Резерфорд. Атомное ядро

ГЛАВА 3 Радиоактивный распад

Резерфорд обнаружил, что существуют радиоактивные элементы, которые при распаде превращаются в другие химические элементы.

С помощью радиоактивного распада объяснялась и радиоактивность. Важным вкладом Резерфорда стало также введение понятия средней продолжительности жизни элемента, он установил, что это открытие поможет определить возраст Земли.

Радиоактивность стала своеобразной осью, вокруг которой развивались исследования Резерфорда в Канаде. Он проводил их одновременно с Кюри, и конкуренция, возникшая между учеными, стала весьма ощутимой, что они признавали сами. Резерфорд в письме матери рассуждал об этом так:

"Я сейчас занят подготовкой своих последних статей. Нужно опубликовать их как можно скорее и продолжать гонку. Лучшие спринтеры в области этих исследований — Беккерель и Кюри в Париже; в последние годы они проделали значительную работу в сфере радиоактивных тел".

Несмотря на то что это поле знаний было новым, несколько групп исследователей анализировали радиоактивность в Германии и Соединенном Королевстве. Это были годы исступленной научной работы, когда удивительные открытия совершались одно за другим и влекли за собой новые вопросы и модели, которые часто противоречили общепринятым представлениям. Знание о радиоактивности, начало которому положили запечатленные на фотопластинке вспышки, оформлялось в новую область науки, все более сложную. В то же время возрастала и неуверенность, поскольку каждое достижение раскрывало веер новых неизвестных.

В 1899 году немецкие ученые установили, что радиоактив* ность не сопровождалась постоянным во времени испусканием частиц, как считали изначально: испускание имело тенденцию к уменьшению. Параллельно становилось очевидным, что бета-излучение состояло в основном из электронов, то есть отрицательно заряженных частиц (которые Томсон в 1897 году идентифицировал как фундаментальные компоненты атомов). Ничего не было известно о природе альфа-лучей, данный вопрос мог показаться вторичным, однако именно он стал ключевым для понимания радиоактивности, но это прояснилось позже. Резерфорд, со своей стороны, установил, что от радиоактивных элементов кроме альфа- и бета-лучей исходили также эманации, похожие на пар.

В 1899 году за помощью в исследовании излучения тория Резерфорд обратился к профессору инженерии Роберту Боуи Оуэнсу. С учетом своих первых исследований он пришел к выводу, что нечто в окружающей среде влияло на результаты экспериментов. Казалось, само присутствие Резерфорда в лаборатории изменяло результаты. Это потенциально доказывало, что радиоактивность может зависеть от окружающей среды, как полагали Кюри.

Однако Резерфорд защищал другую гипотезу: "эманации", как он их назвал, испускались самими радиоактивными элементами и могли насыщать радиоактивностью все, что их окружало. В этом заключалась причина воздействия на результаты измерений. Он заявлял:

"Соединения тория постоянно испускают радиоактивные частицы определенного типа, которые в течение нескольких минут сохраняют радиоактивные свойства. Эта "эманация", как мы будем называть ее для краткости, обладает ионизирующей способностью по отношению к окружающему газу и может проходить сквозь тонкие слои металлов и сквозь плотную бумагу".

"Эманации" стали непосредственным предметом изучения Резерфорда. Первым делом ему удалось удержать их в трубке, стенки которой быстро становились радиоактивными. Радиоактивность была как будто заразной, поскольку вокруг тория на короткое время все становилось радиоактивным. Какова природа этих "эманаций"? Некий ли это "пар", или же это частицы возбуждали радиоактивность в других веществах?

Резерфорд заметил, что эманация тория заканчивалась довольно быстро. Данное наблюдение противоречило экспериментальным данным по урану и полонию, которые, казалось, были неиссякаемыми источниками альфа- и бета-лучей. Эманации, полученные в результате опытов с торием, имели чрезвычайно интенсивное излучение, но только в течение нескольких минут. Эти эманации были как будто чем-то призрачным. Их появлялось крайне мало, а об их присутствии можно было судить по самому факту недолгого излучения.

В Европе Кюри также обратили внимание, что химические элементы, близкие в периодической таблице к радию, вели себя как радиоактивные. Это заставило парижских ученых допустить возможность, что радий возбуждает активность ближайших к себе элементов. Год спустя Резерфорд так подытожил уровень знаний, имевшийся по данному вопросу в тот период:

"В 1900 году автор [то есть сам Резерфорд] доказал, что торий излучает не только а- и β-частицы, но также постоянно испускает радиоактивную "эманацию" или газ. Так же как и радий, актиний имеет сходные свойства. Интенсивность излучения быстро падает. "Эманации" тория, радия и актиния легко различаются по скорости прекращения активности".

Так же как свет заставляет сиять флуоресцентные минералы, по убеждению Кюри, "эманации" радиоактивных элементов (например, тория) способны вызывать радиоактивность других элементов. Речь о некоей индуцированной радиоактивности. Резерфорд разделял это мнение, но последующие эксперименты заставили его принять другую точку зрения.

Резерфорд решил, что если дело заключается в индуцированной радиоактивности, то она должна варьироваться в зависимости от вещества, на которое воздействовали эманации. Он изучил воздействие тория на другие виды материалов, и в результате выяснилось, что измерения радиоактивности всегда одинаковы и не зависят от использованного материала. Казалось, какое-то вещество "загрязняло" радиоактивностью все, что к нему приближалось.

Таким образом, правильнее было бы полагать, что "эманации" и индуцированная радиоактивность являются взаимосвязанными явлениями. Резерфорд подтвердил это, записав в конце 1899 года, что "имеется тесная связь между "эманацией" и возбужденной радиоактивностью; в действительности "эманация" каким-то образом является прямой причиной радиоактивности". То есть, по его мнению, речь не об индуцированной радиоактивности, а о том, что эманация перемещалась на материалы и, казалось, что те становятся радиоактивными. Резерфорд отмечал, что "эманация является нестабильным веществом и трансформируется в некий вид негазообразной материи, покрывающий поверхность всех окружающих тел". И последнее: "Вероятность возникновения эманации из-за того, что ближайшая среда становится радиоактивной, исключена".

Понимание этих вопросов стало еще более запутанным в результате нового наблюдения Беккереля, согласно которому, возможно, имелась некая ошибка в определении источников радиоактивности. Беккерель знал, что соли урана не были чистыми и в их состав входили разные вещества, поэтому он попытался выделить их. Когда это ему удалось, соль урана перестала быть радиоактивной, а новое неизвестное вещество, напротив, испускало излучение. Так как Беккерель не представлял, что это за вещество, он назвал его "уран-Х". Через несколько месяцев, когда он вновь взял образцы, оказалось, что уран-Х перестал быть радиоактивным, а урановая соль восстановила радиоактивность. Английский химик Уильям Крукс (1832-1919) проверил эти результаты, и в конце 1901 года оба ученых передали их в университет Макгилла. Как только Резерфорду стало известно об этом, он захотел повторить опыт с образцами тория.

Я не считаю, что когда кто-то совершает неожиданное открытие — это в порядке вещей. Наука делает шаг за шагом, и каждый исследователь зависит от трудов своих предшественников.

Эрнест Резерфорд

Посреди всех этих исследований в 1900 году Резерфорду пришлось взять паузу. Наконец должна была состояться свадьба с Мэри Ньютон, и он отправился за ней в Новую Зеландию.

Церемония была очень простой, на ней присутствовали только члены семьи. После медового месяца, который супруги провели, путешествуя по Канаде и Соединенным Штатам, где Резерфорд умудрился подобрать образцы тория, в 1901 году они вернулись в Монреаль. В лаборатории ждал новый член команды, с которым у Резерфорда началось очень плодотворное сотрудничество. Химик Фредерик Содди оказался именно тем специалистом, который был нужен Резерфорду, чтобы понять явление эманации и радиоактивность в целом.

Оба ученых стремились дать ответ на несколько вопросов: происходила ли радиоактивность тория от другого элемента? какова природа эманации? как она соотносится с активностью, возбуждаемой в других элементах? Радиоактивность превратилась в некий пазл, в котором нужно было идентифицировать все кусочки, хотя тогда казалось, что собрать их вместе невозможно.

Резерфорд и Содди в первую очередь взялись за проблему природы эманации. Содди был великим химиком и быстро понял, что на самом деле эманация представляла собой газ, наподобие аргона (то есть инертный), так как он не вступал в реакции с другими элементами.

Английский химик и университетский преподаватель Фредерик Содди (1877-1956) был одним из самых блестящих коллег Резерфорда. Несмотря на то что вместе они проработали только с 1901 до начала 1903 года, этот период оказался очень эффективным.

Именно тогда они поместили свои имена под важнейшей в истории науки главой. Годы спустя Содди так отзывался о том коротком, но плодотворном этапе сотрудничества с новозеландским гением:

"Под конец нашей совместной работы головоломка радиоактивности, изначально казавшаяся незаурядной, сложилась и была решена. Мое общее впечатление о тех днях связано с высшей степенью умственной экзальтации, когда части головоломки сложились в единую и убедительную теорию атомного распада·.

Содди изучал химию в Оксфорде, в 1900 году он направился в Монреаль, где через год стал работать с Резерфордом. В начале 1903 года Содди отбыл в Лондон, чтобы сотрудничать с Уильямом Рамзаем, экспертом по благородным газам. Их совместная работа также завершилась довольно быстро, после чего Содди какое-то время преподавал в университете Глазго, до тех пор пока ему не предложили кафедру в Оксфорде. Здесь он проработал с 1919 по 1937 год. Кроме исследований радиоактивного распада, его очень интересовали изотопы (термин, обозначающий элементы, которые имеют разные массовые числа, но занимают одно место в периодической таблице). Именно Содди ввел этот термин (по предложению писательницы и врача Маргарет Тодд). В 1917 году он открыл элемент протактиний, а в 1920-м — написал книгу "Наука и жизнь·. В 1921 году ученый получил Нобелевскую премию по химии за исследование радиоактивных веществ, а также происхождения и природы изотопов. В конце жизни Содди занимали социальные вопросы и мир на земле, особенно в связи с угрозой использования ядерного оружия. После Второй мировой войны он написал:

"Запуск атомный бомбы — чрезвычайно важная проблема. [...] Вместо того чтобы оплакивать Хиросиму, следовало бы вспоминать [...] о триумфе человека над проблемой [трансмутации], а не об использовании ее во имя зла политиками и военными".

Проблема благородных газов начала проясняться с 1894 года, будучи относительно новым полем для исследований. Еще не было ясно место этих элементов в периодической таблице, поэтому для них выделили особую колонку. С 1902 года стала набирать вес идея, что торий мог трансформироваться в газ по мере испарения твердого вещества. С другой стороны, эманация, или газ радон, казалось, имела положительный заряд, так как при ее приближении к отрицательно заряженному металлу сам металл становился высокорадиоактивным.

Но проблема связи эманации с явлением радиоактивности оставалась. Какое место ей отводилось, и какая связь имелась у нее с испусканием альфа- и бета-частиц? Таким был ключевой вопрос.

Резерфорд и Содди также принялись за исследование явления, открытого Круксом и Беккерелем и связанного с ураном и ураном-Х. В свою очередь, они провели эксперименты с использованием тория, традиционного элемента для лабораторных исследований.

Предшественник Дж. Дж. Томсона на должности директора Кавендишской лаборатории английский физик Джон Уильям Стретт и лорд Рэлей (1842- 1919) вместе с шотландским химиком Уильямом Рамзаем (1852-1916) в 1894 году открыли аргон. Лорд Рэлей обнаружил, что вес азота в воздухе был меньше, чем вес азота, полученного в результате химических реакций. Позже Рамзай дал объяснение этому отклонению, связав его с наличием примесей в воздухе. После этого, наконец, удалось выделить газ, влиявший на результаты по определению веса азота. Его назвали "аргоном". Греческое происхождение термина подчеркивает инертный характер газа, не вступающий во взаимодействие с другими элементами. Другой благородный газ — гелий — был открыт Пьером Жансеном и Джозефом Норманом Локьером в 1868 году при анализе химического состава Солнца на основе спектрографии солнечного света. Химик Рамзай специализировался на исследовании нереактивных газов и выяснил, что гелий находится не только в атмосфере, но и в минерале урана (данное явление Резерфорд смог объяснить позже, когда раскрыл природу альфа- излучения).

Известия об открытии новых благородных газов побудили Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) в 1902 году изменить свою периодическую систему химических элементов и включить в нее специальную колонку. Порядок химических элементов в периодической таблице был великим изобретением. В этой таблице элементы классифицируются в соответствии с их атомной массой и химическими свойствами. Многие химики, в том числе Лавуазье, уже обратили внимание на сходство разных элементов, но только Менделеев пришел к их упорядочиванию. Он взял за основу закономерности, наблюдавшиеся в характеристиках элементов (большая или меньшая реактивность, валентность), чтобы систематизировать их, используя классификацию двумерной таблицы. Атомный вес был важным фактором (вертикальная ось), но элементы также расположены слева направо, образуя периоды и группы. Группы, то есть элементы одной колонки, имели много общих характеристик, несмотря на различие в атомном весе. Это простое изменение формы классификации веществ сделало возможным поиск общего, в особенности в химических характеристиках. Менделеева также озарила догадка, что необходимо оставить пустые места там, где, как ему казалось, мог разместиться еще не открытый элемент. Этот великий ученый сумел предсказать некоторые характеристики неизвестных элементов, которые были открыты впоследствии; среди них германий и галлий.

Дмитрий Иванович Менделеев, примерно 1880-1890 годы.

К своему удивлению, они смогли выделить из тория вещество, испускавшее большую часть излучения. Они не знали, что это за вещество, но было ясно, что химически оно различно с торием, поэтому его назвали "торий-Х". После выделения тория-Х торий терял радиоактивность по экспоненте; всю радиоактивность получал торий-Х. Наконец не осталось сомнений, что торий мог производить торий-Х и заменять образцы, потерявшие активность. Также ученым удалось установить, что торий-Х испускал эманацию. Так они обнаружили цепочку явлений: торий порождает торий-Х, а торий-Х испускает эманацию.

Содди и Резерфорд пошли дальше своих европейских коллег и на графиках показали поведение тория и его активность, которая росла по экспоненте, а также тория-Х с его нисходящей кривой (см. график).

Этот график распада радиоактивности и восстановления показывал экспоненциальный характер отношения между активностью и временем двух показателей, сумма значений которых была константой (дополнительность). Все указывало на то, что оба явления происходили не случайно, то есть имелись отношения между торием и торием-Х. Торий порождал отличное от себя вещество — другими словами, атомы тория-Х получались в результате распада тория. Это были словно родственные отношения (как выразился Резерфорд). Эрнест Резерфорд сделал следующее заключение:

"Большая часть радиоактивности тория происходит от некоего типа материи, тория-Х, обладающего отличными от тория химическими характеристиками и являющегося временно радиоактивным: его активность затухает через четыре дня".

Позже было обнаружено, что торий-Х на самом деле является так называемым изотопом радия, обладающим исключительной радиоактивностью. Части головоломки стали соединяться. А какую же роль играла радиоактивность? Как она связана с альфа- и бета-лучами? Была ли она дополнительным продуктом трансмутации? Или, напротив, она влияла решающим образом?

То, что является грехом для моралиста, преступлением — для юриста, для ученого — незнание.

Фредерик Содди

Гипотеза, подтверждение которой начали искать Резерфорд и Содди, состояла в том, что после испускания альфа-частиц торий превращался в торий-Х. После следующего испускания альфа-частиц происходила эманация. Данная последовательность явлений была характерна также для урана и полония.

Ключ к решению проблемы находился в альфа-частицах. Когда Резерфорд понял, что представляли собой альфа-частицы, все детали головоломки сложились и встали на свои места — открылась прекрасная перспектива новой области физики, возникшей практически из ничего.

Вопрос о том, что представляли собой атомы, был абсолютно неясным — Резерфорд обнаружит ядро только через несколько лет, — в ту эпоху было едва ли что-то известно об электронах.

Хотя уже имелись предположения, что энергия радиоактивности каким-то образом исходила из сердца атомов, ее механизм был загадкой.

В первую очередь, Резерфорд делал ставку на идею, что радиоактивность возникала из-за некоторого внутреннего нарушения расположения атомов, создавая тем самым нестабильную ситуацию. В этот момент начинали испускаться рентгеновское и бета-излучение, что приводило к реконфигурации все еще нестабильного материала, и так возникало альфа-излучение. Согласно его первой гипотезе радиоактивность была непрямым следствием явления внутренней нестабильности конфигурации атомов, неким дополнительным механизмом. На тот момент уже было известно, что бета-лучи идентифицируются с электронами, поэтому считалось, что вследствие малой массы они не могут нарушать природу атомов. Но предстояло объяснить, чем являются альфа-лучи.

Имелось предположение, что их заряд был положительным. Однако в ходе попытки уловить радиоактивность с помощью магнитного поля лучи не изменили своей траектории. Казалось бы, гипотеза должна быть отвергнута, но Резерфорда не удовлетворили эти результаты, и он решил повторить эксперимент, при этом использовав более интенсивный источник альфа-лучей и более мощный генератор магнитного поля. Кюри предоставили ему радий, а аппарат для генерирования магнитного поля (магнит) ему выделили в университете Макгилла. Осенью 1902 года Резерфорд увидел, что альфа-лучи в действительности изменяли траекторию при прохождении через магнитное поле, их отклонение было противоположным бета-лучам, у которых, как уже стало известно, отрицательный заряд. Данный результат он интерпретировал как доказательство положительного заряда альфа-лучей. Выяснить это прежде было затруднительно, так как альфа-частицы значительно превосходили по массе бета-частицы.

Если лучи из частиц, имеющих далеко не ничтожную массу, возникали внутри атомов, было бы глупо не сделать вывод, что они должны представлять важные изменения для собственной внутренней структуры материи. Испускание альфа-лучей виделось некоей причиной других изменений и наблюдаемого испускания других видов излучения. При этом электромагнитное излучение или выброс электронов — бета-лучей — не предполагали трансмутации химического (радиоактивного) элемента. Однако факт испускания лучей, имевших значительную массу, заставлял проверить данное соображение. Именно поэтому в результате этого ключевого открытия Резерфорд и Содди предложили свою теорию радиоактивного распада.

Радиоактивность не могла быть вторичным, дополнительным эффектом, учитывая, что внутри радиоактивного материала отделялись частицы, имевшие массу других химических элементов. В 1903 году, когда Содди уехал из монреальского университета Макгилла и отправился в Лондон работать с Уильямом Рамзаем, теория радиоактивного распада уже сформировалась как модель, включающая в себя все части радиоактивной головоломки.

Итак, между 1902 и 1903 годом Резерфорд и Содди разработали теорию радиоактивного распада, которая раскрывала загадки радиоактивных эманаций, возбуждения, распада, радиоактивного переноса и тория-Х. По их мысли, радиоактивность возникала, потому что определенный элемент (торий или уран) трансформировался в другой элемент, излучая альфа- и бета- частицы. При трансформации и распаде первоначального атома родительского элемента возникал новый атом, который обозначался как торий-Х или уран-Х и который мог оказаться другим химическим элементом, тоже радиоактивным, например радием или полонием. Новые элементы были менее стабильными и испускали больше радиации. Парадоксально, но вследствие этого они распадались быстрее, образуя другие, тоже радиоактивные элементы. Резерфорд и Содди описали свою концепцию явления радиоактивности так:

"Доказано, что радиоактивность сопровождается химическими изменениями, в которых постоянно образуются новые виды материи. Продукты этих реакций вначале радиоактивны, но их активность с момента формирования равномерно затухает".

В ходе исследований настал момент, когда Содди воскликнул: "Резерфорд, ведь это же трансмутация: торий распадается и трансмугирует в газ группы аргона". На что Резерфорд ответил: "Содди, не называйте это трансмута- цией! Они снимут нам головы, как алхимикам".

В ту эпоху в сознании людей возникало много псевдонаучных идей на тему трансмутации элементов. Существовала масса ассоциаций, журналов и конгрессов алхимиков, которым научное сообщество не оказывало никакой поддержки. Поэтому факт, что один из многообещающих ученых ступил на путь алхимии, вызвал потрясение. Пока Резерфорд работал над теорией радиоактивного распада, многие коллеги выражали свои опасения, будто гипотеза о спонтанной трансмутации материи "может дискредитировать Макгилл". На совещании Резерфорду предложили перепроверить и уточнить данные и выводы до публикации своего открытия. Ученый был известен своей точностью и практически не допускал ошибок в экспериментах, он выслушал рекомендации с горечью и яростью, осознавая, сколь беспочвенной была эта критика.

Алхимическая лаборатория, из книги "История алхимии и начал химии" шотландского химика и писателя Μ. M. Паттисома Муира (1848- 1931).

Открытие природы альфа-лучей позволило утверждать следующее:

" Распад атома и испускание тяжелых заряженных частиц, имеющих массу, сравнимую с атомом водорода, делает систему более облегченной, чем раньше; ее химические и физические характеристики разнятся с первоначальным элементом. Процесс дезинтеграции проходит уровень за уровнем за измеримые для каждого случая промежутки времени".

Альфа- и бета-излучение, открытые Резерфордом ранее, понимались теперь как следствие внутренней дезинтеграции материи, основополагающей нестабильности атомов радиоактивных элементов. Их стали рассматривать не как излучение, а как частицы, "убегавшие" из атомов, менявшие структуру и природу этих атомов. Происходила спонтанная трансмутация атомов из одного элемента в другой.

История человечества выражается и определяется имеющимся количеством энергии.

Фредерик Содди

Резерфорд и Содди ввели новые термины для этих элементов: "родительскими" они называли радиоактивные элементы, и "дочерними" — атомы после трансформации и распада.

Открытия, сделанные на тот период, позволяли составить общее мнение о радиации. Радиоактивные материалы существовали с момента формирования Земли. Такие элементы, как торий и уран, на самом деле не высокорадиоактивны, то есть они не очень стабильны по сравнению с другими радиоактивными элементами, время их распада продолжительнее. Однако в ходе их дезинтеграции возникали другие значительно более активные вещества. Дезинтеграция происходила естественным путем, это было случайное явление, определить количественные характеристики которого можно только статистическим путем. При испускании альфа-частиц, то есть ядер гелия, первоначальный атом уже не существовал как тот же элемент, на его месте формировалось новое, менее стабильное вещество, как правило, имевшее большую радиоактивность. Годы спустя выяснилось, что бета-излучение также является следствием фундаментальных трансформаций атома, а точнее его ядра, так как электроны и излучение появляются, когда нейтрон распадается на один протон и один электрон, но на том этапе Резерфорд еще не открыл внутреннее строение атома.

В 1904 году Резерфорд с помощью этих диаграмм представил все имеющиеся на тот момент знания о радиоактивных последовательностях для разных элементов. Они выглядели как цели испускания лучей и трансформации первоначального элемента в другие.

Нестабильность вторичного продукта распада предполагает, что он должен превратиться в третий продукт, также нестабильный. Был ли конец у такой цепи? Становилось все очевиднее, что большое количество разных радиоактивных веществ должны иметь связи между собой, формируя семейства.

На сегодняшний день известны три семейства естественных радиоактивных элементов: семейства тория, урана и актиния (см. рисунок на предыдущей странице), в которых процесс распада заканчивается, когда образуется нерадиоактивный и стабильный элемент — свинец. Согласно представлению Резерфорда, во главе семейства находился "отец", родительский элемент с высоким атомным весом. Потомки "отца", дочерние элементы, проходят через превращения до получения природного стабильного элемента. Когда радиоактивность наблюдалась впервые, Беккерель использовал один из изотопов урана, которые при испускании альфа-излучения превращаются в торий. Изотопы — атомы одного химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов, составляющих ядро; соответственно, их атомная масса отлична, но число протонов и электронов совпадает. Механизм был окончательно понят благодаря Эрнесту Резерфорду и его помощнику Фредерику Содди (см. Приложение. Альфа- и бета-распад).

С первых исследований в этой области Резерфорд понял, что со временем радиоактивные излучения затухают. В некоторых элементах радиоактивность исчезала через несколько секунд, в других — могла длиться днями и месяцами. Если вначале казалось, что только самые активные элементы обладают таким свойством, после возникновения теории радиоактивного распада стало понятно: при радиации количество первоначальных атомов постепенно уменьшается, пока не исчезнет бесследно.

Резерфорд также обратил внимание, что сама продолжительность жизни радиоактивного элемента, как дактилоскопический след, позволяет идентифицировать его. Некоторые элементы имеют более длительный период полураспада, который мог продолжаться тысячи лет (например, уран), в то время как период полураспада других элементов длится несколько секунд (в настоящий момент возможно синтезировать элементы, радиоактивность которых проявляется доли секунды).

Хотя Резерфорд был прежде всего экспериментатором, распад (и полураспад) он пытался также выразить математически, с помощью формул, чтобы показать зависимость количества атомов от времени. Затухание атомного распада носит экспоненциальный характер, и математическая формула, выражающая его сущность, должна иметь нижеследующий вид. Если N_o — количество атомов радиоактивного материала в первоначальный момент, N — количество атомов в заданный момент, то

N = N_o · e^-λt,

где λ — постоянная радиоактивного распада для заданного элемента, а е — математическая константа, число Эйлера (иррациональное число, величина которого равна приблизительно 2,718...). Чтобы определить скорость радиоактивного распада атомов, предыдущее выражение в зависимости от времени преображается как:

dN/dt = -λ · N_o · e^-λt = -λN.

Становится ясно, что процент распада связан с количеством оставшихся в определенный момент атомов. По мере распада атомов процент дезинтеграции снижается. Период полураспада (Т), определяемый как время, за которое количество радиоактивных атомов сокращается вдвое, также можно выразить из предыдущего уравнения. Т — время, за которое проходит дезинтеграция половины начального количества радиоактивных атомов, то есть N = N_o/2:

1/2N_o = N_o · e^(-T).

Упрощая N_o · e^-λt = 2, или в другом виде: λΤ= ln2 = 0,693. Поэтому период полураспада равен:

T = 0,693/λ.

Новозеландский ученый уже выяснил, что естественная радиоактивность носит вероятностный характер, поэтому невозможно точно предсказать, когда произойдет следующий распад. Однако со статистической точки зрения распады случаются с определенной регулярностью. Таким образом, хотя нельзя точно установить, когда произойдет распад, при систематическом учете можно установить их регулярность. Другими словами, вероятность того, что ядро радиоактивного элемента будет распадаться за единицу времени, является константой.

Эту постоянную величину называют "константой радиоактивного распада" и обозначают лямбдой (λ).

Наука учит сомневаться и быть невежественным.

Эрнест Резерфорд

Резерфорд считал необходимым ввести понятие периода полураспада, или полужизни, радиоактивного элемента, которое характеризовал как время, необходимое для того, чтобы определенное количество имеющихся в образце радиоактивных атомов сократится вдвое. Данное понятие помогало показать скорость, с которой радиоактивное вещество распадается, уступая место новому члену "семьи". Так, период полураспада некоторых изотопов урана равен 4500 миллионам лет (считается, что эта величина совпадает с возрастом Земли). Существуют разные виды урана, и каждый из них имеет разные периоды полураспада.

Отголоски этих исследований достигли другой научной дисциплины, благодаря атомной физике получившей импульс для новых открытий. Речь о геологии. Однажды прогуливаясь по кампусу Макгилла, Резерфорд столкнулся с профессором геологии и спросил его: "Сколько, по-вашему, лет Земле?"

"Сто миллионов лет", — ответил профессор. Тогда Резерфорд достал кусочек урановой смолки и ответил: "Я знаю, и это объективный факт, что этому куску смоляной руды семьсот миллионов лет". Можно вообразить, насколько удивился тот геолог. Но как Резерфорд отважился на такое заявление?

С XVIII века существовало убеждение, что Солнце и планеты возникли из тучи пыли. Неоднократно предлагались изобретательные и разнообразные способы датировки этих событий. Так, было рассчитано, что если основываться на процессах эрозии, 100 миллионов лет потребуется для объяснения концентрации соли в морях и океанах Земли. Цифра, названная собеседником Резерфорда, вероятно, была получена таким методом.

Британский физик и математик Уильям Томсон, лорд Кельвин ( 1824-1907), был одним из тех, кто пытался дать ответ на этот вопрос. В 1862 году он опубликовал статью "О возрасте теплоты Солнца", в которой на основе энергетических расчетов приходил к выводу, что этот возраст колеблется между 24 и 400 миллионами лет. Предполагая, что Земля возникла в результате застывания магмы, можно было рассчитать испускаемую теплоту до достижения актуального состояния. Лорд Кельвин, хоть и ошибочно, ограничивал срок существования Земли. Он сделал расчеты на будущее, и его выводы не были оптимистичными, так как Солнце, по его мнению, не могло излучать энергию постоянно и в течение долгого времени:

"Относительно будущего мы с уверенностью можем сказать, что обитатели Земли не смогут продолжать наслаждаться светом и теплом, столь необходимыми для жизни, в течение многих миллионов лет, если не заготовлены неизвестные нам на сегодняшний день источники тепла в огромном хранилище Вселенной".

Косвенным противоречием проблеме возраста Земли стала теория естественного отбора. Дарвин пришел к выводу, что для развития разнообразия жизни, возникшей в результате естественного отбора, был необходим более длительный период, чем полагали физики. Сам Дарвин выражал волнение некоторым корреспондентам так:

"Я очень обеспокоен коротким сроком, отпущенным нашему миру, согласно предположениям сэра У. Томсона, потому что для подтверждения моих теорий мне необходим очень продолжительный докембрийский период".

В этом противостоянии физика представлялась более основательной дисциплиной по сравнению с биологической теорией Дарвина. И этот отягчающий фактор не способствовал увеличению численности сторонников теории естественного отбора в начале XX века. Однако, как доказал Резерфорд, идеи и расчеты лорда Кельвина были глубоко ошибочными.

Как мы уже выяснили, элемент является радиоактивным, если его структура нестабильна, и благодаря процессу радиоактивного распада элемент приобретает большую стабильность. Так, уран с 92 протонами после альфа-распада теряет два протона и трансформируется в торий (элемент под номером 90 в периодической таблице). Торий, в свою очередь, при альфа-распаде теряет еще два протона и превращается в элемент с атомным номером 88, который согласно периодической таблице соответствует радию. Все эти процессы распада вместе образуют последовательность химических элементов, формирующих естественное радиоактивное семейство, с конечным стабильным элементом — свинцом.

Учитывая, что Резерфорд мог выявить скорость распада каждого из них, у него появилась удачная мысль определить на основании этих данных возраст Земли. Требовалось только узнать количество свинца, являющегося стабильным продуктом цепи распада урана, по отношению к количеству урана, имеющегося в шахте (вначале ученый задумался о возможности использовать для этого гелий, но так как это газ, полученные результаты не могли считаться достоверными, потому что часть газа улетучивалась в атмосферу).

Несмотря на то что догадка была гениальной, Резерфорд оставил свои исследования другим ученым, которые уточнили механизмы, предопределившие современное понимание вопроса о возрасте Земли.

В настоящее время считается, что Земле 4,55 миллиарда лет. Этот возраст установлен в результате исследования в североканадском районе Акаста известных залежей породы, называемой гнейсом, которой предположительно четыре миллиарда лет, это самая древняя известная порода. Несмотря на то что эта гениальная догадка принадлежит Резерфорду, самого ученого данный вопрос не слишком интересовал, на эту тему он опубликовал лишь несколько научно-популярных статей (например, статью "Радий — причина теплоты Земли" в журнале Harper).

Другие исследователи, среди них Бертрам Болтвуд (1870-1927), уделяли этим разработкам больше внимания. Болтвуд и Резерфорд пришли к заключению, что лучшим способом датировки было сравнение количества урана и свинца. После многочисленных расчетов было высказано предположение, что возраст Земли колеблется между 250 миллионами и 1,3 миллиарда лет. Британский геолог Артур Холмс (1890-1965) продолжил исследования Болтвуда и Резерфорда, рассматривая разные типы изотопов радиоактивных элементов, каждый из которых обладал разной продолжительностью жизни, и приступил к экспериментам. От полной неосведомленности об этих результатах геологи преодолели путь к их принятию, и в 1927 году Холмс опубликовал книгу "Возраст Земли", в которой уверял, что Земле от 1,3 до 3 миллиардов лет. Однако образцы почвы не слишком подходили для определения количественных показателей, так как тектонические движения плит и эрозия могли стать причиной ошибки в данных, основанных на радиоактивности. На сегодняшний день большинство ученых сходятся на том, что возраст нашей планеты вернее всего определен на основе работ геохимика Клэра Кэмерона Паттерсона, который в 1953 году осуществил первые точные измерения, изучая образцы почвы, на которые воздействовали метеориты.

Артур Холмс, 1912 год.

Но все же Резерфорд ощутил необходимость публикации научно-популярной статьи, а также выступил с лекцией в Соединенном Королевстве, излагая свои идеи. На этой лекции был особенный слушатель — сам лорд Кельвин. Позднее Резерфорд описал эту встречу так:

"К моему облегчению, Кельвин уснул, но едва я подошел к важному пункту, то увидел, что старый лис поднял голову, открыл один глаз и зловеще взглянул на меня. Тогда я внезапно ощутил вдохновение и произнес: "Лорд Кельвин обозначил пределы возраста Земли, если не будут найдены новые источники тепла. Это пророческое наблюдение подводит нас к теме сегодняшней дискуссии — к радиации". И старик улыбнулся".

Радиоактивность интерпретировалась как новый источник тепла, который мог согревать Землю изнутри. Так расчеты Кельвина, при всей их правильности, происходили от неточной гипотезы. Этот источник мог также подпитывать и Солнце, таким образом, Земля могла начать свое существование значительно раньше, чем предполагал маститый ученый, а также продолжать его в течение невообразимо длительного времени согласно физическим законам, известным в XIX веке.

По расчетам Кельвина, до затухания Солнцу оставалось пять или шесть миллионов лет, Резерфорд же говорил — что сотни миллионов. Старого лорда Кельвина новая наука о радиоактивности не смогла убедить, несмотря на то что, по его же собственным словам, он внимательно изучал ее.

Другим аспектом, на который не могли не обратить внимание действующие лица эпопеи радиоактивности — Кюри, Резерфорд и Содди, — было огромное количество энергии, выделявшейся изнутри материи, как если бы атомы были неистощимым источником энергии, а радиоактивность представлялась малозначительным процессом утечки энергии. Подвергая замороженную воду воздействию радия, можно было наблюдать, что вода испарялась меньше чем за час. Не будем упоминать о многочисленных ожогах, из-за чего Пьер и Мария Кюри работали с забинтованными руками. Резерфорд и Содди сделали оценку энергии, выделявшейся из грамма радия после всех трансформаций, она равнялась десяти тысячам миллионов калорий. Эта энергия содержалась в материи, и если бы кому-то удалось бесконтрольно выпустить ее, этот кто-то разом покончил бы с известным нам миром.

В 1903 году Резерфорд и Содди уже заявили, что радиоактивность связана с энергией, не соответствующей реакциям:

"Радиоактивность понимается как результат процесса, лежащего вне сферы известных контролируемых сил... Все эти замечания приводят к выводу, что энергия, клокочущая в атоме, должна быть огромной по сравнению с энергией, свободно выделяющейся при обычном химическом обмене".

Также они предвидели, что энергия, сконцентрированная в радиоактивных атомах, в действительности могла быть внутренним свойством всех типов атомов, существующих во Вселенной:

"Нет никаких причин утверждать, что эти огромные количества сокрытой энергии характеризуют лишь радиоактивные элементы".

Первым, кто задумался о связи массы и энергии, был именно Содди. Он решил, что, возможно, существует связь между потерей массы радия при его трансформациях с освобожденным количеством энергии. По этому вопросу Содди заверял:

"Вероятно, вся тяжелая материя в латентном и связанном со строением атома виде обладает схожим количеством энергии, которая имеется у радия. Если бы ее можно было выделить и поместить под контроль, это изменило бы судьбу мира! Тот, кто взял бы в свои руки рычаг, которым бережливая природа регулирует выдачу из этого хранилища энергии, получил бы оружие, которым мог бы при желании разрушить Землю".

Позже Альберт Эйнштейн ввел известную формулу Е =mc², которая объясняла, что масса находится в прямой зависимости от энергии. Однако формула Эйнштейна не показывала, как получить энергию из материи; она лишь констатировала связь. С другой стороны, в момент публикации уравнения результат был проигнорирован, его влияние на последующие события было косвенным. Ученые того времени рассматривали радиоактивность как неожиданный источник энергии, и казалось, нужно подождать, чтобы определить, как человечеству надлежит воспользоваться этим богатством. Касательно этого вопроса имелись различные мнения.

В конце жизни, в 1933 году, Резерфорд очень осторожно и скептически высказывался о возможностях использования энергии:

"Мы не можем контролировать атомную энергию так, чтобы она имела коммерческую стоимость, думаю, нам это никогда не удастся. О трансмутации было сказано много глупостей. Наш интерес к материи чисто научный, а наши эксперименты помогут лучше понимать строение материи".

Несмотря на это, получили распространение шутки, которые Резерфорд раньше отпускал по поводу энергии атомов. Так, часто вспоминают о том, как ученый использовал сравнение с рычагом Архимеда, которым можно было сдвинуть мир, только в его устах этот рычаг становился детонатором:

"Если бы было возможно найти подходящий детонатор, можно было бы представить, что волна от атомного распада, возникнув внутри материи, превратит наш старый мир в пыль".

Полушутя-полусерьезно он добавлял, что, возможно, "какой-нибудь дурак в лаборатории сможет неожиданно взорвать Вселенную". Содди, напротив, был более оптимистичен и полагал, что ядерная энергия обещает нам лучший мир и благодаря ей Земля сможет превратиться в "улыбающийся Эдем".

Когда Резерфорд еще работал в Макгилле, он начал понимать, что его открытия могут принести ему Нобелевскую премию. С другой стороны, он считал, что премия найдет его лишь через несколько лет и после наставника, Дж. Дж. Томсона. Единственное, чего он не предусмотрел, так это того, что премия будет не в области физики, а химии, к которой он не чувствовал особой симпатии.

Нобелевская премия по физике была учреждена в 1901 году и впервые была присуждена Рентгену за открытие икс-лучей. В 1903 году премию получили Пьер и Мария Кюри совместно с Беккерелем. Радиоактивность относилась к важнейшим открытиям эпохи, и логично было предположить, что Резерфорд будет вознагражден за огромную работу, которую он проделал.

Однако несмотря на замечательные результаты исследований и средства, которыми Резерфорд располагал в Макгилле, со времени своего приезда он не скрывал желания вернуться в Европу. Он чувствовал себя изолированным от центра научной жизни и был убежден, что его пребывание в Канаде будет настолько кратким, насколько это возможно. Он так и сказал об этом жене: "Не думаю, что ты будешь против, чтобы я остался в Канаде еще несколько лет, но, между нами, я не вижу возможности остаться здесь надолго и надеюсь однажды вернуться в Европу".

Если я хочу претендовать на Нобелевскую премию в ближайшие годы, мне нужно продолжать работу.

Эрнест Резерфорд в письме супруге, 1905 год

Шотландский химик Уильям Рамзай, Нобелевский лауреат по химии 1904 года, за работой в лаборатории.

Уильям Томсон, лорд Кельвин, помимо прочего известный своим исследованием по определению возраста Земли.

Встреча выдающихся ученых в 1932 году в Мюнстере, Германия. Слева направо сидят: Джеймс Чедвик, Ханс Гейгер, Эрнест Резерфорд. Стоят. Джордж деХевеси, Элизабет Гейгер, Лиза Мейтнер и Отто Ган.

То же он писал об интеллектуальном голоде и тоске по Соединенному Королевству своему учителю Дж. Дж. Томсону:

"После нескольких лет без Кавендиша я чувствую, что отдалился от науки, я очень скучаю по возможности встречаться с людьми, интересующимися физикой. Вне маленького кружка лаборатории очень редко я могу от кого-нибудь услышать, что происходит где- нибудь еще".

Однако место в Макгилле обеспечивало его материально, он мог содержать семью. Именно поэтому через год после приезда в Монреаль он отправился в Сан-Франциско и сел на пароход до Новой Зеландии, чтобы жениться. Резерфорд заключил брак в 1900 году и, воспользовавшись своим приездом, подал в Новозеландский университет документы для получения докторской степени. После свадебного путешествия, во время которого Резерфорд смог собрать образцы радиоактивных элементов для будущих исследований, молодые вернулись в Монреаль. В 1901 году родилась их единственная дочь Эйлин Резерфорд.

В 1903 году ученый опубликовал часть своей теории радиоактивности и в том же году отправился в Европу, где стал членом Королевского общества. Эта поездка имела большое значение для Резерфорда, так как он смог лично познакомиться со всеми учеными, являвшимися первооткрывателями в области радиоактивности, среди которых была и чета Кюри. В июне 1903 года Эрнест и его жена Мэри прибыли в Париж, о чем позднее Резерфорд вспоминал так:

"Летом я навестил профессора и мадам Кюри в Париже и узнал, что мадам получила докторскую степень в день моего приезда. Вечером мой старый друг, профессор Ланжевен, пригласил мою жену, меня, Кюри и Перрена ужинать. После оживленной вечеринки в 11 часов мы вышли в сад, там профессор Кюри показал трубку, покрытую сульфатом цинка, в ней находилось большое количество радия в растворе. В темноте от него исходило свечение, и это стало блистательным завершением незабываемого дня. В тот момент мы не могли не заметить, что руки профессора Кюри ужасно воспалены, что было связано с воздействием лучей радия. В тот раз я впервые видел Кюри. Его преждевременная кончина в дорожном происшествии в 1906 году — великая потеря для науки, и особенно для науки о радиоактивности, развивающейся так быстро".

Супруги Кюри были первыми, кто почувствовал радиацию на своей коже, непосредственно испытав все вредные последствия от ее воздействия. В ту эпоху ученые часто носили колбы с солями радия в кармане, отчего у них возникало покраснение кожи. Пьер Кюри заметил, что при длительном воздействии радия кожа краснела еще больше, воспалялась и слезала. Пьер страдал от болей, у Марии развилась катаракта и случился выкидыш, возможно связанный с воздействием радиации.

Резерфорд, напротив, никогда не говорил о проблемах со здоровьем, несмотря на то что бесчисленное количество раз подвергался облучению. В конце концов и общество почувствовало негативное воздействие радиоактивности. Любопытные явления, свойственные радию, например свечение в темноте, использовались в военных целях. Между 1918 и 1928 годом начали продавать лекарственный препарат "Радитор" со следами радия, он применялся как эликсир долголетия, но на самом деле действовал отравляюще. Были и другие средства, якобы защищавшие от выпадения волос, сулившие всевозможные чудеса, но все это оказалось обманом. Мария Кюри одна из первых осознала, что если радиация убивает здоровые клетки, таким же образом она может прекратить размножение больных, раковых клеток. Так был открыт путь к использованию радиотерапии.

Пьер и Мария Кюри в парижской лаборатории, где они сделали столько невероятных открытий.

На следующий год Резерфорд вновь отправился в Европу и, воспользовавшись случаем, провел две лекции. Одна из них — ежегодная Бейкерианская лекция в Королевском обществе — стала большой честью для него. Выступая, ученый изложил свои новые идеи о радиоактивном распаде. Вторая лекция касалась возраста Земли; как мы уже говорили, в аудитории присутствовал и лорд Кельвин.

Так как радиация и физика частиц начали оформляться в самостоятельную дисциплину, возникла необходимость в издании соответствующего учебника. Резерфорд взялся за дело, и в 1904 году вышел первый учебник " Радиоактивность". Труд был посвящен Дж. Дж. Томсону; прочитав книгу, он сказал: "Резерфорд не только расширил знания в этой области, но и присоединил новую провинцию".

Слава Резерфорда распространялась по всему миру, многие блестящие студенты отправлялись в Макгилл, чтобы поработать рядом с новозеландским гением. Одним из таких студентов был Отто Ган, будущий Нобелевский лауреат по химии 1944 года за эксперименты по расщеплению ядра. В 1906 году в журнале Nature (который вместе с Science разделяет славу крупнейших научных неспециальных изданий) была опубликована посвященная Резерфорду статья, о его студентах можно было прочитать следующее:

"Профессор Резерфорд собственным энтузиазмом и энергией вдохновляет своих студентов на исследования. Он следит за получаемыми ими результатами и радуется их открытиям как своим собственным. Он — воплощенное великодушие, он всем сердцем верит в тех, кто проводит исследования под его покровительством".

Все его сотрудники были свидетелями справедливости написанного в статье. Содди, Марсден, Гейгер, Джеймс Чедвик — все могли подтвердить, что Резерфорд полностью доверял ученикам, а его энтузиазм вдохновлял их.

Когда слава его стала расти, Резерфорду начали поступать предложения от американских университетов, на тот момент они не особенно были известны и предлагали незначительное жалование. Также ему пришло предложение из Лондона, но тоже довольно скромное, и Резерфорд отказался.

А в 1906 году наконец поступило предложение его мечты.

В Манчестерском университете была одна из лучших физических лабораторий того времени, и возглавлял ее Артур Шустер.

Шустер собирался покинуть свой пост, но, уходя, поставил условие: его место должен занять Резерфорд. Для Эрнеста это был прекрасный повод вернуться в Соединенное Королевство и приступить к реализации своих передовых исследований в лаборатории столь высокого уровня. Одной из первых своих аспиранток в Макгилле Харриет Брукс, которая с ним, а также с Марией Кюри работала над вопросом определения атомной массы радона, Резерфорд предложил последовать за ним и воспользоваться одной из стипендий. Однако Брукс отказалась, так как собиралась замуж и намеревалась окончательно оставить карьеру.

Даже в The New York Times напечатали заметку об отъезде Резерфорда из Канады. В Макгилле Резерфорд опубликовал 60 научных работ, 19 из которых — в соавторстве с Содди. Он снискал мировую славу, его работы получили широкое признание, при этом его отъезд отнюдь не означал закат карьеры.

Огромное хранилище скрытой энергии находится в самих радиоактивных атомах.

Эрнест Резерфорд

Резерфорд прибыл в Манчестер осенью 1907 года, и первой его заботой стало получение радиоактивного материала. Институт радия Австрийской академии наук предложил Резерфорду разделить материал, отправленный также Рамзаю. После споров между учеными (Рамзай собирался передать Резерфорду образцы по завершении своих опытов) из Вены прислали подтверждение, что вышлют отдельные образцы для Резерфорда. Другой важной задачей было найти первоклассного помощника. На этот раз им стал Ханс Гейгер, приехавший в 1906 году из немецкого Эрлангена, чтобы работать с Шустером.

В Манчестере первые исследования Резерфорда были посвящены анализу альфа-частиц, который он начал в 1902 году. Он хотел убедиться в их составе, о чем писал несколько лет назад, и намеревался доказать, что это один и тот же вид излучения вне зависимости от источника. До сих пор это была просто гипотеза, поэтому ее требовалось подтвердить.

Резерфорд и Гейгер придумали трубку, которая позволяла подсчитать альфа-лучи. После некоторых усовершенствований Гейгера данный аппарат стал называться счетчиком Гейгера. Благодаря счетчику ученые смогли установить количество частиц, испускаемых радиоактивным источником. Так как они уже могли определить общий заряд, который производил поток частиц, это позволило им выяснить заряд одной частицы, для чего общий заряд частиц был разделен на их количество. Получив это число, идентификацию альфа-излучения с ядрами гелия больше не подвергали сомнению. Таким образом, альфа-частицы являлись ядрами гелия, атомами гелия с недостающими двумя электронами. В тот момент Резерфорд наконец нашел экспериментальное подтверждение, а позднее упрочил его еще более изящным экспериментом, в ходе которого можно было оценить спектр поглощения альфа-частиц, также идентичный спектру гелия. Именно тогда, будучи полностью занятым своими опытами, он получил новость о том, что ему присуждена желанная Нобелевская премия по химии 1908 года. Премия вручалась "за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ".

После поездки в Стокгольм его жена написала родственникам следующее: "Он объяснил, как долго ему пришлось работать над трансформациями разной длительности, но ни одна из них не была такой быстрой, как его собственное превращение из физика в химика". В речи он рассказал о своих исследованиях альфа-лучей, которые были начаты в Кавендише, когда он первым обратил внимание на этот вид излучения, а затем продолжены в Макгилле. Именно тогда у него зародились подозрения, что это могли быть частицы гелия, так как в месторождениях радиоактивных элементов было большое количество этого газа, как отметил Рамзай; наконец, в своих последних исследованиях в Манчестере он нашел экспериментальное подтверждение своей теории.

Резерфорд всегда был до суровости далек от роскоши, так как вырос в небогатой семье, но на этот раз он воспользовался полученной премией и купил автомобиль. Его старый друг Отто Ган устроил для своего учителя триумфальный тур по немецким университетам, где тот проводил лекции и встречался со многими учеными, имена которых ему были знакомы лишь по публикациям.

После возвращения в Манчестерскую лабораторию Резерфорд быстро достиг нового великого успеха в своей карьере, о котором упоминалось в главе 1: с помощью альфа-лучей он обнаружил ядро атома. Это излучение стало его талисманом, его штурвалом, который помогал ему двигаться вперед по волнам науки.