Указания на справедливость этой гипотезы получил Дж. Дж. Томсон все в том же 1913 г. в сотрудничестве с Фрэнсисом Уильямом Астоном (1877—1945). На фотографиях пучков ионов неона, полученных с помощью знаменитого «метода парабол» Томсона, они заметили, кроме изотопа неона-20, также следы изотопа неона-22. Чтобы убедиться в этом, Астон предпринял первую в истории попытку разделить изотопы неона и даже добился на этом

Ф. Астон

пути некоторого успеха. (Тридцать лет спустя метод газовой диффузии, использованный впервые Астоном для разделения изотопов неона, найдет применение для разделения изотопов урана. В нынешней ядерной энергетике это один из самых необходимых процессов.) Но в целом наука в то время еще не была готова к решению такой задачи, и Астон избрал другой путь: он построил масс-спектрограф, который позволял измерять массы изотопов с точностью 0,1 %, не выделяя их предварительно из естественной смеси изотопов.

Первая мировая война надолго задержала осуществление планов Астона: лишь в 1919 г. он смог завершить свой прибор и приступить к систематическим исследованиям. Уже к концу 1920 г. Астон изучил изотопный состав 19 элементов и у 9 из них нашел изотопы. Примерно в это же время американский ученый Артур Джеффри Демпстер (1886—1950) сконструировал свой масс-спектрограф, и совокупными усилиями он и другие исследователи установили, что большинство элементов в природе (83 из 92, известных к 1940 г.) состоят из смеси 281 изотопа (сейчас известно 287 стабильных изотопов, из которых 210 открыл Астон). В 1931 г. Астон открыл изотоп урана ²g|U, а в 1935 г. Демпстер обнаружил тот самый изотоп урана ²92U, с атомной массой 235, которому было суждено великое будущее. У водорода 2 стабильных изотопа, у неона — 3, у железа — 4, у ртути — 7; наибольшее число стабильных изотопов, 10, обнаружено у олова.

После открытия изотопов стали различать «простой элемент» и «смешанный элемент» (несмотря на явную несообразность этих словосочетаний). Простой элемент — это совокупность атомов с одинаковой массой и одинаковым зарядом ядра (таковым, например, является золото, состоящее из единственного стабильного изотопа ^эАи). Смешанный элемент — это естественная смесь простых элементов, однажды возникшая при образовании Солнечной системы.

«Простой» элемент или «смешанный» — для химии безразлично: она не может их различить даже с помощью самых тонких методов анализа. Тем более недоступно это

человеку с его несовершенными органами чувств. Но иногда это неосязаемое отличие становится очевидным и гибельным: оставшиеся в живых жители Хиросимы навсегда запомнят разницу между безобидным изотопом урана ²э1и и изотопом ²92U, которым была начинена испепелившая их го род атомная бомба.

В современной науке прямолинейные попытки решения фундаментальных проблем с помощью одной логики и чистого умозрения редко приводят к успеху. Как правило, для этого необходимо всесторонне, а главное, количественно исследовать открытое явление и установить его связь с другими явлениями природы. Так было и с проблемой происхождения энергии радиоактивного распада: ее решили лишь тогда, когда научились очень точно измерять массы изотопов и, кроме того, вспомнили формулу Эйнштейна Е — тс².

В первых масс-спектрографах точность измерений масс изотопов была не очень высока (погрешность около 0,1 %), хотя и достаточна, чтобы надежно установить целочисленность атомных масс изотопов — без всяких исключений. Астон не медля принялся строить новый прибор, в десять раз лучше прежнего, который бы позволял измерять массы изотопов с погрешностью 0,01 %. (В 1937 г. он снизит погрешность измерений до 0,001 %.) В 1925 г. он сообщил результаты своих новых измерений. Оказалось, что массы всех изотопов действительно очень близки к целым числам, однако все-таки немного отличаются от них.

Возросшая точность измерений привела к необходимости различать атомную массу А, то есть массу атома в выбранных единицах, и массовое число N, которое равно ближайшему целому от атомной массы. Прежде за единицу атомной массы традиционно принимали массу атома водорода (по-видимому, не без влияния гипотезы Праута). Теперь это стало неудобно, поскольку при таком выборе атомная масса и массовое число почти для всех элементов сильно различаются между собой (конечно, сильно — с новой точки зрения).

Вначале было решено принять за единицу атомной массы 1/16 часть массы изотопа кислорода ¹⁶О. Этим эталоном пользовались долго, вплоть до 1961 г., когда решили перейти к эталону ¹²С, то есть условились считать, что атомная масса изотопа ¹²С равна в точности его массовому . числу: А (¹²С) =М(¹²С) = 12,00000. Эта атомная единица массы (сокращенно а. е. м.) принята сейчас во всем мире, а ее числовое значение известно теперь с большой точностью:

1 а. е. м. = (1г/моль)/?У_А= 1,66054 • 10^-24 г, где А^_а —6,022136• 10²³ моль^-1 — хорошо известное значение постоянной Авогадро. Со времен Астона технику измерений улучшили по крайней мере в сто раз, и сейчас мы знаем массы изотопов с относительной погрешностью 10^-7, или 0,00001 %. Например, атомная масса атома водорода 1Н (в единицах ¹²С) равна 1,0078250, масса тяжелого изотопа водорода — дейтерия ²Н равна 2,0141018, а масса гелия гНе равна 4,0026033. Масса электрона в этих единицах равна 0,00054858, и ее тоже надо принимать во внимание, поскольку при таких точностях измерений масса ядра и масса атома уже заметно различаются между собой.

Максимальное отклонение атомной массы А от массового числа N для всех изотопов не превышает нескольких тысячных долей массы изотопа. Однако эти ничтожные на первый взгляд отличия очень существенны. Достаточно сказать, что атомная электростанция работает именно благодаря им, а также потому, что знаменитая формула Эйнштейна

Е = пгс²

оказалась истинной.

И в начале века, и много позже эта формула вызывала затяжные и жестокие споры. Если не вникать в гносеологические тонкости, то ее суть можно пояснить следующим образом: в каждом теле с массой пг запасена энергия Е = пгс\ где с — 3* 10¹⁰ см/с — скорость света. Энергия эта огромна: в 1 г вещества содержится

Е=1 г* (3* 1О^1осм/с)² = 9» 10²⁰эрг = 9* 10¹³ Дж,

то есть столько же, сколько в 3000 т первосортного угля (железнодорожный состав в километр длиной!). Если же масса тела уменьшится всего лишь на три десятитысячные доли грамма (маковое зернышко), выделится энергия такая же, как при сжигании 1 т угля. 0,3 мг вещества и 1 т топлива — в три миллиарда раз больше — вот масштабы ядерной энергии, к которым нам надо теперь привыкать.

Чтобы дальнейшее выглядело более понятным, проделаем несколько простых вычислений. Эти вычисления не сложнее, чем ежемесячные расчеты за электроэнергию по показаниям счетчика, и тем не менее они позволяют прикоснуться к одной из самых глубоких тайн материи.

В ядерной физике энергию принято измерять в особых единицах — в мегаэлектронвольтах (МэВ). Один мегаэлектронвольт — это один миллион электронвольт. Один электронвольт — это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов один вольт. Эта единица энергии связана с привычными нам единицами энергии: эргом, джоулем и калорией — с помощью соотношений

1 МэВ = 1,602 • 10“⁶эрг = 1,602 • 10- ¹³Дж =

= 3,829-10~¹⁴ кал. По формуле Эйнштейна Е = тс² теперь легко вычислить, что в одной атомной единице массы заключена энергия 931,5 МэВ, поскольку