Превращение элементов

Драма Рамзая и природная трансмутация

Замечательное открытие Уильяма Рамзая — гелий на Земле! — оставило после себя загадку. Благородство «солнечного вещества» установлено со всей несомненностью, но откуда он в клевеите взялся — ведь в химическом составе этого минерала он «не значился»? Удовлетворительного ответа на вопрос долгое время не было.

Фредерик Содди с большим интересом следил за всеми работами Рамзая по инертным газам. С весны 1903 г. Содди стал работать в лаборатории Рамзая. Здесь он продолжил исследования, начатые ещё в Мак-Гилле. После долгих и «придирчивых» экспериментов Рамзай, непререкаемый авторитет в области инертных газов, мог с удовлетворением подтвердить вывод Резерфорда и Содди: эманация радия — благородный газ.

Но это произошло позже, через пять лет, а начало совместной работы Рамзая и Содди ознаменовалось экспериментальным подтверждением того факта, что гелий — результат превращения эманации радия. Едва ли нужно подробно описывать знаменитый опыт. Достаточно сказать, что бромид радия (мизерные количества!) был растворён в воде, а выделившийся при этом газ скапливался в колбах. Затем его сушили и переводили в трубку Плюккера, с помощью которой исследуют спектр газа. Первоначально в спектре видны были только линии углекислого газа, но со временем начинали проступать жёлтые линии, что наводило на подозрение о присутствии здесь гелия. В конце опыта эманация и углекислый газ вымораживались, и тогда ярко и четко проступили жёлтые линии гелия. Рамзай посмотрел в спектроскоп и взволнованно воскликнул: «Это D₃!» Гелия не было, гелий появился. В комнату повалили сотрудники Рамзая и студенты. Каждому хотелось увидеть новорождённый гелий. Содди с улыбкой вспоминал это событие: его самого, участника открытия, почти что оттёрли от спектроскопа, и он увидел счастливую жёлтую линию чуть ли не последним.

Резерфорд был очень рад этому событию. Ведь подтверждалась его догадка: гелий родится из радия. Поэтому-то он, только что ставший обладателем 30 миллиграммов бромида радия (потрясающее богатство!), одолжил их Рамзаю и Содди. Опыт, конечно же, был повторен и дал те же результаты, после чего Содди написал обо всём Резерфорду, отметив, что «это был подлинный триумф». Рамзай не только доказал предположенное Резерфордом, но и показал его — в буквальном смысле, так что каждый мог убедиться во всём своими глазами. Он был прав, когда утверждал, что это был первый фактически наблюдаемый случай перехода одного химического элемента в другой. Полное удовлетворение получил «каустик Содди»: профессор Армстронг, президент Химического общества, так недавно насмехавшийся над «атомами-самоубийцами», вынужден был сложить оружие.

Превращение элементов можно было считать совершившимся фактом. Однако превращение это ни в коей мере не зависело от воли учёного и шло само по себе. Можно было изучать его, объяснять, как кому заблагорассудится, но повлиять на него — задержать или ускорить, или тем более направить в желательную сторону — такой возможности не было.

А ведь именно об этом мечтал великий Фарадей: «Разлагать металлы, преобразовывать их и осуществить некогда абсурдную идею о превращении элементов — вот задача, поставленная теперь химиками для разрешения». И Рамзай с пылом и страстью отдался работе, полагая, что время для решения этой задачи наступило. «Я рискну, — писал он, — предположить, что если энергия передаётся обычным формам материи, то происходит нечто вроде полимеризации и образуются радиоактивные элементы с более высокими атомными весами». Чтобы так рассуждать, у Рамзая были основания. Локьер, тот самый, что открыл гелий на Солнце, написал книгу «Неорганическая эволюция», в которой обращал внимание на то, что более раскалённые светила в спектре дают меньшее количество линий. Отсюда следовал вывод: при остывании звезды появляются новые элементы. «Упрощение» элементов, стало быть, происходит вследствие колоссальнейших температур Солнца и звёзд. Для осуществления трансмутации, рассуждал Рамзай, нужно найти на Земле источник громадной энергии. Такой источник он видел в эманации. Он писал тогда: «В эманации мы имеем техническое оружие, превосходящее обычные реактивы настолько же, насколько современное оружие превосходит лук наших предков».

Рамзай пробовал использовать и другой источник энергии. К тому времени уже стало достоянием науки открытие русского учёного Столетова — фотоэффект. В приборе Столетова свет падал на цинковый кружок, вызывая в цепи появление электрического тока. Было установлено, что этот эффект не зависит от интенсивности светового потока, а лишь от длины волны. В 1905 г. Рамзай вместе со своим сотрудником Д.Спенсером поставил ряд опытов по воздействию ультрафиолетовых лучей на металлическую пластинку (она была цинковой, как у Столетова). Допускалась мысль, что лучи смогут «детонировать» атомы металла с освобождением электронов, и тогда они преобразуются в атомы другого элемента. Нет, нет, Рамзай не настаивал на такой мысли, он только пробовал! Как здесь не вспомнить Рентгена с его великолепным ответом на вопрос, что он подумал, когда открыл X-лучи: «Я не думал, я экспериментировал».

Но отношение к эманации как источнику энергии у Рамзая было иное. «Я хочу высказать предположение, — говорил он, — что элементы, по существу, являются просто весьма устойчивыми соединениями, которые для того, чтобы претерпеть изменения, поглощают очень большое количество энергии. Как же должна передаваться эта энергия? По всей вероятности, процесс этого рода происходит в самых горячих звёздах. Вполне возможно осуществить подобные изменения на Земле, вызвав так называемую трансмутацию элементов. При этом я исхожу из того доказанного факта, что радий через эманацию переходит в гелий и что металлы под воздействием ультрафиолетовых лучей освобождают электроны. Какие это будут элементы, пока сказать трудно».

Рамзай не ограничился общими рассуждениями, он приступил к экспериментам. В августе 1906 г. в частном письме к Дж. Мак Гоуэну он писал: «Мне кажется, я уже сообщал, что мной обнаружен Li в первоначальном CuSO₄. Но это доказывает, что в этом есть что-то необычное… Мне думается, что CuSO₄ может быть источником образования лития». В том же письме он сообщал, что египтолог Флиндерс Петри передал ему 15 килограммов серебра, которые лежали в кувшине (видимо, медном) на протяжении 3 тысяч лет. Рамзай не исключал, что медь могла за такой большой промежуток времени сама по себе превратиться в литий. Разве не подобную мысль несколько столетий назад высказал несравненный Гебер?

В апреле 1907 г. Рамзай писал своей жене: «Я наконец установил вне всяких сомнений, что медь превращается в литий».

А в июне 1908 г. грянул гром: Рамзай сумел получить новые элементы! Это была сенсация. В сообщении об этой работе Рамзая говорилось, будто он при смешивании эманации радия с водой обнаружил в растворе неон со следами гелия, а при смешивании с раствором медного купороса — аргон без следов гелия, но с присутствием лития. Рамзай и работавший с ним Камерон разъяснили это следующим образом: под воздействием ударов альфа-частиц, выделяемых эманацией, некоторые атомы меди раскалываются, в результате чего образуются элементы с меньшим атомным весом.

В Химическом обществе Германии к этому сообщению отнеслись с большим интересом, но и с осторожностью, указав что поразительные наблюдения требуют ещё дальнейшего изучения, которое уже начато авторами.

В 1909 г. Рамзай сам выступил в лондонском Химическом обществе, рассказал о своих экспериментах и выразил убеждение в том, что его опыты доказали превращение элементов большего атомного веса в элементы с меньшим атомным весом.

На этот раз недоверие возросло. Опыты Рамзая взяли на проверку М.Кюри и её сотрудница Е.Гледич. Они нашли ошибку: литий был в кварцевой посуде, а не образовывался из сернокислой меди. Об этом сообщили Рамзаю, но тот стоял на своём: «Всё, что я могу сказать, — это то, что нам удалось вызвать эту трансформацию и что Кюри это не удалось».

Возможность превращения меди в литий была проверена учеником Рамзая Е.Перманом — весьма способным и опытным химиком. Результат опыта был отрицательным. Рамзай не придал значения данным Пермана. Траверс, коллега Рамзая, вместе с ним открывший инертные газа — неон, криптон и ксенон, заметил по этому поводу: «Подлинным источником лития является пепел от сигарет Рамзая. Рамзай был несколько небрежен и не заботился о том, где стряхивать пепел с сигарет».

Наконец за проверку утверждений Рамзая взялись Резерфорд и Ройдс и нашли, что всё гораздо проще: в аппарат Рамзая проник воздух.

Но Рамзай не внимал всем этим доводам и доверял лишь себе. Ведь именно в этот период он не только показал, что гелий рождается из эманации, но и провёл тончайшее исследование её свойств. Именно Рамзаю удалось поставить невероятный по тонкости эксперимент, в результате которого был измерен атомный вес эманации — 222. К этому времени уже был опредёлен и атомный вес радия — 226. И схема радиоактивного распада рисовалась такой:

Ra ₂₂₆ = Rn ₂₂₂ + He ₄

Рамзай вместе с Н.Колли и Г.Паттерсоном опубликовал работу, в которой утверждалось, что им удалось осуществить превращение уже не более сложных, а менее сложных элементов, т. е. не распад, а синтез. Они якобы получили в катодной трубке гелий из водорода — в одном случае, а в другом, когда там были следы кислорода, — неон. После смерти Рамзая была обнаружена рукопись, в которой есть такая фраза: «Доказано, что в присутствии серы образуется аргон; при отсутствии серы аргона не образуется».

Можно было бы, конечно, не рассказывать о несколько странном поведении Рамзая, чтобы не бросать тень на учёного с мировым именем. Но вряд ли это было бы правильно. Даже его ошибки были ступенями познания, поскольку ошибочность его утверждений выяснилась не в словесном поединке, а в результате многочисленных экспериментов, проверки и перепроверки учёными друг друга.

Интерес к радиоактивности продолжал нарастать. Резерфорд, принявший предложение Манчестерского университета и занявший там должность профессора физики, увлёкся альфа-излучением. Что представляют собой эти загадочные альфа-частицы? Ещё в монреальских экспериментах Резерфорд выяснил, что масса альфа-частиц больше массы водорода. Измерив отношение их заряда к их массе, Резерфорд пришёл к заключению, что они представляют собой не что иное, как атомы гелия, потерявшие по два электрона.

В Манчестере Резерфорд организовал эксперимент, наглядно убедивший всех сомневающихся. Была изготовлена стеклянная трубка с толщиной стенок всего 0,01 миллиметра. Через такие стенки свободно проходят альфа-частицы, но они непроницаемы для газообразного гелия. Трубка была помещена внутри другой (с более толстыми стенками), соединённой с капилляром и трубкой Плюккера. Тонкостенная трубка заполнялась эманацией радия, из внешней трубки откачивали воздух. Через некоторое время было замечено, что в ней накапливается газ. Поступить туда он мог только через тонкие стенки первой трубки, затем по капилляру он прошёл в трубку Плюккера. Спектроскоп чётко удостоверил, что это гелий. Самые упорные скептики могли видеть своими глазами, как гелий образуется из альфа-частиц. Но Резерфорд этим не удовлетворился и поставил контрольный опыт. Внутренняя тонкостенная трубка заполнялась не эманацией, а чистым гелием. Через несколько дней спектроскоп показал, что в разрядной трубке гелия нет — через тонкие стенки газ не проходил, они были проницаемы лишь для альфа-частиц.

В 1908 г. Резерфорд стал лауреатом Нобелевской премии и на заседании по традиции должен был прочитать лекцию. Он озаглавил её так: «О химической природе альфа-частиц радиоактивных веществ». Премия Резерфорду была присуждена не по физике, а по химии. Радиоактивность была совершенно новой областью исследований, и учёные не знали с уверенностью, к какой науке её причислить. А новый лауреат изящно пошутил по этому поводу: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось моё собственное превращение в один момент из физика в химика».