Превращение элементов

Первые шаги новых алхимиков

Радиоактивными элементами оказались не только уран и торий, но и только что открытые полоний и радий. Затем был обнаружен и ещё один радиоактивный элемент — актиний.

Изучением радиоактивности, как и следовало ожидать, помимо Беккереля и супругов Кюри, занялись многие учёные. Увлекла эта тема и выдающегося физика новозеландца Эрнста Резерфорда.

В 1892 г. Резерфорд был ещё студентом-третьекурсником, когда в научно-студенческом обществе выступил с докладом, который назывался «Эволюция элементов». Точный текст доклада не сохранился, однако уже название говорит само за себя. Надо сказать прямо: для подобного взгляда физика тогда ещё не созрела — никаких фактических данных, чтобы рассматривать известные науке элементы с точки зрения их эволюции, не было. Студент Резерфорд проявил незаурядную смелость, очевидно, основательно подогретую идеями Крукса.

Доклад встретили с нескрываемой иронией, пылкому студенту пришлось спуститься с небес на землю и признаться в том, что он «зашёл слишком далеко».

В 1895 г. молодой провинциальный учёный Эрнст Резерфорд прибыл из далёкой Новой Зеландии в Кембридж к директору знаменитой Кавендишской лаборатории Дж. Дж. Томсону. Он попал туда в удачное время, ибо Томсон как раз задумал «мощное наступление» на малоисследованные проблемы физики и нуждался в молодых и энергичных помощниках. Сам Томсон был занят изучением электрических разрядов в газах. Катодные, каналовые, рентгеновские лучи стали объектом его пристального внимания.

Славная плеяда молодых учёных собралась вокруг Дж. Дж. Томсона. Таунсенд, Релей-младший, Вильсон и целый ряд других, ставших впоследствии выдающимися физиками. Знаменитый французский учёный Поль Ланжевен в тот период был совсем молод, он с упоением погрузился в работу, предложенную Томсоном, и тогда же началась для него подготовка к известной докторской диссертации «Исследования в области ионизации газов».

И всё же самым видным, энергичным, нетерпеливым среди них следует считать Эрнста Резерфорда, говорившего иногда: «Ионы — это весёлые малыши, вы можете наблюдать их едва ли не воочию».

Сказать, что весь учёный мир был тогда в восторге от открытия электрона, было бы слишком необоснованным заявлением. Большинство физиков твёрдо держалось понятия неделимости атома. Как ни странно, наиболее упорным в своих убеждениях оказался знаменитый Рентген. Он в своей лаборатории просто запрещал произносить слово «электрон» и отрицал его существование в течение целых десяти лет. Лишь в 1907 г., когда научные открытия, связанные с представлениями о сложной структуре атома, следовали одно за другим, Рентген позволил уговорить себя своему ассистенту из России А.Ф.Иоффе и разрешил пользоваться понятием «электрон».

На Кавендишскую лабораторию сильное впечатление произвело известие о работах А.Беккереля, и Резерфорд решил немедленно заняться изучением урановых лучей. Он потратил на это целый год и тоже пришёл к заключению, что к лучам Рентгена они никакого отношения не имеют. Мы сейчас хорошо знаем, что рентгеновские лучи как вид электромагнитных колебаний могут иметь большую или меньшую проникающую способность в зависимости от частоты колебаний и длины волны. В те времена также уже различали «жёсткие» и «мягкие» X-лучи, хотя и пошучивали, говоря, что их проникающая способность целиком зависит от Эбенизера Эверетта — искуснейшего стеклодува, изготовителя разрядных трубок.

Резерфорд один из первых установил, что урановые лучи неоднородны. Помещая на пути этих лучей листочки алюминиевой фольги, он наблюдал по электрометру, как ослабевал ток, возникающий под влиянием радиации. Четыре листочка уменьшали ток в двадцать раз по сравнению с исходным, но дальнейшее прибавление их почти не влияло на стрелку электрометра, которая никак не хотела вернуться в исходное положение; лишь сотый листок уменьшил этот «застывший» на определённом уровне ток вдвое. Так было выяснено, что излучение урана состоит из двух компонентов: порождающего сильную ионизацию, но сильно поглощающегося веществом, и создающего менее заметную ионизацию, но обладающего гораздо большей проникающей способностью. Так были открыты альфа- и бета-лучи. Разделение их с помощью магнита было осуществлено позднее.

В разгар работы Резерфорда в печати появилось научное сообщение М.Кюри «О лучах, испускаемых соединениями урана и тория». По рекомендации Дж. Дж. Томсона Резерфорду была предоставлена возможность занять должность профессора физики в Мак-Гиллском университете в Монреале. Молодой учёный расстался с друзьями по Кавендишской лаборатории и отправился за океан — в Канаду. Там он немедленно стал продолжать исследования уранового излучения.

Его коллега, профессор электротехники Б.Р.Оуэнс, тоже заинтересовался этим и попросил Резерфорда указать, с чего ему начать. Резерфорд, не колеблясь, ответил: с тория.

Радиоактивность этого элемента была совершенно неизученной областью; кроме того, что она существует, о ней ничего не было известно. Правда, Беккерель, наблюдая ториевое излучение, отмечал любопытное отличие его от уранового. Если последнее в течение двух лет было неизменным, то первое меняло свою интенсивность по самым, можно сказать, пустяковым причинам, вплоть до чихания ассистента или хлопанья лабораторной двери. Беккерель, конечно, мог и ошибиться, но если всё точно, то такое непостоянство излучения может дать ключ к пониманию радиоактивных явлений.

Так рассуждал Резерфорд, предлагая Оуэнсу обратить самое серьёзное внимание на торий.

Правота Беккереля в опытах Оуэнса подтвердилась самым неожиданным образом. Кафедра физики Мак-Гиллского университета была основана на средства чудака-миллионера Макдональда, который и в дальнейшем подбрасывал ей значительные суммы. Это был табачный король, не выносивший табачного дыма, в его присутствии никто не курил. Однажды он неожиданно посетил университет, и Резерфорд ворвался в подвальное помещение, где работал Оуэнс, с криком: «Настежь окна, уберите трубки! Живей пошевеливайтесь: Макдональд обходит лаборатории!» Требование было выполнено с предельной поспешностью, и сквозняк вымел весь табачный дым. Но когда Оуэнс снова сел измерять активность тория, то обнаружил, что она резко упала. Выходило, что интенсивность ториевой радиации зависела от движения воздуха. Говорят, Резерфорд поздравил Оуэнса с тем, что непонятное стало ещё непонятней. Дальнейшие опыты показали, что «в безветрии» радиация восстанавливала свою интенсивность.

Оуэнс уехал в Англию, и Резерфорд уже без него пытался разрешить загадку тория. По проведённым наблюдениям из тория что-то выделялось радиоактивное, и его, как это ни странно, можно самым примитивным образом сдуть. Что это — пар, пыль или ещё что-то? Неизвестно, а пока Резерфорд дал ему имя «эманация», заимствуя это слово из лексикона мистиков, где оно означает — «выделение», что, конечно, никак не свидетельствует о склонности Резерфорда к мистике. Физики умели, оказывается, шутить и раньше…

Загадочную эманацию учёный пропустил через фильтр из стеклянной ваты, — приём, которым он пользовался ещё в Кавендишской лаборатории. Интенсивность радиации не изменилась. Это говорило о том, что эманация — не пылинки и не ионы, так как первые задерживались фильтром, а вторые прилипали к стенкам стекла. Не исключалась возможность, что эманация — просто пары тория. Однако прогоняя воздух с эманацией через крепкую серную кислоту, Резерфорд убедился, что и пары тут не при чём: если бы это были пары, они обязательно бы вступили в реакцию с кислотой, отдав ей свою радиоактивность и освободив от неё воздух. Между тем кислота оставалась не радиоактивной, а воздух — да. Новый газ? Новый элемент? Можно было ожидать такого же триумфа, какой был у Рамзая при открытии благородных газов. Следовало немедленно воспользоваться методом, который не раз уже с успехом сыграл роль непогрешимого разведчика, — спектральным анализом. К сожалению, в Монреале не было опытного спектроскописта, а посылать трубочку с газом в Англию было совершенно бессмысленно: пока она переплывала бы океан, газ утратил бы радиоактивность — это Резерфорд твёрдо знал. Надо было найти какой-то другой путь, чтобы убедить исследователей в том, что эманация — это новый благородный газ, дополняющий группу, открытую Рамзаем. И Резерфорд попытался это сделать с помощью старой машины Линде, переведя газ в жидкое состояние. Но машина давала только минус 100 °C, а этого оказалось мало. Пришлось искать более совершенную холодильную машину, дававшую минус 200 °C. Когда газ, наконец, удалось ожижить, физики признали, что эманация — это действительно благородный газ. Назвали его тороном.

Всему этому предшествовало одно очень любопытное наблюдение. Предметы, которых касалась эманация тория, становились радиоактивными. Резерфорд поторопился обозначить новое явление термином «возбуждённая радиоактивность», но вскоре сам же понял, что поступил слишком неосмотрительно, ибо не было никакого «возбуждения», а просто появлялся какой-то новый излучатель. Это было вещество, порождаемое эманацией и осаждающееся на самых различных материалах. Резерфорду долго не удавалось отделить это вещество от предмета, на котором оно осело. Наконец дело завершилось успехом. Вся радиоактивность с платиновой проволочки была переведена в раствор с разбавленной кислотой. Выпарив такой раствор на песчаной бане, Резерфорд получил сухой остаток, продолжавший интенсивно излучать. Излучение это не было постоянным, со временем оно ослабевало, но в 660 раз медленнее, чем у эманации.

Через некоторое время в Докладах Парижской академии появилась статья супругов Кюри, в которой они сообщали, что радий и полоний возбуждают радиоактивность в окружающих предметах. Французские учёные назвали это явление «индуцированной радиоактивностью» и объяснили его как фосфоресценцию. Резерфорд, ознакомившись с статьёй, увидел сразу, что речь идёт об одном и том же явлении, что Кюри заблуждаются так же, как заблуждался и он сам. Он отправил в Европу письмо.

Но что же было у Кюри? Впоследствии выяснилось, что радий, как и торий, порождает газ, также радиоактивный — он-то и был причиной «индуцированной радиоактивности», так как, в свою очередь, порождал новый излучатель. Эта эманация радия получила имя радон. По своим химическим свойствам он не отличался от торона и должен был занять клетку в столбце благородных газов, но по атомному весу эти элементы несколько различались.

Судьба свела Резерфорда с талантливым и энергичным молодым химиком Фредериком Содди, только что окончившим Оксфордский университет. Ему было всего 22 года. С пылкой юношеской страстью он настаивал, что строение материи — это область химии, а не физики. С такой же прямотой он провозгласил свою приверженность к алхимическим взглядам и утверждал, нисколько не смущаясь: «Очень мало может быть узнано о строении материи, пока не будет совершено превращение элементов. Сегодня, как и всегда, это реальная цель химика».

Вспомним, что и сам Резерфорд в молодости не был чужд этой идеи, хотя и вынужден был потом признать, что зашёл слишком далеко.

Совместная работа этих учёных дала замечательные результаты. Однажды Содди удалось отделить от тория какую-то примесь, рождавшую, как оказалось, эманацию. Очевидно, не сам торий, а именно эти примеси ответственны за образование радиоактивного газа. Однако при проверке было установлено, что и очищенный торий также давал эманацию. Это было удивительно! И вдруг они узнали, что ещё годом раньше с подобным явлением столкнулся Крукс, экспериментировавший не с торием, а с ураном. Будучи прекрасным химиком, он очистил урановый препарат и также отделил какую-то излучавшую примесь. Исследовав её химические свойства, Крукс убедился, что это не радий и не полоний. Зато уран, очищенный от примеси, перестал излучать. Беккерель, первооткрыватель уранового излучения, тотчас повторил опыты Крукса и получил те же результаты, но очищенный и переставший излучать уран он сохранил и проверил на радиоактивность спустя несколько месяцев. Результат был ошеломляющим: радиоактивность полностью восстановилась! Между тем Крукс сумел выделить новое вещество и дал ему имя — уран-X. Беккерель с удивлением обнаружил, что в то время, как радиоактивность чистого урана восстановилась, у второго она исчезла.

Резерфорд и Содди по аналогии с ураном-X Крукса выделенное ими вещество назвали торий-X.

А некоторое время спустя о наблюдениях Беккереля им сообщил сам Крукс. Это заставило их немедленно взяться за работу, чтобы выяснить, не восстанавливается ли утраченная радиоактивность у тория. Да, очищенный торий вёл себя так же, как и очищенный уран, — то терял радиоактивность, то снова её приобретал. Постепенно вырисовывалась картина: торий, излучая, рождает торий-X, а последний — эманацию. Если в целом интенсивность излучения остаётся постоянной, то это потому что торий-X со временем распадается, однако запас его постоянно пополняется. Это было смелым, для того времени почти невероятным предположением. Но исследователи уже имели возможность измерять и взвешивать полученные вещества, хотя и было их крайне мало. Ими давно было установлено, за какое время наполовину снижается интенсивность излучения этих веществ, а это можно было сопоставить с их общей массой. Они решили проверить себя химическим путём. По закономерности спада интенсивности радиации они рассчитали, сколько должно образоваться тория-X из неактивного очищенного тория через определённые промежутки времени, и опыт блестяще подтвердил их расчёты. Ошеломлённый Содди воскликнул: «Резерфорд! Это превращение элементов!» Шеф и сам был в восторге, но опыт есть опыт: «Ради святого Майка, Содди, не называйте это трансмутацией! Они снимут нам головы, как алхимикам. Вы же знаете их».

Резерфорд знал, что говорил: на заседании Макгиллского физического общества, где он изложил теорию самопроизвольного превращения элементов, монреальские учёные настойчиво рекомендовали докладчику воздержаться от публикации статей на такую тему. Они опасались полного их провала и дискредитации Мак-Гиллского университета. Один за другим выступали коллеги, советуя Резерфорду быть осмотрительным, осторожным в выводах, тщательным в проверке и перепроверке данных. Резерфорд не выдержал и закатил такую ответную речь, о которой благожелательно к нему настроенный профессор Н.Шоу выразился очень сдержанно: «Его ответная жаркая речь была не совсем удачной…»

Разразившуюся бурю успокоил профессор Джон Кокс. Он мягко и спокойно внёс необходимые разъяснения и дал понять аудитории, что за честь Мак-Гиллского университета едва ли есть основания беспокоиться; наоборот, работы Резерфорда ещё принесут Мак-Гиллу мировую славу, настанет день, когда экспериментальные исследования этого учёного будут рассматриваться, как величайшие со времён Фарадея.

Фарадей — не это ли имя вдохновляло герметических философов XIX столетия?

Работы Резерфорда и Содди по «теории дезинтеграции материи» были опубликованы в Европе в солидном научном журнале и стали предметом жаркого обсуждения.

Содди навсегда уехал в Англию с намерением работать в лаборатории знаменитого Рамзая. Резерфорд же собирался поехать в Европу в отпуск. К тому времени европейская пресса была полна сообщениями о канадских работах по радиоактивности и о трансмутации. Даже юмористические журналы взяли эту тему на вооружение. Секретарь Лондонского Королевского общества Д.Лармор, узнав, что Резерфорд намерен побывать в Европе, написал ему: «Вы будете львом сезона для газет, которые стали радиоактивными». Так оно и случилось в широких слоях общества, в журналистике, но пока ещё не в учёном мире. У последнего необходимо было ещё завоевать признание. В Саутспорте на конгрессе Британской ассоциации содействия развитию науки Резерфорд открыл дискуссию об эманациях радия и тория. Он пытался убедить аудиторию в том, что «теория дезинтеграции материи» объясняет необычайный феномен. В дискуссии принял участие видный учёный того времени сэр Оливер Лодж и зачитал послание отсутствующего знаменитого физика лорда Кельвина. Лорд Кельвин предупреждал членов ассоциации, чтобы они не слишком полагались на новые теории мистера Резерфорда. Давалось понять, что выводы его ошибочны, что трансмутация — плод воображения, а радиоактивные излучения — радиевые пары или, возможно, молекулярная пыль бромида радия. Зал разразился аплодисментами, и Резерфорд почувствовал, что трудно будет ему противостоять мнению такого авторитета, как лорд Кельвин, знаниям и опыту которого безоговорочно верили два поколения физиков. Президент Химического общества Англии Генри Армстронг после зачтения письма Кельвина сказал с нескрываемой иронией: «Я был поражён подвигами воображения мистера Резерфорда». Он выражал удивление по поводу того, что, оказывается, существуют атомы, одержимые «неизлечимой манией самоубийства», и «считал своим долгом» сообщить аудитории, что «у химиков, конечно, нет никаких доказательств распада атомов на земле».

Резерфорд, как известно, не отличался сдержанностью, но монреальский погром пошёл ему на пользу. Он взял на вооружение выдержку и спокойствие Джона Кокса — можно представить себе, чего это ему стоило. Не выдержал Содди. Он с таким неистовством и язвительностью накинулся на Армстронга, на всех, кто не хотел слушать аргументов, что председательствующий лишил его слова. Здесь он проявил себя настоящим «каустиком Содди», как было потом скаламбурено о нём в юмористическом журнале.

Резерфорд на этот раз держался с исключительным хладнокровием и твёрдостью. Он подробно разбирал факты и давал им оценку, предлагал найти другое объяснение. Ничего серьёзного его оппоненты не могли ему противопоставить.