Борис Казаков - Превращение элементов
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».
Полуспиритическое состояние и кризис в науке
Всё смешалось в доме элементов. В том самом великолепном здании, которое построил Д.И.Менделеев, — в знаменитой периодической системе. Так, во всяком случае, казалось многим прославленным физикам и химикам начала XX столетия. Всё новые и новые элементы обнаруживались исследователями в цепи радиоактивного распада. Но куда их помещать? В таблице не хватало клеток для этого.
Пьер Кюри не сразу признал теорию превращения элементов. Ему казалось, что тем самым признаётся непостоянство материи. Он первоначально склонялся к мысли объяснить временную радиоактивность процессом передачи энергии. Однако, повторив опыты Рамзая и Содди по образованию гелия из эманации радия, он успокоился и начал измерять альфа-активность так же, как это делал Резерфорд. Эманация, или радон, распадалась и превращалась в какое-то вещество A, но и оно не оставалось стабильным, а также распадалось, давая вещество B; в свою очередь и это вещество распадалось, давая некое C. Резерфорд ко всему этому отнёсся с большим вниманием и, не мудрствуя лукаво, обозначил эти вещества: радий-A, радий-B, радий-C. Он детально изучил всё относящееся к радиоактивности этих новых элементов, установил период полураспада для каждого — 3, 21, 28 минут.
Выяснилось, что это не конец. Есть ещё радий-D, радий-E и радий-F.
Осенью 1904 г. для усовершенствования в науках в лабораторию Рамзая прибыл «неспециалист» — химик-органик Отто Ган. Молодого учёного сразу усадили за отделение радия от бариевой фракции, извлечённой из 250 килограммов нового радиоактивного минерала с Цейлона. Новичку пришлось нелегко, так как навыка в работе с радиоактивными веществами у него совсем не было. Но он порученное задание выполнил с честью. Даже больше. Он не только выделил бромистый радий, но нашёл в маточном растворе новое радиоактивное вещество, которое давало эманацию с периодом полураспада в одну минуту. Твёрдый налёт — результат превращения эманации — также был активен (полураспад 11 часов). По всем химическим признакам это был торий, но с исключительно сильной радиоактивностью. Успехи молодого учёного произвели хорошее впечатление на Рамзая, и он сразу рекомендовал его в качестве специалиста по радиоактивности в исследовательский институт Эмиля Фишера. Молодой химик-органик, «птенец» по сути дела, прибыл к маститому органику с новой, совершенно неожиданно приобретённой специальностью физика. Но чувствуя себя в ней ещё не очень уверенно, Ган отправился в Монреаль к Резерфорду подучиться и накопить опыт. Ему быстро удалось убедить Резерфорда в существовании радиотория, как было названо им новое вещество, и в том, что в цепи радиоактивного превращения торий — эманация тория (торон) он предшествует ранее обнаруженному торию-X. Началась упорная работа. Всё было правильно, но вдруг пришло письмо, в котором его автор Болтвуд сообщал, что располагает препаратом радиотория, сохраняющим радиоактивность постоянной в течение двух лет. Это было интересное сообщение, так как по измерениям Гана такой срок должен привести к почти полному распаду этого вещества. Если сведения Болтвуда достоверны, можно было предположить, что запас радиотория постоянно пополняется за счёт распада какого-то другого радиоактивного вещества. Оказалось, что и в самом деле так, — Ган тонко поставленными экспериментами доказал это и новое вещество назвал мезоторием. В работу включились Болтвуд, Мак-Кой и другие исследователи. В конечном счетё было установлено, что есть и другой мезоторий. Цепочку превращения тория в его эманацию оказалось необходимым удлинить: торий — мезоторий I — мезоторий II — радиоторий — торий-X — торон (эманация).
То обстоятельство, что радий всегда добывался только из урановых руд, наводило на мысль, что и сам он — всего лишь ступень в цепи превращений элементов. Содди попытался накопить сколько-нибудь радия непосредственно из урана, однако это ему не удалось, и исследователи сделали вывод, что уран и радий — не соседние звенья радиоактивной цепи. Так оно и оказалось впоследствии. Болтвуд тогда заинтересовался актинием, радиоактивность которого показана была А.Дебьерном ещё в 1899 г. Исследования, начатые Болтвудом и следом за ним Резерфордом, закончились установлением новой цепи превращений: актиний — радиоактиний — актиний-X — актинон — актиний-A — актиннй-B — актиний-C.
Все эти превращения сопровождались излучением; в большинстве своём испускались альфа, реже бета-, а иногда и гамма-лучи.
Описание всех подробностей этих трансформаций не является предметом нашего рассмотрения, и мы того, кто этим заинтересовался, отсылаем к современному учебнику физической или даже неорганической химии, либо к соответствующим популярным изданиям.
Для нашей темы любопытно было то, что активность в ряде превращений, наконец, прекращалась и образовывалось вещество, уже не излучающее. Химики, определяя его атомный вес, получали неодинаковые величины, но всякий раз очень близкие к атомному весу одного из самых известных и обиходных элементов — свинца.
Профессор Берлинского университета В.Марквальд извлёк из остатков урановой иоахимстальской руды короткоживущий радиоэлемент и назвал его радиотеллуром. Некоторые учёные не согласились с Марквальдом. По мнению одних, открытый им радиотеллур не что иное, как полоний; по мнению других, это висмут. Марквальд много спорил и с теми, и с другими. Последних ему удалось разбить очень просто и наглядно. Он погружал висмутовую палочку в раствор, содержащий радиотеллур, и тот отлагался на палочке — хорошо известный способ контактного вытеснения одного металла другим.
Однако Марквальду всё же пришлось уступить, ибо другие исследователи, и прежде всего Мария Кюри, доказали, что радиотеллур идентичен не только полонию, но и радию — всё это разные названия одного и того же вещества. Марквальд отнёсся к этому в высшей степени философически и сказал шекспировскую фразу: «Как розу ни назови, а пахнуть она будет так же приятно». Но любопытно то, что и радий-E тоже оказался полонием, если судить об этом по атомному весу. Таким образом, теория превращения элементов приобрела необычайную притягательную силу, хотя и вызывала в умах сторонников классических взглядов невообразимую путаницу и тревогу.
