Тайны атома

Тайны атома

Первые десятилетия двадцатого века ознаменовались значительными изменениями в восприятии физического строения вещества. Теория неделимости и неразрушимости атома, пришедшая из древнегреческой философии, уступила место новой модели этой частицы, показавшей, что атом имеет дискретную внутреннюю структуру. Теперь его рассматривали в качестве положительно заряженного ядра, окруженного загадочными «корпускулярно-волновыми частицами» — электронами, имеющими отрицательный заряд.

Основное внимание, естественно, привлекло к себе именно атомное ядро. После открытия нейтронов в 1932 году перед учеными возникла четкая картина ядра, образованного положительно заряженными протонами и нейтрально заряженными нейтронами. Согласно данной модели, число образующих ядро протонов определяет природу данного химического элемента. Разные элементы — водород, кислород, сера, железо, уран и так далее — имеют разное число протонов в атомном ядре. Атомы, ядро которых имеет одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами. По химическим свойствам они идентичны и различаются только своим относительным атомным весом и стабильностью.

Новые открытия следовали одно за другим. Ученые выяснили, что, используя мощные магниты и электростатическое поле, можно ускорить заряженные частицы, например протоны, придав им скорость, а значит, и энергию, достаточную для разрушения ядра. Эрнест Лоуренс, работавший в Калифорнийском университете в Беркли (географически Беркли находится в области залива Сан-Франциско), изобрел циклотрон — новый вид ускорителя частиц[4]. С помощью этого устройства впоследствии была доказана возможность искусственной ядерной реакции.

Открытие нейтронов не только помогло физикам подробно изучить структуру ядра, но и дало им новый инструмент, позволивший раскрыть другие секреты атома. Дело в том, что, поскольку нейтроны — нейтрально заряженные субатомные частицы, с их помощью можно обстреливать ядро, имеющее положительный заряд, без угрозы искажения их траектории силой электростатического отталкивания.

Итальянский физик Энрико Ферми вместе со своей исследовательской группой занялся в Риме систематическим изучением, как влияет на ядро бомбардировка нейтронами. Начав с самых легких элементов, ученые поднимались все выше по периодической таблице. Приступив в 1934 году к бомбардировке нейтронами ядра наиболее тяжелого элемента — урана, физики обнаружили, что им удалось создать элементы с большей атомной массой, чем у него. Подобные элементы, отсутствующие в природе, получили название трансурановых. Новость об открытии, названном триумфом итальянской науки, обошла первые полосы многих газет и журналов.

Ган, находившийся тогда в Берлине, обратил на это открытие пристальное внимание и в тесном сотрудничестве с Мейтнер провел химические исследования, повторив опыты Ферми и поставив другие, более детальные, эксперименты.

Все ученые, причастные к данным исследованиям, в равной степени обратили внимание на то, что хотя бомбардировка нейтронами и изменяла химические элементы, но изменения эти были не очень значительны и носили поэтапный характер. Поглощение нейтронов, по расчетам исследователей, изменяло состав ядра-мишени лишь на один-два протона или нейтрона. Другими словами, все элементы, которые могли быть получены экспериментальным путем, в периодической таблице должны были располагаться лишь на одну-две позиции выше или ниже исходного.

Ган и его ассистент Фриц Штрассман раз за разом аккуратно повторяли эксперимент по бомбардировке нейтронами ядра урана. Немецкие физики с самого начала были твердо уверены, что работают над получением высокорадиоактивного элемента радия, атомная масса которого немного ниже массы урана. Получить трансурановые элементы им никак не удавалось.

Обычный изотоп урана, наиболее устойчивый, содержит 92 протона и 146 нейтронов, таким образом, его атомная масса составляет 238 (изотоп обозначается как U²³⁸). В ядре радия 88 протонов; этот элемент имеет большое количество радиоактивных изотопов, различающихся числом нейтронов. Так, наиболее распространенный изотоп радия имеет 138 нейтронов, то есть всего в его ядре 226 «нуклонов». Превращение урана в радий — а именно этим, по мнению Гана и Штрассмана, они и занимались — представляет собой очень значительный скачок в изменении массы элемента, поскольку разница в положении исходного и конечного продуктов эксперимента в периодической таблице составляет четыре позиции. Столь значительная трансформация намного превосходила результаты, полученные при бомбардировке нейтронами, при которой были зафиксированы лишь небольшие и носившие поэтапный характер изменения.

В конце 1938 года Ган отправил своей коллеге, которая к тому моменту совершенно пала духом, письмо с сообщением об итогах экспериментов, и Мейтнер призвала его быть крайне острожным. Беспрецедентные результаты, полученные в ходе опытов Гана и Штрассмана, попросту не находили объяснения в рамках тогдашней теории атомного ядра.