Глава четвертая. Разгадка радиоактивности

Мы знаем теперь, что все вещи состоят из атомов и что атом не является чем-то абсолютно неделимым; наоборот, атом - это какая-то сложная система, от которой могут отделяться крохотные части - отрицательно заряженные электроны. Таков, в общих чертах, был тот запас знаний, которым обладали физики на рубеже XIX и XX столетий. И, опираясь на этот, в сущности очень скудный, запас знаний о веществе, физики должны были разгадать головоломную загадку, которая отпугнула бы от себя самого самонадеянного сыщика на свете,- загадку радиоактивности.

Мы возвращаемся к нашей детективной истории.

Самое поразительное, самое чудесное в радии - это его неутомимость. Днем и ночью, зимой и летом, без устали, без передышки радий посылает в пространство свои невидимые лучи. Каждый час грамм радия испускает столько тепла, сколько нужно, чтобы растопить примерно полтора грамма льда. Много ли это? Это не очень много: грамм угля, сгорая, испускает тепла почти в пятьдесят раз больше, но зато он ведь сгорает и перестает быть углем, а грамм радия, испуская тепло в течение часа, в течение суток, в течение года, остается совершенно таким же, каким был раньше,- его способность испускать лучи Беккереля и вместе с ними энергию остается прежней, и он, как и раньше, готов безостановочно испускать энергию в течение новых и новых лет. Вот это-то и есть самое неслыханное, самое беспримерное из всего, что физикам когда-либо приходилось слышать и видеть. Когда топится печка, в ней сгорают дрова, и, если не подбрасывать дров, печка погаснет. Когда идут часы, в них все время раскручивается пружина или опускается гиря, и, если их не заводить, они остановятся. Во всей природе только радий оказывается каким-то странным исключением: ничего в нем не тратится, ничего не сгорает, никогда он не стареет, он вечно молод. Он похож на волшебный кошелек в старой сказке: сколько раз ни вынимать из такого кошелька золотую монету, в нем всегда остается еще одна.

Другой не менее странный факт, относящийся к радию,- это его полная независимость от внешних влияний, полное равнодушие к ним. С тех пор как радий впервые был получен в лаборатории, физики неоднократно пробовали повлиять на его радиоактивность, применяя самые разнообразные способы, но ни сильный жар, ни сильный холод, ни самые высокие давления, какие только можно осуществить средствами современной техники,- ничего не оказывало влияния на радиоактивность: лучи, испускаемые радием, не становились ни сильнее, ни слабее. Для того чтобы охарактеризовать то огромное впечатление, которое произвели на физиков оба эти свойства радия - его неутомимость и его равнодушие ко всем внешним воздействиям,- достаточно процитировать слова, сказанные одним из первых исследователей радиоактивности (Содди): «В крошечном кусочке радия нет ничего, что напоминало бы громадные масштабы н размеры Вселенной, а между тем он выделяет энергию в такой пропорции, в какой ее не выделяет ни Солнце, ни одна из звезд. Предположим, например, что наше Солнце вместо тех веществ, из которых оно состоит теперь и которые, как нам известно из спектрального анализа, входят и в состав Земли, состояло бы из чистого радия. Если допустить, что каждая частица такого Солнца выделяет энергию в той же пропорции, что и равная ей по массе частица радия, то нетрудно будет учесть количество выделяемой им энергии. Короче говоря, количество света и теплоты, выделяемых таким Солнцем, было бы в миллион раз больше, чем теперь»[ 13 ].

Еще и по другой причине наша мысль почти бессознательно обращается от радия к высшим явлениям Вселенной: ведь только в отношении этих явлений мы окалываемся в положении зрителей, бессильных влиять на них и управлять ими. Все могущественные ресурсы современной лаборатории - крайние пределы тепла и холода, а также давления, сильные химические реактивы, действие сильных взрывчатых веществ, наиболее сильные электрические поля - не влияют на радиоактивность радия и на количество выделяемой им энергии ни в малейшей степени. Радий черпает свои запасы энергии из неизвестного до сих пор источника и подчиняется неоткрытым пока законам. Есть что-то сверхъестественное в его отделенности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто принадлежит другим мирам, за пределами нашего, питается тем же неугасимым огнем и движется тем же не поддающимся контролю механизмом, который поддерживает свет великих солнц в мировом пространстве в течение безграничных периодов времени.

Непрерывное излучение крупинки радиоактивного вещества, которую мы держим в руке, напоминает многие из странных тайн, давно позабытых.

В лабораториях всего мира физики жадно набросились на иpучение радиоактивности. Можно. смело сказать, что в это время (в 1900 году или около того) не было ни одного физика на свете, который бы не ломал голову над этой трудной загадкой: что же такое, в конце концов, эта радиоактивность? Каков ее внутренний механизм, внутренний смысл? Отчего она происходит? И каждый физик, по мере сил, пробовал догадаться о том, каково решение этой загадки. Одни говорили: если радий все время испускает свои лучи и они не становятся от этого слабее, то, значит, он эти лучи, это тепло, эту энергию все время откуда-то снова получает. Например, возможно, что во всем пространстве распространяются какие-то лучи, которые свободно проходят через все тела и даже через всю толщу земного шара. Не только мы не видим этих лучей, но их даже не замечает фотографическая пластинка, и только радий имеет особенную способность поглощать эти лучи и затем их испускать вновь, но уже в измененном виде -в виде лучей Беккереля. Выходит, что если сравнить радий с часами, то эти часы на самом деле все время «заводятся», заводятся таинственными лучами, которые поглощаются радием и затем перерабатываются им в лучи Беккереля.

Другие говорили: никаких таких лучей, которыми «заводится» радий, не существует. В радии все время что-то тратится, но только очень медленно, и потому мы этого никак не замечаем. Если бы взять грамм радия и очень долго ждать, десятки лет (а если понадобится, то и сотни), то в конце концов можно будет заметить, что лучи радия стали слабее, чем раньше.

Рис. 9. Трубка, наполненная виллемитом, для опытов с эманацией радия.

Все это были довольно-таки праздные разговоры, потому что вначале ни та, ни другая сторона ничем не могла доказать свою правоту. Поэтому оставалось только одно: наблюдать и делать опыты, пока наконец загадка радия не будет разгадана.

В 1900 году многие физики, работая в своих лабораториях, сделали удивительное открытие: они обнаружили, что воздух вокруг вещества, в котором есть хотя немножко радия, тоже становится радиоактивным. Впервые это заметили Пьер и Мария Кюри, но не они разгадали настоящий смысл этого открытия. Это сделали два молодых англичанина, которые в то время жили в Канаде, в городе Монреале. Имена этих молодых физиков - Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди.

Они сделали такой опыт: взяли стеклянную трубочку и положили туда несколько кусочков виллемита. Виллемит - это ничем не примечательный с виду камешек, зеленовато-серый, похожий на те гладкие камешки, которые обыкновенно валяются на берегу моря. Но у виллемита есть замечательное свойство: если его освещать лучами радия, то он начинает светиться холодным ярким зеленым, светом. Резерфорд и Содди впустили в свою трубочку с виллемитом воздух, который довольно долгое время находился в соседстве с веществом, содержащим немножко радия. После этого трубочку закрыли с обеих сторон (для этого в ней были с двух сторон устроены краны) и отнесли в темную комнату.

Рис.10. Трубка, изображенная на рис. 9, сфотографирована в темной комнате благодаря флюоресценции виллемита.

И вот, хотя радия поблизости не было, виллемит стал так ярко светиться, что при этом свете можно было даже посмотреть на часы и прочитать заголовок газеты. Выходит, что воздух в трубочке с виллемитом заставляет виллемит светиться точь-в-точь так же, как он светился под лучами радия. Как только краны открыли и выдули из трубок этот воздух, виллемит светиться перестал.

Как же объяснить, что воздух, побывавший в соседстве с радием, сам становится радиоактивным? Резерфорду пришла в голову очень простая и очень смелая мысль: он предположил, что из радия все время выходит какой-то газ, но не простой газ, а радиоактивный, испускающий лучи Беккереля. Газ этот, попадая в воздух, смешивается с ним. Значит, лучи Беккереля испускает не сам воздух, побывавший в соседстве с радием, а новый газ, попавший в воздух из радия.

Этому новому газу Резерфорд дал название «эманация радия» (это название значит «то, что выходит из радия»).

Эманация радия в этих опытах Резерфорда и Содди поступала в воздух в самых крохотных количествах, но все же ее можно было заметить по яркому свечению виллемита. Содди сделал такой опыт: он сфотографировал стеклянную трубку с эманацией и с виллемитом в темной комнате: виллемит сам испускает тот свет, который позволил его фотографировать. Эта фотография помещена на с. 107. Но в книжке, которую написал Содди, говорится, что фотография не дает никакого представления о красоте виллемита, светящегося в эманации радия.

Рис. 11. Прибор Резерфорда и Содди для демонстрации сжижения эманации радия.

В своих воспоминаниях Содди говорит, что это одна из самых красивых вещей на свете и что, смотря на свечение виллемита и размышляя о его причинах, он ощущал такие чувства, которые может по-настоящему передать только поэт.

Долгое время физики не хотели верить, что эманация радия есть действительно газ - такой же, как воздух или как углекислый газ, но только радиоактивный. Например, Пьер и Мария Кюри утверждали, что эманация совсем не простой газ, а что-то среднее между обыкновенным веществом и лучами света. Но Резерфорд и Содди проделали много опытов, чтобы доказать, что эманация есть газ.

Всякий газ можно превратить в жидкость, если только достаточно сильно его охладить. И вот Резерфорд и Содди достали такую холодильную машину, в которой воздух можно сделать жидким. Такая машина теперь имеется в каждой хорошей физической лаборатории: в ней можно осуществить мороз в 192° С ниже нуля. При таком холоде воздух делается жидким.

Резерфорд и Содди взяли несколько литров жидкого воздуха и сделали следующий опыт. У них был большой пустой стеклянный шар, покрытый изнутри очень легким налетом сернистого цинка. Если бы в этот шар попала эманация радия, то сернистый цинк стал бы светиться под действием лучей Беккереля. Резерфорд и Содди стали вдувать в этот шар тот воздух с примесью эманации, который у них был заперт в стеклянной трубке с виллемитом. Они вдували эту эманацию через длинную трубку, часть которой находилась в сосуде с жидким воздухом. Поэтому в этой части трубки температура была очень низка и эманация никак не могла проскочить через эту часть трубки: она замерзала в ней, превращаясь в жидкость, застревала там, не доходя до стеклянного шара. Всего этого Резерфорд и Содди не могли видеть, потому что не очень-то разберешь, что творится внутри стеклянного колена трубки, засунутого в сосуд с жидким воздухом; да если бы они и могли туда заглянуть, то все равно не смогли бы заметить этих микроскопических капелек жидкой эманации. Но им было совершенно ясно, что дело происходит именно так. Почему им это было ясно? Потому, что, когда стеклянное колено трубки лежало в жидком воздухе, эманация не попадала в шар, и шар не светился. Но стоило только вынуть колено из жидкого воздуха, как эманация, нагревшись, через несколько минут снова испарялась, и ее легко можно было продуть в шар. Достаточно было один раз нажать рукой на резиновую грушу для продувания эманации, чтобы эманация попала в шар, который сейчас же начинал светиться, как фонарь, мягким белым приятным светом. При свете этого фонаря Содди мог смотреть на часы.

Что вытекает из всех таких опытов? Из них вытекает, что радий беспрерывно выделяет из себя какое-то другое радиоактивное вещество - эманацию радия. Эманация получается в ничтожных количествах: нужно иметь очень много радия, чтобы собрать эманацию хотя бы с булавочную головку. Но так как эманация очень сильно радиоактивна, то самую крохотную примесь эманации к воздуху легко заметить по лучам Беккереля, которые она испускает.

И вот Резерфорд и Содди захотели узнать: так же ли эманация неутомима, как радий? Так же ли она продолжает день за днем, год за годом испускать лучи без всякого заметного ослабления?

Резерфорд и Содди напустили эманацию в трубочку с виллемитом, закрыли оба крана, чтобы она не ушла, и оставили трубочку в темной комнате. Каждый вечер они приходили туда смотреть, как светится виллемит. Оказалось, что свечение виллемита с каждым вечером становилось все слабее и слабее. Через четыре дня оно было вдвое слабее, чем раньше, к концу месяца оно почти совсем прекратилось.

Значит, эманация радия со временем теряет свои радиоактивные свойства.

Это очень важно. Важно потому, что если радиоактивное вещество - эманация радия - теряет свои радиоактивные свойства со временем, то, вероятно, то же самое можно сказать и обо всех других радиоактивных веществах. Трудно себе представить, чтобы радий был исключением даже среди радиоактивных веществ. А так как обыкновенное физическое наблюдение не позволяет обнаружить уменьшения радиоактивности радия и урана даже в течение нескольких лет, то остается предположить, что заметное уменьшение их радиоактивности происходит не в течение нескольких дней, как у эманации радия, а в течение огромных промежутков времени, во много раз превышающих самую длинную человеческую жизнь.

Таким образом, Резерфорд и Содди установили два факта: 1) из радия беспрерывно выделяется радиоактивный газ - эманация радия; 2) радиоактивные свойства эманации уменьшаются с течением времени, и это позволяет высказать гипотезу, что радиоактивные свойства всех других радиоактивных элементов тоже со временем убывают, хотя это убывание в некоторых случаях может происходить крайне медленно и поэтому почти незаметно.

Каким же образом происходит возникновение эманации и отчего могут уменьшаться радиоактивные свойства радиоактивных элементов?

Для того чтобы получить ответ на этот вопрос, физики обратились к изучению лучей Беккереля, испускаемых радиоактивными элементами.

Что представляют собой эти лучи, которые как будто бы ничем не отличаются от лучей Рентгена?

В 1899 году Пьер и Мария Кюри- попробовали пропустить пучок лучей Беккереля через пространство, в котором было магнитное поле. Это они сделали для того, чтобы узнать, являются ли лучи Беккереля чем-то вроде лучей Рентгена (электромагнитными колебаниями, такими же, как лучи видимого света, но только с гораздо меньшей длиной волны) или же они скорее напоминают катодные лучи, т. е. представляют собой поток очень быстро движущихся, заряженных электричеством частичек.

Результат опыта был совсем неожиданным: в магнитном поле лучи Беккереля расщеплялись на две части! Одна из них изогнулась в магнитном поле - совершенно таким же образом, как искривляются катодные лучи, и при этом в ту же сторону, только величина искривления была в несколько раз меньше. Что отсюда следует? Отсюда следует, что эта часть лучей Беккереля несет на себе, как и катодные лучи, отрицательный электрический заряд. Поэтому можно было исследовать эти лучи совершенно тем же самым способом, каким Томсон исследовал катодные лучи, т. е. можно было определить для них отношение e/m и их скорость, наблюдая отклонение лучей в магнитном и в электрическом полях. Эту работу проделал немецкий физик Кауфман. Он нашел, что отношение e/m у этих лучей Беккереля такое же, как у электронов катодных лучей. Значит, эта (отклонившаяся в магнитном поле) часть лучей Беккереля есть не что иное, как поток электронов, вырывающихся, по-видимому, из атомов радиоактивных веществ. Что касается скоростей этих электронов, то они, как нашел Кауфман, были очень разнообразны, но в среднем они были гораздо больше, чем у электронов катодных лучей. Поэтому и отклонение в магнитном поле было у них не такое большое, как у катодных лучей: действительно, чем быстрее движется заряженная частица, тем труднее магнитному полю сбить ее, отклонить ее от первоначального пути.

Наиболее быстрые из электронов, выбрасываемых радиоактивными веществами, оказались движущимися почти со скоростью света (300000 км/с).

Итак, часть лучей Беккереля - это просто поток очень быстрых электронов.

Но кроме этой части была еще и другая часть. Она не отклонялась в магнитном поле и распространялась без всякого изменения направления.

Таков был результат опытов Кюри.

Но в 1903 году Резерфорд доказал, что та часть лучей Беккереля, которую Пьер и Мария Кюри не сумели отклонить в магнитном поле, тоже сложна и состоит из разных частей.

Рис. 12. Лучи, испускаемые радиоактивными веществами.

Для этого Резерфорд взял очень сильное магнитное поле, гораздо более сильное, чем то, которое было в распоряжении Кюри. В этом сильном магнитном поле та часть лучей Беккереля, которая в опытах Кюри не хотела искривляться, расщепилась на две части: одна из них изогнулась в магнитном поле, но не в ту сторону, в которую изгибается поток электронов, а в противоположную. Значит, это был поток заряженных частиц, но не электронов, а частиц, заряженных положительным электричеством. Другая же часть лучей по-прежнему продолжала распространяться прямолинейно, не обращая никакого внимания на магнитное поле.

Из этих опытов следует, что лучи Беккереля, испускаемые радием и другими радиоактивными веществами, не однородны, а состоят из трех видов лучей (рис. 12). Всем этим трем видам лучей физики дали названия, а именно обозначали их тремя первыми буквами греческого алфавита: альфа, бета и гамма (альфа, бета и гамма - это названия букв: ведь и у нас когда-то русские буквы имели названия, например, а, б и в назывались аз, буки, веди).

Альфа-лучами стали называться лучи, состоящие из потока положительно заряженных частиц,- те самые лучи, которые Резерфорду удалось отклонить магнитным полем от их" первоначального направления (в 1903 году).

Бета-лучами стали называться лучи, состоящие из потока очень быстрых отрицательных электронов, которые были отклонены магнитным полем еще в опытах Кюри (в 1899 году).

Наконец, гамма-лучами стали называться лучи, которые упорно не хотели изменять своего направления даже и в очень сильном магнитном поле.

Какие существуют еще различия между этими тремя сортами лучей, смесь которых образует лучи Беккереля?

Альфа-лучи гораздо труднее изогнуть в магнитном поле, чем бета-лучи (именно поэтому в первоначальных опытах Кюри удалось загнуть бета-лучи в сторону в таком магнитном поле, которое было еще совершенно недостаточным для того, чтобы заставить альфа-лучи изменить свое направление). Гамма же лучи не изгибаются

ни в магнитном, пи в электрическом поле вовсе, точь-в-точь как лучи Рентгена.

Альфа-лучи легко задерживаются и поглощаются даже сравнительно очень топкими слоями вещества. Например, достаточно завернуть радий в обыкновенную писчую бумагу или закрыть его листком слюды или алюминия толщиной в 0,05 мм, чтобы альфа-лучи почти полностью поглотились. А бета- и гамма-лучи проходят через такие листки совершенно свободно. Вообще можно считать, что проникающая способность бета-лучей примерно в 100 раз больше проникающей способности альфа-лучей, а проникающая способность гамма-лучей в десять или в сто раз превосходит проникающую способность бета-лучей. Слой в 5 мм алюминия или в 1 мм свинца достаточен, чтобы задержать большую часть бета-лучей, а гамма-лучи проходят через этот слой еще довольно свободно.

Из-за того, что альфа-лучи так легко поглощаются, возникает вот какое любопытное обстоятельство: если взять какой-нибудь препарат радия и придать ему форму шарика, то он будет испускать сравнительно немного альфа-лучей, потому что большая часть альфа-лучей, испускаемая внутренними слоями этого шарика, успеет поглотиться внутри шарика еще раньше, чем доберется до его поверхности. Поэтому наружу выйдет лишь очень малая доля всех испускаемых альфа-лучей. Но если взять тот же самый препарат и размазать его в виде очень тоненького слоя по какой-нибудь тарелочке или пластинке, то альфа-лучей будет очень много и их действие будет гораздо сильнее, чем действие бета- и гамма-лучей того же самого препарата. С помощью такого препарата можно обнаружить удивительные действия альфа-лучей.

Так, например, легко показать на опыте, что альфа-лучи гораздо сильнее ионизуют воздух, чем бета- и гамма-лучи. Содди доказал это следующим опытом. Он размазал 1 мг бромистого радия по поверхности платиновой тарелочки (около шести квадратных сантиметров). Затем он взял наэлектризованную шелковую кисточку. Эта кисточка служила как бы электрометром: когда клеточка наэлектризована, все ее нити отталкиваются друг от друга и расходятся в виде конуса, а как только кисточка разрядится, нити снова спадут и будут свисать вертикально. Когда Содди поднес свою наэлектризованную кисточку к размазанному но тарелочке бромистому радию, покрытому сверху листком почтовой бумаги, кисточка оставалась наэлектризованной и ее нити не хотели спадать. Но как только Содди передвинул листок бумаги и приоткрыл небольшую часть поверхности, смазанной бромистым радием, кисточка немедленно разрядилась и ее шелковые нити сейчас же повисли. Значит, бета- и гамма-лучи, испускаемые одним миллиграммом бромистого радия и проходящие сквозь листок бумаги, не действуют на заряженную кисточку, а альфа-лучи действуют очень сильно. Когда Содди поднес такую же заряженную шелковую кисточку к 30 мг бромистого радия, закрытого листком слюды для поглощения альфа-лучей, то кисточка сложилась, но все же не так быстро, как от действия альфа-лучей, испускаемых лишь одним миллиграммом бромистого радия. Выходит, что альфа-лучи одного миллиграмма бромистого радия ионизуют сильнее, чем бета- и гамма-лучи, и поглощаются так сильно, что их энергия очень быстро расходуется на ионизацию тех веществ, через которые они проходят.

Поглощение альфа-лучей в воздухе и в других веществах тщательно изучил У. Г. Брэгг (тот самый, который впоследствии вместе со своим сыном У. Л. Брэггом построил спектроскоп для рентгеновских лучей). Брэгг нашел, что альфа-лучи каждого радиоактивного вещества проходят в каждой данной среде путь совершенно определенной длины, после чего сразу останавливаются. Поэтому нужно говорить о совершенно определенной «длине пробега» данных альфа-лучей в данном веществе. Это понятно: положительная частица альфа-лучей, проходя, например, через воздух, все время ионизует молекулы воздуха, отрывая от них электроны. На ионизацию каждой молекулы она затрачивает определенное количество энергии. Поэтому после каждой ионизации энергия частицы уменьшается на какую-то величину. Наконец, когда весь ее запас энергии будет таким образом исчерпан, она остановится.

В одном из своих опытов Брэгт взял стеклянный шар радиусом 7,5 см и расположил в его центре пластинку с размазанным на ней препаратом радия. Стенки шара были изнутри вымазаны сернистым цинком - это вещество, которое обладает способностью флюоресцировать белым светом, когда на него падают альфа-лучи. Но самые быстрые альфа-лучи, испускаемые препаратом, проходят в воздухе при обыкновенном давлении только 7,1 см. Поэтому они останавливаются, не дойдя от центра шара до вымазанных сернистым цинком стенок, и никакого свечения нет. Но стоит только начать выкачивать из шара воздух - при первом же ходе поршня насоса стенки шара начинают светиться. Это значит, что, становясь более разреженным, воздух начинает лучше пропускать альфа-лучи, и их длина пробега, таким образом, увеличивается и достигает величины 7,5 см. Поэтому они успевают добежать до сернистого цинка и заставить его светиться. При дальнейшем откачивании воздуха свечение сернистого цинка становится все ярче и ярче; это показывает, что альфа-лучи, которые успевают добежать до сернистого цинка, растрачивают на ионизацию воздуха все меньшую и меньшую часть своей энергии.

Что же такое представляют собой эти положительно заряженные частицы, из которых состоят альфа-лучи? Ответ на этот вопрос дал Резерфорд. Он начал с того, что нашел отношение e/m для этих частиц совершенно таким же образом, как это было сделано для электронов катодных лучей и бета-лучей, т. е. измеряя отклонение лучей электрическим и магнитным полями. Результат получился следующий: для альфа-лучей e/m = 1,444*10¹⁴ абс. ед.

Однако из предыдущей главы мы знаем, что для водородного иона, заряженного одним положительным элементарным зарядом, можно написать: e/M = 2,895*10¹⁴ абс. ед.

Мы видим, что у альфа-частицы (так мы будем называть положительно заряженные частицы, поток которых выбрасывается радием в виде альфа-лучей) отношение заряда к массе вдвое меньше, чем у водородного иона[ 14 ]. Так как заряд электрона или, что то же самое, равный ему по величине (хотя и обратный по знаку) заряд водородного иона в электролите есть «атом электрического флюида» и не может делиться на части, то заряд альфа частицы может быть или такой же самый, как у водо-1 родного иона (и тогда ее масса должна быть в два раза больше), или он может равняться удвоенному заряду во-1 дородного иона (тогда масса альфа-частицы должна быт! уже не в два, а в четыре раза больше массы водородного иона), или он равняется утроенному заряду водородного иона (тогда масса будет в шесть раз больше массы водородного иона) и т. д. Так как масса водородного! иона практически не отличается от массы водородного] атома, то получаются следующие возможности: или альфа-частица в два раза тяжелее водородного атома и несет на себе один положительный элементарный заряда или альфа-частица в четыре раза тяжелее водородного! атома (т. е. имеет массу атома гелия) и несет на себе! два положительных элементарных заряда; и т. д.

Какая бы из этих возможностей ни была верна, все! равно альфа-частица должна быть сравнительно тяжелой] частицей, т. е. иметь массу, близкую уже не к массе электрона, а к массе атомов. Масса альфа-частицы должна превосходить массу электрона по крайней мере в несколько тысяч раз, и, хотя скорость альфа-частиц, по измерениям Резерфорда, гораздо меньше, чем скорость электронов бета-лучей (по крайней мере в несколько раз), все равно альфа-частица должна обладать гораздо большей энергией движения, чем менее тяжелый электрон, вылетающий из тех же радиоактивных веществ. Альфа-лучи могут быть названы снарядами тяжелой артиллерии радиоактивных веществ; бета-лучи по сравнению с ними - это беглый огонь пулемета.

Поэтому к двум фактам, открытым Резерфордом и Содди и указанным на с.110, необходимо прибавить еще и третий необычайной важности факт.

Атомы радия и других радиоактивных веществ испускают весьма быстрые электроны, а также и альфа-частицы, по крайней мере в два раза (а может быть, и больше) превосходящие по массе атом водорода.

Когда Резерфорд и Содди собрали и сопоставили эти три факта, то они, как настоящие герои детективной истории, решили, что теперь уже пора выставить гипотезу, которая дала бы объяснение загадочных явлений радиоактивности. Гипотеза, которую они придумали и опубликовали (в 1903 году), заключается в следующем.

Атомы радиоактивных веществ взрываются, распадаются на части. Лучи Беккереля, которые испускаются радиоактивными веществами,- это осколки, отлетающие от атома при таком взрыве. Неверно, что все атомы бессмертны, что они живут вечно, не изменяются, не стареют, не разрушаются. Все это предрассудок, как и то, что атомы не могут быть разделены на части. Предрассудок о неделимости атома был уничтожен благодаря открытию электрона, которое показало, что атом - сложная система, состоящая из более мелких частиц. Таким же образом исследование радиоактивности должно уничтожить предрассудок о бессмертии атомов. Атом радиоактивного вещества живет некоторое время, а затем умирает, взрываясь на части и разбрызгивая во все стороны свои осколки. Но не у всех радиоактивных атомов одинаковая «смертность»: атомы эманации радия вымирают очень быстро, так что через несколько дней от первоначального количества эманации радия остается только небольшая часть, а атомы самого радия или урана вымирают гораздо медленнее, так что даже через несколько лет практически мы не можем еще заметить никакого уменьшения их количества. Но все же и они умирают и дают об этом знать своими лучами Беккереля. Эманация радия, постепенно возникающая из радия, состоит из атомов эманации радия. Так как в лучах Беккереля, испускаемых радием, никаких тяжелых частиц, кроме альфа-частиц, не обнаружено, то самое естественное предположение, которое можно сделать, заключается в том, что атом радия распадается на атом эманации радия и альфа-частицу, что можно записать так:

атом радия ? атом эманации + альфа-частица.

При таком распаде летят еще и мелкие брызги в виде электронов и гамма-лучей (что касается гамма-лучей, то они ничем не отличаются от очень жестких, т. е. очень пропинающих, лучей Рентгена). Выходит, что после смерти атома радия образовался атом другого вещества - эманации радия - и альфа-частица, которая, вероятно, тоже является атомом какого-то вещества. В радиоактивных явлениях мы имеем дело с превращением одних химических элементов в другие, с рождением и смертью атомов, т. е. как раз со всем тем, что считал невозможным Дальтон и все химики XIX столетия, но к чему стремились средневековые «делатели золота». Правда, средневековые алхимики стремились превращать одни химические элементы в другие по собственному желанию.

стремились управлять этим превращением, а радий, как мы видели, остается совершенно равнодушным ко всем попыткам физиков как-то повлиять па интенсивность испускаемых им лучей Беккереля и замедлить или ускорить его распад. Но, как знать, может быть, когда-нибудь и удастся добыть тот «тонкий и сильный агент», о котором мечтал Роберт Бойль, и научиться управлять с его помощью радиоактивными явлениями, замедляя и ускоряя их по произволу, вызывая распад атомов там, где он не хочет происходить сам собою, и прекращая его там, где он происходит.

Но не для того нам пригодится этот «тонкий и сильный агент», чтобы добывать золото,- этот хотя и полезный, но все же не очень важный химический элемент. Есть вещи поважнее золота, и их мы найдем в недрах атомов. Радий - это склад энергии. Его запас энергии не безграничен, потому что, с точки зрения гипотезы Резерфорда и Содди, в радии, как и в горящем топливе, что-то тратится, и это что-то есть он сам: атомы радия уничтожаются, превращаясь в другие атомы. Но все-таки этот запас энергии очень велик (когда Резерфорд и Содди впервые выставили свою гипотезу, его нельзя было даже приблизительно учесть). Грамм радия - это резервуар энергии, резервуар, из которого она вытекает медленно и неохотно. Удастся ли когда-нибудь открыть кран пошире - так, чтобы она вытекала быстрей? А может быть, и другие атомы тоже радиоактивны, по только отдают свои лучи так медленно и так мало, что мы не в состоянии этого заметить? И есть ли какие-нибудь способы заставить эти атомы распадаться на части быстрее, чем они распадаются сами? Какими могущественными стали бы люди, если бы им удалось взнуздать и подчинить себе эти таинственные силы, клокочущие в недрах атомов! «Люди, которые могли бы это сделать,- писал Содди,- не особенно нуждались бы в том, чтобы в поте лица своего добывать хлеб свой. Они могли бы переделать пустыни, растопить обледенелые полюсы, сделать весь мир веселым райским садом». И какими жалкими показались бы им те запасы энергии - сила воды и ветра, химическая энергия безумно растрачиваемых нами угля и нефти,- которыми располагает современное человечество. Подчинив себе радиоактивность, люди совершили бы такой же огромный скачок вперед, какой они совершили когда-то, когда первобытный человек, подчинив себе огонь, сделался повелителем и господином остальных животных.

Такова была гипотеза Резерфорда и Содди. Такова была предложенная ими разгадка радиоактивности. Она открывала перед физикой широчайшие перспективы. Она в корне меняла все физические представления, относящиеся к атомам и к их судьбе. Она была смела, необычна. Но была ли она правильна?

Предстояло проделать огромную работу, проверить во всех деталях эту «гипотезу превращения элементов», как называли ее Резерфорд и Содди, объяснить все темные, неясные пункты. И прежде всего, конечно, нужно было проверить, действительно ли атом радия превращается в атом эманации радия и в альфа-частицу.

Для этого следовало собрать как можно больше дополнительных сведений. В частности, нужно было, наконец, узнать, что же такое эта альфа-частица? Имеет ли она элементарный заряд и массу, равную удвоенной массе атома водорода, или же два элементарных заряда и массу, равную учетверенной массе атома водорода, или же три элементарных заряда и массу, равную ушестеренной массе атома водорода, и т. д.?

Резерфорд и Содди рассуждали так: альфа-частица должна быть каким-то атомом, обыкновенным атомом какого-то химического элемента, хотя и положительно заряженным, т. е. потерявшим один, или два, или три и т. д. электрона. Но такого химического элемента, у которого атом имел бы вдвое большую массу, чем атом водорода, по-видимому, не существует. Поэтому первую из перечисленных возможностей приходится отбросить. Но существует атом, который по массе в четыре раза больше атома водорода,- это атом газа гелия, открытого в 1896 году сэром Уильямом Рамзаем. Поэтому весьма вероятно, что альфа-частица - это и есть атом гелия, заряженный двумя положительными элементарными зарядами, т. е. потерявший два электрона. Конечно, такое рассуждение нельзя считать очень убедительным потому, что легко могло бы оказаться, например, и что альфа-частица есть атом кислорода, потерявший восемь электронов (это тоже дало бы правильное значение для отношения e/m, так как знаменатель был бы в 16 раз большем, чем у водородного иона, а числитель - в 8 раз).

Но Резерфорд и Содди считали наиболее вероятным, что альфа-частица есть атом гелия, от которого отколото два электрона. Они основывались на одном факте, который был хорошо известен химикам и геологам, хотя никто до Резерфорда и Содди не мог понять его причины, а именно па том, что гелий встречается в ген минералах, в которых присутствуют радиоактивные вещества торий или уран. Так, например, цейлонский минерал торианит, названный так потому, что он включает значительное количество тория, содержит в себе также и гелий, который можно извлечь из торианита, если его хорошенько накалить на огне. Химики и геологи хорошо знали, что там, где есть уран или торий, там неизменно оказывается и гелий, но причины этого явления они не понимали. Ясно было только то, что эта причина не могла быть чисто химической: гелий не вступает ни в какие химические соединения с другими веществами, а потому нет никаких разумных оснований думать, что гелий приходит извне в минералы, содержащие уран или торий, и остается там.

С точки зрения Резерфорда и Содди, причина должна быть как раз обратная: гелий возникает внутри минералов, содержащих уран или торий, и возникает потому, что он является одним из продуктов радиоактивного распада: альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, постепенно накапливаются внутри минералов, в которых вкраплены радиоактивные вещества, и тот гелий, который химики находят в этих минералах, как раз и состоит из таких альфа-частиц. Гелий этот состоит из обломков давно распавшихся более тяжелых атомов: он представляет последнее звено в той медленной эволюции вещества, которая происходит в земной коре.

Вероятно, не только гелий, находимый в минералах, но и тот гелий, который в огромных количествах поднимается из трещин земной коры в некоторых местах Соединенных Штатов и уже в течение многих лет (со времени первой мировой войны) больше не рассеивается в атмосфере, а используется для наполнения дирижаблей,- даже и этот гелий, вероятно, тоже образовался в результате каких-то радиоактивных процессов в глубоких недрах земного шара.

Эволюция вещества, связанная с радиоактивностью, должна совершаться очень медленно и постепенно: радий, который всегда находят в урановых рудах, безусловно является одним из потомков урана; далее атомы радия, испуская альфа-частицы, превращаются в атомы

эманации; эта последняя испытывает какие-то дальнейшие превращения, так как ведь и она испускает альфа-частицы, и т. д., и т. д. Как далеко идет это превращение, когда оно прекращается и какие окончательные продукты, кроме гелия, получаются в результате всего этого последовательного ступенчатого распада - на эти вопросы Резерфорд и Содди тогда (в 1903 году) еще не могли дать окончательного ответа.

Рис. 13. Спектроскопическая трубочка, в которой Содди и Рамзай обнаружили появление гелия из эманации радия.

Содди переселился из Монреаля в Англию и стал работать вместе с Рамзаем. Они взяли некоторое количество воздуха, к которому была примешана эманация радия, и поместили его в спектроскопическую трубочку. Это - длинная стеклянная трубочка; у концов она шире, а в середине она совсем узка. С того и с другого конца в нее впаяны платиновые проволочки: через эти проволочки можно пропускать электрический ток по газу, запертому в трубочке. Когда через такую спектроскопическую трубочку пропускают ток, то в узком ее месте газ начинает ярко светиться и с помощью спектроскопа можно рассмотреть его спектр.

Рамзай и Содди запаяли трубочку, а затем несколько" дней подряд ходили смотреть на спектр эманации. И вот оказалось, что с каждым днем спектральные линии эманации становятся все слабее и слабее. А вместо них загораются другие линии, которых раньше не было,- спектральные линии гелия. С волнением рассматривал Рамзай этот хорошо ему известный спектр. Чем слабее становился спектр эманации радия, тем ярче и ярче разгорался спектр гелия. Гелий рождался на глазах у Рамзая и Содди.

Впоследствии (в 1909 году) Резерфорд сделал (вместе с одним из своих помощников - Ройдсом) другой опыт, еще более убедительно доказавший, что альфа-частица - это атом гелия. Резерфорд и Ройдс заперли эманацию радия в стеклянную трубочку с такими тонкими стенками, что испускаемые эманацией альфа-частицы совершенно свободно проходили сквозь эти стенки. Эту тонкостенную трубку они поместили в стеклянный сосуд, который был вверху соединен со спектроскопической трубочкой. Из сосуда был откачан воздух. После этого они подождали два дня, в течение которых некоторое количество альфа-частиц успело выскочить из тонкостенной трубочки и скопиться в сосуде. Тогда они, наполнив сосуд ртутью, заставили все, что там было, подняться наверх в спектроскопическую трубочку и сжаться там. Через трубочку был пропущен ток, и в поле зрения спектроскопа явственно загоралась желтая спектральная линия гелия. А через шесть дней можно было видеть и другие, менее яркие линии гелиевого спектра. Значит, альфа-частицы, прошедшие через тонкие стенки трубочки, в которой была заперта эманация, и собранные затем в спектроскопической трубочке, действительно оказались самым обыкновенным гелием. Поэтому гипотетическую формулу распада радия следует писать в следующем виде:

атом радия ? атом эманации + атом гелия.

Еще одна, последняя, окончательная проверка была необходима: нужно было проверить, действительно ли масса атома эманации радия, сложенная с массой атома гелия, даст массу атома радия. Атомная масса радия была известна: ее с большой точностью определил химик Хенигшмидт, и она оказалась равной 225,97. Атомная масса гелия равна 4,00. Поэтому, если только гипотеза Резерфорда и Содди правильна, то атомная масса эманации радия должна быть приблизительно равна 222.

Предстоял решающий эксперимент. Атомная масса эманации радия была неизвестна, но теория утверждала, что она должна равняться 222. Если опыт подтвердит это предсказание, то взгляды Резерфорда и Содди приобретут необыкновенную убедительность и силу. Если предсказание окажется неверным, то их теорию нужно будет отбросить и искать какую-то совершенно другую.

За производство эксперимента взялся сэр Уильям Рамзай. Необыкновенная трудность стоявшей перед ним задачи, неслыханная в истории химии, заключалась в том, что количество эманации, бывшее в его распоряжении, было совершенно ничтожным - не больше булавочной головки. Даже и это крохотное количество эманации должно было считаться очень большим: в громадном большинстве радиоактивных опытов физики имеют в своем распоряжении еще более ничтожные количества этого газа, который, вероятно, поэтому никогда и не был бы открыт, если бы не лучи Беккереля, которые он испускает и которые позволяют заметить его присутствие.

Но Рамзай должен был проделать со своей булавочной головкой эманации все, что химики делали с другими газами, атомную массу которых они хотели найти. Прежде всего нужно было определить химические свойства эманации радия. Это была сравнительно легкая часть задачи; даже если бы у Рамзая было эманации еще меньше,- так мало, .что ее можно было бы обнаружить лишь по действию испускаемых ею лучей Беккереля,- он все равно сумел бы определить ее химическую природу, пробуя соединить ее с различными веществами: то вещество, к которому перешла бы радиоактивность эманации, тем самым обнаружило бы свою способность вступать с эманацией в химическое соединение. Но из опытов Рамзая вытекало, что эманация радия ускользает от любого химического поглотителя и что, следовательно, она не соединяется ни с чем. Иными словами, эманация радия принадлежит к группе «благородных газов», к которой относятся, кроме нее, гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. [Заметим, что, с тех пор как этот факт был установлен, эманация радия получила новое название - радон - для того, очевидно, чтобы рифмовать с неоном, аргоном, криптоном и ксеноном. В нашей таблице химических элементов (см. с. 49) эманация радия тоже фигурирует под этим именем, и отныне мы ее будем называть именно так].

Из того, что радон принадлежит к группе благородных газов, отказывающихся соединяться и между собою, и с какими угодно другими веществами, следует, что на него можно распространить все те законы, которые оказались справедливыми для остальных благородных гаэов. В частности, можно утверждать (все это было хорошо проверено на остальных благородных газах), что молекула радона состоит только из одного атома радона и что его атомная масса может быть вычислена из его плотности (атомные массы всех благородных газов пропорциональны их плотности). Поэтому перед Рамзаем встала задача - взвесить крохотное, почти незаметное количество радона, бывшее в его распоряжении, чтобы определить его плотность, а значит, и атомную массу.

Эту трудную задачу Рамзай и его помощник Уайтлоу-Грей разрешили следующим образом. Они построили специальные «микровесы», чувствительность которых превосходила все, что когда-либо было известно в истории измерительного искусства. Крохотное количество эманации радия было введено в пустой и очень легкий кварцевый шарик, который был подвешен к одному концу легчайшего кварцевого же коромысла весов. К другому концу был подвешен кварцевый противовес, приблизительно уравновешивавший кварцевый шарик с радоном. Для того чтобы точно уравновесить весы, Рамзай и Уайтлоу-Грей пользовались не добавочными разновесками или чем-нибудь в этом роде; а поставили микровесы под стеклянный колпак и стали менять с помощью насоса давление воздуха под этим колпаком. По закону Архимеда всякое тело, погруженное в газ, теряет в своем весе столько, сколько весит газ, занимающий такой же объем. А так как кварцевый шарик с радоном имел больший объем, чем кварцевый противовес, то он больше терял в весе, чем противовес, и это становилось тем ощутимее, чем плотнее был газ под колпаком. Поэтому Рамзай и его помощник могли управлять своими весами, не прибегая к помощи разновесок: хотят они, чтобы противовес опустился, а шарик с радоном поднялся,- для этого нужно только еще подкачать насосом под колпак воздух; а чтобы шарик с радоном опустился, а противовес пошел вверх, следует насосом немножко откачать воздух из-под колпака. С помощью этих остроумных «весов без разновесок» Рамзай и Уайтлоу-Грей сумели довольно точно взвесить свой шарик с радоном, а значит, и вычислить атомную массу радона. Когда измерения и вычисления были закончены, то в результате получилось, что атомная масса радона почти точно равна 222, т. е. тому самому числу, которое предсказали Резерфорд и Содди.

Резерфорд и Содди торжествовали победу. Теперь уже никто не мог отрицать, что их разгадка радиоактивности правильна и что атом радпя действительно распадается на атом радона и атом гелия. Начиналась новая эпоха в истории физики и химии. Наряду с обыкновенными химическими реакциями, которые изображаются формулами, где справа и слева стоят те же самые атомы, но только в разных комбинациях, теперь физики и химики должны

были рассматривать и такую реакцию: Ra ?Rn + Не.

В какой ужас пришел бы старый Берцелиус, если бы ему показали такую химическую формулу!

Из всего того, о чем говорилось на предыдущих страницах, читатель может заключить, что гипотеза Резерфорда и Содди о радиоактивном распаде атома радия на атомы радона и гелия несомненно верна. Не может быть неверной гипотеза, которая подвергалась такому суровому испытанию и так блестяще его выдержала. Но Резерфорд счел нужным подвергнуть ее еще и другому испытанию: он захотел определить непосредственно на опыте, чему равен заряд отдельной альфа-частицы. Ведь из догадки Резерфорда и Содди о сущности радиоактивности вытекает, что заряд альфа-частицы должен равняться двойному элементарному заряду: это обязательно должно быть верным, если альфа-частица есть заряженный атом гелия и если отношение e/m для нее, как показывает опыт, в два раза меньше такого же отношения, вычисленного для водородного иона. Но как это проверить? Альфа-частица - это атом гелия или, лучше сказать, ион гелия. Не слишком ли самонадеянны физики, вознамерившиеся поймать один-единственный атом гелия и измерить его электрический заряд? Не значит ли это - попытаться войти в мир бесконечно малого, в мир невидимого, в мир ускользающего от наших органов чувств?

И все же эта смелая попытка удалась. Физики действительно смогли увидеть невидимое. Первый, кому это удалось, был сэр Уильям Крукс. Для того чтобы совершить это чудо, он совсем не строил грандиозных и сложных приборов, при виде которых всякий неученый человек начинает чувствовать себя нехорошо,- он соорудил совсем крохотный и пустяковый приборчик стоимостью рубля в полтора. И с помощью этого приборчика он смог увидеть отдельные атомы.

Прибор Крукса - так называемый спинтарископ - имеет следующее устройство. Он состоит из небольшой трубки, напоминающей по виду и по размерам трубку от маленького театрального бинокля. Один конец трубки закрыт экраном, который покрыт (с внутренней стороны) сернистым цинком. С другого конца в трубку вставлено увеличительное стекло, с помощью которого можно рассматривать этот покрытый сернистым цинком экран. Внутри трубки укреплена иголка, конец которой расположен на оси трубки между увеличительным стеклом и экраном. На этом конце иголки имеется ничтожное количество радия, причем - и в этом состоит наиболее эффектная особенность прибора Крукса - чем меньше радия, тем лучше.

Рис. 14. Спинтарископ Крукса: а) схематический чертеж (А - иголочка, В - флюоресцирующий слой, С - лупа); б) внешппй вид спинтарископа.

Для того чтобы насадить на конец иголки нужное количество радия, поступают так: этим концом иголки слегка дотрагиваются до внутренней стенки пробирки, в которой когда-то был препарат радия. Вот и все. Неудивительно, что прибор Крукса так дешево стоит, хотя в нем имеется радий - самое дорогое вещество в мире.

Прибор готов. Как же увидеть с помощью этого прибора отдельные атомы? Для этого нужно с ним пойти в темную комнату и подождать некоторое время, пока глаза отдохнут и хорошенько привыкнут к темноте. Потом нужно посмотреть в увеличительное стекло прибора.

Странное зрелище тогда предстанет перед нашими глазами. На поверхности экрана вспыхивают и гаснут маленькие неяркие звездочки. Они загораются то тут, то там, и весь экран так и кишит ими. Его поверхность была бы похожа на звездное небо, видимое в телескоп, если бы вся картина не менялась так быстро, как в калейдоскопе. Разорванные вспышки, усеивающие экран, гаснут так же внезапно, как появляются, и все, что мы видим, производит впечатление беспрестанной бомбардировки экрана микроскопическими зажигательными снарядиками, вызывающими вспышку в той точке экрана, в которую они попадают. И это впечатление совершенно правильно - то, что мы видим, это и есть бомбардировка, ведь на кончике иглы находится крохотный, почти невесомый и совершенно невидимый кусочек радия, из которого все время вырывается поток микроскопических снарядов - альфа-частиц. Если бы радия было больше, то весь экран светился бы равномерно и ярко: отдельные вспышки сливались бы в одно сплошное свечение экрана. Но так как радия очень мало, то вспышки видны раздельно: мы видим кратковременный светящийся след, который оставляет на поверхности экрана отдельная альфа-частица, один атом гелия, перелетевший от кончика иглы к экрану с огромной скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду, чтобы рассказать о смерти одного атома радия. Всяким наблюдателем, впервые смотрящим в спинтарископ и понимающим, в чем состоит смысл открывающегося перед ним зрелища, поневоле овладевает странное и жуткое чувство, похожее на то, которое овладевает нами, когда мы смотрим в телескоп на особенно богатые звездами участки Млечного Пути. И в том, и в другом случае мы видим перед собой бездну,- в одном случае бездну бесконечно малого, в другом - бездну бесконечно большого,- и, глядя в обе эти бездны, одинаково далекие от нас и одинаково безразличные к нам, мы начинаем понимать смысл странных слов Паскаля о том, что «человек подвешен между двумя бесконечностями».

Гениальное изобретение Крукса, сделанное им в том же 1903 году, в котором Резерфорд и Содди впервые выдвинули свою гипотезу о превращении химических элементов, знаменует, как и эта гипотеза, начало совершенно новой эпохи в физике. Не странно ли, что атомы стали видимой, ощутимой реальностью как раз в то время, когда было уничтожено представление о неразрушимости и непревращаемости атомов? Физики так долго и так тщетно стремились доказать, что атомы действительно существуют, и вот наконец эта цель достигнута: спинтарископ Крукса позволяет видеть действия отдельных атомов - заряженных атомов гелия. Но в то же самоё время, когда таким образом реальность атомов доказана совершенно неоспоримо, становится ясным, что атомы совсем не те вечные, бессмертные, неразрушимые частицы, какими их представлял себе Джон Дальтон: атомы рождаются, живут и умирают, с атомами происходят чудесные превращения, ослепительные взрывы, они разлетаются на части, и возникающие при этом осколки - это новые атомы. Похоже на то, что средневековые алхимики, стремившиеся превращать одни химические элементы в другие и так осмеянные за это впоследствии, в конце концов оказались правы. Но не будем преувеличивать их правоту. Вспомним, как все ухищрения лабораторной техники оказались бессильными повлиять на быстроту распада радия, вспомним, какими равнодушными, неприступными и забронированными от всех внешних воздействий оказались атомы этого чудесного вещества.

Все это показывает, что радиоактивность принадлежит совершенно особому миру явлений, с которым физики никогда не встречались раньше,- иными словами, что в радиоактивных явлениях действуют совершенно огромные, чудовищные силы, несравнимые со всем, что было известно физике прежде, и, значит, такие же огромные чудовищные силы требуются для того, чтобы управлять радиоактивными явлениями и изменять их естественное течение. Значит, Джон Дальтон был в каком-то смысле прав, хотя правота его и не была абсолютной, а относилась только к некоторому ограниченному кругу явлений: в пределах этого круга явлений атомы действительно неразрушимы и бессмертны, и требуется далеко перейти за пределы этого круга и привести в действие силы совершенно иного порядка («тонкий и сильный агент» Роберта Бойля) для того, чтобы вызвать превращение одних химических элементов в другие. В обыкновенных явлениях, изучаемых в химической лаборатории, атомы действительно никогда не превращаются друг в друга, и ошибка средневековых алхимиков и заключалась в том, что они пытались вызвать это превращение, не располагая «тонким и сильным агентом», а пользуясь лишь обыкновенными силами, которые развиваются при химических реакциях. В тех случаях, когда они утверждали, что им действительно удалось получить золото из других металлов, все это объяснялось или сознательным надувательством, или экспериментальной ошибкой (например, золото извлекалось из какого-либо химического соединения, содержащего золото, путем замещения золота другим металлом, а неискушенному экспериментатору казалось, что он превращает этот металл в золото).

Как только изобретенный Круксом спинтарископ стал известен остальным физикам, возникла задача счета альфа-частиц. В спинтарископе Крукса такой счет невозможен, потому что иголка находится слишком близко от экрана (несколько миллиметров) и в каждый момент на экран сыплется целый дождь альфа-частиц, так что сосчитать их нет никакой возможности. Но если поставить препарат с известным количеством радия достаточно далеко от экрана (но так, чтобы между препаратом и экраном был не воздух, поглощающий альфа-частицы, а безвоздушное пространство), то можно будет сосчитать количество вспышек, загорающихся на каждом квадратном сантиметре поверхности экрана в среднем в течение секунды. Отсюда уже будет легко сосчитать, сколько альфа-частиц испускает препарат по всем направлениям, т. е, узнать в конце концов, сколько альфа-частиц испускает каждый грамм радия в секунду. Знать это число важно по двум причинам: во-первых, если мы затем каким-нибудь способом измерим заряд, уносимый всеми альфа-частицами, которые вылетают в секунду из грамма радия, то мы можем, разделив его на число этих частиц, узнать заряд отдельной альфа-частицы; во-вторых, зная число альфа-частиц, испускаемых в секунду граммом радия или урана, мы тем самым знаем, сколько атомов радия или урана распадается в секунду из общего числа этих атомов в одном грамме,- иными словами, мы сумеем вычислить быстроту распада радия и урана.

В 1908 году немецкий физик Э. Регенер действительно осуществил такой подсчет числа вспышек. Но этот метод счета альфа-частиц не очень надежен, так как он сильно зависит от состояния глаз наблюдателя: глаза очень быстро утомляются, и поэтому подсчет альфа-частиц по наблюдению вспышек на экране из сернистого цинка требует .миллиона предосторожностей. Физики стремились заменить метод вспышек каким-нибудь другим, более объективным (не так сильно зависящим от наблюдателя) и потому более надежным методом. Таких методов было придумано целых три -один замечательнее другого. Эти три объективных метода обнаружения отдельных альфа-частиц мы по порядку опишем и только после этого перейдем к тем результатам, которые были с помощью этих методов получены.

Наиболее простым по идее способом является фотографический. Ведь альфа-частица вызывает заметное действие не только тогда, когда она падает на флюоресцирующий экран, но и тогда, когда она падает на фотографическую пластинку.

Рис. 15. Треки ос-частиц: а) наблюдается две группы альфа-частиц, излучаемых торием, с пробегами (в воздухе) в 8,6 и 4,8 см; фото Чедвика; б) альфа-лучи от точечного источника полония; фото Ирэн Жолио-Кюри.

В 1910 году японец Киносита внимательно изучил действие отдельных альфа-частиц на фотографическую пластинку и нашел, что каждая альфа-частица вызывает заметное почернение того зернышка светочувствительного слоя, на которое она упала. После того, как пластинка проявлена, можно сосчитать под микроскопом количество почерневших зернышек, и это даст число альфа-частиц, упавших на пластинку. Можно поступить и так: дотронуться до какого-нибудь места светочувствительного слоя острием иголки, которым мы предварительно коснулись радиоактивного препарата. Сейчас же некоторое ничтожное и совершенно невидимое количество радиоактивных атомов перейдет на фотографическую пластинку. Эти атомы станут испускать во все стороны альфа-частицы. Некоторые из альфа-частиц полетят в самой плоскости пластинки, пронизывая одно зерно светочувствительного слоя за другим. Если через некоторое время проявить пластинку, то на ней будут явственно видны следы промчавшихся альфа-частиц в виде лучей, расходящихся во все стороны от того места, до которого мы дотронулись иголкой.

Фотографический метод не очень удобен на практике и потому не получил большого распространения. Гораздо удобнее оказался другой метод - электрический, который был изобретен в 1908 году Резерфордом и его помощником Гейгером.

Идея этого способа заключается в следующем. Мы знаем, что каждая альфа-частица, влетевшая в какой-нибудь сосуд с газом, производит в этом газе ионизацию, отрывая электроны от молекул газа, с которыми она сталкивается, и превращая эти молекулы в ионы. При таком столкновении, как нетрудно сообразить, возникает сразу пара заряженных частиц - одна частица заряжена положительно, а другая отрицательно - пара ионов, как принято говорить. Число ионов, образуемых каждой альфа-частицей, очень велико. Мы знаем, например, что альфа-частица, летящая со скоростью 19 220 км/с[ 15 ], производит в воздухе двести тысяч пар ионов на каждом сантиметре своего пути. Но, как ни велико число этих ионов, оно все-таки слишком мало для того, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Необходимы необыкновенно чувствительные приборы, чтобы удалось измерить электрический ток, образуемый несколькими сотнями тысяч движущихся элементарных электрических зарядов. В 1908 году таких чувствительных измерительных приборов вовсе не было. Лишь в 1928 году немецкому физику Гофману удалось построить такой прибор, и то он настолько капризен и чувствителен к малейшим влияниям (дохнешь на него - и он уже расстроился), что работать с ним весьма затруднительно. Резерфорд и Гейгер и не стали стремиться к тому, чтобы непосредственно обнаружить ионы, образуемые отдельной альфа-частицей. Они сообразили, что можно усилить ионизующее действие альфа-частицы, если в том сосуде с газом, через который она пролетает, будет сильное электрическое поле: в этом электрическом поле каждый ион, образовавшийся в результате действия альфа-частицы, получит большую скорость и, сталкиваясь с другими молекулами газа, сам в свою очередь произведет множество новых ионов; эти последние тоже разгоняются в сильном поле, и каждый из них снова образует много других ионов и т. д., и т. д.

Ионизация будет расти как лавина, и поэтому ее легко будет обнаружить даже и не слишком чувствительными приборами.

Счетчик альфа-частиц, сконструированный Резерфордом и Гейгером в 1908 году, был устроен так. По оси длинного латунного цилиндра (25 см длины, 1,77 см в диаметре) проходит проволока. Эта проволока изолирована от цилиндра, потому что она входит в цилиндр и выходит из него через специальные эбонитовые изоляторы. Из цилиндра слегка откачивается воздух (опыт показал, что ионизационная лавина лучше всего образуется в воздухе, когда давление равно нескольким сантиметрам ртутного столба). Посредством батареи аккумуляторов, один полюс которой заземлен, а другой соединяется со стенками латунного цилиндра, создается сильное электрическое поле между стенками цилиндра и проволокой. Проволока соединена с чувствительным прибором, измеряющим ток. В одном из эбонитовых изоляторов сделано маленькое отверстие для впуска альфа-частиц, прикрытое тончайшим слюдяным листком. Как только альфа-частица влетает внутрь цилиндра и ионизует в нем воздух, каждый из образовавшихся ионов сейчас же разгоняется сильным электрическим полем, существующим между проволокой и стенками цилиндра, и начинает производить новые ионы. Лавина растет и развивается, как было описано выше. В результате этого от стенок цилиндра к проволоке идет заметный электрический ток, попадающий в чувствительный электрометр, с которым соединена проволока. Нить электрометра вздрагивает каждый раз, когда в него попадает ток, и все ее движения записываются на кинопленке, движущейся перед электрометром. Такое устройство позволило Резерфорду и Гейгеру отмечать прохождение отдельных альфа-частиц через прибор даже и тогда, когда число альфа-частиц достигало тысячи в минуту.

Впоследствии Гейгер, уже независимо от Резерфорда, разработал и усовершенствовал этот счетчик. «Счетчик Гейгера - Мюллера», представляющий дальнейшее усовершенствование описанного здесь счетчика Резерфорда и Гейгера, является одним из наиболее замечательных и чувствительных приборов современной физики. Но мы не будем описывать его устройство подробно, потому что его основная идея такая же, как у счетчика Резерфорда и Гейгера. Заметим только, что счетчик Гейгера - Мюллера очень чувствителен не только к влетающим в него альфа-частицам, но и к быстрым электронам, и к другим частицам.

Рассмотрим теперь и третий, наиболее замечательный способ «видеть атомы» - способ конденсации водяных паров, придуманный английским физиком Ч. Т. Р. Вильсоном. Этот способ замечателен тем, что он позволяет не только обнаруживать отдельные быстро движущиеся заряженные атомы и электроны, но и видеть и изучать те пути, по которым эти частицы движутся. Основная идея состоит в следующем.

Если в воздухе находятся пары воды или какой-нибудь другой жидкости (например, пары спирта), то они сейчас же превратятся в жидкость, если только достаточно сильно их охладить. Очень простой способ охлаждения заключается в том, чтобы очень быстро увеличить объем сосуда, в котором находятся эти пары. Можно сделать, например, так: устроить камеру в виде трубы, по которой ходит поршень. Если быстро выдвинуть этот поршень, то воздух с водяным паром, находящийся в камере, сразу расширится а его температура сейчас же упадет. При этом водяной пар превратится в мельчайшие водяные капельки, рассеянные по камере в виде тумана.

Изучая образование этого тумана, Вильсон обнаружил замечательный факт. Он нашел, что туман образуется не всегда. Если пространство в камере совершенно чисто и не содержит даже микроскопических пылинок, то, несмотря на сильное охлаждение камеры при выдвигании поршня, туман не образуется. Водяной пар остается паром, остается, как физики говорят, в переохлажденном состоянии. Но если в камере есть микроскопическая пыль, то пар превращается в жидкость, и притом тем охотнее, чем этой пыли больше. Изучив это явление ближе, Вильсон пришел к заключению, что каждая микроскопическая пылинка является тем центром, вокруг которого происходит конденсация (сгущение, превращение в жидкость) водяного пара. Вокруг каждой микроскопической пылинки образуется капелька воды. Но не только пылинки, плавающие в воздухе, могут служить такими центрами конденсации. Если в воздухе некоторое количество молекул ионизовано, т. е. если в нем есть некоторое число электронов и заряженных электричеством молекул (ионов), то конденсация пара происходит совершенно так же, как если бы там была микроскопическая пыль. Выходит, что не только крохотные твердые пылинки могут служить центрами конденсации, но и ионы (электроны и заряженные молекулы). Водяной пар может оседать на эти ионы, обволакивая их капельками воды. Если в каком-нибудь пространстве содержится переохлажденный водяной пар, который хотел бы сгуститься в жидкость, но не может вследствие отсутствия подходящих центров конденсации, то стоит только образовать в этом пространстве достаточно большое количество ионов (например, рентгеновскими лучами), как пар сейчас же оседает на этих ионах и возникает туман. По-видимому, образование тумана и дождевых капель в нашей атмосфере тоже связано с наличием в воздухе пыли и ионов.

В 30-е годы были проделаны многочисленные опыты, цель которых была - ускорить образование дождевых капель путем разбрасывания с самолета заряженного песка или заряженной пыли. Хотя эти опыты и не дали ценных для сельского хозяйства результатов (такой «искусственный дождь» над большой территорией потребовал бы слишком больших затрат), тем не менее действительно оказалось, что вокруг заряженных пылинок образуются дождевые капли. Этот механизм возникновения капелек дождя и мельчайших капелек тумана, исследованный Вильсоном еще в 1893 году, помог ему в 1911 году построить прибор, позволяющий «видеть атомы».

Идея Вильсона очень проста. Альфа-частица (или другая заряженная быстро движущаяся частица) влетает в камеру, в которой находится воздух с водяным паром. На пути этой частицы образуется большое количество ионов. Если очень быстро увеличить объем камеры (например, выдвигая поршень), то водяной пар охладится и сразу же осядет на ионах, которые густо усеивают путь прошедшей заряженной частицы. Вокруг каждого иона образуется крошечная капелька, но так как ионов очень много, то капельки сольются в целое ожерелье капелек, в длинную струйку воды. Эту струйку можно будет просто увидеть глазом, и можно будет, если мы только захотим, сфотографировать. Мы увидим «туманный след», который точно воспроизводит тот путь, по которому только что прошла заряженная частица. Мы увидим путь отдельной альфа-частицы или путь отдельного электрона! В спинтарископе Крукса мы видим гораздо меньше: там каждая альфа-частица отмечала вспышкой на экране только одну точку своего пути - точку пересечения пути с экраном,- а здесь мы увидим весь ее путь в целом.

Рис. 16. Схематическое изображение камеры Вильсона.

Мы сможем увидеть своими глазами, как пути быстрых альфа-частиц искривляются в сильном магнитном поле, мы сможем увидеть, как альфа-частица меняет направление своего движения, столкнувшись с каким-нибудь атомом, мы сможем увидеть все то, о чем атомная физика раньше говорила, не имея никакой возможности непосредственно проверить правильность своих слов. Поистине камеру Вильсона можно назвать одним из самых чудесных физических приборов, изобретенных в XX столетии.

Заимствуем из книги Резерфорда, Чедвика и Эллиса «Лучи радиоактивных веществ», вышедшей в Кембридже в 1930 году, подробное описание камеры Вильсона:

«Конструкция камеры, с которой работал Вильсон, видна на приложенном рисунке. Закрытая толстым стеклом цилиндрическая камера А, диаметром в 16,5 см и высотой в 3,4 см, представляет собой пространство, в котором получаются пути частиц. Расширение достигается поворотом вентиля В, который соединяет пространство под „полом" камеры с сосудом С, из которого предварительно удален воздух насосами (через стеклянную трубку, указанную на рисунке). При открывании вентиля „пол" камеры внезапно опускается до упора на резиновую подкладку. Деревянные цилиндры D служат только для того, чтобы объем воздуха, перемещающегося при расширении, был меньше. Вентиль В управляется с помощью маятника, который одновременно вызывает разряд мощной конденсаторной батареи через трубку с ртутным паром, где получается яркая вспышка, освещающая пространство внутри камеры настолько интенсивно, что получившиеся пути запечатлеваются на пластинке фотоаппарата[ 16 ], наведенного на внутренность камеры через стекло, которым она покрыта сверху.

Рис. 17. Схематическое изображение камеры Вильсона - Шимизу.

Камера все время наполнена насыщенным паром воды, так как ее крышка и дно покрыты тонким слоем влажного желатина. Между „потолком" и „полом" камеры при надобности может быть включено электрическое поле (с помощью батареи), служащее для того, чтобы убрать ионы, образовавшиеся в камере, и очистить ее для следующего опыта. При точной регулировке промежутка времени между расширением и вспышкой (фотографированием) эта камера позволяет получить очень резкие и ясные стереоскопические фотографии».

При изучении некоторых явлений необходимо иметь фотографии путей огромного множества альфа-частиц, иногда - до одного миллиона. В этом случае необходим прибор автоматического типа, который позволял бы производить много расширений камеры через очень короткие промежутки времени. Для этой цели Шимизу разработал простую конструкцию камеры, позволяющую последовательно производить большое количество снимков. Устройство камеры Шимизу изображено на рисунке. Точно пригнанный к цилиндру поршень качается в камере взад и вперед под действием мотора. Хотя расширение камеры этой конструкции происходит не так внезапно, как камеры конструкции Вильсона, все же в ней получаются прекрасные фотографии, если только позаботиться о том, чтобы альфа-частицы впускались в камеру лишь непосредственно перед тем, как поршень займет свое крайнее положение (максимальный объем камеры). Если применять электрическое ноле для очистки камеры от ионов, то она в состоянии работать, расширяясь каждые несколько секунд. Шимизу разработал метод одновременной съемки на движущейся пленке по двум взаимно перпендикулярным направлениям, что позволяет определить расположение путей частиц в пространстве.

Фотографии, заснятые с помощью камеры Вильсона, приведены на рис. 15, а, б. На основании этих фотографий обыкновенно говорят, что удалось заснять летящие альфа-частицы. Это выражение не вполне точно, так как фотографировались собственно не сами альфа-частицы и даже не образованные ими ионы, а водяные капельки, осевшие на этих ионах при внезапном увеличении объема переохлажденных водяных паров. Но по этим водяным капелькам, густо расположенным на приблизительно прямой линии, можно заключить, что здесь только что пронеслась альфа-частица, подобно тому как вид потоптанных полей и дымящихся развалин свидетельствует о том, что через страну прошли полчища великого завоевателя.

Итак, мы познакомились с четырьмя способами «видеть невидимое», с четырьмя способами наблюдать действия отдельных альфа-частиц: способ вспышек, способ фотографический, способ ионизационной камеры Резерфорда и Гейгера, способ Вильсона[ 17 ].

Рассмотрим же те экспериментальные данные подсчета альфа-частиц, которые были получены в результате применения этих способов.

В 1908 году Резерфорд и Гейгер, применяя свой электрический счетчик, сумели сосчитать число альфа-частиц, испускаемых каждым граммом радия в секунду. Эта задача не так легка, как можно было бы подумать, потому что в препарате радия всегда кроме радия присутствуют еще атомы других химических элементов, образовавшихся в результате распада атомов радия (мы знаем, что атом радия, испуская альфа-частицу, превращается в атом радона, но ведь атом радона в свою очередь испускает альфа-частицу, значит, распад продолжается и дальше, и в результате получаются другие атомы, которые тоже, быть может, испускают альфа-частицы и т. д.). Поэтому среди альфа-частиц, испускаемых препаратом радия, не все испускает сам радий, а некоторые (как правило, даже большая часть) испускаются продуктами распада радия. Поэтому Резерфорд и Гейгер должны были разобраться в этой путанице и суметь отделить альфа-частицы, испускаемые самим радием, от альфа-частиц, испускаемых его продуктами распада. Здесь мы не будем вдаваться в описание того, как им удалось это сделать,- достаточно сказать, что им это удалось. Полное количество альфа-частиц, испускаемых одним граммом чистого радия в секунду, оказалось равным 3,7 *10¹⁰.

Тридцать семь миллиардов атомов радия из всего количества атомов, составляющих один грамм радия, умирают в течение каждой секунды. Таков был важный результат, полученный Резерфордом и Гейгером.

Не медля ни одного дня, Резерфорд и Гейгер приступили к следующей части своей задачи - к определению заряда альфа-частицы. Они взяли стеклянный сосуд, из которого хорошенько выкачали воздух. Препарат радия, испускавший определенное и уже известное количество альфа-частиц, был помещен на стеклянное блюдечко, находившееся внутри этого сосуда. Напротив блюдечка была расположена металлическая пластинка, соединенная с очень чувствительным электрометром, с помощью которого было возможно измерять падающий на пластинку электрический ток. Нужно было не забывать еще об одной необходимой предосторожности: препарат радия испускает кроме альфа-лучей еще и бета-лучи, которые в этом опыте совершенно не нужны. Поэтому весь сосуд был поставлен между полюсами электромагнита, магнитное поле которого сдувало прочь бета-лучи, испускавшиеся препаратом, так что ни один электрон бета-лучей не мог долететь до металлической пластинки, соединенной с электрометром. Альфа-лучи не так сильно искривляются в магнитном поле. Поэтому они долетали до пластинки,, и полный заряд всех альфа-частиц мог быть измерен.

Эти опыты Резерфорда и Гейгера показали, что полный заряд альфа-частиц, испускаемых в секунду одним граммом чистого радия, составляет 33,2 абс. ед. Так как число этих альфа-частиц равно 37 миллиардам, то заряд альфа-частиц получится, если разделить 33,2 на 37 миллиардов. Отсюда следует, что заряд каждой альфа-частицы равен 9*10^-10 абс. ед. Это число действительно приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд. (Конечно, то, что оно не точно, а лишь приблизительно в два раза больше, чем элементарный электрический заряд, объясняется только тем, что в таком трудном измерении всегда неизбежны некоторые ошибки, а совсем не тем, что заряд альфа-частицы действительно чем-то отличается от удвоенного заряда водородного иона.) Таким образом, можно было считать непосредственно доказанным, что каждая альфа-частица несет на себе двойной элементарный заряд, и, следовательно, так как величина e/m в ее случае была уже хорошо известна, что масса альфа-частицы в четыре раза больше массы атома водорода. Это и утверждали Резерфорд и Содди еще в 1903 году, когда они впервые высказали свою гипотезу о превращении элементов. Гипотеза Резерфорда и Содди выдержала еще одно испытание.

В 1909 году Э. Регенер повторил опыты Резерфорда и Гейгера, измеряя таким же способом заряд, переносимый альфа-частицами. Различие заключалось лишь в том, что он в то же время и подсчитывал число альфа-частиц, но не с помощью счетчика Резерфорда - Гейгера, а регистрируя вспышки. Экраном, на котором возникали вспышки при падении- альфа-частиц, служил небольшой алмаз. В результате этой работы у Регенера получалось еще более точное, чем у Резерфорда и Гейгера, значение заряда альфа-частицы, а именно: 9.58*10^-10 абс. ед.

Если разделить это число на 2, то получится 4,79*10^-10 абс. ед.

Это число очень близко к тому, которое получил Милликен, когда он измерял (см. предыдущую главу) элементарный электрический заряд.

Рассмотрим еще одно важное следствие, вытекающее из опытов Резерфорда и Гейгера. Мы знаем, что масса каждого атома водорода составляет 1,662*10^-24 г, а так как атомная масса радия 226, то, значит, масса каждого атома радия равна 3,76*10^-22 г. В грамме радия, следовательно, имеется 2,66 *10²¹ атомов.

Из этих атомов каждую секунду распадается 3,7*10¹⁰ атомоd, т. е. доля, равная дроби

(3,7*10¹⁰)/(2,66*10²¹) = 1,4.*10^-11.

Это значит, что любое наличное количество атомов радия уменьшается в течение каждой секунды примерно на полторы миллиардные доли процента. Всякий, кто умеет вычислять с помощью таблицы логарифмов, очень легко сосчитает, сколько же нужно секунд, чтобы имеющееся количество атомов радия сократилось, например, вдвое. Необходимое для этого число секунд равно[ 18 ]

{(2,66*10²¹)/( 3,7*10¹⁰)}*Ln2=5*10¹⁰ c

А так как год составляет 3,16*10⁷ с, то, чтобы узнать, через сколько лет данное количество атомов радия уменьшится ровно вдвое, нужно разделить 5*10¹⁰ на 3,16 * 10⁷. Ответ гласит: через 1600 лет.

Этот необыкновенно важный результат, полученный таким простым способом, сразу объясняет, почему физики, открывшие радий, сочли его неиссякаемым источником энергии, каким-то «вечным двигателем», никогда не устающим отдавать все новые и новые запасы энергии. В действительности радий устает, энергия его иссякает, но только все это происходит очень медленно. Радон (эманация радия) распадается наполовину в течение четырех дней (точнее говоря, за 3,85 дня), и поэтому уменьшение его радиоактивности было сразу замечено. Но радий распадается наполовину в течение 1600 лет, значит, в течение самой долгой человеческой жизни данный препарат радия останется почти таким же, каким он был. Но все же радий не вечен. Если бы вавилонский царь Хаммураби, царствовавший семь тысяч лет тому назад, положил в свою сокровищницу один грамм радия, то в наше время, даже если бы сокровищница не была разграблена, в ней осталось бы радия не больше чем несколько десятков миллиграммов.

Не бесконечен, хотя и очень велик, тот запас энергии, который радий растрачивает, превращаясь в радон. Измерения показали, что один грамм радия испускает в час 140 калорий тепла. Это количество тепла испускается, однако же, не одним лишь чистым радием, но также и теми радиоактивными продуктами распада радия, которые всегда присутствуют в радиевом препарате и тоже испускают лучи Беккереля, нагревая все окружающие предметы. Немецкий физик Гесс (в 1912 году) попробовал измерить теплоту, испускаемую препаратом чистого радия, из которого были удалены все продукты распада. Оказалось, что один грамм чистого радия дает всего лишь 25 калорий в час, т. е. 6,9*10^-8 калорий в секунду. А мы знаем, что за секунду распадается часть радия, равная 1,4*10^-11. Значит, когда распадется весь грамм радия, то выделенная им энергия (при превращении в радон) будет равна

(6,9*10^-8)/( 1,4*10^-11)=2,05*10⁹ Дж.

Четыреста девяносто миллионов калорий - вот сколько энергии отдает грамм радия, превращаясь в радон! И это еще не вся заключенная в нем энергия: ведь и радон распадается дальше, отдавая энергию еще и еще (в дальнейшем мы увидим, сколько энергии выделяется во всей длинной цепи радиоактивных превращений, в которой превращение радия в радон является лишь одним из звеньев). Для того чтобы понять, как велика эта энергия, заметим, что при горении грамма водорода (а это одна из самых энергичных химических реакций) выделяется 34 000 калорий тепла, т. е. приблизительно в 10 тысяч раз меньше, чем при превращении грамма радия в грамм радона. Еще эффективнее получится сравнение, если энергию пересчитать на атомы. Энергия, выделяющаяся при превращении одного атома радия:

Ra ? Rn + He,

оказывается (как показывает простенький расчет) в полтора миллиона раз больше, чем энергия, освобождающаяся при образовании одной молекулы воды из водорода и кислорода. Все это показывает, что радиоактивные явления - действительно нечто совершенно несравнимое по масштабу с обычными явлениями химии.

Еще более интересные цифры получаются для продолжительности жизни[ 19 ] урана. Количество альфа-частиц, испускаемых ураном, было сосчитано таким же способом, как и количество частиц, испускаемых радием. Отсюда можно было вычислить и продолжительность жизни урана. Оказалось, что данное количество урана должно распасться наполовину в течение четырех с половиной миллиардов лет. Это - огромная цифра даже по сравнению с продолжительностью жизни радия. Четыре с половиной миллиарда лет! Трудно даже представить себе такой огромный промежуток времени. Отсюда следует, что радиоактивность куска урановой руды не могла бы заметно уменьшиться не только за краткий срок человеческой жизни, но даже и за промежуток времени, сравнимый со всей историей человечества. Радиоактивность урана почти бессмертна. В этом смысле, как совершенно справедливо замечает Содди, уран, в сущности говоря, гораздо чудеснее и замечательнее, чем радий: из всех известных нам вещей на земле кусок урановой руды больше всего напоминает «вечный двигатель» - заветную мечту изобретателей. Беда в том, что этот «вечный» или, лучше сказать, «почти вечный» двигатель имеет такую маленькую мощность.

Тот факт, что уран не является «вечным двигателем» на самом деле и что с ним, как с радием, происходит изменение, хотя гораздо более медленное, может быть доказан посредством прямого опыта: из урана постепенно, хотя и весьма медленно, выделяется гелий. Это обнаружил на опыте Содди. Мы приводим из его книжки «Радий и строение атома» рисунок, изображающий прибор, который он использовал, и описание этого прибора. Это описание может служить хорошей иллюстрацией к словам того же Содди о том, что современная физика уже не может утверждать, что «ее величайшие открытия делаются при помощи очень простых приборов, сооруженных из проволоки и сургуча», как с гордостью утверждала старинная наука. Радиоактивные измерения требуют сложных приборов и тончайшей экспериментальной техники. Но дадим слово самому Содди: «На фотоснимке представлен прибор, использовавшийся в моей лаборатории. Это семь совершенно одинаковых аппаратов, стоящих рядом, но. независимых и не сообщающихся друг с другом.

Рис. 18. Прибор Содди для доказательства возникновения гелия из урана.

Каждый аппарат состоит из большой колбы, вмещающей значительное количество исследуемого материала в виде раствора. Колбы снабжены кранами с ртутным затвором особой формы, который, совершенно изолируя на определенный срок содержимое колб от окружающей атмосферы, в то же время может быть открыт в любой момент путем отсасывания книзу столба ртути к барометрических трубках, так что накопившиеся в колбе газы могут быть без всякого впуска воздуха извлечены для испытания на гелий. Присутствие воздуха крайне вредно. Пузырек воздуха величиной с булавочную головку, остававшийся во всем объеме большой колбы или в растворе или же проникавший в колбу в период накопления газа, обычно совершенно губил опыт. Большинство приспособлений имеет целью предварительное тщательное удаление воздуха из приборов до начала опытов. Методы испытания на гелий также совершенно новы. Они основаны на открытом мной свойстве металла кальция поглощать, при нагревании в безвоздушном пространстве до очень высокой температуры, все следы газов, за исключением газов типа гелия и аргона. Таким образом, ничтожное количество полученного гелия (обычно не более одной тысячной доли кубического миллиметра) является совершенно свободным от следов водяного пара и других газов. Наконец, его переводят при помощи ртути в самую маленькую спектроскопическую трубочку, какая только может существовать, и рассматривают его спектр. Как показали многочисленные специальные опыты, желтая спектральная линия гелия может быть замечена при наличии одной миллионной части кубического сантиметра гелия (или, что то те самое, одной пятимиллиардной доли грамма). Это, конечно, наименьшее количество какого бы то ни было химического элемента, которое может быть обнаружено спектроскопом.

Повторяя опыт много раз, можно для каждого сосуда определить продолжительность периода накопления гелия до того момента, когда его можно заметить в выделяющихся газах, и таким образом установить его количество. Я неоднократно получал таким способом гелий из солей урана и, как оказывалось, именно в таком количестве, какое может быть заранее вычислено из теории распада. На каждую тысячу тонн урана получается около двух миллиграммов гелия в год».

Что же получается в результате этого медленного радиоактивного превращения урана? Выше мы уже говорили о том, что радий должен быть одним из продуктов распада урана (хотя и не обязательно непосредственным продуктом). Это заключение мы основывали на том, что радий встречается всегда в рудах, которые содержат уран. Покажем теперь, что, зная продолжительность жизни урана и радия, можно подвергнуть это заключение еще и некоторому количественному испытанию. Для того чтобы понять, в чем заключается это испытание, вдумаемся в следующее рассуждение.

Продолжительность жизни радия составляет всего лишь 1600 лет - огромный срок по сравнению с продолжительностью человеческой жизни, но все же совершенно ничтожный по сравнению с продолжительностью существования земного шара. Ясно, что имеющееся на Земле количество радия должно все время восстанавливаться из какого-то источника: иначе оно давным-давно пришло бы к концу задолго до того, как на Земле появилось поколение физиков, которое оказалось способным открыть радий и изучить его свойства. Отсюда мы заключаем, что радий беспрерывно возникает вновь из какого-то другого радиоактивного элемента, являющегося его предком. Предположим, что таким предком, т. е. не обязательно отцом, а, может быть, прадедом или прапрадедом, является, как это весьма вероятно, уран.

Как должны мы представлять себе процесс рождения и смерти радия?

Если мы возьмем некоторое количество урана и предоставим этот уран самому себе, то атомы урана будут постепенно распадаться, превращаясь в атомы какого-то другого химического элемента; эти последние будут распадаться в свою очередь, превращаясь снова во что-то другое, и т. д., и т. д., пока, наконец, в качестве одной из ступеней этого последовательного процесса, не появятся атомы радия, превращающиеся затем в атомы радона, и т. д. Из всего этого следует, что если данное количество урана, например килограмм, предоставлено самому себе, то через некоторое время в нем должно оказаться какое-то количество радия. Это количество радия сперва равнялось пулю, затем оно начало расти, по, спрашивается, будет ли оно расти все время? Ясно, что все время расти оно не будет и что должна быть какая-то граница этого роста. Эта граница определяется, разумеется, не только тем, что из первоначально взятого килограмма урана не может получиться сколько угодно большого количества радия (если бы радий был конечным продуктом превращения и не подвергался дальнейшему превращению, то из килограмма урана не могло бы получиться больше чем 225,97/238,14 килограмма радия, так как атомная масса радия составляет именно такую дробь от атомной массы урана).

Граница роста радия установится еще раньше, потому что атомы радия распадаются, а не являются конечным продуктом. Количество радия перестает расти в тот самый момент, когда число атомов радия, распадающихся в секунду, станет равно числу атомов радия, возникающих в секунду из радиоактивного элемента, являющегося непосредственным предшественником («отцом») радия. Когда этот момент наступит, то в дальнейшем количество радия уже расти не будет. Оно начнет уменьшаться, хотя и необычайно медленно, следуя за постепенным уменьшением запасов самого урана - родоначальника всей этой династии превращающихся друг в друга радиоактивных элементов. Но так как уран распадается настолько медленно, что по сравнению с радием его можно считать почти бессмертным, то мы пренебрежем этим медленным уменьшением количества радия и убудем считать количество радия практически постоянным. Наступило «радиоактивное равновесие»: число уничтожающихся в секунду атомов радия равно числу рождающихся в секунду атомов того же радия.

Такое радиоактивное равновесие наступило не только для радия, но и для всех промежуточных элементов (между радием и ураном). Мы пока не знаем, каковы эти элементы и даже сколько их; обозначим их попросту номерами (1, 2, 3,..., n). Наступившее для этих элементов (из которых 1-й является «сыном» урана, а n-й - «отцом» радия) радиоактивное равновесие означает следующее: число ежесекундно распадающихся атомов урана или, что то же, число ежесекундно возникающих атомов элемента 1 равно числу ежесекундно распадающихся атомов того же элемента 1, так как он находится в радиоактивном равновесии. Но ведь это число есть не что иное, как число ежесекундно возникающих атомов элемента 2, и оно, в силу радиоактивного равновесия элемента 2, равно числу ежесекундно распадающихся атомов элемента 2, т. е., что то же, числу ежесекундно возникающих атомов элемента 3. Таким образом, мы получаем длинную цепь равенств: одно число равно другому, другое - третьему и т. д.

В самом конце цепи стоит число ежесекундно распадающихся атомов элемента n или, что то же, число возникающих атомов радия, которое, в силу радиоактивного равновесия радия, равно числу распадающихся ежесекундно атомов радия. Но всякому известно, что если мы имеем цепь равенств, где а = b =c ... = у = z, то мы всегда можем, если хотим, зачеркнуть все промежуточные члены и написать просто a=z.

То те происходит и здесь: в начале цепи стоит число ежесекундно распадающихся атомов урана, в конце цепи - число ежесекундно распадающихся атомов радия. Поэтому мы можем утверждать, что, когда наступит равновесие, число ежесекундно распадающихся атомов урана будет попросту равно числу ежесекундно распадающихся атомов радия. Замечательный результат! Ведь мы вывели его с математической строгостью, совершенно ничего не зная о том, сколько есть промежуточных радиоактивных элементов между ураном и радием и каковы их свойства. А из этого результата сейчас же вытекает другой, еще более замечательный. Ведь мы знаем, что из заданного количества атомов радия ежесекундно распадается доля, равная дроби 1,4*10^-11. А из заданного количества атомов урана ежесекундно распадается доля, равная дроби 5 *10^-18. Поэтому, когда наступило радиоактивное равновесие, то наличное количество атомов радия, умноженное на 1,4*10^-11, должно равняться наличному количеству атомов урана, умноженному на 5*10^-13 . Иными словами, число атомов радия должно равняться числу атомов урана, умноженному на 3,5*10^-7. Таким образом, мы получаем чисто теоретически, из теории радиоактивного распада Резерфорда и Содди, следующий результат:

Во всякой урановой руде, которая находилась в недрах земли так долго, что в ней успело уже наступить радиоактивное равновесие, число атомов радия должно быть в три миллиона раз меньше числа атомов урана. Так как атомная масса радия лишь ненамного меньше атомной массы урана, то, иными словами, в каждой такой руде грамм радия должен приходиться на три тонны (3*10⁶ г) Урана.

Этот теоретический вывод был проверен Резерфордом и Болтвудом. Они исследовали химический состав очень большого количества урановых руд и обнаружили, что, за очень немногими исключениями, содержание радия в руде всегда строго пропорционально содержанию в ней урана. И отношение между количеством урана и количеством радия оказалось такое же, какого требовала теория: по измерениям Резерфорда и Болтвуда, один грамм радия приходится в среднем на 3,2 тонны чистого урана! (Небольшое расхождение между этим числом и числом, выведенным теоретически, объясняется, конечно, большими трудностями измерения.) Теория радиоактивного распада отпраздновала еще одну победу.

Наконец, еще одно важное заключение вытекает из вычисленной продолжительности жизни урана. Рассмотрим обыкновенный кусок урановой смоляной руды, количество урана в которой составляет 50% веса всей руды.

Спросим себя: как долго мог этот кусок руды пролежать в Земле? Даже если бы он первоначально состоял из одного лишь чистого урана, он не мог бы лежать в Земле больше четырех с половиной или пяти миллиардов лет, потому что в этом случае больше половины его перестало бы быть ураном и превратилось бы в другие химические элементы. Отсюда следует, что возраст куска урановой руды, в которой содержание урана достигает 50%, не может быть больше пяти миллиардов лет.

Это простое и ясное заключение указывает на то, какие неожиданные применения может иметь наука о радиоактивности. Радиоактивные явления дают нам как бы своеобразные часы, с помощью которых мы можем измерять продолжительность протекших огромных геологических эпох.

Вопрос о времени всегда был одним из наиболее болезненных вопросов геологии. Наблюдая различные пласты земной коры, геолог более или менее уверенно говорит о той последовательности, в которой различные геологические эпохи сменяли друг друга, но он большей частью становится в тупик, когда ему предлагают определить продолжительность этих эпох. Иногда он пытается делать примерные оценки сроков, исходя из того, что он приблизительно представляет себе, с какой скоростью могли бы откладываться те или иные наносы, но эти оценки всегда бывают очень гадательны. Отложения, выпадающие из воды каких-нибудь рек и т. п., нарастают с различной скоростью, в зависимости от быстроты течения, рельефа дна и других обстоятельств, и не всегда геолог, пытающийся восстановить прошлую историю Земли, имеет достаточные познания в том, как эти обстоятельства складывались в том или ином случае. Но радиоактивность не обладает всеми этими недостатками: уменьшение количества урана в урановой смоляной руде, лежащей в недрах Земли, должно происходить с абсолютной точностью, «по часам», с величайшим безразличием ко всем внешним явлениям. И геологи поняли, что, если они хотят получить безошибочно точные сведения о продолжительности залегания в земной коре тех или иных минералов, если они хотят установить хронологию тех жутко отдаленных от нас времен, когда еще не существовало человечества, а может быть, не было и самой жизни,- они должны обратиться к помощи радиоактивных элементов - самых безошибочных часов на свете.

Геологи уже давно с любопытством рассматривали маленькие окрашенные кружки, которые встречаются в некоторых сортах слюды - в биотите, кордиерите и мусковите. Происхождение этих кружков оставалось совершенно непонятным, и лишь в 1907 году английский геолог Джоли указал, наконец, на истинную причину, появления этих окрашенных кружков («плеохроическртх ореолов», как их называли геологи). Джоли обратил внимание на то, что альфа-лучи радиоактивных элементов обладают способностью затемнять или окрашивать многие прозрачные тела.

Рис. 19. Радиоактивные венчики: а) в слюде; б) в полевом шпате.

Уильям Крукс пробовал воздействовать в течение нескольких недель альфа-лучами радия на большой бесцветный алмаз. К концу опыта алмаз принял густую зеленую окраску. Стекло и слюда темнели после того, как в течение продолжительного времени подвергались воздействию тех же самых лучей.

Не вызываются ли и плеохроические ореолы действием альфа-лучей? Такая мысль пришла в голову Джоли, и он измерил под микроскопом радиусы этих ореолов с целью узнать, нет ли какой-нибудь связи между ними и длиной пробега альфа-лучей в слюде. Среди альфа-частиц, испускаемых препаратами радия (большая часть которых принадлежит, как мы уже знаем, не самому радию, а дальнейшим продуктам его распада) т наибольшей скоростью и, следовательно, наибольшим пробегом обладает некоторая определенная группа альфа-частиц; выяснилось, что их пробег в слюде равен 0,03 мм.

Когда Джоли измерил радиусы плеодроических ореолов, то оказалось, что в большинстве случаев эти радиусы составляют как раз 0,03 мм! Поэтому Джоли высказал следующее предположение: причиной плеохроических ореолов (или венчиков, как их называют еще) являются маленькие крупинки радиоактивного вещества, вкрапленные в слюду как раз в центре ореола. Эти крупинки, которые в некоторых случаях действительно удавалось обнаружить в микроскоп, испускают во все стороны свои альфа-частицы. Альфа-частицы пробегают некоторое расстояние внутри однородной слюды и останавливаются, застревая на расстоянии, равном длине пробега этих частиц, от центра ореола. Получается шар, центр которого совпадает с вкрапленным кусочком радиоактивного вещества. При срезе можно наблюдать то самое круглое сечение, которое и было замечено геологами. Джоли указал на то, что в некоторых случаях попадаются хорошо развитые ореолы, имеющие сложную структуру. Это объясняется тем, что различные радиоактивные элементы испускают альфа-лучи с различной длиной пробега. В результате получаются концентрические кольца, радиусы которых соответствуют различным длинам пробега.

Вид плеохроического ореола, как указал Джоли, может быть различным в зависимости от возраста минерала. Самые молодые минералы, в которых из урана, находившегося в радиоактивном включении, еще не успело образоваться достаточно большое число атомов, являющихся потомками радия, обладают плеохроическими ореолами с радиусом только 0,013 мм. Более древние минералы обнаруживают и внешнее кольцо с радиусом 0,03 мм, и промежуточные кольца. Внимательно изучая эти еле видимые окрашенные венчики в слюде, Джоли определял с довольно большой уверенностью возраст минерала, пролежавшего в земной коре много столетий. Сравнивая густоту окраски венчика с густотой окраски, вызванной искусственно в слюде, подвергаемой действию известного числа альфа-частиц, Джоли установил, что некоторые образцы слюды имеют возраст в сотни миллионов лет. Количество урана, находившееся в радиоактивном включении в одном исследованном Джоли образце, равнялось 5*10^-10 г. Это невообразимо маленькое количество урана испускает всего одну альфа-частицу каждые десять часов. И все же этого оказалось достаточно для того, чтобы за сотни миллионов лет образовать нежный плеохроический венчик, способный рассказать внимательному геологу историю длинных геологических эпох.

Немецкий ученый Мюгге систематически исследовал множество различных минералов, ища в них плеохроические венчики. Он нашел, что голубой плавиковый шпат из Вольсендорфа обнаруживает плеохроические венчики в большем количестве и более разнообразные, нежели какой бы то ни быЛо другой минерал. Концентрические слои видны еще отчетливее, чем в слюде. И радиусу каждого такого слоя соответствует (по длине пробега в плавиковом шпате) одна из групп альфа-частиц, испускаемых ураном и его радиоактивными потомками.

В наши дни уже невозможно сомневаться в том, что плеохроические ореолы действительно имеют радиоактивное происхождение, как это предположил Джоли. Внимательное изучение окраски драгоценных камней, вероятно, тоже покажет, что и она обязана своим происхождением действию лучей радиоактивных веществ,- быть может, ничтожно малого их количества, но действующего в течение огромнейших промежутков времени. Таким образом, основываясь на мелких, но безошибочных признаках, геологи умеют восстановить длинную историю земной коры и с уверенностью оценить продолжительность геологических эпох.

Объяснение плеохроических венчиков, которое дал Джоли, можно сравнить с открытиями Шамполиона и Гротефенда, расшифровавших непонятные письмена давно исчезнувших народов. И подобно тому, как историки вслед за тем сумели шаг за шагом восстановить судьбу этих народов, точно так же и геологи, пользуясь открытием Джоли, читают историю минералов, написанную еле заметными пятнышками окраски, еле заметными плеохроическими венчиками.

Примечания:

1

Заметим, что радиоактивность тория и его соединений одновременно с Марией Кюри или даже немножко раньше открыл немецкий физик Шмидт. Но дальнейшие работы Шмидта оказались менее замечательными, чем дальнейшие работы Марии Кюри, а поэтому мы здесь ограничимся рассказом об открытиях, сделанных Марией Кюри.

13

Как ни странно звучит это утверждение, тем не менее оно совершенно справедливо. Попробуем проверить его. По измерениям астрономов, наше Солнце испускает каждую секунду 9*10²⁵ калорий энергии (калория - это то количество энергии, которое тратится на нагревание одного грамма воды на один градус Цельсия). Каждый грамм радия испускает энергию в количестве около 0,04 калорий в секунду. Известно, что масса Солнца 2*10³³ г. Значит, если бы оно состояло из чистого радия, то испускало бы около 0,04*2*10³³=8*10³¹ калорий в секунду. Это почти в миллион раз больше той энергии, которую оно испускает в действительности.

14

Числа не вполне сходятся, но это ведь может быть результатом некоторой неточности в измерениях.

15

С такой скоростью летят альфа-частицы, испускаемые так называемым радием С, одним из продуктов распада радона (см. ниже).

16

Или двух фотоаппаратов, если нужно получить стереоскопические снимки.

17

За прошедшее с 1935 г. время камера Вильсона была существенно модифицирована; появились и новые типы камер, позволяющие фиксировать траектории заряженных частиц: пузырьковая (1952 г.) и искровая (1957 г.) камеры. (Прим. ред.)

18

Ln - натуральный логарифм. Он равен десятичному логарифму, деленному на 0,4343. (Тот, кто не умеет вычислять с логарифмами, может при чтении пропустить все промежуточные выкладки и просто принять результат на веру.).

19

Под «продолжительностью жизни» радиоактивного элемента мы всегда понимаем тот промежуток времени, в течение которого наличное количество атомов этого элемента должно уменьшиться вдвое.