8. Искусственное расщепление элементов
Факты, которые в 1913 г. придали вес модели атома Резерфорда, принадлежали главным образом к области радиоактивных явлений. Но эти явления были столь специфичны, что можно было даже допустить, что строение радиоактивных атомов отличается от строения обычных устойчивых атомов. Перенесение структуры радиоактивного атома на устойчивый атом было чистой экстраполяцией.
«Совершенно необходимо, - предупреждал Томсон в 1913 г., - устанавливать теорию строения атома на базе более широкой, чем одни лишь явления радиоактивности. Химические свойства атомов и многие физические свойства зависят от распределения электронов, находящихся вблизи поверхности атомов. Эти электроны не участвуют в радиоактивных превращениях, так что данные о радиоактивных превращениях не могут дать нам никаких указаний на их счет»(Rapports et Discussion du Conseil de Physique Solvay, 1913, p. 51).
Поэтому было бы очень важно получить какое-нибудь опытное доказательство того, что строение устойчивых атомов подобно строению радиоактивных. В 1920 г. Резерфорд попытался получить это доказательство, руководствуясь следующим чрезвычайно простым соображением, которое стоит воспроизвести буквально:
«Испускаемая радием а-частица является самым концентрированным источником энергии из всех, какими мы располагаем, и, как мы видели, имеются все основания предполагать, что α-частица радия С способна проникать внутрь ядер легких атомов, а может быть, даже тяжелых. Если только ядра атомов не представляют собой исключительно устойчивых структур, то можно ожидать, что они разрушатся под действием внутренних сил, проявляющихся в момент столкновения с частицей... Если учесть незначительные размеры ядер, то возможность центрального столкновения маловероятна, и даже в наиболее благоприятных случаях не больше одной α-частицы из 10 000 действительно производит расщепление» (Atomes et electrons, Rapports et Discussions du Conseil de Physique tenu a Bruxelles du ler au 6 avril 1921, Paris, 1923, p. 50-51).
В связи с этим Резерфорд стал пропускать через азот α-частицы, получаемые от радиоактивного вещества, или, как говорят, бомбардировал азот α-частицами. При этом он наблюдал появление ионов водорода с одним зарядом, которые Марсден наблюдал уже в 1914 г. и назвал протонами, Число полученных протонов было чрезвычайно мало: миллион α-частиц, бомбардирующих азот, едва давал 20 протонов, наблюдавшихся Резерфордом методом сцинтилляций. Полученный эффект, говорит Резерфорд,
«незначителен и с трудом поддается измерению, но в общем создается впечатление, что атомы водорода рождаются в результате расщепления ядра азота» (Atomes et electrons, Rapports et Discussions du Conseil de Physique tenu a Bruxelles du ler au 6 avril 1921, Paris, 1923, p. 50-51).
Протоны были получены также при бомбардировке α-частицами радия С других элементов (бора, фтора, натрия, алюминия, фосфора). В 1921 и 1922 гг. Резерфорд и Чэдвик осуществили другие ядерные реакции, а в 1925 г. Резерфорд истолковал все эти результаты как расщепление атомов, показав, что α-частица может быть захвачена ядром. Позднее, когда искусственные превращения уже перестали быть чем-то необычным, стало ясно, что Резерфорд в действительности добился расщепления еще в 1920 г., хотя первое время сообщения о полученных им результатах принимались сдержанно, если не скептически. Так, первый опыт Резерфорда по бомбардировке азота объясняется следующим образом: α-частица захватывается ядром азота с последующим испусканием протона и образованием ядра с массой 17, являющегося изотопом кислорода.