аналогичному выводу пришел в
США Энрико Ферми. Произошло это так. Еще в сере-
дине января 1939 г. Нильс Бор, узнав об открытии
Л. Мейтнер, срочно вылетел в США для встречи с
13б
3. Ферми
(1901—1954)
Известный итальян-
ский физик-теоретик и
экспериментатор, лау-
реат Нобелевской пре-
мии 1938 г. В 1942 г.
создал первый атомный
реактор. В его честь на-
зван 100-й элемент таб-
лицы Менделеева.
А. Эйнштейном. Бор торопился обменяться мнениями
со своим старым другом о значении новой ядерной
реакции для судеб человечества. Через несколько дней
Бор прочел соответствующий доклад, на котором при-
сутствовал Энрико Ферми. Таким образом, Ферми еще
до опубликования работы Л. Мейтнер в английском
журнале «Природа» 18 февраля 1939 г. смог присту-
пить к исследованию свойств ядерной реакции деления
урана.
Полученный результат имел первостепенное значе-
ние. Это означало, что возможна нарастающая цепная
реакция. Задача получения ядерной энергии была в
принципе решена.
Поясним теперь на простом примере смысл слов
«нарастающая цепная реакция».
Как разжигают печь, топящуюся углем? При тре-
нии спичечной головки о коробок выделяется теплота,
достаточная для воспламенения спички. Горящая спич-
ка выделяет значительно больше теплоты и от нее
может загореться бумага, от бумаги — щепки, затем
дрова и только после этого загорится уголь. Харак-
137
терно, что здесь происходит нарастание количества
выделяющейся теплоты, это нарастающая цепная ре-
акция.
Пусть при делении ядра в результате попадания в
него одного нейтрона образуются два новых нейтрона.
Предположим, что каждый из этих вторичных нейтро-
нов попадет в какие-нибудь ядра урана м в свою оче-
редь вызовет деление. Тогда будет разрушено уже не
одно ядро, а два, и в результате из двух ядер вылетят
по два (а всего четыре) нейтрона. Эти нейтроны в свою
очередь вызовут деление четырех ядер урана с обра-
зованием восьми вторичных нейтронов, которые вы-
зовут 8 делений ядер, причем возникнет 16 вторичных
нейтронов и т. д. Число нейтронов и число делящихся
ядер быстро возрастает. Это и будет цепная реакция
при делении урана.
Возникает такой вопрос: почему же нет цепной
реакции деления природного урана, который в боль-
ших количествах содержится внутри Земли? Ведь все-
гда в уране есть нейтроны за счет самопроизвольного
деления урана 235, открытого Флеровым и Петржа-
ком. А, кроме того, нейтроны имеются и в космических
лучах, непрерывно падающих на Землю ив далеких
космических пространств.
Дело в том, что мы весьма упрощенно рассмотрели
картину деления урана. В действительности такому
нарастанию цепной реакции в природном уране пре-
пятствует ряд обстоятельств.
Во-первых, в природном уране содержится только
0,7% урана 235, который делится при попадании в
него любого нейтрона. Основная же масса природного
урана — это уран 238, который делится только под дей-
ствием быстрых нейтронов. Если в уран 238 попадет
нейтрон с энергией меньше 1 Мэв, то деления ядра
урана не произойдет. В этом случае нейтрон поглотится
ядром урана 238 и перестанет играть какую-либо роль
в развитии цепной реакции. Особенно сильно погло-
щает уран 238 нейтроны, обладающие энергией, око-
ло 7 эб. Иначе говоря, у нейтронов существует как бы
♦опасная зона* скоростей. Как только скорость ней-
трона приблизится к этой ♦опасной» скорости, ней-
трон почти наверняка поглотится ураном 238 (так
называемый резонансный захват).
138
Во-вторых, мы считали, что всякий возникающий
нейтрон обязательно попадает в какое-нибудь ядро
урана, но так как кусок урана имеет ограниченные
размеры, то часть нейтронов обязательно вылетит на-
ружу, не встретив на своем пути ни одного ядра урана.
Вероятность такой встречи тем больше, чем меньше
скорость нейтрона и чем крупнее кусок урана.
В-третьих, в уране всегда есть различные примеси,
которые могут поглощать нейтроны, что также умень-
шает количество нейтронов, поддерживающих деление
урана.
Чтобы произошла цепная реакция, нужно устра-
нить или уменьшить действие перечисленных препят-
ствий.
Для устранения первого препятствия можно энер-
гетическую установку целиком основать на легком
уране 235, отделив его от урана 238. Так, например,
поступили американцы при изготовлении ими первых
атомных бомб. Но так как урана 235 в природном
уране очень мало и к тому же разделить изотопы
технически весьма сложно, то в установках для полу-
чения атомной энергии в мирных целях поступают
иначе. При делении урана вылетающие быстрые ней-
троны превращают в медленные. Этим < убивают
сразу двух зайцев». Во-первых, медленные нейтроны
значительно лучше, чем быстрые, делят уран 235
(правда, медленные нейтроны не делят уран 238, но
выигрыш оказывается намного больше проигрыша).
Во-вторых, при быстром торможении нейтронов вероят-
ность попадания в область резонансного захвата зна-
чительно меньше. Для быстрого торможения нейтронов
к урану добавляют замедлитель (вещество, не погло-
139
щающее нейтроны). В качестве
замедлителя нужно брать лег-
и 238,07 кие вещества по следующей при-
чине. При столкновении нейтро-
на с ядром не всегда нейтрон по-
глощается. Обычно, прежде чем
поглотиться, нейтрон испыты-
вает несколько столкновений с
ядрами. При таком столкновении
нейтрон отдает часть своей ки-
нетической энергии ядру, с ко-
торым столкнулся. Энергия же
(и скорость) нейтрона при этом уменьшается. Если
движущийся шар сталкивается с покоящимся ша-
ром значительно больших размеров, то движущийся
теряет мало энергии и отскакивает от второго почти
с первоначальной скоростью. Так же мало энергии
теряет движущийся шар, если он сталкивается с ша-
ром значительно меньших размеров. В этом случае он
полностью отбрасывает маленький шар. Больше всего
энергии теряет движущийся шар при столкновении с
шаром равной массы. При подходящем ударе движу-
щийся шар может полностью затормозиться, а непо-
движный начнет двигаться со скоростью первого шара.
Чем ближе масса ядра к массе нейтрона, тем сильнее
будет тормозиться нейтрон. Но масса нейтрона равна
массе самого легкого ядра водо-
рода — протона. Поэтому водо-
родсодержащие вещества и мо-
гут применяться в качестве за-
медлителя.
Водород был бы идеальным
замедлителем, если бы к замед-
лителям предъявлялось только
одно требование — быть легким
веществом. Но замедлитель дол-
жен еще удовлетворять и таким
важным условиям: не погло-
щать нейтроны, стоимость его
должна быть низкой (в котлах
обычно содержится несколько
тонн ~ замедлителя); плотность
его должна быть как можно
140
больше, чтобы у нейтрона вероят-
ность столкновения с атомом за-
медлителя была не очень мала;
чтобы он не вступал в химические
реакции с ураном и другими веще-
ствами в котле и др.
Обычный водород в качестве
замедлителя не годится, так как
это газ с очень малой плотностью.
Жидкие же или твердые водород-
содержащие вещества можно при-
менять в качестве замедлителя, но
и они для этого не очень хороши,
ибо ядра водорода (протоны) легко
соединяются с нейтронами, превра-
щаясь в дейтрон (ядра тяжелого
водорода).
Поэтому в качестве замедлителя приходится брать
вещества, которые, хотя и значительно тяжелее водо-
рода и, следовательно, хуже замедляют нейтроны, но
зато не имеют тех недостатков, что водород. Так, ядро
тяжелого водорода (дейтрон) с массовым числом 2
почти совершенно не поглощает нейтроны. В обычном
виде тяжелый водород (дейтерий) — газ, поэтому в
качестве замедлителя применяется жидкая тяжелая
вода (молекулы тяжелой воды содержат один атом
кислорода и два атома дейтерия).
Так как атомы кислорода не взаи-
модействуют с нейтронами, то тя-
желая вода — прекрасный замед-
литель, но она очень дорога, ибо
ее трудно выделить.
Тяжелую воду впервые полу-
чили англичане Льюис и Макдо-
нальд в 1933 г. По многим физи-
ческим свойствам тяжелая вода
отличается от легкой. Плотность
ее равна 1,11. Кипит тяжелая вода
при 101,4° С, замерзает при 3,8° С.
Особенно резкое различие было
обнаружено в биологических свой-
ствах тяжелой и обычной воды.
В тяжелой воде не прорастают се-
141
мена, в ней погибают
микробы, а также рыбы.
Тяжелая вода в ни-
чтожных количествах
содержится в морской
воде: в 10 кг морской
воды содержится 2 г тя-
желой воды.
Очень часто в каче-
стве замедлителя приме-
няют чистый углерод,
хотя его ядра в 12 раз
тяжелее нейтронов, и, следовательно, замедляет он их
значительно хуже дейтронов, но зато он легкодоступен
и не дорог.
Полностью устранить второе препятствие — поме-
шать бесполезному вылету нейтронов из урана в про-
странство, конечно, нельзя. Но чем больше размер
куска урана, внутри которого происходит деление ядер
нейтронами, тем больше возможности каждому ней-
трону встретить на своем пути ядра урана. Поэтому,
для того чтобы цепная реакция могла развиваться,
необходимо взять достаточно большой кусок урана
(больше некоторого «критического» размера). Крити-
ческий размер, или, как говорят, критическая масса,
зависит от состава урана, от его геометрической формы
и от других обстоятельств. Так, критическая масса
может быть значительно уменьшена, если уран окру-
жить веществом, отражающим вылетающие нейтроны
и возвращающим их обратно внутрь урана.
Установка, в которой осу-
ществляется цепная ядерная
реакция, называется атомным
или ядерным реактором или
котлом. Существует множе-
ство различных типов реакто-
ров. Но любой из них пред-
ставляет собой сооружение,
внутри которого находятся
уран и замедлитель.
Впервые идею ядерного
реактора теоретически разра-
ботали Ф. Жолио-Кюри, Аль-
142
бан и Коварский. В сентябре 1939 г. они сдали в науч-
ный журнал статью «Экспериментальное доказатель-
ство цепной ядерной реакции в уране». Они же
разработали технический проект реактора, описанный
в работе «О возможности получения в уране нарастаю-
щей цепной реакции». Но к этому воемени уже нача-
143
лась вторая мировая война, публикация научных ста-
тей по вопросам атомной энергии была запрещена. По-
этому они передали Парижской Академии наук свой
проект в запечатанном конверте, с тем чтобы его вскры-
ли, когда уже не будет засекречивания научных до-
стижений.
Первый в мире атомный реактор был построен в
Чикаго в декабре 1942 г. группой ученых во главе
с Ферми. Основной задачей этого реактора было полу-
чение плутония. Первый в Европе реактор был постро-
ен через пять лет в СССР. 27 июня 1954 г. начала ра-
ботать первая в мире атомная электростанция Акаде-
мии наук СССР. В 1958 г. начала работать первая оче-
редь Ново-Воронежской атомной электростанции, про-
ектная мощность которой 600 тыс. кет. Завершается
строительство Белоярской атомной электростанции
имени акад. И. В. Курчатова с полезной мощностью
400 тыс. кет. Первая очередь этой станции — реактор
на 100 тыс. кет уже дает ток.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
Мы уже говорили, что атомную энергию можно по-
лучать двумя способами: делением ядер тяжелых
элементов и соединением ядер легких элементов. До
сих пор мы рассказывали о первом способе. Теперь по-
говорим о втором.
Хорошо известно, что Солнце ежесекундно отдает
в мировое пространство громадное количество тепла и
света. Это излучение приводит к огромным потерям
энергии Солнца. Если бы энергия непрерывно не по-
полнялась, то интенсивность солнечного излучения
быстро уменьшалась бы, Солнце потухало бы со вре-
менем.
Тем не менее наукой доказано, что и миллионы лет
назад наше Солнце посылало на Землю такое же коли-
чество энергии, что и сейчас.
Откуда же Солнце, да и другие звезды, черпают
свою энергию? За счет каких колоссальных источников
в этих раскаленных светилах поддерживается столь вы-
сокая температура, достигающая в недрах звезд десят-
ков миллионов градусов?
144
Когда-то думали, что Солнце представляет собой
большой раскаленный шар, в котором непрерывно про-
исходит горение. Если бы это было так, то Солнце
полностью бы сгорело за 4—5 тысяч лет.
Лет семьдесят пять назад известные физики Гельм-
гольц и Томсон выдвинули гипотезу, что Солнце излу-
чает тепло вследствие того, что оно беспрерывно сжи-
мается под действием сил взаимного притяжения.
Расчеты показали, что и эту гипотезу приходится от-
вергнуть, ибо она приводит к тому выводу, что возраст
Солнца не больше 20 миллионов лет. Но это противо-
речит общеизвестным научным данным. Ведь жизнь
на Земле, невозможная без тепла Солнца, существует
уже более сотни миллионов лет.
Наукой доказано, что источник энергии звезд —
реакции синтеза легких ядер.
При достаточном сближении, скажем, двух ядер
тяжелого водорода образуется более прочное ядро ге-
лия и при этом выделяется много энергии (в несколько
раз больше, чем при делении урана в расчете на оди-
наковую массу). В обычных земных условиях осущест-
влению такой реакции препятствуют два обстоятель-
ства: во-первых, ядра окружены электронными обо-
лочками, размеры которых в десятки тысяч раз больше
ядер. При сближении атомов между электронами воз-
никают силы отталкивания, препятствующие дальней-
шему сближению ядер. Во-вторых, даже если бы уда-
лось лишить ядра электронных оболочек, то и в этом
случае сближение ядер до непосредственного сопри-
косновения было бы невозможно из-за возникающих
при этом огромных сил отталкивания между одноимен-
ными (положительными) зарядами ядер.
Но при температуре 20 миллионов градусов, кото-
рая существует в глубине Солнца и других звезд, оба
эти препятствия отпадают. Во-первых, при столь вы-
сокой температуре ядро не в состоянии удержать
электроны на оболочке атома — происходит полная
ионизация, распад атомов на ядра и электроны. Такое
состояние вещества называется плазмой. Во-вторых, в
высокотемпературной плазме ядра приобретают огром-
ную скорость, так что они в состоянии преодолеть вза-
имное отталкивание и сблизиться до соприкосновения.
При этом под действием ядерных сил происходит ядер-
10
145
ная реакция синтеза, или, как ее называют, термо-
ядерная реакция.
Как показал известный немецкий физик Бете, в
глубине звезд происходит ядерная реакция превраще-
ния водорода в гелий. Справедливость этой теории, в
частности, подтверждается тем, что Солнце на 50%
состоит из водорода и на 45 % — из гелия.
Расчеты показывают, что еще миллиарды лет
Солнце будет светить так же интенсивно, как и сейчас.
Естественно возникает вопрос: нельзя ли в земных
условиях искусственно осуществить термоядерную
реакцию? Она имела бы практически неизмеримо
большее значение, чем реакция деления урана. Ведь
термоядерная реакция дает на единицу массы пример-
но в 8 раз больше энергии, чем при делении урана,
а главное, сырья для ее осуществления — водорода, в
природе имеется неограниченное количество.
Как уже указывалось, для протекания термоядер-
ной реакции необходима температура в десятки мил-
лионов градусов.
Искусственно получить такую температуру два-
дцать лет назад казалось фантазией. В настоящее вре-
мя наука уже знает способ получения таких темпера-
тур — это атомный взрыв. Поэтому если внутрь боль-
шого количества сжатого тяжелого водорода поместить
атомную бомбу, то образующаяся при ее взрыве огром-
ная температура создаст условия для протекания тер-
моядерной реакции.
По этому принципу устроена водородная бомба.
В очень прочной стальной оболочке находится тяже-
лый и сверхтяжелый водород: внутри помещается не-
большая атомная бомба, играющая роль запала водо-
родной бомбы.
Но нас интересует не столько водородная бомба,
сколько возможность использования термоядерной
реакции для мирных целей. Возможно ли получить
энергию термоядерной реакции не в виде взрыва, а
постепенно, нужными порциями?
В СССР начиная с 1949 г. исследуются пути осу-
ществления управляемой термоядерной реакции.
Как уже отмечалось, в высокотемпературной плаз-
ме могут происходить столкновения ядер и реакция их
синтеза. Но вероятность этого будет тем больше, чем
146
выше температура плазмы. Чтобы такая реакция пред-
ставляла практический интерес, она должна быть
самоподдерживающейся (как, например, горение). Это
значит, что выделяющаяся вследствие термоядерной
реакции энергия полностью компенсирует потери тепла
за счет горячей плазмы. Расчет показывает, что толь-
ко при температуре 350 миллионов градусов плазма,
содержащая только ядра дейтерия, «самовоспламеняет-
ся». В плазме из ядер дейтерия и трития ядерное
♦горение» начинается при 45 миллионах градусов.
Количество энергии, необходимое для нагревания
плазмы до нескольких десятков миллионов градусов,
сравнительно невелико. Но как удержать при такой
температуре плазму и обеспечить сохранение в ней
накопленной теплоты?
Если в сосуде попытаться нагревать тяжелый водо-
род, то его частицы, разлетаясь во все стороны, отда-
дут теплоту стенкам, а от них окружающей среде. Уже
при температуре в несколько тысяч градусов потери
тепла становятся столь значительными, что дальней-
шее повышение температуры становится невозможным.
Следовательно, нужно было найти соответствующий
теплоизолятор. Но где взять материал, способный вы-
держать температуру в миллионы градусов?
Казалось, что эта задача неразрешима. Но ее ре-
шили в 1950 г. молодой советский физик А. Д. Саха-
ров (ныне академик) совместно с академиком И. Е. Там-
мом. В качестве теплоизолятора они предложили при-
менить магнитное поле, которое играет роль незримой
теплоизолирующей стены. Магнитное поле заставляет
заряженные частицы плазмы двигаться по винтовой
линии малого радиуса. Чем сильнее магнитное поле,
тем уже становится пучок, сжимаясь в тонкий шнур.
Акамедик И. В. Курчатов сравнивал это состояние
ядер и электронов с белкой в колесе. Лишенные сво-
боды частицы в магнитном поле уже не могут унести
энергии из плазмы. Но самое интересное состоит в
том, что необходимое для этого магнитное поле возни-
кает само, если через разреженный газ пропустить
электрический ток большой силы — в сотни тысяч ам-
пер. Этот ток сыграет двойную роль — он выделит тепло
для нагревания и за счет своего магнитного поля не
даст этому теплу пропасть зря. Под действием магнит-
♦
147
И. В. Курчатов
(1903—1961)
Выдающийся совет-
ский физик. Возглавлял
в СССР все научные ис-
следования по атомной
энергии^ Открыл явле-
ния сегнетоэлектриче-
ства и ядерной изоме-
рии. Под его руковод-
ством было открыто
самопроизвольное деле-
ние урана.
ного поля заряженные частицы мгновенно сжимаются
в тончайший плазменный шнур, оторванный от стенок
сосуда. Температура быстро начинает возрастать, до-
стигая миллиона градусов.
Советские физики под руководством академика Ар-
цимовича специальными экспериментами исследовали
явления, происходящие в дейтерии при прохождении
больших токов. В некоторых опытах сила тока дости-
гала двух миллионов ампер, а мгновенная мощность
примерно в 10 раз была больше мощности Куйбышев-
ской гидроэлектростанции. Температура в трубке с га-
зом превосходила миллион градусов, но в отличие от
водородной бомбы тяжелый водород здесь совершенно
безопасен, так как его в трубке было ничтожно мало.
Эти эксперименты подтвердили справедливость идеи
Сахарова и Тамма. Но наряду с этим выяснилось, что,
к сожалению, в плазме процессы идут значительно
сложнее, чем предполагалось.
148
Прежде всего плазменные шнуры неустойчивы г
достаточно малейшего нарушения условий равновесия
в трубке и шнур начнет изгибаться до тех пор, по-
ка не коснется стенок. Для стабилизации плазмы
приходится накладывать дополнительное магнитное
поле.
Слабым местом в прямой разрядной трубке яв-
ляются также электроны. Ведь магнитное поле ограж-
дает плазменный шнур только с боков, у обоих же
оснований трубки плазма «касается» сравнительно хо-
лодных электродов и, таким образом, теряется боль-
шая часть накопленного тепла. Поэтому стали созда-
вать замкнутые разрядные трубки в виде «бублика»
без электродов — тороидальные камеры.
По законам физики вокруг электромагнита, по ко-
торому течет переменный ток, возникают кольцеобраз-
ные силовые линии электрического поля. Поэтому
если такой электромагнит окружить тороидальной раз-
рядной камерой, то частицы плазмы будут непрерыв-
но двигаться внутри камеры по окружности под дей-
ствием существующего в ней кольцевого электриче-
ского поля. Чтобы плазменный шнур внутри тороида
был устойчив и случайно не коснулся холодных стенок
камеры, стали, во-первых, накладывать дополнитель-
ное продольное фокусирующее магнитное поле (для
чего тороид обмотали проволочной катушкой с током)
и, во-вторых, камеры сделали не из стекла или фар-
фора, а из металла. Дело в том, что в металле возни-
кают вихревые токи (токи Фуко), магнитное поле кото-
рых не даст частицам плазмы приблизиться к стенкам.
Значительно более мощная тороидальная разряд-
ная камера «Альфа» с железным сердечником, по-
строенная в СССР, имеет диаметр трубы 1 м и наруж-
ный диаметр 4,2 м. Аналогичную камеру «Зета» по-
строили англичане. В тороидальных камерах удалось
получить значительно более устойчивую плазму, чем
в прямых трубках.
На конференции в Женеве в сентябре 1958 г. со-
ветские ученые рассказали и о других направлениях
исследований получения звездных температур. Боль-
шой интерес вызвало сообщение о создании в Инсти-
туте атомной энергии Академии наук СССР колоссаль-
ной магнитной ловушки «Огра», с помощью которой
149
можно надеяться осуществить управляемую термо-
ядерную реакцию.
Опыты по осуществлению управляемой термоядер-
ной реакции проводятся и в других направлениях.
В 1957 г. мексиканский физик Луис Альварец на
космотране Калифорнийского университета осущест-
вил замечательную ядерную реакцию синтеза водо-
рода в гелий при обычных температурах. Интересно,
что идея этого метода была теоретически предсказана
еще в 1954 г. независимо друг от друга советскими
учеными-академиками Я. Б. Зельдовичем и А. Д. Са-
харовым. Они рассчитали, что взаимное отталкивание
ядер можно преодолеть не только высокой температу-
рой, но и с помощью частиц мю-мезонов, о которых мы
подробно будем говорить в следующей главе. Дело в
том, что наряду с обычными атомами теория допуска-
ла возможность существования мезо-атомов. У мезо-
атомов вокруг ядра вращаются не электроны, а отри-
цательные мю-мезоны. Поскольку мю-мезоны, как и
электроны, подчиняются принципу Паули, то мезо-
атомы также образуют своеобразную периодическую
систему от мезо-водорода до мезо-нобелия. Основное
отличие мезо-атомов от обычных состоит в размерах
мезонных орбит: поскольку мю-мезон в 207 раз тя-
желее электрона, то радиус мезонной орбиты во столь-
ко же раз меньше радиуса соответствующей электрон-
ной орбиты.
Мю-мезон частица неустойчивая и в течение мил-
лионных долей секунды превращается в более легкие
частицы. Поэтому понятно, что и сами мезо-атомы
могут существовать очень недолго. Но и за свою ко-
роткую жизнь они могут сыграть большую роль в
науке. Мезо-атомы могут объединяться в мезо-моле-
кулы, у которых вокруг нескольких ядер имеется
единая мезонная оболочка. Так, молекула мезо-водо-
рода, подобно молекуле обычного водорода Нг, напо-
минает пространственную мезонную «восьмерку»,
охватывающую оба ядра водорода, только эта вось-
мерка в 207 раз меньше, чем у обычной молекулы.
Представим себе теперь, что произойдет с мезо-
молекулой дейтерия после распада мезонов: молеку-
лы не будет, но мезоны сыграли свою роль — сбли-
зили ядра тяжелого водорода до столь малых рас-
150
стояний, что между ними начнут действовать ядер-
ные силы.
Таким образом, по идее Я. Б. Зельдовича и
А. Д. Сахарова можно, создав мезо-дейтерий, надеять-
ся на протекание в нем самопроизвольной ядерной
реакции синтеза.
Эту реакцию на опыте и осуществил Альварец. Он
облучал сосуд с сжиженным тяжелым водородом мощ-
ным пучком мезонов и наблюдал в отдельных слу-
чаях протекание указанной реакции.
Можно подумать, что грандиозная задача, о ко-
торой говорилось выше, уже решена. К сожалению,
еще нет. Дело в том, что вероятность такой реакции
очень мала. Чтобы получить, таким образом, из водо-
рода гелий в заметных количествах, нужно создать
такие интенсивные пучки мезонов, что на -их получе-
ние придется затратить энергии немного больше, чем
выделится при ядерной реакции синтеза.
Тем не менее ясно, что тот исторический момент,
когда будет не только принципиально, но и техниче-
ски решена задача осуществления реакции ядерного
синтеза, уже близок.

Э) ЛХ ЕЕ 00 ЕЕ ЕЮТГАА № И EbEI [I
^маттгилщгъп
Z этой главе рассказывается о достижениях физики
в изучении свойств тех мельчайших элементарных
частиц, из которых образуются атомы и ядра атомов.
Как мы уже знаем, к концу 1932 г. физики знали
четыре элементарные частицы: протон, нейтрон, элек-
трон и позитрон. К ним вскоре добавили и пятую —
фотон, т. е. квант света. Ведь опыты все более убе-
ждали, что частицы света — фотоны — ничем принци-
пиально не отличаются от частиц вещества. Более
того, и те, и другие «при удобном случае* превра-
щаются друг в друга. Но оказалось, что список эле-
ментарных частиц природы еще далеко не исчерпан.
НЕЙТРИНО
Шестой открытой элементарной частицей, совсем не-
обычной по своим свойствам, было ♦нейтрино»
Подобно позитрону, нейтрино было сначала предска-
зано теоретически. Произошло это так. Сразу после
открытия супругами Кюри и Резерфордом трех видов
радиоактивных лучей — альфа, бета и гамма — нача-
лось их тщательное исследование и сопоставление. Та-
кие опыты проводились и в Парижском институте
радия под руководством Марии Кюри, и в лаборато-
рии Резерфорда в Кембридже. Результаты этих опы-
тов говорили о различии в процессах альфа- и бета-
распада. При альфа-распаде все частицы, вылетающие
1 Нейтрино — маленький нейтрон.
152
из атомов данного вещества, имеют оди-
наковую энергию. Это хорошо видно на
рисунке следов альфа-частиц в камере
Вильсона, где все треки приблизительно
равны по длине. Но у разных радиоак-
тивных веществ энергия вылетающих
альфа-частиц различна. Была даже уста-
новлена зависимость между длиной
пробега альфа-частиц и постоянной рас-
пада Л: чем быстрее данное вещество распадается, тем
большей длиной пробега (следовательно, и энергией)
обладают альфа-частицы этого вещества.
Ясно, что ядра альфа-радиоактивных атомов воз-
буждены, т. е. обладают некоторой избыточной энер-
гией, которую уносят с собой вылетающие альфа-ча-
стицы. Чем больше возбуждены ядра атомов данного
вещества, тем быстрее они распадаются и с большей
энергией вылетают из них альфа-частицы. Такие пред-
ставления о процессе альфа-распада хорошо согла-
суются с фактами. Естественно было ожидать, что
нечто подобное происходит и при бета-распаде: выле-
тающие из возбужденных ядер электроны должны
уносить избыток энергии, которым обладает возбу-
жденное ядро по сравнению с нормальным, невозбу-
жденным. Поэтому все бета-электроны одного и того
же вещества должны иметь одинаковую энергию. Но
опыты приводили к совершенно иным результатам:
каждое бета-радиоактивное вещество выбрасывает
электроны самых различных энергий — от нуля до не-
которого максимального значения Ет. Это было уди-
вительно. Тогда ученые сравнили энергию атома до
и после бета-распада. Выяснилось, что в результате
распада энергия атома как раз уменьшилась на вели-
чину Ет. Поэтому первое напрашивающееся объяс-
нение существования бета-распада у вылетающих с
различной энергией частиц сводилось к следую-
щему.
При бета-распаде, как и при альфа-распаде, все
электроны вылетают с одинаковой энергией, равной
Ет, но во время движения постепенно, по разным при-
чинам (столкновение с молекулами воздуха, излуче-
ние света и т. п.) теряют часть своей первоначальной
энергии. Были поставлены специальные опыты с це-
153
лью уловить ту часть энергии, которую бега-элек-
троны теряют во время своего полета. Для этого бета-
излучатель был помещен в толстостенный свинцовый
калориметр. В конечном итоге лея энергия, выделив-
шаяся при бета-распаде, должна будет превратиться
в теплоту, что можно определить по повышению тем-
пературы в калориметре. Но несмотря на всю тща-
тельность опытов, ожидавшейся потери энергии элек-
тронов обнаружить не удалось.
Получился поразительный результат. Все бета-ра-
диоактивные атомы уменьшают свою энергию на ве-
личину Е т, а вылетающие при этом электроны уносят
обычно меньшую энергию. Куда же исчезает осталь-
ная часть энергии распада? Вновь в физике возникла
серьезная трудность. Некоторые физики, в том числе
и Бор, выдвинули антиматериалистическую гипотезу,
что закон сохранения энергии не является абсолют-
ным, что могут быть небольшие нарушения в ту или
другую сторону, так что в среднем общая энергия со-
храняется. Но встать на такую точку зрения — это
значит допустить мысль о возможности исчезновения
и возникновения движения материи, а значит, и са-
мой материи. Не удивительно поэтому, что развитие
естествознания вскоре отбросило совершенно ненауч-
ную гипотезу Бора.
В 1933 г. известный немецкий физик Вольфганг
Паули выдвинул смелую гипотезу о процессе бета-рас-
пада, согласующуюся с законом сохранения энергии.
Согласно Паули, при бета-распаде из ядра выле-
тает не только электрон, но еще одна частица, ко-
торая уносит остальную часть избыточной энергии
ядра.
Возникает вопрос: почему же в опыте с калори-
метром не удалось обнаружить энергию, которой обла-
дают эти частицы, вылетающие вместе с электронами?
На это гипотеза Паули отвечает: вторая частица —
нейтрино — не обладает зарядом и имеет ничтожную
массу, поэтому она легко проходит даже через толстые
свинцовые стенки калориметра. Так появилась в фи-
зике шестая элементарная частица. Но нейтрино еще
очень долго оставалось гипотетической частицей. Ведь
ее не только никто в мире не обнаружил, но даже
нельзя было, кажется, придумать способ ее обнару-
154
женин. В отличие от всех других частиц реальность
нейтрино подтверждалась постепенно в течение при-
мерно 20 лет.
В 1934 г. Ферми показал, что только с помощью
гипотезы Паули можно согласовать процесс бета-рас-
пада с наличием у частиц спина. Так, при бета-рас-
паде нейтрон превращается в протон и электрон. Но
ведь у всех этих частиц спин равен-4-. Таким обра-
зом, чтобы в соответствии с общими законами атом-
ной физики суммарный спин частиц после превраще-
ния нейтрона оставался равным -g-, необходимо обра-
зование нечетного числа частиц:
нейтрон —► протон + электрон 4- нейтрино
В 1935 г. советский физик А. И. Лейпунский ре-
шил поставить опыт, в котором должно было про-
явиться существование нейтрино. Идея опыта состоя-
ла в том, что поскольку непосредственно наблюдать
нейтрино очень трудно, то их вылет из ядра должен
сказаться в виде отдачи ядра. Подобно тому как при
выстреле из винтовки она получает толчок назад, так
ясе при бета-распаде ядро атома должно испытать от-
дачу в сторону, противоположную вылету частицы.
Нетрудно видеть, что отдача ядра должна быть раз-
личной в случае вылета одного электрона и в случае
двух частиц — электрона и нейтрино. Опыты Лейпун-
ского показали, что отдача ядер при бета-распаде от-
личается от той отдачи, которую они должны были бы
иметь, если бы из ядра вылетал один электрон. От-
сюда следовало, что при бета-распаде вместе с элек-
троном вылетает еще по крайней мере одна частица.
Значительно улучшил идею опыта Лейпунского в
1939 г. известный советский физик-экспериментатор
академик А. И. Алиханов, который решил воспользо-
ваться своеобразной ядерной реакцией, обратной бета-
распаду и называемой в физике К-захватом. При К-
захвате ядро атома не излучает, а поглощает электрон
с ближайшей электронной оболочки (называемой
К-оболочкой), превращаясь в новое ядро с порядковым
номером на единицу меныним первоначального Так
155
как такая реакция прямо противоположна бета-рас-
паду, то следует ожидать и в этом случае образования
нейтрино.
Преимущество этой реакции для целей обнаруже-
ния нейтрино состоит в том, что здесь из ядра либо
вовсе не вылетает частиц, либо, если верна гипотеза
Паули, вылетает только одна частица — нейтрино.
Поэтому если мы обнаружим отдачу ядра, то она
могла возникнуть не иначе, как вследствие вылета
нейтрино.
Закончить исследования А. И. Алиханову поме-
шала война. В 1942 г. американский ученый Аллен
осуществил идею Алиханова и измерил отдачу ядер
при К-захвате. Результаты оказались такими, какие
следовало ожидать, исходя из гипотезы нейтрино.
Еще более убедительный опыт, подтверждавший
образование при бета-распаде, помимо электрона, дру-
гой частицы, был поставлен в 1948 г. Шервином.
В этом опыте удалось определить не только энергию,
но и скорость, и направление полета нейтрино. Ока-
залось, что масса нейтрино очень мала, во всяком
случае меньше одной двухтысячной доли массы элек-
трона.
Доказательством существования нейтрино были
проведенные в 1956 г. опыты по облучению воды мощ-
ным пучком нейтрино, образующихся в ядерных ре-
акторах. При этом в толще воды образовывались по-
зитроны и нейтроны. А этого и следовало ожидать,
если нейтрино действительно существуют. В этом
случае будет такая реакция:
нейтрино+ядро водорода (протон) —>
—► нейтрон 4- позитрон.
МЕЗОНЫ
Еще в конце XIX в. физики заметили, что заря-
женный электроскоп постепенно самопроизвольно
теряет свой заряд. С открытием радиоактивности это
явление как будто стало понятным. Ведь в почве,
воде, растениях есть ничтожные следы радиоактивных
веществ, которые своим излучением ионизируют воз-
156
дух. А ионизированный воздух — хороший провод-
ник, и через него электроскоп разряжается. Тогда по-
местили заряженные электроскопы в свинцовые обо-
лочки, поглощающие радиоактивные лучи, но раз-
рядка продолжалась, хотя и медленнее. По-видимому,
радиоактивные примеси были и в свинце.
Чтобы совсем избавиться от радиоактивных лучей,
идущих из почвы, немецкий физик Гокель в 1909 г.
решил подняться на воздушном шаре и там просле-
дить за заряженными электроскопами. Сначала с уда-
лением от земли скорость разрядки действительно
уменьшилась, но начиная с высоты 0,5 км разрядка
вновь начала возрастать. Он поднялся на высоту
4,5 км и там ионизация воздуха оказалась в несколь-
ко раз больше, чем у поверхности Земли.
Эти наблюдения вскоре подтвердились и другими
учеными. Стало ясно, что ионизирующее излучение
попадает в воздух не только от радиоактивных солей
почвы, но в значительно больших масштабах с верх-
них слоев атмосферы или более далекого космическо-
го пространства. Эти лучи позднее назвали космиче-
скими.
После первой мировой войны началось всесторон-
нее изучение космических лучей. Прежде всего эти
лучи поражали своей колоссальной проникающей спо-
собностью, оказавшейся значительно большей, чем у
гамма-лучей. Дальнейшие, более подробные исследо-
вания показали, что космические лучи состоят из двух
частей, или компонент. Мягкая компонента — это та
часть лучей, которая поглощается примерно в 10 см
толще свинца, в то время как жесткая компонента
пронизывает свинцовые плиты толщиной в несколько
метров.
Вскоре удалось выяснить, что мягкая компонента
состоит из электронов и фотонов, обладающих боль-
шими энергиями. Сложнее оказалось решить вопрос
о природе жесткой компоненты. К этому времени уже
было известно, что космические лучи падают на нашу
планету из далекого мирового пространства, а не воз-
никают в атмосфере. Это, прежде всего, следовало из
измерений Милликена и советского физика С. Н. Вер-
нова, показавших, что количество космических ча-
стиц, достигающих поверхности Земли, зависит от ши-
157
роты места. Меньше всего падает лучей у экватора,
больше всего — у полюсов. Эту особенность лучей не-
трудно понять, если учесть, что вокруг Земли суще-
ствует магнитное поле. Любая заряженная частица,
летящая на Землю, еще на больших расстояниях от
поверхности начинает отклоняться к тому или иному
полюсу. Но в таком случае первичные космические
лучи не могут быть потоком электронов и позитро-
нов. Ведь, попав в земную атмосферу, они вследствие
своей малой массы стали бы резко затормаживаться
и излучать при этом электромагнитные волны. Расчет
показывает, что электроны и позитроны поглотились
бы еще в верхних слоях атмосферы. Таким образом,
выяснилось, что мягкая компонента образуется уже
у самой поверхности Земли. Первичные космические
частицы должны быть значительно массивнее элек-
трона, чтобы они не растеряли свою энергию на излу-
чение при торможении.
В 1937 г. американские физики Андерсон и Нед-
дермейер действительно обнаружили в камере Виль-
сона следы заряженных частиц, масса которых долж-
на была быть значительно больше, чем у электрона,
но меньше массы протона. Дальнейшие, более точные
исследования показали, что масса этих частиц равна
207 массам электрона и, следовательно, примерно в
9 раз меньше массы протона. Эти частицы назвали
мезонами1. Оказалось, что мезоны бывают положи-
тельные и отрицательные. Самое удивительное свой-
ство мезонов — это их неустойчивость. Мезон в сред-
нем «живет» примерно две миллионные доли секунды,
после чего превращается в электрон или позитрон и
нейтрино.
Мезон был теоретически предсказан японским тео-
ретиком X. Юкавой в 1935 г. Юкава развил перво-
начальные идеи советского ученого И. Е. Тамма о при-
роде ядерных сил и пришел к выводу о существова-
нии заряженных частиц с массой, в 200—300 раз
превосходящей массу электрона. Ядерные силы при-
тяжения между нуклонами по этим представлениям
возникают вследствие своеобразного взаимного обме
1 Мезон — означает промежуточный (по-гречески мезон —
средний).
158
на такими «частицами Юкавы». Большинство свойств,
предсказанных Юкавой для этих частиц: масса, за-
ряд, время жизни — совпадало с этими величинами
у мезонов. Поэтому физики решили, что мезоны и есть
«частицы Юка вы».
Но уже через несколько лет стало выясняться, что
мезоны не могут обеспечить существования известных
нам ядерных сил. Прежде всего более глубокая тео-
рия показала, что для объяснения ядерных сил при-
тяжения между двумя одинаковыми нуклонами (дву-
мя протонами или двумя нейтронами) следует пред-
положить наличие в природе нейтрального мезона, в
то время как притяжение протона и нейтрона вызы-
вается обменом заряженными мезонами. На опытах
же удавалось обнаружить только заряженные мезоны.
Но главная трудность состояла в том, что мезоны,
даже отрицательно заряженные, почему<го совершенно
не поглощались ядрами. Ведь если мезоны создают
ядерные силы, то такие частицы должны чрезвычай-
но сильно взаимодействовать с ядрами.
Вскоре удалось выяснить, в чем же тут дело. Ан-
глийские физики Поуэлл и Оккиалини в 1947 г. сооб-
щили об открытии в космических лучах частиц более
тяжелых, чем мезоны (масса их равна около 270 масс
электрона), которые в течение стомиллионной доли
секунды превращаются в обычные мезоны. Чтобы раз-
личать оба типа мезонов, тяжелые мезоны стали на-
зывать пи-мезонами (или пионами), а легкие мезо-
ны — мю-мезонами (или мюонами). Дальнейшее изу-
чение пи-мезонов показало, что они-то и есть «ядер-
ные» мезоны, т. е. частицы, предсказанные Юкавой
еще в 1935 г. Через некоторое время с помощью со-
временных гигантских ускорителей заряженных ча-
стиц ученые стали получать пи-мезоны искусственно.
Удалось также наблюдать таким путем и нейтраль-
ные пи-мезоны.
Только после всех этих открытий удалось восста-
новить общую картину процессов, происходящих в
космических лучах. Первичная составляющая косми-
ческих лучей — это летящие с колоссальной скоростью
из мирового пространства протоны (ядра водорода),
а также ядра других легких элементов. Попадая в
верхние слои атмосферы, протоны взаимодействуют
159
с ядрами атомов воздуха, образуя пи-мезоны. Пи-ме-
зоны, имеющие очень маленькое время жизни, проле-
тев незначительный путь, превращаются в очень бы-
стрые и значительно более долговечные мю-мезоны.
Мю-мезоны и составляют жесткую компоненту косми-
ческих лучей.
Мю-мезоны образуются главным образом на высо-
те 15—20 км, за время своей жизни они успевают
дойти до земной поверхности, где превращаются в
электроны, позитроны и нейтрино, составляющие
мягкую компоненту.
АНТИЧАСТИЦЫ
В предыдущих главах отмечалось, что из уравнения
Дирака следовало наличие у электронов соответ-
ствующих антиподов — позитронов, позднее обнару-
женных на опыте. Но из того же уравнения вытекало,
что и у протонов должна существовать противополож-
ная частица — антипротон. Существование такой ча-
стицы и было теоретически предсказано Дираком еще
в 1928 г. Но несмотря на тщательные поиски, обна-
ружить антипротон на опыте не удавалось в течение
25 лет. Нам теперь ясно, почему эти поиски были без-
успешны: облучая вещество лучами с энергией не ме-
нее 1 Мэв, можно получить пару частиц: электрон и
позитрон; чтобы получить тяжелую пару — протон и
антипротон, нужно вещество бомбардировать лучами
с энергией, примерно в 2000 раз большей (протон, как
мы знаем, тяжелее электрона почти в 2000 раз, зна-
чит, и энергия у него во столько же раз больше).
Поэтому, чтобы получить протон и антипротон,
нужно бомбардировать вещество лучами с энергией
не менее 2 млрд. эв. Более точный расчет показывает,
что необходима энергия не менее 4 млрд. эв. Частицы
с такой огромной энергией физики научились полу-
чать совсем недавно, когда были созданы сверхмощ-
ные ускорители — синхрофазотроны. В космических
лучах, хотя и встречаются частицы таких больших
энергий, но интенсивность этих лучей очень мала, и
антипротоны под действием космических лучей обра-
зуются очень редко.
160
В августе 1955 г., бомбардируя медную пластинку
протонами, ускоренными до энергии в 6,2 млрд. эв,
ученые Э. Сегре, К. Виганц и О. Чемберлен обнару-
жили частицу, по массе в точности равную протону,
но имеющую отрицательный заряд. Это и был анти-
протон.
В пустоте антипротон существует сколь угодно
долго, но если он столкнется с протоном, то оба они
исчезнут, превращаясь в несколько мезонов, разле-
тающихся с огромной скоростью.
В самое последнее время была открыта таким же
методом еще одна предсказанная теорией Дирака ча-
стица — антинейтрон. Антинейтрон, как и нейтрон, не
имеет заряда. Различаются они только взаимопроти-
воположным направлением магнитных моментов (в
предположении, что спины, т. е. направления соб-
ственного вращения, совпадают).
В последние годы стало совершенно ясно, что в
природе существует закон зарядового сопряжения. Это
значит, что у каждой элементарной частицы должна
быть античастица, причем физические свойства систе-
мы не изменятся, если все ее частицы заменить анти-
частицами. Отсюда следует, что наряду с обычными
атомами возможны и «антиатомы». Ядра антиатомов
имеют отрицательный заряд, ибо состоят из антипро-
тонов и антинейтронов. Вокруг таких антиядер вра-
щаются положительные позитроны. Таким образом,
антиатом — полная противоположность обычного ато-
ма, вместо каждой частицы атома существует анти-
частица антиатома. По закону зарядового сопряжения
свойства антиатомов ничем не отличаются от свойств
обычных атомов. И антиатомы образуют периодиче-
скую систему от антиводорода до антиурана, и у них
возможны трансурановые антиатомы антинептуния,
а нт и пл у тони я и т. д. Спектры антиатомов ничем не
будут отличаться от спектров соответствующих ато-
мов. В принципе возможны и антимезоатомы — вокруг
отрицательных ядер вращаются положительные мезо-
ны. При столкновении антиатомов с обычными ато-
мами должен был бы произойти взрыв.
В настоящее время почти у всех частиц найдены
• античастицы.
11
161
СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ МЕЗОНЫ И ЗАКОН
ЗЕРКАЛЬНОЙ СИММЕТРИИ
Теперь мы расскажем об одном очень интересном
открытии последних лет в области элементарных
частиц. Но для этого придется начать издалека.
Материя движется в пространстве и во времени.
По определению В. И. Ленина, пространство и вре-
мя— это основные формы существования материи.
В природе существует несколько законов, или
принципов симметрии, выражающих наиболее общие
свойства пространства и времени. Эти законы симмет-
рии настолько привычны, что их утверждения обыч-
но воспринимаются нами как само собой разумею-
щиеся. Но из каждого принципа симметрии в свою
очередь вытекает определенный закон сохранения. За-
коны сохранения являются важнейшими законами
естествознания.
Поясним это. В физике известен принцип однород-
ности времени. Он означает, что все моменты времени
равноправны. Если бы все часы на Земле перевели
на час вперед, то физические законы, характеризую-
щие свойства природы, от этого не изменились бы.
Из принципа однородности времени можно вывести
закон сохранения энергии.
Другой принцип симметрии — принцип однородно-
сти пространства: все точки пространства равноправ-
ны. Из однородности пространства вытекает закон со-
хранения количества движения.
К подобным принципам симметрии относится и
принцип зеркальной симметрии: физические свойства
тел при замене их строения зеркально отраженным
не меняются. Так, если у человека сердце и другие
органы, расположенные обычно слева, находятся
справа, то от этого физические свойства его организ-
ма не отличаются от обычных людей.
Из принципа зеркальной симметрии вытекает
важный закон в квантовой механике — закон четно-
сти. По этому закону все элементарные частицы мож-
но разделить на два класса; четные (четность равна
4-1) и нечетные (четность равна —1). Если мы имеем
систему из нескольких частиц, то ее четность равна
произведению четностей всех составных частиц. За-
162*
кон четности гласит: полная четность системы частиц
ни при каких превращениях не может измениться.
Поскольку этот закон был многократно подтвержден
и, что самое главное, является следствием давно и
хорошо известного принципа зеркальной симметрии»
то в справедливости его сомневаться не приходилось.
Но вот последние открытия в физике элементарных
частиц поколебали эту уверенность.
Начиная с 1950 г. ученые обнаружили в космиче-
ских лучах, а затем искусственно получили с помо-
щью ускорителей несколько новых типов элементар-
ных частиц еще более тяжелых по сравнению с
пи-мезонами. Всю эту группу частиц назвали К-мезо-
нами.
Подробное и тщательное изучение свойств К-мезо
нов показало, что среди них бывают заряженные по-
ложительно и отрицательно, а также нейтральные
частицы. Масса всех К-мезонов была одинаковой, рав-
ной примерно 965 массам электрона. Спин у всех ти-
пов К-мезонов оказался равным нулю. Время жизни
заряженных К-мезонов примерно одинаковое. Из все-
го этого можно было бы заключить, что мы имеем
дело с одним типом элементарных частиц, если бы
не следующее обстоятельство.
В одних случаях заряженный К-мезон распадался
на три пи-мезона, в других — на два, вот как схема-
тически можно записать реакцию распада положи-
тельных К-мезонов:
+ «- + «+ (1)
(2)
Поскольку, как показывают опыты, пи-мезон — ча-
стица нечетная (четность равна —1), то по закону чет-
ности К-мезон, распадающийся по первой схеме, яв-
ляется нечетной частицей, а второй — четной. Нечет-
ный К-мезон назвали тау-мезоном (т-мезон), а чет-
ный — тэта-мезон (6-мезон). Таким образом» та у- и
тэт а-мезоны отличаются только четностью, во всем
остальном их свойства совершенно одинаковы.
Но самое удивительное обстоятельство, связанное
с этими мезонами, состоит в следующем. Сколько бы
К-мезонов ни взяли, всегда количество распадающих-
163
частица. Но, возразит
ся на три ши-мезона вдвое
больше числа распадающихся
на два пи-мезона. Чем объяс-
нить, что соотношение числа
тау- и тэтачмезонов, к тому
же во всем, кроме четности,
тождественных друг другу,
всегда постоянно? Эта пробле-
ма получила название «тау —
тэта загадки».
Работающие в США ки-
тайские физики-теоретики Ли
Чжен-дао и Янг Чжень-нин в
1956 г. выдвинули для объяс-
нения этой загадки смелую
научную гипотезу: тау- и
тэта-мезон — это одна и та же
внимательный читатель, такое
предположение противоречит закону четности, а следо-
вательно, и принципу зеркальной симметрии. В этом и
суть гипотезы Ли и Янга. Они предположили, что при
некоторых процессах, относящихся к слабым взаимо-
действиям (к ним относится и бета-распад), закон чет-
ности может не выполняться. Они даже указали опыты,
с помощью которых можно это проверить.
Через несколько месяцев китаянка By, современ-
ный физик-экспериментатор, осуществила такой опыт,
полностью подтвердивший справедливость гипотезы
Янга и Ли. By с помощью сильного магнитного поля
и очень низкой температуры добилась одинакового
направления спинового вращения ядер бета-радиоак-
тивного кобальта 60 вокруг вертикальной оси. После
этого она исследовала, как из этих ядер вылетают
бета-электроны. Если при этом процессе выполняется
закон зеркальной симметрии, то электроны должны
вылетать из ядер вверх и вниз в равной степени. На
опыте же оказалось, что ядра выбрасывают электроны
только в одном направлении — вверх. Отсюда выте-
кает, что зеркальная симметрия не имеет места. Дей-
ствительно, рассмотрим всю картину распада в гори-
зонтальном зеркале, расположенном ниже ядер. Тогда
у зеркального отражения направления вращения ядер
останется прежним, а направление вылета электронов
164
изменится на противоположное. Выходит, что взаим-
ные направления вылета электронов и вращения ядер
при зеркальном отражении меняются. А это противо-
речит формулировке принципа зеркальной симметрии.
Такую же картину мы увидим и в вертикальном зер-
кале, расположенном сбоку.
Итак, иногда принцип зеркальной симметрии мо-
жет нарушиться, так что его нельзя уже считать аб-
солютным законом природы. В связи с этим возникал
вопрос: неужели пространство несимметрично относи-
тельно ♦левого* и ♦правого*? Как может пустое про-
странство (вакуум) быть несимметричным?
Блестяще разрешил этот вопрос крупнейший со-
ветский физик-теоретик академик Л. Д. Ландау. По
его теории пространство остается зеркально симмет-
ричным, но сами частицы при своем отражении пре-
вращаются в античастицы.
Ландау так наглядно объяснял смысл своей тео-
рии: ♦Когда мы смотрим в зеркало, то наше изобра-
жение нам кажется отличающимся от нас только за-
меной левой стороны на правую. В действительности
же, если бы зеркальное изображение было реальным,
то оно отличалось бы еще и тем, что оно состояло бы
не из атомов, протонов, нейтронов и электронов, а из
антиатомов, антипротонов, антинейтронов и позитро-
нов*. Опыты, проведенные на ускорителях, подтвер-
дили эту теорию.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ, СВЯЗАННЫЕ СО СВОЙСТВАМИ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Познаком1£мся теперь с проблемами современной фи-
зики элементарных частиц, ядер и атомов.
Прежде всего выясним, сколько всего существует
в прггроде химических элементов. В настоящее время
известны 103 элемента. Можно ли сказать, что откры-
тый в 1961 г. 103-й элемент — лоуренсий — последний
элемент или будут открыты еще более сложные эле-
менты? 1 Существует ли граница усложнения ядер?
1 В августе 1964 г. советские ученые под руководством
проф. Г. Н. Флерова открыли 104-й элемент таблицы Менделеева.
165
Л. Д. Ландау
(1908)
Крупнейший совет*
ский физик-теоретик,
лауреат Ленинской и
Нобелевской премий по
физике. Ему принадле-
жат открытия в различ-
ных областях современ-
ной физики: теории
магнетизма, фазовых
превращений, явления
сверхтекучести и физи-
ки элементарных ча-
стиц.
Последним элементом, очевидно, будет такой, у
которого прочность равна нулю, в ядрах этого элемен-
та силы отталкивания равны силам притяжения. Точ-
но указать, какой элемент будет последним, теория
пока не может, по расчетам одних ученых, это эле-
мент с номером 118, по расчетам других — с номером
137.
Теперь остановимся на вопросе о структуре эле-
ментарных частиц. Чтобы понять, каким образом осу-
ществляется действие ядерных оил между нуклона-
ми, нужно выяснить, как устроены протоны и ней-
троны.
Несколько лет назад считалось, что протон — это
мельчайшая и простейшая элементарная частица ве-
щества и поэтому бессмысленно говорить о структуре
протона. Недавно ученым удалось проникнуть внутрь
ядер и даже протонов и многое о них узнать. Как же
это удалось сделать? Оказалось, что пройти сквозь
166
ядро могут достаточно быстрые электроны. Это может
показаться странным. Ведь из-за их легкости элек-
троны давно были сброшены со счетов возможных
ядерных процессов. Да, те сравнительно медленные
электроны, которыми располагали ученые лет 20 на-
зад, для этого не годились. Самые быстрые электроны
получали тогда при естественном радиоактивном бета-
распаде. Их энергия была не более 10 Мэв.
С помощью же ускорителей получают электроны
с энергией в миллиард электрон-вольт. А при таких
фантастически огромных энергиях ничто не может
помешать электрону влететь внутрь ядра. Но может
возникнуть вопрос: в чем преимущество электронов
перед обычными ядерными «тяжелыми снарядами» —
протонами или нейтронами? В этом-то и суть: внутри
ядра электронов нет и на них не действуют ядерные
силы. Когда электрон пролетает мимо протонов и
нейтронов, то на него действуют только электрические
и магнитные силы, которые достаточно изучены в фи-
зике. Наблюдая отклонение электрона от первоначаль-
ного пути вследствие прохождения через ядра атомов,
можно уверенно рассчитать силы, испытываемые элек-
троном, а отсюда судить о строении ядра. Так, если
ядро имеет очень малые размеры с четкими грани-
цами, то при бомбардировке его электронами рассеи-
вание электронов будет иметь другой характер, чем
если ядро расплывчатое.
Несколько лет назад американский физик Р. Хоф-
стадтер в Стенфорде поставил опыты по рассеиванию
столь энергичных электронов ядрами и протонами. Из
этих опытов выяснилось, что ядра атомов неоднород-
ны по всему объему. В центре ядра расположена
очень плотная сердцевина, вокруг которой находится
разреженная оболочка. Интересно, что, как отмечает
Хофстадтер, у различных ядер толщина этой расплыв-
чатой оболочки одна и та же, в то время как размер
плотной сердцевины увеличивается с увеличением
массового числа. У легких ядер внутренняя сердце-
вина вообще отсутствует и плотность ядра равномер-
но уменьшается от центра к краям.
Еще более интересны оказались результаты опы-
тов по «просверливанию» электронным пучком прото-
нов. Вот что пишет Хофстадтер:
167
«Оказывается, что протон представляет собой нич-
тожных размеров центр («керн»), вокруг которого су-
ществует облако «мезонов». Теория утверждает, что
протон через определенные промежутки времени ис-
пускает мезон, который вращается вокруг него нич-
тожные доли секунды, а затем обратно поглощается
протоном. Новейшая ядерная физика приходит к вы-
воду, что процесс выбрасывания и поглощения мезона
должен рассматриваться как постоянная и неотъемле-
мая деятельность протона и нейтрона».
Ученые предполагают, что внутриядерные силы
возникают вследствие обмена мезонами между нукло-
нами (т. е. протонами или нейтронами). В настоящее
время считают, что протоны и нейтроны, а также и
более тяжелые частицы гипероны (масса гиперонов
более чем в 2000 раз больше массы электрона) — это
различные состояния одной и той же частицы — нук-
лона.

[РАШ DO 0АЛГАТТ DO ffi DO IbLl E
ВАШЕМ! LEDUPTLbU DO LHJW
DO [POO DOE CO CEDO DOE
КАК ОБНАРУЖИВАЮТ РАДИОАКТИВНЫЕ АТОМЫ?
ЛУ ля обнаружения радиоактивных атомо® исполь-
зуют различные физические свойства, например спо-
собность их излучения действовать на фотопластинку.
Этот способ называется радиографией, а снимок — ра-
диоавтографом. Для получения такого снимка пред-
мет, содержащий радиоактивный элемент, приклады-
вается на некоторое время в темноте к фотопленке.
Затем пленка проявляется. В тех местах, куда попали
радиоактивные лучи, получается потемнение.
Другой способ обнаружения радиоактивного излу-
чения основан на его свойстве ионизировать воздух.
Для этого применяют счетчики Гейгера. Принцип дей-
ствия такого счетчика весьма прост: между металли-
ческим полым цилиндром (корпус счетчика) и изоли-
рованной от него металлической нитью, проходящей
по оси цилиндра, приложено напряжение в 1500—
2000 в. В электрическую цепь включают какой-нибудь
чувствительный электроизмерительный прибор (галь-
ванометр). В обычных условиях гальванометр пока-
жет отсутствие тока, ибо через воздух между нитью
и корпусом при указанном напряжении ток очень
слаб. Но если через счетчик пролетит альфа или бета-
частица, то они вызовут ионизацию молекул воздуха
и величина тока от корпуса к нити резко возрастает.
По силе тока можно судить об интенсивности излу-
чения.
169
Еще более замечательный прибор для регистрации
заряженных частиц — камера, сконструированная в
1912 г. английским ученым Вильсоном. Этот прибор
основан на свойстве пересыщенных паров конденсиро-
ваться в капельки тумана на ионах. Если тщательно
очистить пространство камеры от -пылинок, то имею-
щийся в ней пересыщенный пар не сможет конденси-
роваться. Когда же через камеру пролетит радиоак-
тивная частица, то она на своем пути создаст мно-
жество ионов, вокруг которых пар сконденсируется в
капельки жидкости.
Камера работает так. Предварительно ее запол-
няют парами воды. Пусть через камеру пролетела
альфа-частица, создав ряд ионов. Если теперь быстро
увеличить объем камеры, то пары в ней охладятся
170
и станут пересыщенны-
ми. Молекулы этого пара
будут конденсироваться
на имеющихся ионах.
Маленькие капельки, об-
разованные вокруг ио-
нов, сольются в одну це-
почку и воспроизведут
траекторию пролетевшей
частицы (треки). Эти тре-
ки можно сфотографиро-
вать, по ним можно су-
дить о превращениях,
происшедших с радио-
активной частицей на
пути ее следования.
Физик, работающий
с камерой Вильсона, по-
ФОТО-КАМЕРА
ПОРШЕНЬ
ПУТЬ
ЖЕННОЙ
АСТИЦЫ
ЕРНЕННЫИ
ЭКРАН
|h\ освещение
i
i
добен охотнику, который по следам зверя на свежевы-
павшем снегу судит о повадках этого зверя.
Существуют и другие методы обнаружения радио-
активных частиц.
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
Известно, что с движением атомов и молекул свя-
заны многие свойства окружающих нас тел. По-
этому перед наукой стояла задача — научиться следить
за движением невидимых частиц вещества. Для этого
нужно было найти способ как-то отличить отдельные
атомы от других атомов того же химического элемента.
Ученые давно пытались пометить атомы, как иногда
метят птиц или животных. При этом не обязательно,
чтобы движение было видно простым глазом. Ведь по
звуку самолета мы часто судим о его движении ночью.
Радиосигнал, посылаемый передатчиком самолета,
тоже может нам помочь в определении его местонахо-
ждения.
Так как радиоактивные атомы тоже посылают «сиг-
налы» в виде излучения, которое можно зарегистриро-
вать прибором, то мы получаем возможность просле-
дить за движением таких атомов. Надо только иметь
171
в виду, что радиоактивные лучи
выделяются при распаде атома,
т. е. при его превращении в другой
атом. Меченый атом недолговечен.
Но в процессах, за которыми на-
блюдают с помощью меченых ато-
мов, участвует такое колоссальное
их количество, что превращение
даже десятков тысяч атомов почти
не меняет картины их движения.
Возможность использования ра-
диоактивных атомов в качестве ме-
ченых атомов основана на том, что
во всех процессах в природе изо-
топы одного и того же элемента
ведут себя одинаково. При этом безразлично, радиоак-
тивны изотопы или нет. Например, при сжигании водо-
рода, содержащего смесь легкого, тяжелого и сверх-
тяжелого изотопа с кислородом, соединяются в равной
мере атомы всех изотопов, хотя обычный водород и дей-
терий устойчивы, а тритии радиоактивен.
При попадании в организм человека, например,
смеси радиоактивных и нерадиоактивных атомов од-
ного и того же элемента оба вида атомов ведут себя
химически и физически совершенно одинаково. Но
радиоактивные атомы непрерывно излучают радио-
активные лучи, тем самым сигнализируя о своем ме-
стопребывании и, значит, о движении всего данного
вещества.
Пусть, например, нужно проследить
за процессом обмена в организме, чтобы
узнать, где, в каких органах задержи-	' 9
вается тот или иной элемент, принятый	V
с пищей или лекарством. К пище добав-	\
ляют вещество, содержащее атомы coot-
ветствующего элемента. С помощью
счетчиков, располагаемых вокруг орга-
низма, легко следить за мечеными ато-
мами, за их движением по различным
органам человека.
Метод меченых атомов широко при-
меняют в науке и технике.
172
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ
Широкое применение получили в медицине радио-
активные изотопы, выделяющиеся при работе атом-
ных реакторов. Приведем примеры. Одна из важней-
ших задач современной медицины — распознавание и
лечение злокачественных опухолей (рак, саркома).
Лечение рака рентгеновскими или радиоактивными
лучами дает неплохие результаты, ибо эти лучи раз-
рушают болезнетворные клетки. Но недостатком ме-
тода является то, что при облучении опухоли, осо-
бенно если она расположена глубоко внутри организ-
ма, подвергаются воздействию и здоровые клетки.
Возникла поэтому задача найти способ облучать опу-
холь, не подвергая разрушающему действию здоровые
ткани тела. Эта проблема успешно разрешается с по-
мощью радиоактивных изотопов.
Например, для лечения заболевания щитовидной
железы — базедовой болезни — очень действенным
средством оказался радиоактивный иод. Щитовидная
железа принадлежит к органам внутренней секреции,
которые выделяют в кровь гормоны — вещества, ре-
гулирующие различные виды деятельности организ-
ма. При базедовой болезни щитовидная железа раз-
растается, содержащийся в ней гормон вырабатывает-
ся в избытке. Это усиливает обмен, увеличивает по-
требление кислорода, нарушает работу сердца и нерв-
ной системы. Раньше единственным эффективным ме-
тодом лечения считалось оперативное вмешатель-
ство — удаление части железы. Теперь для лечения
этой болезни используют свойство йода накапливаться
в щитовидной железе. Известно, что многие элементы
накапливаются преимущественно в определенных ор-
ганах и тканях. Иод поглощается щитовидной желе-
зой, причем особенно сильно при базедовой болезни.
Поэтому если такому больному ввести радиоактивный
йод, то он, накапливаясь в щитовидной железе, будет
своим излучением разрушать клетки железы, что
уменьшит размеры разросшегося органа и прекратит
избыточную выработку гормона.
Существенно при этом то, что радиоактивный йод
не оказывает никакого влияния на другие органы,
поскольку он весь накапливается в щитовидной желе-
173
зе. Да и на нее он действует недолго, так как быстро
распадается. Уже через месяц-два от него не остается
и следа.	z
Для лечения саркомы (раковая опухоль костной
ткани) применяют радиоактивный стронций, накапли-
вающийся в костях.
Широко применяется для лечения опухолей ра-
диоактивный кобальт 60, излучающий мощные гамма-
лучи. Кобальт почти полностью вытеснил значительно
более дорогой радий, перед которым у кобальта есть
и другие преимущества. Кобальт 60 получают в ядер-
ных реакторах.
С помощью радиоактивных элементов медицина
разрешает много и других важных для здоровья лю-
дей задач.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Метод меченых атомов применяется и в сельском
хозяйстве. При этом используют радиоактивные
изотопы тех элементов, из которых построены живые
организмы и растения: углерод, водород, кислород,
азот, а также фосфор, сера, железо и др. Период по-
лураспада радиоактивных изотопов должен быть боль-
шой, в противном случае меченые атомы почти пол-
ностью распадутся еще до того, как закончится экс-
перимент.
Рассмотрим несколько примеров использования
радиоактивных элементов. Для поднятия урожайно-
сти первостепенное значе-
ние имеет правильное удоб-
рение почвы. Пусть тре-
буется выяснить наиболее
целесообразные условия
введения в почву суперфос-
фата. Для этого приготав-
ливают удобрение с незна-
чительной добавкой мече-
ных атомов радиоактивного
изотопа фосфора. Затем на
опытном поле вводят на
различную глубину в почву
174
меченое удобрение. На каждом участке высаживают
одну и ту же культуру и изо дня в день измеряют ра-
диоактивность листьев растущих растений. То растение,
в котором лучше усваивается фосфор из удобрения, бу-
дет раньше и больше излучать радиоактивные лучи,
что и зарегистрирует счетчик. Растение как бы расска-
жет счетчику о том, как ему легче всего использовать
предложенное ему удобрение.
Замечательные открытия в вопросе углеродного
питания растений сделали советские ученые за по-
следние годы с помощью меченых атомов. До конца
XVIII в. считали, что углерод — основа всех органи-
ческих веществ — усваивается растением из почвы. Но
в первой половине XIX в. опытным путем было дока-
зано, что растения на солнце поглощают углерод из
воздуха с помощью листьев. Так как на свету расте-
ния не только поглощают углекислый газ, но и выде-
ляют кислород, то сложилось мнение о разложении
под влиянием солнечного света поглощаемого листья-
ми углекислого газа. Предполагалось, что углекислый
газ в листе растения соединяется с хлорофиллом, ко-
торый отрывает кислород. Советские биологи с помо-
щью меченых атомов доказали, что кислород выде-
ляется не из углекислого газа, а из воды, т. е. на све-
ту разлагается не углекислота, а вода с выделением
кислорода. Более того, как показали эксперимента-
торы А. П. Виноградов и Р. В. Рейс, углекислый газ
может поглощаться растением и в темноте, вопреки
установившемуся взгляду, что в темноте растение по-
глощает кислород и выделяет углекислый газ.
Но когда выяснилось, что поглощение углекислого
газа листом растения не зависит от света, возникла
мысль: обязательно ли углерод попадает в растение
из воздуха? Может быть и корни доставляют расте-
ниям углекислоту?
В 1955 г. советские ученые А. Л. Курсанов,
А. М. Кузин и другие, применив меченые атомы, до-
казали, что растение корнями забирает из почвы угле-
родистые соединения и переводит углерод в стебель и
листья, где он идет на образование углеводов.
Наиболее интересно применение радиоактивных
лучей для искусственного создания облаков и осад-
ков. Всем известны работы ученых по получению
175
дождя из неустойчивых облаков. Если такое облако
«засеять» частичками сухого льда, то оно превра-
щается в капли дождя. Таким способом часто удается
разрушать и рассеивать облака и туманы. Другой
метод воздействия на облака — химический. В этом
случае для искусственного вызывания дождя облако
засеивают различными фосфорными или азотными со-
единениями.
Над проблемой создания осадков облучением воз-
духа радиоактивными лучами работает профессор
Б. В. Дерягин. Уже первые опыты вселяют уверен-
ность в успешном разрешении задачи получения ис-
кусственного дождя.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ТЕХНИКЕ
Приведем два примера применения радиоактивных
элементов для охраны здоровья рабочих. На некото-
рых производствах при обработке металлов, содержа-
щих углерод, в воздухе может появиться вредный для
здоровья угарный газ. Если к обычному углероду при-
мешать радиоактивный изотоп, то появление в воз-
духе угарного газа легко заметить с помощью счет-
чиков.
Недавно за границей был сконструирован пресс, со-
вершенно безопасный при работе. Пресс этот может
быть пущен в ход только при одновременном нажатии
кнопки и наличии радиоактивного сигнала. Этот сигнал
излучают радиоактивные вещества, содержащиеся в
ничтожных количествах в особых браслетах, надетых
на обоих руках рабочего. Если рабочий, забывшись,
просунет руку внутрь пресса, то радиоактивные лучи
воздействуют на счетчик, который моментально оста-
новит пресс.
Чтобы определить, нет ли в отлитых деталях ка-
ких-нибудь дефектов, успешно применяют простой и
дешевый метод просвечивания изделий гамма-луча-
ми — гаммаграфию.
Для определения в каком-нибудь теле ничтожных
следов различных химических элементов создан но-
вый сверхчувствительный радиоактивационный анализ.
Этот метод позволяет обнаруживать присутствие посто-
176
ронних примесей к основному веществу в количестве
миллионных долей процента. Такая точность важна
в некоторых современных типах производства. Иссле-
дуемый образец помещают в атомный котел, где он
облучается нейтронами. Атомы примеси, поглощая
нейтроны, становятся радиоактивными. Затем образец
помещают вблизи счетчика и по интенсивности излу-
чения судят о количестве присутствующих в образце
примесей.
Исключительную роль за последние годы стали
играть радиоактивные изотопы в химической про-
мышленности, и прежде всего в наиболее бурно раз-
вивающейся ее отрасли — производстве пластмассы.
Пластмассы создают с помощью полимеризации —
реакции соединения множества молекул в одну слож-
ную, огромную молекулу, имеющую форму длинной
цепочки и называемую полимером. Обычно для осу-
ществления такой реакции применяют высокие тем-
пературы и давления, необходимо также присутствие
катализатора. С помощью радиоактивных облучений
получают новый метод полимеризации, не требующий
ни высокой температуры и давления, ни катализа-
тора. При этом можно сознательно регулировать про-
цесс полимеризации, т. е. получать полимеры с жела-
тельными свойствами. Более того, облучая уже гото-
вые полимеры, можно менять их физико-химические
свойства.
Большинство аппаратов и приборов, использую-
щих радиоактивные изотопы, можно увидеть на Вы-
ставке достижений народного хозяйства СССР, а так-
же в Политехническом музее в Москве.
Мы подошли к концу нашего путешествия в глубь
атома. Долгим и тернистым был этот путь для вели-
ких первооткрывателей, замечательных ученых, про-
никнувших в глубь материи и ее ♦ кирпичей» — моле-
кул, атомов, ядер и элемемтарных частиц.
Огромны успехи науки на этом пути, и величай-
шим из этих открытий было получение атомной энер-
гии. Физики всех стран мира продолжают поиски воз-
можных направлений дальнейшего продвижения впе-
ред. Ведь каждое новое открытие на этом пути делает
нашу жизнь краше и лучше.
12
177
ПРЕДМЕТНО-ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Авогадро Амедео 9, 10
Азимутальное число 72, 74,
77, 79, 99
Алиханов А. И. 156
Алхимия 4, 5
Альфа-лучи (а-лучи) 43—46,
48, 51, 53—55, 110, 111,
114—116, 120, 122, 123,
132, 152, 169, 170
Альфа-распад 55, 153
Анодные лучи 21, 22, 86, 108
Антинейтрон 161
Антипротон 161
Античастицы 160, 161
Араго Доминик Франсуа 62
Арцимович Л. А. 148
Атомная теория строения ве-
щества 15
Атомное учение 5
Атомный вес 9, 10, 12, 46, 47,
49, 107—109
— взрыв 146
— реактор 137, 144, 173
Атомная электростанция 144
Бальмер Иоганн Якоб 59, 60,
66, 68
Беккерель Антуан Анри 34—
36, 39, 40
Бета-лучи (р-лучи) 43—46, 48,
132—134, 136, 152, 169
Бета-распад 56, 110, 114, 153,
164, 167
Бойль Роберт 5, 7
Бор Нильс 61, 66, 67, 70, 74,
135—137
Валентность 11
— электроположительная 103
— электроотрицательная 103
Вернов С. Н. 157
Вес атома 10
— удельный 13, 26
Вэаимопревращаемость ча-
стиц 120
Вильсон Ч. 170
Вин Вильгельм 63
Водородсодержащие вещества
140, 141
Волновая теория 62, 63, 65, 66
Галилей Галилео 4
Гаммаграфия 176
Гамма-лучи (у-лучи) 43—46,
48, 110, 111, 118. 120, 152,
158, 174, 176
Гейгер Ганс 54
Гейзенберг Вернер 113
Гельмгольц Герман Людвиг
Фердинанд 16, 145
Герц Генрих Рудольф 18, 19,
23—25
Гиперон 168
Гипотеза де Бройля 105
— Иваненко — Гейзенберга
113
— Паули 156
— протонно-электронная 109
— Чедвика 111
Главное квантовое число 72,
99, 100
Гюйгенс Христиан 61
Дальтон Джон 7—9, 47
Де Бройль 105
Дейтерий 141, 147, 148, 150,
172
Дейтрон 141, 142
Деление ядра 132, 136
Диамагнетики 94—96
Дирак Поль 116, 118, 120
Дифракция 62, 66
Диэлектрики 91
178
Диэлектрическая постоянная
91
Длина пробега 115
Жолио-Кюри Ирен 49, 110,
120—123, 133, 152
Жолио-Кюри Фредерик. 110,
120—121, 123, 136, 142, 152
Закон Авогадро 9, 16
— взаимосвязи массы и энер-
гии 111, 125—127
— Видемана—Франца 89
— Джоуля—Ленца 88
— зарядового сопряжения 161
— зеркальной симметрии 162
— Кирхгофа 63
— Кулона 53, 75, 90
-— Кюри 39
—	Менделеева периодический
11, 13
—	Ома 88
—	пропорциональности энер-
гии и массы 124
— сохранения количества ве-
щества 6
—	— движения 162
—	— массы 7, 125
—	— энергии 41, 46, 120,
125, 162
—	фотоэффекта 25
—	четности 162, 164
— Эйнштейна 117
Зееман Питер 77
Зельдович Я. Б. 151
Зоммерфельд Арнольд 66, 71,
72, 74
Иваненко Д. Д. 113
Изобар 109
Изотоп 28, 49, 50, 108, 123,
133—135, 173, 174, 177
Ион 16, 17, 20—22, 32, 45, 46,
87. 88, 98, 170
Иоффе А. Ф. 25, 26
Ионизация 45, 145, 156, 157,
169
Инертный газ 14, 47, 102, 103,
109, 131
Интерференция 62, 66
Инфракрасные лучи 70
Камера Вильсона 118, 119,
121, 122, 153, 158, 171
Катодные лучи 18, 20т-22, 31».
86
Квант 61, 64, 65, 68, 80
Квантование пространствен-
ное 78—80
Квантовая теория 65
К-захват 156
Кирхгоф Густав Роберт 57,
63
Корпускула 7, 20, 61
Корпускулярная теория 61,
62, 65, 66
Космические лучи 118, 119,
122, 138, 157—160, 163
Коэффициент использования
ядерных сил 130
Критическая масса 142
Крукс Уильям 18, 19
Кулон Шарль Огюстен 75
Курчатов И. В. 147, 148
Кюри Пьер 37—43
Кюри Мария (Склодовская-
Кюри) 36—43
Лавуазье Антуан Лоран 7
Лайман 70, 71
Ландау Л. Д. 165, 166
Ланжевен Поль 93
Ленин В. И. 4, 46, 84, 162
Ломоносов М. В. 4, 6, 7, 62
Лоренц Г. 77, 78, 86, 87, 89—
93
Магнетики 94, 95
Магнетон Бора 77, 78, 82, 84
Магнитная восприимчивость
95
Магнитное квантовое число
79. 99
Магнитный момент 75—77,
79, 82, 83, 85, 96. 97. 112.
116. 161
— — орбитальный 76, 78, 82,
83, 96
Макромир 105
Максвелл Джемс Клерк 62
Массовое число 108, 129
Мезон 85, 156, 158, 159, 161 —
163, 168
Мейтнер Лизе 133—137
Менделеев Д. И. 8—10, 12—
15, 54. 97
Меченые атомы 171, 172, 174,
175
179
Микромир 105
Милликен Роберт Эндрус 25,
26, 88, 118, 157
Михельсон В. А. 63
Модель атома Бора—Резер-
форда 106
— — планетарная 44, 53, 66,
71, 106
— — по Томсону 27, 29, 52,
78, 87, 91, 98, 106
Молекулярно-кинетическая те-
ория 7
Намагничение 95
Нейтрино 152, 154—156
Нейтрон 50, 85, 155, 156, 167,
168
Нуклон 129, 158, 159, 166,
168
Ньютон Исаак 4, 5, 56, 57,
61, 65
Оккиалини 159
Орбитальное число 99
Парамагнетики 94—97
Паули Вольфганг 100
Пашен Фридрих 70, 71
Период полураспада 50
Периодическая система эле-
ментов Д. И. Менделеева
9—11, 13—15, 49, 53—56,
59, 97, 101, 102, 108, 116,
127, 131, 133, 165
Пстржак 136, 138
Петров П. П. 17
Плазма 145—149
Планк Макс 63—65, 68
Полимер 177
Полимеризация 177
Поляризация 91—95, 97
Поляризуемость 91, 93, 95
Попов А. С. 27
Постоянная Планка 64, 69,
105
—	радиоактивного распада 50
—	Ридберга 70
Принцип зеркальной симмет-
рии 162—165
—	минимума энергии 100,
102
—	однородности времени 162
— — пространства 162
— Паули 100—102, 150
Протонно-нейтронная теория
строения ядра 112—114
Проут 107, 109
Прочность ядра 130
Пуанкаре Анри 46
Пьезоэлектричество 39
Радиоавтограф 169
Радиоактивацнонный анализ
176
Радиоактивность 38, 43, 48,
120, 123, 156
— искусственная 120, 121
Радиоактивные лучи 35, 38,
40—48, 51, 55, 123, 132,
156, 157, 169, 172, 173, 175,
176
Радиоактивный распад 42, 44,
49, 50, 55, 86
— элемент 41, 42, 47, 50, 169,
173, 174
Радиоактивные семейства 49,
50
Радиография 169
Радиотерапия 40
Рассеивание альфа-частиц 52,
53
Реакция разложения 131
— синтеза легких ядер 145,
150
— соединения 131
— термоядерная 132, 144—
146, 149
— экзотермическая 127
Резерфорд Эрнст 43—48, 51—
56, 66, 67, 110, 111, 114,
116, 152
Резонансный захват 138, 139
Рентген Вильгельм Конрад
30—34
Рентгеновские лучи (х-лучи)
30, 32—36, 45, 105, 173
Рентгеновская трубка 33
Рэлей Джон 14, 63
Савич 133, 134
Сахаров А, Д. 147, 148, 151
Синхрофазотрон 160
Скобельцын Д. В. 118
Спектр 10, 48, 57—60, 67. 68,
71, 74. 77. 78. 80. 81, 83,
104
— линейчатый 56—59, -68
— Солнца 14
180
— сплошной 56—58
Спектральный анализ 58, 66
Спектральные линии 48, 58,
70—73, 77
Спектроскоп 58, 77, 81, 83
Спин 81—84, 100, 112, 116,
161, 163
Спиновый магнитный момент
100
Спонтанное деление урана 136
Столетов А. Г. 24, 25, 65
Счетчик Гейгера 169
Тамм И. Е. 147, 148, 158
Тартаковский П. С. 105
«Тау-тэта загадка* 164
Теория Бора 61. 68, 70, 71, 74,
78, 79, 81, 98, 99. 101, 104
— относительности 65, 116,
124, 125
Термоэлектронная эмиссия 20,
23, 86, 90
Токи Фуко 149
Томсон Дж. Дж. 19, 20, 25,
27—29, 53, 108, 118, 145
Тритий 147, 172
Тяжелая вода 141, 142
Ультрафиолетовые лучи 24,
60, 70
Уравнение Дирака 117, 160
Урановые лучи (лучи Бекке-
реля) 24, 60, 70
Фарадей Майкл 15—17, 94,
95
Ферромагнетики 95—97
Ферми Энрико 123, 132, 133,
136, 137, 144
Физо Ипполит Луи 62, 66
«Философский камень* 4
Флеминг Джон Амброз 24
Флеров Г. Н. 136, 138, 165
Флуоресценция 31, 34—36,
41
Формула Бальмера 59, 60, 66,
70, 71
— Бора 69, 72
— де Бройля 105
—	Планка 64
—	Резерфорда 115
— Ридберга 60, 71, 74
Фотон 65, 66, 85, 152, 157
Фотоэлектрический эффект
25, 26, 65, 66, 86
Франк И. М. 120
Френель Огюстен Жан 62
Френкель Я. И. 135
Цепная реакция 136—139,
142, 143
«Частица Юкавы» 159
Чедвик Джеймс 111, 120
Штерн Отто 83, 84
Штрассман Ф. 133—135
Эдисон Томас Альва 22
Эйнштейн Альберт 65, 84,
124, 125
Электролиз 15—17
Электрон 17, 19, 21—23, 26,
28, 42, 43, 52
— заряд 25, 26, 77, 88
Электронная теория 86—89.
91, 95, 98
Элемент 5
Эманация 47
Энгельс Ф. 4, 5, 13
Энергия внутриатомная 132
— деления тяжелых ядер 131
— ионизации 98
— электрона 69, 72, 73, 77,
79, 80, 117
Эрстед Ханс Христиан 75
Эффект Зеемана 81
Эдисона 23
Юкава Хидзни 158, 159
Юленбек 81, 82
Явление Зеемана аномальное
78
— — нормальное 78, 104
Ядерная изомерия 148
— реакция 116, 151
— энергия 131, 135
Ядерный реактор 142, 156,
174
Ядерные силы 110, 128—130,
159, 167
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава L Наука об атомах.................................3
Немного истории.............................—
Карта атомного мира.........................8
Как был подтвержден закон Менделеева ... 11
Глава IL Атом........................................*	15
Атомные вещества и атомы электричества . . —
Катодные лучи..............................17
Открытие электрона.......................  19
Анодные лучи.......................	... 21
Накаленный металл выбрасывает электроны . . 22
Свет выбивает из металла электроны .... 23
Определение заряда электрона...............25
Первая модель атома........................26
Глава III. Радиоактивность...........................  30
Рентгеновские лучи..........................—
Лучи Беккереля.............................34
Открытия Марии и Пьера-Кюри................36
Радиоактивные лучи.........................40
Еще о свойствах радиоактивных лучей ... 42
Радиоактивный распад.......................45
Радиоактивные семейства....................49
Глава IV. Атомы и свет.................................51
Атом имеет ядро.............................—
Заряд ядра и периодическая система Менделеева 53
Сплошной и линейчатые спектры..............56
Спектр водорода и формула Бальмера ... 59
Гипотеза квантов...........................61
Квантовая теория света.....................65
Бор уточняет атомную модель Резерфорда . . 66
Дальнейшее развитие теории Бора............71
Магнитные свойства электронов..............75
Магнитное поле и атомный спектр............77
Спин и собственный магнитный момент электрона 81
Глава V. Электроны в атомах . .........................86
Электронная теория..........................—
Электроны в металлах.....................  87
182
Диэлектрики...............................91
Магнетики.................................94
Как атомная физика объясняет периодическую
систему Менделеева.....................97
Теория Бора уступает место квантовой механике 104
Глава VL Ядро атома...................................107
О чем может рассказать масса ядра? .... —
Первоначальная теория строения ядра . . . 109
Открытие нейтрона........................110
Протонно-нейтронная теория строения ядра 112
Превращение ядер.........................114
Позитрон ................................116
Искусственная радиоактивность . . . . . .120
Глава УП. Атомная энергия.............................124
Закон пропорциональности энергии и массы . —
Энергия, сосредоточенная в атоме.........126
Силы, действующие в ядре.................127
Энергия деления тяжелых ядер.............131
Цепная реакция...........................136
Термоядерная реакция.....................144
Глава VIIL Элементарные частицы.......................152
Нейтрино ..	  —
Мезоны...................................156
Античастицы..............................160
Сверхтяжелые мезоны и закон зеркальной сим-
метрии • ••*.•........................162
Некоторые вопросы, связанные со свойствами
элементарных частиц...................165
Глава IX. Радиоактивные элементы и их применение . 169
Как обнаруживают радиоактивные атомы? . . —
Меченые атомы........................................171
Радиоактивные элементы в медицине .... 173
Радиоактивные элементы в сельском хозяйстве 174
Радиоактивные элементы в технике .... 176
Предметно-именной указатель..............178
Ефим Израилевич Несис
ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ АТОМА
Рецензенты: О. И. Захаров-Нарциссов, Б. /I. Сне
гирев. Редактор Н. В. Хрусталь. Обложка ху-
дожника С. Я. Нодельмана. Рисунки художни
ков Г. И. Прокудиной, Г. Ф. Лукьяненко. Художе-
ственный редактор И. Л. Волкова. Технические
редакторы В. Л. Коваленко, Т. Н. Зыкина. Кор-
ректор Т. Н. Карасева.
Сдано в набор 16/XI 1964 г. Подписано к пе-
чати 3/V 1965 г. 84Х103,/зг. Печ. л. 5.7S (9.66).
Уч.-изд. л. 9.31. Тираж 46 тыс. экз. (Тем. пл.
1965 г. Кв 454) А 04454
Издательство «Просвещение» Государственного
комитета Совета Министров РСФСР по печати.
Москва. 3-й проезд Марьиной рощи, 41
Ленинградская фабрика офсетной печати № 1
Главполиграфпрома Государственного "комитета
Совета Министров СССР по печати. Кронверкская
ул., 7. Заказ № 2332
Пена без переплета 33 коп., переплет 10 коп.
EMEHTOB JL И. МЕНДЕЛЕЕВА	».												
3 Л Е М Е	Н Т О В												
VI		VII		VIII						0		
		(Н)								2 Не ГЕЛИЙ 4,003		
8 О КИСЛОРОД 16		9 F фтор 19.00								" Ne НЕОН 20,183		
* S СЕРА 32,066		” С1 ХЛОР 35,457								" Аг АРГОН 39,944		
Сг 24 ХРОМ 52,01		Мп 25 МАРГАНЕЦ 54,94		Fe 26 ЖЕЛЕЗО 55,85		Со 27 КОБАЛЬТ 58,94		Ni 29 НИКЕЛЬ 58,71				
34 Se СЕЛЕН 7836		35 Вг БРОМ 79316								36 Кг КРИПТОН 63.80		
Мо 42 МОЛИБДЕН 95,95		Те 43 ТЕХНЕЦИЙ [971		Ru 44 РУТЕНИЙ 101,1		Rh 45 РОДИЙ 102,91		Pd 48 ПАЛЛАДИЙ 106,4				
52 Те ТЕЛЛУР 127,61		* I иод 126,91								94 Хе КСЕНОН 131.30		
W 74 ВОЛЬФРАМ 163,8b		Re 75 РЕНИЙ 186,22		Os 76 ОСМИЙ 190,2		1Г 77 ИРИДИЙ 192,2		Pt 79 ПЛАТИНА 195,09				
84 рО ПОЛОНИЙ [210]		85 At АСТАТ [2Ю]								“ Rn РАДОН [222]		
(8)												
RO3		КО,		RO.								
rh2		RH										
d 64 ЭЛИНИЙ 157,26	ТЪ 65 ТЕРБИЙ 158,93		Dy 66 ДИСПРОЗИЙ 162.51	Но 67 гольмий 164,84	Ег 66 ЭРБИЙ 167,27		Ти 69 ТУЛИЙ 168,94		¥Ь 70 ИТТЕРБИЙ 173,04		Lu 71 ЛЮТЕЦИЙ 174,99	
„ 96 111 <юрий [247]	Вк 37 БЕРКЛИЙ [247]		Cf 9< КАЛИФ0РНМ1 [249]	1 Es ” Й ЭЙНШТЕЙНИЙ [254]	Fin ю ФЕРМИЙ [253]		Md ю’ МЕНДЕЛЕЕВОЙ [256]		No 102 НОБЕЛИЙ [255]		Lw 103 ЛОУРЕНСИЙ [257]	
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА П
		г _ Р					У	п	п		bl		
ПЕРИОДЫ	РЯДЫ	1		и		III		IV		V	
1	1	' н -оя<да									
II	2	з Li ЛИТИЙ 6,940		4 Ве БЕРИЛЛИЙ 9,013		5 БО1	В 10,82	8 С УГЛЕРОД 12,011		2 N АЗОТ 14.006	
III	3	« Na НАТРИЙ 22,991		12 Мд МАГНИЙ 24,32		13 Al АЛЮМИНИЙ 2698		м Si КРЕМНИЙ 28,09		15	p ФОСФОР 	30.975	
IV	4	19 К КАЛИЙ 39,100		20 Са КАЛЬЦИЙ 40,08		Sc 21 СКАНДИЙ 44,96		Ti 22 ТИТАН 47,90		V 23 ВАНАДИЙ 	50.95	
	5	Си 28 МЕДЬ 63,54		Zn 30 ЦИНК 65,38		31 Cia ГАЛЛИЙ 69,72		32 Ge ГЕРМАНИЙ 72,60		33 As мышьяк 	7431 _	
	6	37 Rb РУБИДИЙ 85,48		38 Sr СТРОНЦИЙ 87,63		Y	39 ИТТРИЙ 88,92		Ж г	40 ЦИРКОНИЙ 91,22		Nh НИОБИЙ 92,91	41 I 1
V	7	Ад « СЕРЕБРО 107,890		Cd 48 КАДМИЙ 112,41		49 In ИНДИЙ 114,82		88 Sn олово 118,70		5’ Sb СУРЬМА 121.7b	
1/1	8	55 Cs ЦЕЗИЙ 132,91		56 Ва БАРИЙ 137,3b		Lit 52 ЛАНТАН 138,92		Hi 22 ГАФНИЙ 178,50		Ta 73 ТАНТАЛ 180.95	
VI	9	Аи золото 197,0	79	Нд 80 РТУТЬ 200,61		81 Т1 ТАЛЛИЙ 204,39		82 РЪ СВИНЕЦ 207,21		83 Bi ВИСМУТ 209.00	
VII	10	87 Fr ФРАНЦИЙ [223]		88 Ra РАДИЙ [226]		Ас**89 АКТИНИЙ ... __1227]_		(Th)		(Pa)	
ВЫСШИЕ СОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ ОКИСЛЫ		r2o		RO		R2O3		ro2		R2Os	
ВЫСШИЕ ГАЗООБРАЗНЫЕ ВОДОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ								rh4		RH	3
* ЛАНТАНОИДЫ		Се 58 ПЕРМИ 140,13	Рг 59 ПРАЗЕОДИМ 140,92		Nd8° НЕОДИМ 144.27		Рш61 ПРОМЕТИЙ [W]		Sm62 САМАРИЙ 150,35	En 63 ЕВРОПИЙ 152,0	G< ГАДО 1
*« АКТИНОИДЫ		Th90 торКй 232,05	Ра 91 ПРОТАКТИНИЙ 	т.		U 92 УРАН 238,07		Np 93 НЕПТУНИЙ 	L22LL		Pu 94 ПЛУТОНИЙ 	E«L.	Am 95 АМЕРИЦИЙ 	[243]_	Ci к
• ПУТЕШЕСТВИЕ В ГЛУБЬ АТОМ А
Книжная
иллюстрация
СОВЕТСКОГО ВРЕМЕНИ
Музей детских книг DjVu/PDF
SH EBA.SPB.PU/BI В