Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв
8 Л. И. Пономарев
ГЛАВА 13
Ба-Чжа
На рубеже двух веков идея прогресса, как представление о неограниченном поступательном движении человечества, достигла, казалось, своего полного воплощения. Именно тогда вошли в обиход людей почти все изобретения, определившие лицо нашего времени: электричество, телефон и радио, граммофон и кинематограф, автомобиль и самолет. Мировые войны, кризисы и революции — все это еще впереди, и мало кто думает об ограниченности и скором истощении богатств Земли.
Именно в то время в широкой публике пробудился всеобщий интерес к точному знанию, и для многих символом достижений науки нового времени стал радий: им восхищались, его боялись, на него возлагали надежды. Явление радиоактивности изучают во всем мире: Пьер и Мария Кюри — во Франции, Резерфорд — в Канаде, Содди, Крукс, Рамзай — в Англии, Брэгг — в Австралии, Фаянс, Ган и Мейтнер — в Германии, Швейдлер — в Австрии, Болтвуд — в Америке, Стрёмгольм и Сведберг — в Швеции, Антонов и Петров — в России... Шумный прогресс мало изменил устоявшуюся тишину научных лабораторий, а сами ученые вряд ли подозревали, что от их работы зависит судьба цивилизации: по традиции они искали истину и не задумывались о том, как она потом обернется — на благо или во зло людям.
ХИМИЯ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ
Через 15 лет после открытия радиоактивности и через 10 лет после объяснения ее природы было исследовано уже около 30 радиоактивных элементов. Им наскоро придумали названия: уран уран Х2, радий А, В, С,..., вплоть до G, и т. д. — не очень задумываясь вначале, в каком отношении они находятся к обычным химическим элементам. К 1913 г. о них было известно уже довольно много:
все они распадаются за времена от миллионных долей секунды до миллиардов лет, излучая при этом а-частицы (ядра гелия), р-частицы (быстрые электроны) и у-лучи (рентгеновские лучи с очень короткой длиной волны);
при радиоактивном распаде одновременно с излучением а- и р-частиц происходит изменение химических свойств элемента;
энергия радиоактивных излучений в миллионы газ превышает энергию химических реакций;
процесс радиоактивного распада не может быть замедлен или ускорен: тепло и холод, давление и химические реакции, электрические и магнитные поля нисколько на него не влияют.
Предстояло найти ответ на три основных вопроса: Какова химическая природа радиоэлементов? Откуда они черпают свою энергию? Что является причиной их распада?
На два последних вопроса ответят теория относительности и квантовая механика. На первый вопрос вскоре нашли ответ сами радиохимики.
Главное затруднение химиков заключалось в том, что радиоэлементы, как правило, нельзя было выделить в количествах, достаточных для проведения стандартных химических анализов. Поэтому их присутствие устанавливали по испускаемому ими характерному излучению, а между собой их различали по присущим им периодам полураспада. Постепенно произошла подмена понятий: радиоэлементом стали называть не вещество с набором характерных химических свойств, а элемент с определенным периодом полураспада. В этом проявилось изменение психологии исследователей: совсем недавно они встретили гипотезу радиоактивного распада как отрицание самой идеи неизменных химических элементов, теперь же, чтобы установить присутствие в смеси какого-либо радиоэлемента, они используют именно факт распада его атомов! При всем* остроумии и плодотворности этого метода, окончательное суждение о химической природе радиоэлемента остается за химией. Именно этим правилом руководствовалась Мария Кюри в своем стремлении выделить химически чистый радий, и, достигнув цели, она одновременно доказала, что радиоактивность никак не изменяет химических свойств элемента и, в свою очередь, не зависит от них.
Другая проблема, которая ставила в тупик радиохимиков той поры, состояла в том, что в некоторых случаях радиоэлементы, явно различающиеся между собой и периодом полураспада, и типом излучения, никак не удавалось отделить друг от друга известными химическими методами. Например, радий D не отделялся от свинца, радий С — от висмута, а «ионий» — от тория. И, наконец, радиоэлементов стало слишком много: казалось положительно невозможным разместить 30 элементов с различными периодами полураспада в те 12 клеток таблицы Менделеева, которые к тому времени оставались свободными.
В 1913 г. несколько исследователей одновременно подошли к решению этих загадок. В то время об атоме уже знали много больше, чем на пороге века: в 1909 г. сообщил о своих первых опытах Перрен, в том же году Милликен измерил заряд электрона, в 1911 г. Резерфорд доказал существование ядер атомов, годом позже стали известны опыты Лауэ, а в 1913 г. появились сразу: модель атома Бора, работа Мозли и гипотеза Ван ден Брука о равенстве заряда ядра его порядковому номеру в таблице Менделеева. Все это, несомненно, помогло Фредерику Содди сформулировать понятие изотоп и тем самым завершить многолетний труд радиохимиков.
ИЗОТОПЫ
Представьте, что у вас в руках 30 монет разного достоинства: одна, две, три, пять и т. д. копеек,— рассортировать их по стопкам должным образом не составляет труда. При этом никого не смущает тот очевидный факт, что в каждой из стопок не все монеты полностью одинаковы. Например, кроме цифры 5 на пятикопеечных монетах выбит еще год их выпуска, и, весьма вероятно, у некоторых он различен. Но если мы интересуемся лишь покупательной способностью монет, то эту деталь можно не принимать во внимание.
С радиоактивными элементами нужно было поступить точно так же: разбить их на группы с одинаковыми химическими свойствами и, не обращая внимания на различие
периодов полураспада элементов, попавших в эту группу, поместить их в одну и ту же клетку таблицы Д. И. Менделеева. («Изотоп» в переводе с греческого именно это и означает: «занимающий одно и то же место».)
В наше время эта мысль может показаться попросту тривиальной. В самом деле, общеизвестно, что атом — это система, состоящая из ядра и электронов. Ядро имеет две характеристики: заряд и массу. Заряд ядра равен количеству электронов в атоме и полностью определяет химические свойства элемента. Масса ядра определяет его атомную массу и период полураспада, но никак не влияет на его химические свойства и вовсе не обязана быть одинаковой у всех ядер атомов одного и того же элемента. Поэтому не следует удивляться, если в одной клетке таблицы Д. И. Менделеева окажется несколько атомов с разной атомной массой, но — обязательно — одинаковым зарядом ядра. Такая смесь изотопов совершенно однородна и неразложима никакими химическими способами, хотя, с точки зрения радиохимика,
