Весьма загадочной казалась спонтанность, с которой распадаются радиоактивные вещества. К всеобщему удивлению, было обнаружено, что радий при радиоактивном распаде превращается в другие элементы, в конечном счете в свинец, сам же возникает из урана. Была сокрушена другая догма: трансмутация элементов, о которой столетиями мечтали алхимики в своих попытках изготовить золото, стала явью, хотя лишь в масштабе атомов.
Радий представлялся исследователям прямо-таки неисчерпаемым источником энергии. Как же это согласовать с классическим законом сохранения энергии? Создавалась ли энергия излучавшего радия из ничего? Наука стояла перед загадкой. Французский физик Пуанкаре в 1905 году привел в беспокойство общественность своими сомнениями о "ценности науки". Так называлась его статья, в которой говорилось, что налицо серьезный кризис в физике. "Великий революционер радий" ставил под сомнение не только принцип сохранения энергии, но и все другие научные законы. Пуанкаре жаловался: "Перед нами -развалины старых принципов физики, всеобщий крах которой мы переживаем".
Что же, физика попала в безвыходное положение? Многие ученые являлись сторонниками идеалистической философии и считали, что теперь "материя исчезла" либо "растворилась в электричестве или энергии".
В. И. Ленин проанализировал это положение в естествознании в том виде, как оно сложилось к началу XX столетия, и сделал теоретико-познавательные заключения. В своей работе "Материализм и эмпириокритицизм", опубликованной в 1909 году, В. И. Ленин критикует мировоззрение Маха и разоблачает несостоятельность всеобщих толков о кризисе в физике. Ленин признает, что большинство ученых пришли в противоречие с новейшими экспериментальными фактами о радиоактивности и строении атома: это произошло только потому, что они упорно оставались на позиции устаревших идеалистических представлений, которые не допускали дальнейшего творческого развития физики. Эти новые факты могли быть объяснены и обобщены только на основе диалектического материализма. По убеждению В. И. Ленина, распад и превращение радиоактивных элементов блестяще подтверждает учение К. Маркса и Ф. Энгельса о диалектике природы. Поясняя это, он развивает мысль: "Разрушимость атома, неисчерпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи"[53].
Прежнее натурфилософское понятие материи оказалось неверным в результате открытия явления радиоактивности. В естествознании появились новые диалектические представления о структуре материи и формах ее движения.
Современная алхимия?
При изучении радиоактивных явлений Резерфорд и другие ученые обнаружили, что радиоактивные элементы торий, радий и актиний выделяют газообразные продукты, называемые эманациями. Они также радиоактивны и через короткое время распадаются. Рамзай заинтересовался явлением радиоактивности, когда появилось сообщение о том, что радиоактивные эманации химически так же индифферентны, как и благородные газы. Ученый как раз находился в поисках благородного газа, для которого еще имелось свободное место в последней клетке нулевой группы. Его занимало также разрешение другой научной загадки. Стало известно, что гелий встречается не только в содержащем уран минерале клевеите, но также и во всех минералах, в состав которых входит уран. Какого-либо объяснения этому факту не было.
Рамзай совместно с Содди, который в 1903 году вернулся в Англию, попытались разрешить этот вопрос экспериментально. К началу 1903 года были впервые выделены лишь малые количества редкого радия. Во всем мире был один-единственный его источник: это профессор Гизель в Брауншвейге, для которого извлечение радия было нечто вроде хобби. Рамзай и Содди получили от него 30 мг этого элемента. Сначала выделение чистой эманации потерпело неудачу из-за неправдоподобно малых количеств, которые могли быть получены из миллиграммовых количеств соли радия. Наконец обоим исследователям удалось уловить в крошечные капилляры, доли кубического миллиметра эманации и отделить ее от газообразные составных частей воздуха путем конденсации. С помощью газоразрядной трубки объемом 4 мм[3], в которую были впаяны электроды, тонкие, как волос, ученые получили спектр эманации. Спектр состоял из ярких красных линий. Ученые окрестили новый газ нитон (сверкающий) за то, что он светился в темноте. Позднее это название было заменено на радон.
Для того чтобы охарактеризовать нитон как новый элемент и найти ему место в таблице, недоставало важных данных, прежде всего атомной массы. Надежда на то, что когда-либо они будут обладать достаточным количеством нитона для проведения такого рода опытов, исчезала; Рамзай и Содди прикинули, что для получения 1 л газа необходимо около 500 кг радия. Уже тогда представлялось безнадежным получить такое количество радия. В настоящее время мировой запас радия оценивается, в лучшем случае, тысячной долей этой величины, то есть составляет приблизительно 500 г.
В конце концов Рамзай с удивительной экспериментальной ловкостью определил-таки плотность нитона и смог рассчитать, исходя из нее, его атомную массу. Радон нашел свое место в последней свободной клетке группы благородных газов, после ксенона.
При анализе радиоактивных минералов ученые всегда получали гелий в качестве побочного вещества. Поэтому уже в 1902 году Резерфорд при толковании радиоактивного распада высказал предположение, что гелий является продуктом распада радия. При выяснении этого вопроса так же приходилось работать с минимальными количествами веществ. Вся аппаратура, изготовленная Рамзаем, отличалась крошечными размерами. Она состояла из капиллярных трубочек диаметром менее полумиллиметра. В такие "сосуды" Рамзай и Содди поместили очищенную эманацию радия, исследовали ее спектр и, к своему радостному изумлению, обнаружили, что через несколько дней стали вдруг видны линии гелия. Это было доказательством превращения радона в гелий. Рамзай сделал сообщение о сенсационном открытии 16 июня 1903 года на ежегодном собрании Химического промышленного общества в Брэдфорде. В том же месяце появилась статья Рамзая и Содди в научных журналах: "Опыты с радием и о выделении гелия из радия".
Таким образом, впервые было экспериментально доказано превращение одного элемента -- радия в другой -- гелий. Естественно, что пресса всего мира быстро оповестила об этом событии в сообщениях, откликах и комментариях. Ведь это было первое удачное превращение элементов, которого ожидали алхимики целые столетия. Конечно, не было недостатка и в скептических высказываниях. Рамзая и Содди упрекали в том, что их лаборатория настолько заражена гелием, что любой чувствительный спектроскоп всегда обнаружит следы привнесенного газа.
Научно-популярный журнал "Умшау" 4 февраля 1905 года, отдавая должное гениальному искусству экспериментаторов Рамзая Содди, все же отмечал: "...еще не настало время выбрасывать за борт испытанное старое и безоговорочно становиться на сторону учения о превращении элементов".
Еще в апреле 1904 года почтенный Клеменс Винклер через тот же журнал потребовал, чтобы вспомнили важнейшие основы химии: "Радиевый бум охватил сейчас весь мир и в наибольшей степени -- среду дилетантов; при виде этого всякого химика угнетает тот факт, что о радии, открытом уже шесть лет назад, можно сообщить лишь то что он очень похож на барий, что у него большая, чем у последнего, атомная масса и что он проявляет поразительное самопроизвольное излучение. Химические его особенности все еще почти не известны...".
Однако Рамзай и Содди в дальнейших опытах доказали надежность своего открытия. И надо отдать им должное -- ведь обнаружение столь малого количества вещества было исключительно сложным делом. Приблизительно из 1 г бромида радия (а таким количеством в то время никто не располагал) за год образуется лишь 0,02 мг гелия.
Вскоре уже не оставалось сомнения в том, что гелий является продуктом превращения радия. В ряду распада урана образуются радон и гелий из альфа-излучающего радия. Радиоактивный радон также распадается с испусканием альфа-лучей, то есть с отщеплением гелия. На основе этого можно считать, что гелий, заключенный в урановых рудах, получается за счет альфа-превращений урана и продуктов дальнейшего распада. Напомним, что альфа-лучи являются ядрами атомов гелия.