Тимирязев А.К. Внутриатомная энергия. Публичная лекция в Научно-Техническом Клубе 15 февраля 1922 г.

Публичная лекция, прочитанная в Научно-Техническом Клубе 15 февраля 1922 г. и повторенная в клубе Коммунистического Университета имени Я. М. Свердлова 7 апреля 1922 г. Сборник статей "Естествознание и диалектический материализм. —М.: Материалист, 1925, с.50–86

Если мы сравним состояние естественных наук в начале XX столетия с тем, что было сто лет тому назад, нас поразит, на первый взгляд почти необъяснимое, противоречие между блестящими — почти сказочными — успехами самой науки и тем разочарованием, тем недоверием к ней, которое стало развиваться особенно сильно с конца XIX века в широких кругах образованных людей на всем земном шаре.

Более чем сто лет тому назад французский математик Лаплас — один из величайших умов своего века — достигший небывалых успехов в применении математики к изучению движения планет, с юношеским задором и увлечением говорил: "Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, который знал бы взаимные расположения частей, из которых построен мир, и который мог бы обработать эти данные математическим анализом, был бы в состоянии одной и той же формулой охватить движения величайших мировых тел и самого легкого атома: его взору предстало бы сразу и прошлое и будущее!" В этих словах видна уверенность человека, преодолевшего громадные трудности, видна уверенность в том, что, когда будет во всех деталях изучен механизм любого сложного явления, нам удастся путем математического расчета узнать, что будет и что было, подобно тому, как астроном с громадной точностью может предсказать на сколько угодно веков вперед, когда будет затмение солнца или луны, или рассчитать с не меньшей точностью, когда и где были затмения в очень отдаленном от нас прошлом.

Эта бодрая уверенность в своих силах великого ученого подхватывалась тогда, можно сказать, налету всеми мыслящими людьми того времени. Старый буржуазно-капиталистический мир, который на наших глазах трещит и расползается, переживал тогда пору цветущей юности: он спокойно мог заглядывать в будущее: оно было ему не страшно, а потому и убежденный голос ученого, уверенного в грядущих победах науки, был близок и понятен.

Как мало походит эта картина на то, что происходит теперь и происходило в сравнительно недавнем прошлом на наших глазах. Наука достигла таких успехов, которые превзошли самые смелые ожидания; реальной основы для уверенности в будущих успехах сейчас гораздо больше, чем во времена Лапласа, — и в то же время, как часто мы видим попытки изобразить новые успехи науки, как ее крушение, как ее банкротство, как признак ее растущей слабости, и эти явления наблюдаются уже не один десяток лет. Надвигающаяся социальная революция заставила тех, кто ее предвидел и кто никак не может с ней примириться, повернуть назад: им не по пути с наукой, которая не может остановиться, которая вынуждена идти вперед, так как иначе она перестанет быть наукой. Тому, кто зашел в тупик, из которого нет выхода, хочется думать, что все и везде зашло в тупик. Этим и только этим можно объяснить себе радостные крики о мнимом банкротстве науки, которые в начале XX столетия стали раздаваться все громче и громче, несмотря на то, что наука идет от победы к победе.

Вот мысли, которые невольно приходят на ум, когда вспоминаешь, с каким злорадством, с каким глумлением над наукой было встречено открытие радиоактивных явлений, детальное изучение которых привело к открытию внутриатомной энергии, т.е. как раз к тому, что составляет тему нашей сегодняшней беседы.

Замечательное открытие радиоактивных процессов старались изобразить, как крушение двух основных законов, на которых покоится современное естествознание: закона сохранения вещества и закона сохранения энергии. Ученые утверждали, говорилось тогда — лет двадцать тому назад, — что вещество-материя не уничтожается и не созидается, — а вот из радия и других похожих на него тел беспрерывно вылетают материальные частицы, а вес радия от того не убывает! Ученые утверждали также, что и энергия не уничтожается и не созидается, — и вот тот же радий выделяет непрерывно энергию в форме тепла, при чем источник этот не иссякает!

В популярно-научных книжках, в газетах и так называемых толстых журналах с нескрываемым злорадством заговорили, что всю науку надо создавать сызнова, а может быть и вообще ее нельзя будет создать, что мы вообще ничего не можем знать и т. д.

Надо отдать справедливость специалистам ученым — они, нисколько не смущаясь этими досужими философствованиями, продолжали заниматься делом, и за 20 — 25 лет упорного тяжелого труда им удалось создать новую главу физики — учение о строении атома.

Впервые о радиоактивных явлениях ученый мир узнал из доклада Анри Беккереля (теперь уже умершего), — доклада, который им был прочитан на заседании парижской академии 24 февраля 1896 года.

История этого исследования такова. Всего за несколько месяцев перед тем Рентген открыл новые лучи, носящие и по сей день его имя. Эти лучи получались из стеклянных трубок, наполненных разреженным газом при пропускании через них электрического тока. При действии такой трубки, т.е. при прохождении электрического тока через нее, стекло самой трубки светится зеленовато-желтым светом. С этим характерным свечением тесно связывали появление невидимых глазу лучей Рентгена, действующих на фотографическую пластинку. С другой стороны, это видимое свечение стекла напоминало т.н. фосфоресценцию некоторых солей урана, т.е. способность этих солей испускать свет и притом также зеленовато-желтой окраски под влиянием лучей света того или другого источника.

Беккерель решил попробовать, не будут ли фосфоресцирующие соли урана испускать лучи, похожие на лучи Рентгена. Он завернул в черную, непроницаемую для видимого света, бумагу фотографическую пластинку (лучи Рентгена действуют на фотографическую пластинку так же, как и видимые лучи) и положил на нее препарат урановой соли, которая была освещена лучами солнца.

Через несколько часов на пластинке появилось, после проявления, темное пятно как раз в том месте, где лежал препарат урановой соли. Дальнейшие опыты показали, что свечение урановой соли тут не при чем. Существует ряд солей того же урана, которые не фосфоресцируют, и тем не менее они давали на фотографической пластинке ясный отпечаток и притом независимо от того, освещались ли эти соли светом или нет. Наконец, был получен отпечаток на пластинке, вызванный препаратом, пролежавшим несколько лет в темноте, да и самый опыт был произведен в темной комнате. Далее было установлено, что кроме урана существует целый ряд веществ, обладающих тем же свойством, причем некоторые среди них — как, например, радий, — обладают этим свойством вызывать почернение фотографической пластинки в гораздо более сильной степени, чем уран. Таким образом были открыты так называемые радиоактивные вещества.

Очень скоро однако выяснилось, что действие радиоактивных тел на фотографическую пластинку гораздо сложнее, чем это по началу думал Беккерель. Если поместить небольшое количество соли радия R (см. рис. 1) в углублении, сделанном в куске свинца Q, задерживающего излучения радия, то на завернутой в черную бумагу фотографической пластинке P, помещенной над углублением, получается маленький след в γ как раз против углубления.

Если, однако, пучок лучей радия пропустить между двумя металлическими пластинами — S и T, соединенными с полюсами электрической машины, то на фотографической пластинке вместо одного пятна — γ получается три: α, β и γ. Одно — γ — остается на прежнем месте, другое — β — смещено в сторону положительно заряженной пластинки S и, наконец, третье смещено в противоположную сторону α, но смещено значительно меньше, чем пятно β. Это явление объяснили так: радий испускает три рода лучей — их назвали тремя первыми буквами греческого алфавита α, β и γ, при чем по существу одни только γ-лучи заслуживают названия лучей: это лучи Рентгена. Таким образом, как мы видим, поиски Анри Беккереля были не напрасны. Что касается α и β-лучей, то это не лучи, а потоки заряженных электричеством частиц, при чем α-частицы заряжены положительным электричеством, оттого они и притягиваются отрицательно заряженной пластинкой Т (см. рис. 1). Частицы β заряжены противоположным электричеством, поэтому они отклоняются в противоположную сторону, а кроме того, так как они примерно в восемь тысяч раз легче α-частиц, они отклоняются значительно сильнее. Эти β-частицы представляют собой так называемые электроны, которые входят в состав любого атома любого вещества. Они сами по себе представляют громадный интерес, но в интересующем нас сейчас вопросе они играют значительно меньшую роль, чем частицы α.

В 1903 году знаменитый химик сэр Вилиам Крукс сделал открытие, позволившее наглядно доказать частичную природу α-лучей, т.е. показать, что это поток отдельных частиц. Крукс построил следующий прибор (см. рис. 2,I). В трубке В на небольшой игле R смазанной клеем, прикрепляется еле видимая глазу крупинка радиевой соли. Недалеко от кончика иглы на дне трубки помещается пластинка C, покрытая слоем сернистого цинка; в противоположный конец трубки вставлено увеличительное стекло А. Если теперь в хорошо затемненной комнате мы будем рассматривать экран сернистого цинка, лежащий на дне трубки, то мы увидим все поле зрения усеянным вспыхивающими и сейчас же гаснущими искрами (рис. 2, II). Каждая искра есть результат удара одной α-частицы. Крукс назвал этот новый прибор по установившейся в науке привычке греческой кличкой: "спинтарископ", что значит — наблюдающий искры.

Мы можем с уверенностью говорить — и сейчас мы увидим, какие у нас к тому основания, — что каждая вспышка есть результат удара отдельного атома, так как оказалось, что α-частица есть заряженный положительным электричеством атом гелия, одного из так называемых благородных газов. По этому поводу на первых же порах после открытия Крукса посыпались возражения: как может невидимый глазу атом вызывать вспышку легко видимую - и даже не в микроскоп, а в обыкновенную лупу?

Это сомнение Крукс разъяснил очень простым и красивым сравнением. Если вы бросите, говорил он, в пруд маленький камень, то в том случае, когда камень попадет в воду далеко от вас, вы его перестанете различать глазом и в то же время вы ясно увидите те круги, которые расходятся по воде. Благодаря огромным скоростям, с которыми двигаются α-частицы, они вызывают сильное возмущение на большом протяжении вокруг места удара, и поэтому светлое пятно, сопровождающее это возмущение, может иметь значительные размеры.

Остановим теперь на время наше внимание на том, каким образом было доказано, что α-частицы представляют собой атомы гелия. В том же 1903 году, когда Крукс построил свой спинтарископ, спустя несколько месяцев, Рамзай и Содди показали, что радий выделяет из себя кроме тяжелого газа, называемого эманацией радия, еще и легкий газ гелий, атомы которого только в 4 раза тяжелее самого легкого из атомов — атома водорода. Эманация обладает также радиоактивными свойствами, как и радий и уран: из нее выстреливаются &-частицы, которые можно наблюдать при помощи спинтарископа. Эта эманация выделяет в свою очередь гелий. Если наполнить чистую запаянную стеклянную трубочку эманацией, то через некоторое время там оказывается гелий.

Все это дало повод Содди сделать предположение, что атом радия разрывается на две части: α-частицу и атом тяжелого газа, названного эманацией радия; в свою очередь атомы эманации, взрываясь, дают по одной α-частице и по одному атому вещества, названного радием A [Впоследствии был установлен длинный ряд последовательных превращений радия. В настоящее время установлено, что конечный продукт в этом ряде — обыкновенный свинец].

Что касается α-частиц, то невольно напрашивается мысль, не тождественны ли эти частицы с атомами гелия? Ведь все радиоактивные вещества, выделяющие α-частицы, присутствие которых можно установить с помощью спинтарископа, выделяют и гелий. Тем наука и сильна, что каждое предположение, каждая смелая догадка сейчас же подвергается самой строгой и всесторонней проверке. Рассмотрим четыре независимых друг от друга доказательства того, что α-частица и атом гелия — одно и то же.

Начнем с опытов, проделанных Рутерфордом и Ройдсом. В тонкую стеклянную трубку А (см. рис. 3) со стенками толщиною в 1/100 миллиметра вводят небольшое количество эманации радия. Стенки трубки настолько тонки, что сквозь них могут проходить α-частицы; по крайней мере, прикладывая снаружи к наполненной эманацией трубки А пластинку, покрытую сернистым цинком, можно без труда заметить на ней вспышки, как и в круксовом спинтарископе.

Трубка А впаяна в сосуд К, из которого выкачан воздух. Через несколько дней сосуд К заполняется ртутью; для этого поднимают сосуд со ртутью С и содержимое сосуда К вгоняется в маленькую трубочку EDF. При пропускании электрического разряда через EDF можно было обнаружить спектр газа гелия. Таким образом в сосуде К, куда сквозь тонкую стеклянную стенку проникали α-частицы, оказывался гелий, которого раньше там не было. Но можно возразить: может быть, гелий проходит через стекло независимо от α-частиц или, может быть, α-частицы пробивают стекло, а вслед за ними уже проходит гелий? Чтобы устранить эти возражения, Рутерфорд и Ройдс удаляли из трубки А эманацию и накачивали в нее под повышенным давлением гелий. Результат получился отрицательный: никаких следов гелия нельзя было обнаружить в сосуде К или в трубке EDF.

Переходим ко второму доказательству. Уже значительно раньше, чем были открыты радиоактивные вещества, были известны способы, правда, довольно сложные, которые позволяли измерять число атомов, заключающихся в кубическом сантиметре любого газа. Эти разнообразные приемы, представляющие собой сочетание непосредственных измерений с математическими расчетами, дают для числа атомов в кубическом сантиметре при нуле градусов и нормальном давлении атмосферы число, которое трудно себе наглядно представить, именно: двадцать семь с лишним триллионов! или 27.200.000.000.000.000.000. Хотя курс нашего советского рубля и приучил нас к операциям с большими числами, но с такого рода числами нам все-таки не приходится иметь дело! Всякий, кто сам не работал в этой области науки, готов подумать, что приведенная нами цифра фантастична — так думали и некоторые из ученых, — хотя в защиту этих расчетов можно привести хотя бы и то соображение, что очень близкие к указанному числа получаются совершенно независимыми друг от друга путями, и число таких независимых друг от друга путей в настоящее время уже более десяти. Как бы то ни было, Круксов спинтарископ позволяет непосредственным подсчетом проверить все эти выкладки. В самом деле, подсчитаем число искр, получающихся из очень малого, но известного нам по весу, количества радия за какой-либо определенный промежуток времени, скажем, 5-10 минут; тогда нетрудно рассчитать, сколько выделится α-частиц в год любым количеством радия. С другой стороны, соберем из определенного количества радия выделившийся за год гелий и смерим его объем. Путем деления числа частиц на полученный объем мы узнаем, сколько α-частиц — или атомов гелия — приходится на один кубический сантиметр. Оказывается, что это число очень близко к 27.200.000.000.000.000.000! Таким образом мы имеем замечательное подтверждение атомной теории и кроме того еще лишний довод, что α-частица и атом гелия — одно и то же.

Переходим к третьему способу проверки. Радиоактивные вещества получаются нами в ничтожных количествах. Для изучения их, по мысли недавно умершего химика Рамзая, были построены специальные "микровесы", на которых с большой точностью можно взвешивать ничтожно малые количества вещества. Таким образом удалось установить, что эманация радия имеет атомный вес 222, тогда как сам радий имеет атомный вес 226. Разница равна 4, т.е. как раз равна атомному весу гелия. На опыте было установлено, что радий превращается в эманацию и гелий. Непосредственное измерение атомных весов подтверждает, как нельзя лучше, сделанное предположение о том, что атом радия разрывается на две части, которые представляют собой атом гелия и атом эманации.

Кроме того, на этих весах можно было наблюдать уменьшение веса радия, сопровождающее выделение гелия и эманации, потеря в весе оказалась равной весу выделенной эманации и гелия. Таким образом никакого противоречия с законом сохранения вещества не оказалось. Эти непосредственные измерения убыли веса, вместе с целым рядом более косвенных данных, показали, что радий распадается очень медленно, что от одного грамма его через 1.850 лет останется еще полграмма. Немудрено, что при таком медленном разложении, на первых порах совсем не заметили потерю в весе, и что удалось эту потерю заметить только тогда, когда были построены специальные весы.

Наконец, переходим к четвертому доказательству тождества α-частицы и атома гелия. Мы уже видели, как подсчитываются α-частицы. Если мы это число знаем, то можно измерить их электрический заряд, заставляя падать на металлическую пластинку, соединенную с электрометром, поток α-частиц, в котором число было уже ранее подсчитано методом спинтарископа. Если мы таким образом выяснили величину положительного заряда α-частицы, то, измеряя отклонения потока α-частиц, вызванные электрическим полем (см. рис. 1) и производя аналогичный опыт с отклонением потока при помощи электромагнита, можно измерить массу частицы и ее скорость. Что отклонение α-частицы должно зависеть от массы следует из того, что, имея в распоряжении определенную силу, мы сможем вызвать значительно большее отклонение у малой массы, чем у большой. Так, например, если мы ударим крокетным молотком под прямым углом к направлению скорости катящегося шара, то мы добьемся несравненно большего успеха в том случае, когда перед нами будет катиться деревянный крокетный шар, чем таких же размеров старинное чугунное пушечное ядро.

Далее, отклонение будет зависеть также от скорости движения. При большой скорости даже значительная сила не успеет подействовать: движущийся снаряд будет находиться в поле действия ее очень незначительный промежуток времени.

Теория показывает, что, сделав оба опыта, т.е. измерив отклонения электрическим и магнитным полем, мы можем найти как массу, так и скорость α-частиц. Для этого однако необходимо знать величину заряда, так как чем больше заряд, тем больше отклоняющее действие электрического и магнитного поля, но эту третью неизвестную, как уже было указано, нетрудно определить независимым образом, измеряя заряд известного числа частиц. Произведенные Рутерфордом опыты с отклонением α-частиц подтвердили прежние предположения: масса α-частиц оказалась равной массе атома гелия. Таким образом, четырьмя независимыми друг от друга способами доказывается тождество α-частиц и атомов гелия. Мы остановились на изложении этих опытов для того, чтобы показать, как тщательно проверяются в современной науке все предположения и догадки, прежде чем их, так сказать, пускают в дело. Последний способ определения массы α-частицы интересен тем, что мы попутно измеряем скорость, с которой движутся α-частицы. Эта скорость оказалась громадной — около 20.000 верст в секунду.

Чтобы заставить двигаться с такой громадной скоростью хотя бы и один атом, требуется затрата энергии. Частица с этой громадной скоростью вылетает из атома радия — значит, в нем был запас энергии, достаточной для сообщения этой скорости; в нем должна была заключаться вся та энергия, которая проявилась в летящем атоме, вызывающем при ударе о сернистый цинк видимую глазу вспышку, подобно тому, как в том взрывчатом веществе, которое находится в заряженном орудии сосредоточена энергия, которую проявляет вылетевший снаряд.

Мы подходим, таким образом, вплотную к вопросу о внутриатомной энергии, мы можем даже подсчитать ее. В самом деле, мы видели, как подсчитывается число атомов гелия, выделяющихся из данного весового количества радия, мы знаем массу этих частиц и, наконец, знаем скорость, а этих данных вполне достаточно, чтобы определить общее количество энергии, проявляющееся в этих летящих осколках атомов радиоактивных веществ; так же как, зная скорость и массу, мы определим энергию каждого летящего снаряда, а зная число снарядов, узнаем и общую переносимую ими энергию. На следующей таблице приведем данные для радия и его ближайших продуктов распада, при чем энергия α-частиц выражена в калориях. На той же таблице приведены количества энергии, выделяемые β и γ-лучами, но мы видим, что их энергия составляет всего 8% общего количества, а потому мы можем в первом приближении с ней не считаться. .

Табл. I. Количество энергии, выделяемое радием в час, рассчитанное на 1 грамм радия и выраженное в калориях (малых).   

Наряду с этим расчетом можно энергию α-частиц (а также и β-частиц и γ-лучей) измерить непосредственно и притом прямо в калориях. Если мы поместим препарат радия в свинцовую оболочку, то эта оболочка задержит летящие частицы — их энергия перейдет в тепло, подобно тому, как энергия ударов молота превращается в тепло, когда мы ударяем молотом по железной полосе. На рис. 4 изображен прибор, в котором производится измерение выделяемого радием тепла. Препарат радия, завернутый в свинец, опускается в трубочку R внутри колбы А. Выделяющееся тепло согревает воздух колбы А и вытесняет жидкость в манометре из колена С1 в С2; тогда в трубку W вводят проволоку, по которой пропускают электрический ток, силу его подбирают так, чтобы уровни в манометре C1 и C2 выровнялись. .

[Подбирая надлежащим образом толщину свинцовой оболочки, можно добиться того, что поглощаться будут одни только α-частицы, тогда нагревание будет зависеть только от них. Если же взять оболочку потолще, то можно поглотить и β-частицы и наконец и γ-лучи, и таким образом измерить выделяемое ими тепло.] .

В этом случае количество тепла, выделяемое током, которое легко подсчитывается по силе тока и сопротивлению проволоки, должно равняться теплу, выделяемому радием. Проделанные несколько раз тщательные измерения показали, что на один грамм радия (при поглощении лучей всех трех типов) в час приходится 134 малых калории. Таким образом, опыт блестящим образом подтвердил приведенные в табл. I расчеты. Для того, чтобы нагляднее представить себе количество энергии, выделяемое одним граммом радия в час, вспомним, что для нагревания одного кубического сантиметра воды, т.е. количества, свободно помещающегося в наперстке, от нуля градусов, т.е. от температуры замерзания, до температуры кипения требуется 100 малых калорий, т.е. на 30% меньше, чем радий дает в час. Итак, мы можем сказать, что в один час грамм радия выделяет тепла приблизительно столько, сколько его требуется, чтобы вскипятить наперсток ледяной воды.

Сколько может выделить всего энергии один грамм радия? Мы уже видели, как медленно разлагается радий: через 1.850 лет остается половина. Таким образом, если мы имеем 1 грамм, который выделяет 134 калории, то через 1.850 лет радия останется 1/2 грамма и в час он будет выделять 67 калорий. Отсюда нетрудно рассчитать, сколько всего выделит радий, прежде чем он не превратится нацело в свинец и гелий. Для одного грамма это выходит 3.700.000.000 малых калорий или 3.700.000 больших. Один грамм бакинской нефти при сгорании дает 11 больших калорий. Отсюда видно, насколько запасы внутриатомной энергии превосходят известные нам запасы, заключенные даже в лучших видах топлива.

Но вся беда в том, что, во-первых, радия очень мало и его нелегко добывать, а, во-вторых, его энергия, как мы видели, выделяется очень медленно: хуже чем в час по столовой ложке! До сих пор физикам не удалось ускорить этого процесса. Радий пробовали нагревать до нескольких тысяч градусов, охлаждать до 200 градусов мороза, подвергали действию громадных давлений... ничего не помогает! А между тем простой расчет показывает, что, если бы израсходовать эти 3.700.000 больших калорий не в несколько тысяч лет, а в две недели, то запаса энергии, находящегося в одном грамме радия, занимающего объем мелкой горошины, хватило бы на непрерывную работу двигателя в 5 лошадиных сил на две недели! Не правда ли, заманчивая картина? И притом в этой картине пока фантастичен только быстрый расход энергии, количество же энергии и самый факт ее существования в атомах радия — прочно установлены. Может быть, конечно, мы в подсчете ошибаемся на десяток процентов в ту или другую сторону, но это ведь совсем не изменяет дела.

Сделанный нами подсчет показывает кроме того, что количество энергии, заключенной в атомах, огромно, но не безгранично и что не было никакого смысла кричать о противоречиях с законом сохранения энергии.

Обратимся теперь к дальнейшим работам Рутерфорда и его учеников. Эти работы привели к искусственному разложению атомов нерадиоактивных тел и к выделению из них внутриатомной энергии. Начиная с 1908 года в лаборатории Рутерфорда были поставлены исследования, выясняющие, как α-частицы проходят сквозь тонкие слои материи того или другого вида. Прежде всего α-частицы, летевшие параллельным пучком, после прохождения через тонкий слой материи — например, прокатанный листок металла — рассеиваются в разные стороны. Искры на поставленном на их пути экране сернистого цинка оказываются рассеянными на значительном пространстве, вместо прежнего резко ограниченного пятна. Это объясняется тем, что, пролетая вблизи ядра какого-либо из атомов заряженного положительным электричеством, α-частица, заряженная также положительным электричеством, претерпевает сильное отталкивание. Степень рассеяния, наблюдаемая в прошедшем через слой металла пучке, зависит от величины зарядов, находящихся в ядре атома. Поэтому, изучая распределение частиц в прошедшем через определенный слой металла пучке, можно вывести важные заключения о заряде ядра атома. Таким образом было установлено, что чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, который нейтрализуется отрицательными зарядами электронов, вращающихся вокруг ядра на подобие планет, движущихся вокруг солнца. Отклоняются α-частицы по преимуществу только ядрами атомов, так как ядра обладают для элементов с атомным весом более 4 массой большей, чем α-частицы. Электроны же очень легки, они сами смещаются при прохождении α-частицы, заметно не влияя на ее путь. Но нас сейчас интересует не эта сторона дела; наблюдая искры, можно показать, что прошедший пучок α-частиц будет не только расходящимся, но и не все частицы пройдут насквозь: часть будет отброшена назад, т.е. мы заметим искры, если поставим экран спереди — с той стороны, где пучок частиц входит в поставленную на его пути пластинку. Что же это значит? Это значит, что когда атом гелия налетает в упор на самый центр атома, на его ядро — он отбрасывается назад. Число таких случаев очень невелико, и это показывает, что размеры ядра атома очень малы и на основании только что упомянутых опытов мы можем их измерить. Представьте себе проволочную решетку или сетку и представьте, что мы начинаем бросать в эту сетку пригоршнями сухой песок: часть песчинок пролетит в отверстие сетки, часть же, ударившись о проволоки, полетит обратно. Взвесив общее количество песчинок, отброшенных назад, и сравнив с весом пролетевших сквозь сетку, мы можем судить о том, сколько места в сетке занимали проволоки и какая часть приходится на отверстия. Так как методом спинтарископа можно определить, какая доля общего числа α-частиц отражается обратно, то можно подсчитать, как велика площадь непроницаемого в данном листке металла, а так как мы знаем число атомов в любом количестве вещества, то можно подсчитать, какая площадь чего-то непроницаемого для α-частиц приходится на долю каждого атома.

Из данных опыта вытекает, что в среднем радиус ядра атома равняется приблизительно трем миллионным долям от миллионной доли сантиметра!

Представить себе наглядно такую маленькую величину чрезвычайно трудно. Но именно из этого маленького ядра и вылетают положительно заряженные атомы гелия — α-частицы и электроны, заряженные отрицательно — β-частицы. При превращении атома радия в свинец из него вылетает 5 α-частиц и 2 электрона. Принимая во внимание заряд α-частиц и то малое пространство, на котором они сосредоточены, мы приходим к выводу, что между α-частицами должны действовать громадные силы отталкивания, так как сила электрического притяжения и отталкивания быстро возрастают с уменьшением расстояния между зарядами. [У нас есть данные, что на очень малых расстояниях обычный закон притяжения и отталкивания неприложим, но вплоть до расстояний, сравнимых с радиусом непроницаемого ядра, упомянутого в тексте, приложим обычный закон Кулона.] Эти силы и сообщают те громадные скорости, какие мы наблюдаем в явлениях радиоактивного распада. Таким образом два факта: измеренная величина зарядов и малое пространство, на котором эти заряды сосредоточены, объясняют, почему в атоме имеется такой большой запас энергии.

Но сейчас является возражение: а что же удерживает эти заряды, пока взрыв атома еще не произошел? Это возражение не трудно обойти; ведь кроме положительных зарядов в ядре находятся и отрицательные: при радиоактивных процессах выстреливаются атомом и электроны, только положительных зарядов всегда больше в ядре — ядро всегда имеет положительный заряд. Не надо обладать большой фантазией, чтобы представить себе такое расположение положительно и отрицательно заряженных частей, чтобы притяжение разноименных зарядов как раз уравновешивало бы отталкивание одноименных. Такая группа может быть устойчива только при определенном расположении ее частей, стоит только некоторым частям немного сместиться — и вся система, перестав быть устойчивой, разлетается в разные стороны.

Подобные модели неоднократно предлагались учеными; конечно, сейчас никто не может поручиться, что ядра атомов построены именно так: мы имеем пока что еще очень мало данных о строении ядра, но, как и всякая модель, они имеют ту ценность, что дают нам возможность понимать то, что происходит в действительности. Раз мы знаем, что такая модель возможна, для нас уже в той реальной действительности, которую мы наблюдаем, нет больше ничего таинственного и непонятного, и, кроме того, мы получаем новый стимул, заставляющий нас искать новых опытных доказательств, выясняющих сходства или различия действительного атома и придуманной нами модели.

В опытах, о которых у нас шла речь, атомы гелия, вылетающие из взрывающихся атомов радиоактивных тел, пролетали мимо ядер атомов, имевших значительную массу по сравнению с атомом гелия; а что случится, если пропустить поток атомов гелия или α-частиц через слой, занятый более легкими атомами, например, атомами водорода? Ясно, что если атом гелия налетает в упор на в четыре раза более легкий атом водорода, то этот атом водорода должен начать двигаться со скоростью, значительно превосходящей скорость α-частицы. Расчет, выполненный Дарвином (внуком знаменитого Чарльза Дарвина), показывает, что при наиболее благоприятном столкновении — при лобовом ударе, скорость атома водорода должна превосходить скорость α-частиц в 1,6 раз, т.е. более чем в полтора раза. Но как проверить этот расчет? Конечно, можно было бы попытаться измерить скорость атомов водорода, получивших эту скорость благодаря бомбардировке водорода α-частицами, отклоняя эти частицы магнитным и электрическим полем — это и было с успехом выполнено Рутерфордом в 1920 году, — но оказывается, что существует гораздо более простой и удобный способ для измерения скоростей частиц, способных вызывать искры в спинтарископе.

Если в спинтарископе (см. рис. 1) мы будем отодвигать иглу R от экрана все дальше и дальше, то при некотором определенном расстоянии иглы от экрана искры вдруг пропадают — это расстояние, которое нетрудно бывает определить с большой точностью, называется средним пробегом α-частицы. Пролетая через воздух, частицы теряют постепенно свою скорость, а когда скорость достигнет значений немного меньших некоторой вполне определенной величины, свечение вдруг исчезает. В зависимости от величины начальной скорости, т.е. от той скорости, которая получается при взрыве атома, мы будем иметь различной длины средний пробег. Так для самого радия средний пробег выделяемых им α-частиц равен 33 миллиметрам, для эманации этот пробег оказывается равным 41,6 миллиметра; для радия С — 70 миллиметров. Так как различные виды радиоактивных тел выстреливают α-частицы с разными скоростями, т.е. дают α-частицы с средним пробегом различной длины, то по длине пробега можно определить, что служит источником этих α-частиц. На этом принципе основан способ определения радиоактивных веществ — это один из методов радиоактивного анализа.

Непосредственные измерения скорости α-частиц, о которых у нас уже шла речь, показали, что средний пробег в очень сильной степени зависит от начальной скорости данной группы частиц. Если скорость уменьшить вдвое, то пробег уменьшится в 2х2х2=8 раз.

Поэтому по величине среднего пробега, т.е. определяя наибольшее расстояние, при котором искра еще видна между источником и экраном, на котором наблюдаются искры, можно хорошо судить об изменениях скорости, вызванных тем или другим фактором.

Мы только что видели, какие у нас имеются данные ожидать появления быстро движущихся атомов водорода при бомбардировке его α-частицами. В 1914 году Марзден, сделав опыт, нашел, что при бомбардировке водорода получаются частицы с пробегом в 29 сантиметров, по расчету Дарвина так и должно было получиться: α-частицы радия С, которым пользовались для бомбардировки, имеют пробег 7 сантиметров, по Дарвину скорость водородных или "Н-частиц", как их теперь называют, должна быть в 1,6 раз больше, но средний пробег при этом должен увеличиться в 1,6x1,6x1,6=4,1 раз, т.е. должен получиться пробег в 28,7 сантиметров, т.е. очень близкий к тому, что наблюдал Марзден. Эти водородные или Н-частицы дают очень слабую вспышку на экране сернистого цинка, пришлось даже строить специальный микроскоп для их наблюдения, но это имеет и свои хорошие стороны: опытный глаз без труда различает α-частицу от Н-частицы, т.е. на глаз может сказать, ударился ли об экран атом гелия или атом водорода!

Дальнейшие опыты показали, что водородные частицы получаются не только из водорода, но и из целого ряда других тел: из азота, натрия, алюминия, фосфора и притом независимо от того, находятся ли эти тела в чистом виде или в виде химических соединений.

Таким образом систематическое исследование прохождения α-частиц через слои того или другого вещества привело к открытию искусственного разложения атомов. Быстро летящие α-частицы могут разбивать атомы азота, натрия, алюминия и т.д., выбивая из них входящие в их состав атомы водорода. [При бомбардировке кислорода, кальция и серы получаются какие-то другие частицы, природа которых еще не установлена. Вообще выбивать атомы водорода удалось пока из легких атомов до фосфора (атомный вес 31) включительно, при чем водород выбивается из атомов, имеющих атомный вес 4n+1, 4n+2, 4n+3, где n целое число; атомы типа 4n не дают водородных частиц: например, кислород 16 (n=4) и сера 32 (n=8). Это дает некоторое основание для гипотезы, что водородные атомы могут образовать очень стойкие группы по 4 атома — атом гелия, из которых нельзя выбить ни одного атома водорода теми средствами, какими мы в настоящее время располагаем.] На первых же порах было установлено, что выбиваемые α-частицами из атомов азота, бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора водородные частицы имеют больший свободный пробег, чем водородные частицы, полученные непосредственной бомбардировкой водорода. Это было доказано Рутерфордом с помощью весьма несложного прибора (см. рис. 5). Латунный диск R покрывался налетом радия c, дающего α-частицы с пробегом в 7 сантиметров; трубка Т наполняется чистым водородом; окошко S закрывается листком серебра, толщина которого подбирается так, чтобы на экране сернистого цинка не появлялось больше искр, что можно установить с помощью микроскопа специальной конструкции М. Таким образом, листок серебра задерживает все частицы с пробегом в 29 сантиметров и меньше. Если теперь в трубку Т вместо водорода внести азот, то искры вновь появляются, а, перемещая источник R или экран Z, можно показать, что средний пробег водородных частиц, выбитых из азота, будет около 40 сантиметров. Помещая перед источником α-частиц R в Q листок алюминия, мы получаем Н-частицы с пробегом в 80 даже 90 сантиметров! Что это доказывает? Это доказывает, что атомы водорода, входившие в состав атомов азота и алюминия, получают энергию не только от α-частицы при ударе, но сверх того они обладают запасом внутри атомной энергии, которую они несут с собой, вылетая из искусственно разрушенного атома. В самом деле, если бы они этой энергией не обладали, то от удара α-частицы они могли бы получить скорость, соответствующую maximum 29 сантиметрам пробега, а для атома водорода, выбитого из атома алюминия, пробег равен 80-90 сантиметрам! Расчет показывает, что от 25% до 45% всей энергии водородных частиц, выбитых из атома алюминия, должно быть отнесено на долю освобожденной внутриатомной энергии атомов алюминия.

Сделаем теперь самый скромный подсчет энергии, освобождаемой при разрушении атома алюминия, т.е. возьмем меньшую цифру 25%. Это значит — цифры, приведенные нами для радия, надо разделить на 4; но не забудем, что атом алюминия почти в 10 раз легче атома радия; поэтому в одном грамме алюминия будет в 10 раз больше атомов, следовательно, при расчете на 1 грамм надо умножить все цифры на 10: разделить на 4 и умножить на 10 — значит умножить на 2 1/2.

Итак, в грамме алюминия находится в 2,5 раза больше энергии, чем в грамме радия, предполагая, что процесс распада радия оканчивается свинцом.

Таким образом, внутриатомная энергия содержится не в одних только атомах радиоактивных тел. Если оценить с экономической точки зрения этот искусственный процесс разложения атомов алюминия, то он далеко не блестящ; во-первых, нам нужен источник α-частиц, а скоростью радиоактивного распада мы еще не умеем управлять, и во-вторых, искусственно вызванный распад получается очень редко: на полмиллиона столкновений α-частиц с атомами алюминия только одно бывает благоприятное в том смысле, что атом разбивается. Как будто α-частица должна попасть в какое-то особое, так сказать, уязвимое место атома, чтобы вызвать процесс распада атома.

Но, как бы то ни было, успех, достигнутый Рутерфордом, громадный: впервые рукой человека разбит атом; до сих пор мы могли только наблюдать естественные процессы распада, — теперь мы этот процесс вызываем и при том в обыкновенных, нерадиоактивных телах. Эти опыты несомненно составят эпоху в истории физики.

Но что же будет дальше? Можно ли надеяться овладеть этим процессом? Возможно, что вызываемые в электрических разрядных трубках потоки атомов — так называемые положительные лучи, — когда мы научимся сообщать им скорости такие же, какие имеют α-частицы, — помогут нам разбивать атомы — это вполне возможно, но поручиться за это пока еще, конечно, нельзя.

А пока приходится поневоле терпеливо ждать, прилагая все усилия к детальному изучению вновь открытых явлений. В науке, так же как и в экономической политике, приходится часто отказываться от штурма и переходить к правильной осаде. Но чем же, спрашивается, занимаются сейчас те ученые, которые открыли эти замечательные явления? Судя по последним известиям, Рутерфорд исследует теперь, по каким направлениям вылетают водородные частицы из алюминия при бомбардировке их α-частицами. Любой практик, который, узнав о существовании внутриатомной энергии, ждет — не дождется, когда наконец можно будет носить годичный запас топлива для большого завода у себя в кармане, скажет, что Рутерфорд занимается пустяками. А разве не пустяки были с точки зрения близорукого практика опыты Анри Беккереля с действием урана на фотографическую пластинку? И, тем не менее, эти пустяки открыли существование несметных запасов внутриатомной энергии! Я этим вовсе не хочу сказать, что наука не должна быть связана с жизнью и техникой; наоборот — мысли ученого невольно приспособляются к тем техническим средствам, какими он располагает. Талант ученого в том и состоит, чтобы использовать все, что у него есть под рукою для открытия в природе того нового, что явится фундаментом для будущей техники. Потому-то так часто и приходится отказываться от штурма очень заманчивых позиций. Чем лучше ученый умеет использовать то, что у него в руках, тем скорее он приходит к изобретению новых средств, новых технических орудий, позволяющих итти все дальше и дальше. Всякое на вид ненужное специальное исследование, производимое с надлежащей строгостью в лаборатории, есть первая разведка для техники. И вот поэтому в деле использования того, что существует в природе, мы добиваемся прочных успехов только тогда, когда впереди техники идет наука! .