Масса атомов. Дальтон. Атомная теория - Enrique Alvarez

Когда Менделеев работал над своей таблицей, было известно 63 элемента. Ученый оставил пустыми многие ячейки, чтобы когда-нибудь вписать в них еще не открытые элементы, которые "должны существовать". Такой важный элемент, как гелий, был открыт только в 1895 году, но о его существовании было известно и раньше благодаря методу спектроскопии: во время солнечного затмения 1868 года француз Пьер Жансен заметил яркую желтую линию и предположил, что она соответствует новому элементу, который был назван гелием (от Гелиоса — бога Солнца). Сегодня общее число элементов составляет 118, хотя последние из них являются синтезированными, начиная с элемента 104, названного резерфордием. Три последних элемента — ливерморий (116), унисептий (117) и унуноктий (118), предположительно инертный газ с атомной массой 294. С 2002 года было получено всего четыре атома этого элемента.

Таким образом, все вещества найдены. Или почти все. Признанные физико-химические лаборатории не прекращают поиск, поскольку никто не знает, где лежит предел.

На пороге XX века произошло самое удивительное событие, связанное с атомами. Состоялось оно в Париже в 1896 году: Анри Беккерель (1852-1908) случайно открыл радиоактивность. Он поместил соль урана на фотографическую пластину, завернутую в бумагу, и увидел, что та почернела, словно подверглась воздействию солнечного света. За это случайное открытие в 1903 году он был удостоен Нобелевской премии по физике вместе с четой Кюри. Беккерель разделил открытие со своей юной польской ученицей Марией Кюри (1867-1934), которая вместе с мужем Пьером показала, что это явление наблюдается и в других веществах, содержащих уран или торий, а также в двух других открытых ею элементах — полонии и радии. Мария Кюри обнаружила, что эти руды и их составляющие постоянно высвобождают огромное количество энергии, не меняя заметным образом ни размера, ни массы. Кюри не знала (это откроет Эйнштейн несколькими годами позже), что масса превращается в энергию. Открытие естественной радиоактивности опровергло один из главных постулатов Дальтона, утверждавшего, что атомы неизменны. Нет, они меняются, по крайней мере некоторые из них.

Открытие естественной радиоактивности восходит к 1896 году, когда Анри Беккерель выявил, что соли урана, а именно K2UO(SO4)2, оставляют следы на фотографических пластинах. Он предположил, что излучение, похожее на излучение Х-лучей, открытых Рентгеном, происходит от этих солей. Беккерель предложил своим коллегам изучить необычное явление. Пьер и Мария Кюри открыли, что уран — не единственный элемент, обладающий радиоактивными свойствами. Им удалось выделить из уранинита вещества с подобными свойствами — торий, полоний и, наконец, радий. Изотопы этих элементов неустойчивы и испускают альфа-частицы, или ядра гелия, как открыл позже Эрнест Резерфорд. Самый распространенный и самый неустойчивый элемент — ураний-238 — самопроизвольно испускает альфа-частицы, пока не стабилизируется, перейдя в свинец-206. Он проходит через несколько промежуточных состояний и через несколько веществ (количеством до 18); этот процесс называется цепочкой мерного распада.

Спустя несколько лет было открыто, что другой изотоп, U-235, может распадаться на две или три части под действием тепловых нейтронов, которые производят большое количество энергии. Эго открытие легло в основу разработки ядерных реакторов и бомб. В качестве примера ядерного превращения мы можем привести изотоп U-238. При поглощении нейтрона (U-239) он испускает бета-излучение и образует Np-239 и Pu-239. Последний содержался в первой атомной бомбе, испытанной в штате Нью-Мексико в 1945 году. Естественная, а позднее и искусственная радиоактивность, полученная в результате бомбардировки атомных ядер нейтронами или ядрами гелия, представляет собой исключение из правила неделимости и неизменности атомов, провозглашенного Дальтоном.

Этот сын столяра и английской учительницы с юности поражал блестящими успехами в науках, с одной стороны, и физической силой — с другой. Резерфорд решил побороться за единственную стипендию, которая в то время предоставлялась для изучения математики. Оказавшись в Великобритании, он продолжил занятия в лаборатории Кавендиша в Кембридже вместе с наставником Джозефом Томсоном, который открыл электрон. Через три года Резерфорд получил кафедру в Мак- Гиллском университете Монреаля, в Канаде. Там он сконцентрировал исследования на радиоактивности Беккереля и Кюри и обнаружил два типа радиации — обладающие менее и более проникающей способностью (альфа- и бета- соответственно). Вместе со своим учеником, юным химиком Фредериком Содди (1877-1956), он выяснил, что радиация урана и тория сопровождается распадом атома. Это открытие взволновало все научное сообщество: атомы могут делиться! Резерфорд установил, что во время ядерного распада выделяется примерно в 100 тысяч раз больше тепловой энергии, чем при соответствующей химической реакции. Он заявил, что Солнце — это ядерная печь.

В 1907 году ученый вернулся в Великобританию, в Манчестер, где работал вместе в Гансом Гейгером (и стал членом Lit & Phil). Вместе с Гейгером они изобрели счетчик альфа-частиц, который позволил установить число Авогадро. В 1908 году Резерфорд уже знал, что альфа-частицы являются ядрами гелия, и осуществил бомбардировку этими ядрами листа золотой фольги. Некоторые частицы отклонились от предполагаемой траектории более чем на 90 градусов. Так ученый нашел атомное ядро. В результате бомбардировки атомов азота он открыл протон. По возвращении в Кембридж, где Резерфорд занял место своего бывшего учителя Томсона, он руководил работами Чедвика, открывшего нейтрон, Нильса Бора и Роберта Оппенгеймера. Резерфорд был учителем девяти нобелевских лауреатов и получил бесконечное количество наград, среди которых — первая в истории Нобелевская премия по химии 1908 года. Он похоронен рядом с Исааком Ньютоном и лордом Кельвином в Вестминстерском аббатстве.

Открытие супругов Кюри вызвало любопытство других ученых, и самым гениальным среди них был Эрнест Резерфорд, родившийся в Новой Зеландии, но очень скоро перебравшийся в Кембридж. Он работал в знаменитой лаборатории Кавендиша с 1895 годавместес Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), которому мы обязаны открытием электрона. Резерфорд получил известность благодаря изучению Х-лучей, или ионизированных лучей, открытых в 1895 году физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном при помощи трубки Крукса, а с помощью этих лучей практически сразу же был открыт электрон. Также он изучал влияние рентгеновских лучей на газы: Резерфорд и Томсон открыли, что эти лучи можно ионизировать, испуская положительные и отрицательные частицы, которые соединяются в нейтральный атом. Кафедра в университете Монреаля была предложена Резерфорду, когда ему было всего 27 лет (1898). В Канаде он познакомился с Фредериком Содди, и вместе ученые доказали, что радиоактивные элементы, каталогизированные Пьером и Марией Кюри, способны трансформироваться, испуская при этом разное излучение. Атом урана мог превращаться в атом свинца или родия, который мог произвести атом гелия. Так физика опровергла еще один постулат Джона Дальтона: некоторые атомы способны к трансформации. Другими словами, алхимия была не такой уж и химерой. Однако эти алхимические превращения были опасны для тех, кто ими занимался. Губительное воздействие радиации на человеческий организм теперь известно. Мария Кюри умерла от лейкемии в 1934 году, через три года после того, как подверглась большим дозам облучения. Радиация сохраняется так долго, что личные вещи, книги и документы Пьера и Марии Кюри все еще хранятся в свинцовых ящиках.

Менделеев открыл периодичность атомных элементов, основываясь на их сходстве, но он не знал причин этого сходства. Ученый классифицировал элементы просто на основе их подобия. Чтобы объяснить это явление, одной химии было недостаточно, нужно было обратиться к физике, а конкретнее — к электричеству, которое оставалось таинственной областью.

Начало исследованиям в этой области положил современник Дальтона Майкл Фарадей, драгоценный ассистент сэра Гемфри Дэви, который после смерти последнего занял его пост в Лондонском королевском обществе. Несмотря на то что Фарадей был не очень силен в математике, он обладал огромной фантазией и легко придумывал невероятные опыты. Например, он решил пропустить электрический заряд через пустоту и посмотреть, что произойдет. Но ничего не произошло, поскольку его пустой сосуд был недостаточно хорош, в отличие от сосуда немецкого физика Генриха Гейсслера (1814-1879), который в 1854 году обнаружил любопытную зеленую вспышку в положительном электроде, или аноде. Поскольку сосуд был пуст, с отрицательным анодом, или катодом, тоже должно было что-то происходить. Чуть позже, в 1876 году, немец Ойген Гольдштейн предположил, что это взаимодействие, происходящее между отдаленными друг от друга электродами, есть не что иное, как "излучение катодных лучей".