Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы - Коллектив авторов
* * *
БАРОН НЕЛЬСОН И ЕГО ПОСЛЕДОВАТЕЛИ
Когда король Георг V присвоил Эрнесту Резерфорду (1871–1937) дворянский титул (барон Нельсон) и назвал его самым блестящим ученым, которого дали колонии, тот уже совершил часть самых важных открытий в области радиоактивности: определил природу радиоактивных процессов, разработал прибор для их количественной оценки, определил радиоактивные ряды и на их основе придумал процесс определения возраста Земли, открыл существование ядра в центре атома, произвел первое превращение одного атома в другой… А открытия, которые он не совершил, сделали его ученики на подготовленной им базе. Тот, кого многие определили как «самого великого экспериментатора после Фарадея», был также отличным учителем гениев, поскольку у него была необычная способность привлекать блестящих и творческих людей, давать им пространство и стимул, которые были нужны, чтобы каждый из них выдал лучшее, что мог. При этом во многих случаях речь шла о крайне сложных личностях, таких как химик Содди со своими странными экономическими теориями; избалованный Мозли, блестящая карьера которого была прервана Первой мировой войной; мрачный Чедвик, страдавший от публичных выступлений; саркастичный Болтвуд, открытый враг Марии Кюри, который в итоге покончил жизнь самоубийством, но до этого определил возраст Земли; молодой немец с поразительной работоспособностью Ханс Гейгер, когда он еще не проявлял своих нацистских наклонностей; датчанин Нильс Бор, предложивший в диссертации модель атома, на которой основывается вся химия; немцы Фаянс и Ган; англичане Кокрофт, Уолтон и Эплтон, построившие первый ускоритель частиц… Со всеми ними Резерфорд поддерживал отличные отношения, полные привязанности и уважения к ученикам со стороны преподавателя, которого они ласково называли Крокодилом.
Эрнест Резерфорд (справа) и Ханс Гейгер в то время, когда они разрабатывали счетчик, который получил имя последнего.
РЕАКЦИИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Существует три главных типа спонтанного радиоактивного распада. Первые два были предложены Резерфордом в 1899 году, когда он закончил диссертацию в Кембридже; третий — Вилларом, в Париже, через год.
1. α-лучи. Они образованы относительно тяжелыми частицами (состоят из двух нейтронов и двух протонов, то есть это ядра гелия), заряженными положительно. Они отклоняются электрическими и магнитными полями и сильно ионизированы, что делает их менее проникающими.
Схема основных реакций радиоактивного распада, на которой показано, как изменяется атомный номер, Z, и массовое число, А (то, что позже описали Содди и Фаянс).
2. β, β—-лучи. Этот тип распада имеет место, когда нейтрон из ядра трансформируется в протон, испуская электрон. Они отклоняются магнитными полями, и их ионизирующая способность не так высока, как у α-частиц, что делает их более проникающими. Менее распространенный тип β-радиоактивности — β+, при котором протон трансформируется в нейтрон, испуская позитрон; из-за своего характера он распадается сразу после реакции с электроном окружающей материи, что порождаету-лучи в противоположном направлении (на этом основана позитронно-эмиссионная томография).
3. γ-лучи. Это электромагнитные волны, испускаемые нестабильными ядрами. Это самое проникающее излучение, которое останавливается только толстыми слоями свинца или бетона.
Проникающая способность лучей α, β, γ.
ЭМАНАЦИЯ
В ноябре 1899 года Пьер и Мария заметили, что все вещества, которые находились рядом с солями радия и полония, становятся радиоактивными и эта радиоактивность сохраняется довольно долго. Они назвали это явление «наведенной радиоактивностью». По другую сторону Атлантики Резерфорд, который сначала работал только с относительно малоактивными солями тория, в феврале 1900 года открыл похожее явление. До этого в лаборатории в Кембридже он уже замечал, что на активность влияют внешние обстоятельства, такие как открытая дверь лаборатории. Так же как и Пьер, он подумал, что это может быть вызвано загрязнением пылью от изучаемого радиоактивного вещества, которая оседает на поверхностях, и так же, как и Пьер, промыл водой и даже обработал излучающие поверхности наждачной бумагой, а затем и серной кислотой. После этого радиоактивность полностью исчезла, что означало, что явление имело вполне материальные причины. Он решил, что имеет дело с излучением, испускаемым новым веществом, которое должно было быть чрезвычайно радиоактивным, поскольку его количество, скорее всего, было микроскопическим и не поддающимся регистрации, а активность оно имело значительную.
С самого начала Резерфорд рассматривал гипотезу о том, что излучающее вещество имеет массу (иначе его нельзя было бы убрать с помощью наждака и серной кислоты). Однако он не решился приписать ему материальный характер, поэтому искал название, согласующееся с другими гипотезами, например «эманация». Ученый был убежден, что наведенная радиоактивность Пьера и его эманация — одно и то же явление, которое они просто по-разному объяснили. В июне 1900 года немец Фридрих Дорн открыл, что радий испускает эманацию, похожую на обнаруженную Резерфордом для тория. Через несколько лет они обе будут идентифицированы как благородный газ радон, но в течение долгого времени эти эманации называли по-разному: торон — для тория и радон — для радия.
В марте 1901 года Пьер Кюри и Андре Дебьерн продолжили изучение наведенной радиоактивности и заметили, что она намного интенсивнее, когда наблюдается в закрытом сосуде. Возможной причиной исследователи посчитали тот факт, что радиоактивность передается по воздуху. Тогда они создали вакуум в сосуде с активным веществом, и наведенная радиоактивность исчезла. Учитывая газообразное происхождение радиоактивности, именно этого и следовало ожидать, и для Резерфорда этот эксперимент стал подтверждением: Пьер Кюри обнаружил ту же самую эманацию, что и он. Но Пьер, который принял термин «эманация», предложенный Резерфордом, не признавал ее материальной основы, ссылаясь на то, что у этого явления могло быть много других причин.
Однако подход Резерфорда был намного более практичным. Он не жалел энергии и средств для проверки всех гипотез, которые приходили ему в голову, а благодаря его энтузиазму Университет Макгилла привлекал к себе самые блестящие и творческие умы того времени. Ни один человек в истории не побил рекорд по способности Резерфорда привлекать и готовить исключительных ученых: 11 его студентов получили Нобелевскую премию. Его лаборатория превратилась в мировой центр исследования радиоактивности, в котором завораживающие открытия происходили с головокружительной скоростью.
ТРАНСМУТАЦИЯ
Убежденный в материальной природе эманации, в октябре 1901 года Резерфорд привлек к ее изучению Фредерика Содди, молодого и эксцентричного химика из Оксфорда. После первых экспериментов Содди понял, что наблюдает новое, исключительное явление, и сообщил Резерфорду, что речь идет о «трансмутации», во время которой торий превращается в другой элемент. Резерфорд попросил сохранять это в секрете, чтобы их не приняли за алхимиков, но эти наблюдения подтвердили то, о чем он догадывался с самого начала. Содди продолжил эксперименты и пришел к выводу, что эманация происходит не напрямую от тория, а от радиоактивной примеси, которую он назвал торий-Х, распадающейся намного быстрее, чем торий. Измерив интенсивность испускания радиации, Содди выяснил, что кривые уменьшения активности тория и восстановления тория-Х дополняли друг друга, и это позволило утверждать, что атомы тория-Х образуются при разложении атомов тория. С другой стороны, он понял, что эманация остается неизменной при контакте с различными химическими реактивами в широком температурном диапазоне, так что это мог быть только газ группы аргона. Элементы этой группы были открыты недавно, и их назвали благородными газами, потому что они не вступали в реакции ни с какими другими элементами.
