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:
"Большая часть радиоактивности тория происходит от некоего типа материи, тория-Х, обладающего отличными от тория химическими характеристиками и являющегося временно радиоактивным: его активность затухает через четыре дня".
Позже было обнаружено, что торий-Х на самом деле является так называемым изотопом радия, обладающим исключительной радиоактивностью. Части головоломки стали соединяться. А какую же роль играла радиоактивность? Как она связана с альфа- и бета-лучами? Была ли она дополнительным продуктом трансмутации? Или, напротив, она влияла решающим образом?
То, что является грехом для моралиста, преступлением — для юриста, для ученого — незнание.
Фредерик Содди
Гипотеза, подтверждение которой начали искать Резерфорд и Содди, состояла в том, что после испускания альфа-частиц торий превращался в торий-Х. После следующего испускания альфа-частиц происходила эманация. Данная последовательность явлений была характерна также для урана и полония.
Ключ к решению проблемы находился в альфа-частицах. Когда Резерфорд понял, что представляли собой альфа-частицы, все детали головоломки сложились и встали на свои места — открылась прекрасная перспектива новой области физики, возникшей практически из ничего.
АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЕ, ВНОВЬ
Вопрос о том, что представляли собой атомы, был абсолютно неясным — Резерфорд обнаружит ядро только через несколько лет, — в ту эпоху было едва ли что-то известно об электронах.
Хотя уже имелись предположения, что энергия радиоактивности каким-то образом исходила из сердца атомов, ее механизм был загадкой.
В первую очередь, Резерфорд делал ставку на идею, что радиоактивность возникала из-за некоторого внутреннего нарушения расположения атомов, создавая тем самым нестабильную ситуацию. В этот момент начинали испускаться рентгеновское и бета-излучение, что приводило к реконфигурации все еще нестабильного материала, и так возникало альфа-излучение. Согласно его первой гипотезе радиоактивность была непрямым следствием явления внутренней нестабильности конфигурации атомов, неким дополнительным механизмом. На тот момент уже было известно, что бета-лучи идентифицируются с электронами, поэтому считалось, что вследствие малой массы они не могут нарушать природу атомов. Но предстояло объяснить, чем являются альфа-лучи.
Имелось предположение, что их заряд был положительным. Однако в ходе попытки уловить радиоактивность с помощью магнитного поля лучи не изменили своей траектории. Казалось бы, гипотеза должна быть отвергнута, но Резерфорда не удовлетворили эти результаты, и он решил повторить эксперимент, при этом использовав более интенсивный источник альфа-лучей и более мощный генератор магнитного поля. Кюри предоставили ему радий, а аппарат для генерирования магнитного поля (магнит) ему выделили в университете Макгилла. Осенью 1902 года Резерфорд увидел, что альфа-лучи в действительности изменяли траекторию при прохождении через магнитное поле, их отклонение было противоположным бета-лучам, у которых, как уже стало известно, отрицательный заряд. Данный результат он интерпретировал как доказательство положительного заряда альфа-лучей. Выяснить это прежде было затруднительно, так как альфа-частицы значительно превосходили по массе бета-частицы.
Если лучи из частиц, имеющих далеко не ничтожную массу, возникали внутри атомов, было бы глупо не сделать вывод, что они должны представлять важные изменения для собственной внутренней структуры материи. Испускание альфа-лучей виделось некоей причиной других изменений и наблюдаемого испускания других видов излучения. При этом электромагнитное излучение или выброс электронов — бета-лучей — не предполагали трансмутации химического (радиоактивного) элемента. Однако факт испускания лучей, имевших значительную массу, заставлял проверить данное соображение. Именно поэтому в результате этого ключевого открытия Резерфорд и Содди предложили свою теорию радиоактивного распада.
Радиоактивность не могла быть вторичным, дополнительным эффектом, учитывая, что внутри радиоактивного материала отделялись частицы, имевшие массу других химических элементов. В 1903 году, когда Содди уехал из монреальского университета Макгилла и отправился в Лондон работать с Уильямом Рамзаем, теория радиоактивного распада уже сформировалась как модель, включающая в себя все части радиоактивной головоломки.
РАСПАД АТОМА
Итак, между 1902 и 1903 годом Резерфорд и Содди разработали теорию радиоактивного распада, которая раскрывала загадки радиоактивных эманаций, возбуждения, распада, радиоактивного переноса и тория-Х. По их мысли, радиоактивность возникала, потому что определенный элемент (торий или уран) трансформировался в другой элемент, излучая альфа- и бета- частицы. При трансформации и распаде первоначального атома родительского элемента возникал новый атом, который обозначался как торий-Х или уран-Х и который мог оказаться другим химическим элементом, тоже радиоактивным, например радием или полонием. Новые элементы были менее стабильными и испускали больше радиации. Парадоксально, но вследствие этого они распадались быстрее, образуя другие, тоже радиоактивные элементы. Резерфорд и Содди описали свою концепцию явления радиоактивности так:
"Доказано, что радиоактивность сопровождается химическими изменениями, в которых постоянно образуются новые виды материи. Продукты этих реакций вначале радиоактивны, но их активность с момента формирования равномерно затухает".
АЛХИМИЯ
В ходе исследований настал момент, когда Содди воскликнул: "Резерфорд, ведь это же трансмутация: торий распадается и трансмугирует в газ группы аргона". На что Резерфорд ответил: "Содди, не называйте это трансмута- цией! Они снимут нам головы, как алхимикам".
В ту эпоху в сознании людей возникало много псевдонаучных идей на тему трансмутации элементов. Существовала масса ассоциаций, журналов и конгрессов алхимиков, которым научное сообщество не оказывало никакой поддержки. Поэтому факт, что один из многообещающих ученых ступил на путь алхимии, вызвал потрясение. Пока Резерфорд работал над теорией радиоактивного распада, многие коллеги выражали свои опасения, будто гипотеза о спонтанной трансмутации материи "может дискредитировать Макгилл". На совещании Резерфорду предложили перепроверить и уточнить данные и выводы до публикации своего открытия. Ученый был известен своей точностью и практически не допускал ошибок в экспериментах, он выслушал рекомендации с горечью и яростью, осознавая, сколь беспочвенной была эта критика.
Алхимическая лаборатория, из книги "История алхимии и начал химии" шотландского химика и писателя Μ. M. Паттисома Муира (1848- 1931).
Открытие природы альфа-лучей позволило утверждать следующее:
" Распад атома и испускание тяжелых заряженных частиц, имеющих массу, сравнимую с атомом водорода, делает систему более облегченной, чем раньше; ее химические и физические характеристики разнятся с первоначальным элементом. Процесс дезинтеграции проходит уровень за уровнем за измеримые для каждого случая промежутки времени".
Альфа- и бета-излучение, открытые Резерфордом ранее, понимались теперь как следствие внутренней дезинтеграции материи, основополагающей нестабильности атомов радиоактивных элементов. Их стали рассматривать не как излучение, а как частицы, "убегавшие" из атомов, менявшие структуру и природу этих атомов. Происходила спонтанная трансмутация атомов из одного элемента в другой.
История человечества выражается и определяется имеющимся количеством энергии.
Фредерик Содди
Резерфорд и Содди ввели новые термины для этих элементов: "родительскими" они называли радиоактивные элементы, и "дочерними" — атомы после трансформации и распада.
