Текст книги "Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 7 страниц)
Глава 4.
ЖИЗНЬ БЕЗ ПЬЕРА
После смерти Пьера Мария продолжила исследования, хотя ее научная деятельность сильно изменилась в 1911 году после скандала с Ланжевеном – грубой атаки со стороны недавно появившейся желтой прессы.
В том же году Кюри получила вторую Нобелевскую премию, а когда разразилась Первая мировая война, Мария защищала страну, объезжая фронт с рентгеновским оборудованием.
Жизнь продолжалась, и Мария не могла остаться в стороне. Ей нужно было вести уроки в Сорбонне, работать в лаборатории, организовывать исследования, а также искать финансирование для обеспечения будущего. И конечно, она не должна была забывать о девочках. Мария сделала все, что могла, и это было намного больше, чем можно было ожидать даже от такого активного человека. Но ситуации, с которыми ей пришлось столкнуться, были по силам далеко не всем. Марии удалось преодолеть все трудности, пожертвовав временем, энергией и здоровьем, которые так необходимы были, чтобы ответить на научные вызовы.
Через некоторое время после смерти Пьера, в августе 1906 года, лорд Кельвин сделал в газете «Таймс» несколько заявлений, в которых поставил под сомнение существование радия. Это заявление потрясло все лаборатории, где изучалась радиоактивность, но особенно лабораторию Марии, которая потратила всю свою энергию на получение образца радия с помощью Андре Дебьерна. В 1910 году с помощью электролиза они получили белое блестящее твердое вещество, содержащее в основном RaCl2, следуя процессу, похожему на тот, что использовал Марквальд, а затем – Мария для получения полония.
После окончания этой изнурительной работы обнаружилось, что Мария – единственный французский ученый, награжденный Нобелевской премией, но не являющийся членом Академии наук, и коллеги попросили ее представить свою кандидатуру. Однако Кюри была не единственным кандидатом на вакантное место, с ней соперничал Эдуард Бранли (1844–1940) – достаточно авторитетный ученый.
Оба они в глазах коллег имели и достоинства, и недостатки. Например, минусом Марии стало не «полностью» французское происхождение, а кроме того, некоторые академики подозревали, что она в науке была лишь тенью мужа. Бранли, в свою очередь, обвиняли в предательстве государственных французских учреждений, поскольку он оставил Сорбонну, чтобы занять кафедру в Парижском католическом институте – частном учебном заведении. Итак, Бранли представлял религиозный сектор, и его поддерживала самая консервативная часть академии. За Марию стояла более прогрессивная и динамичная часть ученых, которые хотели реформировать это классическое учреждение, хотя сам тот факт, что женщина без мужа хочет получить воздаяние за свои заслуги, возмущал как консерваторов, так и прогрессистов.
Благодаря известности, которую Нобелевская премия и смерть Пьера принесли Марии, спор вышел за рамки академических кругов и занял первые страницы газет. И та же самая пресса, которая совсем недавно восхищалась научными открытиями молодой пары, работавшей в стесненных условиях, и оплакивала вместе с Марией смерть Пьера, была довольно агрессивна по отношению к вдове, которая хотела большего. Выборы состоялись в 1911 году, и Мария проиграла два голоса. Это было плохое начало года, который и закончился так же катастрофически.
Одним из самых негативных эффектов отказа, который пережила Мария, стало то, что она сильно ограничила свои связи с другими членами академии. Также она перестала отправлять статьи в журнал «Труды Академии наук», куда французские ученые представляли свои работы для быстрой публикации.
БУРНЫЙ ГОД
В Школе промышленной физики и химии у Пьера был один особенно блестящий студент с явным научным призванием – Поль Ланжевен. Поль занял должность Пьера, когда тот получил кафедру в Сорбонне, и был коллегой Марии в Нормальной школе в Севре. Их отношения вышли за профессиональные рамки и переросли в дружбу, распространившись на супругу Ланжевена, когда он женился, а затем и на его детей, входивших в избранную группу из десяти учеников товарищества, которое Мария организовала после смерти Пьера, чтобы дать образование своим дочерям и детям ее друзей и коллег. Поль был чуть моложе Марии и тщательно следил за своей внешностью – известно, что он был обладателем впечатляющих набрильянтиненных усов.
Весной 1910 года Мария сняла черные одежды, которые носила после смерти Пьера, начала украшать себя цветами и, казалось, помолодела. Хотя ее друзья радовались тому, что она наконец-то оставила траур, сначала они не знали о причине этой перемены. Через некоторое время Мария все объяснила сама: ее отношения с Полем Ланжевеном перешли границы чистой дружбы. Похоже, что этому повороту способствовала сама супруга Ланжевена, которая пожаловалась Марии на суровое обращение мужа. Когда Мария попыталась поговорить с ним, Ланжевен взорвался и рассказал ей, как во время последней ссоры, вызванной финансовыми трудностями, его супруга разбила бутылку о его голову. Также он объяснил Марии, что его жизнь дома невыносима, что жена и теща оскорбляют его и постоянно требуют денег.
Хотя они оба были скромного происхождения, жена Поля не разделяла его любви к науке и не понимала, почему ее муж отказывался от хорошо оплачиваемой работы в промышленности и продолжал давать уроки в Сорбонне и Нормальной школе в Севре, а затем бесконечные часы проводил в своей лаборатории, получая за все это нищенскую зарплату. Мария была в ужасе – как и Маргарита Борель, супруга математика Эмиля Бореля, которая также входила в этот тесный круг и которой он также это рассказал. После особенно серьезной ссоры, в которой, похоже, участвовала не только жена, но и теща, Поль снял квартиру рядом с лабораторией, а Мария начала навещать его и строить планы на совместную жизнь.
Супруга Поля, которая не обладала таким интеллектом, как Мария, не стала сидеть сложа руки: она выследила мужа, ворвалась в его квартиру и выкрала письма Кюри. Это было начало шантажа Поля и смертельных угроз Марии. По просьбе Ланжевена его друг, будущий нобелевский лауреат по физике Жан Перрен, нанес несколько визитов его жене, чтобы успокоить ее и предложить мирное решение. Ланжевен беспокоился не столько о себе, сколько о Марии, потому что думал, что его жена способна осуществить все свои угрозы. В этой напряженной атмосфере Поль и Мария раздельно провели лето 1911 года: Поль – в Англии, со своими старшими детьми, а Мария и ее дочери – в Польше, куда она поехала для восстановления здоровья, поскольку неважно себя чувствовала.
* * *
ПОЛЬ ЛАНЖЕВЕН, ОТСУТСТВУЮЩИЙ В НОБЕЛЕВСКОЙ ГАЛЕРЕЕ
Поль Ланжевен (1872–1946) родился в Париже в бедной семье.
Пьер Кюри был его преподавателем в Школе промышленной физики и химии и человеком, который повлиял на его карьеру.
Другие наставники ученого, Анри Пуанкаре и Марсель Бриллюэн, называли его великим физикомтеоретиком, особенно одаренным в математике, который, кроме того, внес значительный вклад в экспериментальную физику.
Ланжевен известен своей теорией о диамагнетизме и парамагнетизме – явлениях, которые Пьер Кюри изучал экспериментально.
Он разработал свою теорию с учетом электродинамики движения электронов, ориентации их магнитных импульсов и беспорядочного теплового движения и объяснил, что диамагнетизм (слабое намагничивание в направлении, противоположном магнитному полю) происходит из-за действия индукции, приводящего к добавочному движению электронов атомов, в то время как парамагнетизм (слабое намагничивание в направлении магнитного поля) – из-за ориентации импульсов спина электронов, компенсируемых полностью или частично тепловым возбуждением. Ланжевен также предложил применение еще одному явлению, изученному Пьером, – пьезоэлектричеству: его можно было использовать как сонар, для обнаружения акустических сигналов подводных лодок. Ланжевен был активным популяризатором теории относительности и предложил отношение эквивалентности между массой и энергией, подобное формуле Эйнштейна Е=тс2, за несколько месяцев до ее публикации в 1906 году. Также ученый был одним из главных распространителей квантовой теории Планка на своей кафедре в Сорбонне, где был известен тем, что умел доступно и точно объяснять самые сложные понятия. Он никогда не избегал общественной деятельности, так что в возрасте немногим более 20 лет подписал манифест в поддержку Альфреда Дрейфуса и в возрасте почти 70 лет был заключен в тюрьму за оппозицию нацистской оккупации. Внук Ланжевена, Мишель, женился на внучке Марии Кюри, Элен Жолио-Кюри.
Поль Ланжевен (справа) и Альберт Эйнштейн (в центре) на мероприятии по укреплению мира, проведенном в Берлине в 1923 году.
* * *
Никто в окружении Марии и Поля не мог представить себе, что семейные неурядицы Ланжевена так жестоко обернутся против Марии. Однажды в прессе в более или менее искаженном виде опубликовали отрывки из ее писем. Так, в газете от 4 ноября 1911 года можно было прочитать, что «огонь радия, который так таинственно горит, зажег пламя в сердце ученого, а его жена и дети теперь плачут…». По мнению газетчиков, горькие слезы детей были вызваны тем, что «Шопен, увлеченный полонезом», как они называли Ланжевена, сбежал с любовницей за границу. Действительно, они оба были за границей, и даже в одном и том же городе, но не встречались. И Ланжевен, и Кюри посетили Сольвеевский конгресс в Брюсселе, на котором собралось самое яркое созвездие ученых эпохи, здесь присутствовали Эйнштейн, Планк, Вин, Пуанкаре, Резерфорд и де Бройль.
Когда Мария вернулась в Париж, ее ожидало худшее. Разгневанная толпа, подстегиваемая газетами, окружила ее дом. Люди бросали камни в окна, даже разбили несколько стекол, называли Марию блудницей и кричали, чтобы она возвращалась в свою страну. Звучали и такие оскорбления, как еврейка, воровка мужей, чужестранка, дрейфусарка… Отголоски дела Дрейфуса, в котором французский офицер еврейско-эльзасского происхождения был ложно обвинен в предательстве, еще не затихли. Самые реакционные слои Франции еще не пережили этот разгром и выместили зло на Марии.
Физическая безопасность Марии и ее детей была под угрозой, так что им пришлось искать убежище в доме Борелей, которые жили в здании, смежном с Нормальной школой, где Борель с недавнего времени был директором. Туда не доносился рев толпы, зато дошел голос министра публичного образования, который призвал Бореля отказать этой женщине в приюте и убедить ее: лучшее, что она может сделать, – это вернуться в свою страну. В противном случае Борелю угрожали снятием с должности. По одной версии, Борель наотрез отказался выполнять эту просьбу, по другой – Маргарита, его жена, заявила, что если уйдет Мария, то уйдет и она тоже.
Среди тех, кто больше всего поддержал Кюри в эти дни, следует отметить ее деверя, Жака Кюри, который, едва узнав о скандале, написал письмо, в котором выразил ей свою поддержку и возмущение произошедшим. Не ограничиваясь этим, он написал в газеты, которые так сурово напали на исследовательницу, говоря об абсолютной преданности Марии его брату, о теплом отношении к его отцу и об их общем счастье в то время, когда они жили вместе. Поддержка Жака была безоговорочной; она не зависела от истинности писем, опубликованных прессой.
Обвинения в прессе набирали обороты, и Гюстав Тери, издатель сенсационной газеты, ксенофоб и антисемит, дошел до намеков на то, что смерть Пьера могла быть вызвана не несчастным случаем. Согласно Тери, это могло быть самоубийство, когда Пьер узнал об отношениях, которые, возможно, начались до его смерти. Ланжевен был вынужден вызвать Тери на дуэль. В ней не было раненых, поскольку Тери не выстрелил, чтобы «не лишать детей отца, а Францию – ценного разума», как он сам это объяснил в газете на следующий день.
После смерти Пьера.
Поль Ланжевен и Мария вместе с группой учениц и коллег в 1910 году.
Мария и избранная группа ученых, которые присутствовали на Сольвеевском конгрессе в 1911 году (среди прочих и Эйнштейн – второй справа).
Вмешательство друзей и коллег Марии изменило мнение министра, но ее ждали новые сражения. Когда скандал с Ланжевеном достиг кульминации, 8 ноября 1911 года Мария получила телеграмму из Стокгольма, в которой сообщалось о присуждении ей Нобелевской премии по химии. Учитывая обстоятельства, Кюри сомневалась в том, что поездка на вручение будет уместной, однако Сванте Аррениус, член Шведской академии и лауреат Нобелевской премии по химии 1903 года, пытался все же уговорить ее присутствовать на вручении награды. Он заверил, что ничего из того, что было опубликовано французской прессой, никак не скажется на церемонии вручения. Однако 1 декабря он прислал новое письмо, в котором говорил, что развитие событий изменило его мнение и что Марии уместнее воздержаться от поездки в Стокгольм, пока она не докажет ложность опубликованных документов. Академик Густав Миттаг-Леффлер, который уже сыграл определяющую роль во вручении Марии Нобелевской премии, также написал ей, предупредив, что ее отсутствие даст пищу сплетням. Тогда Мария, уже не сомневаясь, ответила Аррениусу 5 декабря:
«Позиция, которую Вы мне рекомендуете, кажется мне грубой ошибкой с моей стороны. Действительно, премия была мне присуждена за открытие радия и полония. Я считаю, что нет никакой связи между моей научной работой и фактами моей частной жизни, которые хотят повернуть против меня в низкопробных публикациях, где они, к слову, полностью искажены. Для начала, я не могу принять тот факт, что на оценку чьей-то научной работы могут повлиять злословие и клевета, связанные с его личной жизнью. Я убеждена, что это мнение разделяют многие люди. Мне очень жаль, что Вы сами так не думаете».
Мария в сопровождении своей дочери Ирен, которой тогда было 14 лет, 11 декабря поехала в Стокгольм получать премию и на следующий день прочитала презентационную лекцию. В ней она воздала должное Пьеру, но также рассказала о своем собственном вкладе в открытие и отделение тех двух элементов, за которые ей присудили премию. Она отдельно упомянула работы Резерфорда и признала великолепие его теории об атомном распаде, которую тот сформулировал вместе с Содди.
Предвосхищая будущее, она заметила, что из радиоактивности возникла новая химия, которая основывается на использовании не весов, а электрометра. До того времени характерным свойством, по которому можно было идентифицировать химический элемент, была атомная масса, поэтому Мария посвятила долгие годы работы определению атомной массы радия. Ядерная модель атома, которую недавно предложил Резерфорд, и последующее открытие изотопов доказывали некорректность этого определения. Химики продолжили пользоваться весами, но атомная масса теперь стала только одним из свойств химических элементов, а не тем уникальным показателем, благодаря которому элементы можно было безошибочно идентифицировать.
Мария вернулась во Францию без сил. Несмотря на глубокую депрессию, исследовательница попыталась продолжить работу, но у нее возникла серьезная почечная инфекция и другие осложнения, которые заставили сделать перерыв в экспериментах на год. Часть этого времени она лечилась; а потом она вдруг исчезла – Мария отправилась под своей девичьей фамилией в Англию и нашла там убежище в доме своей подруги – математика Герты Айртон, которая недавно стала вдовой профессора физики. Супруги Кюри познакомились с супругами Айртон во время поездки в Англию в 1903 году, незадолго до защиты диссертации Марии, и с тех пор хранили дружбу, которая в тяжелое для Марии время очень ей помогла.
Отношения с Ланжевеном сохранились до смерти Марии, но уже в ином качестве. Они поддерживали и научное сотрудничество, и дружбу, но страсть, которая вернула Марии улыбку, умерла на дуэли между Тери и Полем. Похоже, Ланжевен через некоторое время помирился со своей женой, что не помешало ему сделать ярчайшую научную карьеру, за которую, что любопытно, ему так и не вручили Нобелевской премии. В Англии Мария наконец-то нашла покой и возродилась из пепла.
* * *
ЭКСПЕРИМЕНТ ГЕЙГЕРА И МАРСДЕНА
По настоянию Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден в 1909 году по ставили эксперимент, во время которого они бомбардировали тончайшую пластинку из золота толщиной в микрон (1 миллионная миллиметра, то, что ювелиры называют сусальным золотом) α-частицами из радиоактивного источника. Ученые обнаружили, что большинство частиц пронизывает пластинку, практически не испытывая отклонений; некоторые испытывали небольшие отклонения (более 99% частиц отклонялись на угол менее 3°), и, к их удивлению, одна из 10 тысяч частиц отклонялась под углом больше 90° (то есть рикошетировала). Это последнее наблюдение было абсолютно необъяснимым с помощью модели атома Томсона. Резерфорд предположил планетарную модель атома, в которой атом был практически пустым, и именно по этой причине большинство α-частиц не отклонялись от своей траектории при прохождении сквозь золотую пластинку. Рикошетировали те частицы, которые встречались с очень плотной положительно заряженной зоной, которую Резерфорд определил как атомное ядро. В ядре концентрировалась почти вся масса атома, а его радиус был в 10 тысяч раз меньше, чем радиус всего атома. В атоме электроны (отрицательно заряженные частицы с массой в тысячу раз меньше массы ядра) двигались по орбите вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Эта модель предполагала другую проблему, поскольку, согласно классической физике, электроны на круговой траектории должны были терять энергию (обладая противоположным зарядом, они должны были притягиваться ядром) и в итоге упасть на него. Эту проблему через некоторое время решил другой ученик Резерфорда, Нильс Бор.
Схема экспериментальной установки Гейгера и Марсдена.
Траектории а-частиц в планетарной модели Резерфорда.
РЕЗЕРФОРД И ОТКРЫТИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Что же происходило с тем, кто в молодости был хорошим игроком в регби, а затем раньше всех догадался, что атом может распадаться? Эрнест Резерфорд закончил свою американскую «ссылку» в январе 1907 года, через некоторое время после смерти Пьера. Хотя он получил щедрые предложения от престижных американских университетов, таких как Йель и Стэнфорд, он хотел вернуться в старую Европу, которая все еще была центром мировой науки. Возможность представилась, когда Манчестерский университет предложил Резерфорду кафедру физики: говорили, в Манчестере было лучшее физическое отделение в Великобритании – естественно, после Кавендиша в Кембридже.
Через год после прибытия в Манчестер Резерфорд вместе с Содди получил Нобелевскую премию за открытие процессов радиоактивного распада. Эта награда больше обеспокоила ученого, нежели обрадовала, поскольку ему присудили премию по химии, а он обычно говорил, что наука – это или физика, или коллекционирование марок. Много лет спустя ему по-прежнему нравилось смеяться над тем, что многие химики предпочитают эксперименты абстрактному мышлению, которое казалось делом исключительно физиков. Так, около 1930 года во время одного неформального разговора со студентами-химиками из Оксфордского университета в клубе «Алембик» он сказал: «Если бы вы, химики, меньше работали и больше думали, какие чудесные достижения мы бы наблюдали в вашей науке в ближайшие годы!»
Нобелевская премия не была для Резерфорда целью, скорее наоборот, она знаменовала продолжение еще более блестящей творческой деятельности. Когда ученый обосновался в Манчестере, то вместе с самыми талантливыми учениками, которые когда-либо были у преподавателя, он навсегда перевернул наше понимание материи.
В начале XIX века Джон Дальтон – он также преподавал в Манчестере математику и то, что тогда называли натурфилософией, – воскресил понятие атома, предложенное Демокритом в V веке до н.э., и определил его как наименьшую часть материи, сохраняющую ее свойства. В его модели атомы были твердыми, плотными и неделимыми шарами. Открытия конца XIX века, касающиеся электрической природы материи, сделали очевидным существование субатомных частиц, несущих заряд. После определения отношения заряд/масса электронов Дж. Дж. Томсон предложил свою модель пудинга, в которой почти вся масса и весь положительный заряд атома были распределены равномерно, в то время как отрицательные заряды были вкраплены в эту массу, как изюминки в пудинг. Эта модель считалась рабочей, но когда Резерфорд раскрыл природу радиоактивного распада, то а-частицы, умело использованные в качестве снарядов его учениками Гейгером и Марсденом, доказывали ее ошибочность. Резерфорд рассказывал на лекции, которую прочитал в Кембридже спустя много лет, в 1936 году:
«Я не думал, что α-частицы могут быть рассеяны на большой угол, потому что мы знали, что они тяжелые и обладают большой энергией. […] Помню, через два или три дня Гейгер пришел очень возбужденный и сказал, что они «обнаружили несколько отраженных α-частиц». Это был самый невероятный факт, который произошел в моей жизни. Настолько невероятный, как если бы при выстреле 15-дюймовым пушечным ядром в лист бумаги ядро бы срикошетило. Я понял, что это отражение, должно быть, является результатом уникального столкновения, и когда я сделал подсчеты, увидел: невозможно, чтобы имелось что-то величины такого порядка, если только речь идет не о системе, в которой большая часть массы сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда мне пришла в голову идея об атоме с центром, массивным, крошечным и несущим заряд».
Распределение заряда и массы атома, которое представил себе Резерфорд в 1911 году, очень похоже на то, что мы знаем сегодня. Атом практически пуст, положительный заряд и большая часть массы концентрируются в крошечном ядре, которое находится в центре, в то время как электроны движутся по орбите вокруг него, образуя что-то вроде облака. Если представить, что весь атом, размер которого определяется электронными облаками, имеет размер, равный футбольному полю, то это ядро было бы диаметром с жемчужину. Все химические реакции – это всего лишь модификации распределения электронов, наиболее удаленных от ядра, как движение зрителей на самых верхних ступенях стадиона. Но, как это происходит и во время матча, когда вся публика сконцентрирована на том, что совершается в центре поля, как бы высоко ни находилось место, так и в атоме мельчайшие движения электронов в оболочке определяются взаимодействием с положительным зарядом ядра.
Противоречия планетарной модели атома Резерфорда, в которой электроны движутся по орбите вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, были сняты одним из его учеников, Нильсом Бором. Этот датский физик, адаптировав квантовую гипотезу Планка, заявил в 1913 году, что электроны стабильны на своих орбитах и не испускают энергию, в противоположность предсказанному классической физикой для заряженной частицы в круговом движении. Постулаты Бора не только делали жизнеспособной планетарную модель Резерфорда, но и объясняли многие предыдущие данные, особенно атомные спектры. В трудах Шрёдингера и Гейзенберга в конце 1920-х годов в итоге появилась квантовая модель атома. Вместе с этим важным теоретическим результатом в лаборатории Манчестера имела место экспериментальная разработка внешне небольшого масштаба, которая, однако, имела чрезвычайное значение: Гейгер разработал прибор, позволявший считать а-частицы по одной. Его счетчик стал необходимым инструментом для всех лабораторий, в которых изучали и изучают радиоактивность.
* * *
СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА
Когда думают о средах, загрязненных радиоактивностью, очень часто вспоминают особый звук, напоминающий стрекотание, – он ассоциируется со счетчиком Гейгера, обнаруживающим α– и β-частицы, возникающие в ядерных реакциях. Счетчиком воспользовалась Мария Кюри, когда ее дочь Ирен принесла радиоактивный алюминий – первый продукт с искусственной радиоактивностью. Аппарат был разработан в 1908 году Резерфордом и Гейгером, одним из его сотрудников в Манчестере. Резерфорд использовал α-частицы как снаряды для определения природы радиоактивных процессов. Для их количественной оценки кто-то должен был считать следы, которые α-частицы оставляли на флуоресцентном экране из сульфида цинка. Лучшим в этой задаче был Ханс Гейгер, который мог считать их часами, не допуская ошибок. Однако немецкий физик придумал устройство, освободившее его от этой изнурительной работы, – так возник первый прототип счетчика Гейгера, который затем улучшил ученик физика, Мюллер. Аппарат состоит из работающей как катод металлической трубки, наполненной инертным газом, таким как аргон; внутри нее проволока, которая работает как анод. У трубки должно быть окно, сделанное из очень тонкой пластинки, которое позволяло бы проникать радиации, но мешало бы выходу газа, обычно оно изготавливается из слюды или ПЭТ. Когда ионизационная радиация (α– или β-частицы) воздействует на атом аргона, она забирает у него электрон, который из-за своего отрицательного заряда притягивается анодом, в то время как произведенный катион Ar+ притягивается катодом. Вследствие этого в счетчике создается небольшой ток, пропорциональный интенсивности радиации. Ток, порождаемый радиацией, вызывает ионизацию газа – тот же процесс Мария измеряла своими пьезоэлектрическими кварцевыми весами, но его количественная оценка намного проще.
Схема счетчика Гейгера
* * *
Параллельно была раскрыта другая загадка радиоактивности. При изучении элементов, производимых в рядах радиоактивного распада, Содди в 1910 году заметил, что элементы, которые он назвал мезоторием и торием-Х, как и радий, невозможно было выделить, поэтому он начал думать о том, могут ли одно место в периодической таблице делить несколько элементов. В 1913 году эта догадка подтвердилась, когда немецкий ученый Казимир Фаянс – также работавший в Манчестере с Резерфордом – пришел к такому же выводу. В законах Содди – Фаянса о радиоактивном распаде устанавливалось, что когда элемент испускает а-частицу, он смещается на две позиции влево по периодической таблице, а когда он испускает β-частицу, он смещается на одну позицию вправо.
Содди выяснил, что если элемент испускает α-частицу, а затем две β-частицы, то получается не исходный элемент, а другое вещество с такими же химическими свойствами, но другим временем полураспада. При обсуждении этой видимой нестыковки во время семейного ужина шотландский врач Маргарет Тодд предложила Содди термин «изотоп» для обозначения веществ, которые занимают одно место в периодической таблице. Первый признак существования изотопов обнаружил Дж. Дж. Томсон, когда нашел две линии, приписываемые неону, в каналовых (анодных, или положительных) лучах.
Окончательное доказательство предоставил его ученик Фрэнсис Уильям Астон после возвращения с Первой мировой войны. С помощью масс-спектроскопии, которую открыл Томсон, Астон выделил два вида газа неона массой 20 и 22 и предложил свое правило целого числа, согласно которому элементы, атомная масса которых не является целым числом, имеют несколько изотопов в значимых пропорциях. Этому правилу подчиняется неон с атомной массой 20,2 – это промежуточное значение между атомной массой неона-20, относительная распространенность которого составляет 90,5%, и неона-22 с распространенностью 9,5%. Подобный же случай представляет и хлор, атомная масса которого 35,45 соответствует промежуточному значению между массой изотопа хлор-35 (76%) и хлор-37 (24%). В 1922 году Астон получил за свои исследования Нобелевскую премию по химии. Атомная масса перестала быть характерным свойством химического элемента, подтверждая зарождение химии невзвешиваемого, о которой говорила Мария Кюри.
* * *
ЗАКОНЫ СОДДИ-ФАЯНСА О РАДИОАКТИВНОМ РАСПАДЕ
Эти три закона были предложены Фредериком Содди и Казимиром Фаянсом независимо друг от друга в 1913 году.
1. Когда радиоактивный атом испускает α-частицу, массовое число получившегося атома (А) уменьшается на 4 единицы, а атомный номер (Z) – на 2. Например,
2. Когда радиоактивный атом испускает β-частицу, атомный номер (Z) увеличивается (β-) или уменьшается (β+) на единицу, а массовое число (А) остается постоянным. Например,
3. Когда возбужденное ядро испускает электромагнитную радиацию (γ), не меняются ни А, ни Z, происходит только потеря энергии.
Сегодня известно, что α-частица – это ядро атома гелия (следовательно, ее символ – 42Не), в то время как частицы β и β+ – электроны и позитроны соответственно.
* * *
Генри Мозли, еще один партнер Резерфорда в Манчестере, определил характерное свойство каждого элемента. Он измерил спектры излучения рентгеновских лучей всех известных в то время элементов и выяснил, что квадратный корень частоты испускаемых рентгеновских лучей пропорционален уникальной частоте для каждого элемента. Мозли определил эту величину как заряд центрального положительного ядра и назвал ее Z, что сегодня известно как атомный номер. Он опубликовал свои результаты в двух статьях, которые послал незадолго до того, как отправился на фронт. Работы увидели свет в 1913 и 1914 годах. Мозли так и не узнал, что именно в том году, когда он погиб на войне, в 1915-м, он стал бы одним из самых молодых кандидатов на Нобелевскую премию.
Ученый заметил: Z увеличивается в том же порядке, что и атомная масса, кроме таких элементов, как кобальт, никель, йод и теллур. Чему были обязаны эти исключения? Очевидно, существованию более тяжелых изотопов у элементов с меньшим атомным номером. Но почему существуют изотопы? Потому что у ядра есть, помимо протонов, еще одна частица, нейтрон, которая не была обнаружена, потому что у нее отсутствует заряд. Резерфорд догадался о существовании нейтрона еще в 1920 году, но только в 1932 году это экспериментально подтвердил другой его ученик, Джеймс Чедвик. Он сделал это, повторив эксперимент, который провели в Радиевом институте Ирен Кюри и ее супруг Фредерик Жолио-Кюри. Опыт заключался в том, чтобы бомбардировать бериллиевую пластинку α-частицами, что вызвало испускание лучей, которые исследователи посчитали у-лучами высокой энергии, порожденными протонами при прохождении через парафин. Резерфорд подверг сомнению эти результаты; Чедвик поверил в их наличие, но не в толкование. Зная, что нужно искать, и пользуясь подходящим детектором, Чедвик обнаружил нейтрон и получил за это в 1935 году Нобелевскую премию по физике. Так была окончательно решена загадка структуры атома.
* * *
НАСЛЕДИЕ МОЗЛИ
После того как стало известно о дифракции, обнаруженной фон Лауз и Брэггом, Генри Мозли (1887–1915) поехал в лабораторию Брэгга в Лидском университете, потому что хотел больше узнать о взаимодействии рентгеновских лучей с материей. Ознакомившись с источниками рентгеновских лучей, он исследовал их энергию, используя в качестве анодов все 73 химических элемента, известных к тому времени. Он обнаружил линейную связь между длиной волны испускаемых каждым элементом лучей и характерной величиной, которую Мозли определил как ядерный заряд. На основе этих значений он установил новый порядок элементов в периодической таблице, исправив исходный порядок Менделеева на основе значений атомной массы и предсказав существование еще не открытых элементов. Ход эксперимента Мозли схематично показан на рисунке, где приведена схема атома по модели Бора, которая, в свою очередь, основывается на модели Резерфорда: падающий фотон (верхняя волнистая линия) выбивает электрон (правая волнистая линия) из внутренних слоев электронной оболочки. Промежуток заполняется электроном из внешних слоев, который, в свою очередь, испускает другой фотон с энергией (левая волнистая линия), равной разнице между двумя этими уровнями. Каждый химический элемент испускает фотон с характерной энергией, пропорциональной числу протонов ядра. Энергия фотонов порождает флуоресцентные линии рентгеновских лучей, которые помогли Мозли определить атомный номер, Z. Этот процесс – основа одного из самых чувствительных методов недеструктивного химического анализа, флуоресценции рентгеновских лучей. Мозли провел первую часть своего исследования в лабораториях Резерфорда в Манчестере, а последнюю часть – в Кларендонской лаборатории в Оксфорде, где не было даже электрической сети и приходилось покрывать расходы самому. Официально он оставил Манчестер, чтобы вернуться к матери в Оксфорд, но самое главное – он хотел выйти из тени профессора и плеяды его блистательных учеников, которые могли затмить его собственную работу.
