Атомы разрушаются

В конце прошлого столетия поездка через океан из Англии в Канаду продолжалась около двух недель. За это время пассажиры большого трехтрубного парохода (тогда размеры связывались с количеством дымовых труб), на котором ехал Резерфорд, имели возможность отдохнуть, насладиться величественным зрелищем водных просторов и кулинарным искусством судовых коков.

Резерфорд, как и другие пассажиры, испытывал большое удовольствие от этой необычной жизни на борту лайнера в дальнем плавании. Тем не менее он находил время и для размышлений о беккерелевых лучах, овладевших его воображением в Кембридже. Главное, его волновал вопрос, как поставить опыты, которые помогли бы ему более подробно исследовать это загадочное излучение.

До отъезда из Кембриджа Резерфорд еще не думал, что атомы урана способны распадаться без каких-либо внешних причин. И если бы позднее он не сделал такого смелого предположения, то даже самые тщательные исследования радиоактивного излучения никогда не раскрыли бы перед учеными волнующей картины бесконечной цепи взрывов, происходящих в атомах, и явление, впервые обнаруженное Беккерелем, не смогло бы получить правильного истолкования.

Пересекая на пароходе Атлантику, Резерфорд не знал о том, что в Париже Мари Склодовская вместе с Пьером Кюри завершают исключительно важные работы по выделению химическими способами новых радиоактивных элементов: полония и радия.

Эти элементы наряду с ураном и торием стали для Резерфорда объектами изучения в Мак-Гиллском университете, который после его приезда постепенно приобрел славу "Мекки радиоактивности".

Спускаясь по Пароходному трапу впервые на канадскую землю, молодой ученый, однако, еще неясно представлял себе, как он сможет здесь серьезно заняться научной работой. Имевшиеся у него сомнения объяснялись тем, что до Европы доходили слухи о больших трудностях, которые испытывают немногочисленные канадские физики. Подобных трудностей не было ни в Кембридже, ни в Париже, ни в Гёттингене. Они вызывались главным образом отдаленностью Канады от европейских научных и университетских центров, где велись основные работы по экспериментальной и теоретической физике. Кроме того, научные журналы и книги, издававшиеся в Европе и в гораздо меньшем количестве в США, либо вовсе не доходили до городов Канады, где на них был очень малый спрос, либо доставлялись сюда с большим опозданием.

В Канаде в то время вообще было мало высших учебных заведений и почти отсутствовали научно-исследовательские институты. Мак-Гиллский университет в Монреале, хотя и был одним из старейших и лучших в Канаде, однако значительно уступал прославленным университетам Европы, особенно по постановке преподавания и организации научной работы в области точного естествознания, в частности физики. Это высшее учебное заведение своим возникновением обязано шотландскому батраку-эмигранту, прибывшему в Канаду в XVIII веке, Мак-Гиллу. Мак-Гилл решил поселиться в Канаде, которая тогда была суровой малонаселенной страной. Преобладающим населением ее были индейцы и эскимосы, в укрепленных местах селились французы и англичане.

Мак-Гилл, которого нищета заставила эмигрировать за океан, как и другие бедные крестьяне, в поисках счастья покинувшие свои родные очаги, мечтал разбогатеть в этой стране. Двадцать лет упрямый шотландец боролся с лишениями и опасностями, подолгу скитаясь по девственным лесам, охотясь на диких зверей и скупая пушнину у индейцев и эскимосов.

Мак-Гилл накопил довольно крупный капитал, но скоро после этого умер, так и не воспользовавшись нажитым богатством. До конца своих дней Мак-Гилл оставался неграмотным и, конечно, было очень удивительно, что 40 тысяч английских фунтов из своего капитала он завещал на создание первого в Монреале колледжа. В начале XIX века закончилась постройка скромного здания этого колледжа, который положил основание Монреальскому университету. Колледж, а затем и университет получили имя Мак-Гилла. Так была увековечена память о простом шотландском крестьянине.

Об истории Мак-Гилла Резерфорду рассказали его коллеги, а с другим шотландцем, меценатом Макдональдом, имя которого носили кафедра физики, физическая и химическая лаборатории, он познакомился сам. В одном из своих писем, написанных через несколько лет после приезда в Канаду, Резерфорд сообщил родителям на Новую Зеландию о смерти Макдональда. o

Макдональд пожертвовал четыре миллиона долларов на основание кафедры физики в Мак-Гиллском университете, объединившем уже несколько колледжей, построенных на частные средства. Макдональд лично наблюдал за ходом строительства здания физического факультета и оборудованием аудиторий, физической и химической лабораторий.

Резерфорд приступил к исполнению должности "макдональдовского профессора" с 1898/99 учебного года. Исследовательская кафедра Макдональда давала ему возможность, как это было заранее оговорено, основное время заниматься научно-исследовательской работой. Меньшая часть времени отводилась на чтение лекций студентам и выполнение других педагогических обязанностей.

В августе 1961 г. советские физики и химики, участники международного конгресса в Канаде, побывали в аудитории, где когда-то читал лекции Резерфорд. В то далекое время она называлась несколько необычно - "театром физических лекций" ("Physical lectures theatre").

Член-корреспондент АН СССР В. И. Гольданский рассказывал, что университетские старожилы утверждают, будто аудитория внешне мало изменилась с тех пор, как великий английский ученый сообщал здесь слушателям о результатах своих исследований радиоактивности.

И поныне на кафедре, да и во всем университете продолжают жить образ и слава Резерфорда, хотя прошло уже около 60 лет, как ученый навсегда покинул Монреаль и поселился в Англии. Память о Резерфорде хранит и музей простых и вместе с тем замечательных приборов, построенных ученым. Это великие реликвии физики начала XX века.

Сразу же после приезда Резерфорд продолжал свой исследования, начатые еще в Англии, где он получил очень интересные и важные результаты относительно уранового излучения. Молодой ученый тогда же пришел к убеждению, что именно эта новая область обещает выдающиеся научные открытия.

Опыты с ураном, впервые производившиеся в Мак-Гиллском университете, заинтересовали преподавателя электротехники профессора Б. Р. Оуэнса, одного из первых, с кем Резерфорд познакомился вскоре после приезда. Оуэнсу в 1896 г. исполнилось 28 лет, т. е. он был почти на два года старше Резерфорда. Намереваясь заняться изучением радиоактивности, он обратился к Резерфорду с вопросом: с чего начать? Оуэне получил ответ: с тория. Удивительная проницательность этого совета подтвердилась после того, как именно работы с торием стали фундаментом теории радиоактивного распада, опубликованной Резерфордом через пять лет.

Но здесь нужно прервать повествование, на короткое время покинуть Монреаль, оставив Резерфорда и Оуэнса за их исследованиями альфа-радиоактивности тория и урана, и перенестись в Париж, несколько нарушив историческую хронологию.

После того как Французская академия наук опубликовала в 1896 г. протоколы своих заседаний с сообщением профессора Беккереля, Мари Склодовская, как и Резерфорд, очень заинтересовалась новым открытием. Она избрала беккерелевы лучи темой диссертации на степень доктора наук, поставив перед собой цель узнать, нет ли других веществ, обладающих таким же излучением, как уран. Скоро Мари открывает подобное же свойство у элемента тория (одновременно с ней это явление обнаружил немецкий исследователь Г. Шмидт), исследует свойства радиоактивного излучения, в частности, измеряет степень ионизации им воздуха.

Затем она изучает различные минералы, надеясь найти в них новые радиоактивные излучатели, и скоро убеждается в том, что некоторые образцы, содержащие уран и торий, проявляют гораздо более сильную радиоактивность, чем эти же элементы в чистом виде.

Мари Склодовская высказывает мысль о том, что источником сильного излучения служит не уран и не торий, а новый, до сих пор не известный и очень удивительный элемент. Это он присутствует в некоторых минералах, обнаруживающих необычно сильную радиоактивность! На заседании Французской академии наук 12 апреля 1898 г. Мари сообщает:

"Я изучала открытые Беккерелем изменения проводимости воздуха под действием лучей урана и пыталась выяснить, могут ли какие-нибудь вещества, помимо производных урана, сообщить воздуху способность проводить электричество... Два минерала, содержащих уран,- урановая смоляная руда (окись урана) и хальколит (фосфат меди и уранила)- гораздо активнее самого урана. Факт этот весьма примечателен и заставляет думать, что эти минералы, очевидно, содержат какой-то элемент, обладающий гораздо большей активностью, чем уран...".

Пьер Кюри, занимавшийся до этого вопросами пьезоэлектричества, оставляет свои исследования и вместе с женой начинает изучать радиоактивность.

Ученые, вероятно, не предполагали, что для выделения новых элементов придется затратить титанические усилия и пережить годы, полные лишений невероятных трудностей.

Приступая к работе, они думали, что урановая смоляная руда (урановая смолка) содержит сравнительно большое по масштабам химика-аналитика количество неизвестного излучающего элемента. На самом деле, содержание его в этой руде не достигало даже 0,000001%. Можно представить себе, как сложно получить из руды элементы, имеющиеся в ней в таком сверхмикроскопическом, едва уловимом количестве.

Применяя хорошо разработанные уже в то время способы химического разделения - фракционирования и определяя электроизмерительным прибором способность каждой фракции ионизовать воздух, супруги Кюри в 1898 г. выделили один за другим два радиоактивных элемента вместо одного, который искали. Они дали им названия: полоний в честь Польши - родины Мари и радий.

Уран, торий, полоний и радий обладали принципиальным по своему действию сходством. Эти четыре химических элемента, в отличие от всех известных в то время других элементов периодической системы, излучали заряженные частицы, производящие ионизацию атомов, с которыми они сталкивались на своем пути. Мари Кюри предложила назвать это замечательное свойство радиоактивностью.

После этого ученые приступили к выделению радиоактивных элементов в количествах, достаточных для изучения их свойств и, в частности, определения атомных весов.

Смоляная урановая руда, с которой работали супруги Кюри, была дорогим минералом, добываемым тогда в Сент-Иоахимстале (Богемия)^*. Из нее получали соли урана, применявшиеся в производстве цветного богемского стекла, которое в то время высоко ценилось. Весь радий и часть полония, по предположению Кюри, должны были находиться как раз в отбросах производства урановых солей, которые не утилизировались.

^* (Теперь Сент-Иоахимсталь - город Яхимов в ЧССР.)

Благодаря поддержке Венской академии наук французские ученые смогли получить несколько тонн этих отбросов. Их использовали в качестве исходного материала.

Результаты, полученные через год, ясно показали, что легче отделить радий, чем полоний; поэтому все усилия были сосредоточены на получении радия. Соли радия в микроскопических количествах супруги Кюри передали для исследований ученым, работающим в разных странах.

В течение четырех лет ученые переработали восемь тонн отходов урановой смолки и наконец получили первый в мире дециграмм чистого хлористого радия, оценивавшийся тогда в 75 000 франков (15 000 долларов).

Теперь супруги Кюри могли приступить к химическим и физическим исследованиям нового радиоактивного элемента. Пьер Кюри решил проверить и физиологическое действие радиоактивного излучения, от которого ранее случайно пострадал Беккерель, получив сильный ожог. Кюри несколько часов подряд облучал свою руку радиоактивным препаратом. Это вызвало сильное поражение кожи, напоминающее ожог, которое быстро разрасталось. Руку удалось излечить лишь через несколько месяцев.

Мари и Пьер Кюри, работая с сильными природными радиоактивными веществами, еще мало знали об опасности излучений для здоровья. Средства защиты, входившие в обиход радиохимических и физических лабораторий, были ненадежны. В Институте радия сотрудников, работающих с радиоактивными препаратами, подстерегала опасность облучения, но Мари Кюри не обращала на неё внимания и почти не пользовалась защитными средствами. Длительное действие на органы радиоактивных излучений послужило в конце концов главной причиной смерти Мари Кюри в 1934 г.

Университетская лаборатория Мак-Гиллского университета оказалась недостаточно приспособленной для научных исследований. Резерфорду пришлось самому строить приборы, те самые, которые ныне мирно покоятся в застекленных шкафах музея.

В последующие годы он проделал тысячи опытов с радиоактивными веществами и до сих пор в комнатах, где велась работа, нельзя пользоваться счетчиком Гейгера, регистрирующим радиоактивное излучение, так как их стены сохранили повышенную радиоактивность.

Но ни радиоактивных стен, ни счетчиков Гейгера вообще еще не было в то время, когда Резерфорд попросил Оуэнса понаблюдать, как ведет себя торий: так же, как уран, или иначе. Оуэне приступил к опытам с соединениями тория и спустя довольно долгое время после внимательного изучения этих природных ториевых излучателей подметил такое же явление, какое до него впервые наблюдали супруги Кюри в Париже (об этом Оуэне не знал).

Кюри обнаружили с помощью электроскопа, что вещества или предметы, помещенные поблизости от достаточно сильных радиевых излучателей, сами становятся активными. Они назвали это явление индуцированной, или "наведенной" активностью, видимо по аналогии с электромагнетизмом. Но такое определение было неправильно, так как отмеченный ими эффект, как доказал позднее Резерфорд, на самом деле вызывался отложением на активированные предметы твердого радиоактивного вещества (теперь мы сказали бы, изотопа), выделяющегося при распаде радона, или эманации радия, в свою очередь образующейся при его распаде. Все эти три элемента, как потом стало известно, принадлежат к одному радиоактивному семейству.

Тогда еще этого не знали, и "наведенная" радиоактивность показалась Оуэнсу очень странным явлением. По словам Оуэнса, "обнаружилось нечто, что не- было ни торием, ни альфа-, ни бета-частицами и что улетало, если на него подуть".

Оуэне пытался объяснить странное поведение тория тем, что на его радиоактивный распад якобы влияют "токи воздуха". Такое толкование было явно неудовлетворительным и опровергалось опытами самого автора. Когда Оуэне уехал в Кембридж к Томсону, Резерфорд продолжил опыты с торием, видимо, оценив их важность. Через несколько месяцев Резерфорд открыл, что торий выделяет радиоактивный газ с периодом полураспада 11,5 часа, который он назвал эманацией тория. Он также показал, что эманация тория (получившая ненадолго название торона), образует твердое вещество - радиоактивный осадок, который, распыляясь на предметах, находящихся вблизи сильных ториевых излучателей, создает видимость наведенной радиоактивности.

Статья Резерфорда об эманации тория^* была напечатана в Англии в феврале 1900 г., вскоре после появления статьи супругов Кюри о наблюдавшейся ими "наведенной" радиоактивности, вызываемой якобы радиевыми препаратами.

^* (Эманация - радиоактивный газ нулевой группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, образующийся при альфа-распаде изотопов радия и некоторых других радиоактивных превращениях.

Современное название - радон, порядковый номер 86. Насчитывается 13 изотопов радона. Различают радон (Rn), торон (Th) и актинон (An) - Rn-220, Rn-222, Rn-219, относящиеся соответственно к актиноурановому радиоактивному семейству.- Прим. авт.)

Возможно, что предположение Кюри о "наведенной" активности, ошибочность которого была доказана Резерфордом, возникло вследствие того, что радий и полоний образовывали при своем распаде более короткоживущие по сравнению со своими родителями радиоактивные изотопы, тогда как радиоактивный осадок, образуемый при распаде эманации тория, имел большую продолжительность жизни и поэтому был более доступен для точного исследования.

Эманация тория и позже открытая Резерфордом эманация радия послужили важным доказательством правильности гипотезы о том, что в результате альфа-распада происходит превращение одного элемента в другой; этому процессу присущи определенные законы, но ход его самопроизволен и не связан с внешним воздействием.

Резерфорд написал невесте Мери Ньютон в Новую Зеландию по поводу своей статьи, содержащей доказательства того, что эманация тория - это новое радиоактивное вещество, которое образуется при распаде тория: "... в прошлый четверг я послал еще одну большую статью в журнал, очень хорошую статью, хотя это только мое мнение; в ней тысяча новых фактов, о которых никто даже не подозревает. И этого достаточно, чтобы сказать, что дело идет об очень значительном научном открытии".

Через много десятилетий ученик Резерфорда Отто Ган написал свои мемуары, охватывающие период развития ядерной физики от ее рождения до наших дней. Эти мемуары автор назвал "От радиоактивного тория до расщепляющегося урана", намекая на то, что монреальские опыты Резерфорда с торием послужили основанием ядерной физики, а открытием расщепления урана завершился важный этап развития этой науки.

В 1900 г. Резерфорд временно прерывает свои исследования и, воспользовавшись первым летним отпуском, спешит на Новую Зеландию, чтобы жениться на Мери Ньютон, которая ждет Эрнеста уже долгих пять лет. Ему хочется также повидаться с родителями, ведущими по-прежнему спокойную сельскую жизнь.

Осенью Резерфорд возвращается в Монреаль вместе с Мери, и они поселяются в снятом в аренду маленьком домике, расположенном недалеко от университета.

В своей лаборатории он знакомится с новым профессором химии Фредериком Содди, приехавшим из Оксфорда. Оба молодых ученых, не теряя времени, приступают к работе, сосредоточив с самого начала свое внимание на изучении тория и урана, присланных из Кавендишской лаборатории. Талант Содди, который был на шесть лет моложе Резерфорда, раскрылся именно в этой совместной работе над проблемами радиоактивного распада.

Содди в одной из своих книг, изданных в начале века и пользовавшихся большой популярностью, утверждал, что "радиоактивность является новой первичной наукой, не подчиненной ни физике, ни химии, в том виде, как понимались эти науки до появления радиоактивности...". Это утверждение, имеющее веские основания, было высказано через несколько лет после того, как за изучение "новой первичной науки" радиоактивности взялись именно физик и химик.

Двум молодым ученым необходимо было выполнить множество экспериментов в физической и химической лабораториях, чтобы никто в мире не мог усомниться в том, что "все могучие средства современной лаборатории - крайние пределы тепла, холода, давлений, энергичные химические реактивы, действие могучих взрывчатых веществ и самые сильные электрические разряды - не оказывают влияния на радиоактивность радия или на скорость его распада даже в самой ничтожной степени. Он черпает свои запасы энергии из неизвестного до наших дней источника и подчиняется еще не открытым законам. Есть что-то возвышенное в его отчужденности от окружающей среды и в его индифферентности к ней. Он как будто-ведет свою родословную от миров, лежащих вне нас, питаемый тем же неугасимым огнем, движимый тем же лежащим вне нашего контроля механизмом, который поддерживает свет солнца в небесах в бесконечные периоды времени". Эти слова Содди проникнуты особой поэзией науки.

Теперь, спустя много десятилетий авторы монографий, учебников и обзоров описывают радиоактивность языком точных физических законов и математических формул. Но годы не изменили смысла слов Содди, они по-прежнему звучат пророчески.

В 1902 г. Резерфорд и Содди опубликовали в "Физическом журнале" статью о результатах исследований эманации тория. Название ее - "Причина и природа радиоактивности" также подтверждает значение опытов с ториевыми излучателями для создания новых представлений о радиоактивном распаде. В статье сообщалось, что эманация тория получается не непосредственно из тория, а из промежуточного вещества, названного авторами торием-Х, с периодом полураспада четыре дня. Распад тория-Х совпадал с восстановлением активности тория, что, по мнению исследователей, объяснялось образованием тория-Х при распаде тория. (Торием-Х до открытия изотопии называли радиоактивный изотоп радия Ra²²⁶.) Радиоактивность его ослабевала с течением времени по экспоненциальному закону, уменьшаясь наполовину за каждые четыре дня. Резерфорд и Содди показали, что этому правилу подчиняются все последовательно возникающие радиоактивные вещества.

Спонтанное (самопроизвольное) превращение или переход тория-Х в эманацию могло быть объяснено только превращением элементов при радиоактивном распаде.

И если уран познакомил человека с имеющимся в природе процессом радиоактивного распада, а радий и полоний показали, что существуют элементы, обладающие этой способностью в более сильной степени, чем уран, то торий позволил впервые понять механизм радиоактивного распада элементов. Дальнейшим шагом в развитии радиоактивности было открытие Резерфордом эманации радия, исследование которого подтверждало результаты, полученные при изучении тория.

Как и соединения тория, бромистый радий при растворении проявлял свойства, которые не могли не привлечь внимания опытного исследователя. Находящийся в растворе радий терял большую часть активности; она восстанавливалась в течение месяца. Это вызвало у Резерфорда предположение, что при растворении солей радия из него в воздух уходит газообразное сильно радиоактивное вещество, сходное с эманацией тория.

Резерфорд собрал активный газ, выделяющийся из радия, использовав для растворения соли радия герметический сосуд. Этот газ исследователь, естественно, назвал эманацией радия. Ученому было совершенно ясно, что радий, испуская альфа-частицы, превращается в новое активное вещество, подобно тому, как торий-Х, образуемый при распаде тория, переходит в активный газ - торон, эманацию тория. Сейчас эту ядерную реакцию записывают так:

Изотоп радия с массовым числом 226 и зарядом ядра 88, испуская альфа-частицу - ядро гелия с массовым числом 4 и зарядом ядра 2, переходит в результате ядерной реакции в радон с массовым числом 222 и зарядом ядра 86 (т. е. в изотоп радона Rn-222, названный в свое время Резерфордом эманацией тория). Сумма массовых чисел элементов, стоящих справа от стрелки, равна массовому числу элемента стоящего слева. То же относится к нижним числам под химическими символами, обозначающим заряды ядер.

Несмотря на то что все опыты с торием и радием не оставляли никакого сомнения в том, что радон представляет собой радиоактивный элемент группы инертных газов, к которым относятся также гелий, неон, аргон, криптон и ксенон, многие ученые сомневались в правильности объяснения Резерфорда.

Необходимы были доказательства того, что радон действительно представляет собой газ и, как всякий газ, при низких температурах может превращаться в жидкое и даже твердое вещество. Резерфорд пытался с помощью имевшейся у него старой машины Линде получить сжиженный радон при температуре -100°, но безуспешно. Видимо, нужна была более низкая температура. Он попросил Макдональда приобрести для лаборатории более усовершенствованную машину. Это было сделано, и исследователям удалось в жидком воздухе при -200° произвести конденсацию радона и, таким образом, наглядно подтвердить, что радон - газ, и не только убедить неверующих в правильности предыдущих наблюдений, но и подкрепить теорию радиоактивного распада. Об этом впоследствии Содди писал: открытие того, что эманация представляет собой газ типа аргона, и последовавшее за этим открытие тория-Х как промежуточного вещества между торием и эманацией тория привело к полному объяснению радиоактивности как процесса самопроизвольного распада атомов, в результате которого одно вещество переходит в другое.

В начале 1903 г. Резерфорд, используя способность магнитных и электрических полей отклонять альфа-частицы, поставил важный опыт, целью которого было определить, какому из известных химических элементов соответствуют альфа-частицы. Для того чтобы узнать, из какого элемента состоят альфа-частицы, достаточно было бы определить массу частиц и сравнить ее с массами атомов элементов периодической системы.

Этот опыт представлял для своего времени высокий образец экспериментального мастерства и изобретательности, был прост и прямо вел к поставленной Резерфордом цели.

Прибор, построенный Резерфордом для этого опыта состоял из электроскопа 1, сделанного из полоски золотой фольги, помещенного над 20 металлическими пластинками 3, вертикально установленными в эбонитовом ящике под камерой электроскопа. Щели между пластинками составляли всего 1 миллиметр, поэтому альфа-частицы, испускаемые радиоактивным излучателем 4 (радиевой солью), помещенным под пластинками на дне ящика, проходят в камеру электроскопа параллельным пучком. Через прибор пропускается водород (входная трубка 2), который увлекает с собой накапливающийся в приборе радон (водород вместе с радоном удаляются через выходную трубку 5). Благодаря непрерывному удалению радона увеличивается пробег альфа-частиц.

Прикладывая сильное магнитное поле, направленное параллельно плоскостям пластинок 3, можно было почти полностью прекратить ионизацию в камере электроскопа (вызываемую электрическим зарядом альфа-частиц), при этом листочки электроскопа опадали. Именно таким простым способом Резер-форд показал, что альфа-частицы- это быстро движущиеся электрически заряженные частицы с большой энергией. Если бы они двигались медленно, т. е. обладали небольшой энергией, то для прекращения ионизации не требовалось бы сильное магнитное поле.

Прибор для определения химического состава альфа-частиц

Прикрывая половину щелей между пластинками можно было показать, что при одной полярности магнита для прекращения ионизации требуется меньшая напряженность магнитного поля, чем при другом. Так, меняя направление поля, прикладываемого к пластинкам, можно было установить, в какую сторону отклоняются альфа-частицы и что знак заряда этих альфа-частиц положителен.

Затем Резерфорд соединял пластинки 3 поочередно с противоположными полюсами мощной электрической батареи. Теперь, закрывая щели между пластинками и наблюдая различную скорость происходящего при этом прекращения ионизации и направление, по которому происходит отклонение альфа-частиц, исследователь определил их скорость, она оказалась равной 2,5*10^-9 см/сек. Кроме того, он показал, что альфа-частицы представляют собой поток положительно заряженных атомов с большей массой, чем атомы водорода. Затем Резерфорд определил отношение заряда альфа-частиц к их массе и предположил, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные атомы гелия, т. е. атомы, потерявшие по два электрона.

Описанный опыт позволил Резерфорду впервые экспериментально идентифицировать альфа-частицы с атомами гелия, однако для доказательства этого результаты опыта пришлось дополнить некоторыми расчетами, так как опыт, с точки зрения экспериментатора, был еще недостаточно убедительным.

В дальнейшем в Манчестере, после того как Резерфорд покинул Канаду, он произвел другой опыт по идентификации альфа-частиц с атомами гелия. Состав альфа-частиц определялся спектроскопически, при этом были получены характерные линии гелия.

Вскоре после осуществления описанного опыта Резерфорд высказал предположение о том, что радий представляет собой продукт распада какого-то другого радиоактивного элемента. В следующем году Резерфорд утверждал уже более уверенно, что радий может быть элементом, образующимся при распаде урана (правда, тогда еще он не мог знать о существовании урана-235, который является родоначальником радиоактивного ряда, в который входит радий). По мнению Резерфорда, в пользу такого предположения говорило то, что радий всегда присутствует в минералах, содержащих уран.

Вместе с радиохимиком Б. Болтвудом, приехавшим в Монреаль из Соединенных Штатов, Резерфорд определил, что в минералах урана содержится одна часть радия на 3,2 миллиона частей урана (теперь эта величина уточнена и составляет 2,8). Резерфорд писал, что если это действительно так, то количественное соотношение урана и радия должно быть постоянным и соответствовать закону радиоактивного равновесия. Этот закон, открытый Резерфордом и Содди, гласит: если материнское вещество и продукт его распада - дочернее вещество присутствуют вместе, то можно достигнуть такого состояния равновесия, когда дочерний элемент распадается с такой же скоростью, с какой он вновь образуется из материнского элемента.

Предположение Резерфорда о том, что радий образуется из урана, было очень скоро подтверждено Болтвудом, который доказал также, что радий и уран - члены одного радиоактивного семейства, или ряда.

Содди, который в то время уже работал с Рамсеем в Лондонском университете, поставил опыт, с помощью которого он хотел доказать, что, сохраняя некоторое время чистый образец урана, можно накопить радий, образовавшийся за это время в результате распада урана. Но этот опыт привел к отрицательному результату и на некоторое время создал затруднительное положение в науке о радиоактивности. Только через два года, т. е. в 1907 г., когда Резерфорд уже был в Англии, Болтвуд, оставшийся в Монреале, выяснил причину неудачи опыта Содди.

Оказалось, что в радиоактивном ряду урана между радием и торием находится очень медленно распадающийся радиоактивный изотоп тория (торий-230), названный тогда Болтвудом ионием. Именно ионий с периодом полураспада 80 тысяч лет очень замедлял процесс накопления радия в уране. Содди потребовалось бы проводить свой опыт в течение многих лет, чтобы накопить заметное количество радия, конечно, не пользуясь очень большими количествами урана.

Все эти работы, которыми одновременно занимались исследователи и в других странах, позволили Резерфорду создать первые представления о радиоактивных рядах, или семействах, родоначальниками которых были уран, актииоуран (так называли до открытия изотопии уран-235) и торий. Различные элементы, составляющие радиоактивные ряды,- это потомки урана и тория, которые вместе с протактинием, открытым Отто Ганом, занимали три последних места в периодической таблице до заурановых элементов, т. е. до урана включительно.

Работы Резерфорда по установлению радиоактивных рядов побудили многих ученых исследовать связи между элементами, образующимися при радиоактивном распаде, и таким образом подготовлялась почва для открытия изотопии, которое, видимо, принадлежит Содди и датируется 1910 г. Данное открытие было результатом исследований связей радия и актиния в радиоактивном ряду урана, которое привело Содди к выводу, что существуют элементы с различными атомными весами, но почти тождественными химическими и спектроскопическими свойствами.

Это еще не вполне четкое определение изотопов тем не менее позволило Нильсу Бору высказать мысль, что все изотопы данного элемента обладают одним и тем же атомным номером, т. е. заряд их ядер одинаков. Отсюда Бор сделал вывод, что "при радиоактивном распаде элемента, совершенно независимо от каких-либо изменений его атомного веса, происходит его смещение в таблице Менделеева на два номера влево или на один номер вправо, в соответствии с уменьшением или увеличением заряда ядра, сопровождающим испускание альфа- или бета-лучей соответственно".

Закон радиоактивного смещения несколько позже Бора был сформулирован Содди в Глазго и Казимержем Фаянсом - уроженцем Польши, профессором университета в Карлсруэ. Обычно его и приписывают Содди и Фаянсу. Несмотря на открытие изотопии и установление этого важного закона, позволившего предсказать теоретически существование некоторых тогда еще неизвестных химических элементов, сущность самого явления долго оставалась нераскрытой и получила объяснение лишь после открытия нейтрона учеником Резерфорда Джемсом Чедвиком в Кавендишской лаборатории в 1932 г.

Повествование здесь несколько отклонилось в сторону и нарушилась последовательность изложения, однако это было сделано для того, чтобы показать, как исследования Резерфорда приводили к цепи важных открытий.

Возвратимся к прерванному рассказу, т. е. ко времени завершения работ, важность которых оценена в следующих словах Резерфорда: "...идее неизменности атомов был нанесен сильный удар, когда в 1902 г. было обнаружено, что атомы двух хорошо известных элементов урана и тория претерпевают подлинный процесс спонтанного превращения, хотя и идущий весьма медленным темпом".

А. Ив написал самую большую книгу о Резерфорде, сотрудником и личным другом которого он был много лет. Он утверждает, что к этому времени (имеется в виду 1903 г.) "Резерфорд был уже знаменит, радий стал предметом всеобщего увлечения, а теория радиоактивного распада атомов вызывала величайший интерес. Журналисты осаждали физическую лабораторию, помещая в прессе фантастические отчеты и сочиняя басни, пока им не запретили доступ в священную обитель".

Но о личном успехе, как это было неизменно и в дальнейшем, Резерфорд нисколько не заботился, и хотя его избрали с надлежащими почестями членом канадского Королевского общества, Американского физического общества и Британской ассоциации содействия прогресса, его главным, нисколько не ослабевающим интересом была работа, интенсивная и упорная, оставлявшая часто лишь несколько коротких часов для отдыха и сна.

Редкие поездки в страны Европы и в США (на сессии Американского физического общества, проводившиеся в Колумбийском университете) были к тому же кратковременными и всегда использовались Резерфордом в интересах работы.

Тем не менее собственной работы Резерфорду казалось недостаточно для изучения проблем радиоактивности, увеличивавшихся подобно лавине, и поэтому он решил привлечь к исследованиям начинающих ученых и студентов-физиков. Многие Аткликнулись на предложение Резерфорда работать в его лаборатории, так как оно соответствовало их интересам к такой увлекательной и многообещающей области, как радиоактивность. Первые молодые сотрудники Резерфорда составили ядро впоследствии всемирно известной монреальской школы физиков, и, таким образом, подтвердились другие слова проницательного Томсона, предвидевшего, что если Резерфорд будет избран профессором Мак-Гиллского университета, то он создаст выдающуюся школу физики в Монреале.

К группе молодых исследователей радиоактивности, окружающей Резерфорда в Монреале, начинают присоединяться ученые, прибывающие в Канаду из других стран. Одним из первых сюда приезжает молодой физико-химик Т. Годлевский из Краковского университета. Через некоторое время из Англии с рекомендацией В. Рамсея приезжает двадцатипятилетний химик Отто Ган, который после окончания университета в Германии практиковался в лаборатории Рамсея. Через 40 лет после отъезда из Монреаля, где он работал два года, Ган вместе с сотрудником по Институту Кайзера Вильгельма в Берлине Ф. Штрассманом получили Нобелевскую премию за открытие деления ядер урана.

Ган приехал к Резерфорду, чтобы вместе с ним объяснить одно интересное явление, которое обнаружил Ган в лаборатории Рамсея при выделении радия из минерала торианита.

Применяя методы Кюри, т. е. фракционирование, он заметил, что по мере выделения радия остаток становился более радиоактивным. Резерфорду, имевшему большой опыт в радиохимических исследованиях, пришла мысль, что в остатке концентрируется какой-то новый радиоактивный элемент. И действительно, в остатке Ган открыл радиоторий, входящий в семейство тория и во много тысяч раз более активный, чем радий.

Ган остался работать у Резерфорда и они выполнили вдвоем опыты с радиоторием, показавшие, что скорость альфа-частиц, выделяемых альфа-излучателями - радием А (полоний-218), полонием (Ро-210), актинием С (вис-мут-211) и торием С (висмут-212), различных по своим отношениям заряда к массе, во всех случаях одна и та же. Эти результаты указывали на идентичность всех использованных для опытов излучателей и испускаемых ими альфа-частиц.

Совместная работа Резерфорда с Ганом в Мак-Гиллском университете не ограничивалась только описанными опытами. Она развивалась в направлении изучения радиоактивных рядов, а следовательно, и радиоактивных превращений, подтверждающих правильность созданной им и Содди модели механизма радиоактивного распада как разрушения атомных структур. Именно распутывая непрерывный ряд взаимосвязанных распадов, Резерфорд в сотрудничестве с Содди создал учение о радиоактивности.

Завершились эти работы через пять лет после того, как Резерфорд приступил к ним в Монреале, и это был небольшой срок.

За восемь лет, проведенных в Канаде, Резерфорд опубликовал 50 научных статей (многие были написаны совместно с Содди);

каждая из них представляла большую ценность для новой, созданной Резерфордом области науки.

Здесь же он подготовил труд "Радиоактивные вещества и их излучения", впервые выпущенный издательством Кембриджского университета в 1904 г.

В последующие десятилетия этот труд, хорошо известный физикам и химикам нескольких поколений, неоднократно переиздавался во многих странах; несколько менялось и его название. По мере развития ядерной физики он пополнялся новыми главами, написанными Резерфордом вместе с сотрудниками. Поэтому на более поздних изданиях на титульном листе рядом с именем Резерфорда появились имена его учеников Чедвика и Эллиса.

В 1905 г. в английском журнале "Nature" лорд Релей напечатал отзыв на этот энциклопедический труд, в котором очень высоко оценил его. Релей писал: "Книга Резерфорда не имеет себе равной в качестве авторитетного изложения известных свойств радиоактивных тел. За большую часть этих знаний мы обязаны самому автору. Его изумительная энергия на этом поприще возбудила всеобщее восхищение. В течение нескольких лет едва ли проходил месяц без его личного вклада или вклада его учеников, которых он увлек этой проблемой; но что еще более удивительно - во всей этой массе работ вряд ли найдется вывод, который в настоящее время оказался бы плохо обоснованным".

Для физиков старшего поколения эта книга, широко известная и ныне, часто служила путеводной нитью, источником идей, побуждала выпускников всех университетов мира заняться ядерной физикой.

Известный ученый Б. М. Понтекорво в своих воспоминаниях об Энрико Ферми привел интересный факт: обсуждение книги Резерфорда в Римском университете вызвало интерес к экспериментальным исследованиям в области ядра у молодого профессора теоретической физики Э. Ферми. Имя итальянского ученого получило всемирную известность благодаря его работам по облучению нейтронами многих химических элементов.

До знакомства с трудом Резерфорда Ферми не занимался экспериментальной физикой.

Книга "Радиоактивные вещества и их излучения" продолжает переиздаваться в наше время и носит характер энциклопедии.

Работы Резерфорда 1899-1907 гг., объясняющие сущность радиоактивного распада и связанных с ним явлений, теперь составляют целые разделы учебников физики и химии. С ними знакомятся все обучающиеся в средней школе и в высших учебных заведениях. А тогда многие результаты, полученные Резерфордом при исследовании радиоактивности, вызывали изумление даже у знаменитых ученых.

Всемирно известный английский физик лорд Кельвин (Уильям Томсон) до самой смерти не мог примириться с утверждением Резерфорда, что радиоактивный распад есть разрушение атомов. Он не отказался от своего твердого убеждения, что атомы представляют собой "неделимые частицы материи", и оставался непоколебимым приверженцем взглядов древнегреческих философов-атомистов.

Здесь, в Канаде, анализируя результаты своих опытов, а также изучая работы немногих ученых, занявшихся исследованиями в области радиоактивности, Резерфорд первый нашел, что физические явления, связанные с радиоактивностью, сразу же объясняются, если предположить, что радиоактивность - это процесс распада вещества.

Разработанная более подробно Резерфордом с участием Содди схема радиоактивного распада убеждала в том, что атомы радиоактивных элементов в отличие от других атомов неустойчивы и самопроизвольно без вмешательства каких-либо внешних сил переходят в устойчивое состояние. Отсюда напрашивался вывод: в природе существует процесс превращения одних элементов в другие. Резерфорд любил называть науку о таких превращениях современной алхимией.

В начале XX века радиоактивный распад наблюдали лишь у немногих элементов, стоящих в последних клетках периодической системы. После объяснения его физической сущности открылся широкий простор для экспериментальных и теоретических исследований в этой области.

Теорию радиоактивного распада Резерфорд и Содди опубликовали впервые в 1903 г. В этом же году Мари Кюри защитила докторскую диссертацию, скромно озаглавленную "Исследование радиоактивных веществ". Ученые европейского и американского континентов завершили два важных этапа научных поисков. В Париже были открыты новые радиоактивные элементы с высокой активностью; в Монреале были созданы принципиальные представления о процессе радиоактивного распада и изучены физические свойства альфа-, бета- и гамма-излучений.

Резерфорд, находившийся в Париже, куда он приехал из Монреаля на короткое время, встретился с супругами Кюри на обеде, устроенном его другом Полем Ланжевеном 25 июня 1903 г. в честь Мари Кюри, защитившей в этот день докторскую диссертацию. Кроме Резерфорда на этом знаменательном обеде был Жан Перрен, сын которого Франциск Перрен стал видным физиком-атомником. "После очень оживленной беседы,- вспоминал об этом дне Резерфорд,- мы сидели в саду; было около 11 часов вечера, когда профессор Кюри вынес трубку, часть которой была покрыта сернистым цинком. В трубке находился концентрированный раствор радия. В темноте ночи свечение было поразительно ярким, и это был замечательный финал незабываемого дня. В тот момент мы не могли не заметить, что руки профессора Кюри были болезненно воспалены из-за действия лучей радия. Это был первый и последний раз, когда я видел Кюри".

Кто знает, может быть в этот вечер сверкающая трубка в руках Пьера Кюри натолкнула Резерфорда на мысль использовать экран из сернистого цинка для проведения своих известных опытов по изучению альфа-частиц по сцинтилляциям, вызываемым ими при падении на люминесцирующий экран. Опыты по изучению сцинтилляций впоследствии привели его к открытию атомного ядра, и поэтому их значение оказалось громадным для науки.

Изучая механизм радиоактивного распада и связанные с ним проблемы, Резерфорд, конечно, уже тогда задумывался над вопросом о том, что же в конце концов служит первопричиной радиоактивности, которая остается одним из удивительнейших природных процессов. Но ответа на этот вопрос не было и нет сейчас, когда ядерная физика достигла таких больших успехов.

Вот почему так похожи два приведенных отрывка из книг, время опубликования которых разделено несколькими десятками лет. Первый принадлежит Содди и взят из его книги "Радий и строение атома", изданной в 1908 г. Второй отрывок взят из книги немецкого физика Эдуарда Рюхардта "Строение вещества и излучение", изданной на русском языке (Госатомиздат, 1962 г.).

Содди писал: "Все, что можно пока сказать, это лишь то, что непосредственная причина атомного распада, по-видимому, заключается в случае. Если бы ангел смерти выбирал из всех живущих на свете определенное количество каждую минуту независимо от их возраста, молодых и старых, если бы он не обращал внимания ни на что, кроме числа жертв, и случайно выбирал одну жертву тут, другую там, пока не составится нужное число, то наше ожидание смерти было бы такое же, как у радиоактивных атомов. Вот и все, разумеется, что понимается в утверждении, что ход атомного разложения, по-видимому, обусловливается действием случая".

Содди так отвечал на возникающий при этом вопрос, почему же господствует этот закон случая: "Всегда существует причина последней причины. Атомное разложение, несомненно, является, последней причиной радиоактивности. Этот вывод не ослабляется тем, что пока еще мы не нашли окончательной причины атомного распада... Закон радиоактивных изменений ясно показывает, что прошлая история атома не увеличивает его шансов подвергнуться распаду в будущем; в этом мы имеем основное сведение, которое, однако, оставляет окончательную задачу неразрешенной".

А вот слова Рюхардта: "Причина радиоактивного распада подробно нам не известна. Нельзя, например, предвидеть, распадется ли определенный атом радия в ближайшую секунду или только через несколько тысяч лет. Но так как даже в очень небольшом количестве вещества содержится очень большое число атомов, то ход радиоактивного процесса со временем, в течение которого мы наблюдаем, регулируется простыми законами вероятности, также как смертность большого количества людей. После определенного времени остается только половина начального количества вещества, что можно установить по уменьшению в два раза ионизирующего действия. По истечении следующего такого же промежутка времени остается только ¹/₄ и снова через такое же время - только ¹/₈ часть и т. д.".

Сетования на то, что при всех своих величайших достижениях ядерная физика не в состоянии ответить на вопрос о первопричине радиоактивного распада, тем не менее не должны вселять пессимизм и внушать идею о непостижимости этой первопричины.

Резерфорд за несколько лет создал в Монреальском университете прекрасные условия для исследований в области радиоактивности, которые он и его сотрудники могли вести в достаточно хорошо оборудованных лабораториях - физической и химической, однако, несмотря на это, его не покидала мысль в конце концов вернуться в Англию и продолжать там работу. Еще в 1901 г. он писал Томсону: "После лет, проведенных в Кавендише, я чувствую себя несколько в стороне от науки; мне очень не хватает общения с людьми, интересующимися физикой".

Со временем, когда Мак-Гиллский университет стал одним из крупнейших центров по изучению радиоактивности и Резерфорд окружил себя талантливыми молодыми специалистами, в том числе приехавшими к нему из Европы, чувство, о котором он писал Томсону, вероятно, несколько утратило остроту. Тем не менее Резерфорд стремился к еще большей интенсификации работ, которые всегда ему казались недостаточными, и он считал, что круг его сотрудников мог бы быть более широким. Ему хотелось привлечь к своей работе молодых ученых из европейских университетов, пользовавшихся высокой репутацией, таких, как Кембриджский, Геттингенский или Сорбонна. Но в те времена, когда не было скоростной авиации, Канада казалась очень далекой от Европы страной и это мешало осуществлению его планов.

Кроме того, Резерфорд в годы, проведенные в Канаде, был постоянно и тесно связан с Кембриджем и вообще с научной жизнью Англии. Эта связь усилилась особенно после 1905 г., т. е. после избрания его в возрасте 32 лет членом Лондонского Королевского общества и присуждения ему за исключительные научные заслуги медали Румфорда.

Намерение Резерфорда перебраться в Англию осуществилось в 1907 г. Он навсегда покинул Монреаль, оставив здесь своих учеников, которые могли продолжать исследования радиоактивности. Однако после его отъезда направление этих работ приняло радиохимический характер (ими руководил Болтвуд), в то время как исследования самого Резерфорда и его сотрудников в Англии были чисто физическими.