К 125-летию Фредерика Содди и Фрэнсиса Астона
«Чисто английское открытие»
«Все атомы любого элемента неизменны и имеют один и тот же вес» – так гласил постулат классической атомистики XIX в. Для его опровержения физике и химии потребовалось кардинально пересмотреть многие сложившиеся представления и подняться на принципиально новый уровень развития.
…В декабре 1922 г. состоялось очередное вручение нобелевских премий. Никогда еще одновременно не удостаивались высшей научной награды сразу четверо столь выдающихся ученых. Альберт Эйнштейн получил премию «за заслуги в области математической физики и особо за открытие фотоэлектрического эффекта», Нильс Бор – «за заслуги в изучении строения атомов и испускаемого ими излучения». Эти премии предназначались за физические открытия. По химии лауреатами стали Фредерик Содди «за вклад в изучение химии радиоактивных веществ и исследование процессов образования и природы изотопов» и Фрэнсис Астон «за открытие явления изотопии у многих простых нерадиоактивных тел, а также закона целых чисел».
Не довелось стать свидетелем
этих нобелевских торжеств английскому химику и
физику Уильяму Круксу. Он скончался в 1919 г., всего
трех лет не дожив до своего 90-летия. А ведь именно
он предвидел явление, которое экспериментально
подтвердили его соотечественники.
Перечень его заслуг впечатляет. Крукс открыл химический элемент таллий (1861), участвовал в обнаружении земного гелия (1895), едва ли не первым наблюдал, что радиоактивный распад сопровождается превращаемостью элементов. На протяжении многих лет изучал катодные лучи и стал одним из тех ученых, чьи труды в конечном итоге привели к открытию электрона (1897). Крукс основал знаменитый журнал «Chemical News» (1865), на его страницах публиковались и публикуются статьи о новейших достижениях химии.
В научной биографии Крукса особое место занимают 1886–1888 гг., когда он предложил оригинальную гипотезу происхождения химических элементов. Крукс считал, что они постепенно образовывались в результате сгущения «первичной материи» – протила. При быстрой его конденсации рождались элементы, заметно различающиеся по свойствам, при медленной – химически сходные, например редкоземельные. Нельзя сказать, что гипотеза была принята в штыки: на нее просто всерьез не прореагировали, правда, не без остроумия окрестив «неорганическим дарвинизмом».
Между тем в брошюре, где излагалось содержание гипотезы, можно было прочесть: «Вероятно, наши атомные веса представляют только среднюю величину, около которой действительный вес атома колеблется внутри известных тесных пределов… Когда мы говорим, например: атомный вес кальция есть 40, мы, в сущности, выражаем этим, что большинство его атомов действительно имеют атомный вес 40, но немалое их число имеют вес 39 или 41, другие, менее многочисленные, – веса 38 или 42 и т. д.». В статье, опубликованной в 1888 г., Крукс шел дальше, предлагая заменить понятие «химический элемент» понятием «элементарная группа». Такие группы, по его мнению, «должны занимать место старых элементов в периодической системе».
Но ведь все это – не что иное, как предвидение изотопов. Современники остались равнодушными к идее Крукса. Лишь десятилетия спустя ее поднимут на щит историки науки.
Ибо всему свое время…
Астон и Содди появились на
свет фактически одновременно: 1 и 2 сентября 1877 г.,
оба – в юго-восточной Англии. Получили солидное
образование: Астон закончил Бирмингемский, Содди
– Оксфордский университет. Содди фактически
сразу нашел себя в науке: в Монреальской
лаборатории Э.Резерфорда он связал свои интересы
с изучением радиоактивности. Астон же поначалу
исследовал оптические свойства сложных
органических соединений, чему посвятил свою
первую публикацию (1901). Затем его внимание
привлекли исследования электрических разрядов в
стеклянных трубках. Это обстоятельство и привело
к тому, что в 1910 г. Астон переступил порог
Кавендишской лаборатории, возглавлявшейся
нобелевским лауреатом, одним из открывателей
электрона Дж.Томсоном.
Пути Содди и Астона пересеклись в 1913–1919 гг. Потом они разойдутся окончательно: Астон начнет систематически исследовать явление изотопии у стабильных элементов, Содди же фактически прекратит занятия радиохимией, лишь изредка будут появляться его статьи по ее частным вопросам. Неожиданно он проявит интерес к экономическим, социальным и политическим проблемам.
Чем была вызвана столь резкая смена «пристрастий»? Биографы Содди объясняют ее потрясениями, которые произвели в его сознании ужасы первой мировой войны. Содди стал понимать, что правительства и политики не способны использовать науку лишь во благо человечества. И тогда решил разобраться: почему? Но едва ли то была единственная причина. У Содди фактически не было учеников, потому отсутствовала та опора, потребность в которой с годами все острее начинает испытывать даже крупный ученый. К началу 1920-х гг. наиболее острые и злободневные вопросы радиоактивности были изучены. Выход на новый уровень познания этого явления требовал фундаментальных открытий, «сумасшедших идей», но для них время еще не наступило. Резерфорд нашел себя в пионерской проблеме искусственного расщепления элементов. У Содди же подобной «синей птицы» в руках не оказалось…
Только незадолго до кончины он опубликует книгу «История атомной энергии» (1949), в которой излагает события глазами одного из творцов. В 1977 г. книга выйдет в переводе на русском языке. Будет переведена и классическая книга Астона «Масс-спектры и изотопы» – итог его 15-летней работы.
Астон скончался в ноябре 1945 г. Его уход прошел незаметно, ибо Европа еще не начала приходить в себя после страшной войны. Содди пережил Астона на 11 лет.
Содди стал одним из основателей новой научной дисциплины – химии радиоактивных элементов, или радиохимии (этот термин ввел английский химик А.Камерон в 1910 г.). С течением времени содержание ее модифицировалось и расширялось. В начале ХХ в. радиохимия занималась главным образом открытием новых радиоактивных веществ (радиоэлементов) и изучением их характеристик.
Эти радиоэлементы были обнаружены в таком количестве, что неизбежно возникал вопрос об их природе. Если их считать самостоятельными химическими элементами, то слишком тесной оказывалась периодическая система, чтобы удовлетворительно «рассортировать» подобное изобилие. А если это особые материальные образования, не имеющие отношения к истинным элементам? Кстати, такой точки зрения придерживались некоторое время Резерфорд и Содди. Они даже предложили для подобных материальных «частиц» термин «метаболоны». Однако в обиход вошло название «радиоэлементы». В конечном итоге они и оказались изотопами природных радиоактивных элементов – полония, радона, радия, тория, урана…
Вырисовывалась любопытная картина. Одни радиоэлементы, различаясь по атомным весам, оказывались чрезвычайно сходными в химических свойствах: их даже не удавалось разделить. Другие, напротив, были химическими «чужаками» при идентичности атомных весов. Например, все эманации (тория, радия и актиния) при различии в атомных весах оказывались инертными газами. И для этой совокупности имелось лишь одно место в таблице Менделеева – в нулевой группе под ксеноном. Были и другие примеры подобных совокупностей. Логичным казалось предположение: они могут найти «пристанище» в строго определенных клетках периодической системы. Но тем самым нарушался ее важнейший структурный принцип: каждому элементу должно соответствовать одно-единственное место. Преодолеть подобное противоречие можно было бы, лишь допустив, что радиоэлементы являются атомными разновидностями нового типа.
В то время, когда Крукс предал
гласности свою гипотезу, немецкий физик
Э.Гольдштейн наблюдал новый вид лучей, которые
назвал «каналовыми», потому что лучи выходили
через просверленные отверстия («каналы») в
катоде газоразрядной трубки. Они представляли
собой потоки положительно заряженных ионов. До
поры до времени ими мало интересовались, львиная
доля исследования посвящалась катодным лучам.
В конце концов ими вплотную занялся Дж.Томсон. Это произошло в тот год, когда в его лаборатории появился Астон. Метод, разработанный Томсоном, позволял сортировать частицы, различающиеся по массам: на экране прибора они располагались по параболам. Исследования положительно заряженных ионов неона продемонстрировали наличие двух парабол. Одна отвечала атомному весу 20, другая – 22. В этих числах уже содержался намек на существование двух разновидностей атомов неона.
Наблюдение относилось к январю 1913 г. А в сентябре на съезде Британской ассоциации содействия наукам Астон сделал доклад «Новая элементарная составляющая атмосферы». Он пошел дальше осторожного Томсона и достаточно уверенно рассуждал о двух разновидностях атомов неона, одинаковых «во всех своих свойствах, исключая атомный вес». Астона поддержал Содди: «Каждый известный элемент может быть совокупностью неразделимых элементов, занимающих одно и то же место в периодической системе».
Понятие об изотопии фактически «висело в воздухе», но, чтобы «опустить его на землю», необходимо было преодолеть определенный барьер. А заключался он в том, что оставалась неясной реальная связь между периодической системой элементов и моделью строения атомов Резерфорда–Бора.
И вот 27 ноября 1913 г. появляется статья голландского исследователя А.Ван ден Брука «Внутриатомный заряд». Вывод, который следовал из нее, имел фундаментальную важность: порядковый номер элемента в системе численно равен заряду ядра его атома. Реакция Содди была мгновенной. Уже 4 декабря он публикует статью под аналогичным названием: «Одна и та же алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов в ядре (Содди исходил из протонно-электронной модели ядра. – Авт.), когда их арифметическая сумма различна, дает то, что я называю “изотопы”, или “изотопические элементы”, потому что они занимают одно место в периодической системе. Они являются химически идентичными и тождественны физически, кроме небольшого числа нескольких физических свойств, которые прямо зависят от атомной массы. Единичные изменения этого ядерного заряда, подсчитываемые алгебраически, дают последовательные места в периодической системе» – в этих словах и заключалась констатация явления изотопии у радиоактивных элементов.
Год 1913-й был для Содди одним из самых плодотворных. Вместе с польским химиком Казимежем Фаянсом он окончательно сформулировал правило сдвига, или правила смещения: при альфа-распаде химическая природа элемента изменяется так, что он смещается на две клетки влево по периодической системе, при бета-распаде – на одну клетку вправо. Правило четко увязало структуру трех радиоактивных семейств с таблицей Менделеева. Позднее было доказано, что родоначальники семейств – долгоживущие радиоактивные изотопы торий-232, уран-238 и уран-235. Семейства заканчиваются стабильными разновидностями атомов свинца. Содди внес существенный вклад в то, чтобы доказать: эти «свинцы» имеют разный атомный вес. Астон впоследствии замечал: «Теория изотопов, столь замечательным адвокатом которой явился профессор Содди, достигла своего триумфа в связи с вопросом о конечных продуктах радиоактивности». По существу, Содди как бы шел параллельным курсом к установлению существования изотопов у стабильных элементов – на примере свинца.
Уже в то время было открыто подавляющее большинство из 46 естественных радиоактивных изотопов, входящих в семейства. Изотопов же стабильных элементов оказалось существенно больше…
Во время первой мировой войны Астон работал консультантом по химии на авиационном заводе. К научным исследованиям он вернулся только в начале 1919 г., сконструировал установку, которую назвал масс-спектрографом. Так начался продолжительный (около 15 лет) цикл его исследований по обнаружению изотопов у стабильных элементов. В журнале «Nature» 27 ноября появилась его короткая заметка, озаглавленная столь же коротко: «Неон». В ней, в частности, говорилось: «С использованием нового и более совершенного анализа положительных лучей мне удалось измерить массу и получить другие несомненные доказательства того, что атмосферный неон (атомный вес 20,20) является смесью двух изотопов атомных весов 20,00 и 22,00 с точностью до 0,1%».
Из примерно 280 стабильных изотопов 210 открыты Астоном. Среди других исследователей нужно отметить американского физика и химика А.Демпстера (обнаружил около 40 атомных разновидностей). На долю прочих выпадали лишь единичные удачи, но были среди них и знаменательные: открытия изотопов кислород-17 и кислород-18, а также тяжелого изотопа водорода – дейтерия.
Строго научное объяснение явлению изотопии было дано после открытия нейтрона и разработки протонно-нейтронной модели ядра. Ядра атомов изотопов любого элемента содержат одинаковое количество протонов, но разное – нейтронов. Однако выяснилось, что почти четверть химических элементов (21), существующих в природе, представлена одной-единственной разновидностью атомов. В то же время искусственно, посредством различных ядерных реакций, к настоящему времени синтезировано более 1800 радиоактивных изотопов всех элементов, охватываемых периодической системой; в подавляющем большинстве они характеризуются очень малыми периодами полураспада.
Науке в конце концов безразлично, в какой именно стране сделано то или иное открытие: раньше или позже оно становится предметом внимания мирового научного сообщества. Между тем в истории можно отыскать примеры, когда выдающееся достижение имеет, так сказать, вполне определенную национальную «предрасположенность». Открытие явления изотопии служит удачной иллюстрацией этому.
Дж.Дальтон заложил основы химической атомистики, У.Крукс высказал идею о существовании разновидностей атомов у каждого элемента, Э.Резерфорд пробудил у Ф.Содди интерес к исследованиям радиоактивности и разработал ядерную модель атома. Г.Мозли экспериментально подтвердил равенство заряда ядра атома порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе элементов, Дж.Томсон изобрел метод разделения положительных ионов по массам, а продолжателем его работ стал Ф.Астон.
Вот почему не будет преувеличением утверждать, что в Англии постепенно закладывались и реализовывались предпосылки, которые фактически сделали неизбежным обнаружение разновидностей атомов – сначала у радиоактивных, затем у стабильных элементов – именно в этой, «отдельно взятой стране».
Литература
Вяльцев А.Н., Кривомазов А.Н., Трифонов Д.Н. Правило сдвига и явление изотопии. М.: Атомиздат, 1976;
Кривомазов А.Н. Фредерик Содди. 1877–1956. М.: Наука, 1978;
Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Химические элементы и нуклиды. Специфика открытий. М.: Атомиздат, 1980.