У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Неожиданный поворот

Внезапная гибель Пьера в 1906 году — он попал под колеса телеги — определила поворот в карьере его жены. Мария, которая могла рассчитывать лишь на должность школьной учительницы, отказалась от предложенной правительством пенсии вдовы, но потребовала отдать ей пост, который занимал в университете ее муж. Так она стала первой женщиной, возглавившей кафедру в высшем учебном заведении. В 1911 году она вновь получила Нобелевскую премию, на этот раз в области химии, за выделение радия. Когда вспыхнула Первая мировая война, Мария и ее дочь Ирен принялись за разработку технологии радиографии и применения ее в лечении раненых. Впоследствии в 1935 году Ирен также удостоилась Нобелевской премии по химии. Мария продолжала поиски медицинского применения своих открытий и умерла 4 июля 1934 года, а в 1995 году в знак почтения перед научными заслугами ученого ее прах был захоронен в парижском Пантеоне.

В связи с этим Мария и Пьер Кюри решили обратиться к другому способу, основанному на электрических свойствах излучения, что должно было позволить определить его количество. Резерфорд избрал сходный метод.

Выполняя измерения, Мария адаптировала для своих целей электрометр — более точный, чем изобретенный ее мужем электроскоп. Пьер использовал пьезоэлектрический эффект кварцевых стекол (материал своей кристаллической структурой демонстрирует зависимость электрических свойств от механического давления, сжатия/расширения) для создания более чувствительного аппарата. Так как уран ионизировал газы до разной степени электрической проводимости, электрометр из пьезоэлектрического кварца помогал обнаруживать минимальную разницу электрического заряда, индуцированного газами.

Мы не должны забывать следующее: когда был открыт радий, никто не знал, что он окажется полезным в медицине. Велись чисто научные исследования. Это доказывает, что научную работу нельзя оценивать лишь с точки зрения ее прикладного значения. Исследования должны проводиться ради красоты науки...

Мария Кюри

Кюри были убеждены, что излучение Беккереля происходило из окружающей среды. То есть речь шла не об излучении, которое может спонтанно возникнуть внутри минерала. Имелась какая-то внешняя причина. Задача состояла в том, чтобы выяснить это. Они проделывали систематические опыты, которые позволили отвергнуть вероятность того, что причина кроется в солнечных лучах. Также, по всей видимости, не влияло на возникновение излучения и физическое и химическое состояние элемента. Единственный фактор, воздействовавший на способность ионизировать газы, был связан с количеством образца урана. Все указывало на то, что источник излучения — внутри самого урана, однако исследователи отказывались принимать такое объяснение. В тот момент немецкий ученый Герхард Карл Шмидт (1865-1949) обнаружил, что торий испускает похожее излучение, Резерфорд пришел к такому же выводу независимо. Проблема становилась все более сложной.

В 1898 году Кюри ввели понятие "радиоактивность", понимая под ним ионизирующие лучи двух известных на тот момент материалов (понятие относилось к активности элементов в связи с сигналами, полученными электрометрами). Но ввести новое понятие было недостаточно, требовалось провести исследование и выяснить, существуют ли другие элементы, испускающие радиоактивное излучение.

ОТКРЫТИЕ РАДИЯ И ПОЛОНИЯ

Урановая смолка (настуран) была старой знакомой всех химиков той эпохи. В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот сумел установить, что в порошке этого минерала содержится уран, новый элемент, который ученый назвал в честь открытой за восемь лет до этого планеты.

Кюри приступили к опытам с урановой смолкой, и Пьер заметил, что при сравнении активности одного грамма урана с одним граммом урана в урановой смолке в последнем случае активность была выше. Это могло означать, что в минерале скрывался источник излучения, неизвестный ранее.

Речь шла об источнике излучения гораздо более сильном, чем уран. Маленький кусок урановой смолки демонстрировал высокую активность, то есть если речь шла о новом радиоактивном элементе, его можно было легко обнаружить. Но, к сожалению, супруги поняли, что возможная концентрация нового элемента крайне мала, то есть для его обнаружения было необходимо большое количество урановой смолки. После нескольких последовательных химических разделений материалов они нашли подтверждение своей догадке и в 1898 году опубликовали результат:

"Мы полагаем, что вещество, которое получено нами из урановой смолки, содержит неизвестный металл, по своим химическим свойствам родственный висмуту. Если существование этого нового металла удастся доказать, мы предлагаем назвать его полонием по имени родины одного из нас".

Через несколько месяцев они смогли выделить еще один радиоактивный элемент, который назвали радием. Мария Кюри так описывала это открытие:

"У меня была возможность изучить несколько минералов. Некоторые демонстрировали активность: те, в которых содержался уран или торий. Активность этих минералов не представляла бы ничего удивительного, если бы оказалась пропорциональна количеству содержащегося в них урана или тория. Но все было не так. Некоторые из этих минералов проявили активность в три или четыре раза большую, чем надлежало по расчету для урана. Я тщательно проверила этот поразительный факт и не могла больше сомневаться в его правильности. Размышляя о причинах, я предположила, что возможно только одно объяснение: в этих минералах, должно быть, находится некоторое неизвестное и очень активное вещество".

Существование полония и радия было еще раз подтверждено в результате электроскопического анализа, показавшего линии поглощения, не относящиеся ни к одному известному элементу. Однако для химии той эпохи это не было достаточным подтверждением. Чтобы покончить с последними сомнениями, нужно было определить атомный вес нового вещества, а значит, получить вещество в очень чистом виде. То есть требовались огромные количества урановой смолки. К счастью, правительство Австрии передало Кюри в дар несколько тонн урановой смолки, которые перевезли на место, где планировалось выделить радий. За четыре года тяжелых трудов ученым удалось получить сто миллиграммов радия, но этого было достаточно для достижения цели: наконец их работа получила признание научного сообщества.

РЕЗЕРФОРД В МАКГИЛЛЕ

Тем временем Резерфорд занимался ионизацией газов с помощью излучения. Но стипендия заканчивалась, пришла пора задуматься о будущем. В тот момент университет Макгилла (Монреаль, Канада) направил Томсону письмо с просьбой порекомендовать кого-нибудь на исследовательскую кафедру Макдональда. (Уильям Макдональд — богатый предприниматель, табачный магнат, подаривший университету самое большое в мире здание для изучения физики и оказавший финансовую поддержку кафедре, которой дали его имя.) Ни минуты не сомневаясь, Томсон настоятельно рекомендовал Резерфорда, несмотря на его молодость. Так Резерфорд возглавил обладавшую значительными ресурсами лабораторию, при этом его жалованье составило немалую сумму. Отъезд из мирового научного центра огорчал молодого ученого, но все же эта мысль отошла на второй план, поскольку теперь решались все денежные трудности. Резерфорд принял предложение, ведь переезд означал, что отложенная свадьба с Мэри Ньютон, которая продолжала ждать его в Новой Зеландии, стала возможной. И он написал невесте о своем решении ехать в Канаду: "Ликуй вместе со мной, моя любимая девочка, потому что день свадьбы приближается".

Из этих экспериментов можно сделать вывод, что данное фосфоресцентное вещество испускает лучи, проходящие сквозь светонепроницаемую бумагу.

Анри Беккерель

За тысячи километров от Кавендиша 26-летний Резерфорд смог превратить Монреаль в одну из мировых столиц науки той эпохи. В Макгилле им были проведены несколько фундаментальных экспериментов с радиоактивностью, и исследования в конце концов открыли ему путь к получению Нобелевской премии. Едва приехав, он продолжил работу с рентгеновскими лучами и лучами Беккереля. Резерфорд хотел выяснить, являются ли эти виды лучей родственными и имеют ли общие характеристики. Он пытался достичь поляризации и преломления лучей Беккереля, чтобы понять, имеют ли они схожие с рентгеновскими лучами свойства излучения. Хотя цель не была достигнута, он сумел подтвердить, что уран может ионизировать газы.

Из последующих опытов он сделал важный вывод: лучи, испускаемые ураном, не были однородными. Он выделил два вида: альфа- и бета-лучи, которые различались по проникающей способности (см. Приложение А. Альфа- и бета-распад).

АЛЬФА- И БЕТА-ЛУЧИ

Эксперимент, позволивший Резерфорду прийти к выводу о присутствии нескольких видов лучей в испускаемом ураном излучении, состоял в следующем. Он расположил параллельно две цинковые пластинки, подсоединил к одной из них электрический ток, а сверху поместил уран. Другая пластинка соединялась с электрометром, между пластинками находился газ. Из-за ионизирующей способности эманаций урана газ в конце концов начинал проводить электричество, с помощью электрометра можно было установить интенсивность тока. Также Резерфорд использовал и новую идею: он расположил между пластинками алюминиевые листы, и интенсивность тока ослабевала. Вне зависимости от толщины листов, ток все равно появлялся.

Теория, если ты не можешь объяснить ее официанту, вероятно, не так уж хороша.

Эрнест Резерфорд

Этот эксперимент позволил ему заключить, что одни лучи урана поглощались листами алюминия, а другие, обладающие большей проникающей способностью, проходили сквозь листы. Он повторил эксперимент с торием — результаты были схожими. Также он использовал в качестве фильтров и другие материалы — от стекла до дерева. Резерфорд заметил, что лучи, названные альфа, хотя и обладали меньшей проникающей способностью, но больше, чем бета, ионизировали газ.

В 1899 году Резерфорд опубликовал статью, первую после прибытия в Канаду, в которой описывал свой эксперимент. Он сделал следующие заключения:

"Эти эксперименты свидетельствуют о сложном характере излучения урана, включающего в себя по крайней мере два вида излучения: одно из них легко поглощается, для удобства назовем его альфа-излучением, другое имеет более сильный проникающий характер, назовем его бета-излучением".

СПИРИТИЗМ И РАДИОАКТИВНОСТЬ

В XIX веке произошло настоящее возрождение спиритизма.

Представители всех сословий, в том числе получившие университетское образование, и даже многие ученые были убеждены в возможности установления контакта с обитателями параллельного мира и душами умерших. Парадоксально, но вдохновителями этих идей были ученые той эпохи, обращающиеся к невидимым и недоступным для чувств человека электромагнитным полям.

После открытия рентгеновских лучей многие утверждали, что с помощью них можно сфотографировать душу. Между спиритизмом, последователи которого верили в контакт с царством мертвых, и наукой, старавшейся раскрыть тайны недоступного человеческим чувствам мира, казалось, устанавливалась связь. Рентгеновские лучи и радиоактивность представлялись связующими с другим миром элементами, и многие ученые бросились исследовать оккультный мир. На спиритических сеансах, проводившихся по всей Европе XIX века, можно было встретить ученых: английского химика Уильяма Крукса, внесшего вклад в изучение катодных лучей; Камиля Фламмариона, одного из наиболее значимых астрономов и просветителей своей эпохи; Альфреда Рассела Уоллеса, одновременно с Дарвином выдвинувшего теорию естественного отбора... Среди горячих защитников спиритизма можно вспомнить и писателя Артура Конан Дойла. При этом необходимо подчеркнуть, что многие ученые, среди них Фарадей, вскоре утратили интерес к подобным практикам, быстро поняв, что невероятные явления, например движение предметов на столе, вызваны либо самими спиритами, либо невольным участием присутствующих на сеансе.

Иллюстрация, созданная по описанию Уильяма Крукса. Медиум Флоранс Кук и материализованный дух умершей Кэти Кинг (имя, которое медиум дал своей "материализации·).

Это была первая встреча Резерфорда с альфа-лучами, с ними у него сложатся особые отношения, которые приведут его к необыкновенным успехам, например к открытию атомного ядра. Резерфорд доказал, что радиоактивность соединяет в себе разные виды излучения, одни из которых обладают большей проникающей способностью, чем другие. Однако суть проблемы радиоактивности оставалась неизвестной: "Причина и происхождение радиации, постоянно испускаемой ураном и его солями, были загадкой".

РИС.1

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Если Резерфорду удалось выделить альфа- и бета-излучение, то заслуга открытия гамма-лучей приписывается французскому ученому Полю Вилларду. В 1900 году в ходе экспериментов, которые Виллард проводил в Париже с материалом, подаренным Кюри, он смог наблюдать, что неизвестный вид излучения проходит через любую металлическую пластину, в том числе свинец толщиной в несколько сантиметров. Таким образом, можно было говорить о наличии еще одного вида излучения, имевшего значительно превосходящую проникающую способность по сравнению альфа- и бета- лучами. Виллард заметил еще одну характеристику гамма-лучей: они не отклонялись под воздействием магнитных полей. Однако он спутал эти лучи с рентгеновскими (хотя ошибку легко допустить, так как в обоих случаях речь шла об очень мощных излучениях).

В 1902 году Резерфорд повторил исследования Вилларда и правильно интерпретировал их:

"Все постоянные радиоактивные вещества — уран, торий и радий — испускают два типа лучей. Один из этих типов лучей легко поглощается и не отклоняется магнитным полем, другой — обладает более высокой проникающей способностью и отклоняется под действием магнитного поля. В дополнение к этим двум видам, используя фотографический метод, Виллард впервые обратил внимание на присутствие других лучей, обладающих значительной проникающей способностью, испускаемых радием, не отклоняющихся под действием магнитного поля. Данный результат был подтвержден Беккерелем".

РИС. 2

Так как электрические заряды альфа- и бета-частиц имеют разный знак, под действием электрического поля их траектории расходятся. При этом гамма-лучи двигаются прямолинейно, поскольку обладают нейтральным зарядом.

В конце концов эти лучи были названы гамма-лучами (рисунок 1).

Так как альфа-излучение представляет собой ядра гелия, имеющие значительную массу по сравнению, например, с электроном, они легко поглощаются листом бумаги или ладонью. Бета-излучение представляет собой в основном электроны, обладающие минимальной массой. Бета-лучи при таком же количестве энергии могут приобретать значительную скорость по сравнению с альфа-лучами, соответственно их проникающая способность будет выше в связи с меньшей вероятностью взаимодействия с материей. Гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью, так как представляет собой вид излучения с самой короткой волной и с самой большой энергией в электромагнитном спектре. Неизвестен верхний предел энергии гамма-лучей. Впоследствии Мария Кюри изобразила действие магнитного поля на разные виды лучей в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.

ГЛАВА 3

Радиоактивный распад

Резерфорд обнаружил, что существуют радиоактивные элементы, которые при распаде превращаются в другие химические элементы.

С помощью радиоактивного распада объяснялась и радиоактивность. Важным вкладом Резерфорда стало также введение понятия средней продолжительности жизни элемента, он установил, что это открытие поможет определить возраст Земли.

Радиоактивность стала своеобразной осью, вокруг которой развивались исследования Резерфорда в Канаде. Он проводил их одновременно с Кюри, и конкуренция, возникшая между учеными, стала весьма ощутимой, что они признавали сами. Резерфорд в письме матери рассуждал об этом так:

"Я сейчас занят подготовкой своих последних статей. Нужно опубликовать их как можно скорее и продолжать гонку. Лучшие спринтеры в области этих исследований — Беккерель и Кюри в Париже; в последние годы они проделали значительную работу в сфере радиоактивных тел".

К ПОНИМАНИЮ РАДИОАКТИВНОСТИ

Несмотря на то что это поле знаний было новым, несколько групп исследователей анализировали радиоактивность в Германии и Соединенном Королевстве. Это были годы исступленной научной работы, когда удивительные открытия совершались одно за другим и влекли за собой новые вопросы и модели, которые часто противоречили общепринятым представлениям. Знание о радиоактивности, начало которому положили запечатленные на фотопластинке вспышки, оформлялось в новую область науки, все более сложную. В то же время возрастала и неуверенность, поскольку каждое достижение раскрывало веер новых неизвестных.

В 1899 году немецкие ученые установили, что радиоактив* ность не сопровождалась постоянным во времени испусканием частиц, как считали изначально: испускание имело тенденцию к уменьшению. Параллельно становилось очевидным, что бета-излучение состояло в основном из электронов, то есть отрицательно заряженных частиц (которые Томсон в 1897 году идентифицировал как фундаментальные компоненты атомов). Ничего не было известно о природе альфа-лучей, данный вопрос мог показаться вторичным, однако именно он стал ключевым для понимания радиоактивности, но это прояснилось позже. Резерфорд, со своей стороны, установил, что от радиоактивных элементов кроме альфа- и бета-лучей исходили также эманации, похожие на пар.

ЭМАНАЦИИ

В 1899 году за помощью в исследовании излучения тория Резерфорд обратился к профессору инженерии Роберту Боуи Оуэнсу. С учетом своих первых исследований он пришел к выводу, что нечто в окружающей среде влияло на результаты экспериментов. Казалось, само присутствие Резерфорда в лаборатории изменяло результаты. Это потенциально доказывало, что радиоактивность может зависеть от окружающей среды, как полагали Кюри.

Однако Резерфорд защищал другую гипотезу: "эманации", как он их назвал, испускались самими радиоактивными элементами и могли насыщать радиоактивностью все, что их окружало. В этом заключалась причина воздействия на результаты измерений. Он заявлял:

"Соединения тория постоянно испускают радиоактивные частицы определенного типа, которые в течение нескольких минут сохраняют радиоактивные свойства. Эта "эманация", как мы будем называть ее для краткости, обладает ионизирующей способностью по отношению к окружающему газу и может проходить сквозь тонкие слои металлов и сквозь плотную бумагу".

"Эманации" стали непосредственным предметом изучения Резерфорда. Первым делом ему удалось удержать их в трубке, стенки которой быстро становились радиоактивными. Радиоактивность была как будто заразной, поскольку вокруг тория на короткое время все становилось радиоактивным. Какова природа этих "эманаций"? Некий ли это "пар", или же это частицы возбуждали радиоактивность в других веществах?

Резерфорд заметил, что эманация тория заканчивалась довольно быстро. Данное наблюдение противоречило экспериментальным данным по урану и полонию, которые, казалось, были неиссякаемыми источниками альфа- и бета-лучей. Эманации, полученные в результате опытов с торием, имели чрезвычайно интенсивное излучение, но только в течение нескольких минут. Эти эманации были как будто чем-то призрачным. Их появлялось крайне мало, а об их присутствии можно было судить по самому факту недолгого излучения.

В Европе Кюри также обратили внимание, что химические элементы, близкие в периодической таблице к радию, вели себя как радиоактивные. Это заставило парижских ученых допустить возможность, что радий возбуждает активность ближайших к себе элементов. Год спустя Резерфорд так подытожил уровень знаний, имевшийся по данному вопросу в тот период:

"В 1900 году автор [то есть сам Резерфорд] доказал, что торий излучает не только а- и β-частицы, но также постоянно испускает радиоактивную "эманацию" или газ. Так же как и радий, актиний имеет сходные свойства. Интенсивность излучения быстро падает. "Эманации" тория, радия и актиния легко различаются по скорости прекращения активности".

ИНДУЦИРОВАННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ?

Так же как свет заставляет сиять флуоресцентные минералы, по убеждению Кюри, "эманации" радиоактивных элементов (например, тория) способны вызывать радиоактивность других элементов. Речь о некоей индуцированной радиоактивности. Резерфорд разделял это мнение, но последующие эксперименты заставили его принять другую точку зрения.

Резерфорд решил, что если дело заключается в индуцированной радиоактивности, то она должна варьироваться в зависимости от вещества, на которое воздействовали эманации. Он изучил воздействие тория на другие виды материалов, и в результате выяснилось, что измерения радиоактивности всегда одинаковы и не зависят от использованного материала. Казалось, какое-то вещество "загрязняло" радиоактивностью все, что к нему приближалось.

Таким образом, правильнее было бы полагать, что "эманации" и индуцированная радиоактивность являются взаимосвязанными явлениями. Резерфорд подтвердил это, записав в конце 1899 года, что "имеется тесная связь между "эманацией" и возбужденной радиоактивностью; в действительности "эманация" каким-то образом является прямой причиной радиоактивности". То есть, по его мнению, речь не об индуцированной радиоактивности, а о том, что эманация перемещалась на материалы и, казалось, что те становятся радиоактивными. Резерфорд отмечал, что "эманация является нестабильным веществом и трансформируется в некий вид негазообразной материи, покрывающий поверхность всех окружающих тел". И последнее: "Вероятность возникновения эманации из-за того, что ближайшая среда становится радиоактивной, исключена".

ИСТОЧНИК РАДИАЦИИ

Понимание этих вопросов стало еще более запутанным в результате нового наблюдения Беккереля, согласно которому, возможно, имелась некая ошибка в определении источников радиоактивности. Беккерель знал, что соли урана не были чистыми и в их состав входили разные вещества, поэтому он попытался выделить их. Когда это ему удалось, соль урана перестала быть радиоактивной, а новое неизвестное вещество, напротив, испускало излучение. Так как Беккерель не представлял, что это за вещество, он назвал его "уран-Х". Через несколько месяцев, когда он вновь взял образцы, оказалось, что уран-Х перестал быть радиоактивным, а урановая соль восстановила радиоактивность. Английский химик Уильям Крукс (1832-1919) проверил эти результаты, и в конце 1901 года оба ученых передали их в университет Макгилла. Как только Резерфорду стало известно об этом, он захотел повторить опыт с образцами тория.