Через два года после открытия Беккереля, в апреле 1898 года, его ученица Мария Складовская-Кюри доложила Парижской академии наук, что радиоактивным является не только уран, но и второй тяжелый элемент -- тории; он тоже испускает эти таинственные лучи. Затем мадам Кюри сделала еще более значительное открытие: природные минералы, содержащие уран, например урановая смоляная руда, существенно более радиоактивны, чем можно было ожидать, исходя из содержания в них урана. Предположение Марии Кюри, что в этих минералах должен содержаться еще более радиоактивный элемент, было блестяще подтверждено. Совместно со своим супругом, Пьером Кюри, в 1898 году ей удалось физико-химическим путем обнаружить два новых химических элемента, только на основе их различной радиоактивности. Оба элемента во много раз превосходили уран по интенсивности излучения. Супруги Кюри назвали эти элементы полоний -- в честь родины исследовательницы, Польши -- и радий. Через год французский химик Дебьерн смог обнаружить еще один радиоактивный элемент в остатках от переработки урановой смолки[52] -- актиний.
Таким образом, с помощью характеристического радиоактивного излучения были открыты три новых химических элемента, для которых надлежало найти место в какой-либо из пустых клеток периодической системы. Правда, предполагали, что вследствие их способности к излучению, они должны быть соседями урана, то есть столь долго разыскиваемыми тяжелыми металлами. Однако химики располагали лишь незначительными следами этих веществ; пока новые элементы не были получены в весомых количествах, невозможно было изучить их химические свойства, определить атомную массу и расположить в периодической системе. Прошло все же несколько лет, прежде чем супруги Кюри в результате весьма трудоемкой работы смогли выделить скудных 100 мг соли нового элемента -- радия: для этого им пришлось переработать в целом два вагона отвалов, образовавшихся после извлечения урана из урановой смоляной руды Иоахимсталя. Работая с таким количеством вещества, они наконец смогли определить химические свойства нового элемента.
Смелые теории
Радий начал завораживать мир. Его способность к излучению была во много раз большей, чем у других радиоактивных веществ. Новый элемент, казалось, являлся неиссякаемым источником энергии. Даже спустя длительное время нельзя было заметить уменьшения интенсивности его излучения. В настоящее время мы знаем, что активность радия падает наполовину только по прошествии 1590 лет.
Величайшая заслуга английского физика Резерфорда состоит в том, что он внес ясность в наблюдения и раскрыл тайну радиоактивности. За короткое время, работая со своей исследовательской группой в Монреале, куда он был приглашен в качестве профессора, Резерфорд пришел к научным выводам, изменившим всю физическую картину мира. Прежде всего, ему удалось показать, что существуют три различных вида радиоактивного излучения, которые он назвал альфа-, бета- и гамма-излучением. Сначала была установлена природа бета-лучей: оказалось, что они состоят из тех же отрицательно заряженных элементарных частичек (электронов), что и катодные лучи. Скорость их очень велика: она превышает 200 000 км/с, то есть приближается к скорости света.
Альфа-частицы, из которых состоят альфа-лучи, обладают значительно большей массой и выбрасываются из атома радия со скоростью 15 000--20 000 км/с. Несмотря на длину пробега всего в несколько сантиметров, одна-единственная альфа-частица ионизирует на своем пути до 100 000 молекул воздуха. Такую бомбардировку альфа-частицами трудно было себе представить; к тому же стало известно, что 1 мг радия выделяет в секунду свыше 36 миллионов альфа-частиц.
Окончательное разъяснение природы этих лучей заняло около десяти лет. Только тогда было установлено, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия, а гамма-лучи -- особым родом рентгеновского излучения.
Особенно плодотворной оказалась совместная работа Резерфорда с химиком Содди, который с мая 1900 года работал у него в Монреале в качестве ассистента. Фредерик Содди, как и Резерфорд, был увлеченным экспериментатором. В совместных работах "Причина и природа радиоактивности" (1902 год) и "Радиоактивные превращения" (1903 год) Резерфорд и Содди опубликовали теорию радиоактивного распада, явившуюся основополагающей для дальнейших исследований. Они определили радиоактивность как результат процесса, который полностью находится вне сферы действия всех известных сил и к тому же не может быть вызван, изменен или уничтожен. Согласно этой "теории дезинтеграции", атомы радиоактивных элементов неустойчивы и потому имеют лишь определенную, характеристическую продолжительность жизни. Позднее это выразилось в понятии "период полураспада". Он характеризует время, за которое распадается половина атомов радиоактивного вещества. При этом радиоактивные элементы распадаются на ряд других веществ, химически уже не похожих на исходное вещество. Резерфорд и Содди установили, что радиоактивный распад не зависит от внешних условий. Радиоактивность остается даже после экстремальных температур и химических реакций. "Все эти соображения приводят к заключению,-- писали исследователи,-- что энергия, скрытая в атоме, должна быть очень мощной по сравнению с энергией, выделяющейся при обычных химических превращениях". В качестве примера они приводили солнечную энергию, происхождение которой было бы разгадано, если предположить, что причиной являются процессы внутриатомных превращений. Для тогдашнего уровня знаний то были поразительные высказывания.
Удивительное вещество -- радий
Опубликование теории радиоактивного распада было сенсацией. Она встретила как воодушевленное одобрение, так и резкое отрицание. В газетах можно было прочесть фантастические вещи о радии и радиоактивности. Больше всего ломали голову над неисчерпаемой, по-видимому, энергией радиоактивных элементов. Исходящее от них постоянное излучение без подвода энергии извне, их свечение в темноте, повышенная температура растворов солей радия -- все это казалось необъяснимым чудом.
При толковании радиоактивности необходимо было привыкнуть к совершенно новым величинам. Было обнаружено, что в 1 г урана в секунду радиоактивно распадаются 10 000 атомов, а в 1 г радия -- свыше 30 миллиардов атомов. Однако эти значения невелики по сравнению с общим числом имеющихся атомов. 1 г радия содержит несколько тысяч триллионов, точнее 2,66 * 10[21] атомов. Таким образом, доля атомов, распадающихся в секунду, очень мала, так что потребовалось бы много тысячелетий, чтобы радий полностью распался.
Вскоре многих исследователей атома, прежде всего Резерфорда и Содди, стала одолевать мысль, нельзя ли как-нибудь использовать фантастическую энергию радия. В 1904 году Содди в книге "Радиоактивность" указал, какой "путь" должен привести к использованию этого вечно неиссякаемого источника энергии: известно, что радиоактивные элементы, такие, как радий и уран, по прошествии тысяч, даже миллионов, лет распадаются с выделением энергии своего излучения; отсюда Содди делает проницательный вывод: эта энергия смогла бы в будущем служить людям, если ускорить время превращения элементов: тогда эти огромные количества энергии, сейчас выделяющиеся за тысячелетия, можно было бы использовать сразу, непосредственно.
Аналогичные рассуждения выдвинул и берлинский профессор Марквальд, когда на заседании Немецкого химического общества 2 мая 1908 года сделал сообщение о чуде радиоактивности. "Мы не знаем средства для ускорения радиоактивного распада,-- заметил он. - Если бы мы таким средством располагали, то с его помощью, вероятно, смогли бы превращать и другие простые вещества. При этом следовало бы ожидать образования элементов с более низкой атомной массой и одновременного выделения колоссальных количеств энергии. Если бы такое превращение смогло произойти внезапно, то оно сопровождалось бы страшнейшими взрывами: если бы, напротив, оно стало управляемым, то хватило бы 1 кг урановой смолки, чтобы большой пароход смог пересечь Атлантический океан".
Такое предвидение кажется сегодня поразительным. Однако высказывалось достаточно опасений, что освободившаяся атомная энергия сможет служить не только источником вечного благоденствия. В лекции о радии в декабре 1903 г. перед Американской ассоциацией научного прогресса Резерфорд, между прочим, развил следующую мысль: вполне возможно, что волна атомного распада распространится с таким взрывом, что наша старенькая Земля превратится в золу... Какой-нибудь простофиля в лаборатории сможет нечаянно заставить весь мир взлететь на воздух.