Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Глава четвёртая. Разгадка радиоактивности

Мы знаем теперь, что все вещи состоят из атомов и что атом не является чем-то абсолютно неделимым; наоборот, атом — это какая-то сложная система, от которой могут отделяться крохотные части — отрицательно заряженные электроны. Таков, в общих чертах, был тот запас знаний, которым обладали физики на рубеже XIX и XX столетий. И, опираясь на этот, в сущности очень скудный, запас знаний о веществе, физики должны были разгадать головоломную загадку, которая отпугнула бы от себя самого самонадеянного сыщика на свете, — загадку радиоактивности.

Мы возвращаемся к нашей детективной истории.

Самое поразительное, самое чудесное в радии — это его неутомимость. Днём и ночью, зимой и летом, без устали, без передышки радий посылает в пространство свои невидимые лучи. Каждый час грамм радия

испускает столько тепла, сколько нужно, чтобы растопить примерно полтора грамма льда. Много ли это? Это не очень много: грамм угля, сгорая, испускает тепла почти в пятьдесят раз больше, но зато он ведь сгорает и перестаёт быть углём, а грамм радия, испуская тепло в течение часа, в течение суток, в течение года, остаётся совершенно таким же, каким был раньше, — его способность испускать лучи Беккереля, и вместе с ними энергию, остаётся прежней, и он, как и раньше, готов безостановочно испускать энергию в течение новых и новых лет. Вот это-то и есть самое неслыханное, самое беспримерное из всего, что физикам когда-либо приходилось слышать и видеть. Когда топится печка, в ней сгорают дрова, и, если не подбрасывать дров, печка погаснет. Когда идут часы, в них всё время раскручивается пружина или опускается гиря, и, если их не заводить, они остановятся. Во всей природе только радий оказывается каким-то странным исключением: ничего в нём не тратится, ничего не сгорает, никогда он не стареет, он вечно молод. Он похож на волшебный кошелёк в старой сказке: сколько раз ни вынимать из такого кошелька золотую монету, в нём всегда остаётся ещё одна.

Другой не менее странный факт, относящийся к радию, — это его полная независимость от внешних влияний, полное равнодушие к ним. С тех пор как радий впервые был получен в лаборатории, физики неоднократно пробовали повлиять на его радиоактивность, применяя самые разнообразные способы, но ни сильный жар, ни сильный холод, ни самые высокие давления, какие только можно осуществить средствами современной техники, — ничего не оказывало влияния на радиоактивность: лучи, испускаемые радием, не становились ни сильнее, ни слабее. Для того чтобы охарактеризовать то огромное впечатление, которое произвели на физиков оба эти свойства радия — его неутомимость и его равнодушие ко всем внешним воздействиям, — достаточно процитировать слова, сказанные одним из первых исследователей радиоактивности (Содди):

«В крошечном кусочке радия нет ничего, что напоминало бы громадные масштабы и размеры Вселенной, а между тем он выделяет энергию в такой пропорции, в какой её не выделяет ни Солнце, ни одна из звёзд. Предположим, например, что наше Солнце вместо тех веществ, из которых оно состоит теперь и которые, как нам известно из спектрального анализа, входят и в состав Земли, состояло бы из чистого радия. Если допустить, что каждая частица такого Солнца выделяет энергию в той же пропорции, что и равная ей по массе частица радия, то нетрудно будет учесть количество выделяемой им энергии. Короче говоря, количество света и теплоты, выделяемых таким Солнцем, было бы в миллион раз больше, чем теперь» [13] .

13

Как ни странно звучит это утверждение, тем не менее оно совершенно справедливо. Попробуем проверить его. По измерениям астрономов, наше Солнце испускает каждую секунду 9•10²⁵ калорий энергии (калория — это то количество энергии, которое тратится на нагревание одного грамма воды на один градус Цельсия). Каждый грамм радия испускает энергию в количестве около 0,04 калорий в секунду. Известно, что масса Солнца 2•10³³ г. Значит, если бы оно состояло из чистого радия, то испускало бы около 0,04•2•10³³=8•10³¹ калорий в секунду. Это почти в миллион раз больше той энергии, которую оно испускает в действительности.

Ещё и по другой причине наша мысль почти бессознательно обращается от радия к высшим явлениям Вселенной: ведь только в отношении этих явлений мы оказываемся в положении зрителей, бессильных влиять на них и управлять ими. Все могущественные ресурсы современной лаборатории — крайние пределы тепла и холода, а также давления, сильные химические реактивы, действие сильных взрывчатых веществ, наиболее сильные электрические поля — не влияют на радиоактивность радия и на количество выделяемой им энергии ни в малейшей степени. Радий черпает свои запасы энергии из неизвестного до сих пор источника и подчиняется неоткрытым пока законам. Есть что-то сверхъестественное в его отделённости от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто принадлежит другим мирам, за пределами нашего, питается тем же неугасимым огнём и движется тем же не поддающимся контролю механизмом, который поддерживает свет великих солнц в мировом пространстве в течение безграничных периодов времени.

Непрерывное излучение крупинки радиоактивного вещества, которую мы держим в руке, напоминает многие из странных тайн, давно позабытых.

В лабораториях всего мира физики жадно набросились на изучение радиоактивности. Можно смело сказать, что в это время (в 1900 году или около того) не было ни одного физика на свете, который бы не ломал голову над этой трудной загадкой: что же такое, в конце концов, эта радиоактивность? Каков её внутренний механизм, внутренний смысл? Отчего она происходит? И каждый физик, по мере сил, пробовал догадаться о том, каково решение этой загадки. Одни говорили: если радий всё время испускает свои лучи и они не становятся от этого слабее, то, значит, он эти лучи, это тепло, эту энергию всё время откуда-то снова получает. Например, возможно, что во всём пространстве распространяются какие-то лучи, которые свободно проходят через все тела и даже через всю толщу земного шара. Не только мы не видим этих лучей, но их даже не замечает фотографическая пластинка, и только радий имеет особенную способность поглощать эти лучи и затем их испускать вновь, но уже в изменённом виде — в виде лучей Беккереля. Выходит, что если сравнить радий с часами, то эти часы на самом деле всё время «заводятся», заводятся таинственными лучами, которые поглощаются радием и затем перерабатываются им в лучи Беккереля.

Другие говорили: никаких таких лучей, которыми «заводится» радий, не существует. В радии всё время что-то тратится, но только очень медленно, и потому мы этого никак не замечаем. Если бы взять грамм радия и очень долго ждать, десятки лет (а если понадобится, то и сотни), то в конце концов можно будет заметить, что лучи радия стали слабее, чем раньше.

Рис. 9. Трубка, наполненная виллемитом, для опытов с эманацией радия.

Всё это были довольно-таки праздные разговоры, потому что вначале ни та, ни другая сторона ничем не могла доказать свою правоту. Поэтому оставалось только одно: наблюдать и делать опыты, пока наконец загадка радия не будет разгадана.

В 1900 году многие физики, работая в своих лабораториях, сделали удивительное открытие: они обнаружили, что воздух вокруг вещества, в котором есть хотя немножко радия, тоже становится радиоактивным. Впервые это заметили Пьер и Мария Кюри, но не они разгадали настоящий смысл этого открытия. Это сделали два молодых англичанина, которые в то время жили в Канаде, в городе Монреале. Имена этих молодых физиков — Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди.

Они сделали такой опыт: взяли стеклянную трубочку и положили туда несколько кусочков виллемита. Виллемит^{4} — это ничем не примечательный с виду камешек, зеленовато-серый, похожий на те гладкие камешки, которые обыкновенно валяются на берегу моря. Но у виллемита есть замечательное свойство: если его освещать лучами радия, то он начинает светиться холодным ярким зелёным, светом. Резерфорд и Содди впустили в свою трубочку с виллемитом воздух, который довольно долгое время находился в соседстве с веществом, содержащим немножко радия. После этого трубочку закрыли с обеих сторон (для этого в ней были с двух сторон устроены краны) и отнесли в тёмную комнату.

Рис. 10. Трубка, изображённая на рис. 9, сфотографирована в тёмной комнате благодаря флюоресценции виллемита.

И вот, хотя радия поблизости не было, виллемит стал так ярко светиться, что при этом свете можно было даже посмотреть на часы и прочитать заголовок газеты. Выходит, что воздух в трубочке с виллемитом заставляет виллемит светиться точь-в-точь так же, как он светился под лучами радия. Как только краны открыли и выдули из трубок этот воздух, виллемит светиться перестал.