Клаус Гофман
МОЖНО ЛИ СДЕЛАТЬ ЗОЛОТО?
Глава 4.
СОВРЕМЕННЫЕ АЛХИМИКИ - УЧЕНЫЕ ИЛИ ШАРЛАТАНЫ?
Вдохновляющие открытия
"Теперь я знаю, как он выглядит..."-
обратился к своим сотрудникам Эрнест Резерфорд в
один прекрасный день в начале 1912 года. На удивленный вопрос, что же,
собственно, он имеет в виду, физик ответил: "...Атом!"
Видимо, Резерфорд открыл нечто значительное. Ведь до
той поры ни один человек не имел истинного представления о том, что же такое
атом. Сначала думали, что это своего рода биллиардный шар. После открытия
электрона полагали, что это скорее электрически
нейтральное образование, на поверхности которого размещены электроны, способные
отщепляться.
У Резерфорда тоже была своя точка зрения. Еще в мае 1911 года
в работе, помещенной в лондонском "Философикл мэгэзин", он приписывал атому "центральный
заряд". Ныне исследователь атома поразил своих сотрудников из
Манчестерского университета новым вариантом: "Теперь я знаю, как выглядит
атом в действительности: атом имеет ... ядро!"
Атомное ядро? Это было поистине
нечто новое. К этому выводу Резерфорд пришел экспериментальным путем;
основываясь на опытах своих сотрудников Гейгера и Марсдена,
он бомбардировал платиновую фольгу альфа-частицами. При этом удалось показать,
что приблизительно одна частица из 8 000 ударившихся о
фольгу отклонялась, даже отбрасывалась назад. Что же могло задерживать частицу,
имеющую значительную собственную массу и мчащуюся сквозь атомы со скоростью 15
000 км/с?
Это могло быть только препятствие, которое было еще более плотным, чем альфа-снаряды, и при этом столь
малым по размеру, что попадания были весьма редкими,- а именно ядро атома.
Дальнейшие опыты привели Резерфорда к выводу, чтоядро атома заряжено положительно и величина
заряда ядра совпадает с порядковым номеромсоответствующего
элемента. Следовательно, ядро является центром мощно сжатого заряда, в котором
сконцентрирована вся масса атома. Здесь находитсяисточник
невообразимой атомной энергии!
Уточненную теорию существования атомного ядра Резерфорд опубликовал в августе
1912 года в "Философикл мэгэзин".
Известному исследователю атома вновь удалось прорваться сквозь застывшие
теоретические представления, за которыми скрывалась тайна атома.
Датский физик Нильс Бор, ставший
вскоре ведущим теоретиком в области атомного учения, подхватил мысли
английского коллеги и в 1913 году в нескольких работах "On the Constitution of Atoms and Molecules"
высказал свои представления о новой модели атома. Атом состоит из положительно
заряженного ядра, сосредоточившего в себе всю массу; ядро окружено электронами,
число которых компенсирует заряд ядра и которым предписаны вполне определенные
орбиты. Теперь представление об атоме становилось четким.
Конечно, должно было пройти некоторое время, прежде чем появились конкретные
данные о строении атомного ядра. Однако уже сейчас можно было сделать ценные
выводы.
Источником радиоактивного излучения и местонахождением
таинственной энергии атома могло быть только ядро. Напротив, за поглощение и
излучение световых и рентгеновских лучей, а также за реакционную способность
атомов ответственны электронные оболочки, находящиеся вокруг этого ядра. Ученые
получили теперь отчетливые представления и о размерах атома:
"измерив" диаметр атома, его оценили в 10-8 см, то есть стомиллионной
частью сантиметра. Неизмеримо крошечным было ядро, которое оказалось в десять
тысяч раз меньше, чем весь атом.
Еще одно значительное открытие было сделано в эти годы
в физической лаборатории Резерфорда в Манчестерском университете. Молодой
сотрудник Г. Мозли, работавший у Резерфорда с 1910
года, занялся определением частот рентгеновского излучения, испускаемого
различными химическими элементами. Волновая природа Х-лучей была установлена в
1912 году работами Макса Лауэ и физиков отца и сына Брэггов. Был также найден
способ определения их длин волн при прохождении через решетки кристаллов.
Отсюда можно было рассчитать частоту излучения.
Опыты Мозли заслуживают
более подробного описания. Они могут дать некоторое представление о той
классической простоте, с которой физики-экспериментаторы делали в то время
фундаментальные открытия. Чтобы получить желаемое рентгеновское излучение,
нужно было катодные лучи, возникающие в эвакуированной газоразрядной трубке,
направить на антикатод, изготовленный из соответствующего элемента или его
соединений. Уже эта проблема была практически не простой. Кроме того, Мозли предполагал брать один за другим различные
антикатоды, чтобы легче было сравнивать спектры испускаемого рентгеновского
излучения. Как это осуществить?
После многих попыток Мозли
наткнулся на оригинальное решение. Он изготовил разрядную трубку из стеклянного
цилиндра длиной около 1 м и диаметром 30 см. Эвакуировать воздух из трубки
таких размеров было весьма затруднительно, учитывая маломощные вакуумные насосы
того времени. Это удалось Мозли лишь после многих
неудач. В трубку Мозли запаял рельсы игрушечной
железной дороги!
Пробы исследуемых веществ он поместил в маленькие
вагончики, которые можно было передвигать взад и вперед и тем самым по желанию
подвергать действию катодных лучей. Рентгеновское излучение, возникающее под
воздействием последних, проходило через окошко, заклеенное
фольгой, и падало на кристалл. Спектр рентгеновского излучения физик фиксировал
непосредственно на фотопластинке.
При расшифровке рентгеновских спектров различных
материалов молодой исследователь получил весьма неожиданный результат: каждому
элементу можно было приписать характеристическое рентгеновское излучение,
частота которого прямо пропорциональна квадрату порядкового номера
соответствующего химического элемента. Когда Мозли сопоставил частоты рентгеновского излучения элементов с порядковым номером
оказалось, что они возрастают от элемента к элементу на постоянную
величину.
В декабре 1913 года в своей первой работе "О
высокочастотных спектрах элементов", опубликованной в "Философикл мэгэзин", физик
писал: "Мы получили доказательство, что атом обладает какой-то основной
характеристикой, которая равномерно возрастает при переходе от одного элемента
к другому. Эта величина может быть только зарядом положительного ядра".
Во второй статье в апреле 1914 года Мозли указал уже на всеобщую применимость новой
закономерности: для всех элементов можно однозначно определить порядковый номер
на основе их рентгеновского спектра. Даже трудноразделимые редкоземельные
элементы, столь схожие друг с другом, что зачастую ученые не знали, какой
порядковый номер им принадлежит в периодической системе, Мозли
надеялся теперь классифицировать. Он с воодушевлением сообщал Резерфорду:
"Я не сомневаюсь, что мне удастся каждый редкоземельный элемент
засунуть в свою дырку". Действительно, с помощью открытой Мозли фундаментальной закономерности удалось ограничить
число редкоземельных элементов до 14 - элементы от 57 до 71-го.
Повсюду, где в периодической системе недоставало
элементов, обнаруживались и пустоты в диаграмме Мозли:
между 42-м элементом (молибденом) и 44-м (рутением), между 60-м (неодимом) и
62-м (самарием), между 71-м (лютецием) и 73-м (танталом), 74-м (вольфрамом) и
76-м (осмием). К этим еще не известным элементам с порядковыми номерами 43, 61,
72, 75 позднее добавились еще элементы с номерами 85, 87 и 91. Теперь их можно
было бы очень точно обнаружить с помощью линий
рентгеновского спектра.
Все сделанные раньше сообщения о новых открытиях также
можно было точно проверить с помощью закона
Мозли. Английский физик
нашел решающий критерий для
классификации элементов.
Бор высказал одобрение: "Работу Мозли по ее важности и значению можно поставить в один ряд
с открытием периодической системы, в некотором отношении она даже более
фундаментальна". Резерфорд присоединился к этому мнению. Французский
химик Ж. Урбэн, открывший некоторые редкоземельные
элементы и хорошо знавший всю сложность их природы, заявил, пораженный: "Закон
Мозли заменяет несколько романтичную классификацию
Менделеева точным научным понятием ".