Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20, 29/2004

Один из важнейших постулатов классической атомистики отрицал возможность перехода атомов данного элемента в атомы другого элемента.
Говоря об изменяемости атомов, следует иметь в виду два аспекта: 1) доказательство превращаемости атомов (элементов), происходящей самопроизвольно, и 2) доказательство превращений атомов, осуществляемых искусственным путем, посредством ядерных реакций.
Установление превращаемости элементов в результате естественных радиоактивных распадов означало опровержение концепции неделимого атома, т.е. констатацию факта его делимости, изменяемости. Между тем резонно принять во внимание следующее соображение. Когда Дж.Томсон рассматривал электроны как некую первичную материю, из которой состоят атомы всех элементов, он тем самым не мог не понимать, что уже одно это свидетельствует о делимости атома на более легкие составные части. Однако иначе обстоит дело, если подойти к проблеме с точки зрения ядерной модели атома. Мы можем отнимать от нейтрального атома один электрон за другим, получая все более и более высокозарядные положительные ионы. Атом может быть лишен всех своих электронов. Но при этом не меняется само ядро, сохраняющее определенный заряд Z и в конечном счете определяющее свойства данного атома (элемента). Поэтому потеря атомом того или иного количества электронов до известной степени означает, так сказать, «механическую» делимость атома — отделение составных частей без утраты его существенной особенности — заряда ядра. Именно значение Z определяет электронную конфигурацию атома. Только в том случае, когда изменению подвергается ядро, правомерно говорить о действительной изменчивости атома как материальной структуры в целом.
Превращаемость атомов была установлена еще в те времена, когда сколь-либо обоснованных представлений об атомной модели не существовало. Потому нельзя было судить и о сущности превращаемости. Протекание последней устанавливалось на основании химических и спектроскопических наблюдений, т.е., с современной точки зрения, связанных лишь с электронной конфигурацией атомов. А ведь в действительности здесь имели место изменения ядер.
Идея о самопроизвольной превращаемости атомов фактически появилась после того, как М.Склодовская-Кюри высказала предположение: радиоактивность есть свойство атома. В июле 1900 г. она отмечала: «Состояние радиоактивной материи не есть обычное химическое состояние, ее атомы неустойчивы, они испускают частицы меньше атомов. Атом, неделимый с точки зрения химии, здесь является делимым… Радиоактивная материя претерпевает, следовательно, химические превращения, которые служат источником излучаемой энергии, но это не обычные химические превращения, так как последние оставляют атом неизменным…»
Идея вскоре получила экспериментальное подтверждение. Оно было связано с открытием радиоактивных эманаций (торона и радона), оказавшихся инертными газообразными веществами. Очевидно, они так или иначе являлись продуктами превращаемости тория и радия.

В 1902 г. Э.Резерфорд и Ф.Содди окончательно убедились в протекании процессов естественной трансмутации элементов (рис. 1), а годом позже У.Рамзай и Ф.Содди с помощью спектрального анализа доказали, что в ходе радиоактивного распада радона образуется гелий (рис. 2).

На протяжении почти четырех десятилетий были известны и всесторонне изучались лишь два вида радиоактивной превращаемости, сопровождавшиеся испусканием - и -частиц. В 1899 г. Резерфорд установил неоднородность радиоактивного излучения по отклоняемости последнего в электрическом и магнитном полях. Он и ввел понятие об - и -лучах, хотя их корпускулярная природа еще не была определена (впоследствии выяснилось, что -лучи представляют собой дважды ионизованные атомы гелия, а -частицы — электроны) (рис. 3). Некоторое время к третьему виду радиоактивных распадов относили так называемую -радиоактивность. Однако она не связана с превращаемостью элементов, а лишь отражает определенное изменение внутреннего состояния атомного ядра.

Такая «ограниченность» радиоактивных превращаемостей всего лишь двумя видами не вызывала удивления. Обнаружение каких-либо других внесло бы некоторый диссонанс в структуры радиоактивных семейств, да кроме -частиц и электронов не было известно иных субатомных структур, которые могли бы фигурировать в качестве испускаемых частиц. Когда же была предложена протон-электронная модель ядра, ситуация несколько изменилась. Возникла идея о возможности испускания ядрами ионов водорода – протонов. Казалось бы, она была подтверждена экспериментально в 1915 г. сотрудниками Резерфорда – Э.Марсденом и В.Лентсберри. Спустя несколько лет выяснилось, что наблюдавшиеся протоны возникают вследствие искусственного превращения атомов: при бомбардировке азота -частицами. (Истинная протонная радиоактивность была открыта лишь во второй половине ХХ в.)

Э.Резерфорд (1871–1937)

Особенность - и -превращаемостей состоит в том, что они единственные из всех поныне известных относятся к числу непредсказанных; само понятие «прогнозирование» здесь лишено смысла. Другие виды были предсказаны иногда задолго до их экспериментального обнаружения. Особняком стоит, пожалуй, открытие позитронной, или ⁺-радиоактивности (И. и Ф.Жолио-Кюри, 1934). Хотя она и не была непосредственно предсказана, ее обнаружение тесно связано с доказательством существования позитрона (1933). С другой стороны, открытие позитрона способствовало Э.Ферми в разработке теории -распада, которая в свою очередь создала основы для прогнозирования двух новых видов радиоактивной превращаемости.
Прежде всего сюда относится предсказание захвата ядром орбитальных электронов, т.е. «поглощение» им электрона с ближайших K- или L-оболочек (японские физики Х.Юкава и С.Саката, 1935), в результате чего заряд ядра уменьшается на 1, что имеет место при классическом
-распаде.
Экспериментальное доказательство орбитального захвата потребовало немалых трудов и тщательного анализа полученных результатов. Открытие захвата электрона с К-оболочки (К-захвата) принадлежит американскому ученому Л.Альварецу (1938) на примере изотопа галлий-67. Надо отметить, что это открытие (впрочем, как и обнаружение позитронного распада) было совершено при работе с искусственно синтезированным изотопом. Оба этих вида радиоактивной превращаемости
(⁺ и ^–) встречаются и у природных изотопов, но весьма редко.
В 1949 г. Б.Понтекорво, Д.Кирквуд и Дж.Ханна в США наблюдали захват электрона L-оболочки в изотопе аргон-37. В том же году Э.Сегре и К.Виганд открыли явление L-захвата у бериллия-7. Кстати говоря, в данном случае впервые было констатировано влияние внешних условий на скорость радиоактивного распада (она незначительно различалась в зависимости от того, находился ли бериллий в металлическом состоянии или в форме соединения).
В 1935 г. М.Гёпперт-Майер в Германии предположила возможность так называемого двойного
-распада — одновременного испускания двух электронов или двух позитронов. Согласно ее расчетам, верхний предел времени полураспада для подобных видов радиоактивных превращаемостей оценивался величиной порядка 10²¹ лет. Таким образом, двойной -распад должен был представлять весьма редкое и трудно наблюдаемое событие. По существу удовлетворительного экспериментального подтверждения он не получил и до сих пор, хотя можно достаточно уверенно судить о том, какие именно изотопы потенциально способны испытывать
2-превращаемость. К ним относятся около полутора десятков элементов, не испытывающих других видов радиоактивной превращаемости и потому рассматривающихся как стабильные.
Среди видов радиоактивных превращаемостей особое место занимает спонтанное деление, обнаруженное в природе вскоре после того, как было предсказано. В 1934–1935 гг. итальянский физик Э.Ферми, облучая уран медленными нейтронами, пришел к выводу, что может иметь место синтез изотопов трансурановых элементов, по крайней мере первого из них (будущего нептуния).

Э.Ферми (1901–1954)

Это предположение подвергла критике немецкий физикохимик И.Ноддак. Она высказала оригинальную точку зрения: «Можно с одинаковым правом считать, что в этом новом виде ядерного расщепления, вызываемого нейтронами, имеют место ядерные реакции, отличающиеся от тех, которые наблюдались до этого при воздействии на атомные ядра протонов и -частиц. Возможно, что при бомбардировке нейтронами тяжелых ядер последние разделяются на несколько больших осколков, которые в действительности представляют собой изотопы известных элементов, но не являются соседями облучаемых элементов». Фактически Ноддак предсказывала не новый вид превращаемости, а принципиально иную возможность искусственного превращения.

Высказывание Ноддак было принято коллегами в штыки, в особенности ее соотечественником О.Ганом. Между тем спустя несколько лет правота Ноддак подтвердилась – по иронии судьбы в результате работ Гана. В декабре 1938 г. О.Ган вместе с ассистентом Ф.Штрассманном открыл явление деления ядер урана под действием медленных нейтронов, причем продуктами деления оказывались изотопы элементов середины периодической системы (рис. 4).

Рис. 4. Здание Института химии в Берлине, где О.Ган и Ф.Штрассманн открыли (1938) деление ядер урана

В 1939 г. Н.Бор и Дж.Уилер развили представление о капельной модели ядра и на ее основе предсказали возможность спонтанного деления ядер, т.е. нового вида естественной радиоактивной превращаемости. Она была открыта в мае 1940 г. российскими физиками К.А.Петржаком и Г.Н.Флёровым. Спонтанное деление является наиболее глубоким по своим последствиям видом радиоактивной превращаемости. В природе оно обнаружено лишь у отдельных изотопов урана и тория, однако широко распространено в области изотопов трансурановых элементов.
В 1962 г. Флёров с сотрудниками обнаружил неожиданное явление в области изотопов трансурановых элементов. Например, скорость спонтанного деления америция-242, ядро которого находится в изомерном состоянии, в 10²³ раз больше, чем для ядра в основном состоянии. Оказалось, что это явление достаточно распространено, хотя причина его не нашла еще строгого теоретического объяснения.

Очередной этап в истории обнаружения новых видов радиоактивных превращаемостей составили события, связанные с предсказанием и обнаружением явлений, сопровождающихся испусканием протонов. В 1960 г. В.И.Гольданский, используя оригинальный теоретический подход, предсказал свойства многих неизвестных ядер с большим дефицитом нейтронов. Это позволило ряду исследователей сделать прогнозы протонной активности для нескольких десятков ядер с нечетными Z (для элементов от фосфора до висмута).
Экспериментально этот вид радиоактивной превращаемости был обнаружен в 1970 г. Дж.Черны с сотрудниками в США. Гольданский, кроме того, предсказал возможность одновременного испускания двух протонов. Прогноз оправдался 23 года спустя на примере изотопа алюминий-22 в работах группы американских ученых, доказавших явление двупротонной радиоактивности.
Последний по времени открытия вид радиоактивной превращаемости был обнаружен в конце 1983 г. Решающую роль здесь сыграл эксперимент, но ему предшествовали довольно многочисленные высказывания и теоретические выкладки, хотя не все из них соответствовали точному понятию «прогнозирование».
Так, в 1966 г. мною была опубликована книга, посвященная некоторым проблемам радиоактивности. После перечисления известных видов радиоактивных превращаемостей был поставлен вопрос: удастся ли в дальнейшем обнаружить их новые, неизвестные пока виды? Далее высказывалось предположение: «Утвердительный ответ будет, пожалуй, правильным. Радиоактивные ядра,
по-видимому, куда более “изобретательны” в выборе своих превращений, чем мы представляем себе сейчас… Известен… процесс расщепления ядер. Он происходит при обстреле ядер частицами высоких энергий, например, очень быстрыми протонами. При такой бомбардировке ядро-мишень распадается отнюдь не на два осколка. Напротив, от ядра откалывается множество осколков — протоны, нейтроны, дейтроны, наконец, ядра легких элементов. Не может ли этому искусственному процессу расщепления соответствовать аналогичный естественный процесс… когда ядро буквально взрывается, разлетается на множество осколков с различными зарядами и массами?.. Даже если такой тип “взрывной” радиоактивности имеет право на существование, он должен быть чрезвычайно редким, гораздо менее вероятным, чем самопроизвольное деление тяжелых ядер.
…Возможно ли испускание атомными ядрами легких “фрагментов”… типа ядер лития, бериллия, бора и тому подобных? Не может ли осуществляться еще один способ радиоактивного распада, который можно было бы назвать “фрагментарной” радиоактивностью?»
Таким образом, речь шла о возможности двух видов радиоактивной превращаемости — «взрывной» и «фрагментарной», т.е. о таких видах, реализация которых приводила бы к кардинальному изменению исходного радиоактивного ядра. Высказанная идея фактически имела сугубо умозрительный характер, хотя и содержала элементы истины. Она фактически не привлекла никакого внимания, и вспомнили о ней только через два десятилетия.
Важную роль сыграл цикл работ отечественного химика Ю.А.Шуколюкова. Он обнаружил аномалии в изотопном составе неона и аргона, содержащихся в некоторых урановых минералах, и считал, что их нельзя объяснить возможными естественными ядерными реакциями. Вывод, сделанный Шуколюковым в 1970 г., звучал так: «Наряду с двумя известными конкурирующими процессами распада тяжелых ядер – -распадом и спонтанным делением на два тяжелых осколка — можно предположить существование и такого типа радиоактивности, когда ядра испускают частицы, промежуточные по массе между -частицей и тяжелым осколком: неон-21, неон-22, аргон-38,
аргон-40 и др. Скорость такого радиоактивного превращения определяется проницаемостью потенциального барьера распадающегося ядра, и по величине она должна быть меньше скорости
-распада и больше скорости спонтанного деления». Фактически этот вывод постулировал возможность так называемой «фрагментарной» радиоактивности.
Теоретически эта возможность была детально проанализирована в 1977–1980 гг. в работах румынских физиков во главе с А.Сэндулеску и немецкого физика В.Грайнера. Исследователи пришли к выводу, что допустимо рассматривать два случая: 1) крайне асимметричное деление и
2) испускание протонно-нейтронных «кластеров». Заключительный вывод гласил: «В тяжелых и сверхтяжелых ядрах предсказывается новый тип распада, промежуточный между делением ядер и
-распадом». Сэндулеску предложил для нового вида распада название «магическая радиоактивность».
Экспериментально обнаружить этот вид радиоактивной превращаемости удалось английским физикам Г.Роузу и Г.Джонсу в конце 1983  г. В статье «Новый вид естественной радиоактивности» сообщалось о наблюдении испускания радием-223 (членом радиоактивного семейства урана-235) ядер углерода-14, что приводило к образованию свинца-209. По оценкам ученых, на 10⁹
-распадов радия-223 приходилось лишь одно испускание ядра углерода. Роуз и Джонс далее сделали вывод, что новый вид радиоактивной превращаемости должен быть характерен для тяжелых ядер с не очень большим избытком нейтронов. В связи с этим он в большей степени присущ не столько изотопам, входящим в естественные радиоактивные семейства, сколько синтезированным изотопам тяжелых элементов.
Дальнейшее изучение «фрагментарной» радиоактивности в значительной степени подтвердило правоту ученых. В настоящее время этот тип радиоактивности обнаружен более чем у 30 ядер тяжелых элементов.

ЛИТЕРАТУРА

Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Учение о периодичности и учение о радиоактивности. Комментированная хронология важнейших событий. М.: Атомиздат, 1974;
Гольданский В.И., Трифонов Д.Н. Краткий исторический очерк развития учения о радиоактивности. В кн.: Учение о радиоактивности. История и современность. М.: Наука, 1973, с. 47–68;
Трифонов Д.Н. Радиоактивность вчера, сегодня, завтра. М.: Атомиздат, 1966;
Шуколюков Ю.А. Деление ядер урана в природе. М.: Атомиздат, 1970;
Rose H., Jones G. A New Type of Radioactivity. Nature, 1984, v. 307, р. 245–247;
Сэндулеску А., Поэнару Д., Грайнер В. Новый тип распада тяжелых ядер, промежуточный между делением и a-распадом. Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1980, т. 11, № 6, с. 1334.

Д.Н.ТРИФОНОВ