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

• Название: У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015
• ISBN: 2409-0069

Эрнесту Резерфорду наука обязана доказательством существования атомного ядра, которое ученый определил как «муху» внутри «собора» атома. Несмотря на ничтожный размер, в ядре сконцентрирована большая часть массы атома, а значит, и энергии. Резерфорд считается лучшим экспериментатором своей эпохи: он оценил возраст Земли на основе радиоактивного распада, и за раскрытие этой тайны в 1908 году ему присудили Нобелевскую премию в области химии. Он первым добился искусственного превращения одного элемента в другой, воплотив в жизнь тысячелетнюю мечту химиков. После смерти Крокодил, как за сильный характер прозвали его коллеги и ученики, был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Новозеландец покоится рядом с великими деятелями английской науки.

---

Косвенным противоречием проблеме возраста Земли стала теория естественного отбора. Дарвин пришел к выводу, что для развития разнообразия жизни, возникшей в результате естественного отбора, был необходим более длительный период, чем полагали физики. Сам Дарвин выражал волнение некоторым корреспондентам так:

"Я очень обеспокоен коротким сроком, отпущенным нашему миру, согласно предположениям сэра У. Томсона, потому что для подтверждения моих теорий мне необходим очень продолжительный докембрийский период".

В этом противостоянии физика представлялась более основательной дисциплиной по сравнению с биологической теорией Дарвина. И этот отягчающий фактор не способствовал увеличению численности сторонников теории естественного отбора в начале XX века. Однако, как доказал Резерфорд, идеи и расчеты лорда Кельвина были глубоко ошибочными.

Как мы уже выяснили, элемент является радиоактивным, если его структура нестабильна, и благодаря процессу радиоактивного распада элемент приобретает большую стабильность. Так, уран с 92 протонами после альфа-распада теряет два протона и трансформируется в торий (элемент под номером 90 в периодической таблице). Торий, в свою очередь, при альфа-распаде теряет еще два протона и превращается в элемент с атомным номером 88, который согласно периодической таблице соответствует радию. Все эти процессы распада вместе образуют последовательность химических элементов, формирующих естественное радиоактивное семейство, с конечным стабильным элементом — свинцом.

Учитывая, что Резерфорд мог выявить скорость распада каждого из них, у него появилась удачная мысль определить на основании этих данных возраст Земли. Требовалось только узнать количество свинца, являющегося стабильным продуктом цепи распада урана, по отношению к количеству урана, имеющегося в шахте (вначале ученый задумался о возможности использовать для этого гелий, но так как это газ, полученные результаты не могли считаться достоверными, потому что часть газа улетучивалась в атмосферу).

Несмотря на то что догадка была гениальной, Резерфорд оставил свои исследования другим ученым, которые уточнили механизмы, предопределившие современное понимание вопроса о возрасте Земли.

ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ

В настоящее время считается, что Земле 4,55 миллиарда лет. Этот возраст установлен в результате исследования в североканадском районе Акаста известных залежей породы, называемой гнейсом, которой предположительно четыре миллиарда лет, это самая древняя известная порода. Несмотря на то что эта гениальная догадка принадлежит Резерфорду, самого ученого данный вопрос не слишком интересовал, на эту тему он опубликовал лишь несколько научно-популярных статей (например, статью "Радий — причина теплоты Земли" в журнале Harper).

Другие исследователи, среди них Бертрам Болтвуд (1870-1927), уделяли этим разработкам больше внимания. Болтвуд и Резерфорд пришли к заключению, что лучшим способом датировки было сравнение количества урана и свинца. После многочисленных расчетов было высказано предположение, что возраст Земли колеблется между 250 миллионами и 1,3 миллиарда лет. Британский геолог Артур Холмс (1890-1965) продолжил исследования Болтвуда и Резерфорда, рассматривая разные типы изотопов радиоактивных элементов, каждый из которых обладал разной продолжительностью жизни, и приступил к экспериментам. От полной неосведомленности об этих результатах геологи преодолели путь к их принятию, и в 1927 году Холмс опубликовал книгу "Возраст Земли", в которой уверял, что Земле от 1,3 до 3 миллиардов лет. Однако образцы почвы не слишком подходили для определения количественных показателей, так как тектонические движения плит и эрозия могли стать причиной ошибки в данных, основанных на радиоактивности. На сегодняшний день большинство ученых сходятся на том, что возраст нашей планеты вернее всего определен на основе работ геохимика Клэра Кэмерона Паттерсона, который в 1953 году осуществил первые точные измерения, изучая образцы почвы, на которые воздействовали метеориты.

Артур Холмс, 1912 год.

Но все же Резерфорд ощутил необходимость публикации научно-популярной статьи, а также выступил с лекцией в Соединенном Королевстве, излагая свои идеи. На этой лекции был особенный слушатель — сам лорд Кельвин. Позднее Резерфорд описал эту встречу так:

"К моему облегчению, Кельвин уснул, но едва я подошел к важному пункту, то увидел, что старый лис поднял голову, открыл один глаз и зловеще взглянул на меня. Тогда я внезапно ощутил вдохновение и произнес: "Лорд Кельвин обозначил пределы возраста Земли, если не будут найдены новые источники тепла. Это пророческое наблюдение подводит нас к теме сегодняшней дискуссии — к радиации". И старик улыбнулся".

Радиоактивность интерпретировалась как новый источник тепла, который мог согревать Землю изнутри. Так расчеты Кельвина, при всей их правильности, происходили от неточной гипотезы. Этот источник мог также подпитывать и Солнце, таким образом, Земля могла начать свое существование значительно раньше, чем предполагал маститый ученый, а также продолжать его в течение невообразимо длительного времени согласно физическим законам, известным в XIX веке.

По расчетам Кельвина, до затухания Солнцу оставалось пять или шесть миллионов лет, Резерфорд же говорил — что сотни миллионов. Старого лорда Кельвина новая наука о радиоактивности не смогла убедить, несмотря на то что, по его же собственным словам, он внимательно изучал ее.

ЭНЕРГИЯ

Другим аспектом, на который не могли не обратить внимание действующие лица эпопеи радиоактивности — Кюри, Резерфорд и Содди, — было огромное количество энергии, выделявшейся изнутри материи, как если бы атомы были неистощимым источником энергии, а радиоактивность представлялась малозначительным процессом утечки энергии. Подвергая замороженную воду воздействию радия, можно было наблюдать, что вода испарялась меньше чем за час. Не будем упоминать о многочисленных ожогах, из-за чего Пьер и Мария Кюри работали с забинтованными руками. Резерфорд и Содди сделали оценку энергии, выделявшейся из грамма радия после всех трансформаций, она равнялась десяти тысячам миллионов калорий. Эта энергия содержалась в материи, и если бы кому-то удалось бесконтрольно выпустить ее, этот кто-то разом покончил бы с известным нам миром.

В 1903 году Резерфорд и Содди уже заявили, что радиоактивность связана с энергией, не соответствующей реакциям:

"Радиоактивность понимается как результат процесса, лежащего вне сферы известных контролируемых сил... Все эти замечания приводят к выводу, что энергия, клокочущая в атоме, должна быть огромной по сравнению с энергией, свободно выделяющейся при обычном химическом обмене".

Также они предвидели, что энергия, сконцентрированная в радиоактивных атомах, в действительности могла быть внутренним свойством всех типов атомов, существующих во Вселенной:

"Нет никаких причин утверждать, что эти огромные количества сокрытой энергии характеризуют лишь радиоактивные элементы".

Первым, кто задумался о связи массы и энергии, был именно Содди. Он решил, что, возможно, существует связь между потерей массы радия при его трансформациях с освобожденным количеством энергии. По этому вопросу Содди заверял:

"Вероятно, вся тяжелая материя в латентном и связанном со строением атома виде обладает схожим количеством энергии, которая имеется у радия. Если бы ее можно было выделить и поместить под контроль, это изменило бы судьбу мира! Тот, кто взял бы в свои руки рычаг, которым бережливая природа регулирует выдачу из этого хранилища энергии, получил бы оружие, которым мог бы при желании разрушить Землю".

Позже Альберт Эйнштейн ввел известную формулу Е =mc2, которая объясняла, что масса находится в прямой зависимости от энергии. Однако формула Эйнштейна не показывала, как получить энергию из материи; она лишь констатировала связь. С другой стороны, в момент публикации уравнения результат был проигнорирован, его влияние на последующие события было косвенным. Ученые того времени рассматривали радиоактивность как неожиданный источник энергии, и казалось, нужно подождать, чтобы определить, как человечеству надлежит воспользоваться этим богатством. Касательно этого вопроса имелись различные мнения.

В конце жизни, в 1933 году, Резерфорд очень осторожно и скептически высказывался о возможностях использования энергии:

"Мы не можем контролировать атомную энергию так, чтобы она имела коммерческую стоимость, думаю, нам это никогда не удастся. О трансмутации было сказано много глупостей. Наш интерес к материи чисто научный, а наши эксперименты помогут лучше понимать строение материи".