Физика атомного ядра

Проф. М. БРОНШТЕЙН

Атомистическая гипотеза существует очень давно, но всеобщее признание она получила только 30 лет тому назад. Скептическое отношение к атомам было прежде в большой моде у идеалистических философов и идеалистически настроенных физиков XIX столетия. Неверие в атомы считалось признаком хорошего тона. Шопенгауэр обрушился на атомистическую гипотезу с обычной для него резкостью. Атомы, утверждал Шопенгауэр, это только арифметические понятия, расчетные единицы (Rechpfennige), ими можно пользоваться для вычисления весового состава химических соединений, но верить в их действительное существование не следует: в них верят только «невежественные аптекари, занимающие профессорские кафедры». Эти «презренные» личности «с таким детским самомнением и с такой уверенностью говорят об эфире и его колебаниях, об атомах и прочих глупостях, как если бы они все это видели и трогали руками» (цитаты взяты из сочинения Шопенгауэра «Parerga und Paralipomena», том II, VI). Великий поэт Гете тоже считал атомистическую гипотезу не заслуживающей доверия. В конце XIX столетия атомистическую гипотезу критиковали физики и химики — Мах, Оствальд и Дюгем. Мах говорил, что атомистическая гипотеза — суеверие: верить в атомы все равно, что верить в ведьм. «Атомистической гипотезе следовало бы уже давно истлеть в пыли библиотек» — так выразился профессор Вильгельм Оствальд в своих лекциях по философии естествознания, которые он читал в лейпцигском университете летом 1901 г.

Однако прошло всего несколько лет, и все изменилось. Французский физик Жан Перрен наблюдал в микроскоп движение крошечных зернышек гуммигутовой смолы, помещенных в воду. Зернышки лихорадочно двигались, плясали, суетились, метались во все стороны. В чем же причина этого движения? Перрен изучил его, и все сомнения исчезли: гуммигутовые зернышки движутся потому, что они все время испытывают толчки со стороны атомов водорода и кислорода, из которых состоит вода. Атомы движутся и, ударяясь о зернышки гуммигута, заставляют двигаться и их. Сами атомы невидимы глазу, но гуммигутовые зернышки видны, и по движениям этих зернышек можно догадаться о движении атомов.

Но это было не все. Английский физик Крукс изобрел удивительный прибор — спинтарископ, с помощью которого можно считать атомы. Заряженные атомы гелия, вырывающиеся с огромной скоростью из радиоактивных веществ, падают в спинтарископе Крукса на поверхность сернистого цинка. В том месте, куда упал заряженный атом, сернистый цинк начинает светиться. Вспышка длится одну десятитысячную долю секунды, но все-таки ее можно разглядеть. Каждая такая вспышка — это след удара заряженного атома гелия о сернистый цинк. Сосчитать такие вспышки все равно, что сосчитать невидимые атомы.

Еще более замечательный прибор построил другой английский физик Ч. Т. Р. Вильсон. «Камера Вильсона» — самое чудесное орудие физики XX столетия. Она позволяет воочию видеть движение атомов. Через камеру проносятся быстрые атомы, заряженные электрическим зарядом. Камера наполнена парами воды. Одно движение поршня, и пары расширяются, их температура резко понижается и из них выпадают капельки росы. Капельки садятся не куда попало: они образуются как раз в тех точках пространства, через которые только что пронеслась заряженная частица. В камере возникает целое ожерелье капелек, все они сливаются в длинную водяную нить. Эта нить — верный отпечаток того пути, по которому пронесся заряженный атом. Ее можно видеть глазом, ее можно фотографировать.

Так физики изучают пути отдельных атомов вещества.

Гуммигутовые зернышки Перрена, спинтарископ Крукса, камера Вильсона — вот важнейшие доказательства реальности атомов. Под напором этих доказательств сдались самые упорные враги атомистической гипотезы. Гипотеза перестала быть гипотезой. В первые годы XX столетия она уже стала общепризнанной, строго обоснованной научной теорией.

*

Но на этом физика не остановилась. Необходимо было выяснить, что же представляют собой эти атомы, эти невидимые частицы, существование которых с таким трудом удалось доказать. Физика стала изучать поведение атомов, их устройство, их свойства. Оказалось, что атом вовсе не простая неделимая частица. Это целая система частиц. В центре атома помещается ядро, заряженное положительным электрическим зарядом. Ядро — самая тяжелая часть атома: именно в нем сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра, как планеты вокруг солнца, кружатся отрицательно заряженные частички — электроны. Хоровод отрицательных электронов — это внешняя оболочка атома, его одежда. Оторвите один или несколько электронов у атома железа, — от этого он не перестанет быть атомом железа. Потеряв отрицательно заряженный электрон, он останется положительно заряженным атомом железа. Для того чтобы он перестал быть атомом железа, нужно было бы расколоть на части его ядро. Ядро — вот единственный носитель химической индивидуальности атома. Пока в целости атомные ядра — железо остается железом, свинец — свинцом, золото — золотом. Если удастся раздроблять на части атомные ядра, то тем самым удастся превращать атомы одного вещества в атомы другого, т. е. осуществить старинную мечту средневековых алхимиков о превращении химических элементов.

Энергетическая лаборатория Индустриального института в Новочеркасске. Здесь производятся работы по разложению атомного ядра

Осуществима ли эта мечта? В 1661 г. англичанин Роберт Бойль — тот самый, о котором мы все знаем по «закону Бойля и Мариотта», опубликовал книгу под заглавием «Скептический химик». Бойль был против алхимии. Он знал, что пресловутые «делатели золота» на самом деле не создавали никакого золота. Одни из них были невежественными экспериментаторами, не отличавшими добывание золота из его химических соединений от настоящего создания золота, другие были просто обманщиками. Атомы химических элементов не превращаются друг в друга, — утверждал Роберт Бойль, — по крайней мере они не превращаются друг в друга в обыкновенных химических явлениях. Атомы очень прочны. В ретортах алхимика не действуют такие силы, которые могли бы раздроблять атомы. Но как знать? Может быть, — говорил Бойль, — атомы все-таки не абсолютно прочны. Может быть когда-нибудь удастся отыскать такой «тонкий и сильный агент», с помощью которого станет возможно раздроблять атомы, превращать их друг в друга.

Когда на развалинах алхимии возникла научная химия, мысль о превращении атомов друг в друга была оставлена. Джон Дальтон, один из основателей научной химии, категорически отрицал возможность превращения атомов. В книге под заглавием «Химическая философия», вышедшей в 1808 г., Джон Дальтон писал: «Химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще одну планету к солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет». Убеждение Дальтона в вечности и неразрушимости атомов легло в основу всей научной химии. Химики и физики XIX столетия не допускали возможности превращать химические элементы друг в друга. «Даже когда солнечная система распадается и на ее развалинах возникнут другие миры, атомы, из которых они состоят, останутся целыми и неизменными», — писал в 1873 г. знаменитый физик Дж. К. Максвел.

Но в начале XX столетия взгляды изменились. В 1903 г. английские ученые Резерфорд и Содди, тогда еще очень молодые люди, изучили явление радиоактивности, незадолго перед тем открытое французскими химиками, и пришли к заключению, что оно состоит в том, что атомы металла радия взрываются и распадаются. Каждый атом радия распадается на два атома: на атом газа гелия и атом газа радона.

Ra → Rn + Не 

вот формула этой «химической реакции» или лучше сказать «алхимической», потому что здесь ведь элементы превращаются друг в друга (Ra — это знак элемента радия, Rn — радона, Не — гелия).

При взрыве каждого атома радия освобождается энергия. Эту энергию- удалось измерить: она немножко меньше одной стотысячной доли эрга. Казалось бы, это немного, но на самом деле — очень много, в миллионы раз больше, чем энергия, освобождающаяся при взрыве молекулы сильнейшего взрывчатого вещества. Что же взрывается в атоме радия? Ведь изменение в электронной оболочке атома не может привести к изменению его химической природы, к превращению одного атома в другой. В атоме радия взрывается атомное ядро. Атомное ядро радия распадается на атомные ядра других элементов — гелия и радона.

Отсюда вытекает важный вывод: атомные ядра могут распадаться на части, эти ядра —  сами по себе какие-то сложные системы, состоящие из еще более мелких частей.

И физики решили во что бы то ни стало научиться управлять явлениями, которые происходят с атомными ядрами, научиться разбивать эти ядра па части, соединять их вновь. Перед наукой XX столетия снова стала давно забытая задача —  осуществить мечту алхимиков о превращении химических элементов. Но самым привлекательным здесь было не это. Ведь ядро атома радия, взрываясь, дает во много раз больше энергии, чем молекула самого мощного взрывчатого вещества.

Неудобство только в том, что радий распадается слишком медленно. Полторы тысячи лет должны пройти, прежде чем грамм радия распадется хотя бы наполовину. Нельзя ли ускорить этот распад? Нельзя ли заставить распадаться и такие атомные ядра, которые не хотят распадаться сами? Ядра атомов — это целый склад энергии. Как отпереть этот склад, как добыть оттуда энергию?

«Люди, которые могли бы это сделать, — писал исследователь радиоактивности Ф. Содди, — не особенно нуждались бы в том, чтобы в поте лица своего добывать хлеб свой. Они могли бы переделать пустыни, растопить обледенелые полюсы, сделать весь мир веселым райским садом».

*

Физики начали вести упорную войну с атомным ядром. На первых порах война была неудачна. Атомное ядро — этот маленький комочек вещества с диаметром в несколько миллионных долей миллионной доли миллиметра, казался какой-то неприступной крепостью. «Все могущественные ресурсы современной лаборатории, — писал Ф. Содди в первые годы XX столетия, — крайние пределы тепла и холода, а также давления, сильные химические реактивы, действие сильных взрывчатых веществ, наиболее сильные электрические поля никак не влияют на радиоактивность радия и на количество выделяемой энергии. Радий берет свои запасы энергии из неизвестного до сих пор источника и подчиняется неоткрытым пока законам. Есть что-то сверхъестественное в его отделенности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будет принадлежит другим мирам за пределами нашего, питается тем же неугасимым огнем и движется тем же неподдающимся контролю механизмом, который поддерживает свет великих солнц в мировом пространстве в течение безграничных периодов времени».

Война продолжалась долго, но все-таки в конце концов физики выиграли эту войну. В 1919 г. Э. Резерфорд принялся обстреливать атомные ядра альфа-частицами (ядрами гелия, вылетающими из радия). Альфа-частицы были тем могучим тараном, которым физик Резерфорд ударил в неприступные ворота нерадиоактивных атомных ядер. И ворота распахнулись. Первым сдалось ядро азота. Оно проглотило альфа-частицу (ядро гелия) и сейчас же распалось на ядро атома кислорода и ядро атома водорода:

N + Не → О + Н

Такова формула первой «алхимической» реакции, искусственно произведенной физиками. Такую же реакцию можно наблюдать и в камере Вильсона. Ученик Резерфорда —  Блэккетт пропускал поток альфа-частиц через камеру Вильсона, наполненную азотом. Он произвел несколько десятков тысяч снимков. На некоторых из них можно увидеть, как происходит превращение азота и гелия в водород и кислород. Один из стереоскопических (двойных) снимков Блэккстта мы приводим здесь. На нем видны пути альфа-частиц в камере Вильсона. Один из путей имеет форму вилки: путь альфа-частицы в той точке, где она ворвалась в атомное ядро азота, раздваивается на толстый короткий путь, принадлежащий ядру кислорода, и на тонкий путь ядра водорода.

Пути альфа-частиц в камере Вильсона

Вслед за ядрами азота начали сдаваться и другие ядра. В 1932 г. ученики Резерфорда —  Коккрофт и Уолтон — построили «ионную пушку» — прибор, в котором сильными электрическими полями разгоняются атомные ядра, предназначенные для бомбардировки других атомных ядер. Строители этого прибора бомбардировали ядра лития ядрами водорода. Проглотив ядро водорода, ядро лития распалось на два одинаковых ядра гелия:

Li + H → 2He

Такие же ионные пушки по примеру Коккрофта и Уолтона стали конструировать и другие физики — в Америке, в Германии, во Франции. Созданы ионные пушки для обстрела ядер ядрами также и у нас в СССР, — сперва в Харькове, а потом в Ленинграде. Бомбардируя атомные ядра другими атомными ядрами, вылетающими из радиоактивных веществ или разогнанными в ионных пушках, физики разных стран изучили строение атомных ядер. Оказалось, что все атомные ядра — кислорода, углерода, железа, золота, свинца и всех других частиц двух сортов: из протонов, заряженных положительным электричеством, и нейтронов, вовсе незаряженных. Атомные ядра можно раздроблять на части, осуществляя, таким образом, превращение химических элементов друг в друга. «Тонкий и сильный агент», о котором 250 лет назад пророчески писал Роберт Бойль, был найден.

«Ионная пушка» Коккрофта и Уолтона

Значит задача алхимии все-таки осуществима. Химики XIX столетия ошибались, считая превращение химических элементов чем-то, абсолютно невозможным. Они ошибались и вместе с тем все-таки были правы: ведь в обыкновенных химических реакциях превращение элементов действительно не происходит, и значит учение химии XIX столетия о невозможности превращения химических элементов есть истина. Но это не абсолютная истина, а ограниченная: стоит только в миллионы раз увеличить энергию процесса, приходящегося на каждый атом. как атомное ядро начинает разрушаться. Таким же образом, если я скажу, что «сталь — твердое тело», то это ведь не будет ошибкой. И все-таки при огромных давлениях, которые создаются в современных артиллерийских орудиях, сталь течет. Значит утверждение, что сталь тверда, есть истина только в каких-то пределах. Точно так же и учение химии XIX столетия о вечности и неразрушимости химических элементов есть истина в каких-то определенных пределах: ошибка алхимиков как раз и заключалась в том, что они пытались опровергнуть эту истину внутри той области явлений, в которой она на самом деле верна. Так, исследование атомного ядра наглядно подтвердило один из важнейших выводов материалистической философии — учение об относительности научной истины.

*

А как же обстоит дело с практическим применением полученных результатов? Действительно ли удастся использовать те огромные запасы энергии, которые таятся в атомных ядрах? Увы, это до сих пор не удалось и, вероятно, еще не скоро удастся. Когда физик бомбардирует ионной пушкой атомные ядра, то всякий снаряд, попавший в цель, действительно освобождает много энергии. Но в цель попадают не все снаряды, а только ничтожная их часть. В результате на разрушение ядра расходуется энергии во много раз больше, чем при этом освобождается, и пока физики еще не умеют повысить меткость своей стрельбы так, чтобы в результате получился выигрыш энергии. Не только не умеют, но даже не видят никаких путей, которые могли бы привести к решению этой задачи. Но если так, то зачем же бомбардировать атомные ядра. И стоит ли изучать атомные ядра, раз это совершенно бесполезно для техники.

И все-таки это нужно делать. Физики изучают природу, не всегда имея при этом в виду какие-нибудь практические цели. Изучают просто из любопытства, и тем не менее вся современная техника основана на результатах, добытых физикой. Когда Фарадей открыл электромагнитную индукцию, практические люди считали его опыты просто забавой. Они ошибались: если бы не было опытов Фарадея, не было бы и динамо-машины, не было бы современной электротехники. Не всегда можно требовать от науки немедленных практических результатов. Бескорыстное изучение природы в конце концов все-таки окажется выгодным. Уже и сейчас намечаются некоторые важные практические результаты. Французский физик Ф. Жолио и итальянский физик Э. Ферми в 1934 г. открыли, что при бомбардировке одних атомных ядер другими получаются искусственные радиоактивные вещества. В медицине лучами радия излечивается рак и многие другие болезни.

Но радий очень дорог: цена его на мировом рынке около 100 тыс. долларов за грамм. Американский Физик Лоуренс на основании своих опытов над получением искусственных радиоактивных веществ из натрия пришел к заключению, что уже не далек тот час, когда искусственные вещества, полученные по методам ядерной физики, начнут применяться в медицине.

Другой пример: исследуя атомные ядра, физики убедились в том, что, кроме обыкновенных атомов водорода, должны существовать еще и атомы «тяжелого водорода», в два раза более тяжелые, чем обыкновенные водородные атомы. И в самом деле, американский физик Юри сумел извлечь из воды такой «тяжелый водород». Каждому химическому соединению, в состав которого входит обыкновенный водород, соответствует и такое химическое соединение, в котором он заменен «тяжелым водородом». Химия водородных соединений как бы удваивается: наряду с обычной водой существует «тяжелая вода», наряду с обычным аммиаком — «тяжелый аммиак» и т. д. Эти «тяжелые» соединения теперь изучаются. Покамест изучены лишь немногие из них, но кто может сомневаться в том, что среди этих новых веществ, открытых физикой атомного ядра, окажутся такие, которые будут полезны и важны для техники. Часто бывает достаточно небольшого изменения свойств молекулы, чтобы получилось новое лекарство, новая краска, новое взрывчатое вещество. Открытие тяжелого водорода дало химикам новую возможность видоизменять (посредством замены обыкновенного водорода «тяжелым») свойства молекул вещества.

Физика атомного ядра пока еще не получила всех этих важных применений. Но она уже изменила взгляды ученых на мир. До самого последнего времени наука стремилась выработать такую картину мира, в которой все физические явления объясняются только перемещением, перегруппировкой, перетасовкой основных частиц веществ. Частицы перемещаются, вступают друг с другом в разные комбинации, снова расходятся и т. д., но никогда не уничтожаются и не создаются: совсем как в калейдоскопе, где передвижения цветных стеклышек создают новые и новые узоры. «Калейдоскопическая» картина мира приводила к тому, что когда химик наблюдал, как вода распадается на водород и кислород, он заключал, что, значит, вода до того, как распалась, состояла из водорода и кислорода. И он был прав: так на самом деле и есть. Но как и всякая другая научная истина, калейдоскопическая картина мира оказалась лишь ограниченно верной. В 1933 и 1934 гг. физики, изучая атомные ядра, натолкнулись на такие явления, которые показывают, что «калейдоскопическое» мировоззрение, сводящее все физические явления к перегруппировке неизменных частиц, не всегда применимо. Было открыто, что в некоторых случаях вблизи атомных ядер «рождаются» новые частицы, которых не было раньше. Рождаются они всегда парами, и в состав пары входит электрон и позитрон (позитрон — это частица такой же ничтожной массы, как электрон, но с положительным зарядом). Потом физики обнаружили вот что: в некоторых случаях нейтроны могут распадаться, превращаясь в протон и электрон:

нейтрон → протон + электрон,

а в некоторых случаях, наоборот, протоны, распадаясь, превращаются в нейтроны и позитроны:

протон → нейтрон + позитрон.

Обычная логика как будет говорит: из первой формулы вытекает, что нейтрон состоит из протона и электрона, а из второй формулы, — что этот протон в свою очередь состоит из того же самого нейтрона и позитрона. Получается, что нейтрон состоит из нейтрона плюс позитрон и из электрона, т. е. что он состоит из самого себя и еще из чего-то. Это нелепость, но в природе не может быть нелепости. Очевидно, нам как-то придется радикально переменить наши представления о том, каким образом целое может состоять из частей, т. е. вместе с отказом от «калейдоскопической» картины, радикально переработать нашу логику.

Рождение пары (электрон плюс позитрон), опровергающее «калейдоскопическую» картину мира, удается наблюдать и в камере Вильсона. На приводимом нами снимке видно, как «пара» родилась в точке, и как из этой точки расходятся пути электрона и позитрона, искривившиеся вслед за тем в магнитном поле.

Наблюдаемое в камере Вильсона рождение «пары» (электрон плюс позитрон). Из точки возникновения расходятся пути электрона и позитрона

Электрон, позитрон, протон и нейтрон —  вот четыре рода частиц, из которых состоит вещество. Сами они уже ни из чего не состоят (это не значит, что физика должна отказаться от изучения какой-то их внутренней структуры; это значит только, что к ним уже неприменимо понятие «состоять», неразрывно связанное с калейдоскопической картиной мира). Но нет ли еще других элементарных частиц?

Протон и нейтрон — сравнительно тяжелые частицы: они очень легки с обычной точки зрения, но ведь электрон и позитрон еще легче (в 1840 раз легче чем нейтрон и протон). Поэтому элементарные частицы можно разделить на две группы: тяжелые и легкие частицы. Если еще классифицировать их по заряду, то получится такая таблица:

	Положительный заряд	Заряд нуль	Отрицательный заряд
Большая масса	Протон	Нейтрон
Маленькая масса	Позитрон		Электрон

В таблице обнаруживаются два пустых места. Нельзя ли на этом основании предсказать существование новых элементарных частиц, как некогда Менделеев предсказал новые химические элементы по пустым местам в своей периодической таблице?

Физики заняты поисками этих частиц. Неизвестная «тяжелая» частица с отрицательным зарядом получила заранее название «антипротон», а неизвестная «легкая» частица без заряда — название «нейтрино» (уменьшительное слово нейтрон). Существуют ли эти предсказанные частицы на самом деле, пока еще неизвестно. Это одна из важнейших проблем ядерной физики.

Советские физики активно заняты исследованием атомного ядра. У нас уже получены некоторые важные результаты. Несомненно, что в ближайшие годы советские физики сумеют догнать своих западноевропейских и американских товарищей.