Глава 3 Атом Резерфорда – Бора и радиоактивность

Глава 3

Атом Резерфорда – Бора и радиоактивность

Радиоактивность есть новое свойство материи, наблюдаемое у некоторых веществ. Ничто в настоящее время не позволяет утверждать, что это есть общее свойство материи, хотя такое мнение ничего неправдоподобного a priori не имеет и даже должно являться естественным. Радиоактивные тела представляют источники энергии, выделение которой обнаруживается разнообразными эффектами: особого рода излучениями, испусканием теплоты, света, электричества. Это выделение энергии существенно связано с атомом вещества; оно представляет атомическое явление; кроме того, оно самопроизвольно.

М. Склодовская-Кюри. Радиоактивность

^{Сидят (слева направо): Эрвин Шредингер, Ирен Жолио-Кюри, Нильс Бор, Абрам Федорович Иоффе, Мария Кюри, Поль Ланжевен, Оуэн Ричардсон, Эрнест Резерфорд, Теофил де Донде, Морис де Бройль, Луи де Бройль, Лиза Мейтнер, Джеймс Чедвик.}

^{Стоят (слева направо): Эмиль Анрио, Франсис Перрен, Фредерик Жолио-Кюри, Вернер Гейзенберг, Хендрик Антони Крамерс, Эрнст Штаэль, Энрико Ферми, Эрнест Уолтон, Поль Дирак, Петер Дебай, Невилл Франсис Мотт, Брас Кабрера, Георгий Антонович Гамов, Вальтер Боте, Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт, Майкл Розенблюм, Жак Эррера, Эдмонд Бауэр, Вольфганг Паули, Жюль Эмиль Вершаффельт, Макс Козинс, Эдуард Герцен, Джон Кокрофт, Чарльз Эллис, Рудольф Пайерлс, Огюст Пикар, Эрнест Лоуренс, Леон Розенфельд.}

Эрнест Гастон Сольве, видный бельгийский химик-технолог, предприниматель и глава одноименной химической компании, был известен далеко за пределами своей маленькой родины разработками аммиачных способов получения соды из поваренной соли. Однако в историю этот представитель редкого типа ученых-предпринимателей вошел как инициатор международных форумов физиков, именуемых в честь него Сольвеевскими конгрессами.

Считается, что к организации серии представительных конгрессов Сольве подтолкнул выдающийся немецкий физикохимик, будущий нобелевский лауреат Вальтер Герман Нернст, широко известный своими работами по термодинамике. В 1911 году под руководством основанного Сольве Международного института физики состоялся первый конгресс под председательством Хендрика Лоренца, посвященный теме «Излучение и кванты». Так возникла уникальная возможность обсудить самые различные и актуальнейшие фундаментальные проблемы в физике и смежных разделах науки. В силу сложившихся обстоятельств довоенные Сольвеевские конгрессы во многих отношениях стимулировали развитие атомной и ядерной физики.

Самым значимым для предвоенной науки стал VII Сольвеевский конгресс «Структура и свойства атомного ядра», состоявшийся в октябре 1933 года под председательством Поля Ланжевена. Наверное, это была одна из последних встреч ведущих представителей научного сообщества, еще не разделенных на враждующие политические лагеря. Давайте и мы, читатель, заглянем на этот авторитетнейший научный форум, участники которого незримыми нитями связаны со многими тайнами атомного века.

…соединения тория кроме обычных радиоактивных лучей непрерывно испускают какие-то радиоактивные частицы, сохраняющие радиоактивные свойства в течение нескольких минут… я называю эти частицы «эманацией». По своим фотографическим и электрическим действиям эманация похожа на уран. Она способна ионизировать окружающий газ и действует в темноте на фотопластинку при экспозиции в несколько дней…

…на опытах с соединениями тория подтвердилось их свойство возбуждать в любом твердом веществе, расположенном рядом с ним, радиоактивность, которая со временем исчезает, причем между эманацией тория и возбужденной радиоактивностью существует тесная связь… Эманация в некотором смысле есть непосредственная причина возбуждения радиоактивности, в то же время не обнаружено испускания эманации имевшимся в нашем распоряжении образцом не совсем чистого радия. Однако Дорн позднее использовал более чистый образец радия и показал, что радий обладает такой же способностью испускать эманацию, как и торий.

Э. Резерфорд. Строение атома и искусственное превращение элементов

Несомненно, что одной из самых колоритных фигур на конгрессе был сэр Эрнест Резерфорд. Всегда в окружении своих учеников, коллег и друзей, он никогда не упускал момента, чтобы, энергично жестикулируя, громогласно не поделиться своими воспоминаниями о «яростном периоде становления новой науки»:

– Вернемся к радиоактивности, когда Беккерель продолжал исследование открытого им явления и считал его свойством урана, аналогичным фосфоресценции. Уран, по мнению Беккереля, представлял собой первый пример металла, обнаруживающего свойство, подобное невидимой фосфоресценции. Именно поэтому он считал свойства излучения урана подобными свойствам световых волн. Природа нового явления, таким образом, была еще совершенно непонятна, даже не существовало и самого слова «радиоактивность».

23 ноября 1896 года Беккерель доложил о результатах своих исследований Французской академии наук. Из них следовало, что уран испускает неизвестные ранее лучи (их быстро окрестили «урановыми» или «беккерелевыми»), которые аналогично Х-лучам Рентгена действуют на фотопластинку и ионизируют воздух. Так было открыто замечательное явление природы, которое Мария Склодовская-Кюри в 1898 году назовет радиоактивностью.

Л.И. Пономарев. Под знаком кванта

Между тем Беккерель обнаружил и тщательно исследовал свойство урановых лучей делать электропроводящим воздух, и его заметка появилась почти одновременно с нашей совместной с Джи-Джи публикацией, показывавшей, что рентгеновские лучи делают воздух электропроводящим благодаря их ионизирующему действию. Так был открыт важнейший метод исследования радиоактивности…

– А между тем еще Пьер Кюри допускал возможность наличия и иных механизмов выделения радиационной энергии, – все повернулись на негромкий, но четкий женский голос с немного грассирующим произношением. В группе французов стояла болезненно-бледная – сказывалась длительная работа с радиоактивными препаратами, миниатюрно-хрупкая Мария Склодовская-Кюри, самая знаменитая женщина в науке, дважды лауреат Нобелевской премии. Рядом с ней постоянно находилась старшая дочь Ирен и зять Фредерик Жолио, молодые исследователи, уже зарекомендовавшие себя в науке десятком экспериментальных работ по физике ядерных процессов. Немного смущаясь, Фредерик задал давно интересовавший его вопрос, обращаясь к своей сиятельной теще:

– А правда, что вы вначале считали, что радиоактивные элементы берут энергию из внешнего пространства и оно постоянно пронизывается некоторыми неизвестными еще радиациями, которые при встрече с радиоактивными телами задерживаются и преобразуются в радиоактивную энергию?

На бледном лице Склодовской-Кюри мелькнула болезненная улыбка:

– Все правильно, Фредерик, эта ошибочная гипотеза была высказана в самый последний год прошлого века, однако сегодня можно признать, что в ней было зерно замечательной идеи космических излучений, которые сегодня разными способами изучаются в высокогорных лабораториях. К тому же уже через несколько лет я публично признала, что новейшие исследования благоприятствуют именно гипотезе атомных превращений радия.

Находясь в тесной связи с физикой и химией, заимствуя рабочие методы от этих двух наук, радиоактивность приносит им в обмен элементы обновления. Химии она приносит новый метод для открытия, отделения и изучения химических элементов, познание некоторого числа новых элементов с очень любопытными свойствами (прежде всего радия); наконец, капитальное понятие о возможности атомических преобразований в условиях, доступных контролю опыта. Физике, и в особенности новейшим корпускулярным теориям, она приносит мир новых явлений, изучение которых есть источник прогресса для этих теорий; можно указать, например, на выбрасывание частиц, несущих электрические заряды и наделенных значительною скоростью, движение которых уже не повинуется законам обычной механики и к которым можно приложить, с целью их оправдать и раскрыть в подробностях, новейшие теории, касающиеся электричества и материи.

М. Склодовская-Кюри. Радиоактивность

Резерфорд, который все еще находился под впечатлением от только что прослушанного доклада Вернера Гейзенберга об использовании недавно обнаруженных нейтронов для объяснения некоторых интригующих особенностей структуры атомного ядра, только хмыкал, энергично жестикулируя давно уже погасшей трубкой:

– Что бы тут ни говорила несравненная мадам Кюри, но главное в исследованиях радиоактивного излучения – это то, что, используя теорию квантов Планка, мы получили квантовую модель атома. Вспомните, как созданию нашей модели предшествовали бесплодные попытки построить структуру атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

– Вы, наверное, имеете в виду атомную модель Хантаро Нагаоки? – рискнул вставить вопрос в громогласные рассуждения мэтра Жолио.

– Именно так, мой юный друг, именно так, – забывшись, Резерфорд извлек свистящий звук из своей погасшей трубки, вызвав улыбки у окружающих. С досадой переложив трубку в другую руку, он продолжил: Нагаока исходил из исследований Максвелла об устойчивости колец Сатурна и представлял себе строение атомарных структур аналогичным схеме Солнечной системы. Поэтому его модель включала положительно заряженную центральную область – Солнце, вокруг которого по выделенным кольцеобразным орбитам вращались электроны-планеты. Причем при орбитальных возмущениях тут же возбуждались электромагнитные волны, периоды которых, по расчетам Нагаоки, были того же порядка, что и спектральные частоты некоторых элементов.

Из окружения Резерфорда выдвинулся его ученик Джеймс Чедвик, автор недавнего открытия нейтронов:

– Любопытно, почему же при всех своих достоинствах планетарная модель атома довольно долго безуспешно конкурировала с томсоновской схемой? Крокодил (так за глаза все называли Резерфорда с легкой руки его любимого ученика П. Л. Капицы) удовлетворенно взмахнул трубкой:

– Атом Томсона на самом деле представлял собой хорошо структурированную модель, в которой положительное электричество было как бы «размазано» по сфере, с вкраплениями отрицательных зарядов. В этом томсоновском «атомном пудинге» с изюмом электронов было, конечно, много необычного. Так, в простейшем атоме водорода электрон находился точно в центре «пудинга», и при всяком смещении на него должна была бы действовать квазиупругая сила электростатического притяжения, под действием которой он бы и совершал колебания. Теоретически частота подобных колебаний электрона должна была бы определяться радиусом сферы, зарядом и массой электрона, и если радиус сферы совпадает с атомным радиусом, то и частота этих колебаний будет совпадать с частотой излучаемой спектральной линии. Для многоэлектронных атомов Джи-Джи рассчитал вполне устойчивые конфигурации, считая, что каждая из них определяет химические свойства атомов. На основании своих построений он даже предпринял попытку теоретически построить периодическую систему элементов. Еще один ученик Резерфорда – Патрик Блэккет, недавно прославившийся тем, что одновременно с американцем Карлом Андерсеном открыл в составе космических лучей удивительные положительные электроны – позитроны, улыбаясь, слушал громогласные восклицания своего шефа, который, казалось, признавал одни резкие суждения, меняющиеся в зависимости от его настроения от восторженных и восхваляющих до негодующих и осуждающих, попытался тоже подать реплику:

– Тем не менее ведь и Бор позднее назвал попытку атомного моделирования Джи-Джи «знаменитой» и указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы стала исходным пунктом и для более новых воззрений. Отмечая, что теория Томсона в целом несовместима с опытными фактами, Бор тем не менее считал, что она содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной физики…

Конец фразы Блэккета потонул в сердитом фырканье Резерфорда, который уже умудрился снова раскурить свою трубку и, задрав голову, пытался выпустить несколько концентрических колец дыма:

– Еще в 1905 году Вильгельм Вин, выступая с докладом об электронах на съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Мюнхене, указывал на трудность объяснения линейчатых спектров атомов с точки зрения электронной теории. При этом он подчеркивал, что проще всего было бы понимать каждый атом как планетную систему, которая состоит из положительно заряженного центра, вокруг которого, как планеты, обращаются электроны. Но такая система не может быть устойчивой вследствие излучаемой ими энергии. Поэтому мы вынуждены обратиться к системе, в которой электроны находятся в относительном покое или обладают ничтожными скоростями, хотя подобное представление содержит много сомнительного. Такой статической общепринятой моделью и был атом Томсона по причинам, указанным Вином.

Недалеко от спорящих, держась, как всегда, особняком, стоял, нахмурившись, Поль Дирак. Его известность в ученом мире была связана со знаменитым образом так называемого моря Дирака, позволившим удачно предсказать существование позитронов. Подвинувшись поближе, Поль, как всегда кратко, заметил:

– Модель планетарного атома приходила в голову многим, например о ней писал Пуанкаре, ее обсуждали тот же Вин и Перрен, который в своем нобелевском докладе прямо причислял себя к пионерам подобных построений. Однако эта модель наталкивалась именно на ту непреодолимую трудность, на которую указывал Вин, и именно поэтому доминировал атом Томсона. Лишь новые опытные факты опровергли «атомный пудинг», открыв двери планетарной модели, и заслуга открытия этих фактов в первую очередь принадлежит сэру Эрнесту, – Дирак сделал полупоклон в сторону довольно улыбающегося Резерфорда.

Из-за спины Дирака показался его круглолицый насмешливый друг Вольфганг Паули. У них были совершенно разные характеры. Дирак постоянно бывал мрачен и серьезен, а Паули всюду находил повод для очередной шутки, причем б?льшая часть из них была самокритично направлена на его «рафинированную теоретичность». Так, он доказывал, что все приборы мгновенно начинают показывать несусветные величины, стоит ему только пройти мимо них. Это магическое действие «ауры великого теоретика» даже получило шутливое название «эффект Паули». Сам ученый рассказывал анекдот, что когда его поезд сделал краткую остановку на Геттингенском вокзале, в местной лаборатории Джеймса Франка тут же прогремел взрыв, что явилось проявлением «дистанционного эффекта Паули». Вздернув высокие брови, отчего его лицо приобрело хитроватое выражение, он воспользовался случаем, чтобы задать свой вопрос Резерфорду:

– Скажите, сэр Эрнест, а как вы сами с высоты прожитых лет оцениваете фундаментальность своего открытия атомного ядра и его ввод в планетарную модель атома? – поскольку Крокодил только громко хмыкнул и пробурчал что-то непонятное, Паули с улыбкой продолжил: Вот тут нам напомнили, а некоторые, – тут он, под смех окружающих, постучал себя по лбу, – и так прекрасно помнят, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX века. Но эту модель было трудно совместить с законами электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако тут почему-то никто не отметил, что, если меня не подводит память, еще в 1904 году Вильям Брэгг в Австралии начал исследования, посвященные прохождению альфа-частиц через вещество, которые привели к утверждению в нарождающейся атомной физике одной из первых планетарных схем. Так, Брэгг нашел, что альфа-частицы не рассеиваются веществом, а поглощаются им на дистанции длины пробега.

В круг соседей Паули бочком протиснулся Энрико Ферми, невысокий, угловатый итальянец, чувствовавший себя не на своем месте среди собравшихся вокруг знаменитостей. Между тем теоретические работы Ферми давно уже приобрели повсеместную известность, а созданная им и подтвержденная Дираком «статистика Ферми – Дирака» была известна каждому студенту-физику старших курсов.

Паули громко обратился к застенчивому итальянцу:

– А вот вы, Энрико, как относитесь к планетарным построениям для атомарных структур? Может быть, вам чем-то не нравится атом Резерфорда – Бора?

Ферми слегка пожал плечами и сдержанно заметил:

– Как вы знаете, я считаю, что начинать всегда надо с анализа экспериментальных методов исследования. Известно, что метод, применявшийся творческим коллективом сэра Эрнеста, включал следующее: поток альфа-частиц, испускаемых неким источником, проходил через узкую диафрагму и попадал на экран из сернистого цинка. Затем между щелью и экраном помещали тонкую металлическую пластинку, и изображение щели на экране тут же размывалось, что указывало на рассеяние альфа-частиц веществом пластинки. Гейгер установил, что наиболее вероятный угол рассеяния пропорционален атомному весу и обратно пропорционален кубу скорости частицы.

Вот тут и открылся поразительный факт, что очень небольшая часть альфа-частиц, по-моему, где-то одна восьмитысячная, рассеивается на столь большой угол, что фактически отбрасывается обратно прямо к источнику. Приблизительно в это же время выяснилось, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Для потока таких тяжелых, стремительно летящих частиц рассеивание на столь большие углы казалось совершенно невероятным. Тут же возникло объяснение подобного аномального рассеяния как суммарного эффекта от сложения множества небольших углов отклонений, вызванных атомами рассеивающего вещества.

И тут кто-то произнес крылатую фразу, которая сегодня вошла во все учебники:

– Это так же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа папиросной бумаги.

Все обернулись в сторону говорившего, круг раздвинулся, и всем стала видна плотная коренастая фигура Нильса Бора, рядом с которым, вежливо улыбаясь, стоял американский физик Эрнест Лоуренс. Этот подвижный и очень энергичный ученый привлекал всеобщее внимание с самого начала конгресса, ведь в его лаборатории в Беркли работал один из первых в мире ускорителей элементарных частиц – циклотрон, позволявший легко обходиться без редких и дорогостоящих радиоактивных веществ, крайне необходимых для атомных экспериментов. Ощутив, что все внимание сосредоточено на нем и Лоуренсе, Бор смущено улыбнулся и что-то неразборчиво пробормотал своему американскому коллеге. Лоуренс тут же расплылся в ослепительной «американской улыбке» (впоследствии ее стали называть «голливудской») и громко провозгласил, обводя окружающих самоуверенным взглядом:

– Нильс попросил меня продолжить его теоретические мысли, поскольку мне как экспериментатору данная тема представляется более близкой… Так вот, манчестерские ученые, обсчитав атомную модель Томсона, показали, что из нее не следуют большие отклонения даже при многих столкновениях с частицей. И вот здесь на сцене впервые показалась планетарная модель экспериментального плана, – последние слова Лоуренс выделил многозначительным тоном. – Получалось, что когда альфа-частица пролетает мимо заряженного ядра, то под воздействием кулоновской силы, пропорциональной зарядам ядра и частицы и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, она должна перемещаться по ветви гиперболы, отклоняясь на наблюдаемые углы рассеяния. И тогда присутствующий здесь Кроко… миль пардон, сэр Эрнест, сделал свой гениальный доклад в философском обществе Манчестера… Может быть, кто-то из мальчиков сэра Эрнеста (так все называли сотрудников великого экспериментатора) напомнит его название?

Закончив под смех присутствующих свой американский спич, Лоуренс слегка поклонился в сторону англичан. Нахмурившийся Резерфорд ответил ему притворно-сердитым взглядом и громко заметил, что некоторые американцы, как и их ускорители, напоминают ему гигантских питонов, на груди которых он всегда готов сплясать боевой танец новозеландских аборигенов Маори. Затем Резерфорд уже дружески ухмыльнулся американцу и громко пророкотал:

– Моя память вполне в порядке, и я хоть сейчас могу процитировать весь свой доклад одиннадцатого года «Рассеяние альфа– и бета-лучей и строение атома», – переждав протестующие возгласы, глава британской школы экспериментаторов продолжил: Главное было в том, что рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить, что существует такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома альфа– и бета-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от его центра, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого явления мала. При этом заряд атомного центра оказался пропорциональным атомному весу, так что, хотя точное значение заряда центрального ядра не было определено, но для атома золота оно приблизительно равно ста единицам заряда.

Затем я поручил Гейгеру и Марсдену сделать новую экспериментальную проверку, подсчитывая рассеяние частиц по производимым ими сцинтилляционным вспышкам. Мои мальчики с честью справились с этой трудной и кропотливой работой, так как нужно было считать много тысяч частиц. Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласовывались с теорией. Из этих утомительных и кропотливых исследований и возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю его массу и обладающей положительным зарядом. При этом число элементарных зарядов действительно оказалось прямо пропорциональным атомному весу, – Остановившись, Крокодил непроизвольно вздохнул, видимо, вспомнив славные времена манчестерских достижений, и, сердито посапывая, занялся своей трубкой. Наступившую паузу заполнил голос Бора:

– Действительно, в то время мы все с волнением наблюдали, как в центре интересов всей манчестерской группы было исследование многочисленных следствий открытия атомного ядра. С самого начала было ясно, что благодаря его большой массе и малой протяженности в пространстве по сравнению с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом…

Тут слова великого датчанина были прерваны мелодичным звоном колокольчика секретаря конгресса, которым он приглашал участников на очередное заседание.

Столы в зале проведения конгресса образовывали большой квадрат, так заполнявший свободное пространство, что свободным оставался лишь проход вдоль стен. Резерфорд с Чедвиком и Блэккетом заняли соседние места рядом с Полем Дираком, сосредоточенным на каких-то своих мыслях. «Мальчики Крокодила» продолжали кулуарные споры, и Блэккет горячо говорил Чедвику:

– В 1913 году Ван ден Брук наглядно показал, что заряд ядра совпадает с номером элемента в периодической таблице Менделеева, и в то же время был сформулирован закон, согласно которому в процессе альфа-распада радиоактивный продукт смещается в периодической таблице на два номера выше, а при бета-распаде – на номер ниже. С точки зрения представления о номере элемента как о заряде ядра закон смещения получил наглядное толкование.

– И тогда же Содди пришел к представлению об изотопах как о разновидностях одного и того же элемента, ядра атомов которых имеют одинаковый заряд, но разные массы, – насмешливо добавил Паули, занимая место рядом с Дираком. – Вообще-то, надо заметить, что эта интерпретация пришла в голову Бору еще до того, как Содди чисто эмпирически открыл закон смещения, – Паули с улыбкой кивнул проходящему мимо Ферми, приглашая его занять соседнее место. – Более того, схема планетарной модели, судя по всему, возникла именно в Манчестере и была положена Бором в основу первой квантовой модели атома. Тогда-то и появились три знаменитые статьи Бора о строении атомов и молекул, открывшие путь к атомной квантовой механике.

Наконец в зал вошли последние делегаты – Бор с Лоуренсом и невысокая немка Лиза Мейтнер в строгом темном платье с белым воротником. Ирен Кюри с тревогой переглянулась с Жолио и шепнула мужу:

– Ланжевен сказал, что Мейтнер сделала заявку на выступление в прениях по теме нашего доклада. От нее можно ожидать очень неприятных сюрпризов, особенно после того как она прославилась своим открытием вместе с Отто Ганном элемента протактиния.

Последним в зал стремительно вошел как всегда изысканно одетый Вернер Гейзенберг. Увидев Паули, он ринулся к своему другу и разместился между ним и Дираком.

– Вы знаете, я немного узнал о сути будущего доклада супругов Жолио-Кюри, – Гейзенберг поочередно поворачивался к своим друзьям, – и ситуация все больше напоминает мне то время, когда в исследование нового загадочного явления радиоактивности включились супруги Пьер и Мария Кюри. Помните, как мадам Кюри начала исследования радиоактивных явлений, измеряя напряженность урановых лучей по их свойству сообщать воздуху электропроводность…

Чувствовалось, что Гейзенберг еще не полностью отошел от утреннего доклада, посвященного новой теории атомного ядра. 32-летний лейпцигский профессор только что стал лауреатом Нобелевской премии, и ему было важно показать своим докладом на Сольвеевском конгрессе, что его научная карьера еще далека от завершения.

Паули насмешливо подмигнул Дираку:

– Мы тоже помним, какая неразбериха царила в умах, когда все ринулись на поиск других веществ, обладающих свойствами урана. Во Франции, мне помнится, мадам Кюри первой нашла что-то вроде соединений тория, а в Германии аналогичный результат был заявлен Шмидтом.

– Вот именно, – немного заикаясь, вполголоса заметил Дирак, – где-то с лета 1898 года новый термин «радиоактивность» и вошел в обиход физиков… А тут уже и появились одна за другой статьи, сообщающие об открытии новых радиоактивных веществ. Супруги Кюри обнаружили полоний, свыше чем в 400 раз более активный, чем уран, а затем появилась их статья в соавторстве с Бемоном «Об одном новом, сильно радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде». Там впервые сообщалось о получении сильно радиоактивного вещества, по химическим свойствам напоминающего барий. Активность хлористого соединения этого элемента почти в 900 раз превышала активность урана. В спектре соединения была обнаружена линия, не принадлежащая ни одному из известных элементов, поэтому новое радиоактивное вещество было названо радием.

Тут председательствующий Ланжевен потряс колокольчиком и, обежав взглядом под нависшими бровями притихших делегатов, объявил начало заседания.

Участники конгресса, представляющие все научные центры мира, внимательно слушали краткое вступительное слово Ланжевена, который напомнил присутствующим, что впервые такая необычная тема, как структура и свойства атомных ядер, обсуждается на столь представительном собрании. Ведь еще несколько лет назад никто из ученых даже не догадывался, что за совсем короткий период, прошедший от открытия сложного строения атома, наука вплотную приблизится к изучению его загадочной сердцевины, заключающей в себе практически все вещество Вселенной.

– Этот удивительный склад материи мира, двери которого так долго не могли открыть ни теоретические расчеты, ни бомбардировки альфа-снарядами, ни отмычки гамма-лучей, настойчиво требует какого-то иного ключа, нежели те, что имеются в арсенале современной науки, – патетически восклицал, вздергивая крупную голову с седой эспаньолкой, Ланжевен. – Все мы уже догадываемся, что в ядре атома таится неисчислимая энергия, что в тесной его темнице закован Прометей, освобождение которого приведет человечество в подлинный Золотой век. Однако мы еще только подбираемся к ядерным тайнам, о наличии которых прямо свидетельствуют исторгаемые ядром в процессе радиоактивного распада альфа-частицы, бета-электроны и гамма-лучи. Это показывает, что внутри ядра непрерывно бушуют загадочные радиоактивные процессы, воздействовать на которые современная наука пока еще не в силах, ведь ни высокие температуры, ни громадное давление, ни химические реакции, ни электрические и магнитные поля нисколько не воздействуют на скорость радиоактивного распада. Тем более пока еще не найдено способов прекращения и возобновления радиоактивности, что явилось бы прямым путем к владению циклопической энергией, заключенной в ядерных глубинах. Однако научный прогресс не стоит на месте! – казалось, патетика председательствующего достигла максимума. – Всего лишь несколько месяцев назад произошло удивительное открытие двух новых кирпичиков мироздания, из которых слагается материя Вселенной – нейтрона и позитрона. И я с большим удовольствием предоставляю слово моему молодому другу Фредерику Жолио, который от своего имени и имени мадам Ирен Кюри расскажет о серии блестящих опытов, во время проведения которых совершенно неожиданным образом были обнаружены эти новые микроскопические частицы.

Ланжевен широким жестом пригласил Жолио начать выступление. На его худом и бледном, с резкими чертами лице читалось волнение, когда звенящим от внутреннего напряжения голосом он начал доклад «Проникающее излучение атомов под воздействием альфа-лучей».

– Бомбардируя альфа-частицами различные элементы, мы наблюдали излучение протонов, подобное тому, что открыли сотрудники присутствующего здесь сэра Резерфорда, – Фредерик бросил быстрый взгляд на делегацию англичан во главе с благодушно кивающим Крокодилом. Чувствовалось, что он сумел успокоиться и взять себя в руки. – Новым здесь было то, что когда мы взяли легкие элементы, в частности алюминий, то ядра этих элементов выбрасывали не протоны, а частицы иного сорта. После исследования фотографий мы пришли к убеждению, что наблюдали принципиально новый тип излучения, состоящего из нейтронов и позитронов, – Жолио решительно взмахнул рукой, как бы подводя итог сказанному, и быстро сел.

Мария Кюри ободряюще кивнула Фредерику, а Ирен сжала его руку. На своих местах делегаты вовсю обсуждали необычное сообщение Жолио. Например, Резерфорд, размахивая трубкой, требовал немедленно по возвращении подготовить соответствующую аппаратуру для проверки эффекта.

Между тем председательствующий с галантным поклоном дал слово Лизе Мейтнер.

В зале тут же повисла напряженная тишина. Все уже были, в общем-то, готовы услышать что-то необычное, но все равно по рядам участников конгресса пробежал вздох, когда миниатюрная немка в темном платье стала полностью опровергать доклад Фредерика:

– Я повторила всю серию экспериментов четы Жолио, – Мейтнер сухо кивнула поджатыми губами в сторону Ирен и Фредерика, – и ни разу, повторяю, ни разу я не обнаружила ни нейтронного, ни позитронного излучения. Получается, что кроме протонов ничего не существует! Поэтому надо признать, что якобы найденные в Париже новые микрочастицы – нейтроны и позитроны являются лишь результатом некорректной экспериментальной техники, своеобразными парижскими привидениями! – не совсем удачно пошутила Мейтнер.

В зале возник нарастающий шум, прерываемый выкриками Жолио, которого крепко держала за рукав Ирен, не давая вскочить с места. Снова, надрываясь, зазвонил колокольчик председателя. Немного успокоив расходившихся ученых, Ланжевен нарочито бодрым тоном объявил:

– Господа, продолжаем прения… Представлены очень интересные факты, высказаны противоположные мнения, нужно в этом разобраться.

– Уважаемые коллеги, – вечно улыбающийся Лоуренс, казалось, просто сочился отеческим благодушием, – вслед за четой Жолио я тоже провел серию экспериментов, но, увы, – американец театральным жестом развел руками, – несмотря на великолепное оборудование, которое видели многие из здесь присутствующих, тоже не зафиксировал нейтронно-позитронного излучения. Боюсь, что вынужден согласиться с моей берлинской коллегой – парижские опыты явили нам своеобразный призрак нового излучения. – Лоуренс, широко улыбаясь, повернулся к хмурым французам и, еще раз разведя руками, сел на место.

С каждым словом Лоуренса менялось выражение лица Резерфорда, хорошо знавшего Мейтнер и ее берлинского друга Отто Гана, которые неоднократно посещали его лабораторию в Кембридже, ну а точность и педантичность немецких ученых при проведении исследований давно уже стали наивысшим стандартом в экспериментальной работе. Не меньше Крокодил доверял и своему американскому другу Лоуренсу.

– Не будем делать перепроверок, наши французские друзья наверняка ошиблись, – в наступившей тишине голос сэра Эрнеста прозвучал неестественно громко. Присутствующим стало как-то не очень удобно, и они старались не смотреть в сторону французской делегации. Наступившую неловкость прервал Ланжевен, объявив перерыв.

В кулуарах конгресса все только и обсуждали, что неудачный доклад Фредерика. Мария Кюри подошла к удрученной паре:

– Не стоит так переживать, возможно, вы что-то проглядели в своих опытах, а всякая критика всегда полезна.

– Ничего подобного! – Фредерик негодующе вскинул голову. – Наша фрау спутала основательность с мелочной аккуратностью, потратив всю свою энергию на уточнение третьестепенных деталей, но и при этом пропустила главные выводы!

– Вот что, дети, – мадам Кюри с усмешкой посмотрела на дочь и зятя, – Мейтнер докладывала о тщательно спланированных и выполненных опытах, и опровергнуть их можно только еще более точными экспериментами.

– Что наша молодежь и должна незамедлительно сделать по возвращении в Париж, – к семье Жолио-Кюри подошел Ланжевен. – Кстати, Фредерик, ты говорил мне еще перед докладом, что из ваших опытов следуют какие-то далеко идущие выводы.

Жолио только махнул рукой, но Ланжевен прекрасно знал, как лучше всего рассеять тягостные впечатления от выступления оппонентов:

– Давайте все вместе представим, что контрольные опыты прошли удачно и все ваши выводы подтвердились. Итак, Фредерик, что ты хотел рассказать?

– Говори, Фредерик, говори, – ободряюще улыбнулась Мария Кюри.

– Когда я анализирую следствия из нашего открытия искусственной радиоактивности, – начал молодой французский ученый, – передо мной возникает череда фантастических образов, связанных с поразительной возможностью создавать и разрушать химические элементы по желанию исследователя. Вполне возможно, что однажды физики найдут способ превращать одни элементы в другие, и вполне может быть, что эти превращения будут иметь взрывной характер. Здесь можно попробовать найти непосредственную связь между явлением искусственной радиоактивности, когда некоторые элементы под действием облучения превращаются в радиоактивные изотопы, не существующие в природе, и возможностью практического использования атомной энергии, – Фредерик упрямо поднял взгляд, пытаясь найти на лицах слушателей усмешку, но все воспринимали его мысли вполне серьезно.

– И тут мне пришла в голову мысль, – Жолио с чисто французской экспрессией даже постучал пальцем по лбу, – что подобные превращения взрывного характера одних элементов в другие могут охватить все вещества, из которых состоит наша планета. Если такое случится, то произойдет глобальная катастрофа космического масштаба. И вот тут возникает вопрос, – молодой ученый горящим взором обвел своих слушателей, – а если когда-нибудь исследователь найдет способ вызвать такую катастрофу, то попытается ли он сделать такой опыт? Думаю, что он его все же осуществит, так как по натуре пытлив и любит риск неизведанного…

– Ты знаешь, Фредерик, – Ланжевен задумчиво подкрутил свой мушкетерский ус, – я не в полной мере разделяю твои опасения о возможности подобной катастрофы. Разрушение элементов в таком грандиозном масштабе будет не под силу какому-то маньяку-одиночке, который не остановится перед тем, чтобы взорвать мир из своей лаборатории. Такие работы теперь не составляют тайны одиноких исследователей, а ведутся коллективами научных учреждений в различных странах. Задача будущей науки и техники и заключается в том, чтобы найти способы, как «обуздать» и использовать колоссальную атомную энергию…

Однако есть в твоих мыслях нечто такое, – Ланжевен пощелкал пальцами, – что заставляет меня вспомнить одного моего американского друга, который составил схему действия непрерывной атомной бомбы для известного британского писателя…

Рассуждения Ланжевена прервало громкое восклицание Крокодила, шествовавшего во главе своих «мальчиков», и Резерфорд тут же увлек за собой французского физика.

– Любопытно, кого он имел в виду? – задумчиво произнес Фредерик, с тревогой вглядываясь в побледневшее лицо мадам Кюри, покрытое бисеринками холодного пота.

– Что-то я неважно сегодня себя чувствую, проводите меня, – глухо сказала она, опираясь на руки Ирен и Фредерика, – а Поль говорил о Николе Тесле и Герберте Уэллсе. Ты, конечно же, читал его роман «Освобожденный мир» …

Они медленно пошли к выходу из зала конгресса.

Когда супруги Жолио вернулись в гостиную, их задержал Бор. Вынув изо рта трубку и выпустив в сторону дым, он с сочувствием посмотрел на удрученных французов.

– Не стоит никогда сдаваться, друзья, – великий датский теоретик ободряюще похлопал Фредерика по плечу, – моя интуиция настойчиво подсказывает, что правы вы, а не ваши критики. Поскольку природа выпустила на сцену новых актеров – нейтроны и позитроны, то они обязательно должны играть свои роли, и мы будем встречаться с ними довольно часто. Именно поэтому я уверен в правдивости ваших экспериментальных данных. Вспомните, что те же нейтроны не могли найти целых два десятилетия. Новые опытные данные часто появляются именно в призрачном облачении, лишь впоследствии приобретая телесный вид. Я просто уверен, что ваш «призрак нового излучения» окажется крайне важным научным явлением…

Махнув дымящейся трубкой растроганным его участием французам, Бор двинулся дальше, а Фредерик с Ирен подошли к Гейзенбергу, рассказывающему о научной жизни в Германии после того как на выборах победили нацисты. В его Лейпциге пока сносно, хотя в печати Гейзенберга уже окрестили «белым евреем» за приверженность к теории относительности. В других научных центрах хуже. Эйнштейн покинул Берлин и отправился в изгнание в Америку, из Геттингена прогнали Куранта, Франка, Борна, в университетах – гонения на евреев и левых профессоров. Социал-демократы и коммунисты – в подполье, идут массовые аресты. Физики Штарк и Ленард поддерживают фашистов. Ленард написал учебник «Немецкая физика», устранив из него всех неарийских ученых и все иностранные термины, а заодно расправившись и со всеми «ненемецкими» физическими теориями. Этот выживший из ума старец объявляет изменой нации ссылки на работы иностранцев.

К чете Жолио, дружелюбно улыбаясь, подошел Паули:

– Ну-ка, друзья, признавайтесь, существуют приведения в науке или нет?

– Между прочим, – Фредерик с вызовом взглянул на знаменитого теоретика, – Бор полностью поддерживает наши выводы.

– Я тоже за вас в этом интереснейшем споре, – Паули посерьезнел, что было ему несвойственно, и даже как-то подобрался. – Мне кажется, вы нащупали что-то не просто очень интересное, но и способное изменить будущее физической науки. Так что не горюйте и воспринимайте любую критику как стимул к дальнейшей экспериментальной деятельности. Ваши нейтронно-позитронные пары тоже должны существовать, этого требует равновесие природы. Вспомните, как Бор строил свою модель атома, ища конфигурационные схемы электронов, объясняющие физические и химические свойства веществ. Тогда он воспользовался опытными данными команды Резерфорда, приняв за основу, что заряд ядра и число электронов в нем, равное количеству единиц заряда, определяется местом элемента в периодической системе химических элементов.

Однако тут он столкнулся, точно так же, как вы сегодня, с резкой критикой своих шагов в понимании физико-химических свойств элементов. Его атомным схемам вменяли две совершенно непонятные вещи – необычайную устойчивость атомарных структур, совершенно несовместимую с представлениями о движении электронов по замкнутым орбитам с центростремительным ускорением, и происхождение атомных спектров, состоящих из набора вполне определенных линий. В общем-то, всем было ясно, что подобная индивидуальная особенность спектров, по которой легко можно выявить химическую индивидуальность любого элемента, как-то должна быть связана с внутренней структурой атома. Причем подобные соображения надо было как-то совместить с универсальностью совершенно неотличимых друг от друга электронов, заряды и массы которых совершенно не зависели от природы содержащих их атомов.

Получалось, что наблюдаемая неизменная устойчивость атомарных структур в целом полностью противоречит принципам электродинамики, согласно которым электроны при ускоренном движении обязательно должны были бы непрерывно терять энергию, излучая ее, и тут же «падать» на ядро. Причем при вращении электронов по «планетарным» орбитам те же законы электродинамики никак не объясняли появление характерных линейчатых спектров…

На лице Паули показалась его обычная усмешка, но он тут же прогнал ее, постаравшись придать себе самый серьезный вид, чтобы Ирен и Фредерик не усомнились в его словах.

– Спасибо, Вольфганг, – растроганно произнес сразу же воспрянувший духом и даже немного повеселевший Жолио. – Если бы вы только знали, как нам важна сейчас ваша поддержка признанного критика всяческих новых теорий. И в следующих экспериментах мы постараемся показать, что ошиблись не мы, а наши противники. И ведь действительно, нынешняя ситуация чем-то напоминает ту давнюю историю, когда Бору удалось найти объяснение основного закона спектроскопии и вычислить постоянную Ридберга из таких фундаментальных величин, как заряд и масса электрона, скорость света и постоянная Планка. Правда, для этого ему пришлось ввести в физику атома представления, чуждые классической физике, и это прежде всего касалось мнений о стационарных состояниях атомов, находясь в которых электрон не излучает электромагнитную энергию, хотя и совершает периодическое движение по круговой орбите.

Сердечно распрощавшись с Паули, Ирен и Фредерик ринулись в отель собирать вещи для немедленного возвращения в Париж…

Уже через несколько дней чета Жолио после тщательной и многократной проверки научного инструментария приступила к контрольным опытам по проверке открытого ими явления искусственной радиоактивности. Во время перерыва между очередными сериями опытов в лабораторию вошла Мария Кюри в сопровождении Поля Ланжевена. В это время Фредерик, не отрывая влюбленного взгляда от Ирен, как раз горячо обсуждал физический смысл сделанного ими открытия:

– Сейчас все считают, что радиоактивный распад сопровождается тремя видами излучения: из атомных недр выбрасываются или альфа-частицы, то есть ядра атома гелия, или бета-частицы, то есть электроны, или электромагнитные гамма-лучи. И ничего сверх этого. А здесь у нас появляется позитронное излучение, сопровождающее радиоактивные превращения в ядерных распадах под влиянием внешних бомбардировок…

Мария Кюри с болезненной улыбкой (ее состояние становилось все хуже из-за прогрессирующей лейкемии, вызванной работой с радиоактивными препаратами) прервала рассуждения своего зятя:

– Вообще-то, нам с Полем было бы любопытно услышать, как вы представляете себе механизм искусственной радиоактивности…

Фредерик тут же подхватил лабораторную тетрадь, где каждую вторую страницу оставляли чистой для последующего анализа опытов, и стал быстро выписывать ряд химических символов и физических формул. Из его слов следовало, что последние эксперименты продемонстрировали радиоактивность не самого алюминия, а именно фосфора, в который превращался данный химический элемент, поглощая попавшую в него альфа-частицу и испуская при этом один нейтрон. И вот тут напрашивается вывод, что как раз фосфор-то и является радиоактивным элементом, выбрасывая из своего ядра позитрон и переходя в обычный стабильный кремний.

– В принципе понятно, – Ланжевен по привычке крутил ус, – именно поэтому вы и находили в своих прежних экспериментах нейтроны вместе с позитронами, связывая их в своеобразные пары…

– Вот именно, – вступила в разговор Ирен, – а сейчас мы разделяем природу этих двух излучений, ведь когда мы прекращаем бомбардировку альфа-частицами, в тот же момент останавливается и образование фосфора с генерацией нейтронов, однако «новорожденный» фосфор продолжает цепь радиоактивных превращений, испуская позитроны.

– Да, ваше объяснение хотя и очень смело, но вполне логично, – Ланжевен вопросительно посмотрел на Марию Кюри.

– Что ж, если вы правы, – старшая Кюри тяжело опустилась на высокий лабораторный табурет, – то в ваших конечных продуктах должны быть и распадающийся фосфор, и стабильный кремний. Так что, если вы из чистого образца алюминия химически выделите после облучения фосфор и кремний, то тем самым как первооткрыватели подтвердите реальность явления искусственной радиоактивности. – Мария Кюри тяжело вздохнула и, опираясь на локоть дочери, шаркающей походкой вышла из комнаты.

Проводив горестным взглядом ее сгорбленную фигуру, Ланжевен встряхнул головой, как бы отгоняя тягостные мысли о смертельной болезни своей подруги, и несколько раз взволнованно прошелся вокруг лабораторного стенда. В отличие от Марии Кюри, требовавшей дополнительных опытов и уточнений, он сразу поверил и в реальность явления, и в правильность его толкования.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.