Невидимки-помощники

1934 год. 15 января

«Великое научное событие — открытие в 1934 г. господином и госпожой Жолио-Кюри искусственных радиоэлементов — было одним из решающих и крупнейших по своему значению этапов в развитии современной физики»

Французский физик МОРИС де БРОЙЛЬ

Удивительный магазин

Тот, кто въезжал в Москву со стороны Внуковского аэропорта, наверно, обратил внимание на магазин с очень необычным названием, расположенный по дороге к центру Москвы. На вывеске магазина огромными буквами выведено:

И З О Т О П Ы

Этот магазин открылся недавно, в конце 1959 г. Но он уже приобрел широкую известность во всем мире. Здесь все необычно. Начнем с того, как покупаются товары в этом магазине. В обычном магазине вас никто не спрашивает, кто вы, где вы работаете и имеете ли право покупать ту или иную понравившуюся вам вещь. А здесь вас обязательно спросят. Более того, потребуют справку о том, что вы имеете право покупать товары в этом магазине. Не бюрократизм ли это? Нет, все правильно; иначе и не может быть.

А покупатели? Они тоже необычные. Это представители заводов, фабрик, научно-исследовательских институтов. Нередко здесь можно встретить и иностранных покупа­телей. Они тоже приехали в СССРза продукцией, продаваемой в магазине.

А сотрудники магазина? Ни в каком другом магазине вы не встретите такую должность, как научный руководитель магазина. А здесь она есть. Подавляющее большинство продавцов — инженеры и техники. И это тоже необычно.

Так что же такое изотопы? Рассказывая биографию атома, мы пока о них не упоминали. Но, даже не зная еще, что это такое, можно с уверенностью сказать, что раз существует магазин, значит, существует и рынок сбыта его товаров. Значит, продукция, продаваемая в магазине, широко используется потребителями. Ведь бессмысленно же открывать магазин без уверенности, что будут покупатели! Другими словами, только один факт существования такого магазина говорит о широком использовании изотопов в Советском Союзе и других странах.

Но при чем здесь магазин? И какое он имеет отношение к биографии атома? Самое непосредственное. Существование этого магазина, широкое использование человеком изотопов стало возможным благодаря следующему в биографии атома открытию, сделанному за 25 лет до открытия магазина, в 1934 г. Это открытие принадлежит знаменитому французскому ученому-физику, пламенному борцу за мир — Фредерику Жолио-Кюри. Об этом открытии мы и хотим рассказать.

Почему не целые числа?

Мы уже знаем, что атомный вес элементов определяется суммой нейтронов и протонов в их ядрах. А в таблице у большинства элементов атомные веса не целые, а дробные. Например, у калия точный атомный вес 39,1, у урана— 238,07. На первый взгляд это непонятно. Ведь не может же быть в ядре, например, одна десятая протона или семь сотых нейтрона?

Этот вопрос давно уже мучил ученых. Даже когда они не знали о существовании нейтронов и протонов, дробные атомные веса элементов вызывали у них недоумение. Химики, определявшие атомные веса элементов, вначале думали, что дробные числа объясняются неточностью опытов по определению атомного веса элементов. Но постепенно они убедились в том, что дело не в точности измерений, а в чем-то другом.

Современник Менделеева, выдающийся русский ученый Бутлеров, выдвинул предположение, что у каждого химического элемента имеется несколько разновидностей атомов, отличающихся только атомным весом. Поскольку эти разновидности атомов встречаются с разной вероятностью, то в среднем и получаются у элементов дробные числа. Химические же свойства у этих разновидностей элементов абсолютно одинаковые. Поэтому они и стоят в одной клетке в таблице Менделеева.

Предположение Бутлерова было правильным. Но объяснить и доказать его Бутлеров не мог. Ведь тогда не знали о существовании нейтронов и протонов.

Позднее, в 1910 г., ученик Резерфорда английский ученый Содди, изучавший явление радиоактивности, высказал фактически ту же мысль, что и Бутлеров. Он предложил эти разновидности атомов называть изотопами (по-гречески изотоп означает «занимающий то же место»). Так родился этот термин, который в настоящее время прочно вошел в наш язык.

Но загадка дробных чисел у атомных весов элементов стала ясной только после того, как советский ученый Дмитрий Иваненко разработал теорию нейтронно-протонной структуры ядра атома. Исходя из этой теории, все можно было объяснить очень просто. Если разновидности элементов стоят в одной клетке таблицы Менделеева, значит, число протонов в ядре у этих элементов одинаковое. Следовательно, и химические свойства, определяемые зарядом ядра, у них одинаковые. Но каждая разновидность данного элемента — изотоп — имеет отличное от остальных изотопов число нейтронов в ядре. Поэтому каждый элемент, состоящий из смеси изотопов, и имеет дробный атомный вес.

Например, хлор. В ядре атома хлора 17 протонов. Он поэтому и стоит на 17-м месте в таблице Менделеева. Но атомный вес хлора в точности равен 35,457, а не 35, как мы раньше для простоты писали, рассказывая о Дальтоне. Это получается потому, что есть две разновидности ядер хлора. В одних ядрах 18 нейтронов, а в других — 20 нейтронов. Число же протонов в обоих сортах ядер одинаково. Вот и получается, что атомный вес хлора в среднем 35,457.

Так теория советского ученого Дмитрия Иваненко о нейтронно-протонной структуре атомных ядер позволила разгадать еще одну загадку атома.

Радиоактивность можно создать!

Мы уже говорили о том, что радиоактивность — это внутриатомный процесс. Замедлить или ускорить излучение радиоактивных элементов невозможно ни теплом, ни холодом, ни химическими реакциями, ни светом, ни звуком, ни механическим воздействием. И тем более никто из ученых не предполагал, что радиоактивность можно создать, вызвать искусственно.

Но вот открытие Чедвика дало в руки ученых идеальный снаряд для обстрела атомных ядер — нейтрон. Он свободно проникал в глубь атомного ядра.

Пауза в развитии ядерной физики кончилась. Началась новая волна интенсивных исследований, но уже при помощи нейтронов. Это был «бег на стартовой дорожке исследований», как сказал Резерфорд. И лидировали в этом стремительном беге науки все те же супруги — Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они продолжали работать в Институте радия под руководством уже всемирно известной Марии Кюри.

Конечно, им было немного досадно, что в очень важном открытии нейтрона, которое, как говорится, было у них уже «на носу», их опередил, причем буквально на несколько дней, Чедвик. Но имеет ли это какое-нибудь значение, если наука от этого только выигрывает! А только так, а не иначе относиться к научной работе их научила Мария Кюри, и они продолжали исследования при помощи нейтронов.

Все новые и новые статьи об исследованиях нейтронов появлялись во французских научных журналах в 1932— 1934 гг. Под статьями стояли подписи Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Ими была точно измерена масса нейтрона, изучены условия, при которых возникает нейтронное излучение, и проведен большой ряд других исследований. И, наконец, 15 декабря 1934 г. они представили во Французскую академию наук новый доклад о еще одном замечательном открытии. Молодые супруги Кюри опрокинули устоявшееся мнение, что явление радиоактивности не подчиняется воле человека. Своим открытием они доказали, что радиоактивность можно создать.

Что случилось с алюминием?

Однажды Фредерик и Ирен Жолио-Кюри работали с радиоактивным элементом, открытым еще давно Марией и Пьером Кюри,— полонием. В ходе опытов нужно было на пути лучей, испускаемых полонием, поставить тонкую алюминиевую пластинку, чтобы отсеять альфа-лучи, испускаемые полонием. Пластинку поставили. Как и следовало ожидать, альфа-лучи задерживались пластинкой, а бета-лучи, также входящие в состав излучения полония, проходили через пластинку.

Но вот полониевый источник убрали. Что за чудо? Излучение продолжается, алюминиевая пластинка сама стала радиоактивной! Было над чем задуматься. И пока Фредерик и Ирен размышляли над непонятным явлением, излучение алюминия через несколько минут прекратилось. Новая загадка.

Опыт повторили. И снова возникало излучение из алюминия, которое пропадало через несколько минут. Что же происходит с алюминием? Почему он начинает сам излучать, причем его таинственное излучение довольно быстро пропадает?

>

Вот в чем дело

Было совершенно ясно, что причиной появления кратковременной радиоактивности у алюминия является облучение его излучением полония. Значит, решают супруги

Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в 1930-х годах,

Жолио-Кюри, это излучение действует на атомы алюминия так, что они сами становятся радиоактивными. Но только на несколько минут, а не на тысячи лет, как атомы радия, урана, тория, полония и других естественных радиоактивных элементов.

Раз альфа-лучи полностью поглощались алюминиевой пластинкой, значит, только они и «ответственны» за радиоактивность алюминия. Это ясно. Но каков механизм возникновения радиоактивности? И супруги Жолио-Кюри делают смелое предположение: при захвате альфа-частиц ядрами алюминия происходит ядерная реакция, в результате которой эти ядра сами делаются способными испускать радиоактивное излучение. Но раз ядро поглотило альфа- частицу, то оно уже не является ядром атома алюминия, а становится ядром другого элемента—фосфора.

Но это надо доказать. И супруги Кюри идут к химикам. Они просят рекомендовать им такой способ обнаружения фосфора в веществе, чтобы его присутствие можно было обнаружить в течение нескольких минут. Ведь радиоактивность пропадает очень быстро. Но химики только разводили руками — способа такого молниеносного анализа они не знают. Вот если в течение нескольких часов, то пожалуйста!

Ничего не оставалось делать, как самим превратиться на время в химиков и разработать такой способ. Прошло немного времени, и такой способ Фредерик и Ирен Жолио- Кюри разработали. Они научились менее чем за три минуты определять присутствие фосфора и доказали, что радиоактивные ядра, возникающие в алюминии, действительно являются ядрами атомов фосфора.

Но супруги Жолио-Кюри шли еще дальше. Они доказали, что под действием альфа-частиц из ядер атомов алюминия образуются не встречающиеся в природе ядра атомов фосфора— новый, радиоактивный изотоп фосфора. Так впервые появился хорошо известный нам термин — радиоактивный изотоп.

Количество искусственно полученных радиоактивных атомов фосфора в результате радиоактивного распада уменьшалось вдвое примерно через каждые три минуты: излучение довольно быстро прекращалось.

Сделанное открытие чрезвычайно заинтересовало Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. Они решили выяснить: а нельзя ли создать радиоактивные изотопы других элементов? Попробовали облучать альфа-частицами и нейтронами другие элементы и получили новые искусственные элементы. Стало ясно, что радиоактивные изотопы элементов, никогда не существовавшие в природе, могут быть созданы руками человека.

И супруги Жолио-Кюри записали в своем докладе представленном 15 января 1934 г. во Французскую академию наук: «Впервые и окончательно была установлена возможность создать вызванную внешней причиной радиоактивность определенных атомных ядер, которая сохранялась в течение измеримого времени и после устранения возбудившей ее причины».

Изотопный ассортимент

Уже через год после открытия искусственной радиоактивности учеными было получено более пятидесяти радиоактивных изотопов. Их стали получать главным образом путем облучения различных веществ нейтронами. Ведь для этой цели нейтроны более эффективны, так как они свободно проникают в глубь ядер.

Радиоактивные изотопы стали широко использоваться учеными для исследований по ядерной физике. По желанию можно было получить изотопы, испускающие различные виды излучений: нейтроны, альфа-, бета- и гамма-излучение,— причем любой интенсивности и с различными энергиями испускаемых частиц.

Количество радиоактивных изотопов, получаемых учеными, становилось все больше и больше. Были получены радиоактивные изотопы для разных целей и с самыми разнообразными свойствами. В настоящее время количество их достигает нескольких сотен. Настоящий изотопный ассортимент!

Это открытие принесло Фредерику и Ирен Жолио- Кюри мировую славу. Они были награждены орденами Почетного легиона, почетными премиями Французской академии наук и, наконец, в 1935 г.—Нобелевской премией.

Замечательное открытие искусственной радиоактивности привело к широкому использованию радиоактивных изотопов в науке и технике. Сейчас можно уже говорить о существовании целой изотопной промышленности, т. е. промышленности, занимающейся производством изотопов для самых разнообразных целей.

Эти изотопы и продаются в магазине на Ленинском проспекте в Москве — столице страны, которая широко использует замечательное открытие Фредерика и Ирен Жолио-Кюри для благо человека.

Но как и для чего используются радиоактивные изотопы?

Невидимки-помощники

Если бы пришлось рассказывать о всех сторонах применения радиоактивных изотопов, то описание этого составило бы несколько толстых томов. В настоящее время, пожалуй, нет ни одной отрасли науки и техники, в которой не использовались бы радиоактивные изотопы. Они широко применяются в металлургии, машиностроении, приборостроении, медицине, сельском хозяйстве, биологии, химии, геологии и многих, многих других отраслях знаний благодаря основному своему свойству — радиоактивности. Атомы радиоактивных изотопов — это невидимые радиостанции, которые все время посылают сигналы о своем местонахождении. Эти сигналы — альфа-, бета- и гамма-лучи и нейтроны, испускаемые радиоактивными атомами,— фиксируются специальными приборами — дозиметрами или счетчиками частиц. Этими приборами и обнаруживают местонахождение радиоактивных атомов.

И это очень удобно. Понадобилось, например, металлургам узнать, как быстро изнашиваются стенки домны. Делают очень просто. В стене домны закладывают немного радиоактивного вещества. После того как домна начала работать, пробы металла из каждой плавки проверяют на радиоактивность. Присутствие радиоактивных атомов в чугуне служит признаком износа стен домны. Удобно, не правда ли? И совсем не нужно прерывать работу печи, лезть в нее для проверки состояния стен домны. Это можно знать, находясь в лаборатории.

Или в медицине. Понадобилось, например, узнать, как распределяется какое-либо лекарство в организме человека. В состав этого лекарства, допустим, входит фосфор. Тогда для приготовления лекарства используют фосфор, содержащий немного радиоактивных атомов (радиоактивный изотоп фосфора). Приложив счетчик к разным участкам тела человека, принявшего такое лекарство, можно точно узнать, где оно задержалось. Или в сельском хозяйстве. Нужно, например, узнать, хорошо ли усваивается удобрение растением. В удобрение добавляют немного радиоактивных атомов и затем поливают растение раствором этого удобрения. Если через некоторое время это растение сорвать и приложить к фотобумаге, а фотобумагу затем проявить то по степени почернения ее можно судить, как распределились радиоактивные атомы удобрения в растении. А вот еще пример. Газовая магистраль, проходящая под улицами города, дала трещину. Газ теряется, но где место повреждения — неизвестно. Можно, конечно, вырыть траншею вдоль трубы и найти место повреждения. Но это дорого и долго. Вместо этого в газ, проходящий по трубе, добавляют газ с радиоактивными атомами. А затем со счетчиком радиоактивного излучения идут вдоль места расположения трубы. В том месте, где газ просачивается через землю, счетчик сразу дает показание. Место повреждения трубы определяется очень точно, и отрывать газовую магистраль нужно только в одном месте. Быстро, удобно и дешево.

Подобных примеров можно привести тысячи. Такой способ использования радиоактивных изотопов называется методом «меченых» атомов. Атомы «метят», делая их радиоактивными, а затем определяют их местонахождение, которое характеризует ход того или иного исследуемого процесса.

Кроме метода меченых атомов, применяются другие многочисленные методы использования радиоактивных изотопов. Особенно широко они применяются в медицине для так называемой лучевой терапии. Этот термин пришел на смену известному нам термину — кюритерапия. При кюритерапии лечение больных производилось при помощи излучения радия, а в лучевой терапии — при помощи излучения искусственно созданных радиоактивных изотопов. При том широком применении лучевой терапии, как, сейчас, потребовалось бы огромное количество радия. Тех нескольких килограммов радия, которые имеются сейчас во всем мире, конечно, не хватило бы для многочисленных современных лечебных установок. А искусственных радиоактивных веществ можно создать сколько угодно. И стоят они во много раз меньше радия.

Широко применяется излучение для контроля различных процессов. Например, по степени ослабления излучения можно легко и просто контролировать толщину материалов — стальной ленты, бумаги, искусственной кожи и т. д. Небольшой приборчик, называемый толщиномером, ставят рядом с лентой, сматываемой в рулон, и он безошибочно фиксирует в ее отклонения толщины ленты от заданного размера.

Или еще. Недавно разработан прибор для почти мгновенного определения влажности почвы. Ведь содержание влаги в почве очень важно знать для того, чтобы вовремя начать сев. Устройство прибора основано на изменении плотности почвы в зависимости от содержания в ней влаги. Чем больше влаги, тем сильнее земля поглощает радиоактивное излучение. Такой прибор состоит из двух заостренных палочек. На конце одной находится радиоактивный источник, а на конце другой — детектор излучения. Втыкают в почву эти две палочки на определенном расстоянии одна от другой и по прибору определяют прохождение излучения через землю, находящуюся между источником и детектором, а по излучению — содержание влаги в земле.

Таких примеров использования искусственных радиоактивных изотопов можно привести очень много. Потребность в изотопах очень велика. Поэтому и открыт в Москве магазин «Изотопы».

Однако обращаться с радиоактивными изотопами нужно осторожно. Ведь излучение в больших дозах вредно действует на здоровье людей. Поэтому изотопы перевозят и хранят в специальных контейнерах с толстыми стенками, полностью поглощающими излучение. Работают с радиоактивными изотопами только специально подготовленные люди. Вот поэтому не каждому продают изотопы в магазине на Ленинском проспекте, а только тем, кто является представителем организации, использующей эти изотопы.

Рассказывая об открытии искусственной радиоактивности, сделанном Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г., нам пришлось забежать вперед, в нынешние времена. Теперь мы вернемся назад, к 30-м годам нашего века, к следующему этапу в биографии атома.

Как-то раз...

В лаборатории одного из московских научно-исследовательских институтов пропал радиоактивный источник. Этот источник, использовавшийся для физических исследований, представлял собой металлический патрончик величиной с наперсток, внутри которого помещался радиоактивный источник малой мощности.

Сотрудники лаборатории называли его просто «пулька». Источник стоил дорого, и пропажа его грозила серьезными неприятностями для сотрудников лаборатории. Никто, конечно, не сомневался в том, что в пропаже «пульки» не было злого умысла. Такой источник ведь нельзя использовать ни для каких целей, кроме физических исследований. Начали искать. «Пулька» маленькая, могла закатиться в любую щель, и увидеть ее среди многочисленных приборов и оборудования лаборатории было почти невозможно. Поэтому «пульку» начали искать при помощи прибора, регистрирующего радиоактивное излучение. Но все было безрезультатно: признаков радиоактивности ни в одном месте лаборатории не обнаруживалось. Тогда решили, что уборщица, не заметив «пульки», просто вымела ее при уборке лаборатории и вместе с мусором унесла на институтскую свалку. И как ни было неприятно сотрудникам лаборатории идти на свалку и «обследовать» ее, им пришлось это сделать. В течение нескольких часов под иронические замечания и смех сослуживцев незадачливые сотрудники лаборатории «обследовали» весьма солидное количество мусора и отбросов. Однако добились своего. Действительно, в одном из ящиков было обнаружено присутствие радиоактивности: на дне ящика, под мусором, лежала разыскиваемая «пулька». Однако «искатели» считали себя все-таки удачниками: если бы мусор успели вывезти на городскую свалку, то поиски «пульки» там могли бы не увенчаться успехом или уж, во всяком случае, потребовали бы значительно большего и не очень приятного «труда».