Глава четвертая. Разгадка радиоактивности

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!