[вернуться к содержанию сайта]

    Теперь, когда мы знаем, что имеющихся — из известных нам — в древности средств было явно недостаточно для осуществления подлинного превращения одного элемента в другой, кажется парадоксальным, что атомистическую теорию создали именно древние греки. Более того, созданная ими теория совпадает в общих чертах с современными концепциями, которые отличаются от господствовавшей в XIX в. теории Дальтона. По всей вероятности, древние греки заимствовали свои знания в области математики, астрономии и геометрии у египтян, халдеев и индусов, а затем развили имевшиеся у них представления в подлинные науки, стремясь скорее к достижению новых знаний ради знаний, а не к их практическому использованию. Что касается египетской алхимии, то здесь древних постигла неудача. Не создав истинной науки, они практически превратили ошибочные, а может быть и умышленно искажённые, доктрины, касающиеся иерархии превращений обычных металлов в золото и серебро, в теоретические аксиомы и трюизмы. Таким образом, в течение 2000 лет химия была обречена на бессмысленную погоню за несбыточной мечтой.

    Хотя автору и не пришлось ознакомиться с греческими первоисточниками, всё же у него сложилось впечатление, что по своей сути атомная теория древних греков первоначально, по-видимому, представляла собой отрицание и даже альтернативу преобладавших на Востоке взглядов на первичное строение материи. Скорее всего, их отношение к этой теории явилось составной частью того подхода к окружающей природе, который сделал греческую математику, особенно геометрию, важной вехой на пути развития цивилизации. Но посеянные ими семена не проросли. И не потому, что попали в каменистую почву, а потому, что их задушили сорняки. Люди, называвшие себя последователями и учениками первых греческих атомистов, по сути дела вывернули наизнанку и извратили их теорию. И хотя по современным стандартам сама эта теория представляется слишком гипотетичной и неконкретной, всё же это — на редкость точное предвидение. Итак, рассмотрим её основные принципы.

    Создание атомистической теории обычно приписывается Демокриту (470—357 гг. до н. э.), ни одна из работ которого до нас не дошла. Однако историки утверждают, что основателем теории является учитель Демокрита — Левкипп, отказавшийся от доктрины так называемых аристотелевых элементов, согласно которой изначальными составными частями материи являются земля, воздух, огонь и вода. Вместо этого он считал, что материя состоит из отдельных частиц (атомов), находящихся в пустом пространстве и слишком мелких, чтобы их можно было увидеть в отдельности. Немногочисленные сведения о теории Левкиппа в основном известны из латинской дидактической поэмы Лукреция (95-55 гг. до н.э.) “О природе вещей”. Во-первых, следует отметить, что, согласно этой теории, атомы непрерывно движутся в пустом пространстве (в отличие от неподвижных атомов Ньютона, Лавуазье, Дальтона) и воздействуют друг на друга при помощи толчков и давления, а не посредством “любви” и “ненависти” (притяжения и отталкивания), как считали восточные мудрецы. Во-вторых, изменения вещества происходят благодаря соединению и разъединению атомов, а также в зависимости от свойств атомов, вступающих во взаимодействие. И наконец, различные свойства вещества объясняются формой и размером атомов, а не разницей в их массе (как в атомистике Дальтона).

    По крайней мере, эта первая дошедшая до нас атомистическая теория позволила дать точное определение атому как мельчайшей частице любого однородного вещества. Химия как наука, детально изучающая свойства вещества, нуждается в том или ином виде атомистики, подобно тому как селекция нуждается в изучении одного-единственного зерна, а не всего урожая. Под термином частица следует понимать единицу, обладающую определёнными свойствами, и иметь в виду, что её дальнейшее деление приводит к исчезновению этих свойств и появлению новых.

    Как и современная теория, эта типичная для раннеионической философии концепция подразумевает веру в некую первоначальную объективную сущность, из которой в конечном итоге всё и возникает Ведь если бы атомы были созданы из разного материала, излишне было бы объяснять свойства веществ их формой и размером! Эта первоначальная сущность имеет материальный характер и может быть названа протилом (согласно выражению учёного прошлого века В. Крукса). Первый из известных нам греческих философов Фалес (640-548 гг. до и. э.) считал, что протилом является вода. Другие философы того времени приписывали эту роль воздуху или огню, а последователи Пифагора (570-500 гг. до н. э.) принимали за первооснову число, выражающее гармонию, порядок и ритм, — и это явилось первым шагом на пути в преисподнюю нереальности.

    По иронии судьбы, от этой столь интересной для современной науки теории первым отказался не кто иной, как ученик Демокрита Протагор (480-411 гг. до н. э.). Он решительно отбросил “атом” как гнилую картофелину, и тем самым внёс раскол между философией гуманитарных и философией естественных наук. Этот раскол до сих пор не удалось преодолеть, и именно он явился причиной всех бед, сопутствовавших науке на её нелёгком пути познания природы. Ведь Протагор отбросил в сторону не только “атом”, но и весь материальный мир. Греческую науку он превратил в агностицизм, утверждая, что невозможно знать суть вещи такой, какой она действительно является, ибо её восприятие зависит от наших впечатлений о ней. Именно Протагору принадлежит знаменитый афоризм: “Человек есть мера всех вещей”; он впоследствии претерпел многочисленные толкования, суть которых, однако, сводилась к тому, что центральное место во Вселенной занимает человек. Но при всей своей кажущейся применимости к жизни человека в отношении к окружающей природе и нашим познаниям о ней это высказывание является голой софистикой, и сегодня оно звучит как бред самонадеянного маньяка.

    Греческий агностицизм, этот чисто субъективный и пораженческий подход к окружающему миру, был впоследствии подхвачен и развит более известными нам философами V-IV вв. до н. э. — Сократом, Платоном и Аристотелем. Первый из них на основании некоторого изучения природных явлений провозгласил, что поскольку истинное познание невозможно, то и стремиться к нему бесполезно. В конечном итоге Сократ пришёл к выводу, что всю Вселенную, одушевлённую и неодушевлённую, следует рассматривать как созданную для того, чтобы удовлетворять потребности человека. До сих пор эта точка зрения находит много сторонников! Платон пошёл ещё дальше, распространив господствовавшую в Древней Греции теорию о единой первоначальной сущности не только на материальный мир, но и на сознание, рассматривая их как единое целое. Но и его не интересовали окружающая действительность и познание её. Что же касается последователя и ученика Платона Аристотеля, перенёсшего агностицизм своих предшественников на мир вещей и чей авторитет в науке до XVI в. был непререкаем, — то именно ему мы обязаны тем, что так глубоко и надолго укрепилась вера в доктрины алхимиков и трансмутацию.

    Как бы ни истолковывалось до Аристотеля значение четырёх основополагающих “элементов”, лично он рассматривал их не как материальную сущность или её составные части, а как качества или свойства. Согласно Аристотелю, эти элементы в действительности представляли собой четыре возможные комбинации двух качеств — тепла, влажности и их противоположностей — холода и сухости, взятых попарно. Например, огонь — сухой и горячий; воздух (пар) — влажный и горячий; земля — сухая и холодная, а вода — влажная и холодная. К ним он прибавлял пятый элемент — квинтэссенцию, имеющую эфирное происхождение и проникающую повсюду. Нечто подобное можно найти и у Будды, только там вводится ещё шестой элемент — сознание. Исходя из того, что единственным источником знаний о реальном мире вещей является наше чувственное восприятие их, проблема конечного строения материи Аристотелем не рассматривалась. Материя считалась всего-навсего орудием (посредником) для проявления свойств, а “элементы” — простейшими телами определённого качества, из которых формируется материя. Коль скоро свойства так легко изменяются, то нет ничего иррационального в предположении, что свинец может быть обращён в золото. Такие поверхностные представления процветали среди философов того времени не в меньшей степени, чем среди неграмотных ремесленников, которых учёные мужи презирали за столь низменное занятие, как превращение сырья в полезные продукты.

    Последователи Аристотеля считали, что нежелаемые свойства могут быть одно за другим заменены желаемыми. Так появился термин окраска металлов, появление которой указывало на изменение свойства вещества. Нагревание меди и каламина (карбонат цинка) приводит к образованию латуни — в этом видели первую ступень на пути превращения меди в золото. Роджер Бэкон (1214-1294 гг.), ссылаясь на свойства золота (его цвет, высокую плотность, ковкость и т. д.), заявил, что “те, кто знают рецепты и обладают достаточной практикой в деле получения этих свойств по желанию и преобразования их в любое промежуточное вещество, могут получить золото”. Современный учёный не преминул бы задаться вопросом: почему же в природе не найдено это самое промежуточное между свинцом и золотом вещество, в то время как оба эти элемента существуют самостоятельно?

    Всё же арабские алхимики сумели приблизиться к реальности на один шаг. Они заменили четыре аристотелевых элемента тремя: “ртутью”, “серой” и “солью”, выражающими соответственно металлические свойства, изменения под воздействием огня и растворимость в воде. Но хотя они и рассматривали эти элементы с более современной точки зрения — как материальные компоненты, — всё же это были не ртуть, сера и соль в нашем понимании, а их идеализированные формы, олицетворяющие только основные качества самих веществ.

    На пороге своего заката алхимия становилась всё более, и более фантастичной. Существует немало обстоятельных описаний того, как авторитетнейшим учёным того времени удавалось получить золото. Однако при проверке выяснялось, что все предметы, якобы сделанные из искусственного золота, были просто-напросто подделками. Нет сомнения в том, что обманутые учёными мужами люди оказались такими же жертвами, как те, кто сейчас верит в “золотоносность” соляных приисков. Что же касается эликсира жизни, то в средние века даже долголетие библейских патриархов объясняется их знанием алхимии.

    В своё время автор этих строк уже привлекал внимание к одному факту*, который любопытен и теперь: несмотря ни на что, даже в наше время при небольшом воображении можно вполне примириться с идеей философского камня. Ведь если при трансмутации выделяется неистощимый запас энергии, без которой всё живое умирает, то, стало быть, этот процесс и является истинным эликсиром жизни. Во многих древних легендах, если их рассматривать буквально, а не с точки зрения мистики, содержатся намёки на то, что человечество развивается по пути, ранее им уже пройденному, следовательно, все эти мифы могут являться единственными сохранившимися следами каких-то древнейших эпох. В преддверии известной нам истории Древнего Египта существовала некая высокоразвитая цивилизация, широко применявшая на практике научные достижения, которые египтяне хранили как государственный секрет. Если новая глобальная катастрофа уничтожит нынешнюю цивилизацию, то вполне резонно предположить, что наука отдалённого будущего будет находиться на определённом этапе своего развития в таком же состоянии, как и в Древнем Египте. Уже первые основополагающие знания, часто становившиеся государственным секретом, могут быть легко утеряны или сохраниться лишь в форме неясных и антропоморфических легенд. Однако практическая сторона науки, оторванная от своей философской основы, может частично сохраниться. Уже сейчас представляются неизбежными (а возможно, уже и предпринятыми) первые роковые шаги на пути превращения науки в государственную тайну, принадлежащую иерархии, которая, вне всякого сомнения, в конечном итоге эгоистична.

    Вряд ли имеет смысл слишком углубляться в первоначальные идеи о применении квантовой теории для объяснения спектров элементов, которые затем привели к использованию этой теории для детального объяснения периодического закона. Во-первых, данная работа в действительности имеет малое отношение к обычным химическим свойствам элементов и даже в спектроскопии черпает экспериментальные данные для развития квантовой теории, а не наоборот; поэтому спектроскописту она мало в чём поможет. Во-вторых, гораздо более общие соображения, чем те, что были постулированы первоначально, послужили обнаружению основных закономерностей периодической системы элементов.

    Действительно, в ядерном атоме следует различать две области — внутреннюю и внешнюю, — которые разграничены обычно непреодолимым энергетическим барьером. Изменения во внешней электронной системе обратимы и относительно легко происходят, причём соответствующих изменений в ядре они не вызывают, но зато обусловливают химические свойства элемента. Изменения ядра имеют характер трансмутации и необратимы. Если они произошли, внешняя система мгновенно приспосабливается к новому ядру и получается новый химический элемент со своими специфическими химическими свойствами. Если не считать каких-то чрезвычайных обстоятельств, то лишь в одном случае, а именно в недавно открытом K-захвате, пересекается граница, и вместо того, чтобы ядро изменялось само по себе, как в нормальном спонтанном атомном распаде, оно обнаруживает способность притягивать к себе электрон с ближайшей K-оболочки, уменьшая таким образом на единицу свой атомный номер; разумеется, этот процесс можно интерпретировать и как испускание позитрона.

    Периодический закон с самого его возникновения, как и представлял сэр Вильям Крукс, стали безоговорочно считать как бы конспектом закономерного эволюционного перехода от одного элемента к другому, при котором каждый элемент наследует фундаментальную структуру своего предшественника. На языке квантовой теории это означает, что добавление к оболочке ещё одного электрона при переходе от элемента к элементу оставляет нетронутыми на тех же квантовых орбитах электроны, до этого существовавшие в атоме (или, по более новым представлениям, их сферические волновые функции), хотя, разумеется, линейные размеры сокращаются пропорционально квадрату атомного номера, что описывается теоретической формулой Бора для постоянной Ридберга. Квантовые соображения, которые помогли объяснить спектральные серии водорода, необходимым образом расширенные, послужили для интерпретации всей периодической системы, в которой атом водорода можно фактически рассматривать как некий зародыш.

    Вместо единственного электрона, способного в возбуждённом состоянии атома водорода занимать различные квантовые орбиты, кратные нормальной, или первой, орбите, занимаемой им в невозбуждённом состоянии, мы имеем количество электронов, равное атомному номеру, которые занимают в нормальном, невозбуждённом, состоянии различные целочисленные квантовые орбиты. Термин элементы правильной последовательности будем применять по отношению к элементам, отличным от тех, которые называются переходными и редкоземельными элементами. Основное периодическое число 8, управлявшее периодичностью в двух коротких периодах, сменяется на 18 для двух длинных периодов, а затем на 32 — для самого длинного периода.

    Согласно Бору, на протяжении этих периодов число электронов на самой внешней оболочке остаётся почти постоянным, обычно равным двум, хотя совсем немного элементов имеют на ней только один электрон, а палладий — ни одного электрона, в то время как ближайшая внутренняя оболочка заполняется электронами с 8 до 18. В случае редких земель заполняется (с 18 до 32 электронов) вторая от внешней оболочка; затем (с 8 до 18 электронов) соседняя с ней. Для элементов правильной последовательности лишь электроны внешней оболочки могут отрываться от атома и принимать участие в химических превращениях. Они и являются валентными электронами, переход которых от одного атома к другому находит выражение в химическом соединении. Кроме перечисленных исключений, все заполненные внутренние оболочки химически инертны, хотя, как уже было показано, под воздействием электронной бомбардировки электроны срываются и с них, а возвращение электронов на своё место в атомной структуре приводит к излучению рентгеновского фотона. Автора часто занимал вопрос, не может ли со временем развиться разновидность химии, промежуточная между обычной и ядерной химией, в которой эти внутренние электроны, вместо внешних валентных, обусловливали бы изменения в веществе, промежуточные между обычными химическими изменениями и ядерными превращениями. Однако пока никаких сообщений на этот счёт не имеется.

    Большое влияние на формирование нынешней квантовой интерпретации периодического закона имело установленное в 1914 г. Ридбергом любопытное соотношение, согласно которому атомные номера элементов группы VIII периодической системы определяются выражением

Z = 2 (1² + 2² + 2² + 3² + 3² + 4²),

если брать для соответствующих атомных номеров суммы одного, двух, трёх и т. д„ вплоть до шести, членов, т. е. получается 2, 10, 18, 36, 54, 86. Это просто математическая формулировка того известного факта, что последовательные периоды, включая водород и гелий, которые образуют первый период из двух элементов, состоят из 2, 8, 8, 18, 18, 32 элементов. Но есть свойство, которое данное соотношение скорее маскирует, чем обнаруживает, причём, по мнению автора, это, возможно, самое важное свойство во всем периодическом законе: его можно назвать принципом симметрии. Лучше всего оно может быть проиллюстрировано на примере щелочноземельных элементов группы II периодической системы, после которых начинаются отклонения от правильной последовательности и происходит построение внутренних оболочек. В этих элементах группы II порядок чисел электронов в последовательных оболочках, или кольцах, остаётся одинаковым независимо от того, как считать оболочки: от ядра наружу или в обратном направлении. Таким образом, заключая заполненные оболочки в скобки, так что слева располагаются ближайшие к ядру, получаем для элементов группы II следующие атомные номера и электронные структуры:

    Это показывает, что элементы правильной последовательности всегда имеют внешнюю заполненную оболочку из восьми электронов (ранее упомянутый октет). Именно на этой особенности базируется статическая модель атома, известная как кубический атом Льюиса и развитая Ирвингом Ленгмюром в Соединённых Штатах Америки.

    В этой модели атом представляет собой куб с центральным остовом и восемью электронами по углам; тогда химическое взаимодействие элементов правильной последовательности — расположенных с разных концов соседних периодов и демонстрирующих соответственно электроположительный, или основной, и электроотрицательный, или кислотный, характер — обеспечивается перемещением от остова первого атома избыточных электронов, которые заполняют вакантные углы ещё не завершённого кубического остова второго. В данном контексте слово “остов” означает ядро и завершённые оболочки основного элемента, не включая его внешних валентных электронов, и ядро с завершёнными оболочками кислотного элемента плюс заполненные электронами вакантные углы самой удалённой его оболочки. Иначе говоря, электронные системы двух остовов совпадают с предшествующим основному и следующим за кислотным элементом группы 0. Например, фтористый натрий состоит из достаточно обособленных остовов натрия и фтора, каждый из которых имеет электронную структуру неона. Но ядро натрия обладает на единицу большим положительным зарядом, чем неон, обусловливая, таким образом, появление положительного иона натрия, а ядро фтора несёт на единицу меньше положительного электричества, чем неон, образуя, следовательно, отрицательный ион фтора. Строго говоря, между двумя этими совершенно невалентными остовами нет никакого химического сродства. Они должны существовать в равных количествах из-за своих противоположных электрических зарядов, для того чтобы целое было электрически нейтральным.

    Рис. 50 иллюстрирует объединение полярных элементов в рамках модели кубического атома. Видно, что в случае объединения щелочных металлов с галогенами никакого химического объединения нет, но противоположно заряженные ионы всегда должны существовать в одинаковых количествах, чтобы сохранялась электрическая нейтральность соединения. Оба иона — это инертные газы с избыточным зарядом ядра для щелочных металлов и с недостаточным — для ионов галогена.

    Силы притяжения в полярных соединениях носят чисто электрический характер и имеют колоссальную величину. Миллиграмм ионов водорода Н⁺ обладает таким зарядом, что им можно наэлектризовать сферу размером с земной шар до потенциала 100000 в. Если бы эти ионы можно было поместить в камеру так, чтобы они не отдавали заряда на стены, и если бы последние были такими же прочными, как современные крупнокалиберные пушки, то обоюдное отталкивание ионов разнесло бы эту камеру задолго до того, как в ней накопилось достаточно водорода для получения его спектра, как в вакуумной лампе. Все это удовлетворительно описывает тип химических соединений, называемых полярными соединениями; к ним относятся минеральные кислоты, основания и соли, и, как правило, они являются электролитами в расплавленном состоянии или в водном растворе.

    Между тем огромное большинство химических соединений не являются полярными и не проводят, находясь в жидком виде, электрического тока как электролиты. Эти соединения модель кубического атома описывает с помощью соответствующей перестановки и перераспределения электронов, расположенных на внешних оболочках двух или более атомов (или групп атомов), которые объединяются таким экономным образом, чтобы заселить все вакантные углы соответствующих октетов. Получающиеся в результате остовы в этом случае связаны воедино. Такие соединения (их называют неполярными) делятся на два класса, хотя в некоторых очень интересных соединениях в одной и той же молекуле могут присутствовать одновременно полярные и неполярные связи, причём часто это порождает относительно редкое свойство, состоящее в том, что неорганические солеподобные соединения способны легко соединяться с органическими. Так, двухиодистая ртуть HgI₂ образует жидкие комплексы с органическими растворителями, например с эфиром, потому что её кристаллическая пространственная решётка составлена из слоёв ионов ртути Hg⁺⁺, разделённых двумя смежными слоями ионов иода I^-. Связь между последними неполярная и принадлежит типу, к описанию которого мы теперь переходим.

    Двухатомные газы являются простейшими из возможных примеров, а в качестве типичного для них можно взять фтор, F₂. В результате соединения двух атомов фтора рёбрами октетов вакантный угол каждого октета заселяется электроном другого октета. Таким образом, каждый атом в молекуле фтора совместно с другим атомом владеет электронной парой. Чтобы проще себе это представить, можно обозначить необобщённые электроны точками, а обобщённые крестиками: тогда объединение двух атомов фтора запишется так: . Однако таким способом можно изобразить только одинарные связи, вроде F-F. Двойные связи, как O=O, можно считать результатом присоединения двух кубов гранями друг к другу, но тройные связи типа N≡N уже нельзя представить в рамках данной модели.

    Мысль о том, что одинарная химическая связь может быть обусловлена электронной парой, в момент её высказывания звучала довольно неожиданно, но затем она доказала своё фундаментальное значение для химии. Однако фигурирующую здесь электронную пару нельзя смешивать с более поздней и имеющей даже более фундаментальное значение электронной парой, которая связана с распадом фотона на позитрон и электрон и возникновением фотона в результате их рекомбинации. По этой причине последнюю пару, чтобы отличить её от электронной, связанной с неполярными химическими соединениями, мы будем называть электрон-позитронной парой.

    Что касается второй, незначительно отличающейся от первой, разновидности неполярных соединений, называемой координационными соединениями, то оказалось, что она включает самый многочисленный класс, который за отсутствием каких-либо подходящих объяснений в рамках ранее господствовавшего изображения валентности соединительными связями в своё время называли молекулярными соединениями. Самым наглядным их примером являются гидраты солей, в которых безводная соль кристаллизуется вместе с одной или несколькими, а часто со многими молекулами воды — с подобными соединениями мы уже встречались в случае изоморфных квасцов, в молекулу которых входит 24 молекулы воды; кристаллы обыкновенной стиральной соды Na₂CO₃·12Н₂О более чем на две трети состоят из воды. При этом, поскольку все соединительные связи уходят на образование безводной соли, объединение с водой приписывалось остаточному химическому или физическому притяжению между молекулами соли и воды.

    Координационные соединения включают ещё небольшой класс так называемых соединений Вернера, которые представляют собой молекулярные комплексы, формирующиеся по странным и прежде необъяснимым законам. Эти молекулярные соединения и комплексы в настоящее время трактуются как неполярные соединения, в которых, вместо того чтобы каждый участник вносил один электрон в электронную пару, оба электрона поступают от одного атома или группы; такой атом или группа атомов называется поэтому донором, а другой — акцептором. Для соединений Вернера, как правило, характерно наличие центрального атома, обладающего способностью соединяться с определённым числом (координационное число) каких-либо других атомов или молекул, способных к самостоятельному существованию. Это число обычно равно шести, но бывает четыре или, в разных случаях, восемь. Вернер утверждал, что для органических соединений исключения из привычных правил валентности так редки потому, что у атома углерода равны четырём и валентность, и координационное число. Возможность образования таких соединений связана с наличием объединяющихся групп одной или более так называемых неподелённых пар электронов, которые они отдают центральному атому или группе для заполнения электронного октета или какого-то большего чётного числа состояний (до шестнадцати).

    Соединение, кристаллизующееся с водой, возникает благодаря тому, что у воды есть две такие неподелённые пары, которые видны из формулы . Аммиак NH₃, который очень часто выступает в роли самостоятельной группы в соединениях Вернера, обладает одной неподелённой парой .

    Таким образом, статико-кубическая модель атома очень помогла в разрешении дотоле неразрешимых проблем, касающихся исключений из первоначальной простой теории валентности, основанной на понятии соединительной связи. Поначалу физики несколько самоуверенно высмеивали эту модель, поскольку она явно противоречила динамическим принципам, однако со временем (о, превратности судьбы!) она отомстила за себя. Дело в том, что планетарный атом является грубым нарушением всех концепций химии и других им подобных, имеющих отношение к характеристикам строения вещества, в первоначальной точке зрения на которые, т. е. на архитектуру, конфигурацию и структуру составляющих вещество молекул, химики утвердились лишь в результате развития этих областей новым рентгеноспектроскопическим методом исследования. Вот именно те качества, которые больше всего интересуют исследователей, изучающих вещество, а вовсе не спектры, которые отражают скорее второстепенные электрические свойства, чем механические.

стр. 214
Чудесный год радиоактивности

    Осуществление полностью искусственной трансмутации на уровне отдельного атома, только что рассмотренное нами на примере лития и других лёгких элементов, было тем Рубиконом, который человечество, начиная с древнейших времён, безуспешно пыталось перейти. Однако оно явилось лишь одним из четырёх великих открытий, сделанных в 1932 г., благодаря которым этот год был назван чудесным годом радиоактивности. Во-первых, помимо осуществления искусственной трансмутации был наконец-то обнаружен положительно заряженный электрон, или позитрон; в противоположность ему отрицательный электрон с тех пор получил название негатрон**. Во-вторых, был открыт нейтрон — незаряженная элементарная частица с массой 1 (единица), которую можно рассматривать как нейтральное ядро, только без внешнего электрона. И наконец, был открыт изотоп водорода с массой 2, названный тяжёлым водородом, или дейтерием, ядро которого, как считается, состоит из протона р и нейтрона п; подобно обычному водороду, его атом имеет один внешний электрон. В следующем, 1933, году произошло ещё одно открытие, которое в некотором роде (во всяком случае, по мнению первых исследователей атомной энергии) представляло наибольший интерес. Речь идёт об открытии явления искусственной радиоактивности.

    Большинство из этих открытий были сделаны с помощью описанных выше методов исследования отдельных атомов, хотя они для этого и не предназначались.

    Первым позитрон обнаружил сотрудник Калифорнийского технического института Карл Андерсон. Позитрон предстал перед учёным в камере Вильсона в виде электронной пары в следах космического излучения, подвергнутого воздействию магнитного поля с целью вызвать отклонение заряженных частиц. Электронная пара оставляла за собой два совершенно аналогичных следа, отклонившиеся от своего общего первоначального пути в противоположных друг к другу направлениях, что было вызвано наличием у двух похожих как две капли воды электронов противоположных зарядов. После того как аналогичные результаты были получены англичанами Блэкеттом и Оккиалини, Андерсон продемонстрировал “земной” характер этого явления и доказал, что появление электронных пар является нормальным следствием взаимодействия достаточно мощного γ-излучения с атомами тяжёлых элементов. Для любого γ-кванта с энергией, намного превышающей 1 Мэв (рассматриваемой как критическая энергия), количество появляющихся электронных пар возрастало пропорционально квадрату атомного номера, или ядерного заряда облучаемого элемента. Как и нейтрон, позитрон оказался трудноуловимой частицей, поскольку он легко соединяется с электронами или с ядрами. Поэтому в свободном состоянии он менее долговечен, чем даже электрон.

    Считается, что соединение позитрона с электроном является результатом процесса, обратного тому, при котором позитрон был обнаружен, так как в зависимости от энергетических условий соотношение

γ-квант = e⁺ + е^-

имеет обратимый характер. Энергетический эквивалент массы электрона равен 0,5 Мэв, поэтому для сохранения импульса необходимо, чтобы электроны генерировались парами, чем и объясняется тот факт, что критическая энергия производящего электронные пары γ-излучения равна 1 Мэв. Этот процесс нередко называют материализацией фотона, хотя его скорее следовало бы назвать “электризацией” фотона. Если всё это соответствует действительности, то мы имеем дело с подлинной аннигиляцией массы, и наоборот, с её появлением из энергии. По мнению автора, применительно к рассмотренным явлениям данное предположение звучит весьма обоснованно.

    Создаётся впечатление, что современная физика с некоторым запозданием даёт должную оценку тем фундаментальным и революционизирующим выводам, которые можно сделать из этой двусторонней связи, существующей между фотоном большой энергии и электронной парой. Вероятно, виной тому — внесённая в науку путаница по вопросу о различии между квантом действия и квантом энергии (или импульсом). Однако посторонний наблюдатель, которому, как известно, видна практически полная картина, рассматривает это открытие как одно из наиболее убедительных достижений в области изучения природы света и установления взаимоотношения между электричеством, материей и энергией. Дело в том, что, исходя из приведённого выше утверждения о природе кванта действия, согласно которому соединение (или слияние) положительного и отрицательного электрических зарядов осуществить на практике невозможно, вполне естественно было бы считать (как и делают в наши дни), что фотон похож на двойную звезду, состоящую из двух равных противоположных электрических зарядов, которые вращаются вокруг своего общего центра притяжения. И опять-таки, как говорилось выше, это объясняется волнообразной природой частицы, поскольку построенная таким образом система окружена электромагнитной волной; которая неотступно следует за ней. Видимо, этим обстоятельством объясняется и то, что волна состоит из частиц, а не из распространяющихся сферически импульсов.

    Наблюдение за процессом расщепления вещества фотонами, обладающими высокой энергией, позволяет сделать важный вывод, заключающийся в том, что проникающая способность γ-излучения тяжёлых элементов, которая вначале увеличивается пропорционально росту энергии этого излучения и достигает максимума при энергии 3 Мэв (это является практически наивысшим значением для γ-излучения природных радиоэлементов) и затем идёт на убыль. Так, поглощение свинцом γ-излучения энергией 10 Мэв объясняется в основном данным процессом. Открытие этого эффекта сделало со временем недействительными многие предыдущие выводы о природе космического излучения.

    Нейтрон впервые наблюдали Боте и Беккер в 1930 г., причём произошло это при очень любопытных обстоятельствах. Учёные нашли, что при столкновении α-частиц полония с атомами лития, бора, и в особенности бериллия, возникает эффект, принятый ими вначале за γ-излучение с беспрецедентной для того времени прони-кающей способностью: для уменьшения интенсивности излучения в два раза требовался слой свинца толщиной 2,5 см. Однако, повторив этот опыт, супруги Жолио (дочь и зять супругов Кюри) установили, что это излучение легко поглощается такими содержащими водород веществами, как парафин и вода, и выбивает из них быстрые протоны с длиной пробега в воздухе 26 см и энергией 4,3 Мэв. Затем, в 1932 г., Джеймс Чедвик обнаружил, что при столкновении с этими протонами ядра лёгких элементов резко отскакивают назад, и, благодаря интенсивному выделению энергии, за ними можно наблюдать по оставляемым ими следам в камере Вильсона. Именно Чедвик первый пришёл к правильному выводу, согласно которому описанные выше эффекты вызываются не фотонами, а происходят благодаря выделению быстрых нейтронов.

    Открытию нейтрона благоприятствовало то, что полоний испускает только α-частицы с довольно невысокой скоростью и небольшой длиной пробега, и если бы в качестве источника излучения использовался какой-либо другой элемент, то наблюдаемый крайне незначительный эффект, вероятно, был бы перечеркнут вторичными эффектами, производимыми более мощными излучениями, и, таким образом, остался бы неоткрытым.

    На рис. 76 воспроизведён полученный профессором П.И. Ди снимок с помощью камеры Вильсона. Оставленные нейтронами следы начинаются “ниоткуда”, поскольку сам нейтрон даёт след только в том случае, если на своём пути он сталкивается с атомом, который, отлетая после столкновения, ионизует окружающий газ. На снимке видна картина столкновения ядра атома азота с невидимым нейтроном, в результате чего ядро азота распадается на атом бора (оставляющий короткий след) и атом гелия, или α-частицу, оставляющую длинный след. Этот процесс можно условно записать в внде: ¹⁴₇N(n, α) ¹¹₅В (подробное объяснение дано ниже в данной главе).

    Следует, однако, отметить, что еще за 12 лет до этого, в 1920 г., Резерфорд указал на возможность существования как нейтрона, так и дейтона и с замечательной точностью предсказал их вероятные свойства. Он предвидел, что нейтрон — это лишённое электронов ядро массой 1 и нулевым зарядом, способное, благодаря своей незаряженности, проникать сквозь вещество и внешнее электронное окружение атомов, а следовательно, и сквозь стенки закупоренных сосудов; по мнению Резерфорда, нейтрон либо легко соединяется с ядрами других элементов, либо разрушает их, либо сам расщепляется в их интенсивном поле, испуская протон или электрон, а то и оба сразу. Как показала жизнь, все эти предсказания соответствовали действительности и, более того, они явились ключом к осуществлению трансмутации в широких масштабах.

    И все же наряду с этим имеется одно немаловажное различие. Резерфорд считал, что по своему происхождению нейтрон представляет собой соединение протона с отрицательно заряженным электроном. В наши дни нейтрон считается элементарным протилом — мельчайшей составной частью всей материи, а под протоном принято понимать соединение нейтрона с позитроном. Такая точка зрения основывается на том, что масса нейтрона (1,009) больше массы протона и электрона, вместе взятых (соответственно 1,008 и 0,0005). В то же время, если придерживаться взглядов Резерфорда, то масса нейтрона должна уступать сумме масс протона и электрона, поскольку в таком случае происходило бы высвобождение энергии и потеря массы.

    Итак, только с открытием нейтрона и позитрона стало возможным правильно объяснить структуру ядра атома. Раньше, для того чтобы объяснить явление испускания радиоэлементами β-частиц, учёным приходилось исходить из предположения, что электрон, как и протон, является частью ядра. Вполне очевидно, что и таком случае масса М должна складываться из некоего количества протонов М, равного атомной массе, и — поскольку величина положительного заряда равна атомному номеру Z — из количества электронов, равного массовому числу минус атомный номер, т.е. М-Z. Получается, что у более тяжёлых элементов количество электронов значительно превышает чистый положительный заряд, выраженный атомным номером. Но поскольку ядро ничтожно мало и устойчиво, эта точка зрения никогда не внушала особого доверия.

    В наши дни не требуется предполагать, что в ядре вообще содержатся электроны. Ядро атома можно считать — и именно так оно и рассматривается — соединением протонов, равных по количеству атомному номеру Z, с таким количеством нейтронов, которое вместе с протонами составит атомную массу или массовое число М; число нейтронов равно разнице между двумя числами (М-Z). Для более тяжёлых элементов, по мере возрастания их массы, количество нейтронов всё больше превышает количество протонов. Отсюда можно сделать вывод, что (по арифметическим причинам) именно поэтому ядерное деление, при котором высвобождаются свободные нейтроны, сделало искусственную трансмутацию вещества практически используемой, в то время как обычное искусственное расщепление до сих пор удавалось осуществить лишь для отдельных атомов.

    Вместе с тем до сих пор подвергается сомнению правильность объяснения с этой точки зрения происхождения уже упоминавшихся выше β-частиц. Такое объяснение возможно, если предположить, что γ-квант, перед тем как покинуть ядро, претерпевает внезапное превращение, распадаясь на электрон (испускаемый как β-частица) и позитрон, который, соединяясь в ядре с нейтроном, образует протон. Однако существует и альтернативная точка зрения (выдвинутая теоретиком Г. Гамовым), согласно которой в ядре может существовать отрицательно заряженный протон — двойник известного ныне протона, находящийся к нему в таком же отношении, в каком позитрон находится к открытому ранее электрону. Данная гипотеза имеет некоторые преимущества, однако отрицательный протон пока ещё никому не удалось открыть.

    Может показаться, что автор слишком подробно остановился на чрезвычайно простых идеях, и всё же читателю следует набраться терпения, поскольку их правильное восприятие значительно облегчит последующее рассмотрение современных взглядов на природу ядра.

    Тем не менее открытие изотопов наряду с формулировкой Эйнштейном принципа эквивалентности массы и энергии, а также экспериментальной проверкой этой эквивалентности, которой мы обязаны гению Астона, положили неожиданно конец такого рода продвижению в обратном направлении. Открытие нейтрона и позитрона в 1932 г., принимая во внимание открытый ещё в 1897 г. Томсоном электрон, выявило три элементарные частицы (одну для вещества и две для электричества противоположных знаков), из которых можно было наконец соорудить каркас реального физического мира. На месте устрашающей сложности внезапно возникла замечательная по своей достоверности простота, а ядра, эта святая святых, казавшиеся непостижимой тайной, можно было представить теперь не в виде жидких капель, а состоящими из некоторого количества нейтронов, по большей своей части свободных и в несколько меньшем числе соединённых с позитронами (при этом образуются протоны). Динамика поведения этих ядер под воздействием внешней бомбардировки находила себе аналогию в детской игре мраморными шариками, когда один шарик направлялся в сомкнутый ряд других, вызывая движение с такой же скоростью шарика, находящегося в другом конце ряда.

    Вот мы и пришли к концу рассказа об истории освоения атомной энергии, — впрочем, конечно, лишь настолько, насколько сейчас можно судить о ней по печатным источникам и реальным вкладам в фундаментальное естествознание. Нам бы хотелось, чтобы эта книга помогла широкому кругу читателей проследить происхождение многочисленных новых идей и открытий в ядерной физике, ибо мы уверены, что современное состояние этой сложной науки нельзя понять, не зная её истории. Вместе с тем мы живём теперь в столь новом физическом мире, что всякие аналогии (за исключением лишь самых общих) являются опасными советчиками.

    Тем не менее автору кажется необходимым выразить собственное критическое мнение как в отношении развития теории радиоактивного распада (и тесно с ней связанного освоения атомной энергии человеческим гением), так и в отношении того, какой длинный путь, видимо, должен ещё быть пройден, прежде чем станет возможным экономически выгодное применение атомной энергии в мирных целях.

    Очевидно, пора рассмотреть чрезвычайно важную для общественной жизни проблему, связанную с новыми достижениями в ядерной физике, — проблему ответственности науки в целом и каждого отдельного учёного перед всем человечеством. Естественно, здесь автор хотел бы выразить собственные взгляды на эту проблему. Однако не вина автора, что его взгляды в этой области остаются неизвестными, так как со времени первой мировой войны, т. е. в течение последних 25 лет, он практически был единственный, кто уделял серьёзное внимание процессу дегуманизации науки и, насколько это было возможно в те дни для человека, никем не поддерживаемого, делал всё от него зависящее, чтобы его взгляды стали известны широкой общественности. Впрочем эти взгляды, как и предложенные тогда рецепты, остаются неизменными.

    Как известно, легко нажитый капитал используется прежде всего с корыстными целями и поэтому пагубно влияет на всю систему распределения товаров. Именно здесь, а отнюдь не в расширившихся возможностях производства и прогрессе в науке автор видит корень зла. Недаром крылатая фраза о том, что современный век науки — это “нищета среди изобилия”, является весьма точной характеристикой нашей эпохи. Однако общество никогда не стремилось понять причины создавшейся ситуации. Ныне каждого волнует лишь одно: как бы не отстать от большинства, не оказаться белой вороной. Однако фактически мнение большинства едва ли оказывает хоть какое-нибудь влияние на ход дальнейших событий, — теперь ещё в меньшей степени, чем раньше.

    В этой заключительной главе автор, конечно, говорит лишь от своего лица, совершенно пренебрегая официальной точкой зрения. Что касается военного аспекта проблемы, то здесь автор исходит лишь из опубликованных материалов. Условия секретности, навязанные тем, кто непосредственно отвечает за успех ведущейся в военных целях работы, препятствуют объединению интеллектуальных усилий учёных. Но даже если бы такое общее мнение учёных и сформировалось, оно не имело бы особой ценности. Дело в том, что атомная энергия, кажется, становится ещё одной политической приманкой, которая позволяет народам Земли питать совершенно необоснованные надежды.

    По мнению автора, пока ещё рано делать главные выводы. Имеющиеся достижения не позволяют думать, что чисто научная проблема уже настолько решена, чтобы стать делом прошлого. Разрушать всегда легче, чем сооружать. Это положение особенно справедливо для недавно завоёванных наукой областей знания. Теперь всем очевидно, что если не предотвратить применение атомного оружия, то оно погубит всё то, что мы зовём цивилизацией. Ведь даже если кто-то и останется в живых, то это будут жалкие группки людей, обречённых на плачевное существование, поддерживаемое, по-видимому, примитивным земледелием. Очевидно, что в таком случае на смену науке пришёл бы примитивизм. И всё же нет уверенности, что современный уровень знания обеспечивает нашему типу цивилизации быстрое и свободное развитие. Пока наши знания не перешагнули грани чисто научных поисков, и мы не можем надеяться, что все наши прогнозы (в области техники) оправдаются.

    Нам кажется, что ближайшей целью в современных условиях является создание такого комитета учёных, который пользовался бы международным авторитетом и мог бы, благодаря этому, направлять всю деятельность науки. В древней цивилизации Египта наука была привилегией правящей верхушки, и только особы царской крови имели право ею заниматься. В Древней Греции (по крайней мере, в ранний период её истории, т. е. до того, как Платон и Аристотель ввели иную традицию, просуществовавшую целых два тысячелетия) наука была неотделимой частью культуры и философского знания и, как часть единого целого, служила познанию человека. За четыре века последовательных открытий естественных законов Вселенной сделано ничтожно мало для прежнего воссоединения науки и философии.

    Действительно, нельзя не противопоставлять земной здравый смысл дохристианской эры с его религиозным восприятием природы и чувством инстинктивного преклонения перед её грозными силами пассивному и одностороннему взгляду нынешних религиозных сектантов на возможность “конца света”, теперь так остро волнующую всё мыслящее человечество. Церковные деятели хотя и выдвигают девиз “нужно сначала решить главные проблемы”, на практике обращаются к этим острым проблемам лишь в последнюю очередь. Это должно предостеречь учёного-физика, пытающегося уйти от относительной конкретности его собственного материального мира. Ведь на самом деле призывы, кажущиеся результатом мудрого и глубокого знания, часто всего лишь следствие упрямой решимости напуганного человеческого ума перевернуть мир фактов и объективной реальности, назвать чёрное белым и уйти от раздражающих вопросов в собственный мир фантазий и иллюзий.

    Во время шести страшных лет второй мировой войны (когда ещё не было атомной бомбы, а оружие массового поражения доставлялось авиацией) уже стало, очевидно, как огромен масштаб разрушений по сравнению с ничтожно низкими темпами восстановления. Тем более странно, что эта война, как кажется, лишь способствовала распространению ложного мнения, что якобы этот могущественный потенциал мог бы преобразовать весь мир, если его направить в истинное русло. На самом деле эта точка зрения чревата для мира новыми несчастьями, и, пока не поздно, с нею следует решительно бороться, даже если и знать, что никогда не грянет новая война. Мир, каким он предстает перед нами, уже столкнулся с истощением ресурсов — как топливных, так и пищевых. Прошлый век мог бы служить итогом всего тысячелетия, но этой возможности нас недемократично лишили, а всё остальное — от первого свистка парового двигателя и до мошеннического распределения нечестно нажитых денег и других трюков правительств (на уровне карточных шулеров!) — необратимо вело к войнам и революциям. Теперь, кажется, все понимают, что именно этим неприглядным действиям правительств народы мира обязаны жестокими последствиями.

    Как знает каждый учёный, людей провести легко, но природу обмануть невозможно. Поэтому для того, чтобы защитить учёных от растрачивания своих способностей и талантов на изобретение и усовершенствование средств разрушения в военных целях, в не меньшей мере необходимо, чтобы моралисты и церковные деятели переосмыслили понятие истины так, как её осознавали древние греки и люди науки, применяя её не только к мистическим и трансцендентальным сферам, но и к миру физических величин. Ведь в наши дни наказание за оскорбление божества мирового благополучия — это гораздо более всеобъемлющая катастрофа, чем все те муки ада, которые раньше обещали грешникам за семь смертных грехов. Если этика и религия собираются не препятствовать делу усовершенствования мира, а участвовать по мере своих возможностей в этом процессе, наряду с усилиями экономистов и физиков, то в таком случае им предстоит многое перенять у людей науки, в частности научиться уважать законы природы и следовать им, а не рассматривать эти законы как своих врагов. Им следовало бы также серьёзно задуматься над тем, действительно ли их собственные занятия столь недосягаемо значимы по сравнению с более мирскими и “низменными” принципами энергии и вещества, благодаря которым люди живут, двигаются и вообще существуют. Как удачно выразился один известный немецкий химик: “Без фосфора нет мысли!”

* The Interpretation of Radium. By P. Soddy London, John Murray, 1909. See chapter XI.

** Ниже в книге всюду будет использован традиционный термин электрон. Термин “негатрон” не прижился в науке. — Прим. ред.

Дата установки: 14.07.2009
Последнее обновление: 13.10.2009
[вернуться к содержанию сайта]

W