close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

958

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
НАУКА
Д о ц . Н. В. В Е Т Л У Г И Н
Энергия атоМ
Все то, что до сих пор было написано в пе­
риодических изданиях по поводу
атомной
энергии и ее использования или требует от
читателей специальной подготовки (статьи в
специальных и научных изданиях), или зна­
комит читателей с существом вопроса очень
поверхностно, внешне (статьи в газетах и в
«иллюстрированных журналах»).
Помещая в журнале очерк доц. Н. В. Ветлугина «Энергия атомного ядра», редакция
удовлетворяет, к а к ей кажется, давно н а з ­
ревшую потребность широких кругов читаю­
щей публики иметь научно-популярное ос­
вещение злободневной и нашумевшей темы с
полнотой и всесторонностью, возможной в
рамках журнальных статей.
Очерк доц. Н. В. Ветлугииа разделен, в в и ­
ду значительности его об'ема, на две статьи.
Печатаемая в этом номере журнала первая
статья вводит читателей в тему; центральное
же содержание темы освещено во второй
статье.
Автор сопровождает свои статьи много­
численными и иногда пространными приме­
чаниями, главным образом с целью достиг­
нуть предельной ясности изложения и дать
возможность читателям не обращаться за от­
ветами на возникающие при чтении вопросы
к дополнительным источникам.
Редакция.
Методические исследования природы атома привели
к открытиям, сделавшими необходимой ревизию неко­
торых казавшихся прежде незыблемыми
положений
ф и з и к и и вызвавшими многолетний кризис науки. От­
крытия эти потрясли устои классической механики, з а ­
ложенные Г а л и л е е м и затем утвержденные и у к ­
репленные гением Н ь ю т о н а .
На основе исследования атома изменился взгляд на
материю и энергию.
В разное время со словом «материя»
связывались
различные понятия. Опуская имеющие теперь
только
исторический интерес представления о материи, укажем
лишь на те взгляды, которые еще пользуются призна­
нием.
Одно из наиболее распространенных и присущих
механическому мировоззрению — гилокинетическое п о ­
нимание материи, к а к движущейся массы, причем масса
определяется как механическая величина, характеризу­
ющая величину ускорения, сообщаемого телу
данной
силой, или, иначе, меру инертности данного тела, т. е.
меру сопротивления данного тела действующим на него
силам. При таком понимании материи одним из ее атри­
бутов, наряду с протяженностью, весомостью и др., я в ­
ляется энергия.
В широко популярном значении слова под материей
понимается нечто, из чего состоят тела, наполняющие про­
странство Вселенной, а под энергией — присущее ма­
терии свойство производить работу.
В интересах дальнейшего изложения полезно при­
вести еще характеристику понятия материи,
которого
придерживаются современные материалисты-диалекти­
ки: материя есть об'ективная реальность, существующая
помимо нашего сознания и влияющая на наши органы
чувств; основным свойством материи является движе­
ние, в результате заложенных внутри ее противополож­
ностей, т. е. самодвижение; это самодвижение приводит
к существований) различных форм материи; различ-ные
формы материи суть разные формы ее движения; мате­
рия немыслима без понятия времени и пространства,
т а к ж е к а к время и пространство немыслимы без мате­
рии.
Заметим, что в этом определении энергия- понимает­
ся тоже к а к свойство материи.
Н О Г О
я д
р
а
Совершенно противоположный взгляд на энергию
имеют представители энергетического мировоззрения,
для которых идея энергии вытекает из способности од­
ного явления превращаться в другое и которые, считая
основой всего сущего энергию, видят в материи только
место обнаруживания энергии.').
Работы физиков-атомистов позволяют теперь счи­
тать почти достоверной гипотезу о том, что материя и
эгнергия — проявления одной и той же субстанции,'') что
мир построен из единой сущности, которая не является
ни материей, ни энергией в прежнем понимании. Если
эта сущность находится в сгущенном состоянии, в силь­
но концентрированном виде, то мы воспринимаем ее в
образе того, что до сих пор назьшалось материей; если
та ж е сущность переходит в чрезвычайно разреженное
состояние, мы воспринимаем ее к а к то, что до сих пор
называлось энергией.^). Оказалось также, что материя
может «дематериализоваться», т. е. перестать. быть са­
мой собой, к а к бы «исчезать» и, наоборот, может «тво­
риться».').
Грандиозность проблем атома вызвала
появление
специальных научных учреждений, занимающихся изу­
чением строения материи, заставила десятки выдающих­
ся ученых посвятить себя только этой области, и, нако­
нец, стала причиной возникновения новой отрасли нау­
ки, — атомной физики, физики атомного ядра.
Атомная физика развивалась необычайно быстро и
успешно; итоги ее современного развития
произвели
полный переворот в системе наших представлений о
природе и ее явлениях, внесли коренные изменения в
наше мировоззрение, во взгляды на мироздание.
Важнейшей причиной успешного развития атомной
физики^ явилось бескорыстное стремление ученых к ч и ­
стому знанию, т. е. к знанию ради него самого, желание
достижения истины.
А в этом отношении изучение атома сулило много
заманчивого. Природа атома, его, так сказать, жизнь
лежала за пределами нашего познания. Атом в опре­
деленном смысле представлял собою кантонскую «вещь
в себе». Известно, что знаменитый философ Иммануил
К а н т , утверждал непознаваемость так называемого
ноуменального мира, — мира предметов самих по себе.
Кант учил, что все предметы, вещи, воздействуя на на­
ши чувства (зрение, слух, обояние, осязание, вкус), в ы ­
зывают в нас соответствующие представления, которые,
однако, почти всегда не адэхватны^) подлинной действи')Лротивопоставление материи и энергии нашло отраже­
ние в философии, в форме возникновения двух антаго­
нистических философских систем: материалистической
и идеалистической.
Материалистические
философские
школы основой всего сущего считают материю и ут­
верждают ее при.мат над духом, рассматривая последний
как проявление материи. Энергетический взгляд на ма­
терию согласуется с идеализмом в философии и особен­
но со спиритуализмом — направлением
метафизики,
представители которого признают единственной р е а л ь ­
ностью душу и видят в теле лишь феномен или продукт
души.
-) Субстанция (лат. substantia) — неизменная основа сме­
няющихся явлений; носитель качеств; сам по себе су­
ществующий предмет; основное начало, основание.
')Мысль о том, что материя и энергия — разные состо­
яния одной и той же сущности была высказана в 1905
году творцом теории относительности проф. Э й н ш т е й ­
н о м . Одновременно Эйнштейн указал, что количество
энергии (Е), в которую может обратиться масса ( т ) к а ­
кого-нибудь тела или материальной системы, выражает­
ся формулой Е = тс^, где с — скорость света в пустоте
300000 км/сек.
*)Об этом более подробно говорится ниже.
^)Адэкватный (лат. aequus) — соответствующий, равный.
Представление адэкватно, если оно соответствует пред­
мету, объекту.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
48
ГРАНИ
тельности, т. е. не соответствуют тому, что предметы, в е ­
щ и в действительности собою представляют. Кант ввел
понятие «вещи в себе» (Das D i n ^ an sich) или, в более
правильном переводе на русский язык, «вещи самой по
себе», — вехци как она существует, независимо от чув­
ственных восприятий познающего субъекта. Кант объя­
вил, что к области нашей познавательной способности от­
носится только мир явлений, или, как on выразился, мир
феноменов, т. е. мир, о котором м ы составляем суждение
на основе наших ощущений, в результате чувственного
опыта. Что ж е такое «вещь в себе», т. е. действительная
сущность вещей, — мы познать не можем.
Сейчас мы вправе отрицать принципиальную н е познаваемо'сть «ноуменального мира». У ж е первые ис­
следования атома дали основания считать, что челове­
чество на пути к этому хотя бы частичному познанию,
что исследование атома позволит рано или поздно при­
поднять покров таинственности, которым окутана «вещь
в себе».
Второй причиной чрезвычайно быстрого развития
физики атома надо считать стремление людей исполь­
зовать научные достижения для удовлетворения своих
практических, жизненных потребностей.
Общеизвестно, что до настоящего времени основным
источником энергии являются химические процессы го­
рения различных сортов так называемого топлива; тор­
фа, различных видов ископаемого угля (бурый уголь,
каменный уголь, антрацит), нефти, дров, горючих слан­
цев и др. Запасы топлива ограничены, и не за горами то
время, когда они иссякнут. Общее количество энергии,
получаемое из других источников (энергия ветра, энер­
гия падающей и текущей воды), сравнительно невелико
и не может удовлетворить потребности людей. Попытки
предотвратить грядуац'Ю катастрофу — недостаточность
энергетических ресурсов — вылились в интересные в
теоретическом отношении, но практически мало знача­
щие, проекты использования энергии морских приливов
и отливов, энергии солнца и др.
После того, как исследователи щзишли, казалось бы,
к тупику в своих поисках новых источников энергии,
физикам удалось установить, что атом всякого вещества,
вернее ядро атома, несмотря на его ультрамалые разме­
ры, является «сгустком» огромного количества энергии.
Найдено было, что 1 грамм материи эквивалентен
22000000000 больших калорий теплоты, а английсгат. ф и зик Э с т о н , например, подсчитал, что энергии, заклю­
ченной в 500 граммах любого вещества, достаточно для
того, чтобы дать возможность пароходу в 30000 тонн в о ­
доизмещения дважды пересечь Атлантический океан на
пути из Европы в Америку, со скоростью 25 узлов") в
час. Было над чем задуматься и поработать! И естест­
венно, что использование энергии ядра атома, запасы
которой неисчерпаемы, стало практической проблемой
атомной физики.
Сравнительно еще недавно, за несколько лет до на­
чала войны, исследования атомистов не выходили за
стены лабораторий." Практические результаты этих ис­
следований, несмотря на актуальность
энергетической
проблемы, сказались бы, может быть, еще не скоро, ес­
ли бы не вторая мировая война и решавшаяся в связи
с ней всеми странами задача создания ноаых военнотехнических средств.
Атомная бомба, примененная американцами против
Японии и сломившая сопротивление последней из дер­
ж а в пресловутой «Оси», явилась той %)ормой, в которую
вылилось первое практическое осуществление идеи ос­
вобождения связанной и сконцентрированной в ядре
атома энергии.').
*
В интересах тех читателей, которые хотят получить
достаточно обстоятельные Систематизированные
сведе­
ния, связанные с темой настоящей статьи, необходимо
обратиться к истории вопроса и проследить развитие мы­
сли и деятельности многочисленных исследователей при­
роды вещей. Не изложить главных положений учения о
строении вещества, не охарактеризовать эволюции этого
учения и не осветить, хотя бы поверхностно, тот бога­
тейший материал, который получен и непрерывно по­
лучается исследователями атома — значит несерьезно
подойти к статье и наверняка сделать ее плохо воспри­
нимаемой. Кроме того нельзя забывать, что дело не
только в сенсационном применении ядерной энергии и в
разработке методики этого применения: в сфере инте­
ресов образованного человека должны находиться так­
ж е все те открытия и проблемы атомной физики, кото­
рые имеют глубокий философский смысл, существенней­
шее значение для содержания наших представлений о
мире и даже влияют на этические нормы людей.
*
Вопросы мироздгщия занимали умы многих у ж е в те
времена, когда только брезжил рассвет культурного р а з ­
вития человечества.
Первые попытки об'яснить к а к устроен мир сделали
родоначальники современного научного знания — древ­
ние греки. Суждений и мнений было высказано много,
причем большинство их, несмотря на различие по содер­
жанию, было материалистического толка. Можно у к а ­
зать, например, на учение А н а к с и м е н а из Милета и
его единомышленников и последователей (500 годы до
Р. X.), утверждавших, что все сущее образуют четыре
стихии: воздух, вода, огонь и земля, причем три послед­
них сами образуются из воздуха. Чрезвычайно ценивший­
ся древними А н а к с а г о р представлял, что мир по­
строен из бесчисленного мхюжества бесконечно малых и
разнообразных по качеству частичек, сочетание коих
создают конечные предметы, вещи с их индивидуальны­
ми качествами. Эти частички Анаксагор называл гомойомериями.
Среди различных толкователей природы выделились
атомисты. Родоначальниками атомистики были Л е в к и п п и его ученик Д е м о к р и т , современник
Сок­
р а т а . Атомисты считали, что мир произошел из соче­
таний материальных частичек, которые наполняют п у ­
стоту, двигаются в ней прямолинейно и, соединяясь, об­
разуют различные предметы. Эти частицы рассматрива­
лись к а к неделимые и гютому были названы атомами.").
От гомойомерий Анаксагора атомы отличались тем, что
они считались одинаковыми по качеству и различными
по форме, величине и взаимному расположению.
Несмотря на то, что учение атомистов имело не ма­
ло слабых пунктов, носило теоретический характер и не
допускало в то время обективной проверки, атомистская
школа была очень популярна и многими поддержива­
лась. В Греции учение Левкиппа и Демокрита развивали
и распространяли Н е с с , А н а к с а р к ,
Гиппокрит
и Э п и к у р — создатель
знаменитой
философской
школы в Афинах, названной его именем. В Риме пред­
ставителем атомистики был Лукреций K a p p , римский
всадник, оставивший сочинение в стихах „De rerum na­
tura" „О природе вещей", являвшееся талантливым и з ­
ложением эпикурейской философии. В Индии атомистов
представил К а н а д а , автор индусской философской
системы Вайсешика.
Учение атомистов не заглохло на протяжении в е ­
ков, расцвело в X V I I веке в системе французского ф и л о ­
софа Петра Г а с с е н д и") и чрезвычайно укрепилось
французскими материалистами в X V I I I столетии.
В X I X веке атомизм вылился из философской си­
стемы в стройные формы физико-химической атомномолекулярной теории.
•^^Узел приблизительно равен 1,85 километра.
•)Нельзя не отметить, как любопытный Парадокс, что
военные потрясения, являясь фактором, неизбежно тор­
мозящим многие стороны духовной культуры, в боль­
шинстве случаев содействуют развитию науки. При этом
рожденные в огне войны и осуществленные вначале как
средство разрушения идеи, в дальнейшем, содействуют
материальному процветанию. Помимо
осуществления
идеи использования энергии атомного ядра, последняя
война принесла человечеству радар, усовершенствован­
ные ракетные двигатели, развитие телемеханики. Круп­
нейший немецкий химик Г а б е р , автор идеи химиче­
ской войны и создатель в первую мировую войну отрав­
ляющих веществ, дал человечеству методику улавлива­
ния свободного атома из воздуха, разработанную им в
связи с катастрофическим недостатком у немцев во вре­
мя войны азотистых веществ.
Подобных примеров можно было бы привести не
мало.
"•^От греч. слова «делю» и отрицания ,.а".
";В своем учении Г а с с е н д и , используя достижения
естественных наук, опровергал положения
философии
Аристотеля.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М 2
49
ГРАНИ
Читатели, в большинстве по крайней
мере по
школ:ьным урокам, знакомы с этой теорией. Поэтому
только наполшим ее общие положения.
Весь вещественный мир построен из & строительных
материалов» различных сортов, называемых «химиче­
скими элементами»."'). Многие из них широко известны,
в том числе: кислород, углерод, железо, алюминий, сви­
нец, олово, никель, золото, серебро, ртуть, платина, к а л ь ­
ций, сера, фосфор, кремний и др.
В состав физических тел элементы входят в виде
атомов; последние, соединяясь между собой, образуют
молекулы") — мельчайшие зернышки, частицы того в е ­
щества, из которого слагается физическое тело. В моле­
к у л ы соединяются к а к атомЫ одного и того ж е химиче­
ского элемента, так и атомы различных элементов. В
первом случае образуются молекулы простых веществ,
во втором случае — молекулы сложных веществ. Так,
водород в чистом виде — простое вещество, молекула ко­
торого состоит из двух атомов одного элемента—водорода;
молекула сложного вещества воды состоит из двух ато­
мов водорода и одного атома кислорода; молекула слож­
ного вещества поваренной соли образована одним ато­
мом натрия и одним атомом хлора и т. п. Наименьшее
число атомов в молекуле — два; в молекулах сложных
соединений (особенно органических) количество атомов
измеряется десятками и даже сотнями и тысячами."а).
Молекулы являются пределом физической делимо­
сти вещества. Иначе говоря, молекула любого вещества
представляет наименьшее количество этого вещества, то
минимальное кЬличество, при котором данное вещество
еще остается самим собою, выступает перед нами со все­
ми своими индивидуальными свойствами. Таким обра­
зом, молекула воды — наименьшее количество воды, в
'")Слово «элемент» (лат. е1е1теп1ит — первоначальное
вещество, стихия) произошло от названий трех латин­
ских букв: „1", „ т " и „п", которыми было принято обо­
значать части чего-либо целого.
")Лат. слово то1ес111а — маленькая масса.
"а)Так, например, гемоглобин — красное вещество кро­
в я н ы х телец — образует гигантскую молекулу, состоя­
щую из более чем двух тысяч атомов и имеющию при­
близительно такой состав: С-ваНиозМ!»» Оп»Ре5з.
^-)Миллимикрон есть одна миллионная часть миллимет­
ра; миллимикрон во столько раз меньше миллиметра, во
сколько раз сам миллиметр меньше километра. Незначи­
тельность размеров молекул исключает возмоокность н е ­
посредственного измерения их какими-либо масштабами
или взвешивания на весах.
Инфузории и микробы состоят из множеств молекул и,
следовательно, значительно крупнее их. Не менее ярко
иллюстрирует величину молекул тот факт, что количе­
ство их в 1 куб. сантиметре газа (например, воздуха) при
температуре (У" по Цельсию и при нормальном атмосфер­
ном давлении измеряется числом 27000000000000000 тыс.
Величину молекул удалось приблизительно оценить ме­
тодами косвенных измерений.
'°)Чтобы читатель легче «ощутил» ничтожность в е ­
са молекулы воды укажем на то, что вес одного крас­
ного кровяного тельца равен 1/10000000000 грамма, т. е.
оно в 100()000000000 раз тяжелее молекулы воды.
")Современные знания о химических элементах являют­
ся плодами длительной экспериментальной работы, н а ­
чатой в первой половине X V I I I столетия предшествен­
ником Л а в у а з ь е английским химиком
Пристли,
открывшим кислород, исследовавшим впервые некото­
рые газы в чистом виде и осуществившим в области х и мрш еще многое другое. Последующие работы К а в е н д и ш а , Л а в у а з ь е , Д а л ь т о н а и ряда других уче­
ных значительно расширили знания о химических эле­
ментах. Но в полной мере эти знания оформились и привелись в систему после совершенно исключительного по
ценности вклада в науку нашего знаменитого соотечест­
венника Дмитрия Ивановича М е н д е л е е в а , устано­
вившего закон периодичности. Менделееву (и почти одиовремошо с ним немецкому физику Л. М а й е р у ) уда­
котором она может существовать, молекула меди — са­
мое малое количество меди, как таковой, и т. п.
Разрушение молекулы любого вещества ведет к рас­
паду этого вещества, к разложению его на составные ч а ­
сти. Часть молекулы у ж е не будет тем веществом, из
которого состояла целая молекула; это будут или моле­
кулы менее сложного вещества или атомы химических
элементов, входивших в состав разрушившегося веще­
ства.
Размеры молекул колеблятся между 0,1 миллими­
крона и 2-3 миллимикронами.':). Все же, например, моле­
кулы воды равен 1/10000000000000 миллиард, грамма.").
Различных разновидностей молекул так ж е много,
к а к много веществ, физических тел; число разновидно­
стей атомов относительно невелико: оно равняется числу
химических элементов. Последних ж е до 1934 года было
известно 92.").
*
По представлениям, существовавшим в науке до н а ­
чала последнего десятилетия X I X века, атом считался
неделимым, неизменяемым, и одним из основоположетий
химии был вытекавший из принципа сохранения веще­
ства «закон постоянства (неизменяемости)
химических
элементов», содержащий утверждение, что химические
элементы (и, следовательно, атомы) не могут изменять
своих свойств и не уничтожимы.
До последнего десятилетия X I X века ни одно из п о ­
ложений атомно-молекулярной теории не было поколе­
блено. Напротив, многочисленные опыты и наблюдения
подтверждали ее. Атомно-молекулярная теория
строе­
ния вещества стала основанием кинетической (динами­
ческой) гипотезы, легшей в основу механики твердых,
лось обнаружить, что химические элементы можно при­
вести в систему, расположить в строго определенном п о ­
рядке, на основе свойств их самих и образуемых ими со­
единений, а также в зависимости от характера измене­
ния этих свойств. Менделеев построил свою знаменитую
классификационную таблицу, известную под именем пе­
риодической системы химических элементов, в основу
которой он положил названный закон периодичности.
Закон этот в современной редакции читается так: свой­
ства химических элементов, состав и свойства образуе­
мых ими соединений изменяются периодически, в з а в и ­
симости от их порядковых чисел.
Периодическая система Менделеева сыграла и продол­
жает играть ведущую роль в научных изысканиях и не
только выдержала проверку временем, но, более того, н е ­
сколько обновленная, блестяще согласуется с новейши­
ми открытиями, о чем еще будет говориться ниже. Т е ­
перь можно смело утверждать, что менделеевская табли­
ца является естественной классификационной схемой и
адэкватно отражает один из законов развития в неорга­
ническом мире.
Построенная Менделеевым таблица дала
возможность
исправить атомные веса некоторых элементов. При ж и з ­
ни Менделеева его таблица имела нескол1>ко пустых
клеток. Пустующие места должны были занять еще н е ­
известные элементы, существование и свойства кото^лхх
Менделеев предсказал. Предсказания эти блестяще под­
твердились открытием у ж е после смерти Менделеева
скандия, галлия и германия. В настоящее время в таб­
лице остались еще незаполненными две клетки под н о ­
мерами 85 и 87; это — места еще не открытых элементов,
которым, однако, у ж е дали имена (аллабум и вирпшяй)
и свойства которых известны.
Последнее место в таблице Менделеева до 1934 года за­
нимал элемент уран с атомным весом 238,07. В 1934 году
итальянский ф и з и к Ф е р м и получил новое радиоак­
тивное вещество, по своим свойствам несходное с из­
вестными до того времени веществами. Б ы л о
выска­
зано достаточно обоснованное предположение, что это
вещество — новый элемент, которому принадлежит в та­
блице место N0. 93 (рядом с местом урана). В 1944 году
американские физики, в процессе работы над атомной
бомбой, т а к ж е получили новый элемент,
названный
плутонием, который по своим свойствам должен занять
в таблице элементов 94 место.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50
ГРАНИ
жидких и газообразных тел и учения о тгплоте."). На
основе атомно-молекулярной теории легко уяснились
многие свойства физических тел, природе аггрегатного
состояния вещества,") строение тел,") сущность многих
Явлений.
Однако, многое оставалось непонятным. Совершенно
неясно было, например, чем об'ясняется нбсходство ато-
мов различных элементов, какие причины заставляют
атомы соединяться в молекулы и какие силы и х в мо­
лекулах удерживают; нельзя было
удовлетворительно
об'яснить природу электричества и его проявления;*')
загадкой представлялись и некоторые другие
свойства
тел и явления.").
")Согласно кинетической (динамической) глаотезе о в е ы^естве, молеку:^ы в теле находятся в состоянии непре­
рывного движения, скорость которого представляет со­
бою переменную величину
Изменения скорости движения молекул воспринимаются
нами в форме ощущения различных степеней нагретости тела. Возрастание скорости движения вызывает по­
вышение температуры тела, а уменьшение скорости дви­
жения — понижение температуры. Так, у водорода мо­
лекулы при 0° С. двигаются со скоростью 1844 м/сек.,
при температуре в 100* С. скорость равняется у ж е 3980
м/сек., а при температуре — 270" С. она р а ш а 193 м/сек.
Состояние полной неподвижности молекул должно соот­
ветствовать полному отсутствию тепла в тгле, т. е. т а ­
кой его температуре, при которой дальнейиее охлажде­
ние невозможно. Эта температура носит в науке назва­
ние абсолютного нуля; теоретически вычисленная она
равняется —273° по Цельсию. О молекулах тела, темпе­
ратура которого равняется абсолютному нулю, говорят,
что они обладают нулевой энергией. На огыте абсолют­
ный нуль температуры недостижим. Самая низкая тем­
пература. Которой удалось достигнуть, — это —271,5» С
(температура кипения газа гелия под уменьшенным д а в ­
лением).
Значительной величиной кинетической энергии (энергии
движения) молекул сильно нагретого тела
об'ясняется
явление ожога кожи руки при прикосновении к такому
телу. Ожог есть не что иное, как результат удара по ко­
ж е множества быстро двигающихся молекул.
Когда соприкасаются два различно нагретых тела, то
молекулы более нагретого тела затрачивают часть сво­
ей кинетической энергии на ускорение движения моле­
кул менее нагретого тела, вследствие чего тело с более
высокой температурой охлаждается, а менее нагретое,
кинетическая энергия молекул которого увеличилась, н а ­
гревается.
Разделенные в теле промежутками, молекулы взаимно
притягиваются друг к другу, но не сливаются вместе,
так к а к этому препятствует их движение (подобно тому,
к а к планеты и Солнце, хотя и подчиняются силе взаим­
ного притяжения, но не соединяются в одну массу,
вследствие состояния непрерьгеного движения). Однако,
столкновения между молекулами происходят непрерыв­
но. Число таких столкновений, при нормальных усолвиях, достигает, например, у кислорода 4250 миллионов в
секунду, а у водорода 8480 миллионов. Вследствие это­
го длина пути, проходимого молекулами при поступа­
тельном движении, невелика (напр., средняя длина пу­
ти молекулы кислорода, при нормальных условиях, око­
ло 9,1 микрона), а траектории пути имеют вид смешанных
линий. Во многих случаях сложное движение молекул
имеет колебательный или вращательный характер.
Движения молекул можно наблюдать, рассматривая
под микроскопом взвешенные в жидкости мелкие ч а ­
стицы какого-нибудь вещества. Частицы эти находятся
в состоянии хаотического и непрерывного перемещения,
являющегося следствием ударов по ним молекул. Такое
беспорядочное движение частиц (наблюдаемое и в газах)
получило название броуновского движения по имени от­
крывшего его в 1827 г. английского ботаника Роберта
Б р о у н а . В настоящее время С м о л у х о в с к и м и
Э й н ш т е й н о м разработана теория броуновского дви­
жения.
")Известны следующие роды аггрегатного состояния в е ­
щества: 1) плавление — переход твердого тела в жидкое
состояние, 2) кипение, непарение — переход тела из
жидкого состояния в газообразное или парообразное,
3) замерзание, отвердение — переход жидкого тела в
твердое состояние, 4) конденсация — переход тела из
газообразного или парообразного состояния в жидкое.
Может иметь место еще так назьш. сублимация — пере­
ход твердого тела минуя жидкую ф а з у сразу в газооб­
разное состояние.
Из повседневных наблюдений известно, что н а аггрегатное состояние тела влияет его температура. Следова-
тельно, аггрегатное состояние тел зависит от х а р а к т е р а
и скорости движения молекул.
У твердых тел силы взаимного притяжения (сцепления)
между молекулами очень значительны. Вследствие это­
го твердые тела постоянно сохраняют форму,
которая
им придана природой или человеком, и оказывают боль­
шее или меньшее сопротивление силам, стремящимся
изменить их форму, или разделить их на части.
Движение молекул в твердых телах имеет, преимущест­
венно, характер колебаний, совершающихся около по­
ложений равновесия. Характер взаимного расположения
молекул твердых тел не изменяется. От массы тела они
не отрываются (исключение составляют некоторые тела,
обладающие способностью испаряться при невысоких
температурах; к числу их относятся, в частности, силь­
но пахнущие тела, запах которых и обусловлен отры­
вом поверхностных молекул).
При нагревании твердого тела скорость д в и ж е н и я моле­
кул возрастает; увеличение кинетической энергии мо­
лекул ослабляет силы сцепления между ними и молеку­
лы, даже сохраняя колебательные движения, п р о я в л я ­
ют тенденцию к поступательному движению, делаются
удобоподвижными, и тело переходит в ж и д к о е состоя­
ние.
Если жидкое тело подвергнуть дальнейшем]^ нагрева­
нию, то произойдет у ж е значительное изменение дисгрегации между молекулами: молекулы начинают дви­
гаться поступательно и тем скорее, чем выше темпера­
тура; силы отталкивания делаются больше сил сцепле­
ния, и молекулы стремятся разлететься во все стороны:
тело переходит в парообразное или газообразное состо­
яние.
*')Так, например, в твердых телах (кристаллах) молеку­
лы, или составляющие их ионы (см. ниже), находятся
на строго определенных местах, чередуясь в определен­
ном порядке, и образуют кристаллическую решетку.
")Для об'яснения электрических явлений высказывалось
мнение, что электричество можно уподобить невесомому
веществу, присутствие которого в телах создает элек­
трические свойства тел. Б ы л и предложены две гипоте­
з ы : дуалистическая, принадлежавшая
Симмеру, и
унитарная, высказанная Ф р а н к л и н о м ,
Эпинусом
и Э в л у н д о м . По первой гипотезе признавалось су­
ществование двух невесомых веществ: положительного
электричества и отрицательного электричества, которые
содержатся поровну в ненаэлектризованных
телах;
электрические явления происходят в результате взаи­
модействия этих противоположных электричеств и и з ­
менения количественных отношений их в телах. По вто­
рой гипотезе признавалось существование только одно­
го электричества, заполняющего мировое пространство и
находящиеся в нем физические тела; электрические я в ­
ления происходят в результате изменения тех коли­
честв электричества в телах, которые для данных тел
являются нормальными, т. е. при которых тело элек­
трически нейтрально.
Многие ученые критически относились к обеим гипоте­
зам и ограничивались при изучении электрических я в ­
лений их внешней стороной и количественными соотно­
шениями, обходя молчанием вопрос об и х природе и
лишь считая, что электричество представляет особое
свойство (состояние) материи:
")Например, о магнетизме ученые знали только то, что
причиной его является электричество.
Свет рассматривался к а к электро-магнитное
колебание
эфира (Ньютон высказывал другую мысль: что свет со­
стоит из корпускул — малых частиц). Понятие мирового
эфира было введено в связи с необходимостью как то
об'яснить причину передачи на расстояние в безвоздуш­
ном мировом пространстве гравитационных сил, света,
теплоты. Новейшие опыты, к а к и следовало ожидать,
подтвердили отсутствие эфира в мировом пространстве.
Положения, построенные на признании этого гипотети­
ческого вещества, оказались псевдонаучными.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГРАНИ
51
Но это не давало оснований сомневаться в состоя­
тельности атомно-молекулярной теории. Скорее можно
было предположить, что знания наши в области этой т е ­
ории еще недостаточны и что, по мере ее развития и
углубления, будут появляться как ответы на недоумен­
ные вопросы, так и более удовлетворительные об'яснения
некоторых природных явлений и свойств физических
тел.
Так и случилось. Последняя четверть X I X столе­
тия открыла новую эру в физике и в смежных с ней
областях знания — эру полного торжества атомизма, как
научного направления.'-").
*
Опишем вкратце главные события, ознаменовавшие
начало этой эры, задавшие тон экспериментальной де­
ятельности многочисленных физиков и химиков и оп­
ределившие направление и точки приложения их иссле­
довательских усилий.
Английский ф и з и к ' и химик Уильям К р у к с , изу­
чая в 1874 году электрические разряды в газах, обна­
ружил, при прохождении постоянного тока через про­
странство с очень сильно разреженным (при давлении в
0,024 мм ртутн. столба) газом, появление особых, неиз­
вестных до того времени лучей. Они возникали на к а ­
тоде-') прибора и получили поэто.му название катодных
лучей.
Многократные и тщательные исследования свойств
катодных лучей дали основание считать, что они пред­
ставляют собою поток двигающихся со скоростью 100000
км/сек. мельчайших частиц, несущих заряды
отрица­
тельного электричества.23).
С т о н е й , Исследовавший одним из первых, совме­
стно с Г е л ь м г о л ь ц е м ,
природу катодных лучей,
назвал эти частицы электронами.
Было установлено, что 1) электрон несет наимень­
шее количество электричества, могущее существовать от­
дельно, и является (по Т о м с о н у ) , как бы атомом
электричества,-') 2) масса электрона составляет 1/1844
массы атома самого легкого элемента — водорода и что,
следовательно, электрон является значительно
мень­
шей частичкой массы, чем атом Любого химического эле­
мента.''*).
Г о л ь д ш т е й н в 1886 году выяснил, что, при оп­
ределенных условиях, наряду с катодными лучами, в
приборе (трубке) Крукса возникают и проявляются лучк, состояхцие из частичек, масса которых равна массе
атома газа, наполняющего трубку, и которые заряжены
положительным электричество.м. Кроме этих положи­
тельных лучей, получивших название закатодных или
каналовых, физикам Г е р к е и Р а й х е н г а й м у уда­
лось получить также положительные лучи, возникав­
шие на аноде^^) трубки Крукса — анодные лучи, состо­
явшие из частичек с массой, равной массе атома того
металла, который входил в состав анода.
Немецкий физик Р е н т г е н в 1895 году сделал от­
крытие, что катодные лучи, не способные сами проник­
нуть через стекло прибора Крукса, в том месте трубки,
на которое они падают, вызывают излучение, распрост­
раняющееся в окружающий прибор воздух. Сам Рент­
ген установил главные свойства этих новых лучей, ко­
торые он назвал Х-лучами. Они оказались электриче­
ски нейтральными, способными вызывать
свечение
(флюоресценцию) тел, химически действовать на фото­
графическую пластинку (подобно солнечным лучам),
разряжать наэлектризованные тела. Исключительно ин­
тересная особенность рентгеновских лучей заключал'ась
в их способности проходить с различной степенью про­
ницаемости через многие тела и слои значительной тол­
щины, непрозрачные для солнечных лучей.'"').
-")Но не направления философского. Философский ато­
мизм исчез как учение и не может быть во.зобновлен,
ибо даже более широкое учение — философский мате­
риализм — представляет у ж е пройденный философский
этап; оно застыло в старых формах и не способно к са­
моразвитию. Всякая ж е попытка оздоровить философ­
ский материализм, используя данные современной нау­
ки, итоги развития научного атомизма, неизбежно при­
ведут к перерождению философского материализма, к
утрате им материалистического облика, — к смерти его,
как самостоятельной философской системы.
-')Катод (от Г11еч. «катодос» — путь вниз) — отрицатель­
ный полюс, отрицательный электрод.
22)Сам К р у к с по поводу природы катодных лучей в ы ­
сказал предположение, что они представляют особое ч е ­
твертое состояние вещества, которое он назвал радиорующим (от лат. слова radiare — сиять, испускать л у ­
чи). Эта мысль об особом лучистом состоянии вещества
была отвергнута, но термин Крукса «радиорующий» в о ­
шел в науку и от него произошло слово «радио».
""¡SapHfl электрона
равен
4,74.10-"'
электрических
единиц или 1,58.10-'" кулона.
Электрическая
единица — единица
количества
электричества — есть такое количество электричества,
которое в пустоте отталкивает равное себе количество
э.лектричества с силой, равной 1 дине, т. е. с силой, к о ­
торая, действуя в течение 1 секунды на массу в 1 грамм,
сообщает ей (•корость, равную 1 см/сек. Кулон — прак­
тическая единица количества электричества, в 3000000000
раз большая электрической единицы.
•
'"')Масса (вес) электрона, округленно, равна 10-2' грам­
ма, т. е. она в 100000 раз меньше массы (веса), напр.,
молекулы воды (о весе молекулы воды см. выше).
-')Анод (ОТ греч. «анодос» — идущий вверх) — положи­
тельный полюс, положительный электрод.
-")Рентгеновские лучи, вследствие своей способности
вызывать флюоресценцию тел и проходить через раз­
ные тела с различными степенями проницаемости, полу­
чили широкое применение в медицине, т. к. дали воз­
можность врачу проникать взором внутрь человеческо­
го тела.
Интенсивные рентгеновские лучи, получаемые в специ­
альном приборе — «рентгеновской трубке», — непре­
менной части рентгеновской установки (рис. 1), проходя
через слой В и через тело обследуемого («просвечивае­
мого») суб'екта, заставляют светиться экран Е (из стекла,
покрываемого обычно слоем двойной цианистой соли
платины и бария). На экране получается изображение
различных частей организма человека. Вследствие то10, что кости, мышцы и ткани внутренних органов п о разному поглощают излучение, они проектируются на
экране тенями различной густоты (силуэт костей более
темный, чем например, силуэт легких). Экран может
быть заменен фотографической пластинкой, которая, для
.усиления действия лучей и сокращения времени экспо­
зиции, покрывается фольгой из вольфрамовокислого
кальция. На пластинке запечатлевается изображение,
которое врач видел на экране, с той лишь разницей, что
темным MecraiM изображения на экране соответствуют
светлые места на снимке.
Подобным ж е образом делаются видимыми попавшими
в человеческое тело металлические предметы (пули,
осколки и т. п.).
В настоящее время рентгеновское обследование счита­
ется наиболее достоверным методом диагностики.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
ГРАНИ
М
2
Явления электрических разрядов
в разреженных
газах и открытие электрона показали, что атом газа, к а к
и всякого вообще вещества, не неделим, к а к думали
прежде, а является сложным образованием,
способным
распадаться н а две части: от1»щательно заряженный
электрон и положительно заряженную другую часть
атома. Кроме этого физики пришли к следующему в а ж ­
нейшему выводу: электричество делится н а определен­
ные элементарные количества, которые являются к а к бы
его атомами и поэтому каждый электрический заряд
(напр., заряд электрического шара) следует представ­
лять себе состоящим из отдельных элементарных коли­
честв (квантов).
Эти заключения оказались чрезвычайно плодотвор­
ными и расчистили пути для дальнейших успешных и с ­
следований.
Ныне здравствующий датский ф и з и к Нильс Б о р ,
принимавший ' непосредственное участие в создс1нии
атомной бомбы, опираясь на гипотезу о квантах и рабо­
ты известнейшего ученого Макса П л а н к а , выступил с
чрезвычайно смелой для того времени в 1912 году мыслью,
легшей в основу электрической теории материн. Бор р е ­
шил, что. т а к сказать, материалом, из которого состоит
Рис. 3.
материя, являются электрические заряды; из н и х состо­
ят атомы любого вещества.
Ясно, что предложение Бора опрокидывало привьгчные представления о материи и об электричестве.
Однако противников у Бора н е нашлось, т. к. много­
численные опыты и накопленные ф а к т ы
утверждали
основательность его догадки.
Совместно с другим, также прославленным теперь,
физиком, англичанином Р е з е р ф о р д о м , Бор создал
наглядный образец (модель) атома.'^). По этой модели
всякий атом состоит из положительно заряженного яд­
ра и вращающихся вокруг ядра, на подобие планет в о ­
круг Солнца, отрицательно заряженных электронов, об­
разующих к а к бы оболочку атома и удерживаемых в
атоме силой электрического притяжения со стороны я д ­
ра.
Если атом не подвергается никаким воздействиям
извне, то он электрически нейтрален, т. е. положитель­
ный заряд ядра равен отрицательному заряду совокуп­
ности электронов.
Число электронов у атомов разных химических эле­
ментов различно, или, другими словами, атомы разных
химичес1шх элементов отличаются друг от друга вели­
чиной заряда ядра.
Атом самого простого химического элемента — во­
дорода имеет единственный электрон — е, вращающийся
вокруг ядра +е (рис. 2); самым сложным является пока
что атом урана, вокруг ядра которого вращаются по
восьми орбитам 92 электрона (рис. 3).
Рис. 2.
Исследованиями К о с с е л я в 1916 г. было установ­
лено, что радиусы орбит, по которым вращаются элек­
троны одного и того ж е атома, имеют различные и впол­
не определенные размеры") и что на каждой орбите мо­
жет двигаться вполне определенное число электронов.
По сравнению с атомом, ядро и электрон настолько ма­
лы,") что пространство, занятое атомом, заполнено со­
вершенно ничтожно и представляется почти пустым.'").
В ядре сосредоточена почти вся масса (вес) атома. У
водорода, например, ядро в 1844 раза тяжелее' электро­
на, а у урана вес ядра в 4000 р а з превышает вес всех
электронов, вместе взятых.
Изучение периферической части атома — электрон­
ной оболочки — дало ключ д л я понимания многих быв­
ших ранее неясными свойств физических тел и проис­
ходящих с ними • явлений, а т а к ж е внесло поправки в
неверные представления. С другой стороны, исследова­
ния отдельных явлений и свойств тел, при свете новых
теоретических положений, стали экспериментальной ос­
новой для анализа атомных структур и привели к уг­
лублению и расширению теории строения атома.
Оказалось, что многие явления и свойства т е л на­
ходятся в непосредственной связи с изменениями в пе­
риферической части атома.
Эти изменения могут быть двоякого рода: 1) воз­
буждение
атома и 2) ионизация.
Возбуждение атома состоит в том, что под внешни»,
воздействием (влияние света, удар другого атома) эле­
ктрон перескакивает с одной орбиты на другую, воз­
вращаясь затем в первоначальное положение. При
ионизации ж е атома один или несколько электронов
внешнего кольца отрываются от атома (образуется по­
ложительный ион), или данный атом, наоборот, прио­
бретает новые электроны (образуется отрицательный
ион).
Следует отметить, что электроны атома связаны со
своим ядром силой притяжения неодинаково: эта связь
тем прочнее, чем ближе к ядру электрон находится. Т а ­
ким образом, если назвать окружающие ядро атома эле­
ктронные орбиты, начиная с самой внутренней, по п о ­
рядку К, L, М, О, то на электроны орбиты К сила при­
тяжения со стороны ядра действует больше, чем на
электроны орбит Ь, М и т. д. Минимальное значение си­
ла притяжения имеет для э.лектронов кольца О. Устой­
чивость атомной системы зависит также и от того, как
построена электронная оболочка атома (от количества
электронов на внешней орбите).
Внешние электроны атома назьгаают нередко опти­
ческими, так к а к излучение и поглощение телами види­
мого света (оптических частот) является
результатом
Так как рентгеновские лучи обладают биологическими
свойствами, то они применяются и с лечебными целя­
ми (поверхностная и Глубокая рентгено-терапия).
Не менее широко применяются рентгеновские лучи в
металлической промышленности для контроля состояния
металлических изделий, исследования внутреннего стро­
ения металлов и т. п.
-')Первая модель атома была предложена Т о м с о н о м .
По мысли Томсона атом представлял собою положитель­
но наэлектризованный ш а р с находящимися внутри его
неподвижными электронами.
'*')Радиус первой орбиты электрона равен 0,528.10-« см.
-")Радиус ядра относится к радиусу атома, к а к 1:10,000,
следовательно, диаметр ядра, примерно, в 10000 р а з
меньше диаметра атома. Диаметр атома равен, округлен­
но, 10-* см; диаметр электрона — 10-" см.
'»)Пустота является характерной не только д л я атома,
но и для всей Вселенной: высчитано, что при равно.мерном распределении всей материи, имеющейся во Вселеной (1,8.10" грамма), на каждые 100000 куб. километров
пространства пришлось бы только по 15 грамм.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М 2
5Й
ГРАНИ
возбуждения этих электронов. Явление совершается
следующим образом: «оттянутый» внешним воздействи­
ем на некоторое расстояние от ядра, электрон «соскаль­
зывает» с внешней орбиты на следующую, ближайшую
к ядру, и затем возвращается в первоначальное поло­
жение. При этом он излучает избыточную энергию .в
виде света.
Испускание телами более высокочастотного невиди­
мого «света» (жесткого света), обнаруживаемого фото­
пластинкой или др. методами (например, ультрафиоле­
товых лучей), является результаЛм возбуждения более
«глубоких» электронов, прочнее связанных с ядром ато­
ма. Вообще, чем больше частота колебаний испускаемых
телом лучей, тем на большей глубине в атоме происхо­
дит возбуждение электронов. К числу таких излучений
высокой частоты, являющихся следствием возбуждения
«глубинных» электронов, относятся рентгеновские лучи.
Итак, в связи с возбуждением атомов, т. е. перехо­
дом электронов с одной орбиты на другую, происходит
ил^i излучение телами видимого света, или так н а з ы ­
ваемое «жесткое» излучение.
Исследования оптических излучений, произведенные
многими учеными и завершенные П л а н к о м , привели
к одному из самых замечательных открытий начала X X
века: оказалось, что энергия излучается телами не кон­
тинуально, т. е. непрерывно, а строго определеяташи
количествами, которые, к а к у ж е известно, называются
квантами (по Планку) и которые можно рассматривать
как атомы энергии.
Явлением ионизации атомов об'ясняются некоторые
физические процессы. В числе их можно указать на
электропроводимость жидкостей и на рассмотренное в ы ­
ше «вление электрического разряда в газах.
Особенное значение ионизация атомов имеет в х и ­
мических явлениях. По сути дела вся современная химия
обосновывается этим видом изменения в перифериче­
ской части атомов.
На основе ионизации атомов легко и понятно об'ясняется «валентность» химических элементов и «химиче­
ское сродство» (внешние электроны атомов даже полу­
чили в химии название электронов валентности). Иони­
зацией атомов об'ясняется образование молекул (в р е ­
зультате притяжения заряженных ионов) и их стой­
кость.'').
Совершенно исключительную роль
сыграла элек­
тронная теория строения атома в исследовании электри­
ческих и магнитных свойств и явлений.
*
Дальнейшее развитие теории строения вещества
предполагало обязательным исследование ядра атома,
которое, и по теоретическим представлениям, и по эк­
спериментальным данным, было носителем и храните­
лем индивидуальных свойств атомов, сохранявшихся
неизменными при бесчисленных химических превраще­
ниях вещества.
В 1896 году французский физик Андре Б е к к е р е л ь открыл явление радиоактивности. Открытие Б е к кереля, и по времени, и по содержанию, оказалось со­
звучным этапу тогдашнего научного развития, дав недо­
стающие звенья в цепи исследований, связанных с про­
должением работ Крукса, Рентгена и др.; оно привело к
фактам, легшим в основу представлений об ядре атома,
расширило кругозор исследователей и вооружило их
средствами и методами новых научных изысканий; оно
стало началом непрерывной сорокалетней деятельности,
развивающейся и в наши дни и приведшей к совре­
менным работам по использованию атомной
энер­
гии.*
Беккерель обнаружил, что соли элемента урана и
металлический уран непрерывно испускают лучи, похо­
жие по свойствам на лучи Рентгена, но слабее действу­
ющие.
Исследуя открытие Беккереля, Мария С к л о д о в с к а я - К ю р и и ее супруг Пьер К ю р и в 1898 году
сумели получить ряд веществ (различные урановые со­
пи, соединения тория и др.), которые испускали значи­
тельно более интенсивные лучи, чем уран. Явление тако­
го самопроизвольного лучеиспускания и назвали радио­
активностью, а вещества, проявляющие свойство радио­
активности, назвали радиоактивными.
Супругам Кюри удалось обнаружить деятельное ве­
щество, входившее в состав исследованных ими радио-
300000
ч»/сем
R
Рис. 4.
активных препаратов. Этим веществом оказался новый
тогда элемент с атомным весом 226, принадлежащий к
одной группе с химически близкими элементами: магни­
ем, кальцием, стронцием и барием. Новый элемент, н а з ­
ванный радием, оказался в миллион раз радиоактивнее
мета.тлического урана и прояв.лял р я д интересных
свойств: светился в темноте, вызывал флюоресценцию
различных предметов, выделял тепло; лучи, испускае­
мые радием, действовали на фотографическую
пла­
стинку, 'проникали через вехДество различных тел, эле-ктризовали воздух, разряжали заряженный
электро­
скоп; лучи радия производили сильные, трудно изле­
чимые ожоги на коже. По наблюдениям Кюри соли р а ­
дия, а также некоторые другие радиоактршные веще­
ства, вызывали временную (индуктированную)
радио­
активность находящихся возле них тел (особенно ес­
ли эти тела были наэлектризованы отрицательно), воз­
будителем которой, по мнению Резерфорда, было осо­
бое выделяющееся из радия газообразное вещество, на­
званное эманацией.'-).
Исследование радия, урана и др. радиоактивных
веществ показало, что излучения их сострят из трех
видов лучей, которые могут быть разделены сильным
магнитным полем. На рис 4. показана схема излучения
радия; прямоугольник N — северный полюс магнита
(силовые линии и1агнитного поля направлены от пло­
скости чертежа к .читателю). Наиболее сильно откло­
няются магнитом так называемые бэта-лучи; вполне
сходные с катодными лучами и представляющие поток
летящих со скоростью от 100000 до 290000 км/сек. ча­
стиц, заряженных отрицательно, как показывает их
отношение к магнитному полю. Второй вид лучей —
альфа-лучи, совершенно похожие на анодные лучи,
состоящие из частиц с большей чем у бэта-лучей массой
(меньше отклоняются магнитом), заряженные положи­
тельно (отклоняются в сторону, противоположную от­
клонению отрицательных бэта-лучей) и двигающиеся со
скоростью от 14000 до 20000 км/сек.''). Наконец, так на­
зываемые гамма-лучи, не отклоняемые магнитом и, сле­
довательно, электрически нейтральные,
представляют
«жесткое» излучение с длиной волны от 10-* мм и
меньше, обладающие скоростью света и по своим свой­
ствам похожие на рентгеновские лучи.
")Молекулы могут образовываться и в результате сое­
динения одинаковых атомов. Такие молекулы называ­
ются гомополярными, в отличие от ионных, носящих на­
звание гетерополярных.
'-)Пахотная земля и ил горячих источников также в ы ­
деляют эманацию, распространяющуюся в атмосферный
воздух, от чего частично зависит электропроводность
последнего.
'•')Лльфа-лучи можно наблюдать при помош[и прибора,
называемого спинтарископом Крукса (от греч. «спинтер» — искра) и представляюш,его трубку, задняя стен­
ка которой изнутри покрыта слоем флюоресцирую-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
54
ГРАНИ
Л
2
Явление радиоактивности было об'я«нено у ж е в
1902 году Р е з е р ф о р д о м и С о д д и , как самопро­
извольный процесс распада атомов радиоактивных в е ­
ществ, который нельзя искусственно ни ускорить, ни
замедлить, ни остановить. Число распадающихся в се­
кунду атомов, по взгляду Резерфорда и Сэдди, пропор­
ционально, числу Р существующих атомов т. е. равно
кР, где к — так называемая постоянная рюпада.
Продуктом распада атомов радиоактив1ых веществ
являются атомы нового радиоактивного вещества, кото­
рое распадаясь само, образует, в свою '>1ередь, новое
радиоактивное вещество. Радиоактивный распад имеет
два основных типа: альфа-распад (харак-еризующийся
выбрасыванием альфа-частиц) и 6эта-расп»д (связанный
С излучением бэта-частиц). Гамма-излучение при радио­
активных превращениях является вториччым явлени­
ем.
Альфа-частицы, положительный заряд
которых
вдвое больше отрицательного заряда элекгрона, после
вылета и потери скорости, улавливают д>,а электрона
(бэта-частицы) и делаются электрически 1ейтральными.
К а к показал спектральный анализ собра1ных альфачастиц, они ничем не отличаются от атомсв второго по
легкости химического элемента — гелия, атомный вес
которого равен 4. Поэтому при альфа-распаде масса
атома нового вещества меньше массы атсма распавше­
гося вещества на 4 единицы, т. е. на ве.шчину массы
альфа-частиц. При бэта-распаде изменеьие
атомного
веса практически незаметно, т. к. масса бэта-частиц
(электрон) чрезвычайно мала. Что касается атомного но­
мера, то здесь действует так называемое лравило Ф а ­
я н с а и С о д д и : при альфа-распаде атомный номер
нового вещества уменьшается на две единицы, т. е. но­
вый элемент стоит в периодической системе элементов
Менделеева на два места левее своего пре,;шественника;
при бэта-распаде атомный номер увеличивается на еди­
ницу, т. е. новый элемент смещается по 11ериодической
системе на одно место вправо.
Радиоактивный распад характеризуется также бы­
стротой.
Скорость радиоактивного распада ус.1овились из­
мерять тем промежутком времени, в продолжение ко­
торого распадается половина атомов данного количест­
ва радиоактивного вещества. Этот промежуток време­
ни носит название периода полураспада. Установлено,
что продолжительность (средняя) существования атома
радиоактивного вещества в 1,443 раза бо.тьше периода
полураспада этого вещества.").
Так же, как и у людей, продолжител{,ность жизни
которых не одинакова, продолжительност!, существова­
ния отдельных атомов довольно широко колеблется во­
круг этого среднего значения, и отдельные атомы в е ­
щества, которым полагалось бы «жить» Солее или ме­
нее продолжительное время, передку, так же как люди
и животные, погибают вскоре после cвoe^o «появления
на свет». Из изученных радиоактивных элементов на­
иболее «долговечен» уран, для которого период полурас­
пада продолжается четыре с половиною миллиарда летЗначительно менее продолжительна «жизнь» р а д и я : п е ­
риод его полураспада «только» 1580 лет (из биллиона
атомов радия в 1 секунду распадается, примерно, 14 ато­
мов). Имеются ж е и такие радиоактивные вещества, ко­
торые распадаются в несколько минут и даже в мил­
лионные доли секунды (радий СО.
Все радиоактивные вещества, к числу которых
принадлежат наиболее' тяжелые металлы, делятся
на
три ряда, или, как говорят, семейства (династии): ряд
урана, ряд тория и ряд актиния. К а ж д ы й ряд возглав­
ляется соответствующим родоначальником и включает
элементы, последовательно возникающие один из друго­
го, путем радиоактивных превращений. На таблице 1
представлен ряд урана, причем показана «родословная»
только основной ветви этого ряда.
В ряде тория сам торий переходит в мезоторий, а
последний превращается в торий X , очень похожий на
радий. Завершается ряд, также, как и семейство тория,
свинцом.
«Члены» семейства актиния, в большинстве, подоб­
но своему «главе» актинию, живущему 30 лет, недолго­
вечны; ряд этот ответвляется от семейства урана.").
Исследование радиоактивных превращений
позна­
комило с сыгравшим в учении об атоме существенную
роль явлением изотопии, состоящем в том, что один из
членов радиоактивного семейства, проявляет исключи­
тельное сходство по физическим и химическим свойст­
вам со своим «предком», имеет тот же атомный номер,
тот же характер излучения, но другой атомный вес.
Ф а я н с и С о д д и , исходя из теоретических сооб­
ражений, установили существование нескольких разно­
видностей свинца с различным атомным весом, обнару­
женных впоследствии в соединениях.
Элементы с различным атомным весом, но имеющие
одни и те же физические и особенно химические свойст­
ва и потому химически неотделимые друг от друга, наз­
вали изотопными, или просто, изотопами.'").
При радиоактивных превращениях изотопы образуются
в том случае, когда - атом теряет последовательно одну
альфа-частицу и две бэта-частицы. Например (см. таб­
лицу 1), четвертый элемент в таблице — уран I (изотоп
родоначальника ряда) появился после того, как были
излучены последовательно альфа-частица и две бэтачастицы; после того, как атом радия С 1 излучил альфачастицу, а атомы радия Д и радия Е — по бэта-частице,
появляется радий р (полоний) — изотоп радия С 1 . Ина­
че говоря, если атомы элемента — «отца» излучали аль­
фа-частицы, а атомы элементов — «сына и внука» —
бэта-частицы, то элемент — «правнук» своими качест­
вами и свойствами чрезвычайно похож на своего «пра­
деда», но только менее „дороден" (меньше весит).
щего под действие:^ альфа-частиц слоещ сернистого
цинка (рис. 5а).
Если внутри трубки установить плоский c•^epжeнь с у к ­
репленным на нем очень маленьким кусочком соли ра­
дия, то, наблюдая через лупу, легко видеть, что свече-
прибавленного к краске радиоактивного вещества. Р а с ­
сматривая, например, светящийся циферблат часов, при
помощи хорошей лупы в темной комнате, можно обна­
ружить сцинцилляций.
**)3ная количество
вещества,
полученного от р а с ­
пада другого вещества, и количество еще не распав­
шегося вещества, и зная период полураспада этого в е ­
щества, можно установить, когда начался распад. Таким
именно приемом пользуются в геологии для установле­
ния возраста горных пород и земли.
^'')Радиоактивные вещества оказались обладателями н е ­
которых биологических свойств. На этом основании^ они
нашли применение в медицине. Действие радиоактивных
веществ заключается в том, что, в зависимости от до­
зы и чувствительности клеток человеческого тела, они
либо угнетают клетки и содействуют их смерти, либо
возбуждают их рост. Радиоактивные вещества применя­
ются для лечения злокачественных опухолей (рака), ме­
стного туберкулеза, ревматизма, лейкемии. Применяют­
ся радиоактивные вещества в виде эманации радиевых
элементов, растворенной в жидкостях
(радиоактивные
воды, радиоактивные ванны); эманация может также
вдыхаться или вводиться под кожу.
'")Существуют элементы с одинаковыми атомными веса­
ми, но с различными физическими и химическими свой­
ствами; такие элементы получили название изобаров. О
природе изобаров будет говориться ниже.
Рис. 5.
ние слоя цинка распадается на множеств() вспыхиваю­
щих и тотчас гаснущих звездочек, так называемых
сцинцилляций. К а ж д а я сцинцилляция возникает в р е ­
зультате удара альфа-частицы (рис. 56). с помощью
спинтарископа можно определить число альфа-частиц,
падаю1цих на экран.
Многие светящиеся в темноте краски (например краска,
покрывающая ц и ф р ы на циферблате светящихся ч а ­
сов) светятся именно благодаря действию альфа-частиц
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М 2
55
ГРАНИ
Таблица 1.
(Период половинно­
Атомный вес
Атомный номер
238
234
234
234
92
90
91
92
Ионий
Радий
Эманация
Радий А
Радий В
Радий С
Радий С1
230
226
222
218
214
214
214
90
88
86
84
82
83
84
Радий Д
Радий Е
Радий р
(полоний)
Радий С
(радиосви­
нец)
210
210
210
82
83
84
4,5 млрД-ЛТ
24 дня
68 сек
прибл
100000 лет
75000 .iCT
1580 л
3,8 дн
3 мин.
27 мин23 МИ!С.
приб;:.
0,0000(015 с.
25 ле-;
4,8 д в
137 дк.
206
82
Уcтoй^ив.
Вещество
Уран
Уран
Уран
Уран
I
XI
Хг
I
Опыты А с т о н а в 1919-1922 гг. показали, что п о ­
чти все химические элементы имеют изотопные разно­
видности и состоят из изотопов (представляют
смесь
изотопов). Астон достиг разложения химических- эле­
ментов на изотопы, когда из них образуются каналовые
лучи.
Радиоактивный распад характерен тем, что «рож­
даемость» у атомов радиоактивных Элементов равняется
.<смертности», т. е. сколько атомов каждого элемента
возникает, столько ж е их распадается. Эта особенность
радиоактивных превращений получила известность под
именем радиоактивного равновесия. Однако такой про­
цесс можно представить себе только в том случае, ког­
да сопоставляется «жизнь» целого семейства радиоактивньпс элементов с родоначальником во главе.
Распад каждого
атома радиоактивного
вещества
сопровождается, наряду
с выбрасыванием
альфа-ча­
стицы или бэта-частицы, излучением
гамма-частицы.
Явление распада атома имеет сходство с выстрелом: р а с ­
падающийся атом, выбросив осколок, сам отбрасывается в
сторону, противоположную направлению полета его ос­
колка (так называемый атом отдачи).
Наблюдение над радиоактивностью и радиоактивны­
ми веществами привело к эпохальным для физики в ы ­
водам и заключениям:
1. Атомы химических элементов не являются безу­
словно бтойкими образованиями, какими они проявляют
себя в химических превращениях.
2. Ядро атома представляет собою сложное образо­
вание; притом, чем тяжелее атом, тем сложнее состав
его яДра.
3. Существуют ядерные превращения (ядерные реак­
ции), сопровождаемые выделениями энергии в количе­
ствах несоизмеримо больших, чем это имеет место при
химических превращениях; в результате я д е р н ь к р е ­
акций происходит превращение атома данного химиче­
ского элемента.
4. Альфа-лучи при радиоактивных излучениях по­
являются безусловно из ядер атомов. Таким образом, Яд-
го расп1Да
Излучение.
Примечание
Изотоп тория
а
а
а
а
а
0
Изотоп урана
Изотоп тория
а
3
Изотоп полония
Изотоп полония
Изотоп свинца
Изотоп висмута
Изотоп висмута
не и з л у ч а е ^
ро представляется состоящим из зарядов электричества.
И если электрические заряды представляют «последние
кирпичи миооздания», то все свойства материи должны
об'ясняться на основании электрических атомных моде­
лей.
Явление радиоактивности поставило т а к ж е ряд но­
вых проблей перед физиками и перед учеными смеж­
ных областей знания: 1) каково происхождение радиоак­
тивных элементов и каков их возраст? 2) существуют л и
вообще нерядиоактивные элементы? 3) не является ли
радиоактивность одним из основных свойств материи?
и др.
К некоторым из этих проблем мы в статье еще в е р ­
немся.
Ядерньк реакции и энергетическая сторона их з а ­
владели умдми физиков и химиков. Исследование энерщи в радии показало, что один грамм-атом") радия испу­
скает в BH;ie альфа-лучей 5,67.10" грамм-калорий, т. е.
теплоты выделяется в 5,6 миллиона раз больше, чем при
сгорании в углекислоту одного грамм-атома
углерода
(1 грамм радия развивает 134 грамм-калории в час).
Ядерная реакция образования ядра гелия из четырех
ядер водорода, являющаяся источником энергии Солнца
и большршства звезд, сопровождается выделением энер­
гии в 0,00004 эрга, или, в перерасчете н а грамм гелия, в
150 миллионов килограмм-калорий, т. е. такого количест­
ва энергии, которое может быть получено при сжигании
20 тонн антрацита.
Перед учеными возникла задача: научиться в ы з ы ­
вать искусственно ядерные реакции и улавливать в ы д е ­
ляющуюся при этом энергию, или, другими словами,
найти способы освобождения и использования энергии
атомного ядра.
")Грамм-атомом вещества называется число граммов
этого вещества, равное атомному весу вещества. Атом­
ным ж е весом элемента называется вес его атома, в ы ражеьшый в международных кислородных единицах
(кислородная единица равна 1/16 веса атома кислорода).
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
937 Кб
Теги
958
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа