Текст книги "Виток спирали"

Автор книги: Валентин Рич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)

Глава третья,
в которой элементы начинают превращаться друг в друга

ПЕРВЫЙ КАМЕНЬ

В конце 1895 года пятидесятилетний профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген, занявшись катодными лучами, с которыми уже лет двадцать работали десятки исследователей, обнаружил еще одни невидимые лучи. Они появлялись в круксовой трубке – в том месте, куда ударялись катодные лучи, представлявшие собой, как объяснил Томсон, поток электронов.

Если поток электронов врезался в анод, то новые невидимые лучи расходились от светящегося анода. Если поток электронов отклоняли магнитом и он врезался в стекло трубки, то новые невидимые лучи расходились на светящегося пятна на стекле.

Сперва Рентген думал, что это те же катодные лучи, только изменившие свое направление. Но ничего подобного: они совершенно не отклонялись магнитом! И к тому же проходили через непрозрачные предметы. И к тому же, оставаясь невидимыми, засвечивали фотографические пластинки. Рентген сфотографировал руки своей жены и гирьки, помещенные в закрытую деревянную коробку. Эти фотографии – первые в мире рентгеновские снимки – вместе с отпечатанной десятистраничной брошюрой «О новом роде лучей» он послал наиболее авторитетным физикам.

Один из конвертов прибыл в Париж, и его содержимое было оглашено на первом же заседании Французской академии наук в январе 1896 года.

На этом заседании среди других французских ученых присутствовал профессор Антуан Анри Беккерель – сын профессора Эдмона Беккереля и внук профессора Антуана Сезара Беккереля, занимавшихся всю жизнь изучением фосфоресценции – свечения разных веществ. Эти исследования продолжал и Анри Беккерель – быть может, единственный случай, когда три поколения в семье изучали одно и то же явление природы.

Беккереля, конечно, заинтересовала связь рентгеновых лучей с фосфоресценцией. Если они появляются в фосфоресцирующем пятне, то не может ли давать такие же лучи и какое-нибудь самосветящееся вещество? Такой вопрос возник совершенно естественно, и Анри Беккерель взялся за опыты, которые должны были на него ответить.

Опыты были очень простыми. Он брал способное к фосфоресценции вещество, освещал его солнечными лучами, а потом клал на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Для рентгеновых лучей черная бумага не была преградой, и если бы они возникли, пластинка непременно оказалась бы засвеченной.

Одно за другим ложились на черную бумагу разные вещества, а пластинки ничего не регистрировали. Наверное, другой исследователь уже не раз бы махнул рукой на это дело. А Беккерель продолжал опыт. И в одни прекрасный день, зафиксировав очередную неудачу, он достал очередное вещество – двойную сернокислую соль калия и урана, – положил его на завернутую в черную бумагу фотопластинку, открыл окно, чтобы ультрафиолетовые лучи попали на препарат, а потом закрыл окно и пошел в фотолабораторию проявить пластинку…

На заседании академии наук Беккерель объявил:

"Если взять фотографическую пластинку, обернуть ее двумя листками очень плотной черной бумаги, а сверху положить какое-нибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), выставить все это на несколько часов на солнце, а затем пластинку проявить, то на ней появится силуэт фосфоресцирующего вещества".

Это был не такой уж частый случай двойной ошибки. Ошибочная гипотеза была подтверждена ошибочным фактом. Фосфоресценция не имела к происшедшему ровно никакого отношения, как не имели к нему отношения и рентгеновы лучи.

В этом сам Беккерель убедился уже на следующей неделе. Было пасмурно, солнце почти не появлялось, и препарат урановой соли облучению не подвергался. Но фотопластинка продолжала исправно засвечиваться.

Другие вещества так себя не вели. И Беккерель уже на следующем заседании академии смог доложить о своей ошибке и о пойманном виновнике – уране, последнем элементе таблицы Менделеева. Это свое поразительное свойство уран скрывал почти восемьдесят лет.

Разумеется, крайне интересно было бы выяснить, не испускают ли лучи и другие элементы?

Беккерель, работавший в музее естественной истории, проверял подряд все минералы. И вскоре убедился: некоторые из них засвечивают пластинку гораздо сильнее, чем та первая урановая соль. Правда, и эти минералы тоже были урановыми – например, урановая смолка из Иоахимсталя в Чехии. Но ведь урана в ней было куда меньше, чем в соли?

В чем же дело?

Беккерель обратился за помощью к своему другу физику Пьеру Кюри и его жене химику Марии Склодовской.

АТОМНАЯ ИЛИ КОСМИЧЕСКАЯ?

Мария Склодовская родилась в семье учителя физики в Варшаве. Окончив с золотой медалью гимназию, она уехала из Варшавы в глушь, работала гувернанткой в помещичьих семьях, а заработанные деньги отсылала старшей сестре, чтобы та могла подучить высшее образование.

В двадцать четыре года – Томсон в этом возрасте был уже бакалавром – Мария Склодовская впервые переступила порог университета. Она жила в ледяной комнате, питалась хлебом и водой – ни на что другое не было денег. И училась, училась, училась. Через четыре года она была уже вполне сложившимся исследователем…

Итак, Беккерель уперся в загадку: урановая смолка излучала сильней, чем двойной сульфат урана и калия, хотя в соли было больше урана, чем в минерале.

Узнав об этом, Мария Кюри высказала предположение: уран в минерале излучает сильней, чем уран в соли, по той же самой причине, по какой азот из атмосферы казался тяжелей азота из аммиака или селитры. И там и тут эффект вызван примесью. В случае с азотом этой примесью оказался, как известно, более тяжелый газ аргон. В случае с ураном надо искать другой сильно излучающий элемент.

Два года в дощатом сарае с бетонным полом и стеклянной крышей кипели в огромных железных баках кислоты и щелочи, выпаривались и фильтровались растворы. Тысячи килограммов пустых пород из Иоахимсталя – отходов тамошнего уранового производства – превращались в граммы, а затем и в миллиграммы солей. Всю эту работу – работу целой фабрики – делали два человека: Мария и Пьер Кюри.

Два года трудов. Несколько десятых долей грамма добычи. Но какой! Не один, а два новых элемента нашли супруги Кюри в урановых отходах. И оба новых вещества оказались активней урана. Первый, обнаруженный летом 1898 года, они назвали но-лонием, в честь Польши, родины Марии. Второй – радием, от слова "радиус" – "луч".

Особенно великолепен был радий, оказавшийся в миллион раз активнее урана. У него удалось зарегистрировать лучи трех видов. Магнит действовал на них по-разному. Одни лучи отклонял еле-еле, и притом к отрицательному полюсу. Очевидно, это были какие-то довольно тяжелые положительно заряженные частицы. Другие лучи отклонялись посильней, примерно так, как катодные, и к положительному полюсу. По всей вероятности, это были электроны. Третьи лучи, пожалуй, напоминали рентгеновы – на магнит они не реагировали вовсе.

Три излучения названы были тремя первыми буквами греческого алфавита. Положительные – альфа-лучами, отрицательные – бета-лучами, нейтральные – гамма-лучами.

Если бета– и гамма-лучи были похожи на уже известные излучения, то с лучами, подобными альфа-лучам, люди прежде не встречались.

Когда Мария Кюри измерила их скорость, весь ученый мир пришел в изумление: невиданные лучи неслись со скоростью 25 000 километров в секунду.

Не мудрено, что соли радия непрерывно выделяли громадное количество теплоты – в четверть миллиона раз больше, чем при сгорании угля. В теплоту переходила чудовищная энергия альфа-лучей. Откуда бралась энергия?

Этот вопрос вызывал еще большие споры, чем природа альфа-частиц.

Мария Кюри считала, что источник этой энергии находится внутри атома. Откуда же еще могли выстреливаться такие сверхскоростные снаряды?

Но это было лишь предположение, его следовало доказать.

А пока даже у Пьера Кюри было свое особое мнение: атомы урана, полония, радия – это как бы шлюзы, через которые в наш мир хлещет поток космической энергии. Уран – шлюз поменьше, радий – самый большой шлюз.

Правда, что такое эта "космическая энергия", Пьер Кюри толком объяснить не мог. Но объяснить, что такое "внутриатомная энергия", в то время тоже никто бы не взялся!

Было ясно одно: наука впервые столкнулась с новым видом энергии, с новым свойством некоторых атомов – непрерывно излучать энергию. Свойство это, на которое случайно наткнулся Беккерель, Мария Кюри назвала радиоактивностью.

НОВАЯ АЛХИМИЯ

Цивилизация и ее драгоценнейшее достояние – наука – создавалась силами всего человечества. На страницах этой книжки уже появлялись индийцы и китайцы, египтяне и греки, римляне и арабы, русские и немцы, французы, англичане, поляки…

Теперь настало время для новозеландца Эрнста Резерфорда – уроженца острова, находящегося на глобусе как раз на противоположной Англии стороне. Он родился в маленькой деревушке Спринг Гроув, отец его был колесным мастером.

Эрнст Резерфорд окончил Новозеландский университет и в 4895 году приехал в Англию, поступил работать в Кавендишскую лабораторию. Когда Томсон открывал электрон, его ближайшим помощником в этом исследовании был Эрнст Резерфорд.

Как только первые вести об открытии Беккереля пересекли Ла-Манш, Резерфорд занялся ураном и с тех пор всю жизнь работал с излучающими элементами.

Через некоторое время ему пришлось покинуть Кембридж и отправиться в Канаду, затем он вернулся и получил лабораторию в Манчестере, затем стал преемником Томсона в Кавендишской лаборатории.

В 1899 году Эрнст Резерфорд сделал первое большое открытие.

Он работал тогда с торием, у которого Мария Кюри тоже обнаружила способность излучать. Вскоре Резерфорд установил, что торий ведет себя странно: излучает то сильней, то слабей. Как только в лаборатории одновременно открывали окна и двери, радиация ослабевала. Как только закрывали, радиация усиливалась.

Резерфорд быстро сообразил, что сквозняк что-то из лаборатории выдувает.

И действительно – сквозняк выдувал газ, который выделялся из торцевой соли. А газ этот был тоже радиоактивным. Больше газа – больше поток излучений. Меньше газа – меньше радиация.

Почти в то же время друг и помощник Марии и Пьера Кюри француз Анри Дебьерн и немец Эрнст Дорн обнаружили, что такой же газ выделяется из радия.

Резерфорд собрал этот газ и исследовал его по всем правилам химической науки. Радиоактивный газ по своим химическим свойствам как две капли воды походил на инертные газы – гелий, аргон, неон, криптон и ксенон. Он был тяжелее самого тяжелого из них – должен был занять последнее место в нулевой группе естественной системы элементов. И по своим химическим свойствам ему было тут самое место, и по атомному весу, и по новому свойству излучать, которое в большей или меньшей мере проявлялось у всех атомов тяжелее свинца.

Пока Резерфорд занимался открытым им элементом – впоследствии он был окрещен радоном, – Уильям Крукс натолкнулся на другое замечательное явление.

Крукс предпочитал сам проверять открытия. Он купил окиси урана и подверг ее тщательной химической очистке, чтобы быть совершенно уверенным в чистоте препарата. Очистив окись урана, Крукс положил ее на фотопластинку. И пластинка осталась незасвеченной! Выходило, что Беккерель ошибся, Чистый уран не излучал.

Зато примесь, которую Крукс отделил от урана, – вот она излучала! Крукс назвал ее ураном-икс, и принялся изучать ее химическую природу.

Как только об атом узнал Беккерель, он немедленно стал проверять Крукса. И выяснил, что Крукс прав.

Беккерель был способен на удивительные догадки, Через несколько дней после этого опыта ему пришла такая мысль: что если очищенный уран лишь на время потерял свою активность, а теперь она снова появилась?

Беккерель положил ранее очищенный препарат урановой соли на пластинку и пошел в фотолабораторию. Пластинка оказалась сильно засвеченной!

Беккерель проделал то же самое с примесью. Странно, но теперь примесь перестала засвечивать пластинку.

Они поменялись местами, как в бальном танце.

Об этом непонятном явлении Беккерель немедленно известил коллег-физиков. Резерфорд, разумеется, повторил опыты Крукса – Беккереля с торием, и у него получился торий-икс. По химическим свойствам он ничем не отличался от… радия. И Резерфорд тоже наблюдал странный танец с переменой мест.

Не означало ли все это, что в тории, от которого отделили торий-икс, этот "икс" появляется почему-то снова?

Тончайшие химические манипуляции – и вот в одном сосуде торий, совсем переставший засвечивать пластинку, а в другом сосуде возродившийся торий-икс, радий.

Но что значит – возродившийся? "Из ничего даже волей богов ничего не творится", не возродившийся – а родившийся!

Атомы одного элемента превратились в атомы другого элемента!

С этого момента началась эпоха "новой алхимии", нового утверждения идеи о возможности превращения элементов.

Но мысль человеческая не шла по кругу, новое утверждение не означало возврата к фантастическим представлениям искателей философского камня, Мысль шла по восходящей спирали. Новые "алхимики" знали, из каких элементов состоят сложные вещества, и понимали, что ни растворение, ни расплавление, ни возгонка, ни соединение с другими элементами не могут заставить атом одного сорта стать атомом другого сорта. Но теперь им был известен совершенно новый способ взаимодействия вещества, при котором чудо превращения элементов происходило.

Новая эпоха только еще начиналась. Первые парадоксальные факты еще не расшатали все огромное здание привычных представлений.

И потому, например, Беккерель, узнав о превращении тория, не спешил согласиться с Резерфордом. Почему непременно превращение атомов? Может быть, превращение молекул? Может быть, действовали обычные химические силы?

Тогда Резерфорд поручил своему помощнику Фредерику Содди попытаться повлиять на ход этих превращений. Ведь на химические превращения, когда атомы соединяются друг с другом или, напротив, разъединяются, можно влиять. И Содди заставил торий пройти сквозь огонь, воду и медные трубы всевозможных реакций. Но торий, продолжая излучать, с завидным постоянством превращался в радий.

Впрочем, Резерфорд уже подозревал, что превращение и излучение есть, вероятнее всего, один и тот же, единый, процесс. И появление альфа-частицы свидетельствовало о превращении атома тория в атом радия.

Но предположение – это еще не доказательство.

Чтобы найти доказательства, надо было установить природу альфа-лучей.

ГЕЛИЙ ИЗ ТОРИЯ?

Что же такое альфа-лучи?

Мария Кюри выяснила, что это несущийся с неимоверной скоростью ноток положительно заряженных частиц.

Но что это за частицы? На что они похожи? На электрон? Или на что-то иное?

Когда превращение более тяжелого тория в торий-икс, обладавший всеми химическими свойствами более легкого радия, стало свершившимся фактом, Резерфорд задался вопросом: а что, если альфа-частицы – это какие-то очень легкие атомы? Он вспомнил и о том, что знали все химики, – в урановых минералах всегда есть гелий. Помните, как Гиллебранд принял его за азот, а Рамзай исправил ошибку в выделил из редкого минерала клевеита солнечный газ?

Газ этот оказался чрезвычайно легким, всего в четыре раза тяжелей водорода. И был вполне подходящим кандидатом на занятие должности альфа-частицы.

Теперь следовало определить массу альфа-частицы и сравнить ее с массой атома гелия. Задача была похожа на ту, что Резерфорд помогал решить своему учителю Томсону – определение массы электрона. Нужно было отклонить поток альфа-частиц в магнитном поле. Величина отклонения будет зависеть от заряда и массы частицы. Чем меньше заряд и чем больше масса, тем трудней частицу отклонить: ведь заряд это как бы локомотив, а масса – весь остальной поезд.

Но как у состава не может быть меньше одного локомотива, так и у заряженной частицы не может быть меньше одного заряда.

А больше – может. Когда надо преодолевать сильный подъем, прицепляют в голову состава не один, а два локомотива. Два заряда имеют, например, ионы магния.

Никто не мог сказать заранее, сколько зарядов у альфа-частицы. Резерфорд предположил, что один заряд, как у электрона, как у иона водорода.

Когда поток альфа-лучей пересек магнитное ноле, они почти не отклонились. И только в поле очень сильного электромагнита отклонение стало довольно заметным, но все же в два миллиона раз меньшим, чем отклонение катодных лучей – электронов, и вдвое меньшим, чем отклонение ионов водорода.

То есть альфа-частицы отклонялись так, будто они были вдвое тяжелей атомов водорода, и это было очень плохо… Плохо потому, что атомы гелия в четыре раза тяжелей атомов водорода. В четыре, а не в два.

Но что если не состав вдвое легче, а локомотив вдвое сильней? Ведь два заряда будут тянуть атом учетверенной массы именно так, как один заряд – атом удвоенной массы…

Резерфорд засел за расчеты. Ему нужно было вычислить полный электрический заряд альфа-частиц, выстреленных граммом урана за секунду, и число атомов гелия в этом объеме. И потом поделить полный электрический заряд на число атомов.

И у него получилось – на каждый атом приходится ровно два заряда.

Но расчет расчетом. А вот сосчитать бы, сколько на самом деле выстреливается альфа-частиц!

О ПОЛЬЗЕ ИГРУШЕК

Сэр Уильям Крукс, о котором читателю уже кое-что известно, вскоре после открытия радия изобрел замечательный прибор. Поначалу он казался игрушкой. Это не должно удивлять: ракеты, например, тоже долго служили в основном для игры – праздничных фейерверков.

Придуманная Круксом игрушка была похожа на окуляр от бинокля. Небольшая трубочка, сверху прикрытая лупой. А снизу – стеклянный экран, покрытый сернистым цинком – веществом, которое начинает светиться, как только на него попадет излучение. В середине трубочки, между экраном и увеличительным стеклом, торчала иголка, а на острие ее – невидимые атомы радия. Взялись они вот откуда: Крукс дотронулся копчиком иглы до внутренней стенки ампулы, в которой раньше лежал кристаллик бромистого радия. Этого оказалось достаточно, чтобы сколько-то миллионов атомов радия перебралось на иглу.

Приложив глаз к лупе спинтарископа – так называл Крукс свою игрушку (от греческих слов спинтар – "искра" и скопейн – "наблюдать"), – можно было увидеть экран, на котором, как рой падающих звезд на ночном небе, вспыхивали и гасли голубые искры. Каждая искра означала встречу альфа-частицы, вылетающей из радия, с молекулой сернистого цинка.

Предназначалась игрушка для демонстрации необычайных свойств нового элемента, открытого Марией и Пьером Кюри.

Разумеется, Резерфорд, как и все, кому удавалось заглянуть в спинтарископ, был заворожен звездным дождем альфа-частиц. Но еще большее впечатление произвела на него простота прибора, в котором было видно действие одной-единственной альфа-частицы. Ибо это значило, что частицы можно считать.

И Резерфорд вместе со своим помощником Гансом Гейгером принялся считать альфа-частицы.

Это была изнурительная работа – без конца глядеть в окуляр, не проморгать ни единой вспышки на экране. (Не проморгать в самом прямом смысле этих слов: не моргнуть.)

Они считали, считали, считали не сотни, не тысячи, не десятки и даже не сотни тысяч альфа-частиц. Миллионы!

Но зато, когда счет был закончен, и было подсчитано число атомов гелия, выделившегося из радиоактивного препарата, и оба этих числа совпали, вот тогда Резерфорд мог наконец со спокойной душой объявить: инкогнито альфа-частиц раскрыто! Каждая альфа-частица – это атом гелия – вернее, его ядро.

Так игрушка Крукса оказалась первым в истории окошком, заглянув в которое, человек мог воочию убедиться в существовании атомов.

С этого времени перестала существовать атомная гипотеза – атомное строение вещества стало очевидным фактом.

…Итак, альфа-частица окапалась атомом гелия.

А бета-частица оказалась, как и предполагали, электроном.

Какие-то неведомые силы выбрасывали их из атомов всех тяжелых элементов, стоящих в таблице Менделеева после свинца.

И когда какая-нибудь из этих частиц покидала атом, он сразу же становился атомом другого элемента. Потеряв альфа частицу, торий становился радием, радий становился радоном, радон – полонием, полоний – свинцом. Потеряв бета-частицу, актиний становился торием.

Как говорится, ясно и понятно.

Но недаром существует поговорка: "Нос вылезет – хвост увязнет".

Радий получался из урана, и из тория, и из актиния. И из каждого радия получался свой радон. Из каждого радона свой полоний. Из каждого полония свои свинец… Вместо одного радия получалось множество радиев, вместо одного радона – множество радонов, вместо одною свинца – множество свинцов. И все они, кроме свинца, норовили превратиться друг в друга, И хоть химические свойства у всех радонов или всех радиев были одинаковыми, атомный вес у них был разным. И эта страшная путаница фактов грозила обрушить закон Менделеева, потому что непонятно было, куда теперь ставить в таблицу эти одинаковые элементы с разным атомным весом.