ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД И ФРЕДЕРИК СОДДИ

Приведенный ниже рисунок появился впервые в 1903 г в докторской диссертации Марии Кюри. Теперь он вошел во все учебники мира, и каждый школьник бойко объяснит, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, которые (с легкой руки Резерфорда) получили название α, β, γ лучей.

Испускание (a-лучей еще в 1898 г. обнаружил Беккерель, позже было показано, что их свойства совпадают со свойствами катодных лучей, то есть они представляют собой поток быстрых электронов (электрон - очень кстати - был открыт в предыдущем году). Два года спустя французский ученый Поль Вийяр (1860 - 1934) установил, что одним из компонентов «урановых лучей» являются лучи свойства которых оказались подобными X-лучам Рентгена. В январе 1899 г. Резерфорд обнаружил третий компонент α-лучи неизвестной дотоле природы. В наше время даже школьники знают, что α -лучи — это «просто» ядра гелия, но, чтобы доказать этот факт, в то время даже таким людям, как Резерфорд, Содди и Рамзай, потребовалось не менее пяти лет работы.

В чем состояла сложность задачи? Прежде всего, такого понятия, как «ядро атома», тогда еще не изобрели: оно появится только через 11 лет. И хотя электрон уже два года как был известен, само существование атомов не было в то время строго доказано: опыты Перрена будут поставлены лишь 9 лет спустя. Отголосок трудностей тех дней мы чувствуем даже сейчас, при попытке последовательно изложить историю открытий радиоактивности. В самом деле, как мы хорошо теперь знаем, все эти явления относятся к области ядерной физики, а нам приходится анализировать их, тщательно избегая употребления слова «ядро».

В год открытия радия Эрнест Резерфорд был докторантом знаменитого Дж. Дж. Томсона в лаборатории Кавендиша. Узнав об открытиях Беккереля и Кюри, он оставляет свои исследования ионизации газов и уже осенью 1898 г. завершает большую работу по изучению радиоактивности урана. Вскоре он переехал в Канаду, возглавил в Монреале кафедру физики университета Мак-Гилла и с присущими ему энергией и размахом занялся всесторонним изучением нового явления. В отличие от Марии Кюри, которая сосредоточилась на химическом выделении радия в чистом виде, Резерфорда больше всего интересовала физическая природа радиоактивности.

В чем суть явления радиоактивности? Каков ее внутренний механизм? И в чем ее истинная причина? Вот что хотел понять Резерфорд прежде всего.

Для начала он решил изучить свойства α-частиц.

Через три года напряженной работы («Шесть дней в неделю сижу в лаборатории допоздна»,— писал он невесте в Новую Зеландию) Резерфорд был уже почти уверен, что α -частицы — это не что иное, как дважды ионизованные атомы гелия. Он опирался при этом на простой и общеизвестный факт: во всех соединениях урана и тория был обнаружен гелий, причем в больших количествах. Например, из 1 г тория можно прокаливанием выделить около 10 см3 гелия, что примерно в 100 раз превышает объем взятого тория. Гелий, который нашли_ на Земле за семь лет до этого (кстати, именно в минералах тория), к 1902 г. был уже хорошо изучен, и о нем было известно, что он относится к группе благородных газов и ни в какие химические реакции не вступает. Поэтому объяснить химическими причинами присутствие такого количества   гелия   в  тории   не   представлялось  возможным.

Итак, гелий образуется из радиоактивных элементов. Но что при этом происходит с самими элементами?

Вскоре после приезда в Канаду Резерфорд смог объяснить одно наблюдение своего препаратора: оказалось, что соединения тория выделяют какой-то неизвестный радиоактивный газ, который он назвал «эманацией» (дословно — «то, что выделяется»).

Годом позже Пьер и Мария Кюри наблюдали такую же эманацию радия. Дополнительные опыты показали, что это очень тяжелый газ и что он довольно быстро теряет свою радиоактивность: каждые четыре дня она уменьшается вдвое.

Это была новая загадка: к тому времени радиоактивность уже привыкли считать неизменной характеристикой элемента, примерно такой же, как его атомная масса. Что же происходит с радием? И откуда берутся теперь уже два газа — гелий и эманация радия?

Осенью 1900 г. к Резерфорду присоединился молодой и талантливый химик Фредерик Содди (1877—1956). Вскоре они доказали, что эманация радия — эта инертный газ, химические свойства которого подобны свойствам всех благородных газов: гелия, неона, аргона, криптона и ксенона. (Совместно с Уильямом Рэлеем их открыл Уильям Рамзай и в 1901 г. догадался, что в таблице Д. И. Менделеева они образуют особую 8-ю группу с нулевой валентностью.)

Через два года вдохновенной работы (оба они были так молоды тогда: одному 29 лет, другому — всего 23!) Резерфорд и Содди пришли к поразительному заключению: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу (именно ее мы воспринимаем как радиоактивное излучение) и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от исходного. Образовавшийся при распаде атом также может оказаться радиоактивным и испытать дальнейший распад.

Это утверждение, известное теперь как гипотеза радиоактивного распада, в то время казалось неожиданным и очень смелым. Посудите сами: только в конце века начали соглашаться (да и то не все!) с тем, что атомы существуют. Но при этом никто не допускал даже мысли о том, что они могут быть изменены, а тем более распадаться самопроизвольно. Это убеждение продолжало многовековую традицию атомистов — от Демокрита до Ньютона и Максвелла, поэтому допущение о распаде атомов означало   крутую   ломку   основных   представлений   о   структуре материи. Кроме того, все это очень смахивало на утверждение алхимиков о возможности превращения элементов, а говорить такое в цивилизованный век было уж и вовсе неприлично. Можно понять поэтому опасения физиков Монреаля в том, что опубликование новых идей о превращении элементов нанесет ущерб научному престижу молодого университета.

Тем не менее дело было сделано, а слово — сказано. Гипотеза радиоактивного распада, как и всякая плодотворная гипотеза, имела следствия и допускала их опытную проверку. Первую из них осуществил Содди совместно с Уильямом Рамзаем уже летом 1903 г., вскоре после возвращения из Монреаля в Лондон. Идея их опыта была предельно проста: они собирали эманацию радия, которая выделялась из имеющихся у них 50 мг бромида радия, в тонкую стеклянную трубку и, пропуская через нее электрический разряд, наблюдали характерный, ни на что другое не похожий спектр нового элемента. С течением времени, однако, этот спектр слабел, а на егб месте все более отчетливо проступал спектр гелия: эманация радия распадалась на ^елий и радий Д. Участники и очевидцы, этого эксперимента даже много лет спустя не могли скрыть волнения, рассказывая о нем,— настолько он поразил их    воображение:     видеть    воочию,    как    один    элемент

 превращается в другой,— это для физика и химика равносильно тому, как если бы зоолог наяву увидел превращение кошки в собаку. Немного позднее «эманация радия» получит от Резерфорда свое настоящее имя — радон (символ Rn), а Рамзай проявит чудеса экспериментального искусства и, имея всего 0,1 мм3 радона, измерит его атомную массу: она окажется равной 222. Атомная масса радия (226) была измерена Марией Кюри в 1902 г., а атомная масса гелия (4) была определена в работах Рамзая за три года до этого. Теперь гипотезу радиоактивного распада радия по схеме

Ra=Rn + He;можно было проверить не только качественно, по наблюдению спектров, но и количественно. Действительно, атомная масса радия 226 = 222 + 4 оказалась в точности равной сумме атомных масс радона и гелия. После такого доказательства гипотезу радиоактивного распада можно смело переводить в ранг научной истины.

Довольно скоро установили, что все радиоактивные элементы распадаются с определенной скоростью, которая является такой же неотъемлемой характеристикой радиоэлемента, как и его атомная масса. По предложению Резерфорда, с 1900 г. эту скорость принято характеризовать периодом полураспада элемента 7*1/2, то есть временем, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного элемента. Например, период полураспада радона — 3,82 дня, радия — 1600 лет, урана — 4,5 млрд. лет.

Наконец с точки зрения гипотезы радиоактивного распада становилось понятным, почему радий всегда встречается вместе с ураном: по-видимому, он является продуктом его распада. Далее, если радий получается как продукт распада урана, радий порождает радон, последний распадается еще дальше, то должны существовать целые радиоактивные семейства, у которых есть первый элемент (радиоактивный) и последний (стабильный). Все последующее десятилетие было посвящено поискам этих радиоактивных семейств, распутыванию последовательности распадов в них, измерению скоростей распада и т. д. К 1913 г. эта работа была в основном закончена.

Итоговая статья Резерфорда и Содди имела название «Причина и природа радиоактивности». После нее можно было сказать, что теперь природа радиоактивности надежно установлена. Однако причина, по которой атомы радиоактивных веществ самопроизвольно взрываются, эта причина станет понятной только четверть века спустя, после создания квантовой механики. И только через десять лет станет ясной природа Х-лучей, с открытия которых начались исследования радиоактивности.