Клаус Гофман - Можно ли сделать золото, Мошенники, обманщики и ученые в истории химических элементов
Вскоре подтвердилось, что и металлический уран обнаруживает такой "радиографический эффект". Эти новые лучи, которые назвали rayons de Becquerel[50] или rayons uraniques[51] были, следовательно, характерной особенностью атомов элемента урана. Их можно было отличить по сильному ионизирующему воздействию: золотые листочки электроскопа, приподнявшиеся после заряжения, быстро опадают, если окружающий воздух ионизировать лучами, то есть сделать его электрически проводимыми. Для такого характерного излучения введено было понятие "радиоактивность".
Через два года после открытия Беккереля, в апреле 1898 года, его ученица Мария Складовская-Кюри доложила Парижской академии наук, что радиоактивным является не только уран, но и второй тяжелый элемент -- тории; он тоже испускает эти таинственные лучи. Затем мадам Кюри сделала еще более значительное открытие: природные минералы, содержащие уран, например урановая смоляная руда, существенно более радиоактивны, чем можно было ожидать, исходя из содержания в них урана. Предположение Марии Кюри, что в этих минералах должен содержаться еще более радиоактивный элемент, было блестяще подтверждено. Совместно со своим супругом, Пьером Кюри, в 1898 году ей удалось физико-химическим путем обнаружить два новых химических элемента, только на основе их различной радиоактивности. Оба элемента во много раз превосходили уран по интенсивности излучения. Супруги Кюри назвали эти элементы полоний -- в честь родины исследовательницы, Польши -- и радий. Через год французский химик Дебьерн смог обнаружить еще один радиоактивный элемент в остатках от переработки урановой смолки[52] -- актиний.
Таким образом, с помощью характеристического радиоактивного излучения были открыты три новых химических элемента, для которых надлежало найти место в какой-либо из пустых клеток периодической системы. Правда, предполагали, что вследствие их способности к излучению, они должны быть соседями урана, то есть столь долго разыскиваемыми тяжелыми металлами. Однако химики располагали лишь незначительными следами этих веществ; пока новые элементы не были получены в весомых количествах, невозможно было изучить их химические свойства, определить атомную массу и расположить в периодической системе. Прошло все же несколько лет, прежде чем супруги Кюри в результате весьма трудоемкой работы смогли выделить скудных 100 мг соли нового элемента -- радия: для этого им пришлось переработать в целом два вагона отвалов, образовавшихся после извлечения урана из урановой смоляной руды Иоахимсталя. Работая с таким количеством вещества, они наконец смогли определить химические свойства нового элемента.
Смелые теории
Радий начал завораживать мир. Его способность к излучению была во много раз большей, чем у других радиоактивных веществ. Новый элемент, казалось, являлся неиссякаемым источником энергии. Даже спустя длительное время нельзя было заметить уменьшения интенсивности его излучения. В настоящее время мы знаем, что активность радия падает наполовину только по прошествии 1590 лет.
Величайшая заслуга английского физика Резерфорда состоит в том, что он внес ясность в наблюдения и раскрыл тайну радиоактивности. За короткое время, работая со своей исследовательской группой в Монреале, куда он был приглашен в качестве профессора, Резерфорд пришел к научным выводам, изменившим всю физическую картину мира. Прежде всего, ему удалось показать, что существуют три различных вида радиоактивного излучения, которые он назвал альфа-, бета- и гамма-излучением. Сначала была установлена природа бета-лучей: оказалось, что они состоят из тех же отрицательно заряженных элементарных частичек (электронов), что и катодные лучи. Скорость их очень велика: она превышает 200 000 км/с, то есть приближается к скорости света.
Альфа-частицы, из которых состоят альфа-лучи, обладают значительно большей массой и выбрасываются из атома радия со скоростью 15 000--20 000 км/с. Несмотря на длину пробега всего в несколько сантиметров, одна-единственная альфа-частица ионизирует на своем пути до 100 000 молекул воздуха. Такую бомбардировку альфа-частицами трудно было себе представить; к тому же стало известно, что 1 мг радия выделяет в секунду свыше 36 миллионов альфа-частиц.
Окончательное разъяснение природы этих лучей заняло около десяти лет. Только тогда было установлено, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия, а гамма-лучи -- особым родом рентгеновского излучения.
Особенно плодотворной оказалась совместная работа Резерфорда с химиком Содди, который с мая 1900 года работал у него в Монреале в качестве ассистента. Фредерик Содди, как и Резерфорд, был увлеченным экспериментатором. В совместных работах "Причина и природа радиоактивности" (1902 год) и "Радиоактивные превращения" (1903 год) Резерфорд и Содди опубликовали теорию радиоактивного распада, явившуюся основополагающей для дальнейших исследований. Они определили радиоактивность как результат процесса, который полностью находится вне сферы действия всех известных сил и к тому же не может быть вызван, изменен или уничтожен. Согласно этой "теории дезинтеграции", атомы радиоактивных элементов неустойчивы и потому имеют лишь определенную, характеристическую продолжительность жизни. Позднее это выразилось в понятии "период полураспада". Он характеризует время, за которое распадается половина атомов радиоактивного вещества. При этом радиоактивные элементы распадаются на ряд других веществ, химически уже не похожих на исходное вещество. Резерфорд и Содди установили, что радиоактивный распад не зависит от внешних условий. Радиоактивность остается даже после экстремальных температур и химических реакций. "Все эти соображения приводят к заключению,-- писали исследователи,-- что энергия, скрытая в атоме, должна быть очень мощной по сравнению с энергией, выделяющейся при обычных химических превращениях". В качестве примера они приводили солнечную энергию, происхождение которой было бы разгадано, если предположить, что причиной являются процессы внутриатомных превращений. Для тогдашнего уровня знаний то были поразительные высказывания.
Удивительное вещество -- радий
Опубликование теории радиоактивного распада было сенсацией. Она встретила как воодушевленное одобрение, так и резкое отрицание. В газетах можно было прочесть фантастические вещи о радии и радиоактивности. Больше всего ломали голову над неисчерпаемой, по-видимому, энергией радиоактивных элементов. Исходящее от них постоянное излучение без подвода энергии извне, их свечение в темноте, повышенная температура растворов солей радия -- все это казалось необъяснимым чудом.
При толковании радиоактивности необходимо было привыкнуть к совершенно новым величинам. Было обнаружено, что в 1 г урана в секунду радиоактивно распадаются 10 000 атомов, а в 1 г радия -- свыше 30 миллиардов атомов. Однако эти значения невелики по сравнению с общим числом имеющихся атомов. 1 г радия содержит несколько тысяч триллионов, точнее 2,66 * 10[21] атомов. Таким образом, доля атомов, распадающихся в секунду, очень мала, так что потребовалось бы много тысячелетий, чтобы радий полностью распался.
Вскоре многих исследователей атома, прежде всего Резерфорда и Содди, стала одолевать мысль, нельзя ли как-нибудь использовать фантастическую энергию радия. В 1904 году Содди в книге "Радиоактивность" указал, какой "путь" должен привести к использованию этого вечно неиссякаемого источника энергии: известно, что радиоактивные элементы, такие, как радий и уран, по прошествии тысяч, даже миллионов, лет распадаются с выделением энергии своего излучения; отсюда Содди делает проницательный вывод: эта энергия смогла бы в будущем служить людям, если ускорить время превращения элементов: тогда эти огромные количества энергии, сейчас выделяющиеся за тысячелетия, можно было бы использовать сразу, непосредственно.
Аналогичные рассуждения выдвинул и берлинский профессор Марквальд, когда на заседании Немецкого химического общества 2 мая 1908 года сделал сообщение о чуде радиоактивности. "Мы не знаем средства для ускорения радиоактивного распада,-- заметил он. - Если бы мы таким средством располагали, то с его помощью, вероятно, смогли бы превращать и другие простые вещества. При этом следовало бы ожидать образования элементов с более низкой атомной массой и одновременного выделения колоссальных количеств энергии. Если бы такое превращение смогло произойти внезапно, то оно сопровождалось бы страшнейшими взрывами: если бы, напротив, оно стало управляемым, то хватило бы 1 кг урановой смолки, чтобы большой пароход смог пересечь Атлантический океан".
Такое предвидение кажется сегодня поразительным. Однако высказывалось достаточно опасений, что освободившаяся атомная энергия сможет служить не только источником вечного благоденствия. В лекции о радии в декабре 1903 г. перед Американской ассоциацией научного прогресса Резерфорд, между прочим, развил следующую мысль: вполне возможно, что волна атомного распада распространится с таким взрывом, что наша старенькая Земля превратится в золу... Какой-нибудь простофиля в лаборатории сможет нечаянно заставить весь мир взлететь на воздух.
