Резерфорду тоже пришлось отдать дань войне -- британское адмиралтейство пожелало, чтобы он стал научным экспертом по вопросам защиты кораблей от вражеских подводных лодок. Однако каждую свободную минуту физик использовал в своих собственных научных интересах. Он находился в оживленной переписке с Нильсом Бором: "Мне хотелось, чтобы Вы были рядом, для того, чтобы обсудить с Вами значение некоторых моих результатов по столкновению ядер,-- писал Резерфорд датскому теоретику 17 ноября 1917 года.-- Мне кажется, я получил поразительные результаты. Однако работа продвигается тяжело и медленно. Для старых глаз очень трудно подсчитывать слабые сцинтилляции". Резерфорд упорно бомбардировал атомную крепость своими альфа-лучами в надежде, что однажды атом признает себя побежденным. "Я надеюсь этим путем расщепить атом,-признается он в другом письме к Бору, датированном 9 декабря 1917 года. -- В одном случае я получил многообещающий результат". При столь радостных перспективах было понятно, что Резерфорд с нежеланием относился к своей военной службе. Когда однажды он получил порицание от адмиралтейства за опоздание на важное совещание, то отстранил все упреки: "Я был занят экспериментами, которые указывают на то, что атом можно искусственно расщепить. Если это так, то это гораздо важнее, чем вся ваша война!".
Из этих слов можно почти что сделать вывод, что исследователь находился у цели. Уж не нашел ли он способ высвобождать энергию атома путем его разрушения? Трезвый, чуждый всякой сенсации текст отчета Резерфорда от апреля 1919 года, опубликованный в июньском номере "Философикл мэгэзин", мог вызвать разочарование: "Столкновение альфа-частиц с легкими атомами -- IV. Аномальный эффект на азоте". Однако в основе этой статьи лежало еще одно фундаментальное открытие.
Мечты алхимиков сбываются
Эрнест Резерфорд с обычным упорством подвергал бомбардировке альфа-частицами различные элементарные газы и методом сцинтилляции измерял расстояния, на которые отбрасывались атомы, составляющие молекулы газов. Атомы азота в аппаратуре Резерфорда отбрасывались альфа-частицами на 9 см. Однако затем физик обнаружил частицы, которые пробегали расстояние в 28 см.
Он установил, что это были ядра водорода, называемые также протонами. Откуда они могли появиться? Резерфорд был совершенно уверен, что в опытах он исключил даже следы водорода. После некоторого раздумья ученый нашел единственно возможное объяснение: атом водорода получился из ядра атома азота, "разрушенного" ударом альфа-частицы. Дальнейшие опыты подтвердили правильность такого предположения.
Англичанин Вильсон использовал конденсационную камеру так, что в ней пути ядер атомов и других заряженных частичек стали видимыми для человеческого глаза в виде следов конденсации. В тех случаях, когда происходили превращения ядер, в камере наблюдали не обычный путь частичек, а разветвленный. Сотрудник Резерфорда, Блэкетт, сделал фотографии следов ядер. Ему пришлось проявить 23 000 снимков, чтобы найти 8, на которых была видна такая "развилка". Это говорило о необычайно низкой вероятности столкновения или превращения. В обнаруженных восьми случаях шло превращение, наблюдавшееся Резерфордом, которое он ошибочно принял за "разрушение". На самом деле процесс протекал в соответствии с уравнением:
[14]N + [4]He [17]O + p
Атом азота (N) с массовым числом 14 превращается с помощью альфа-частицы (ядра атома гелия) в атом кислорода (О) с массовым числом 17 (изотоп обычного кислорода) и протон (ядро атома водорода). Таким образом, впервые удалось искусственно превратить один элемент в другой, ибо обнаруженное ранее превращение радия или радона в гелий является процессом естественного радиоактивного распада. Сам Резерфорд рассчитал, что прошли бы тысячелетия, пока по этому уравнению получился бы лишь 1 мм[3] водорода. Однако процесс шел. С помощью радиоактивного излучения можно было превратить один элемент в другой. Конечно, оставалось неясным, ограничивается ли это превращение только некоторыми, а именно легкими элементами. Или в конце концов можно будет "получать" таким путем и благородные металлы, быть может, когда-нибудь даже в весомых количествах?
Такая постановка вопроса была правомерной. Ведь меньше чем за двадцать лет после открытия радиоактивности удалось основательно пересмотреть установившуюся в науке догму об элементах и атомах, которые дальше не распадаются и не могут быть превращены друг в друга. Теперь было достаточно оснований для того, чтобы вновь восторжествовали приверженцы столь гонимой алхимии...
20 лет исследований явления радиоактивности привели к открытию большого числа радиоактивных элементов, которые можно было подразделить на три ряда естественного радиоактивного распада: ряд урана -- радия, ряд урана -актиния и ряд тория. Со времени существования Земли начальные представители этих рядов превращались во множество радиоактивных изотопов. Среди них были изотопы нескольких новых элементов. Однако ни в одном из рядов последовательного радиоактивного распада золота нет.
Прошло несколько лет упорных исследований, пока было обнаружено, что соответствующие конечные продукты радиоактивных рядов, которые вначале называли радий G, актиний D и торий D, являются не чем иным, как свинцом. Однако был ли это тот же свинец, который получают из руды на предприятиях и применяют в промышленности и технике? Появившиеся сомнения рассеялись лишь тогда, когда определили его атомную массу, а затем, с помощью масс-спектрографических исследований, подтвердили, что речь идет о различных изотопах свинца:
радий G (свинец ряда урана) -- свинец-206
актиний D (свинец ряда актиния) -- свинец-207
торий D (свинец ряда тория) -- свинец-208
Свинец естественного происхождения состоит, как и большинство элементов, из смеси нескольких изотопов. Всего только 20 химических элементов являются моноизотопными, как золото, для которого в природе существует только один устойчивый изотоп ([197]Au). Поэтому золото обладает относительной атомной массой, численно равной 197,0.
Естественный свинец состоит из устойчивых изотопов: 204 (1,4 %), 206 (26,3 %), 207 (20,8 %) и 208 (51,5 %)[57]. Поэтому относительная атомная масса свинца вычисляется из различных вкладов отдельных изотопов и в среднем дает значение 207,2. В результате непрерывных радиоактивных превращений содержание свинца на Земле постоянно увеличивается. Сейчас на нашей планете свинца больше, чем было в момент ее образования.
Начальный представитель ряда урана -- природный изотоп [238]U -- распадается с периодом полураспада около 4,5 миллиардов лет. Поэтом образуются, помимо других, элементы 88 (радий), 86 (радон--эманация радия), 84 (полоний) и, наконец, 82 (свинец).
Естественный распад урана, протекающий с постоянным выделением энергии, нельзя искусственно ускорить. Должно пройти более 60 миллионов лет, чтобы из 1 кг урана в конце концов образовалось 10 г свинца. Когда физики-атомщики попытались форсировать это превращение, чтобы высвободить, быть может, огромные количества энергии в кратчайшее время, они, как известно, потерпели неудачу.
Значительно позднее, после открытия рядов радиоактивного распада, стало ясно, что и не будучи алхимиком, надо признать существование естественного распада радиоактивных элементов. Поэтому в 1919 году известие о первом искусственном, рукой человека проведенном, превращении атома стало сенсацией. Что же все-таки в конце концов, права алхимия? Напомним, что при искусственном превращении элемента азота в элемент кислород Резерфорд выбил из ядра атома протон. В качестве снаряда он в свое время использовал тяжелые альфа-частицы.
Согласно атомной модели Резерфорда -- Бора ядро атома состоит из определенного числа протонов, равного заряду ядра или порядковому номеру атома в периодической системе. Так, ядро атома свинца содержит 82 протона, ядро таллия--81, ядро ртути--80, ядро золота -- 79.
