Шрифт:
Закладка:
Представление об атомах как о маленьких неделимых шариках пришлось заменить более сложным. Нормальный атом с атомным номером Z состоит из крохотного ядра (диаметром порядка 10–13 см), окруженного свитой из Z электронов. Электрон несет наименьший возможный заряд отрицательного электричества. Заряд Z электронов уравновешивает такой же по величине, но положительный заряд ядра. Если такой нейтральный атом потеряет один-два электрона, он приобретает единичный или двойной положительный электрический заряд, становясь положительным ионом, а если ему удается завлечь в свою свиту лишний электрон, то, получив этим единичный отрицательный заряд, он становится отрицательным ионом. Так, нейтральный атом водорода имеет один электрон, атом гелия — 2 электрона и т. д. Масса электронов составляет 0,000544 массы атома (практически — массы ядра) водорода, и 1836 штучек их надо было бы насыпать на чашку весов, чтобы уравновесить одно водородное ядро. Потеря электронов мало влияет на массу атомов.
Рис. 192. Условная схема строения ядер атомов гелия и лития. Белые кружки — протоны, черные — нейтроны
Химик, имея дело, скажем, с водородом или азотом, обозначает их Н и N. Физик различает их изотопы, отличающиеся по масое, и обозначает их Н1 и Н2, N14 и N15, ставя справа вверху химического символа атомный вес А. Имея при этом в виду ядра атомов, он ставит еще внизу слева их атомный номер, например 1H1, 1H2, 7N14 и 7N15, электроны же обозначает е-.
С 1932 г. в атомной физике пошло одно за другим открытие новых частиц, начиная с нейтрона, примерно равного по массе ядру водорода (названному протоном — «простейшим»), но лишенного электрического заряда.
«Простейший» оказался, однако, не так-то прост, и механически построить из него ядра других атомов оказалось невозможно даже в теории. Действительно, если бы ядро атома с массой А состояло попросту из А протонов, то его заряд Z равнялся бы А, тогда как на деле А всегда больше, чем Z (кроме как для самого водорода). Обычно А примерно вдвое превосходит Z. На самом деле оказалось, как это показали советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гайзенберг, что ядро атома состоит из Z протонов и А — Z нейтронов, тогда его заряд равен Z единиц, а атомный вес равен Z+(A-Z)=A.
Черное противоположно белому, светлое — темному, и в пару к отрицательному по заряду электрону была открыта такая же по массе частичка с таким же по величине, но положительным зарядом. Ее назвали позитроном. Позитрон скрывался до сих пор от нашего взора, пользуясь тем, что его жизнь недолговечна. В земных условиях уже через миллионную долю секунды он встречается с электроном, и… они оба превращаются в два фотона.
При химических реакциях атомы вступают в связь, оставаясь внутри молекулы неизмененными. При атомных или ядерных реакциях ядра атомов перестраиваются сами и дают новый атом с совершенно новыми химическими свойствами.
Химические реакции выражают формулами вида
2С+О2->2СО.
Это означает, что два независимых друг от друга атома углерода, соединившись с молекулой кислорода, состоящей из двух его атомов, дают в результате две молекулы окиси углерода, обозначаемой СО.
Сходные обозначения применяются для описания ядерных реакций.
Алхимики прежних времен долго искали «философский камень» — способ превращать в золото малоценные металлы. Их труды были тщетны, их мечты не сбылись, атомы не желали в их руках превращаться друг в друга, но в XX зеке наука обнаружила, что с некоторыми атомами эти «чудеса» происходят сами по себе, только золота при этом не получается. Так, например, атомы радиоактивных элементов урана и тория испытывают длинный ряд превращений в другие атомы. Эти необыкновенные превращения атомов урана и тория сопровождаются выбрасыванием из их недр ядер более легкого вещества — гелия и возникновением электронов и очень коротковолновых «жестких» (с малой длиной волны) электромагнитных лучей, называемых γ-лучами. В конце концов уран и торий превращаются в свинец.
Ядра атомов гелия или α-частицы (летящие со скоростью около 20 000 км/сек) оказались теми снарядами, которыми ученые смогли разрушить ядра некоторых других атомов и вскрыть для нас их природу. Налетая с большой скоростью на них, α-частицы разбивали эти ядра и образовывали из осколков новые химические элементы. Для этого надо было эти α-частицы добыть и направить в нужное место. Так английский физик Резерфорд в 1919 г. осуществил мечту алхимиков об искусственном превращении элементов.
Столкнув ядро гелия 2Не4 с ядром азота 7N14, ему удалось превратить их в два других ядра: водорода и кислорода, правда, в форме редкого изотопа с атомным весом 17. Но ведь от этого, как мы уже знаем, кислород не перестает быть кислородом!
Это чудесное превращение можно записать формулой
7N14+2H4->8O17+1H1.
Обратите внимание, что суммы значков как верхних, так и нижних в правой и левой частях этого уравнения равны.
Альфа-частицы поставляются радиоактивными атомами, но еще более «бронебойные», лучше сказать, «ядернобойные» снаряды получаются от искусственно получаемых и разгоняемых протонов и ядер тяжелого водорода (дейтронов).
Для этой цели служат мощные ускорительные установки: циклотроны, линейные ускорители, синхроциклотроны, бетатроны, синхрофазотроны. С их помощью протоны, дейтроны и электроны разгоняются до огромных энергий, сравнимых с энергией космических лучей.
Нейтроны, не имеющие заряда и не отталкиваемые ядрами, еще лучше проникают в их недра и действуют еще разрушительнее. Пригодны для этой цели и «жесткие» γ-лучи
За последние годы было искусственно произведено множество ядерных реакций. Из них особый интерес представили те, которые привели к новым радиоактивным ядрам. Новые ядра оказались крайне неустойчивыми, распадающимися уже самопроизвольно (т. е. без всякого внешнего воздействия, под влиянием внутренних причин)
