Радиохимия

Мы закончим главу кратким обзором успехов новой отрасли науки, получившей впоследствии название "радиохимия" и сыгравшей исключительно важную роль в истории открытия ядерной физики. Успехи этой пауки в рассматриваемый период отмечены двумя Нобелевскими премиями по химии за радиохимические исследования. В 1908 г. Нобелевскую премию по химии получил Эрнст Резерфорд, в 1911 г.- Мария Склодовская-Кюри. Это была ее вторая Нобелевская премия; первую премию по физике она получила вместе с мужем и Беккерелем в 1903 г. за открытие радиоактивности. Позднее (в 1921 г.) Нобелевскую премию по химии получил Ф. Содди, а в 1922 г. Ф. Астон, открывший метод разделения изотопов.

Методы радиохимии отличаются от методов обычной химии тем, что, производя обычными методами разделение вещества (растворение, выпаривание и т. д.), исследуют радиоактивность осадков, растворов, отходов и т. п. Радиоактивные методы весьма чувствительны. Число ионов, подсчитанных с помощью обычного чувствительного электрометра, соответствует количеству вещества, равному 10^-12 предельного количества массы, измеряемой точными весами.

Изумительная точность новых методов, позволяющая обнаружить присутствие вещества, в количествах, недоступных химическому и спектроскопическому исследованию, поражала воображение химиков и даже порождала недоверие к новым методам. Ф. Содди приводил в своей книге "Радий и его разгадка", написанной им в конце 1908 г., следующее высказывание известного химика Смитгельсса, сделанное им в президентской речи на съезде Британской ассоциации 1907 г.: "Зарождается неприятное чувство, когда делаются шаги, для химика чрезвычайно важные, в виде опытов над количествами вещества, невообразимо ничтожными. Конечно, спектральный анализ вывел химию за пределы, положенные весами, но новые вещества, которые он открывал, по крайней мере, могли быть собраны в заметных количествах. Что касается радиоактивности, то мы, по-видимому, создаем в ней - по отношению ко всему весомому - какую-то химию фантомов; и это уменьшение количества изучаемого материала в связи с излишеством ошеломляющих математических умозрений о природе или - я скорее мог бы сказать - об отсутствии природы у вещества должно, конечно, смущать неповоротливого земного философа, дело которого до сих пор ограничивалось сравнительно большими количествами материалов и небольшим числом грубых механических идей".

Да, переход в мир атомных явлений не мог не смущать ученых, обходившихся обычными экспериментальными методами и привычными механическими идеями. Содди остроумно возразил критику, что весы химика так же мало пригодны для работников в области радиоактивности, как и весы для взвешивания локомотивов химику. Защищая новые методы, он писал: "Приемы, при помощи которых мы можем открыть, без труда определить и точно измерить, скажем, одну биллионную миллиграмма эманации радия, обладают такой обоснованностью, что могут поспорить с любым из испытаний химика на любой род вещества, в малом ли или в большом количестве".

Новые методы не только утвердились в науке, вопреки их критикам, но привели к неслыханной точности, позволяя идентифицировать (как это было, скажем с открытием менделевия) всего несколько атомов вещества.

Резерфорд в университете Мак-Гилла (Монреаль)

Рассмотрим вкратце успехи радиохимии в период 1901-1917 гг. Как известно, еще в 1898 г. методами радиохимии Кюри получили полоний и радий. В это же время ими и независимо от них Шмидтом была открыта радиоактивность тория. Радиоактивность этого элемента была предметом исследований профессора электротехники Оуэнса в университете Мак-Гилла в Монреале (Канада). Ему удалось подметить странное явление: чувствительность радиоактивности тория к сквознякам.

В сентябре 1898 г. в Монреаль приехал Резерфорд и немедленна включился в работу Оуэнса по радиоактивности тория. Оуэне вскоре уехал в Англию, и Резерфорд продолжал исследования в одиночку. Поместив бумажный пакетик с окисью тория в трубку, через которую он пропускал воздух, он исследовал радиоактивность воздушного-потока. Ему удалось показать, что воздух уносил тонкое газообразное вещество, выделяемое торием. Это радиоактивное вещество Резерфорд назвал эманацией. Сообщение об этом открытии Резерфорд опубликовал в 1899 г. В следующем, 1900 г. Дорн открыл эманацию радия. Открытие эманации позволило понять явление так называемой индуцированной радиоактивности. В 1899 г. Дебьерн открыл в смоляной обманке новое радиоактивное вещество названное им актинием. Он заметил, что актиний в сильной степени возбуждает (индуцирует) активность у соседних тел и что вентиляция, как и в случае тория, уменьшает его активность. К 1903 г. Дебьерн получил эманацию актиния.

Вопрос о природе эманации был довольно туманным до тех пор, пока Резерфорд и Содди не доказали окончательно, что эманация - газ. В ноябре 1902 г. они получили эманацию в жидком виде. Конденсация происходила при температуре - 150°.

Ф. Содди

Изучая свойства ториевой эманации, Резерфорд заметил, что проволочка, помещенная в эманацию, становится радиоактивной. Эту радиоактивность можно было смыть кислотой. Точно так же на стенках трубочки, содержащей эманацию, получался активный налет, активность которого менялась со временем по довольно сложному закону. Резерфорду удалось распутать сложный клубок событий, происходящих в эманации, и открыть цепь превращений радия: Ra A→Ra B→Ra C, а затем Ra D→Ra E→Ra F→Ra G. Теория радиоактивных превращений, созданная Резерфордом и Содди, явилась ключом к пониманию запутанных явлений радиоактивности. Они постулировали закон, что скорость превращения пропорциональна наличному числу распадающихся атомов, закон, который, как мы видели, был статистически обоснован Швейдлером. Изучая превращения и открывая новые элементы, радиохимики натолкнулись на одно важное и необычное обстоятельство: некоторые радиоэлементы неотделимы друг от друга химически. Так, Ra D не удалось химически отделить от свинца. Эти изотопические свойства элементов были открыты со всей определенностью Ф. Содди в 1911 г., который в 1913 г. предложил и термин изотопы для химически неотделимых, но различных по своим радиоактивным свойствам элементов. В том же, 1913 г. Содди и независимо от него К. Фаянс сформулировали закон радиоактивного смещения, позволяющий определить на основе радиоактивного излучения место радиоактивного продукта по отношению к исходному продукту в менделеевской таблице.

Мы не будем исследовать во всех деталях историю радиохимии и ограничимся краткими сведениями об открытии радиоактивных элементов. Здесь следует упомянуть открытие урана Y Г. Н. Антоновым в 1911 г., урана Х₂К. Фаянсом и Герингом в 1913 г., урана I и урана II К. Фаянсом в 1913 г. В дальнейшем были уточнены и схемы распада, оказавшиеся более сложными, чем первоначально предполагалось. Уже в 1906 г. Резерфорд высказал идею, что ряд актиния является ответвлением ряда урана-радия, а в 1911 г. Фаянс обнаружил разветвление у радия С. Однако вопрос о происхождении актиния был решен только в 1917 г., когда О. Ган, с одной стороны, и независимо от него Л. Мейтнер, Ф. Содди и Д. Кранстон, с другой, открыли протактиний, который, как полагали авторы открытия, возникал из урана Y. Сегодня ряд актиноурана, с родоначальником - изотопом урана 235 (актиноуран); образует самостоятельное семейство, в которое входит и открытая в 1917 г. цепочка UY (²³¹Th) → Ра → Ас.

Были также в последующем развитии уточнены характеристики элементов, их атомный вес, постоянная распада и период полураспада. Однако начало этих определений было положено уже в работах М. и П. Кюри и Резерфорда. В 1910 г. на Брюссельском конгрессе радиологов уже был поставлен вопрос о радиевых стандартах и номенклатуре. Доклад о терминологии представил конгрессу О. Ган от имени Немецкого физического общества. Приведем некоторые положения этого доклада в том виде, как они были сформулированы в его статье по этому предмету.

"Время, в течение которого активность однородного вещества убывает наполовину, будет обозначаться как период полураспада (Halbwertzeit), но никоим образом как половина продолжительности жизни". "Часто употребляемое до сих пор выражение "индуцированная активность" для "активного осадка" должно быть оставлено, потому что, например, радий А, В, С ни в коем случае не являются свойствами, а веществами с определенными физическими и химическими свойствами".

Вопрос о наименованиях многочисленных продуктов распада оставался без изменения. Сложная природа продуктов отмечалась индексами, например радий C₁ и радий С₂, мезоторий-1 и мезоторий-2.

"Значительно более трудными, чем вопросы терминологии, являются вопросы об единых измерениях радиоактивных продуктов и о международном радиостандарте. Согласованные и правильные измерения различных радиоактивных веществ являются очень жгучими, но и очень трудными вопросами, которые должны быть решены в ближайшем будущем".

О. Ган указывает, что для бальнеологических целей в Австрии и Германии пользуются так называемой единицей Махе, основанной на измерении абсолютной силы тока.

Единица Махе ¹/₁₀₀₀ абс. эл.-ст. ед. = 3*10^-13 ампер. Часто вместо силы тока указывается падение напряжения в сосуде определенных размеров.

Но для радиоактивных измерений важен радиевый стандарт.

Резерфорд со всей ясностью указал на конгрессе на насущную необходимость этого. Он подчеркнул, что применяемые в различных странах стандарты разнятся друг от друга не менее чем на 20%.

Председательствовавшие на конгрессе Мария Кюри и Резерфорд предложили создать комиссию для изучения этого вопроса, в которую вошли: Мария Кюри и Дебьерн (Франция), Резерфорд и Содди (Англия), Мейер и Швейдлер (Австрия), Гейтель и Ган (Германия), Болтвуд (США), Ив (Канада).

Кюри объявила конгрессу, что она уже изготовила стандарт, содержащий около 20 мг радия. Конгресс выразил пожелание возместить Кюри стоимость стандарта и приобрести его в собственность Международной комиссии, с тем чтобы он хранился в Париже. Было признано также желательным изготовить в отдельных институтах меньшие стандарты от 1 до 2 мг.

Поскольку эманация радия находит применение во многих научных исследованиях, то было признано желательным установить единицу для количества эманации. Конгресс принял наименование "кюри" для количества эманации, находящегося в равновесии с 1 г радия. Несколько позже Болтвуд предложил сохранить название "кюри" для всех продуктов урано-радиевого ряда, находящегося в равновесии с 1 г радия.

Таковы были предложения конгресса, которые Ган справедливо назвал первым шагом к единым международным радиоизмерениям. Состав конгресса показывает, между прочим, что в дело изучения радиоактивности включились многие ученые и научные учреждения Европы, Канады, США. В том же, 1910 г., в Вене открылся институт радия, первым директором которого был Стефан Мейер, руководивший институтом с 1910 по 1920 г. Развилась промышленность по изготовлению радиоактивных препаратов, родоначальница атомной промышленности. В исследование радиоактивности включилась и Россия. Одним из первых начал изучение радиоактивности Н. Д. Пильчиков, бывший в момент открытия радиоактивности профессором Новороссийского университета в Одессе. В 1901 г. в Одессе вышла его книга "Радий и его лучи".

В Одессе же в 1910 г. открылась первая радиологическая лаборатория под руководством Е. С. Бурксера. Радиоактивность занимала умы многих выдающихся русских физиков и химиков. В. А. Бородовский, А. П. Соколов, И. И. Боргман, Л. С. Коловрат-Червинский, В. И. Вернадский и многие другие были пионерами в исследовании радиоактивности в России. В Московском университете А. П. Соколов и К. П. Яковлев организовали первый в России практикум по радиоактивности. Проводились экспедиционные исследования радиоактивности руд и источников. Работавший в лаборатории сотрудник химической лаборатории Петербургской Академии наук Г. Н. Антонов, как мы уже говорили, открыл в 1913 г. уран Y и исследовал его свойства.

Кропотливые, далеко не эффектные радиологические исследования открывали путь к овладению атомной энергией. Эта волнующая цель вдохновляла многих пионеров радиоактивности. "Отыскание ключа к магазинам внутриатомной энергии,- писал в 1913 г. В. А. Бородовский,- будет величайшим завоеванием человеческого духа. Никакие исторические открытия не могут сравниться с тем открытием, которое передаст в обладание человека неистощимые запасы внутриатомных сил..."