Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

Эрнест Резерфорд

Посреди всех этих исследований в 1900 году Резерфорду пришлось взять паузу. Наконец должна была состояться свадьба с Мэри Ньютон, и он отправился за ней в Новую Зеландию.

Церемония была очень простой, на ней присутствовали только члены семьи. После медового месяца, который супруги провели, путешествуя по Канаде и Соединенным Штатам, где Резерфорд умудрился подобрать образцы тория, в 1901 году они вернулись в Монреаль. В лаборатории ждал новый член команды, с которым у Резерфорда началось очень плодотворное сотрудничество. Химик Фредерик Содди оказался именно тем специалистом, который был нужен Резерфорду, чтобы понять явление эманации и радиоактивность в целом.

Оба ученых стремились дать ответ на несколько вопросов: происходила ли радиоактивность тория от другого элемента? какова природа эманации? как она соотносится с активностью, возбуждаемой в других элементах? Радиоактивность превратилась в некий пазл, в котором нужно было идентифицировать все кусочки, хотя тогда казалось, что собрать их вместе невозможно.

Резерфорд и Содди в первую очередь взялись за проблему природы эманации. Содди был великим химиком и быстро понял, что на самом деле эманация представляла собой газ, наподобие аргона (то есть инертный), так как он не вступал в реакции с другими элементами.

Английский химик и университетский преподаватель Фредерик Содди (1877-1956) был одним из самых блестящих коллег Резерфорда. Несмотря на то что вместе они проработали только с 1901 до начала 1903 года, этот период оказался очень эффективным.

Именно тогда они поместили свои имена под важнейшей в истории науки главой. Годы спустя Содди так отзывался о том коротком, но плодотворном этапе сотрудничества с новозеландским гением: 

"Под конец нашей совместной работы головоломка радиоактивности, изначально казавшаяся незаурядной, сложилась и была решена. Мое общее впечатление о тех днях связано с высшей степенью умственной экзальтации, когда части головоломки сложились в единую и убедительную теорию атомного распада·.

Содди изучал химию в Оксфорде, в 1900 году он направился в Монреаль, где через год стал работать с Резерфордом. В начале 1903 года Содди отбыл в Лондон, чтобы сотрудничать с Уильямом Рамзаем, экспертом по благородным газам. Их совместная работа также завершилась довольно быстро, после чего Содди какое-то время преподавал в университете Глазго, до тех пор пока ему не предложили кафедру в Оксфорде. Здесь он проработал с 1919 по 1937 год. Кроме исследований радиоактивного распада, его очень интересовали изотопы (термин, обозначающий элементы, которые имеют разные массовые числа, но занимают одно место в периодической таблице). Именно Содди ввел этот термин (по предложению писательницы и врача Маргарет Тодд). В 1917 году он открыл элемент протактиний, а в 1920-м — написал книгу "Наука и жизнь·. В 1921 году ученый получил Нобелевскую премию по химии за исследование радиоактивных веществ, а также происхождения и природы изотопов. В конце жизни Содди занимали социальные вопросы и мир на земле, особенно в связи с угрозой использования ядерного оружия. После Второй мировой войны он написал: 

"Запуск атомный бомбы — чрезвычайно важная проблема. [...] Вместо того чтобы оплакивать Хиросиму, следовало бы вспоминать [...] о триумфе человека над проблемой [трансмутации], а не об использовании ее во имя зла политиками и военными".

Проблема благородных газов начала проясняться с 1894 года, будучи относительно новым полем для исследований. Еще не было ясно место этих элементов в периодической таблице, поэтому для них выделили особую колонку. С 1902 года стала набирать вес идея, что торий мог трансформироваться в газ по мере испарения твердого вещества. С другой стороны, эманация, или газ радон, казалось, имела положительный заряд, так как при ее приближении к отрицательно заряженному металлу сам металл становился высокорадиоактивным.

Но проблема связи эманации с явлением радиоактивности оставалась. Какое место ей отводилось, и какая связь имелась у нее с испусканием альфа- и бета-частиц? Таким был ключевой вопрос.

Резерфорд и Содди также принялись за исследование явления, открытого Круксом и Беккерелем и связанного с ураном и ураном-Х. В свою очередь, они провели эксперименты с использованием тория, традиционного элемента для лабораторных исследований.

Предшественник Дж. Дж. Томсона на должности директора Кавендишской лаборатории английский физик Джон Уильям Стретт и лорд Рэлей (1842- 1919) вместе с шотландским химиком Уильямом Рамзаем (1852-1916) в 1894 году открыли аргон. Лорд Рэлей обнаружил, что вес азота в воздухе был меньше, чем вес азота, полученного в результате химических реакций. Позже Рамзай дал объяснение этому отклонению, связав его с наличием примесей в воздухе. После этого, наконец, удалось выделить газ, влиявший на результаты по определению веса азота. Его назвали "аргоном". Греческое происхождение термина подчеркивает инертный характер газа, не вступающий во взаимодействие с другими элементами. Другой благородный газ — гелий — был открыт Пьером Жансеном и Джозефом Норманом Локьером в 1868 году при анализе химического состава Солнца на основе спектрографии солнечного света. Химик Рамзай специализировался на исследовании нереактивных газов и выяснил, что гелий находится не только в атмосфере, но и в минерале урана (данное явление Резерфорд смог объяснить позже, когда раскрыл природу альфа- излучения).

Известия об открытии новых благородных газов побудили Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) в 1902 году изменить свою периодическую систему химических элементов и включить в нее специальную колонку. Порядок химических элементов в периодической таблице был великим изобретением. В этой таблице элементы классифицируются в соответствии с их атомной массой и химическими свойствами. Многие химики, в том числе Лавуазье, уже обратили внимание на сходство разных элементов, но только Менделеев пришел к их упорядочиванию. Он взял за основу закономерности, наблюдавшиеся в характеристиках элементов (большая или меньшая реактивность, валентность), чтобы систематизировать их, используя классификацию двумерной таблицы. Атомный вес был важным фактором (вертикальная ось), но элементы также расположены слева направо, образуя периоды и группы. Группы, то есть элементы одной колонки, имели много общих характеристик, несмотря на различие в атомном весе. Это простое изменение формы классификации веществ сделало возможным поиск общего, в особенности в химических характеристиках. Менделеева также озарила догадка, что необходимо оставить пустые места там, где, как ему казалось, мог разместиться еще не открытый элемент. Этот великий ученый сумел предсказать некоторые характеристики неизвестных элементов, которые были открыты впоследствии; среди них германий и галлий.

Дмитрий Иванович Менделеев, примерно 1880-1890 годы.

К своему удивлению, они смогли выделить из тория вещество, испускавшее большую часть излучения. Они не знали, что это за вещество, но было ясно, что химически оно различно с торием, поэтому его назвали "торий-Х". После выделения тория-Х торий терял радиоактивность по экспоненте; всю радиоактивность получал торий-Х. Наконец не осталось сомнений, что торий мог производить торий-Х и заменять образцы, потерявшие активность. Также ученым удалось установить, что торий-Х испускал эманацию. Так они обнаружили цепочку явлений: торий порождает торий-Х, а торий-Х испускает эманацию.

Содди и Резерфорд пошли дальше своих европейских коллег и на графиках показали поведение тория и его активность, которая росла по экспоненте, а также тория-Х с его нисходящей кривой (см. график).

Этот график распада радиоактивности и восстановления показывал экспоненциальный характер отношения между активностью и временем двух показателей, сумма значений которых была константой (дополнительность). Все указывало на то, что оба явления происходили не случайно, то есть имелись отношения между торием и торием-Х. Торий порождал отличное от себя вещество — другими словами, атомы тория-Х получались в результате распада тория. Это были словно родственные отношения (как выразился Резерфорд). Эрнест Резерфорд сделал следующее заключение: