Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20/2004

«Все атомы любого элемента неизменны и имеют один и тот же вес» – так гласил постулат классической атомистики. Между тем в XIX в. появлялись идеи, согласно которым все же могли существовать атомные разновидности.

Важную роль в развитии атомистических представлений сыграла гипотеза, сформулированная английским естествоиспытателем У.Праутом в 1815–1816 гг.: все элементы имеют единое происхождение (состоят из первичной материи – протила), и их веса точно кратны атомному весу водорода, принимаемому за единицу. Признание целочисленности атомных весов тем самым приводило к отрицанию возможности существования разновидностей атомов у тех или иных химических элементов. Предположение Праута на протяжении нескольких десятилетий подвергалось многочисленным экспериментальным проверкам. Однако в подавляющем большинстве случаев величины атомных весов элементов в большей или меньшей степени отклонялись от целых чисел. Уже в 1860-х гг. этот факт был в достаточной мере очевиден.
Спустя много лет Ф.У.Астон (один из главных героев настоящего очерка) так прокомментировал сложившуюся ситуацию. Он полагал правомерным рассматривать две точки зрения: 1) каждый элемент состоит из атомов одинакового веса, но у некоторых элементов вес отдельных атомов нецелочисленный и 2) все элементы состоят из атомов различных весов, но при этом, хотя индивидуальные веса атомов всегда числа целые, их среднее значение оказывается дробным. Одна из этих причин и объясняет нецелочисленность атомных весов элементов.
Однако то, о чем можно было свободно рассуждать в 1920-х гг., шестьюдесятью годами ранее едва ли могло укладываться в сознании физиков и химиков.
И все же «неравноценность» атомов химических элементов служила иногда предметом внимания некоторых ученых последних десятилетий XIX в. Историки науки вспоминают имя выдающегося немецкого химика Ф.А.Кекуле. В 1865 г. он высказывался следующим образом: «Можно было бы, например, спорить с тем, что атомы одного и того же элемента совершенно одинаковы по своей величине и весу; можно было бы принять, что они имеют веса, слегка различные, колеблющиеся в очень узких границах. Атомы каждого элемента относились бы тогда друг к другу, как зерна какого-либо хлебного злака или как яйца одной породы птиц. Можно было бы далее сказать, что если атомы данного элемента не одинаковы, то могло бы случиться так, что часть этих атомов вступит в одну реакцию, тогда как другая часть вступит в другую… при реакциях такого рода как бы происходит просеивание атомов». Впоследствии биографы Кекуле характеризовали его рассуждение как «предчувствие» изотопии.
Упоминают также русского химика Александра Михайловича Бутлерова. Однако основой его суждений была не столько идея о существовании разновидностей атомов, сколько представления о колебаниях атомных весов. Он допускал возможность изменчивости атомного веса лишь при определенных условиях, а именно при вступлении элемента в химическое взаимодействие. Эта идея привлекала внимание ученого довольно продолжительное время, но не воплотилась в какой-либо конкретный результат.
Исследователем, который действительно стоял на пороге предвидения существования разновидностей атомов, стал английский физик Уильям Крукс (он уже упоминался в нашем повествовании, см.: «Химия», № 5/2004).
Перечень заслуг Крукса впечатляющ. Он открыл химический элемент таллий (1861), участвовал в обнаружении земного гелия (1895), едва ли не первым наблюдал, что радиоактивный распад сопровождается превращаемостью элементов. На протяжении многих лет изучал катодные лучи и стал одним из тех ученых, чьи труды в конечном итоге привели к открытию электрона (1897). Он также основал знаменитый журнал «Chemical News» (1865). На страницах этого журнала публиковались и публикуются статьи о новейших достижениях химии.
В 1886 г. Крукс предложил оригинальную гипотезу происхождения химических элементов. Элементы постепенно образовывались, считал Крукс, в результате сгущения «первичной материи» – протила. При быстрой его конденсации рождались элементы, заметно различающиеся по свойствам, при медленной — химически сходные, например, такие, как редкоземельные. Однако гипотеза не была принята всерьез.
Между тем в брошюре, где излагалось содержание этой гипотезы, можно было прочесть: «Вероятно, наши атомные веса представляют только среднюю величину, около которой действительный вес атома колеблется внутри известных тесных пределов… Когда мы говорим, например: атомный вес кальция есть 40, мы, в сущности, выражаем этим, что большинство его атомов действительно имеют атомный вес 40, но немалое их число имеют вес 39 или 41, другие, менее многочисленные, — веса 38 или 42 и т. д.». В 1887 г., выступая в Лондонском химическом обществе, он излагает эту мысль несколько по-другому: «Большинство атомов кальция действительно имеют атомный вес 40, но некоторые — только 39,9 или даже 40,1, другие, менее многочисленные, — 39,8 и 40,2 и так далее». Как видно, интервал колебаний атомных весов сужен от нескольких единиц до десятых долей единицы. Чем вызван такой переход, Крукс не объясняет.
В 1888 г. Крукс предложил заменить понятие «химический элемент» понятием «элементарная группа». Такие группы, по его мнению, должны занять место старых элементов в периодической системе. А ведь это — дополнительный аргумент в пользу того, чтобы рассматривать Крукса подлинным провозвестником существования разновидностей атомов.
Но не Круксу суждено было доказать явление изотопии и окончательно опровергнуть постулат классической атомистики. Это сделали его соотечественники Фредерик Содди и Фрэнсис Астон.
Они родились фактически в одно и то же время: Фрэнсис – 1 сентября, Фредерик – 2 сентября 1877 г. Оба получили солидное образование: Астон закончил Бирмингемский, Содди — Оксфордский университеты. Содди фактически сразу нашел себя в науке: в Монреальской лаборатории Э.Резерфорда он связал свои интересы с изучением радиоактивности. Астон же только в 1910  г. переступил порог Кавендишской лаборатории, возглавляемой Дж.Дж.Томсоном.

Ф.У.Астон (1877–1945)

Пути Содди и Астона пересеклись в 1913–1919 гг., потом они разойдутся окончательно. Астон начнет систематически исследовать явление изотопии у стабильных элементов. Содди же фактически прекратит занятия радиохимией, лишь изредка будут появляться его статьи по частным ее вопросам. Неожиданно он проявит интерес к экономическим, социальным и политическим проблемам. Только незадолго до кончины он опубликует книгу «История атомной энергии» (1949), в которой изложит события глазами одного из творцов этой истории. В 1977 г. книга выйдет в переводе на русский язык. Будет переведена и классическая книга Астона «Масс-спектры и изотопы» – итог его 15-летней работы в области стабильной изотопии.

Ф.Содди (1877–1956)

Астон скончался в ноябре 1945 г. Его уход прошел незаметно, ибо Европа еще не начала приходить в себя после страшной войны. Содди пережил Астона на 11 лет.
Содди стал одним из основателей новой научной дисциплины – химии радиоактивных элементов, или радиохимии (этот термин ввел английский химик А.Камерон в 1910 г.). Содержание науки радиохимии модифицировалось и расширялось с течением времени. В начале прошлого столетия радиохимические исследования главным образом были связаны с открытием новых радиоактивных веществ (радиоэлементов) и изучением их характеристик.
Радиоэлементы обнаруживались в таком количестве, что неизбежно возникал вопрос об их природе. Если их считать самостоятельными химическими элементами, то слишком тесной оказывалась периодическая система, чтобы «рассортировать» такое изобилие. А если это особые материальные образования, не имеющие отношения к истинным элементам? Кстати, такой точки зрения придерживались некоторое время Резерфорд и Содди. Они даже предложили для подобных материальных «частиц» термин «метаболоны». Однако в обиход вошло название «радиоэлементы». В конечном итоге они оказались изотопами природных радиоактивных элементов – полония, радона, радия, тория, урана…
Одни радиоэлементы, различаясь по атомным весам, оказывались чрезвычайно сходными в химических свойствах: их даже не удавалось разделить. Другие, напротив, были химическими «чужаками» при идентичности атомных весов. Например, все эманации (тория, радия и актиния) при различии в атомных весах оказывались инертными газами. И для этой совокупности имелось лишь одно место в таблице Менделеева – в нулевой группе под ксеноном. Были и другие примеры подобных совокупностей. Логичным казалось предположение: они могут найти «пристанище» в строго определенных клетках периодической системы. Но тем самым нарушался ее важнейший структурный принцип: каждому элементу должно соответствовать одно-единственное место. Преодолеть подобное противоречие можно было бы, лишь допустив, что радиоэлементы являются атомными разновидностями нового типа.

Э.Гольдштейн (1850–1930)

В то время, когда Крукс предал гласности свою гипотезу, немецкий физик Эуген Гольдштейн наблюдал новый вид лучей, которые назвал «каналовыми», потому что они выходили через просверленные отверстия («каналы») в катоде газоразрядной трубки (рис. 1). Лучи представляли собой потоки положительно заряженных ионов. До поры до времени ими мало интересовались, львиная доля исследований посвящалась катодным лучам.

Рис. 1. Схема установки для исследования положительных лучей

В конце концов, потоками положительных ионов вплотную занялся Томсон. Это произошло как раз в тот год, когда в его лаборатории появился Астон. Метод, разработанный Томсоном, позволял сортировать частицы, различающиеся по массам: на экране прибора они располагались по параболам (рис. 2). Исследование положительно заряженных ионов неона продемонстрировало наличие двух парабол. Одна отвечала атомному весу 20, другая – 22. В этих числах уже содержался намек на существование двух разновидностей атомов неона.

Рис. 2. Ионные параболы

Наблюдение относилось к январю 1913 г.; Томсон, однако, воздерживался от однозначной интерпретации наблюдавшегося явления. А в сентябре на съезде Британской ассоциации содействия наукам Астон сделал доклад «Новая элементарная составляющая атмосферы». Он пошел дальше осторожного Томсона и достаточно уверенно рассуждал о двух разновидностях атомов неона, одинаковых «во всех своих свойствах, исключая атомный вес». Астона поддержал Содди: «Каждый известный элемент может быть совокупностью неразделимых элементов, занимающих одно и то же место в периодической системе».
Открытие изотопии фактически «висело в воздухе», но, чтобы «опустить его на землю», необходимо было преодолеть определенный барьер. Он заключался в том, что оставалась неясной связь между периодической системой элементов и моделью строения атомов Резерфорда–Бора.
И вот 27 ноября появляется статья голландского исследователя А.Ван ден Брука «Внутриатомный заряд». Вывод, который следовал из нее, имел фундаментальную важность: порядковый номер элемента в системе численно равен заряду ядра его атома. Реакция Содди была мгновенной. Уже 4 декабря он публикует статью под аналогичным названием: «Одна и та же алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов в ядре (Содди исходил из протонно-электронной модели ядра атома. – Д.Т.), когда их арифметическая сумма различна, дает то, что я называю “изотопы”, или “изотопические элементы”, потому что они занимают одно место в периодической системе. Они являются химически идентичными и тождественны физически, кроме небольшого числа нескольких физических свойств, которые прямо зависят от атомной массы. Единичные изменения этого ядерного заряда, подсчитываемые алгебраически, дают последовательные места в периодической системе» – в этих словах и заключалась констатация явления изотопии у радиоактивных элементов.
Год тысяча девятьсот тринадцатый был для Содди одним из самых плодотворных. Вместе с польским химиком Казимежем Фаянсом он дал окончательную формулировку правила сдвига, или правила смещения: при -распаде химическая природа элемента изменяется так, что он смещается на две клетки влево по периодической системе; при -распаде — на одну клетку вправо. Правило четко увязало структуру трех радиоактивных семейств с таблицей Менделеева.
Позднее было доказано, что родоначальники семейств – долгоживущие радиоактивные изотопы торий-232, уран-238 и уран-235. Семейства заканчиваются стабильными разновидностями атомов свинца. Содди внес существенный вклад в то, чтобы доказать: эти атомы свинца имеют разный атомный вес. Астон впоследствие замечал: «Теория изотопов, столь замечательным адвокатом которой явился профессор Содди, достигла своего триумфа в связи с вопросом о конечных продуктах радиоактивности». По существу Содди шел параллельным курсом к установлению изотопии у стабильных элементов на примере свинца.
Уже в то время было открыто большинство из 46 естественных радиоактивных изотопов, входящих в семейства урана, актиния и тория. Изотопов же стабильных элементов оказалось существенно больше…
Во время войны Астон работал консультантом по химии на авиационном заводе. К научным исследованиям он вернулся только в начале 1919 г.
И сконструировал установку, которую назвал масс-спектрографом (рис. 3). Так начался продолжительный (около 15 лет) цикл его исследований по обнаружению изотопов у стабильных элементов.

Рис. 3. Первый масс-спектрограф Астона в Кавендишской лаборатории

В журнале «Nature» появилась его короткая заметка, озаглавленная столь же коротко: «Неон». В ней, в частности, говорилось: «С использованием нового и более совершенного анализа положительных лучей мне удалось измерить массу и получить другие несомненные доказательства того, что атмосферный неон (атомный вес 20,20) является смесью двух изотопов атомных весов 20,00 и 22,00 с точностью до 0,1%».
Из примерно 280 стабильных изотопов 210 открыты Астоном. Среди других исследователей нужно отметить американского физика А.Дж.Демпстера (обнаружил около 40 атомных разновидностей). На долю прочих выпадали лишь единичные удачи, но были среди них и знаменательные: открытия изотопов кислород-17 и кислород-18, а также тяжелого изотопа водорода – дейтерия.
Небезынтересно сопоставить историю открытия стабильных изотопов с историей открытия элементов. В отличие от многовековой истории химических элементов, «творцами» которой были десятки и сотни исследователей, история стабильной изотопии насчитывает от силы два десятилетия, поскольку к началу 1940-х гг. удалось обнаружить практически все стабильные изотопы. Их открытие фактически стало результатом одного, масс-спектрометрического метода и было делом рук ограниченного числа исследователей.
Последовательность открытия химических элементов или их определенных совокупностей связана с разработкой специфических методов исследования. После открытия Д.И.Менделеевым периодического закона и создания им естественной периодической системы элементов достаточно отчетливо проявился фактор прогнозирования существования не открытых еще элементов и предсказания их свойств. Что касается стабильных изотопов, то закономерности в последовательности их обнаружения не выявляются сколь-либо четко.
Строгое научное объяснение явлению изотопии было дано после открытия нейтрона и разработки протонно-нейтронной модели ядра. Ядра атомов изотопов любого элемента содержат одинаковое количество протонов, но разное – нейтронов.
Однако выяснилось, что почти четверть химических элементов (21), существующих в природе, представлена одной-единственной разновидностью атомов. В то же время искусственно, посредством различных ядерных реакций, к настоящему времени синтезировано более 1900 радиоактивных изотопов всех элементов, охватываемых периодической системой; в подавляющем большинстве они характеризуются очень малыми периодами полураспада.

ЛИТЕРАТУРА

Крукс В. О происхождении химических элементов. СПб., 1886;
Астон Ф. Масс-спектры и изотопы. Пер. с англ. М.: Иностр. лит-ра, 1948;
Вяльцев А.Н., Кривомазов А.Н., Трифонов Д.Н. Правило сдвига и явление изотопии.
М.: Атомиздат, 1976;
Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Химические элементы и нуклиды. Специфика открытий. М.: Атомиздат, 1980.

Д.Н.ТРИФОНОВ