Эрнест Резерфорд (1871–1937) — английский физик. Посвятил свои работы радиоактивности, атомной и ядерной физике. Заложил основы современного учения о строении атома. Один из разработчиков теории радиоактивного распада. Автор планетарной модели атома. Открыл протон, предсказал существование нейтрона. На опыте доказал справедливость закона взаимосвязи массы и энергии в ядерных реакциях.
Эти опыты позволили Резерфорду сделать вывод о том, что положительный заряд и масса атома сосредоточены в очень малой центральной его области. Такую область, в 100 000 раз меньшую, чем сам атом, Резерфорд назвал атомным ядром. Модель атома, где в серединке — ядро, а вокруг — вращающиеся электроны, послужила основой для дальнейшего развития наших представлений о строении вещества.
Кружиться? Строго по правилам Бора
Согласитесь, что очень удобно, когда какие-то новые понятия можно объяснить с помощью уже хорошо освоенных, привычных.
Вот и модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, была такой симпатичной, ладной, так походила на знакомую нам картину движения планет вокруг Солнца. «И все бы хорошо, да что-то нехорошо…»
Почти сразу после рождения эта модель натолкнулась на серьезные противоречия. Как подсказывала теория, кружащиеся вокруг ядра-«солнца» маленькие электроны-«планеты» должны были излучать энергию. Теряя ее за какие-то мгновения, они неминуемо падали бы на ядро — как спутник, тормозясь в атмосфере, «сваливается» на Землю. Но это значило, что такие устойчивые шарики-атомы, из которых построен весь окружающий нас мир и мы сами, моментально бы «схлопнулись». Однако мы этого не наблюдаем!
Выход из положения предложил выдающийся датский физик Нильс Бор. Правда, для этого вновь потребовались «безумные» идеи. Бор оснастил атомную модель Резерфорда несколькими правилами, которые очень трудно было бы вообразить в рамках старой, классической физики.
Нильс Бор (1885–1962) — датский физик-теоретик. Внес огромный вклад в создание принципиально нового подхода к изучению атомных процессов. Построил модель атома, обеспечивающую объяснение его устойчивости. Теория Бора разрешила целый ряд сложных вопросов строения вещества и структуры света. Создал стройную систему физических идей квантовой механики. Многое сделал для развития ядерной физики.
Судите сами. Электронам «запрещалось» находиться где попало вокруг ядра. Словно правила дорожного движения, новая теория разрешала им двигаться лишь по строго определенным орбитам. Однако, если атом поглощал энергию, электрону полагалось «перескочить» на дальнюю от ядра орбиту, если испускал, то электрону было предписано спуститься на одну из нижних.
Не в первый раз в науку вторгались непривычные, не поддающиеся здравому смыслу воззрения. И они неминуемо были бы отброшены, если бы не смогли объяснить накопившиеся загадочные факты, разрешить противоречия. Так и теория Бора не просто «спасла» модель Резерфорда, но и обогатила ее и растолковала многое до тех пор непонятное.
Рыбак рыбака видит издалека
Кому легче подружиться? Конечно, тем, у кого общие интересы. Ну, вот одни любят книжки читать, другие — рыбу удить, третьи — мух ловить… Вот еще, скажете вы, нашлось увлечение. А что, может быть, эти мухоловы станут в будущем знаменитыми энтомологами — исследователями насекомых? Значит, то, что сегодня кажется странным, нелепым, завтра будет привычным и, возможно, очень нужным.
Не так ли и чудаковатые поначалу идеи тянутся друг к другу? Подобная мысль приходит в голову, когда идет разговор о встрече двух необычных идей в начале нашего века. Это — «странная» гипотеза Планка о квантах-частичках света и диковинная модель устройства атома, предложенная Бором. Как они оказались необходимы друг другу!
Теперь испускание и поглощение света, да и многих других лучей, можно было объяснить, как потерю или приобретение атомом порции энергии. Перешел электрон с верхней своей орбиты в атоме на нижнюю — испустился квант-фотон. Поглотился фотон атомом — Значит, электрон ровно на порцию, принесенную этим квантом, увеличил свою энергию и подскочил кружиться повыше.
Блестящее объяснение процессов испускания, распространения и поглощения электромагнитной энергии на основе этих идей словно вобрало в себя несколько разных областей физики. Сюда вошли теория света, электромагнетизм и строение вещества. Вот почему квантовая теория стала базой современной физической науки.
«Из чего же, из чего же сделаны»… ядрышки?
Давайте порассуждаем вместе. Вещество состоит из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из ядер и электронов, ядра состоят из… Из чего же состоят ядра? Может быть, как раз они — те самые, неделимые частички, меньше которых уже ничего нет? Оказалось, не так. Радиоактивное излучение, вылетающее из недр вещества, подталкивает к мысли, что и ядра — не самые мелкие «детали» природного конструктора.
В 20–30-е годы XX столетия были открыты две частицы. Они оказались очень близкими по массе, но отличались тем, что одна имела положительный заряд, такой же, кстати, как заряд электрона, а другая была нейтральна — вовсе не имела электрического заряда. Первую назвали протоном, вторую — нейтроном.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) — российский ученый. Открыл один из фундаментальных законов природы — периодический закон химических элементов. На его основе предсказал существование еще не открытых элементов, найденных позже. Занимался тепловыми процессами, сконструировал барометр, изучал на воздушном шаре верхние сдои атмосферы. Разрабатывал теорию весов и точные приемы взвешивания.
Сцепленные друг с другом различные комбинации двух этих частиц образуют ядра атомов всего множества известных на сегодня химических элементов. Многие из них вам уже хорошо знакомы — железо, алюминий, водород, ртуть, медь, йод, кислород, золото, сера, углерод, фосфор, бром, хлор, серебро, кремний… Элементы эти собраны в большую таблицу, которую вы обязательно увидите в книгах по физике и химии или на стенах школьных кабинетов, где изучают эти науки. Такая таблица носит имя ее создателя, нашего соотечественника, знаменитого ученого Дмитрия Ивановича Менделеева.
Знание строения атомного ядра позволило разложить по полочкам, по ячейкам все, из чего складывается вещество. Количество протонов и нейтронов в ядре строго указывает, какой это элемент, каковы его физические и химические свойства. Иначе говоря, такой «банк данных» обладает огромной предсказательной силой.
«Ядра — чистый изумруд…»
Почему в крохотном ядре каждого атома удерживаются вместе такие частицы, как протоны? Если они положительно заряжены, то по всем электрическим правилам должны отталкиваться. Причем так, что ядро просто бы «взорвалось». Однако этого не происходит, ядрышки многих атомов вполне устойчивы, стабильны. Почему?
На таких маленьких расстояниях, на каких оказались в ядре протоны, действуют, помимо электрических, еще и другие силы. С ними человек столкнулся, лишь когда попытался объяснить себе, откуда в ядре взялся такой липкий «клей». Никакими известными силами его происхождение не объяснялось. Вот и пришлось считать, что это особый, ядерный вид сил. Они мощнее всех иных, но «включаются» лишь на микроскопических расстояниях, когда ядерные частички оказываются совсем рядышком друг с другом.
Но почему мы говорим лишь о протоне? Нейтрон — его постоянный «сосед» по ядру и равноправный участник ядерных процессов. Все сказанное его так же касается. Отметим, что третий компаньон, входящий в состав атома, — электрон — никак не влияет на жизнь внутри ядра. Слишком он от этого отдален, чересчур далеко от ядра кружится.
Количество протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, меняется от единицы у водорода — самого легкого химического элемента, до сотен штук у таких тяжелых элементов, как уран. Различные их группировки, «сцепки», определяют, насколько тот или иной атом устойчив или нет.
Как распадаются ядра?
Что происходит с атомным ядром, когда оно испускает радиоактивное излучение? Остается ли оно неизменным? Или, быть может, испытывает какие-то превращения? Поиски ответов на эти вопросы, продолжающиеся несколько десятилетий, привели ученых к неожиданному, но очень важному выводу.
Естественная радиоактивность, обнаруженная более 100 лет назад, дала представление о том, что внутри ядер атомов вещества запасена огромная энергия. О таких веществах вы, наверное, слышали, например, это уран. Так нельзя ли сконцентрировать его, обработав горные породы, в которых он рассеян по Земле? И тем самым получить источник энергии очень большой мощности? Оказалось, что эта задача в принципе решаема, но нужного нам сорта урана в природе не слишком много.
Кропотливые исследования, однако, показали, что можно создать искусственную радиоактивность. То есть как бы подталкивать ядра тяжелых элементов к тому, чтобы они начали распадаться, высвобождая сдерживаемую мощными ядерными силами энергию.
Во всех случаях распада из тяжелого ядра получаются более легкие, такие, например, как ядра атомов железа.
Энрико Ферми (1901–1954) — итальянский физик. Работал в области атомной и ядерной физики, астрофизики, исследовал космические лучи. Открыл искусственную радиоактивность, положил начало нейтронной физике. Доказал возможность цепной ядерной реакции деления урана. Построил первый ядерный реактор и осуществил его запуск, участвовал в создании американской атомной бомбы.
К концу 30-х годов в нескольких странах учеными было найдено, как заставить ядра делиться. А в 1942 году в США был запущен первый в мире ядерный реактор. Эта работа проводилась под руководством итальянского физика