Приведенный ниже рисунок появился впервые в 1903 г. в докторской диссертации Марии Кюри. Теперь он вошел во все учебники мира и каждый школьник бойко объяснит, что радиоактивные вещества испускают три типа лучей, которые (с легкой руки Резерфорда) получили название а-, 0- и у-лучей.

Испускание 0-лучей еще в 1898 г. обнаружил Беккерель, позже было показано, что их свойства совпадают со свойствами катодных лучей, то есть они представляют собой поток быстрых электронов (электрон — очень кстати — был открыт в предыдущем году). Два ученый Поль Вийяр (1860—1934) компонентов «урановых лучей» являются у-лучи, свойства которых оказались подобными Х-лучам Рентгена. В январе 1899 г. Резерфорд обнаружил третий компонент — а-лучи неизвестной дотоле природы. В наше время даже школьники знают, что а-лучи — это «просто» ядра гелия, но, чтобы доказать

года спустя французский установил, что одним из

этот факт, в то время даже таким людям, как Резерфорд, Содди и Рамзай, потребовалось не менее пяти лет работы.

В нем состояла сложность задачи? Прежде всего, такого понятия, как «ядро атома», тогда еще не изобрели: оно появится только через 11 лет. И хотя электрон уже два года как был известен, само существование атомов не было в то время строго доказано: опыты Перрена будут поставлены лишь 9 лет спустя. Отголосок трудностей тех дней мы чувствуем даже сейчас, при попытке последовательно изложить историю открытий радиоактивности. В самом деле, как мы хорошо теперь знаем, все эти явления относятся к области ядерной физики, а нам приходится анализировать их, тщательно избегая употребления слова «ядро».

В год открытия радия Эрнест Резерфорд был докторантом знаменитого Дж. Дж. Томсона в лаборатории Кавендиша. Узнав об открытиях Беккереля и Кюри, он оставляет свои исследования ионизации газов и уже осенью 1898 г. завершает большую работу по изучению радиоактивности урана. Вскоре он переехал в Канаду, возглавил в Монреале кафедру физики университета Мак-Гилла и с присущими ему энергией и размахом занялся всесторонним изучением нового явления. В отличие от Марии Кюри, которая сосредоточилась на химическом выделении радия в чистом виде, Резерфорда больше всего интересовала физическая природа радиоактивности.

В чем суть явления радиоактивности? Каков ее внутренний механизм? И в чем ее истинная причина? Вот что хотел понять Резерфорд прежде всего.

Для начала он решил изучить свойства а-частиц.

Через три года напряженной работы («Шесть дней в неделю сижу в лаборатории допоздна»,— писал он невесте в Новую Зеландию) Резерфорд был уже почти уверен, что а-частицы — это не что иное, как дважды ионизованные атомы гелия. Он опирался при этом на простой и общеизвестный факт: во всех соединениях урана и тория был обнаружен гелий, причем в больших количествах. Например, из 1 г тория можно прокаливанием выделить около 10 см³ гелия, что примерно в 100 раз превышает объем взятого тория. Гелий, который нашли на Земле за семь лет до этого (кстати, именно в минералах тория), к 1902 г. был уже хорошо изучен, и о нем было известно, что он относится к группе благородных газов и ни в какие химические реакции не вступает. Поэтому объяснить химическими причинами присутствие такого количества гелия в тории не представлялось возможным. 218

Итак, гелий образуется из радиоактивных элементов. Но что при этом происходит с самими элементами?

Вскоре после приезда в Канаду Резерфорд смог объяснить одно наблюдение своего препаратора: оказалось, что соединения тория выделяют какой-то неизвестный радиоактивный газ, который он назвал «эманацией» (дословно — «то, что выделяется»).

Годом позже Пьер и Мария Кюри наблюдали такую же эманацию радия. Дополнительные опыты показали, что это очень тяжелый газ и что он довольно быстро теряет свою радиоактивность: каждые четыре дня она уменьшается вдвое.

Это была новая загадка: к тому времени радиоактивность уже привыкли считать неизменной характеристикой элемента, примерно такой же, как его атомная масса. Что же происходит с радием? И откуда берутся теперь уже два газа — гелий и эманация радия?

Осенью 1900 г. к Резерфорду присоединился молодой и талантливый химик Фредерик Содди (1877—1956). Вскоре они доказали, что эманация радия — это инертный газ, химические свойства которого подобны свойствам всех благородных газов: гелия, неона, аргона, криптона и ксенона. (Совместно с Уильямом Рэлеем их открыл Уильям Рамзай и в 1901 г. догадался, что в таблице Д. И. Менделеева они образуют особую 8-ю группу с нулевой валентностью.)

Через два года вдохновенной работы (оба они были так молоды тогда: одному 29 лет, другому — всего 23!) Резерфорд и Содди пришли к поразительному заключению: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу (именно ее мы воспринимаем как радиоактивное излучение) и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от исходного. Образовавшийся при распаде атом также может оказаться радиоактивным и испытать дальнейший распад.

Это утверждение, известное теперь как гипотеза радиоактивного распада, в то время казалось неожиданным и очень смелым. Посудите сами: только в конце века начали соглашаться (да и то не все!) с тем, что атомы существуют. Но при этом никто не допускал даже мысли о том, что они могут быть изменены, а тем более распадаться самопроизвольно. Это убеждение продолжало многовековую традицию атомистов — от Демокрита до Ньютона и Максвелла, поэтому допущение о распаде атомов означало крутую ломку основных представлений о структуре

материи. Кроме того, все это очень смахивало на утверждение алхимиков о возможности превращения элементов, а говорить такое в цивилизованный век было уж и вовсе неприлично. Можно понять поэтому опасения физиков Монреаля в том, что опубликование новых идей о превращении элементов нанесет ущерб научному престижу молодого университета.

Тем не менее дело было сделано, а слово — сказано. Гипотеза радиоактивного распада, как и всякая плодотворная гипотеза, имела следствия и допускала их опытную проверку. Первую из них осуществил Содди совместно с Уильямом Рамзаем уже летом 1903 г., вскоре после возвращения из Монреаля в Лондон. Идея их опыта была предельно проста: они собирали эманацию радия, которая выделялась из имеющихся у них 50 мг бромида радия, в тонкую стеклянную трубку и, пропуская через нее электрический разряд, наблюдали характерный, ни на что другое не похожий спектр нового элемента. С течением времени, однако, этот спектр слабел, а на его месте все более отчетливо проступал спектр гелия: эманация радия распадалась на гелий и радий А, Участники и очевидцы этого эксперимента даже много лет спустя не могли скрыть волнения, рассказывая о нем,— настолько он поразил их воображение: видеть воочию, как один элемент превращается в другой,— это для физика и химика равносильно тому, как если бы зоолог наяву увидел превращение кошки в собаку. Немного позднее «эманация радия» получит от Резерфорда свое настоящее имя — радон (символ Rn), а Рамзай проявит чудеса экспериментального искусства и, имея всего 0,1 мм³ радона, измерит его атомную массу: она окажется равной 222. Атомная масса радия (226) была измерена Марией Кюри в 1902 г., а атомная масса гелия (4) была определена в работах Рамзая за три года до этого. Теперь гипотезу радиоактивного распада радия по схеме

Ra--->• Rn Не

220

можно было проверить не только качественно, по наблюдению спектров, но и количественно. Действительно, атомная масса радия 226 = 222 + 4 оказалась в точности равной сумме атомных масс радона и гелия. После такого доказательства гипотезу радиоактивного распада можно смело переводить в ранг научной истины.