Судьба свела Резерфорда с талантливым и энергичным молодым химиком Фредериком Содди, только что окончившим Оксфордский университет. Ему было всего 22 года. С пылкой юношеской страстью он настаивал, что строение материи — это область химии, а не физики. С такой же прямотой он провозгласил свою приверженность к алхимическим взглядам и утверждал, нисколько не смущаясь: «Очень мало может быть узнано о строении материи, пока не будет совершено превращение элементов. Сегодня, как и всегда, это реальная цель химика».
Вспомним, что и сам Резерфорд в молодости не был чужд этой идеи, хотя и вынужден был потом признать, что зашёл слишком далеко.
Совместная работа этих учёных дала замечательные результаты. Однажды Содди удалось отделить от тория какую-то примесь, рождавшую, как оказалось, эманацию. Очевидно, не сам торий, а именно эти примеси ответственны за образование радиоактивного газа. Однако при проверке было установлено, что и очищенный торий также давал эманацию. Это было удивительно! И вдруг они узнали, что ещё годом раньше с подобным явлением столкнулся Крукс, экспериментировавший не с торием, а с ураном. Будучи прекрасным химиком, он очистил урановый препарат и также отделил какую-то излучавшую примесь. Исследовав её химические свойства, Крукс убедился, что это не радий и не полоний. Зато уран, очищенный от примеси, перестал излучать. Беккерель, первооткрыватель уранового излучения, тотчас повторил опыты Крукса и получил те же результаты, но очищенный и переставший излучать уран он сохранил и проверил на радиоактивность спустя несколько месяцев. Результат был ошеломляющим: радиоактивность полностью восстановилась! Между тем Крукс сумел выделить новое вещество и дал ему имя — уран- X. Беккерель с удивлением обнаружил, что в то время, как радиоактивность чистого урана восстановилась, у второго она исчезла.
Резерфорд и Содди по аналогии с ураном- XКрукса выделенное ими вещество назвали торий- X.
А некоторое время спустя о наблюдениях Беккереля им сообщил сам Крукс. Это заставило их немедленно взяться за работу, чтобы выяснить, не восстанавливается ли утраченная радиоактивность у тория. Да, очищенный торий вёл себя так же, как и очищенный уран, — то терял радиоактивность, то снова её приобретал. Постепенно вырисовывалась картина: торий, излучая, рождает торий- X, а последний — эманацию. Если в целом интенсивность излучения остаётся постоянной, то это потому что торий- Xсо временем распадается, однако запас его постоянно пополняется. Это было смелым, для того времени почти невероятным предположением. Но исследователи уже имели возможность измерять и взвешивать полученные вещества, хотя и было их крайне мало. Ими давно было установлено, за какое время наполовину снижается интенсивность излучения этих веществ, а это можно было сопоставить с их общей массой. Они решили проверить себя химическим путём. По закономерности спада интенсивности радиации они рассчитали, сколько должно образоваться тория- Xиз неактивного очищенного тория через определённые промежутки времени, и опыт блестяще подтвердил их расчёты. Ошеломлённый Содди воскликнул: «Резерфорд! Это превращение элементов!» Шеф и сам был в восторге, но опыт есть опыт: «Ради святого Майка, Содди, не называйте это трансмутацией! Они снимут нам головы, как алхимикам. Вы же знаете их».
Резерфорд знал, что говорил: на заседании Макгиллского физического общества, где он изложил теорию самопроизвольного превращения элементов, монреальские учёные настойчиво рекомендовали докладчику воздержаться от публикации статей на такую тему. Они опасались полного их провала и дискредитации Мак-Гиллского университета. Один за другим выступали коллеги, советуя Резерфорду быть осмотрительным, осторожным в выводах, тщательным в проверке и перепроверке данных. Резерфорд не выдержал и закатил такую ответную речь, о которой благожелательно к нему настроенный профессор Н.Шоу выразился очень сдержанно: «Его ответная жаркая речь была не совсем удачной…»
Разразившуюся бурю успокоил профессор Джон Кокс. Он мягко и спокойно внёс необходимые разъяснения и дал понять аудитории, что за честь Мак-Гиллского университета едва ли есть основания беспокоиться; наоборот, работы Резерфорда ещё принесут Мак-Гиллу мировую славу, настанет день, когда экспериментальные исследования этого учёного будут рассматриваться, как величайшие со времён Фарадея.
Фарадей — не это ли имя вдохновляло герметических философов XIX столетия?
Работы Резерфорда и Содди по «теории дезинтеграции материи» были опубликованы в Европе в солидном научном журнале и стали предметом жаркого обсуждения.
Содди навсегда уехал в Англию с намерением работать в лаборатории знаменитого Рамзая. Резерфорд же собирался поехать в Европу в отпуск. К тому времени европейская пресса была полна сообщениями о канадских работах по радиоактивности и о трансмутации. Даже юмористические журналы взяли эту тему на вооружение. Секретарь Лондонского Королевского общества Д.Лармор, узнав, что Резерфорд намерен побывать в Европе, написал ему: «Вы будете львом сезона для газет, которые стали радиоактивными». Так оно и случилось в широких слоях общества, в журналистике, но пока ещё не в учёном мире. У последнего необходимо было ещё завоевать признание. В Саутспорте на конгрессе Британской ассоциации содействия развитию науки Резерфорд открыл дискуссию об эманациях радия и тория. Он пытался убедить аудиторию в том, что «теория дезинтеграции материи» объясняет необычайный феномен. В дискуссии принял участие видный учёный того времени сэр Оливер Лодж и зачитал послание отсутствующего знаменитого физика лорда Кельвина. Лорд Кельвин предупреждал членов ассоциации, чтобы они не слишком полагались на новые теории мистера Резерфорда. Давалось понять, что выводы его ошибочны, что трансмутация — плод воображения, а радиоактивные излучения — радиевые пары или, возможно, молекулярная пыль бромида радия. Зал разразился аплодисментами, и Резерфорд почувствовал, что трудно будет ему противостоять мнению такого авторитета, как лорд Кельвин, знаниям и опыту которого безоговорочно верили два поколения физиков. Президент Химического общества Англии Генри Армстронг после зачтения письма Кельвина сказал с нескрываемой иронией: «Я был поражён подвигами воображения мистера Резерфорда». Он выражал удивление по поводу того, что, оказывается, существуют атомы, одержимые «неизлечимой манией самоубийства», и «считал своим долгом» сообщить аудитории, что «у химиков, конечно, нет никаких доказательств распада атомов на земле».
Резерфорд, как известно, не отличался сдержанностью, но монреальский погром пошёл ему на пользу. Он взял на вооружение выдержку и спокойствие Джона Кокса — можно представить себе, чего это ему стоило. Не выдержал Содди. Он с таким неистовством и язвительностью накинулся на Армстронга, на всех, кто не хотел слушать аргументов, что председательствующий лишил его слова. Здесь он проявил себя настоящим «каустиком Содди», как было потом скаламбурено о нём в юмористическом журнале.
Резерфорд на этот раз держался с исключительным хладнокровием и твёрдостью. Он подробно разбирал факты и давал им оценку, предлагал найти другое объяснение. Ничего серьёзного его оппоненты не могли ему противопоставить.
Драма Рамзая и природная трансмутация
Полуспиритическое состояние и кризис в науке
Вспомним, что и сам Резерфорд в молодости не был чужд этой идеи, хотя и вынужден был потом признать, что зашёл слишком далеко.
Совместная работа этих учёных дала замечательные результаты. Однажды Содди удалось отделить от тория какую-то примесь, рождавшую, как оказалось, эманацию. Очевидно, не сам торий, а именно эти примеси ответственны за образование радиоактивного газа. Однако при проверке было установлено, что и очищенный торий также давал эманацию. Это было удивительно! И вдруг они узнали, что ещё годом раньше с подобным явлением столкнулся Крукс, экспериментировавший не с торием, а с ураном. Будучи прекрасным химиком, он очистил урановый препарат и также отделил какую-то излучавшую примесь. Исследовав её химические свойства, Крукс убедился, что это не радий и не полоний. Зато уран, очищенный от примеси, перестал излучать. Беккерель, первооткрыватель уранового излучения, тотчас повторил опыты Крукса и получил те же результаты, но очищенный и переставший излучать уран он сохранил и проверил на радиоактивность спустя несколько месяцев. Результат был ошеломляющим: радиоактивность полностью восстановилась! Между тем Крукс сумел выделить новое вещество и дал ему имя — уран- X. Беккерель с удивлением обнаружил, что в то время, как радиоактивность чистого урана восстановилась, у второго она исчезла.
Резерфорд и Содди по аналогии с ураном- XКрукса выделенное ими вещество назвали торий- X.
А некоторое время спустя о наблюдениях Беккереля им сообщил сам Крукс. Это заставило их немедленно взяться за работу, чтобы выяснить, не восстанавливается ли утраченная радиоактивность у тория. Да, очищенный торий вёл себя так же, как и очищенный уран, — то терял радиоактивность, то снова её приобретал. Постепенно вырисовывалась картина: торий, излучая, рождает торий- X, а последний — эманацию. Если в целом интенсивность излучения остаётся постоянной, то это потому что торий- Xсо временем распадается, однако запас его постоянно пополняется. Это было смелым, для того времени почти невероятным предположением. Но исследователи уже имели возможность измерять и взвешивать полученные вещества, хотя и было их крайне мало. Ими давно было установлено, за какое время наполовину снижается интенсивность излучения этих веществ, а это можно было сопоставить с их общей массой. Они решили проверить себя химическим путём. По закономерности спада интенсивности радиации они рассчитали, сколько должно образоваться тория- Xиз неактивного очищенного тория через определённые промежутки времени, и опыт блестяще подтвердил их расчёты. Ошеломлённый Содди воскликнул: «Резерфорд! Это превращение элементов!» Шеф и сам был в восторге, но опыт есть опыт: «Ради святого Майка, Содди, не называйте это трансмутацией! Они снимут нам головы, как алхимикам. Вы же знаете их».
Резерфорд знал, что говорил: на заседании Макгиллского физического общества, где он изложил теорию самопроизвольного превращения элементов, монреальские учёные настойчиво рекомендовали докладчику воздержаться от публикации статей на такую тему. Они опасались полного их провала и дискредитации Мак-Гиллского университета. Один за другим выступали коллеги, советуя Резерфорду быть осмотрительным, осторожным в выводах, тщательным в проверке и перепроверке данных. Резерфорд не выдержал и закатил такую ответную речь, о которой благожелательно к нему настроенный профессор Н.Шоу выразился очень сдержанно: «Его ответная жаркая речь была не совсем удачной…»
Разразившуюся бурю успокоил профессор Джон Кокс. Он мягко и спокойно внёс необходимые разъяснения и дал понять аудитории, что за честь Мак-Гиллского университета едва ли есть основания беспокоиться; наоборот, работы Резерфорда ещё принесут Мак-Гиллу мировую славу, настанет день, когда экспериментальные исследования этого учёного будут рассматриваться, как величайшие со времён Фарадея.
Фарадей — не это ли имя вдохновляло герметических философов XIX столетия?
Работы Резерфорда и Содди по «теории дезинтеграции материи» были опубликованы в Европе в солидном научном журнале и стали предметом жаркого обсуждения.
Содди навсегда уехал в Англию с намерением работать в лаборатории знаменитого Рамзая. Резерфорд же собирался поехать в Европу в отпуск. К тому времени европейская пресса была полна сообщениями о канадских работах по радиоактивности и о трансмутации. Даже юмористические журналы взяли эту тему на вооружение. Секретарь Лондонского Королевского общества Д.Лармор, узнав, что Резерфорд намерен побывать в Европе, написал ему: «Вы будете львом сезона для газет, которые стали радиоактивными». Так оно и случилось в широких слоях общества, в журналистике, но пока ещё не в учёном мире. У последнего необходимо было ещё завоевать признание. В Саутспорте на конгрессе Британской ассоциации содействия развитию науки Резерфорд открыл дискуссию об эманациях радия и тория. Он пытался убедить аудиторию в том, что «теория дезинтеграции материи» объясняет необычайный феномен. В дискуссии принял участие видный учёный того времени сэр Оливер Лодж и зачитал послание отсутствующего знаменитого физика лорда Кельвина. Лорд Кельвин предупреждал членов ассоциации, чтобы они не слишком полагались на новые теории мистера Резерфорда. Давалось понять, что выводы его ошибочны, что трансмутация — плод воображения, а радиоактивные излучения — радиевые пары или, возможно, молекулярная пыль бромида радия. Зал разразился аплодисментами, и Резерфорд почувствовал, что трудно будет ему противостоять мнению такого авторитета, как лорд Кельвин, знаниям и опыту которого безоговорочно верили два поколения физиков. Президент Химического общества Англии Генри Армстронг после зачтения письма Кельвина сказал с нескрываемой иронией: «Я был поражён подвигами воображения мистера Резерфорда». Он выражал удивление по поводу того, что, оказывается, существуют атомы, одержимые «неизлечимой манией самоубийства», и «считал своим долгом» сообщить аудитории, что «у химиков, конечно, нет никаких доказательств распада атомов на земле».
Резерфорд, как известно, не отличался сдержанностью, но монреальский погром пошёл ему на пользу. Он взял на вооружение выдержку и спокойствие Джона Кокса — можно представить себе, чего это ему стоило. Не выдержал Содди. Он с таким неистовством и язвительностью накинулся на Армстронга, на всех, кто не хотел слушать аргументов, что председательствующий лишил его слова. Здесь он проявил себя настоящим «каустиком Содди», как было потом скаламбурено о нём в юмористическом журнале.
Резерфорд на этот раз держался с исключительным хладнокровием и твёрдостью. Он подробно разбирал факты и давал им оценку, предлагал найти другое объяснение. Ничего серьёзного его оппоненты не могли ему противопоставить.
Драма Рамзая и природная трансмутация
Замечательное открытие Уильяма Рамзая — гелий на Земле! — оставило после себя загадку. Благородство «солнечного вещества» установлено со всей несомненностью, но откуда он в клевеите взялся — ведь в химическом составе этого минерала он «не значился»? Удовлетворительного ответа на вопрос долгое время не было.
Фредерик Содди с большим интересом следил за всеми работами Рамзая по инертным газам. С весны 1903 г. Содди стал работать в лаборатории Рамзая. Здесь он продолжил исследования, начатые ещё в Мак-Гилле. После долгих и «придирчивых» экспериментов Рамзай, непререкаемый авторитет в области инертных газов, мог с удовлетворением подтвердить вывод Резерфорда и Содди: эманация радия — благородный газ.
Но это произошло позже, через пять лет, а начало совместной работы Рамзая и Содди ознаменовалось экспериментальным подтверждением того факта, что гелий — результат превращения эманации радия. Едва ли нужно подробно описывать знаменитый опыт. Достаточно сказать, что бромид радия (мизерные количества!) был растворён в воде, а выделившийся при этом газ скапливался в колбах. Затем его сушили и переводили в трубку Плюккера, с помощью которой исследуют спектр газа. Первоначально в спектре видны были только линии углекислого газа, но со временем начинали проступать жёлтые линии, что наводило на подозрение о присутствии здесь гелия. В конце опыта эманация и углекислый газ вымораживались, и тогда ярко и четко проступили жёлтые линии гелия. Рамзай посмотрел в спектроскоп и взволнованно воскликнул: «Это D 3!» Гелия не было, гелий появился. В комнату повалили сотрудники Рамзая и студенты. Каждому хотелось увидеть новорождённый гелий. Содди с улыбкой вспоминал это событие: его самого, участника открытия, почти что оттёрли от спектроскопа, и он увидел счастливую жёлтую линию чуть ли не последним.
Резерфорд был очень рад этому событию. Ведь подтверждалась его догадка: гелий родится из радия. Поэтому-то он, только что ставший обладателем 30 миллиграммов бромида радия (потрясающее богатство!), одолжил их Рамзаю и Содди. Опыт, конечно же, был повторен и дал те же результаты, после чего Содди написал обо всём Резерфорду, отметив, что «это был подлинный триумф». Рамзай не только доказал предположенное Резерфордом, но и показал его — в буквальном смысле, так что каждый мог убедиться во всём своими глазами. Он был прав, когда утверждал, что это был первый фактически наблюдаемый случай перехода одного химического элемента в другой. Полное удовлетворение получил «каустик Содди»: профессор Армстронг, президент Химического общества, так недавно насмехавшийся над «атомами-самоубийцами», вынужден был сложить оружие.
Превращение элементов можно было считать совершившимся фактом. Однако превращение это ни в коей мере не зависело от воли учёного и шло само по себе. Можно было изучать его, объяснять, как кому заблагорассудится, но повлиять на него — задержать или ускорить, или тем более направить в желательную сторону — такой возможности не было.
А ведь именно об этом мечтал великий Фарадей: «Разлагать металлы, преобразовывать их и осуществить некогда абсурдную идею о превращении элементов — вот задача, поставленная теперь химиками для разрешения». И Рамзай с пылом и страстью отдался работе, полагая, что время для решения этой задачи наступило. «Я рискну, — писал он, — предположить, что если энергия передаётся обычным формам материи, то происходит нечто вроде полимеризации и образуются радиоактивные элементы с более высокими атомными весами». Чтобы так рассуждать, у Рамзая были основания. Локьер, тот самый, что открыл гелий на Солнце, написал книгу «Неорганическая эволюция», в которой обращал внимание на то, что более раскалённые светила в спектре дают меньшее количество линий. Отсюда следовал вывод: при остывании звезды появляются новые элементы. «Упрощение» элементов, стало быть, происходит вследствие колоссальнейших температур Солнца и звёзд. Для осуществления трансмутации, рассуждал Рамзай, нужно найти на Земле источник громадной энергии. Такой источник он видел в эманации. Он писал тогда: «В эманации мы имеем техническое оружие, превосходящее обычные реактивы настолько же, насколько современное оружие превосходит лук наших предков».
Рамзай пробовал использовать и другой источник энергии. К тому времени уже стало достоянием науки открытие русского учёного Столетова — фотоэффект. В приборе Столетова свет падал на цинковый кружок, вызывая в цепи появление электрического тока. Было установлено, что этот эффект не зависит от интенсивности светового потока, а лишь от длины волны. В 1905 г. Рамзай вместе со своим сотрудником Д.Спенсером поставил ряд опытов по воздействию ультрафиолетовых лучей на металлическую пластинку (она была цинковой, как у Столетова). Допускалась мысль, что лучи смогут «детонировать» атомы металла с освобождением электронов, и тогда они преобразуются в атомы другого элемента. Нет, нет, Рамзай не настаивал на такой мысли, он только пробовал! Как здесь не вспомнить Рентгена с его великолепным ответом на вопрос, что он подумал, когда открыл X-лучи: «Я не думал, я экспериментировал».
Но отношение к эманации как источнику энергии у Рамзая было иное. «Я хочу высказать предположение, — говорил он, — что элементы, по существу, являются просто весьма устойчивыми соединениями, которые для того, чтобы претерпеть изменения, поглощают очень большое количество энергии. Как же должна передаваться эта энергия? По всей вероятности, процесс этого рода происходит в самых горячих звёздах. Вполне возможно осуществить подобные изменения на Земле, вызвав так называемую трансмутацию элементов. При этом я исхожу из того доказанного факта, что радий через эманацию переходит в гелий и что металлы под воздействием ультрафиолетовых лучей освобождают электроны. Какие это будут элементы, пока сказать трудно».
Рамзай не ограничился общими рассуждениями, он приступил к экспериментам. В августе 1906 г. в частном письме к Дж. Мак Гоуэну он писал: «Мне кажется, я уже сообщал, что мной обнаружен Li в первоначальном CuSO 4. Но это доказывает, что в этом есть что-то необычное… Мне думается, что CuSO 4может быть источником образования лития». В том же письме он сообщал, что египтолог Флиндерс Петри передал ему 15 килограммов серебра, которые лежали в кувшине (видимо, медном) на протяжении 3 тысяч лет. Рамзай не исключал, что медь могла за такой большой промежуток времени сама по себе превратиться в литий. Разве не подобную мысль несколько столетий назад высказал несравненный Гебер?
В апреле 1907 г. Рамзай писал своей жене: «Я наконец установил вне всяких сомнений, что медь превращается в литий».
А в июне 1908 г. грянул гром: Рамзай сумел получить новые элементы! Это была сенсация. В сообщении об этой работе Рамзая говорилось, будто он при смешивании эманации радия с водой обнаружил в растворе неон со следами гелия, а при смешивании с раствором медного купороса — аргон без следов гелия, но с присутствием лития. Рамзай и работавший с ним Камерон разъяснили это следующим образом: под воздействием ударов альфа-частиц, выделяемых эманацией, некоторые атомы меди раскалываются, в результате чего образуются элементы с меньшим атомным весом.
В Химическом обществе Германии к этому сообщению отнеслись с большим интересом, но и с осторожностью, указав что поразительные наблюдения требуют ещё дальнейшего изучения, которое уже начато авторами.
В 1909 г. Рамзай сам выступил в лондонском Химическом обществе, рассказал о своих экспериментах и выразил убеждение в том, что его опыты доказали превращение элементов большего атомного веса в элементы с меньшим атомным весом.
На этот раз недоверие возросло. Опыты Рамзая взяли на проверку М.Кюри и её сотрудница Е.Гледич. Они нашли ошибку: литий был в кварцевой посуде, а не образовывался из сернокислой меди. Об этом сообщили Рамзаю, но тот стоял на своём: «Всё, что я могу сказать, — это то, что нам удалось вызвать эту трансформацию и что Кюри это не удалось».
Возможность превращения меди в литий была проверена учеником Рамзая Е.Перманом — весьма способным и опытным химиком. Результат опыта был отрицательным. Рамзай не придал значения данным Пермана. Траверс, коллега Рамзая, вместе с ним открывший инертные газа — неон, криптон и ксенон, заметил по этому поводу: «Подлинным источником лития является пепел от сигарет Рамзая. Рамзай был несколько небрежен и не заботился о том, где стряхивать пепел с сигарет».
Наконец за проверку утверждений Рамзая взялись Резерфорд и Ройдс и нашли, что всё гораздо проще: в аппарат Рамзая проник воздух.
Но Рамзай не внимал всем этим доводам и доверял лишь себе. Ведь именно в этот период он не только показал, что гелий рождается из эманации, но и провёл тончайшее исследование её свойств. Именно Рамзаю удалось поставить невероятный по тонкости эксперимент, в результате которого был измерен атомный вес эманации — 222. К этому времени уже был опредёлен и атомный вес радия — 226. И схема радиоактивного распада рисовалась такой:
Ra 226= Rn 222+ He 4
Рамзай вместе с Н.Колли и Г.Паттерсоном опубликовал работу, в которой утверждалось, что им удалось осуществить превращение уже не более сложных, а менее сложных элементов, т. е. не распад, а синтез. Они якобы получили в катодной трубке гелий из водорода — в одном случае, а в другом, когда там были следы кислорода, — неон. После смерти Рамзая была обнаружена рукопись, в которой есть такая фраза: «Доказано, что в присутствии серы образуется аргон; при отсутствии серы аргона не образуется».
Можно было бы, конечно, не рассказывать о несколько странном поведении Рамзая, чтобы не бросать тень на учёного с мировым именем. Но вряд ли это было бы правильно. Даже его ошибки были ступенями познания, поскольку ошибочность его утверждений выяснилась не в словесном поединке, а в результате многочисленных экспериментов, проверки и перепроверки учёными друг друга.
Интерес к радиоактивности продолжал нарастать. Резерфорд, принявший предложение Манчестерского университета и занявший там должность профессора физики, увлёкся альфа-излучением. Что представляют собой эти загадочные альфа-частицы? Ещё в монреальских экспериментах Резерфорд выяснил, что масса альфа-частиц больше массы водорода. Измерив отношение их заряда к их массе, Резерфорд пришёл к заключению, что они представляют собой не что иное, как атомы гелия, потерявшие по два электрона.
В Манчестере Резерфорд организовал эксперимент, наглядно убедивший всех сомневающихся. Была изготовлена стеклянная трубка с толщиной стенок всего 0,01 миллиметра. Через такие стенки свободно проходят альфа-частицы, но они непроницаемы для газообразного гелия. Трубка была помещена внутри другой (с более толстыми стенками), соединённой с капилляром и трубкой Плюккера. Тонкостенная трубка заполнялась эманацией радия, из внешней трубки откачивали воздух. Через некоторое время было замечено, что в ней накапливается газ. Поступить туда он мог только через тонкие стенки первой трубки, затем по капилляру он прошёл в трубку Плюккера. Спектроскоп чётко удостоверил, что это гелий. Самые упорные скептики могли видеть своими глазами, как гелий образуется из альфа-частиц. Но Резерфорд этим не удовлетворился и поставил контрольный опыт. Внутренняя тонкостенная трубка заполнялась не эманацией, а чистым гелием. Через несколько дней спектроскоп показал, что в разрядной трубке гелия нет — через тонкие стенки газ не проходил, они были проницаемы лишь для альфа-частиц.
В 1908 г. Резерфорд стал лауреатом Нобелевской премии и на заседании по традиции должен был прочитать лекцию. Он озаглавил её так: «О химической природе альфа-частиц радиоактивных веществ». Премия Резерфорду была присуждена не по физике, а по химии. Радиоактивность была совершенно новой областью исследований, и учёные не знали с уверенностью, к какой науке её причислить. А новый лауреат изящно пошутил по этому поводу: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось моё собственное превращение в один момент из физика в химика».
Фредерик Содди с большим интересом следил за всеми работами Рамзая по инертным газам. С весны 1903 г. Содди стал работать в лаборатории Рамзая. Здесь он продолжил исследования, начатые ещё в Мак-Гилле. После долгих и «придирчивых» экспериментов Рамзай, непререкаемый авторитет в области инертных газов, мог с удовлетворением подтвердить вывод Резерфорда и Содди: эманация радия — благородный газ.
Но это произошло позже, через пять лет, а начало совместной работы Рамзая и Содди ознаменовалось экспериментальным подтверждением того факта, что гелий — результат превращения эманации радия. Едва ли нужно подробно описывать знаменитый опыт. Достаточно сказать, что бромид радия (мизерные количества!) был растворён в воде, а выделившийся при этом газ скапливался в колбах. Затем его сушили и переводили в трубку Плюккера, с помощью которой исследуют спектр газа. Первоначально в спектре видны были только линии углекислого газа, но со временем начинали проступать жёлтые линии, что наводило на подозрение о присутствии здесь гелия. В конце опыта эманация и углекислый газ вымораживались, и тогда ярко и четко проступили жёлтые линии гелия. Рамзай посмотрел в спектроскоп и взволнованно воскликнул: «Это D 3!» Гелия не было, гелий появился. В комнату повалили сотрудники Рамзая и студенты. Каждому хотелось увидеть новорождённый гелий. Содди с улыбкой вспоминал это событие: его самого, участника открытия, почти что оттёрли от спектроскопа, и он увидел счастливую жёлтую линию чуть ли не последним.
Резерфорд был очень рад этому событию. Ведь подтверждалась его догадка: гелий родится из радия. Поэтому-то он, только что ставший обладателем 30 миллиграммов бромида радия (потрясающее богатство!), одолжил их Рамзаю и Содди. Опыт, конечно же, был повторен и дал те же результаты, после чего Содди написал обо всём Резерфорду, отметив, что «это был подлинный триумф». Рамзай не только доказал предположенное Резерфордом, но и показал его — в буквальном смысле, так что каждый мог убедиться во всём своими глазами. Он был прав, когда утверждал, что это был первый фактически наблюдаемый случай перехода одного химического элемента в другой. Полное удовлетворение получил «каустик Содди»: профессор Армстронг, президент Химического общества, так недавно насмехавшийся над «атомами-самоубийцами», вынужден был сложить оружие.
Превращение элементов можно было считать совершившимся фактом. Однако превращение это ни в коей мере не зависело от воли учёного и шло само по себе. Можно было изучать его, объяснять, как кому заблагорассудится, но повлиять на него — задержать или ускорить, или тем более направить в желательную сторону — такой возможности не было.
А ведь именно об этом мечтал великий Фарадей: «Разлагать металлы, преобразовывать их и осуществить некогда абсурдную идею о превращении элементов — вот задача, поставленная теперь химиками для разрешения». И Рамзай с пылом и страстью отдался работе, полагая, что время для решения этой задачи наступило. «Я рискну, — писал он, — предположить, что если энергия передаётся обычным формам материи, то происходит нечто вроде полимеризации и образуются радиоактивные элементы с более высокими атомными весами». Чтобы так рассуждать, у Рамзая были основания. Локьер, тот самый, что открыл гелий на Солнце, написал книгу «Неорганическая эволюция», в которой обращал внимание на то, что более раскалённые светила в спектре дают меньшее количество линий. Отсюда следовал вывод: при остывании звезды появляются новые элементы. «Упрощение» элементов, стало быть, происходит вследствие колоссальнейших температур Солнца и звёзд. Для осуществления трансмутации, рассуждал Рамзай, нужно найти на Земле источник громадной энергии. Такой источник он видел в эманации. Он писал тогда: «В эманации мы имеем техническое оружие, превосходящее обычные реактивы настолько же, насколько современное оружие превосходит лук наших предков».
Рамзай пробовал использовать и другой источник энергии. К тому времени уже стало достоянием науки открытие русского учёного Столетова — фотоэффект. В приборе Столетова свет падал на цинковый кружок, вызывая в цепи появление электрического тока. Было установлено, что этот эффект не зависит от интенсивности светового потока, а лишь от длины волны. В 1905 г. Рамзай вместе со своим сотрудником Д.Спенсером поставил ряд опытов по воздействию ультрафиолетовых лучей на металлическую пластинку (она была цинковой, как у Столетова). Допускалась мысль, что лучи смогут «детонировать» атомы металла с освобождением электронов, и тогда они преобразуются в атомы другого элемента. Нет, нет, Рамзай не настаивал на такой мысли, он только пробовал! Как здесь не вспомнить Рентгена с его великолепным ответом на вопрос, что он подумал, когда открыл X-лучи: «Я не думал, я экспериментировал».
Но отношение к эманации как источнику энергии у Рамзая было иное. «Я хочу высказать предположение, — говорил он, — что элементы, по существу, являются просто весьма устойчивыми соединениями, которые для того, чтобы претерпеть изменения, поглощают очень большое количество энергии. Как же должна передаваться эта энергия? По всей вероятности, процесс этого рода происходит в самых горячих звёздах. Вполне возможно осуществить подобные изменения на Земле, вызвав так называемую трансмутацию элементов. При этом я исхожу из того доказанного факта, что радий через эманацию переходит в гелий и что металлы под воздействием ультрафиолетовых лучей освобождают электроны. Какие это будут элементы, пока сказать трудно».
Рамзай не ограничился общими рассуждениями, он приступил к экспериментам. В августе 1906 г. в частном письме к Дж. Мак Гоуэну он писал: «Мне кажется, я уже сообщал, что мной обнаружен Li в первоначальном CuSO 4. Но это доказывает, что в этом есть что-то необычное… Мне думается, что CuSO 4может быть источником образования лития». В том же письме он сообщал, что египтолог Флиндерс Петри передал ему 15 килограммов серебра, которые лежали в кувшине (видимо, медном) на протяжении 3 тысяч лет. Рамзай не исключал, что медь могла за такой большой промежуток времени сама по себе превратиться в литий. Разве не подобную мысль несколько столетий назад высказал несравненный Гебер?
В апреле 1907 г. Рамзай писал своей жене: «Я наконец установил вне всяких сомнений, что медь превращается в литий».
А в июне 1908 г. грянул гром: Рамзай сумел получить новые элементы! Это была сенсация. В сообщении об этой работе Рамзая говорилось, будто он при смешивании эманации радия с водой обнаружил в растворе неон со следами гелия, а при смешивании с раствором медного купороса — аргон без следов гелия, но с присутствием лития. Рамзай и работавший с ним Камерон разъяснили это следующим образом: под воздействием ударов альфа-частиц, выделяемых эманацией, некоторые атомы меди раскалываются, в результате чего образуются элементы с меньшим атомным весом.
В Химическом обществе Германии к этому сообщению отнеслись с большим интересом, но и с осторожностью, указав что поразительные наблюдения требуют ещё дальнейшего изучения, которое уже начато авторами.
В 1909 г. Рамзай сам выступил в лондонском Химическом обществе, рассказал о своих экспериментах и выразил убеждение в том, что его опыты доказали превращение элементов большего атомного веса в элементы с меньшим атомным весом.
На этот раз недоверие возросло. Опыты Рамзая взяли на проверку М.Кюри и её сотрудница Е.Гледич. Они нашли ошибку: литий был в кварцевой посуде, а не образовывался из сернокислой меди. Об этом сообщили Рамзаю, но тот стоял на своём: «Всё, что я могу сказать, — это то, что нам удалось вызвать эту трансформацию и что Кюри это не удалось».
Возможность превращения меди в литий была проверена учеником Рамзая Е.Перманом — весьма способным и опытным химиком. Результат опыта был отрицательным. Рамзай не придал значения данным Пермана. Траверс, коллега Рамзая, вместе с ним открывший инертные газа — неон, криптон и ксенон, заметил по этому поводу: «Подлинным источником лития является пепел от сигарет Рамзая. Рамзай был несколько небрежен и не заботился о том, где стряхивать пепел с сигарет».
Наконец за проверку утверждений Рамзая взялись Резерфорд и Ройдс и нашли, что всё гораздо проще: в аппарат Рамзая проник воздух.
Но Рамзай не внимал всем этим доводам и доверял лишь себе. Ведь именно в этот период он не только показал, что гелий рождается из эманации, но и провёл тончайшее исследование её свойств. Именно Рамзаю удалось поставить невероятный по тонкости эксперимент, в результате которого был измерен атомный вес эманации — 222. К этому времени уже был опредёлен и атомный вес радия — 226. И схема радиоактивного распада рисовалась такой:
Ra 226= Rn 222+ He 4
Рамзай вместе с Н.Колли и Г.Паттерсоном опубликовал работу, в которой утверждалось, что им удалось осуществить превращение уже не более сложных, а менее сложных элементов, т. е. не распад, а синтез. Они якобы получили в катодной трубке гелий из водорода — в одном случае, а в другом, когда там были следы кислорода, — неон. После смерти Рамзая была обнаружена рукопись, в которой есть такая фраза: «Доказано, что в присутствии серы образуется аргон; при отсутствии серы аргона не образуется».
Можно было бы, конечно, не рассказывать о несколько странном поведении Рамзая, чтобы не бросать тень на учёного с мировым именем. Но вряд ли это было бы правильно. Даже его ошибки были ступенями познания, поскольку ошибочность его утверждений выяснилась не в словесном поединке, а в результате многочисленных экспериментов, проверки и перепроверки учёными друг друга.
Интерес к радиоактивности продолжал нарастать. Резерфорд, принявший предложение Манчестерского университета и занявший там должность профессора физики, увлёкся альфа-излучением. Что представляют собой эти загадочные альфа-частицы? Ещё в монреальских экспериментах Резерфорд выяснил, что масса альфа-частиц больше массы водорода. Измерив отношение их заряда к их массе, Резерфорд пришёл к заключению, что они представляют собой не что иное, как атомы гелия, потерявшие по два электрона.
В Манчестере Резерфорд организовал эксперимент, наглядно убедивший всех сомневающихся. Была изготовлена стеклянная трубка с толщиной стенок всего 0,01 миллиметра. Через такие стенки свободно проходят альфа-частицы, но они непроницаемы для газообразного гелия. Трубка была помещена внутри другой (с более толстыми стенками), соединённой с капилляром и трубкой Плюккера. Тонкостенная трубка заполнялась эманацией радия, из внешней трубки откачивали воздух. Через некоторое время было замечено, что в ней накапливается газ. Поступить туда он мог только через тонкие стенки первой трубки, затем по капилляру он прошёл в трубку Плюккера. Спектроскоп чётко удостоверил, что это гелий. Самые упорные скептики могли видеть своими глазами, как гелий образуется из альфа-частиц. Но Резерфорд этим не удовлетворился и поставил контрольный опыт. Внутренняя тонкостенная трубка заполнялась не эманацией, а чистым гелием. Через несколько дней спектроскоп показал, что в разрядной трубке гелия нет — через тонкие стенки газ не проходил, они были проницаемы лишь для альфа-частиц.
В 1908 г. Резерфорд стал лауреатом Нобелевской премии и на заседании по традиции должен был прочитать лекцию. Он озаглавил её так: «О химической природе альфа-частиц радиоактивных веществ». Премия Резерфорду была присуждена не по физике, а по химии. Радиоактивность была совершенно новой областью исследований, и учёные не знали с уверенностью, к какой науке её причислить. А новый лауреат изящно пошутил по этому поводу: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями с разными периодами, но самым быстрым из всех оказалось моё собственное превращение в один момент из физика в химика».
Полуспиритическое состояние и кризис в науке
Всё смешалось в доме элементов. В том самом великолепном здании, которое построил Д.И.Менделеев, — в знаменитой периодической системе. Так, во всяком случае, казалось многим прославленным физикам и химикам начала XX столетия. Всё новые и новые элементы обнаруживались исследователями в цепи радиоактивного распада. Но куда их помещать? В таблице не хватало клеток для этого.
Пьер Кюри не сразу признал теорию превращения элементов. Ему казалось, что тем самым признаётся непостоянство материи. Он первоначально склонялся к мысли объяснить временную радиоактивность процессом передачи энергии. Однако, повторив опыты Рамзая и Содди по образованию гелия из эманации радия, он успокоился и начал измерять альфа-активность так же, как это делал Резерфорд. Эманация, или радон, распадалась и превращалась в какое-то вещество A, но и оно не оставалось стабильным, а также распадалось, давая вещество B; в свою очередь и это вещество распадалось, давая некое C. Резерфорд ко всему этому отнёсся с большим вниманием и, не мудрствуя лукаво, обозначил эти вещества: радий- A, радий- B, радий- C. Он детально изучил всё относящееся к радиоактивности этих новых элементов, установил период полураспада для каждого — 3, 21, 28 минут.
Выяснилось, что это не конец. Есть ещё радий- D, радий- Eи радий- F.
Осенью 1904 г. для усовершенствования в науках в лабораторию Рамзая прибыл «неспециалист» — химик-органик Отто Ган. Молодого учёного сразу усадили за отделение радия от бариевой фракции, извлечённой из 250 килограммов нового радиоактивного минерала с Цейлона. Новичку пришлось нелегко, так как навыка в работе с радиоактивными веществами у него совсем не было. Но он порученное задание выполнил с честью. Даже больше. Он не только выделил бромистый радий, но нашёл в маточном растворе новое радиоактивное вещество, которое давало эманацию с периодом полураспада в одну минуту. Твёрдый налёт — результат превращения эманации — также был активен (полураспад 11 часов). По всем химическим признакам это был торий, но с исключительно сильной радиоактивностью. Успехи молодого учёного произвели хорошее впечатление на Рамзая, и он сразу рекомендовал его в качестве специалиста по радиоактивности в исследовательский институт Эмиля Фишера. Молодой химик-органик, «птенец» по сути дела, прибыл к маститому органику с новой, совершенно неожиданно приобретённой специальностью физика. Но чувствуя себя в ней ещё не очень уверенно, Ган отправился в Монреаль к Резерфорду подучиться и накопить опыт. Ему быстро удалось убедить Резерфорда в существовании радиотория, как было названо им новое вещество, и в том, что в цепи радиоактивного превращения торий — эманация тория (торон) он предшествует ранее обнаруженному торию- X. Началась упорная работа. Всё было правильно, но вдруг пришло письмо, в котором его автор Болтвуд сообщал, что располагает препаратом радиотория, сохраняющим радиоактивность постоянной в течение двух лет. Это было интересное сообщение, так как по измерениям Гана такой срок должен привести к почти полному распаду этого вещества. Если сведения Болтвуда достоверны, можно было предположить, что запас радиотория постоянно пополняется за счёт распада какого-то другого радиоактивного вещества. Оказалось, что и в самом деле так, — Ган тонко поставленными экспериментами доказал это и новое вещество назвал мезоторием. В работу включились Болтвуд, Мак-Кой и другие исследователи. В конечном счетё было установлено, что есть и другой мезоторий. Цепочку превращения тория в его эманацию оказалось необходимым удлинить: торий — мезоторий I — мезоторий II — радиоторий — торий- X— торон (эманация).
То обстоятельство, что радий всегда добывался только из урановых руд, наводило на мысль, что и сам он — всего лишь ступень в цепи превращений элементов. Содди попытался накопить сколько-нибудь радия непосредственно из урана, однако это ему не удалось, и исследователи сделали вывод, что уран и радий — не соседние звенья радиоактивной цепи. Так оно и оказалось впоследствии. Болтвуд тогда заинтересовался актинием, радиоактивность которого показана была А.Дебьерном ещё в 1899 г. Исследования, начатые Болтвудом и следом за ним Резерфордом, закончились установлением новой цепи превращений: актиний — радиоактиний — актиний- X— актинон — актиний- A— актиннй- B— актиний- C.
Все эти превращения сопровождались излучением; в большинстве своём испускались альфа, реже бета-, а иногда и гамма-лучи.
Описание всех подробностей этих трансформаций не является предметом нашего рассмотрения, и мы того, кто этим заинтересовался, отсылаем к современному учебнику физической или даже неорганической химии, либо к соответствующим популярным изданиям.
Для нашей темы любопытно было то, что активность в ряде превращений, наконец, прекращалась и образовывалось вещество, уже не излучающее. Химики, определяя его атомный вес, получали неодинаковые величины, но всякий раз очень близкие к атомному весу одного из самых известных и обиходных элементов — свинца.
Профессор Берлинского университета В.Марквальд извлёк из остатков урановой иоахимстальской руды короткоживущий радиоэлемент и назвал его радиотеллуром. Некоторые учёные не согласились с Марквальдом. По мнению одних, открытый им радиотеллур не что иное, как полоний; по мнению других, это висмут. Марквальд много спорил и с теми, и с другими. Последних ему удалось разбить очень просто и наглядно. Он погружал висмутовую палочку в раствор, содержащий радиотеллур, и тот отлагался на палочке — хорошо известный способ контактного вытеснения одного металла другим.
Однако Марквальду всё же пришлось уступить, ибо другие исследователи, и прежде всего Мария Кюри, доказали, что радиотеллур идентичен не только полонию, но и радию — всё это разные названия одного и того же вещества. Марквальд отнёсся к этому в высшей степени философически и сказал шекспировскую фразу: «Как розу ни назови, а пахнуть она будет так же приятно». Но любопытно то, что и радий-
Пьер Кюри не сразу признал теорию превращения элементов. Ему казалось, что тем самым признаётся непостоянство материи. Он первоначально склонялся к мысли объяснить временную радиоактивность процессом передачи энергии. Однако, повторив опыты Рамзая и Содди по образованию гелия из эманации радия, он успокоился и начал измерять альфа-активность так же, как это делал Резерфорд. Эманация, или радон, распадалась и превращалась в какое-то вещество A, но и оно не оставалось стабильным, а также распадалось, давая вещество B; в свою очередь и это вещество распадалось, давая некое C. Резерфорд ко всему этому отнёсся с большим вниманием и, не мудрствуя лукаво, обозначил эти вещества: радий- A, радий- B, радий- C. Он детально изучил всё относящееся к радиоактивности этих новых элементов, установил период полураспада для каждого — 3, 21, 28 минут.
Выяснилось, что это не конец. Есть ещё радий- D, радий- Eи радий- F.
Осенью 1904 г. для усовершенствования в науках в лабораторию Рамзая прибыл «неспециалист» — химик-органик Отто Ган. Молодого учёного сразу усадили за отделение радия от бариевой фракции, извлечённой из 250 килограммов нового радиоактивного минерала с Цейлона. Новичку пришлось нелегко, так как навыка в работе с радиоактивными веществами у него совсем не было. Но он порученное задание выполнил с честью. Даже больше. Он не только выделил бромистый радий, но нашёл в маточном растворе новое радиоактивное вещество, которое давало эманацию с периодом полураспада в одну минуту. Твёрдый налёт — результат превращения эманации — также был активен (полураспад 11 часов). По всем химическим признакам это был торий, но с исключительно сильной радиоактивностью. Успехи молодого учёного произвели хорошее впечатление на Рамзая, и он сразу рекомендовал его в качестве специалиста по радиоактивности в исследовательский институт Эмиля Фишера. Молодой химик-органик, «птенец» по сути дела, прибыл к маститому органику с новой, совершенно неожиданно приобретённой специальностью физика. Но чувствуя себя в ней ещё не очень уверенно, Ган отправился в Монреаль к Резерфорду подучиться и накопить опыт. Ему быстро удалось убедить Резерфорда в существовании радиотория, как было названо им новое вещество, и в том, что в цепи радиоактивного превращения торий — эманация тория (торон) он предшествует ранее обнаруженному торию- X. Началась упорная работа. Всё было правильно, но вдруг пришло письмо, в котором его автор Болтвуд сообщал, что располагает препаратом радиотория, сохраняющим радиоактивность постоянной в течение двух лет. Это было интересное сообщение, так как по измерениям Гана такой срок должен привести к почти полному распаду этого вещества. Если сведения Болтвуда достоверны, можно было предположить, что запас радиотория постоянно пополняется за счёт распада какого-то другого радиоактивного вещества. Оказалось, что и в самом деле так, — Ган тонко поставленными экспериментами доказал это и новое вещество назвал мезоторием. В работу включились Болтвуд, Мак-Кой и другие исследователи. В конечном счетё было установлено, что есть и другой мезоторий. Цепочку превращения тория в его эманацию оказалось необходимым удлинить: торий — мезоторий I — мезоторий II — радиоторий — торий- X— торон (эманация).
То обстоятельство, что радий всегда добывался только из урановых руд, наводило на мысль, что и сам он — всего лишь ступень в цепи превращений элементов. Содди попытался накопить сколько-нибудь радия непосредственно из урана, однако это ему не удалось, и исследователи сделали вывод, что уран и радий — не соседние звенья радиоактивной цепи. Так оно и оказалось впоследствии. Болтвуд тогда заинтересовался актинием, радиоактивность которого показана была А.Дебьерном ещё в 1899 г. Исследования, начатые Болтвудом и следом за ним Резерфордом, закончились установлением новой цепи превращений: актиний — радиоактиний — актиний- X— актинон — актиний- A— актиннй- B— актиний- C.
Все эти превращения сопровождались излучением; в большинстве своём испускались альфа, реже бета-, а иногда и гамма-лучи.
Описание всех подробностей этих трансформаций не является предметом нашего рассмотрения, и мы того, кто этим заинтересовался, отсылаем к современному учебнику физической или даже неорганической химии, либо к соответствующим популярным изданиям.
Для нашей темы любопытно было то, что активность в ряде превращений, наконец, прекращалась и образовывалось вещество, уже не излучающее. Химики, определяя его атомный вес, получали неодинаковые величины, но всякий раз очень близкие к атомному весу одного из самых известных и обиходных элементов — свинца.
Профессор Берлинского университета В.Марквальд извлёк из остатков урановой иоахимстальской руды короткоживущий радиоэлемент и назвал его радиотеллуром. Некоторые учёные не согласились с Марквальдом. По мнению одних, открытый им радиотеллур не что иное, как полоний; по мнению других, это висмут. Марквальд много спорил и с теми, и с другими. Последних ему удалось разбить очень просто и наглядно. Он погружал висмутовую палочку в раствор, содержащий радиотеллур, и тот отлагался на палочке — хорошо известный способ контактного вытеснения одного металла другим.
Однако Марквальду всё же пришлось уступить, ибо другие исследователи, и прежде всего Мария Кюри, доказали, что радиотеллур идентичен не только полонию, но и радию — всё это разные названия одного и того же вещества. Марквальд отнёсся к этому в высшей степени философически и сказал шекспировскую фразу: «Как розу ни назови, а пахнуть она будет так же приятно». Но любопытно то, что и радий-