В далеком Монреале

За три года стажировки в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Резерфорд приобщился к делам европейских физиков, тесно связанных между собой.

Далекая Канада — совсем другое дело. И, основываясь на воспоминаниях друзей и учеников, на письмах и других  биографических материалах, мы можем предполагать, что Резерфорд опасался определенных трудностей, связанных с удаленностью его нового пристанища от европейских научных центров. Однако не настолько, чтобы отказаться от столь лестного и заманчивого предложения.

Резерфорд проработал в Монреале с 1898 по 1907 год. Этот восьмилетний период ученик Резерфорда, физик Патрик Блэкетт называет первым взлетом научной деятельности Резерфорда, продолжавшейся в общей сложности 42 года и протекавшей главным образом в Англии.

Мак-Гиллский университет в Монреале тех времён значительно уступал известным университетам Европы. В нем не было выдающихся преподавателей. Научная работа в области точных наук и естествознания, в частности физики, почти не велась.

Университет был основан лишь в начале XIX века на средства, завещанные соотечественником предков Резерфорда шотландцем Мак-Гиллом.

Основатель Мак-Гиллского университета эмигрировал за океан в дикую, суровую, населенную индейцами и эскимосами Канаду. Немногочисленные колонизаторы французы и англичане селились в укрепленных и постоянно охраняемых фортах.

Мак-Гилл был батраком, согнанным с Британских островов нищетой. В Канаде он проявил необыкновенные упорство, смелость, предприимчивость и к концу жизни сколотил немалый капитал. Оставаясь до конца дней своих неграмотным, Мак-Гилл завещал 40 тысяч фунтов на создание первого в Канаде колледжа, получившего его имя. Этим первым колледжем было положено основание Мак-Гиллского университета.

Позже нашлись и другие меценаты и среди них торговец табаком Макдональд. Созданные на пожертвованные им 4 миллиона долларов кафедра физики, химическая и физическая лаборатории носили его имя. Любопытно, что этот табачный предприниматель не только не курил, но категорически запрещал курить во всех помещениях физического факультета, за строительством которого он сам наблюдал.

Резерфорд, заведовавший кафедрой физики, назывался «макдональдовским профессором».

В августе 1961 года несколько советских физиков и химиков участвовали в Международном конгрессе, происходившем в Канаде. Они посетили Монреальский университет и аудитории, где когда-то читал лекции молодой Резерфорд. Член-корреспондент АН СССР Виталий Иосифович Гольданский, участник конгресса, рассказывал, что эта аудитория, которая называется традиционно «театром физических лекций» («Physical lectures theatre»), внешне, по утверждению местных старожилов, почти не изменилась после Резерфорда. И хотя ко времени конгресса прошло уже около 60 лет с тех пор, как Резерфорд навсегда покинул Монреаль и поселился в Англии, тем не менее, по словам В. И. Гольданского, на кафедре физики, да и во всем Монреальском университете, продолжал царить культ памяти Резерфорда. Этот культ поддерживается музеем, в котором хранятся физические приборы, построенные собственноручно ученым.

Спустя еще почти десятилетие, в 1970 году академик П. Л. Капица посетил этот музей. С волнением рассматривал он те самые приборы, о которых много лет назад ему рассказывал сам Резерфорд. Здесь в университете Мак-Гилла Капица прочитал перед переполненной аудиторией свои «Воспоминания о Резерфорде».

Но вернемся к тому времени, когда Резерфорд вступил в стены Монреальского университета. Прежде всего он решил продолжить свои исследования излучения урана, начатые в Кавендишской лаборатории.

Опыты с ураном производились в Мак-Гиллском университете впервые. Они заинтересовали молодого преподавателя электротехники профессора Б. Р. Оуэнса. Намереваясь заняться изучением радиоактивности, он обратился к Резерфорду с вопросом: с чего начать? Резерфорд посоветовал начать с тория. Это был в высшей степени ценный совет: работы с торием оказались очень важны при разработке теории радиоактивного распада.

Приступив к изучению природных ториевых излучателей, Оуэнс заметил необычное явление. По его словам, «обнаружилось нечто, что не было ни торием, ни α-, ни β-частицами, и что улетало, если на него подуть».

Оуэнс пытался объяснить странное поведение тория тем, что на его радиоактивный распад влияют «токи воз­духа». Такое толкование было явно неудовлетворитель­ным и опровергалось опытами. После отъезда Оуэнса в Кембридж к Томсону Резерфорд продолжал исследова­ния тория. Через несколько месяцев Резерфорд опреде­лил, что из тория выделяется газ, который он назвал эманацией тория1.

Резерфорд медленно пропускал эманацию тория по трубке и нашел, что после прохождения по трубке дли­ной в несколько сантиметров радиоактивность газа уменьшается наполовину. Так был открыт закон экспо­ненциального распада эманации тория. Однако нужно было быть Резерфордом, чтобы увидеть такое «простое» решение задачи, вначале казавшейся весьма загадочной и неразрешимой.

Статья Резерфорда об эманации тория была напеча­тана в Англии в феврале 1900 года, вскоре после появ­ления статьи супругов Кюри о наблюдавшейся ими «на­веденной» радиоактивности, якобы вызываемой радиевыми препаратами. К этому вопросу мы еще вернемся, а сейчас обратимся к понятию радиоактивности. Этим термином был заменен термин «беккерелевы лучи». Мы уже говорили о рентгеновских лучах и излучении урана. Теперь остается вспомнить об открытии новых элемен­тов — полония и радия — и возникновения «строгого лу­чезарного слова — радиоактивность» (по выражению Евы Кюри, написавшей биографию своей великой матери — Марии Кюри). Об открытии Марии и Пьера Кюри и пойдет речь.

Сообщение профессора Беккереля, опубликованное в 1896 году, заинтересовало Марию Склодовскую — поль­ку, окончившую Сорбонну. Она избрала беккерелевы лучи темой диссертации на степень доктора наук, поставив перед собой цель узнать, нет ли других веществ, обладающих таким же излучением, как уран. Скоро Мария открывает подобное же свойство у элемента тория.

Далее она продолжает исследовать свойства радио­активного излучения, в частности, измеряет степень ио­низации им воздуха.

Затем изучает различные минералы, надеясь найти в них новые радиоактивные излучатели, и скоро убежда­ется в том, что некоторые образцы, содержащие уран и торий, проявляют гораздо более значительную радиоак­тивность, чем эти же элементы в чистом виде.

Мария Кюри (она стала женой профессора физики — Пьера Кюри) высказывает мысль о том, что источником сильного излучения служит не уран и не торий, а новый, до сих пор не известный и удивительный элемент. Это он присутствует в некоторых минералах, обнаруживаю­щих необычно сильную радиоактивность!

На заседании Французской Академии наук 12 апреля 1898 года Мария Кюри сообщает:

«Я изучала открытое Беккерелем изменение прово­димости воздуха под действием лучей урана и пыталась выяснить, могут ли какие-нибудь вещества, помимо про­изводных урана, сообщить воздуху способность проводить электричество... Два минерала, содержащих уран, — урановая смоляная руда (окись урана) и халколит (фос­фат меди и уранила) — гораздо активнее самого урана. Факт этот весьма примечателен и заставляет думать, что эти минералы, очевидно, содержат какой-то элемент, обладающий гораздо большей активностью, чем уран...»

Профессор Пьер Кюри, муж Марии Склодовской, ос­тавляет свои исследования пьезоэлектричества и присо­единяется к жене, чтобы ускорить ее работу. С этого момента их открытия неразделимо принадлежат им обоим.

Применяя хорошо разработанные уже в то время спо­собы химического разделения, фракционирования, и оп­ределяя электрометром способность каждой фракции ионизовать воздух, супруги Кюри выделили один за дру­гим два радиоактивных элемента вместо одного, который искали. Они дали им названия полония в честь Польши — родины Марии — и радия.

Приступая к работе, супруги Кюри считали, что урано­вая смолка содержит сравнительно большое, по масштабам химика-аналитика, количество неизвестного излучаю­щего элемента. На самом деле содержание полония и радия в этой руде не достигало даже 1/1.000.000 процен­та. Можно представить себе, как сложно получить из руды вещества, имеющиеся в ней в таком сверхмикроскопическом, едва уловимом количестве.

Уран, торий, полоний и радий обладали одним общим свойством. Эти четыре химических элемента в отличие от всех известных в то время других элементов Периоди­ческой системы излучали заряженные частицы, произво­дящие ионизацию атомов, с которыми они сталкивались на своем пути. Мария Кюри предложила назвать эту их особенность радиоактивностью.

В дальнейшем ученые приступили к выделению ра­диоактивных элементов в таких количествах, которых было достаточно для тщательного изучения их свойств, в частности определения атомных весов.

Радий и полоний, по предположению супругов Кюри, должны были находиться в отбросах производства смо­ляной руды, добываемой тогда в Сент-Иоахимстале (Бо­гемия)2. Это было дорогое производство, но отходы от него тогда не использовались.

Благодаря поддержке Венской Академии наук фран­цузские ученые смогли получить несколько тонн отбро­сов иоахимстальской руды, которые использовали в ка­честве исходного материала.

Результаты, полученные через год работы, ясно по­казали, что легче отделить радий, чем полоний; поэтому все усилия были сосредоточены на получении радия. Пробы солей радия супруги Кюри передали многим исследователям в разных странах.

В течение четырех лет ученые переработали 8 тонн отходов урановой смолки и, наконец, получили первый в мире дециграмм чистого хлористого радия, оценивав­шийся тогда в 75 тысяч франков (15 тысяч долларов). Теперь супруги Кюри могли приступить к химическим и физическим исследованиям нового радиоактивного эле­мента.

Кюри обнаружили с помощью электроскопа, что веще­ства или предметы, помещенные поблизости от доста­точно сильных радиевых излучателей, сами становятся радиоактивными. Они назвали это явление индуциро­ванной, или «наведенной», активностью, видимо, по ана­логии с электромагнетизмом.

«Наведенная» радиоактивность вызвала интерес Резерфорда, который занялся ее изучением.

После серии исследований Резерфордом было дока­зано, что термин «наведенная» радиоактивность неверен. На самом деле отмеченный эффект вызывался отложе­нием на «активизированные» предметы твердого радио­активного вещества, выделяющегося при распаде радо­на, или эманации радия, образующейся при распаде радия.

Пьер Кюри решил проверить и физиологическое дей­ствие радиоактивного излучения, от которого ранее по­страдал Беккерель, получивший сильный ожог. Кюри несколько часов подряд облучал свою руку радиоактив­ным препаратом. Это вызвало сильное поражение кожи, которое быстро разрасталось. Его удалось излечить лишь через несколько месяцев.

Супруги Мария и Пьер Кюри, работая с сильными природными радиоактивными веществами, мало еще знали об опасности излучений для всего живого. Сред­ства защиты, входившие в обиход радиохимических и физических лабораторий, были ненадежны.

Длительное действие на организм Марии Кюри ра­диоактивных излучений послужило в конце концов глав­ной причиной ее смерти в 1934 году...

С открытием радия Резерфорд получил новый замечательный источник α-частиц, а опыты супругов Кюри явились толчком для возникновения новых идей и экспериментальных исследований.

Эманация тория и позже открытая Резерфордом эма­нация радия послужили важным подтверждением гипо­тезы о том, что в результате альфа-распада происходит превращение одного элемента в другой. Этому процессу присущи определенные законы, но ход его самопроизво­лен и не связан с каким-либо внешним вмешательством.

Резерфорд написал статью, содержащую доказатель­ства того, что эманация тория — это новое радиоактив­ное вещество, образующееся при распаде тория. Об этом он сообщал своей невесте Мери Ньютон в Новую Зеландию: «... в прошлый четверг я послал еще одну большую статью в журнал, очень хорошую статью, хотя это только мое мнение. В ней тысяча новых фактов, о которых никто даже не подозревает. И этого достаточно, чтобы сказать, что дело идет об очень значительном открытии».

Через много десятилетий ученик Резерфорда Отто Ган напишет мемуары, охватывающие период развития ядерной физики от ее рождения до наших дней. Эти мемуары автор назовет «От радиоактивного тория до расщепляющегося урана», указывая на то, что монре­альские опыты Резерфорда с эманацией тория послужи­ли основой для создания ядерной физики, а расщепле­нием тяжелого элемента урана завершился важный этап развития этой науки.

В 1900 году Резерфорд прерывает свои исследования и, воспользовавшись первым летним отпуском, уезжает в Новую Зеландию, чтобы жениться на Мери Ньютон, которая ждет своего жениха пять лет. Ему не терпится повидаться с постаревшими родителями, ведущими, судя по письмам, по-прежнему спокойную сельскую жизнь.

Осенью Резерфорд возвращается в Монреаль, но уже вместе с женой Мери. Они поселяются недалеко от Мак-Гиллского университета в арендованном домике.

В лаборатории Резерфорд знакомится с совсем мо­лодым профессором химии Фредериком Содди, только что приехавшим из Оксфорда.

Вот как Содди впоследствии описывал эту встречу: «Я уже собирался уходить, когда услышал звучный го­лос, рождавший эхо в коридоре, и ладно сбитый молодой человек широкими шагами пересек прихожую и вступил в лабораторию. По всем приметам это был выходец из колоний, и я сообразил, что передо мной — Резерфорд. Оуэнс подозвал меня и нас познакомил... Я увидел, что Резерфорд немногим старше меня. Хотя ему добавляли несколько лет довольно небрежные усики...»

Оба молодых ученых, не теряя времени, приступают к работе, сосредоточив свое внимание на изучении то­рия и урана, присланных из Кавендишской лаборатории. Талант Содди раскрылся именно в этой совместной ра­боте над проблемами радиоактивного распада.

Содди в одной из своих книг, изданных в начале века и пользовавшихся большой популярностью, утверждал, что «радиоактивность — новая первичная наука, не под­чиненная ни физике, ни химии, в том виде, как понима­лись эти науки до появления радиоактивности». Это ут­верждение, имеющее веские основания, было высказано через несколько лет после того, как за изучение «новой первичной науки» радиоактивности взялись именно фи­зик и химик.

Двум молодым ученым необходимо было выполнить множество экспериментов в физической и химической лабораториях только затем, чтобы никто в мире не мог усомниться, что «все могучие средства современной лаборатории — крайние пределы тепла, холода и давлений, энергичные химические реактивы, действие могучих взрывчатых веществ и самые сильные электрические заряды — не оказывают влияния на радиоактивность радия или на скорость его распада даже в самой ничтожной степени. Он черпает свои запасы энергии из неизвестно­го до наших дней источника и подчиняется еще не откры­тым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужден­ности от окружающей среды и в его индиферентности к ней. Он как будто ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды времени».

Теперь спустя много десятилетий после открытий Беккереля и Кюри, авторы монографий, учебников и об­зоров описывают радиоактивность более деловито, сдер­жанно, прозаично. Но и сейчас не изменился смысл слов Содди — они по-прежнему звучат торжественно-проро­чески.

В 1902 году Резерфорд и Содди опубликовали в «Philosofical Magazine» статью о результатах исследований эманации тория. Название ее «Причина и природа ра­диоактивности» подтверждает значение опытов с ториевыми излучателями для создания новых представлений о радиоактивном распаде. В статье сообщалось, что эма­нация тория получается не непосредственно из тория, а из промежуточного вещества (с периодом полураспада четыре дня), названного авторами торием х. Потеря ак­тивности тория х совпадала с восстановлением активно­сти тория, а это, по мнению исследователей, объяснялось тем, что при распаде тория происходило образование тория х (так до открытия изотопии называли радиоак­тивный изотоп радия Ra-226); радиоактивность же его ослабевала во времени в геометрической прогрессии, уменьшаясь наполовину за каждые четыре дня. Резерфорд и Содди показали, что этому правилу подчиняются все последовательно возникающие радиоактивные вещества: «Нормальная или постоянная радиоактивность тория представляет собой равновесную величину, причем степень радиоактивности, вызванная по­явлением нового активного вещества, уравновешивается степенью спада радиоактивности уже образованного вещества». Так был сформулирован известный теперь за­кон радиоактивного распада Резерфорда и Содди, кото­рым устанавливается физическая величина — постоян­ная радиоактивность распада.

Спонтанное (самопроизвольное) превращение, или переход тория х в эманацию, могло быть объяснено толь­ко превращением элементов при радиоактивном распаде.

И если уран познакомил человека с идущими в приро­де процессами радиоактивного распада, а радий и поло­ний показали, что существуют элементы, обладающие гораздо более сильной радиоактивностью, чем уран, то то­рий позволил впервые понять механизм того удивитель­ного явления — распада элементов.

Дальнейшим шагом после работ с торием было откры­тие Резерфордом эманации радия. Исследование нового радиоактивного газа подтверждало важные результаты, полученные при изучении тория.

Как и соединения тория, бромистый радий при раст­ворении проявлял свойства, которые не могли не привлечь внимание опытного исследователя. Находящийся в раст­воре радий терял большую часть активности; она восстановилась в течение месяца. Это навело Резерфорда на мысль, что при растворении солей радия из него в воз­дух уходит газообразное, сильно радиоактивное веще­ство, сходное с эманацией тория.

Резерфорд собрал активный газ, выделяющийся из радия, использовав для растворения соли радия герме­тический сосуд. Этот газ исследователь, естественно, на­звал эманацией радия. Теперь было уже совершенно ясно, что радий, испуская α-частицы, превращается в но­вое активное вещество, подобно тому, как торий х обра­зуемый при распаде тория, переходит в активный газ — эманацию тория (Rn-222). Сейчас эту ядерную реакцию записывают так:

₈₈Ra²²⁶ → ₈₆Rn²²² + ₂He⁴.

Все опыты с торием и радием не оставляли, каза­лось бы, никакого сомнения в том, что эманация радия представляет собой радиоактивный элемент из группы инертных газов, к которым относятся также гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. И все же многие ученые сомневались в правильности объяснения Резерфорда. Необхо­димо было более прямое экспериментальное доказательство.

Возникла мысль показать, что эманация радия — ра­дон, как всякий газ, при низких температурах может пре­вращаться в жидкое и даже твердое вещество.

Резерфорд пытался с помощью имевшейся у него ста­рой машины Линде ожижить радон при температуре —100°, но успеха не достиг. Видимо, нужна была более низкая температура. Он попросил Макдональда приоб­рести для лаборатории более усовершенствованную машину. Это было сделано, и исследователи смогли в жидком азоте при —200° произвести конденсацию радона.

Таким образом, удалось наглядно подтвердить, что радон — газ, и не только убедить неверующих в правиль­ности предыдущих наблюдений, но и подкрепить теорию радиоактивности распада. Впоследствии Содди писал: «Открытие того, что эманация представляет собой газ типа аргона, и последовавшее за этим открытие тория как промежуточного вещества между торием и эмана­цией тория привело к полному объяснению того, что ра­диоактивность это процесс самопроизвольного распада атомов, в результате которого одно вещество переходит в другое».

• 1. Эманация, образующаяся при распаде радиоактивных элемен­тов: тория, радия, урана-235, — это различные изотопы радиоактив­ного газа — радона, расположенного в нулевой группе Периодиче­ской системы, т. е. в группе инертных, или благородных, газов. Всего известны 13 изотопов радона, образующихся при альфа-распаде и некоторых других радиоактивных процессах. Эманация тория — радон-222, радия — радон-220 и урана-235 — радон-219.
• 2. Сейчас г. Яхимов, Чехословакия.