У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Я не считаю, что когда кто-то совершает неожиданное открытие — это в порядке вещей. Наука делает шаг за шагом, и каждый исследователь зависит от трудов своих предшественников.

Эрнест Резерфорд

РАДИОАКТИВНЫЕ ТРАНСФОРМАЦИИ

Посреди всех этих исследований в 1900 году Резерфорду пришлось взять паузу. Наконец должна была состояться свадьба с Мэри Ньютон, и он отправился за ней в Новую Зеландию.

Церемония была очень простой, на ней присутствовали только члены семьи. После медового месяца, который супруги провели, путешествуя по Канаде и Соединенным Штатам, где Резерфорд умудрился подобрать образцы тория, в 1901 году они вернулись в Монреаль. В лаборатории ждал новый член команды, с которым у Резерфорда началось очень плодотворное сотрудничество. Химик Фредерик Содди оказался именно тем специалистом, который был нужен Резерфорду, чтобы понять явление эманации и радиоактивность в целом.

Оба ученых стремились дать ответ на несколько вопросов: происходила ли радиоактивность тория от другого элемента? какова природа эманации? как она соотносится с активностью, возбуждаемой в других элементах? Радиоактивность превратилась в некий пазл, в котором нужно было идентифицировать все кусочки, хотя тогда казалось, что собрать их вместе невозможно.

ПРИРОДА ЭМАНАЦИИ

Резерфорд и Содди в первую очередь взялись за проблему природы эманации. Содди был великим химиком и быстро понял, что на самом деле эманация представляла собой газ, наподобие аргона (то есть инертный), так как он не вступал в реакции с другими элементами.

ФРЕДЕРИК СОДДИ

Английский химик и университетский преподаватель Фредерик Содди (1877-1956) был одним из самых блестящих коллег Резерфорда. Несмотря на то что вместе они проработали только с 1901 до начала 1903 года, этот период оказался очень эффективным.

Именно тогда они поместили свои имена под важнейшей в истории науки главой. Годы спустя Содди так отзывался о том коротком, но плодотворном этапе сотрудничества с новозеландским гением: 

"Под конец нашей совместной работы головоломка радиоактивности, изначально казавшаяся незаурядной, сложилась и была решена. Мое общее впечатление о тех днях связано с высшей степенью умственной экзальтации, когда части головоломки сложились в единую и убедительную теорию атомного распада·.

Содди изучал химию в Оксфорде, в 1900 году он направился в Монреаль, где через год стал работать с Резерфордом. В начале 1903 года Содди отбыл в Лондон, чтобы сотрудничать с Уильямом Рамзаем, экспертом по благородным газам. Их совместная работа также завершилась довольно быстро, после чего Содди какое-то время преподавал в университете Глазго, до тех пор пока ему не предложили кафедру в Оксфорде. Здесь он проработал с 1919 по 1937 год. Кроме исследований радиоактивного распада, его очень интересовали изотопы (термин, обозначающий элементы, которые имеют разные массовые числа, но занимают одно место в периодической таблице). Именно Содди ввел этот термин (по предложению писательницы и врача Маргарет Тодд). В 1917 году он открыл элемент протактиний, а в 1920-м — написал книгу "Наука и жизнь·. В 1921 году ученый получил Нобелевскую премию по химии за исследование радиоактивных веществ, а также происхождения и природы изотопов. В конце жизни Содди занимали социальные вопросы и мир на земле, особенно в связи с угрозой использования ядерного оружия. После Второй мировой войны он написал: 

"Запуск атомный бомбы — чрезвычайно важная проблема. [...] Вместо того чтобы оплакивать Хиросиму, следовало бы вспоминать [...] о триумфе человека над проблемой [трансмутации], а не об использовании ее во имя зла политиками и военными".

Этот газ получил название радон.

Проблема благородных газов начала проясняться с 1894 года, будучи относительно новым полем для исследований. Еще не было ясно место этих элементов в периодической таблице, поэтому для них выделили особую колонку. С 1902 года стала набирать вес идея, что торий мог трансформироваться в газ по мере испарения твердого вещества. С другой стороны, эманация, или газ радон, казалось, имела положительный заряд, так как при ее приближении к отрицательно заряженному металлу сам металл становился высокорадиоактивным.

Но проблема связи эманации с явлением радиоактивности оставалась. Какое место ей отводилось, и какая связь имелась у нее с испусканием альфа- и бета-частиц? Таким был ключевой вопрос.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД И ВОССТАНОВЛЕНИЕ

Резерфорд и Содди также принялись за исследование явления, открытого Круксом и Беккерелем и связанного с ураном и ураном-Х. В свою очередь, они провели эксперименты с использованием тория, традиционного элемента для лабораторных исследований.

РАДОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТОВ

Предшественник Дж. Дж. Томсона на должности директора Кавендишской лаборатории английский физик Джон Уильям Стретт и лорд Рэлей (1842- 1919) вместе с шотландским химиком Уильямом Рамзаем (1852-1916) в 1894 году открыли аргон. Лорд Рэлей обнаружил, что вес азота в воздухе был меньше, чем вес азота, полученного в результате химических реакций. Позже Рамзай дал объяснение этому отклонению, связав его с наличием примесей в воздухе. После этого, наконец, удалось выделить газ, влиявший на результаты по определению веса азота. Его назвали "аргоном". Греческое происхождение термина подчеркивает инертный характер газа, не вступающий во взаимодействие с другими элементами. Другой благородный газ — гелий — был открыт Пьером Жансеном и Джозефом Норманом Локьером в 1868 году при анализе химического состава Солнца на основе спектрографии солнечного света. Химик Рамзай специализировался на исследовании нереактивных газов и выяснил, что гелий находится не только в атмосфере, но и в минерале урана (данное явление Резерфорд смог объяснить позже, когда раскрыл природу альфа- излучения).

Таблица Менделеева

Известия об открытии новых благородных газов побудили Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) в 1902 году изменить свою периодическую систему химических элементов и включить в нее специальную колонку. Порядок химических элементов в периодической таблице был великим изобретением. В этой таблице элементы классифицируются в соответствии с их атомной массой и химическими свойствами. Многие химики, в том числе Лавуазье, уже обратили внимание на сходство разных элементов, но только Менделеев пришел к их упорядочиванию. Он взял за основу закономерности, наблюдавшиеся в характеристиках элементов (большая или меньшая реактивность, валентность), чтобы систематизировать их, используя классификацию двумерной таблицы. Атомный вес был важным фактором (вертикальная ось), но элементы также расположены слева направо, образуя периоды и группы. Группы, то есть элементы одной колонки, имели много общих характеристик, несмотря на различие в атомном весе. Это простое изменение формы классификации веществ сделало возможным поиск общего, в особенности в химических характеристиках. Менделеева также озарила догадка, что необходимо оставить пустые места там, где, как ему казалось, мог разместиться еще не открытый элемент. Этот великий ученый сумел предсказать некоторые характеристики неизвестных элементов, которые были открыты впоследствии; среди них германий и галлий.

Дмитрий Иванович Менделеев, примерно 1880-1890 годы.

К своему удивлению, они смогли выделить из тория вещество, испускавшее большую часть излучения. Они не знали, что это за вещество, но было ясно, что химически оно различно с торием, поэтому его назвали "торий-Х". После выделения тория-Х торий терял радиоактивность по экспоненте; всю радиоактивность получал торий-Х. Наконец не осталось сомнений, что торий мог производить торий-Х и заменять образцы, потерявшие активность. Также ученым удалось установить, что торий-Х испускал эманацию. Так они обнаружили цепочку явлений: торий порождает торий-Х, а торий-Х испускает эманацию.

Содди и Резерфорд пошли дальше своих европейских коллег и на графиках показали поведение тория и его активность, которая росла по экспоненте, а также тория-Х с его нисходящей кривой (см. график).

Этот график распада радиоактивности и восстановления показывал экспоненциальный характер отношения между активностью и временем двух показателей, сумма значений которых была константой (дополнительность). Все указывало на то, что оба явления происходили не случайно, то есть имелись отношения между торием и торием-Х. Торий порождал отличное от себя вещество — другими словами, атомы тория-Х получались в результате распада тория. Это были словно родственные отношения (как выразился Резерфорд). Эрнест Резерфорд сделал следующее заключение:

"Большая часть радиоактивности тория происходит от некоего типа материи, тория-Х, обладающего отличными от тория химическими характеристиками и являющегося временно радиоактивным: его активность затухает через четыре дня".

Позже было обнаружено, что торий-Х на самом деле является так называемым изотопом радия, обладающим исключительной радиоактивностью. Части головоломки стали соединяться. А какую же роль играла радиоактивность? Как она связана с альфа- и бета-лучами? Была ли она дополнительным продуктом трансмутации? Или, напротив, она влияла решающим образом?

То, что является грехом для моралиста, преступлением — для юриста, для ученого — незнание.

Фредерик Содди

Гипотеза, подтверждение которой начали искать Резерфорд и Содди, состояла в том, что после испускания альфа-частиц торий превращался в торий-Х. После следующего испускания альфа-частиц происходила эманация. Данная последовательность явлений была характерна также для урана и полония.

Ключ к решению проблемы находился в альфа-частицах. Когда Резерфорд понял, что представляли собой альфа-частицы, все детали головоломки сложились и встали на свои места — открылась прекрасная перспектива новой области физики, возникшей практически из ничего.

АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЕ, ВНОВЬ

Вопрос о том, что представляли собой атомы, был абсолютно неясным — Резерфорд обнаружит ядро только через несколько лет, — в ту эпоху было едва ли что-то известно об электронах.

Хотя уже имелись предположения, что энергия радиоактивности каким-то образом исходила из сердца атомов, ее механизм был загадкой.

В первую очередь, Резерфорд делал ставку на идею, что радиоактивность возникала из-за некоторого внутреннего нарушения расположения атомов, создавая тем самым нестабильную ситуацию. В этот момент начинали испускаться рентгеновское и бета-излучение, что приводило к реконфигурации все еще нестабильного материала, и так возникало альфа-излучение. Согласно его первой гипотезе радиоактивность была непрямым следствием явления внутренней нестабильности конфигурации атомов, неким дополнительным механизмом. На тот момент уже было известно, что бета-лучи идентифицируются с электронами, поэтому считалось, что вследствие малой массы они не могут нарушать природу атомов. Но предстояло объяснить, чем являются альфа-лучи.

Имелось предположение, что их заряд был положительным. Однако в ходе попытки уловить радиоактивность с помощью магнитного поля лучи не изменили своей траектории. Казалось бы, гипотеза должна быть отвергнута, но Резерфорда не удовлетворили эти результаты, и он решил повторить эксперимент, при этом использовав более интенсивный источник альфа-лучей и более мощный генератор магнитного поля. Кюри предоставили ему радий, а аппарат для генерирования магнитного поля (магнит) ему выделили в университете Макгилла. Осенью 1902 года Резерфорд увидел, что альфа-лучи в действительности изменяли траекторию при прохождении через магнитное поле, их отклонение было противоположным бета-лучам, у которых, как уже стало известно, отрицательный заряд. Данный результат он интерпретировал как доказательство положительного заряда альфа-лучей. Выяснить это прежде было затруднительно, так как альфа-частицы значительно превосходили по массе бета-частицы.

Если лучи из частиц, имеющих далеко не ничтожную массу, возникали внутри атомов, было бы глупо не сделать вывод, что они должны представлять важные изменения для собственной внутренней структуры материи. Испускание альфа-лучей виделось некоей причиной других изменений и наблюдаемого испускания других видов излучения. При этом электромагнитное излучение или выброс электронов — бета-лучей — не предполагали трансмутации химического (радиоактивного) элемента. Однако факт испускания лучей, имевших значительную массу, заставлял проверить данное соображение. Именно поэтому в результате этого ключевого открытия Резерфорд и Содди предложили свою теорию радиоактивного распада.

Радиоактивность не могла быть вторичным, дополнительным эффектом, учитывая, что внутри радиоактивного материала отделялись частицы, имевшие массу других химических элементов. В 1903 году, когда Содди уехал из монреальского университета Макгилла и отправился в Лондон работать с Уильямом Рамзаем, теория радиоактивного распада уже сформировалась как модель, включающая в себя все части радиоактивной головоломки.

РАСПАД АТОМА

Итак, между 1902 и 1903 годом Резерфорд и Содди разработали теорию радиоактивного распада, которая раскрывала загадки радиоактивных эманаций, возбуждения, распада, радиоактивного переноса и тория-Х. По их мысли, радиоактивность возникала, потому что определенный элемент (торий или уран) трансформировался в другой элемент, излучая альфа- и бета- частицы. При трансформации и распаде первоначального атома родительского элемента возникал новый атом, который обозначался как торий-Х или уран-Х и который мог оказаться другим химическим элементом, тоже радиоактивным, например радием или полонием. Новые элементы были менее стабильными и испускали больше радиации. Парадоксально, но вследствие этого они распадались быстрее, образуя другие, тоже радиоактивные элементы. Резерфорд и Содди описали свою концепцию явления радиоактивности так:

"Доказано, что радиоактивность сопровождается химическими изменениями, в которых постоянно образуются новые виды материи. Продукты этих реакций вначале радиоактивны, но их активность с момента формирования равномерно затухает".

АЛХИМИЯ

В ходе исследований настал момент, когда Содди воскликнул: "Резерфорд, ведь это же трансмутация: торий распадается и трансмугирует в газ группы аргона". На что Резерфорд ответил: "Содди, не называйте это трансмута- цией! Они снимут нам головы, как алхимикам".

В ту эпоху в сознании людей возникало много псевдонаучных идей на тему трансмутации элементов. Существовала масса ассоциаций, журналов и конгрессов алхимиков, которым научное сообщество не оказывало никакой поддержки. Поэтому факт, что один из многообещающих ученых ступил на путь алхимии, вызвал потрясение. Пока Резерфорд работал над теорией радиоактивного распада, многие коллеги выражали свои опасения, будто гипотеза о спонтанной трансмутации материи "может дискредитировать Макгилл". На совещании Резерфорду предложили перепроверить и уточнить данные и выводы до публикации своего открытия. Ученый был известен своей точностью и практически не допускал ошибок в экспериментах, он выслушал рекомендации с горечью и яростью, осознавая, сколь беспочвенной была эта критика.

Алхимическая лаборатория, из книги "История алхимии и начал химии" шотландского химика и писателя Μ. M. Паттисома Муира (1848- 1931).

Открытие природы альфа-лучей позволило утверждать следующее:

" Распад атома и испускание тяжелых заряженных частиц, имеющих массу, сравнимую с атомом водорода, делает систему более облегченной, чем раньше; ее химические и физические характеристики разнятся с первоначальным элементом. Процесс дезинтеграции проходит уровень за уровнем за измеримые для каждого случая промежутки времени".

Альфа- и бета-излучение, открытые Резерфордом ранее, понимались теперь как следствие внутренней дезинтеграции материи, основополагающей нестабильности атомов радиоактивных элементов. Их стали рассматривать не как излучение, а как частицы, "убегавшие" из атомов, менявшие структуру и природу этих атомов. Происходила спонтанная трансмутация атомов из одного элемента в другой.

История человечества выражается и определяется имеющимся количеством энергии.

Фредерик Содди

Резерфорд и Содди ввели новые термины для этих элементов: "родительскими" они называли радиоактивные элементы, и "дочерними" — атомы после трансформации и распада.

РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА

Открытия, сделанные на тот период, позволяли составить общее мнение о радиации. Радиоактивные материалы существовали с момента формирования Земли. Такие элементы, как торий и уран, на самом деле не высокорадиоактивны, то есть они не очень стабильны по сравнению с другими радиоактивными элементами, время их распада продолжительнее. Однако в ходе их дезинтеграции возникали другие значительно более активные вещества. Дезинтеграция происходила естественным путем, это было случайное явление, определить количественные характеристики которого можно только статистическим путем. При испускании альфа-частиц, то есть ядер гелия, первоначальный атом уже не существовал как тот же элемент, на его месте формировалось новое, менее стабильное вещество, как правило, имевшее большую радиоактивность. Годы спустя выяснилось, что бета-излучение также является следствием фундаментальных трансформаций атома, а точнее его ядра, так как электроны и излучение появляются, когда нейтрон распадается на один протон и один электрон, но на том этапе Резерфорд еще не открыл внутреннее строение атома.

В 1904 году Резерфорд с помощью этих диаграмм представил все имеющиеся на тот момент знания о радиоактивных последовательностях для разных элементов. Они выглядели как цели испускания лучей и трансформации первоначального элемента в другие.

Нестабильность вторичного продукта распада предполагает, что он должен превратиться в третий продукт, также нестабильный. Был ли конец у такой цепи? Становилось все очевиднее, что большое количество разных радиоактивных веществ должны иметь связи между собой, формируя семейства.

На сегодняшний день известны три семейства естественных радиоактивных элементов: семейства тория, урана и актиния (см. рисунок на предыдущей странице), в которых процесс распада заканчивается, когда образуется нерадиоактивный и стабильный элемент — свинец. Согласно представлению Резерфорда, во главе семейства находился "отец", родительский элемент с высоким атомным весом. Потомки "отца", дочерние элементы, проходят через превращения до получения природного стабильного элемента. Когда радиоактивность наблюдалась впервые, Беккерель использовал один из изотопов урана, которые при испускании альфа-излучения превращаются в торий. Изотопы — атомы одного химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов, составляющих ядро; соответственно, их атомная масса отлична, но число протонов и электронов совпадает. Механизм был окончательно понят благодаря Эрнесту Резерфорду и его помощнику Фредерику Содди (см. Приложение. Альфа- и бета-распад).

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА, ИЛИ ПОЛУЖИЗНИ

С первых исследований в этой области Резерфорд понял, что со временем радиоактивные излучения затухают. В некоторых элементах радиоактивность исчезала через несколько секунд, в других — могла длиться днями и месяцами. Если вначале казалось, что только самые активные элементы обладают таким свойством, после возникновения теории радиоактивного распада стало понятно: при радиации количество первоначальных атомов постепенно уменьшается, пока не исчезнет бесследно.

Резерфорд также обратил внимание, что сама продолжительность жизни радиоактивного элемента, как дактилоскопический след, позволяет идентифицировать его. Некоторые элементы имеют более длительный период полураспада, который мог продолжаться тысячи лет (например, уран), в то время как период полураспада других элементов длится несколько секунд (в настоящий момент возможно синтезировать элементы, радиоактивность которых проявляется доли секунды).

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРИОДА ПОЛУРАСПАДА

Хотя Резерфорд был прежде всего экспериментатором, распад (и полураспад) он пытался также выразить математически, с помощью формул, чтобы показать зависимость количества атомов от времени. Затухание атомного распада носит экспоненциальный характер, и математическая формула, выражающая его сущность, должна иметь нижеследующий вид. Если N_o — количество атомов радиоактивного материала в первоначальный момент, N — количество атомов в заданный момент, то

N = N_o · e-λt,

где λ — постоянная радиоактивного распада для заданного элемента, а е — математическая константа, число Эйлера (иррациональное число, величина которого равна приблизительно 2,718...). Чтобы определить скорость радиоактивного распада атомов, предыдущее выражение в зависимости от времени преображается как:

dN/dt = -λ · N_o · e-λt = -λN.

Становится ясно, что процент распада связан с количеством оставшихся в определенный момент атомов. По мере распада атомов процент дезинтеграции снижается. Период полураспада (Т), определяемый как время, за которое количество радиоактивных атомов сокращается вдвое, также можно выразить из предыдущего уравнения. Т — время, за которое проходит дезинтеграция половины начального количества радиоактивных атомов, то есть N = N_o/2:

1/2N_o = N_o · e(-T).

Упрощая N_o · e-λt = 2, или в другом виде: λΤ= ln2 = 0,693. Поэтому период полураспада равен:

T = 0,693/λ.