У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Новозеландский ученый уже выяснил, что естественная радиоактивность носит вероятностный характер, поэтому невозможно точно предсказать, когда произойдет следующий распад. Однако со статистической точки зрения распады случаются с определенной регулярностью. Таким образом, хотя нельзя точно установить, когда произойдет распад, при систематическом учете можно установить их регулярность. Другими словами, вероятность того, что ядро радиоактивного элемента будет распадаться за единицу времени, является константой.

Эту постоянную величину называют "константой радиоактивного распада" и обозначают лямбдой (λ).

Наука учит сомневаться и быть невежественным.

Эрнест Резерфорд

Резерфорд считал необходимым ввести понятие периода полураспада, или полужизни, радиоактивного элемента, которое характеризовал как время, необходимое для того, чтобы определенное количество имеющихся в образце радиоактивных атомов сократится вдвое. Данное понятие помогало показать скорость, с которой радиоактивное вещество распадается, уступая место новому члену "семьи". Так, период полураспада некоторых изотопов урана равен 4500 миллионам лет (считается, что эта величина совпадает с возрастом Земли). Существуют разные виды урана, и каждый из них имеет разные периоды полураспада.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

Отголоски этих исследований достигли другой научной дисциплины, благодаря атомной физике получившей импульс для новых открытий. Речь о геологии. Однажды прогуливаясь по кампусу Макгилла, Резерфорд столкнулся с профессором геологии и спросил его: "Сколько, по-вашему, лет Земле?"

"Сто миллионов лет", — ответил профессор. Тогда Резерфорд достал кусочек урановой смолки и ответил: "Я знаю, и это объективный факт, что этому куску смоляной руды семьсот миллионов лет". Можно вообразить, насколько удивился тот геолог. Но как Резерфорд отважился на такое заявление?

С XVIII века существовало убеждение, что Солнце и планеты возникли из тучи пыли. Неоднократно предлагались изобретательные и разнообразные способы датировки этих событий. Так, было рассчитано, что если основываться на процессах эрозии, 100 миллионов лет потребуется для объяснения концентрации соли в морях и океанах Земли. Цифра, названная собеседником Резерфорда, вероятно, была получена таким методом.

Британский физик и математик Уильям Томсон, лорд Кельвин ( 1824-1907), был одним из тех, кто пытался дать ответ на этот вопрос. В 1862 году он опубликовал статью "О возрасте теплоты Солнца", в которой на основе энергетических расчетов приходил к выводу, что этот возраст колеблется между 24 и 400 миллионами лет. Предполагая, что Земля возникла в результате застывания магмы, можно было рассчитать испускаемую теплоту до достижения актуального состояния. Лорд Кельвин, хоть и ошибочно, ограничивал срок существования Земли. Он сделал расчеты на будущее, и его выводы не были оптимистичными, так как Солнце, по его мнению, не могло излучать энергию постоянно и в течение долгого времени:

"Относительно будущего мы с уверенностью можем сказать, что обитатели Земли не смогут продолжать наслаждаться светом и теплом, столь необходимыми для жизни, в течение многих миллионов лет, если не заготовлены неизвестные нам на сегодняшний день источники тепла в огромном хранилище Вселенной".

Косвенным противоречием проблеме возраста Земли стала теория естественного отбора. Дарвин пришел к выводу, что для развития разнообразия жизни, возникшей в результате естественного отбора, был необходим более длительный период, чем полагали физики. Сам Дарвин выражал волнение некоторым корреспондентам так:

"Я очень обеспокоен коротким сроком, отпущенным нашему миру, согласно предположениям сэра У. Томсона, потому что для подтверждения моих теорий мне необходим очень продолжительный докембрийский период".

В этом противостоянии физика представлялась более основательной дисциплиной по сравнению с биологической теорией Дарвина. И этот отягчающий фактор не способствовал увеличению численности сторонников теории естественного отбора в начале XX века. Однако, как доказал Резерфорд, идеи и расчеты лорда Кельвина были глубоко ошибочными.

Как мы уже выяснили, элемент является радиоактивным, если его структура нестабильна, и благодаря процессу радиоактивного распада элемент приобретает большую стабильность. Так, уран с 92 протонами после альфа-распада теряет два протона и трансформируется в торий (элемент под номером 90 в периодической таблице). Торий, в свою очередь, при альфа-распаде теряет еще два протона и превращается в элемент с атомным номером 88, который согласно периодической таблице соответствует радию. Все эти процессы распада вместе образуют последовательность химических элементов, формирующих естественное радиоактивное семейство, с конечным стабильным элементом — свинцом.

Учитывая, что Резерфорд мог выявить скорость распада каждого из них, у него появилась удачная мысль определить на основании этих данных возраст Земли. Требовалось только узнать количество свинца, являющегося стабильным продуктом цепи распада урана, по отношению к количеству урана, имеющегося в шахте (вначале ученый задумался о возможности использовать для этого гелий, но так как это газ, полученные результаты не могли считаться достоверными, потому что часть газа улетучивалась в атмосферу).

Несмотря на то что догадка была гениальной, Резерфорд оставил свои исследования другим ученым, которые уточнили механизмы, предопределившие современное понимание вопроса о возрасте Земли.

ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

В настоящее время считается, что Земле 4,55 миллиарда лет. Этот возраст установлен в результате исследования в североканадском районе Акаста известных залежей породы, называемой гнейсом, которой предположительно четыре миллиарда лет, это самая древняя известная порода. Несмотря на то что эта гениальная догадка принадлежит Резерфорду, самого ученого данный вопрос не слишком интересовал, на эту тему он опубликовал лишь несколько научно-популярных статей (например, статью "Радий — причина теплоты Земли" в журнале Harper).

Другие исследователи, среди них Бертрам Болтвуд (1870-1927), уделяли этим разработкам больше внимания. Болтвуд и Резерфорд пришли к заключению, что лучшим способом датировки было сравнение количества урана и свинца. После многочисленных расчетов было высказано предположение, что возраст Земли колеблется между 250 миллионами и 1,3 миллиарда лет. Британский геолог Артур Холмс (1890-1965) продолжил исследования Болтвуда и Резерфорда, рассматривая разные типы изотопов радиоактивных элементов, каждый из которых обладал разной продолжительностью жизни, и приступил к экспериментам. От полной неосведомленности об этих результатах геологи преодолели путь к их принятию, и в 1927 году Холмс опубликовал книгу "Возраст Земли", в которой уверял, что Земле от 1,3 до 3 миллиардов лет. Однако образцы почвы не слишком подходили для определения количественных показателей, так как тектонические движения плит и эрозия могли стать причиной ошибки в данных, основанных на радиоактивности. На сегодняшний день большинство ученых сходятся на том, что возраст нашей планеты вернее всего определен на основе работ геохимика Клэра Кэмерона Паттерсона, который в 1953 году осуществил первые точные измерения, изучая образцы почвы, на которые воздействовали метеориты.

Артур Холмс, 1912 год.

Но все же Резерфорд ощутил необходимость публикации научно-популярной статьи, а также выступил с лекцией в Соединенном Королевстве, излагая свои идеи. На этой лекции был особенный слушатель — сам лорд Кельвин. Позднее Резерфорд описал эту встречу так:

"К моему облегчению, Кельвин уснул, но едва я подошел к важному пункту, то увидел, что старый лис поднял голову, открыл один глаз и зловеще взглянул на меня. Тогда я внезапно ощутил вдохновение и произнес: "Лорд Кельвин обозначил пределы возраста Земли, если не будут найдены новые источники тепла. Это пророческое наблюдение подводит нас к теме сегодняшней дискуссии — к радиации". И старик улыбнулся".

Радиоактивность интерпретировалась как новый источник тепла, который мог согревать Землю изнутри. Так расчеты Кельвина, при всей их правильности, происходили от неточной гипотезы. Этот источник мог также подпитывать и Солнце, таким образом, Земля могла начать свое существование значительно раньше, чем предполагал маститый ученый, а также продолжать его в течение невообразимо длительного времени согласно физическим законам, известным в XIX веке.

По расчетам Кельвина, до затухания Солнцу оставалось пять или шесть миллионов лет, Резерфорд же говорил — что сотни миллионов. Старого лорда Кельвина новая наука о радиоактивности не смогла убедить, несмотря на то что, по его же собственным словам, он внимательно изучал ее.

ЭНЕРГИЯ

Другим аспектом, на который не могли не обратить внимание действующие лица эпопеи радиоактивности — Кюри, Резерфорд и Содди, — было огромное количество энергии, выделявшейся изнутри материи, как если бы атомы были неистощимым источником энергии, а радиоактивность представлялась малозначительным процессом утечки энергии. Подвергая замороженную воду воздействию радия, можно было наблюдать, что вода испарялась меньше чем за час. Не будем упоминать о многочисленных ожогах, из-за чего Пьер и Мария Кюри работали с забинтованными руками. Резерфорд и Содди сделали оценку энергии, выделявшейся из грамма радия после всех трансформаций, она равнялась десяти тысячам миллионов калорий. Эта энергия содержалась в материи, и если бы кому-то удалось бесконтрольно выпустить ее, этот кто-то разом покончил бы с известным нам миром.

В 1903 году Резерфорд и Содди уже заявили, что радиоактивность связана с энергией, не соответствующей реакциям:

"Радиоактивность понимается как результат процесса, лежащего вне сферы известных контролируемых сил... Все эти замечания приводят к выводу, что энергия, клокочущая в атоме, должна быть огромной по сравнению с энергией, свободно выделяющейся при обычном химическом обмене".

Также они предвидели, что энергия, сконцентрированная в радиоактивных атомах, в действительности могла быть внутренним свойством всех типов атомов, существующих во Вселенной:

"Нет никаких причин утверждать, что эти огромные количества сокрытой энергии характеризуют лишь радиоактивные элементы".

Первым, кто задумался о связи массы и энергии, был именно Содди. Он решил, что, возможно, существует связь между потерей массы радия при его трансформациях с освобожденным количеством энергии. По этому вопросу Содди заверял:

"Вероятно, вся тяжелая материя в латентном и связанном со строением атома виде обладает схожим количеством энергии, которая имеется у радия. Если бы ее можно было выделить и поместить под контроль, это изменило бы судьбу мира! Тот, кто взял бы в свои руки рычаг, которым бережливая природа регулирует выдачу из этого хранилища энергии, получил бы оружие, которым мог бы при желании разрушить Землю".

Позже Альберт Эйнштейн ввел известную формулу Е =mc2, которая объясняла, что масса находится в прямой зависимости от энергии. Однако формула Эйнштейна не показывала, как получить энергию из материи; она лишь констатировала связь. С другой стороны, в момент публикации уравнения результат был проигнорирован, его влияние на последующие события было косвенным. Ученые того времени рассматривали радиоактивность как неожиданный источник энергии, и казалось, нужно подождать, чтобы определить, как человечеству надлежит воспользоваться этим богатством. Касательно этого вопроса имелись различные мнения.

В конце жизни, в 1933 году, Резерфорд очень осторожно и скептически высказывался о возможностях использования энергии:

"Мы не можем контролировать атомную энергию так, чтобы она имела коммерческую стоимость, думаю, нам это никогда не удастся. О трансмутации было сказано много глупостей. Наш интерес к материи чисто научный, а наши эксперименты помогут лучше понимать строение материи".

Несмотря на это, получили распространение шутки, которые Резерфорд раньше отпускал по поводу энергии атомов. Так, часто вспоминают о том, как ученый использовал сравнение с рычагом Архимеда, которым можно было сдвинуть мир, только в его устах этот рычаг становился детонатором:

"Если бы было возможно найти подходящий детонатор, можно было бы представить, что волна от атомного распада, возникнув внутри материи, превратит наш старый мир в пыль".

Полушутя-полусерьезно он добавлял, что, возможно, "какой-нибудь дурак в лаборатории сможет неожиданно взорвать Вселенную". Содди, напротив, был более оптимистичен и полагал, что ядерная энергия обещает нам лучший мир и благодаря ей Земля сможет превратиться в "улыбающийся Эдем".

ОТ МАКГИЛЛА К НОБЕЛЮ

Когда Резерфорд еще работал в Макгилле, он начал понимать, что его открытия могут принести ему Нобелевскую премию. С другой стороны, он считал, что премия найдет его лишь через несколько лет и после наставника, Дж. Дж. Томсона. Единственное, чего он не предусмотрел, так это того, что премия будет не в области физики, а химии, к которой он не чувствовал особой симпатии.

Нобелевская премия по физике была учреждена в 1901 году и впервые была присуждена Рентгену за открытие икс-лучей. В 1903 году премию получили Пьер и Мария Кюри совместно с Беккерелем. Радиоактивность относилась к важнейшим открытиям эпохи, и логично было предположить, что Резерфорд будет вознагражден за огромную работу, которую он проделал.

Однако несмотря на замечательные результаты исследований и средства, которыми Резерфорд располагал в Макгилле, со времени своего приезда он не скрывал желания вернуться в Европу. Он чувствовал себя изолированным от центра научной жизни и был убежден, что его пребывание в Канаде будет настолько кратким, насколько это возможно. Он так и сказал об этом жене: "Не думаю, что ты будешь против, чтобы я остался в Канаде еще несколько лет, но, между нами, я не вижу возможности остаться здесь надолго и надеюсь однажды вернуться в Европу".

Если я хочу претендовать на Нобелевскую премию в ближайшие годы, мне нужно продолжать работу.

Эрнест Резерфорд в письме супруге, 1905 год

Шотландский химик Уильям Рамзай, Нобелевский лауреат по химии 1904 года, за работой в лаборатории.

Уильям Томсон, лорд Кельвин, помимо прочего известный своим исследованием по определению возраста Земли.

Встреча выдающихся ученых в 1932 году в Мюнстере, Германия. Слева направо сидят: Джеймс Чедвик, Ханс Гейгер, Эрнест Резерфорд. Стоят. Джордж деХевеси, Элизабет Гейгер, Лиза Мейтнер и Отто Ган.

То же он писал об интеллектуальном голоде и тоске по Соединенному Королевству своему учителю Дж. Дж. Томсону:

"После нескольких лет без Кавендиша я чувствую, что отдалился от науки, я очень скучаю по возможности встречаться с людьми, интересующимися физикой. Вне маленького кружка лаборатории очень редко я могу от кого-нибудь услышать, что происходит где- нибудь еще".

Однако место в Макгилле обеспечивало его материально, он мог содержать семью. Именно поэтому через год после приезда в Монреаль он отправился в Сан-Франциско и сел на пароход до Новой Зеландии, чтобы жениться. Резерфорд заключил брак в 1900 году и, воспользовавшись своим приездом, подал в Новозеландский университет документы для получения докторской степени. После свадебного путешествия, во время которого Резерфорд смог собрать образцы радиоактивных элементов для будущих исследований, молодые вернулись в Монреаль. В 1901 году родилась их единственная дочь Эйлин Резерфорд.

В 1903 году ученый опубликовал часть своей теории радиоактивности и в том же году отправился в Европу, где стал членом Королевского общества. Эта поездка имела большое значение для Резерфорда, так как он смог лично познакомиться со всеми учеными, являвшимися первооткрывателями в области радиоактивности, среди которых была и чета Кюри. В июне 1903 года Эрнест и его жена Мэри прибыли в Париж, о чем позднее Резерфорд вспоминал так:

"Летом я навестил профессора и мадам Кюри в Париже и узнал, что мадам получила докторскую степень в день моего приезда. Вечером мой старый друг, профессор Ланжевен, пригласил мою жену, меня, Кюри и Перрена ужинать. После оживленной вечеринки в 11 часов мы вышли в сад, там профессор Кюри показал трубку, покрытую сульфатом цинка, в ней находилось большое количество радия в растворе. В темноте от него исходило свечение, и это стало блистательным завершением незабываемого дня. В тот момент мы не могли не заметить, что руки профессора Кюри ужасно воспалены, что было связано с воздействием лучей радия. В тот раз я впервые видел Кюри. Его преждевременная кончина в дорожном происшествии в 1906 году — великая потеря для науки, и особенно для науки о радиоактивности, развивающейся так быстро".

РАДИОАКТИВНОСТЬ И РАК

Супруги Кюри были первыми, кто почувствовал радиацию на своей коже, непосредственно испытав все вредные последствия от ее воздействия. В ту эпоху ученые часто носили колбы с солями радия в кармане, отчего у них возникало покраснение кожи. Пьер Кюри заметил, что при длительном воздействии радия кожа краснела еще больше, воспалялась и слезала. Пьер страдал от болей, у Марии развилась катаракта и случился выкидыш, возможно связанный с воздействием радиации.

Резерфорд, напротив, никогда не говорил о проблемах со здоровьем, несмотря на то что бесчисленное количество раз подвергался облучению. В конце концов и общество почувствовало негативное воздействие радиоактивности. Любопытные явления, свойственные радию, например свечение в темноте, использовались в военных целях. Между 1918 и 1928 годом начали продавать лекарственный препарат "Радитор" со следами радия, он применялся как эликсир долголетия, но на самом деле действовал отравляюще. Были и другие средства, якобы защищавшие от выпадения волос, сулившие всевозможные чудеса, но все это оказалось обманом. Мария Кюри одна из первых осознала, что если радиация убивает здоровые клетки, таким же образом она может прекратить размножение больных, раковых клеток. Так был открыт путь к использованию радиотерапии.

Пьер и Мария Кюри в парижской лаборатории, где они сделали столько невероятных открытий.

На следующий год Резерфорд вновь отправился в Европу и, воспользовавшись случаем, провел две лекции. Одна из них — ежегодная Бейкерианская лекция в Королевском обществе — стала большой честью для него. Выступая, ученый изложил свои новые идеи о радиоактивном распаде. Вторая лекция касалась возраста Земли; как мы уже говорили, в аудитории присутствовал и лорд Кельвин.

Так как радиация и физика частиц начали оформляться в самостоятельную дисциплину, возникла необходимость в издании соответствующего учебника. Резерфорд взялся за дело, и в 1904 году вышел первый учебник " Радиоактивность". Труд был посвящен Дж. Дж. Томсону; прочитав книгу, он сказал: "Резерфорд не только расширил знания в этой области, но и присоединил новую провинцию".

Слава Резерфорда распространялась по всему миру, многие блестящие студенты отправлялись в Макгилл, чтобы поработать рядом с новозеландским гением. Одним из таких студентов был Отто Ган, будущий Нобелевский лауреат по химии 1944 года за эксперименты по расщеплению ядра. В 1906 году в журнале Nature (который вместе с Science разделяет славу крупнейших научных неспециальных изданий) была опубликована посвященная Резерфорду статья, о его студентах можно было прочитать следующее:

"Профессор Резерфорд собственным энтузиазмом и энергией вдохновляет своих студентов на исследования. Он следит за получаемыми ими результатами и радуется их открытиям как своим собственным. Он — воплощенное великодушие, он всем сердцем верит в тех, кто проводит исследования под его покровительством".