Алхимики и трансмутация элементов 1.

Как известно, алхимики средневековья были убеждены, что существует трансмутация, т. е. превра­щение одного элемента в другой. Идеям алхимиков был нанесен сокрушительный удар в процессе становления и развития современной химии. А вот опыты, которые будут описаны, показали, что алхимики, несмотря на низ­кий уровень науки того времени, в чем-то были правы.

Процесс превращения веществ в результате распада ато­мов может существовать. Резерфорд доказал, что тяжелые радиоактивные элементы самопроизвольно превра­щаются в другие элементы.

Резерфорду и Содди принадлежат слова, подводящие итог нескольких лет интенсивной исследовательской работы: «Радиоактивность есть атомное явление, одновременно сопровождающееся химическими изменениями, в результате которых появляются новые типы вещества, причем эти изменения должны протекать внутри атома, а радиоактивные элементы должны испытывать спон­танные превращения».

В 1903 году Резерфорд и Содди опубликовали первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Во главе трех генеалогических деревьев стоят три радио­активных элемента: уран, торий и радий. Вот как прос­то они выглядели:

Эта таблица была составлена до открытия изотопии, и поэтому в ней разновидности элементов (сегодня мы знаем, что это изотопы) обозначены по-старому.

Эти первые в истории физики «генеалогические дере­вья», конечно, постепенно сильно разрослись. И понятно почему.

Вслед за Резерфордом многие физики в различных странах занялись исследованиями в этой области. Были открыты недостающие звенья, и многие вещества заняли свои места в семьях природных радиоактивных элемен­тов.

Но таких семейств оказалось всего три. Из них два имеют родоначальником уран, а третье — торий. Первое семейство насчитывает 14 потомков, т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате спонтанно­го радиоактивного распада; второе — 10; третье — 11. До Резерфорда во всех энциклопедиях можно было про­честь, что элемент — простейшее стабильное вещество, которое нельзя разложить химическими методами. Это действительно так, если говорить о химических методах.

Но это далеко не простейшие стабильные вещества, и среди них есть много радиоактивных. Скажем еще о дальнейшей судьбе «генеалогических деревьев», называемых теперь радиоактивными рядами (они играли важнейшую роль в изучении радиоактивно­го распада).

В 1903 году, после того как Резерфордом и Содди уже были составлены первые генеалогические деревья, произошло дальнейшее существенное продвижение нау­ки вперед. Резерфорд высказал предположение, что ра­дий есть продукт распада какого-то другого радиоак­тивного элемента, вероятнее всего, урана. Вскоре он уже уверенно утверждал, что радий образуется при распаде урана. Правда, тогда, в «доизотопный период» атомной физики, ученый, конечно, не мог знать об уране-235 (ред­ком изотопе), возглавляющем радиоактивный ряд, в ко­тором находится радий. (Отметим в скобках, что откры­тие изотопии уже созрело и, как говорят, «носилось в воз­духе», ожидая выдающегося наблюдателя.)

Резерфорд обосновал свое предположение об обра­зовании радия из урана тем фактом, что в минералах, содержащих уран, всегда присутствует радий. Он и был открыт супругами Кюри в урановой руде.

В это время в Монреаль из США приехал химик Б. Болтвуд. Он, признавая особую важность работ по радиоактивности, стал активно сотрудничать с Резерфор­дом. Болтвуд и Резерфорд определили, что в минералах урана одна часть радия приходится на 3,2 миллиона час­тей урана (позднее эта величина была уточнена до 2,8 миллиона).

Резерфорд тогда писал, что если такое соотношение урана и радия верно, то оно должно быть постоянным и соответствовать закону радиоактивного распада. Этот за­кон, открытый Резерфордом и Содди, гласит: если мате­ринское вещество и продукт его распада, дочернее веще­ство, присутствуют вместе, то может быть достигнуто та­кое состояние равновесия, когда дочерний элемент распадается с такой же скоростью, с какой он вновь образуется из материнского элемента.

Утверждение Резерфорда, что радий образуется из урана, скоро было экспериментально подтверждено Болтвудом, который доказал, что радий и уран — члены одно­го радиоактивного семейства, или ряда.

В 1903 году Фредерик Содди переехал из Канады в Англию и там некоторое время занимался проблемами радиоактивности.

Спустя много лет после отъезда из Монреаля, в 50-х годах, Содди (переживший Резерфорда почти на 20 лет) вспоминал о совместной работе с «макдональдовским профессором» физики: «Мы были лучшими друзьями и ими же остались... Часы, проведенные за радиоактивными экспериментами, были, конечно, чрезвычайно лихорадоч­ными, но они были и наиболее интересными и приятны­ми в моей жизни».

Содди так же, как и Резерфорд, был очень трудоспособен, и его участие в исследованиях радиоактивности получило высокую оценку. Вот что писал об этом Резер­форд: «Мистер Содди взял на себя всю чисто химическую работу, требуемую в этих исследованиях. Он быстро по­знакомился с физическими методами, применяемыми в измерениях радиоактивности, и в последующей работе выполнял весь объем чисто физических измерений. Ра­бота, опубликованная нами, была совместной работой в полном смысле этого слова, ибо мистер Содди не толь­ко принимал участие в экспериментальной работе, но также выдвинул многие из предложений и объяснений, включенных в наши совместные статьи».

Выдающийся химик Фредерик Содди — лауреат Но­белевской премии по химии 1921 года — позднее оставил радиохимию и занялся другой деятельностью. Он был экономистом, публицистом и писателем.

После возвращения в Англию из Канады (1903) Сод­ди работал с Уильямом Рамзаем в Лондонском универ­ситете. Он поставил опыт, с помощью которого хотел доказать, что, сохраняя некоторое время чистый обра­зец урана, можно накопить радий, образованный в ре­зультате распада урана. Но этот опыт привел к отрица­тельному результату. Только через два года, в 1907 году, когда Резерфорд был уже в Англии, Болтвуд, оставшийся в Монреале, выяснил причину неудачи опыта Содди.

Оказалось, что в радиоактивном ряду урана между радием и торием находится очень медленно распадаю­щийся радиоактивный изотоп тория (Th-230), назван­ный тогда Болтвудом ионием. Именно ионий с периодом полураспада 80 тысяч лет очень замедлял процесс на­копления радия в уране. Содди потребовалось бы проводить свой опыт в течение многих лет, чтобы накопить заметное количество радия. Конечно, пользуясь гигантскими количествами урана, можно было бы несколько ускорить накопление.

Все эти работы, которыми одновременно занимались исследователи и в других странах, позволили Резерфорду создать первые представления о радиоактивных рядах, или семействах, родоначальниками которых были актиноуран (так называли до открытия изотопии уран-235) и торий. Различные элементы, составляющие радиоактивные ряды, — это потомки урана и тория, ко­торые вместе с протактинием, открытым Отто Ганом, занимали три последних места в периодической таблице до трансурановых элементов.

Работы Резерфорда и Содди, а позднее и О. Гана по радиоактивным рядам побудили многих ученых исследо­вать связи между элементами, образующимися при радиоактивном распаде, и подготовили почву для откры­тия в 1910 году Фредериком Содди изотопии. Это яви­лось разультатом исследований связей радия и актиния в радиоактивном ряде урана. Содди пришел к выводу, что существуют элементы с различными атомными веса­ми, но почти тождественными химическими и спектроскопическими свойствами. Содди назвал соответствую­щие элементы такого рода «изотопами».

Так было положено начало большой области иссле­дований, огромный вклад в которую внес также англий­ский физик Фрэнсис Астон.

Впоследствии, после открытия атомного ядра, Нильс Бор высказал мысль о том, что все изотопы одного эле­мента обладают одним и тем же атомным номером, т. е. заряд их ядер одинаков. Отсюда Бор сделал вывод, что «при радиоактивном распаде элемента, совершенно неза­висимо от каких-либо изменений его атомного веса, про­исходит его смещение в таблице Менделеева на два номера влево или на один номер вправо соответственно с уменьшением или увеличением заряда ядра, сопровож­дающим испускание α- или β-лучей».

Этот закон радиоактивного смещения несколько поз­же Бора был сформулирован Содди и Казимиром Фаян­сом (уроженцем Польши, профессором университета в Карлсруэ). Обычно его и приписывают Содди и Фаянсу.

Несмотря на открытие изотопии и установление важного закона, позволившего предсказать теоретически су­ществование некоторых тогда еще неизвестных химических элементов, сущность самого явления долго остава­лась неясной. Она получила объяснение лишь после от­крытия нейтрона учеником Резерфорда Джеймсом Чедвиком в Кавендишской лаборатории в 1932 году.

Так исследования Резерфорда возбуждали мысль дру­гих ученых и привели к цепи важных открытий, допол­нявших основанную им новую науку — ядерную физику.

А. Ив, который на протяжении многих лет был сотруд­ником и другом Резерфорда, впоследствии написал о нем книгу. Этот объемистый, основанный исключительно на документальном материале труд представляется наибо­лее ценным из всего, что написано о великом физике. Приведем из него несколько строк, посвященных описыва­емому периоду (1903 год): «Резерфорд был уже знаменит, радий стал предметом всеобщего увлечения, а теория ра­диоактивного распада атомов вызывала величайший ин­терес. Журналисты осаждали физическую лабораторию, помещая в прессе фантастические отчеты и сочиняя бас­ни, пока им не запретили доступ в священную обитель».

Наряду с разработкой теории радиоактивного распа­да Резерфорд занимался изучением природы α-частиц. Он пытался экспериментально получить ответ на интересовавший его вопрос: из чего состоят α-частицы и како­вы их физические характеристики.

В начале 1903 года Резерфорд, повторяя опыты по отклонению α-частиц в сильном магнитном поле, устано­вил, что они несут положительный заряд и движутся со скоростью 2,5х10⁹ сантиметров в секунду (примерно 1/10 скорости света). На основании этих данных он предполо­жил, что α-частицы могут быть либо водородом, либо гелием. Следовательно, в процессе распада радиоактив­ных элементов образуется также один из этих элементов. Так родилась идея опыта, осуществленного позже уже снова в Англии, с помощью которого Резерфорд смог установить, что α-частицы — ионизованные ядра гелия.

Этот опыт, сыгравший столь важную роль в развитии атомной физики, кроме всего, свидетельствует о необык­новенном экспериментальном искусстве и изобретательности в придумывании опытов, свойственных Резерфорду. Опыт был прост и прямо вел к цели, поставленной исследователем. Заключался он в следующем.

Прибор, построенный Резерфордом (рис. 1), состоял из электроскопа 1, сделанного из полоски золотой фольги и помещенного над двадцатью металлическими пластинками 3, вертикально установленными в эбонитовом ящике. Щели между пластинками составляют всего 1 милли­метр; благодаря таким узким щелям α-частицы, испус­каемые радиоактивным излучателем (радиевой солью) 4, расположенным под пластинками на дне ящика, проходят в камеру электроскопа параллельным пучком. Че­рез прибор пропускается во­дород (по входной трубке 2), который увлекает с собой накапливающийся в приборе радон (водород вместе с ра­доном удаляется через вы­ходную трубку 5). Благодаря непрерывному удалению радона увеличивается про­бег α-частиц.

Прикладывая сильное магнитное поле, направлен­ное  параллельно   плоскос­тям пластинок 3, можно было почти полностью прекратить ионизацию в камере электро­скопа (вызываемую электри­ческим зарядом α-частиц), т.е. листочки электроскопа опадали. Именно так Резер­форд показал, что α-частицы    это быстродвижущиеся электрически заряженные частицы с большой энергией. Если бы они двигались медленно, т. е. обладали неболь­шой энергией, то для прекращения ионизации не требо­валось бы сильное магнитное поле.

Прикрывая половину щелей между пластинками, мож­но было показать, что при одном направлении магнитно­го поля для прекращения ионизации требуется меньшая сила поля, чем при другом направлении. Так, меняя на­правление магнитного поля, приложенного к пластин­кам, можно установить, в каком направлении отклоня­ются α-частицы, и отсюда вывести, что знак заряда α-частиц положителен.

Затем Резерфорд соединял пластинки 3 поочередно с противоположными полюсами мощной электрической батареи. Теперь, закрывая щели между пластинками и наблюдая различную скорость происходящего при этом прекращения ионизации и направление, по которому про­исходит отклонение α-частиц, исследователь определил их скорость (2,5х10⁹ см/с). Кроме того, он показал, что α-частицы представляют собой поток положительно заряженных атомов с большей массой, чем атомы водорода. Затем с точностью до 10% Резерфорд определил отно­шение заряда α-частиц к их массе; это указывало на то, что α-частицы, по-видимому представляют собой дважды ионизованные атомы гелия, т. е. атомы, поте­рявшие по два электрона.

Описанный эксперимент, основанный на свойстве маг­нитных и электрических полей отклонять α-частицы, по­зволил идентифицировать их с атомами гелия. Однако для доказательства этого полученные данные пришлось дополнить некоторыми расчетами.

Сейчас этот опыт Резерфорда имеет, разумеется, только историческое значение. Уже давно для определе­ния массы различных атомов и ядерных частиц исполь­зуют более точные и сложные методы с применением специальной аппаратуры. Так, советский ученый Д. И. Блохинцев1 приводит несколько примеров, иллюстрирующих точность современных измерений масс, вы­полненных через несколько десятилетий после смерти Резерфорда. Масса атома водорода определяется сей­час с погрешностью до десятитысячных долей процента.

Поглощенный бесчисленными опытами, Резерфорд меньше всего думал о своем престиже. Но по мере зна­комства ученых разных стран с его работами популяр­ность его росла. Молодого физика избрали членом канадского Королевского общества, Американского физи­ческого общества и Британской ассоциации содействия прогрессу науки.

Главным, ни на минуту не ослабевающим интересом Резерфорда была работа, интенсивная и упорная, остав­лявшая часто лишь несколько коротких часов для отды­ха и сна, благо природа одарила его на редкость креп­ким здоровьем. Нечастые поездки в Европу и США (на сессии Американского физического общества, проводив­шиеся в Колумбийском университете в Нью-Йорке) были кратковременными и всегда использовались Резерфордом в интересах дела.

Тем не менее изучение радиоактивности ставило все новые и новые научные проблемы. Резерфорд решил при­влечь к исследованиям начинающих физиков. Образо­валась группа первых учеников Резерфорда. Подтвердились слова проницательного Томсона: если Резерфорд будет избран профессором Мак-Гиллского университета, то «он создаст выдающуюся школу физики в Монреале».

К группе соратников Резерфорда присоединяются молодые исследователи, прибывающие в Канаду из других стран. Одним из первых сюда приезжает физико-химик Т. Годлевский из Краковского университета. Через некоторое время из Англии с рекомендацией У. Рамзая прибывает двадцатипятилетний химик Отто Ган. Через 40 лет после отъезда из Монреаля, где он работал два года, Ган вместе со своим сотрудником по Институту кайзера Вильгельма в Берлине Ф. Штрассманом получит Нобелевскую премию за открытие расщепления ядер урана и тория. Совместная работа Резерфорда с Ганом в Мак-Гиллском университете была посвящена изучению радиоактивных рядов, а следовательно, радиоактивных превращений, подтверждающих правильность созданной Резерфордом и Содди модели механизма радиоактивного распада как разрушения атомных структур.

За 8 лет, проведенных в Канаде, Резерфорд опубли­ковал 50 научных статей (многие были написаны совместно с Содди). Каждая представляла большую цен­ность для новой, созданной Резерфордом области науки — теории радиоактивности распада.

Он также подготовил труд «Радиоактивные вещества и их излучения», выпущенный издательством Кембрид­жского университета в 1904 году. В последующие десяти­летия этот труд, хорошо известный физикам и химикам нескольких поколений, неоднократно переиздавался во многих странах. Но название его несколько изменялось; по мере развития ядерной физики он пополнялся новыми главами, написанными Резерфордом вместе с сотрудниками. Поэтому в более поздних изданиях на титульном листе рядом с именем Резерфорда появились имена его учеников Чедвика и Эллиса.

В 1905 году лорд Рэлей поместил в английском журнале «Nature» отзыв об этом энциклопедическом труде. Рэлей писал: «Книга Резерфорда не имеет себе равной в качестве авторитетного изложения известных свойств радиоактивных веществ. Большей частью этих знаний мы обязаны самому автору. Его изумительная энергия на этом поприще возбудила всеобщее восхищение. В течение нескольких лет едва ли проходил месяц без его личного вклада или вклада его учеников, которых он увлек этой проблемой; но что еще более удивительно — во всей этой массе работ вряд ли найдется вывод, который в настоя­щее время оказался бы плохо обоснованным».

Труд Резерфорда широко известен и ныне, часто он служил источником идей, побуждал к новым исследова­ниям. Многие физики старшего поколения благодаря ему занялись ядерными исследованиями.

Книга «Радиоактивные вещества и их излучения» про­должает переиздаваться в наше время и носит характер энциклопедии.

Известный советский ученый, академик Б. М. Пон­текорво в воспоминаниях об Энрико Ферми привел ин­тересный факт: обсуждение книги Резерфорда в Рим­ском университете (в 30-х годах) вызвало интерес к эк­спериментальным исследованиям в области ядра у мо­лодого профессора теоретической физики Э. Ферми. Имя этого итальянского ученого получило всемирное призна­ние из-за его работ по облучению нейтронами многих хи­мических элементов, а также участия в создании первого ядерного реактора. До знакомства с трудом Резерфорда Ферми не занимался экспериментальной физикой.

Работы Резерфорда канадского периода, объясняю­щие сущность радиоактивного распада и связанных с ним явлений, теперь составляют целые разделы учебников фи­зики и химии для средней школы и высших учебных за­ведений. Но тогда многие результаты, полученные Резер­фордом при исследовании радиоактивности, вызывали изумление даже у знаменитых ученых. Так, известный английский физик лорд Кельвин (Уильям Томсон) до са­мой смерти (в 1907 году) не примирился с утверждением Резерфорда, что радиоактивный распад есть разрушение атомов. Будучи непоколебимым приверженцем взглядов древнегреческих философов-атомистов, он придерживался твердого убеждения, что атомы представляют собой «неделимые частицы материи».

Разработанная Резерфордом в содружестве с Содди теория радиоактивного распада убеждала в том, что атомы радиоактивных элементов в отличие от других атомов неустойчивы и самопроизвольно без вмешательства каких-либо внешних сил переходят в конечном итоге в устойчивые изотопы различных элементов. Отсюда сам собой напрашивается вывод: в природе существует процесс превращения одних элементов в другие. Резерфорд любил называть науку о таких превращениях «современной алхимией».

В начале XX века радиоактивный распад наблюдали лишь у немногих элементов таблицы Менделеева, стоящих в последних ее клетках. После объяснения физической сущности распада открылся широкий простор для экспериментальных и теоретических исследований в новой области.

Теорию радиоактивного распада Резерфорд и Содди впервые опубликовали в 1903 году. В этом же году Мария Кюри защитила докторскую диссертацию, скромно озаглавленную «Исследование радиоактивных веществ». Ученые Европейского и Американского континентов завершили два важных этапа научных поисков. В Париже были открыты новые радиоактивные элементы с высокой активностью; в Монреале были разработаны принципиальные представления о процессе радиоактивного распада и изучены физические свойства альфа-, бета и гамма-излучений.

В 1903 году Резерфорд приехал из Монреаля в Лондон для чтения лекций в Королевском обществе. Отсюда он ненадолго съездил в Париж, где встретился с супругами Кюри на обеде, устроенном 25 июня 1903 года его другом Полем Ланжевеном в честь Марии Кюри. В этот день она защитила свою докторскую диссертацию. Кроме Резерфорда, на этом званом обеде был известный французский физик Жан Перрен, сын которого, Франсис Перрен, стал впоследствии видным физиком-атомником.

«После оживленной беседы, — вспоминал об этом дне Резерфорд, — мы сидели в саду. Было около 11 часов вечера, когда профессор Кюри вынес трубку, часть которой была покрыта сернистым цинком. В трубке находился концентрированный раствор радия. В темноте ночи свечение было поразительно ярким, и это был замечательный финал незабываемого дня. В тот момент мы не могли не заметить, что руки профессора Кюри были болезненно воспалены из-за действия лучей радия. Это был первый и последний день, когда я видел Кюри».

Кто знает, может быть, в этот вечер сверкающая трубка в руках Пьера Кюри натолкнула Резерфорда на мысль использовать экран из сернистого цинка для проведения своих известных опытов по изучению α-частиц по сцин­тилляциям, вызываемым ими при падении на люминесцирующий экран? Опыты по изучению сцинтилляций впо­следствии привели его к открытию атомного ядра, и поэ­тому их значение для науки оказалось громадным.

Изучая механизм радиоактивного распада и связан­ные с ним проблемы, Резерфорд задумывался над вопро­сом, что же, в конце концов, служит первопричиной радиоактивности — одного из удивительнейших природных про­цессов. Ответить на него ему так и не удалось. Нет ответа на этот вопрос и в наши дни.

Вот почему так похожи два приведенных ниже от­рывка из книг, время опубликования которых разделено несколькими десятками лет. Первый взят из книги Содди «Радий и строение атома», изданной в 1908 году. Второй — из книги немецкого физика Эдуарда Рюхардта «Строение вещества и излучение», вышедшей на русском языке в 1962 году.

Содди писал: «Все, что можно пока сказать, это лишь то, что непосредственная причина атомного распада, по-видимому, заключается в случае. Если бы ангел смерти выбирал из всех живущих на свете определенное коли­чество каждую минуту независимо от их возраста, молодых и старых, если бы он не обращал внимания ни на что, кроме числа жертв, и случайно выбирал одну жерт­ву тут, другую там, пока не составится нужное число, то наше ожидание смерти было бы такое же, как у радиоактивных атомов. Вот и все, разумеется, что понима­ется в утверждении, что ход атомного разложения, по-видимому, обусловливается действием случая».

На возникающий при этом вопрос, почему же господ­ствует этот закон случая, Содди отвечал так: «Всегда существует причина последней причины. Атомное разло­жение несомненно является последней причиной радиоактивности. Этот вывод не ослабляется тем, что пока еще мы не нашли окончательной причины атомного распада... Закон радиоактивных изменений ясно показывает, что прошлая история атома не увеличивает его шансов под­вергнуться распаду в будущем, в этом мы имеем основное сведение, которое, однако, оставляет окончательную за­дачу неразрешенной».

А вот слова Рюхардта: «Причина радиоактивного рас­пада подробно нам неизвестна. Нельзя, например, предвидеть распадется ли определенный атом радия в ближайшую секунду или только через несколько тысяч лет.  Но так как даже в очень небольшом количестве вещества содержится очень большое число атомов, то ход радиоактивного распада со временем, в течение которого мы его наблюдаем, регулируется простыми законами вероятности, так же, как смертность большого количества людей. После определенного времени остается только половина начального количества вещества, что можно установить по уменьшению в два раза ионизирующего действия. По истечении следующего такого же промежутка времени остаётся только одна четвертая и снова через такое же время — только одна восьмая часть и т. д.».

Так или иначе, вопрос о причинах радиоактивного распада пока остается нерешенным. Благодатнейшее поле деятельности для сегодняшних физиков.

• 1. Блохинцев Д. И. Рождение мирного атома. М., Атомиздат, 1977, с. 61.