Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5, 16, 20, 29, 34, 36, 43/2004

В истории учения о радиоактивности достаточно четко выделяются два периода, которые можно было бы назвать классическим и современным. «Демаркационная» линия между ними проходит на рубеже 1920–1930-х гг. и определяется главным образом становлением и развитием ядерной физики в ее теоретической и экспериментальной ипостасях – новой научной дисциплины, возникшей в лоне учения о радиоактивности.
Смена периодов в развитии той или иной области знания может иметь революционный либо эволюционный характер. Для учения о радиоактивности характерен именно эволюционный переход, хотя, конечно, были и отдельные революционные «акты» – выдающиеся достижения в области теории и эксперимента.
В течение классического периода оформилось представление: из существующих на Земле элементов свойство радиоактивности присуще главным образом самым тяжелым, начиная с полония. Появились многие идеи и понятия, без которых объяснения феномена радиоактивности не могло быть. Сюда относится, например, введение таких количественных параметров, как период полураспада и среднее время жизни. Была сформулирована теория радиоактивного распада, которая получила количественное выражение в форме математических уравнений и стала теоретической основой представления о естественной превращаемости химических элементов. Утвердилась трактовка радиоактивного распада как вероятностного процесса, подчиняющегося статистическим закономерностям. Так во время классического периода сложился теоретико-методологический фундамент учения о радиоактивности, сохранившийся в основных чертах и на современном этапе. Именно это позволяет говорить о эволюционном характере смены периодов.
Возвращаясь к границе, разделяющей периоды, особое внимание следует обратить на 1932–1933 гг. Сначала был открыт нейтрон, что, собственно, и ознаменовало возникновение современной ядерной физики. Сконструирован ускоритель заряженных частиц. Было обнаружено явление так называемой искусственной радиоактивности. Тем самым появилась возможность осуществить различные типы ядерных реакций и в связи с этим получить множество радиоактивных изотопов практически всех известных элементов.

Циклотрон университета Беркли в Калифорнии

В 1903 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри были удостоены (вместе с Анри Беккерелем) Нобелевской премии по физике «за изучение явления радиоактивности, открытого Анри Беккерелем». В 1935 г. высшую научную награду получили Ирен (дочь Пьера и Марии) и Фредерик Жолио «за совместно выполненный синтез новых радиоактивных элементов».
Пьер и Мария были пионерами изучения естественной радиоактивности. Ирен и Фредерик принадлежали к числу ее выдающихся исследователей. Они открыли искусственную радиоактивность.

В 1925 г. Ирен защитила докторскую диссертацию «Исследование -лучей полония», и в тот же год состоялось ее бракосочетание с физиком Фредериком Жолио.
Столь памятный для молодых Жолио-Кюри 1925 г. в истории ядерной физики оказался весьма примечательным. Патрик Блэкетт, ученик Эрнеста Резерфорда, окончательно доказал: при облучении азота -частицами испускается протон и образуется кислород. Резерфорд в 1919 г., осуществляя подобный эксперимент, лишь высказал предположение о процессе искусственного превращения элементов. Но он еще не знал, во что именно превращается облучаемый азот. Блэкетт же установил, что протекает ядерная реакция, которая в современной записи выглядит так:
N (, p) O.

Ее стали изучать в различных лабораториях. И сразу же появились неожиданности. В 1930 г. немецкие физики Ганс Беккер и Вальтер Боте облучали легкие элементы (в частности, бериллий)
-частицами, источником которых служил радиоактивный полоний. Исследователи зафиксировали возникновение излучения большой проникающей способности и предположили, что оно представляет поток очень жестких -лучей. Ирен и Фредерик, чтобы подробнее изучить природу излучения, помещали на его пути слой парафина и наблюдали вылет быстрых протонов. Исследователи сделали вывод, что открыли «новый способ взаимодействия излучения с материей».
Однако здесь cупруги Жолио-Кюри заблуждались. А ведь они были, как мы видели, в шаге от величайшего открытия – обнаружения нейтральной элементарной частицы – нейтрона. Нужно было лишь более внимательно оценить результаты экспериментов Боте и Беккера. Это выпало на долю Дж.Чэдвика. Именно нейтроны выбивали протоны из слоя парафина.
Жолио-Кюри продолжали изучать ядерные реакции с -частицами, уже имея представление о нейтроне. Вскоре они опубликовали в «Докладах Парижской академии наук» статью, датированную 31 января 1934 г. Ее название выглядело интригующим: «О новом типе радиоактивности». Неужели природа не ограничивается только - и -радиоактивностью? В статье говорилось, что при облучении -частицами таких легких элементов, как бор, магний, алюминий, наблюдается неожиданное явление: фиксируется испускание протонов и нейтронов и еще – правда, это единичные события – отмечается вылет позитронов (эту элементарную частицу – положительно заряженный электрон – открыли в 1933 г. П.Блэкетт и Дж.Оккиалини). Однако самое главное состояло вот в чем. При облучении алюминиевой фольги, докладывали ученые, испускание позитронов не прекращалось немедленно после удаления источника -частиц. Фольга оставалась радиоактивной, и интенсивность испускаемого излучения уменьшалась экспоненциально, как при обычном радиоактивном распаде. Такое же явление Жолио-Кюри наблюдали в экспериментах с бором и магнием. При превращении бора, магния и алюминия под действием -частиц появлялись новые радиоактивные элементы, испускающие позитроны… Вероятно, эти элементы представляют собой неизвестные изотопы, которые всегда нестабильны, – так полагали исследователи.
Например, в случае алюминия первоначально протекала ядерная реакция типа (, n):

Продуктом ее является изотоп фосфора с массовым числом 30, который в природе не существует. Он оказывался радиоактивным изотопом фосфора, а его распад протекал по типу, ранее неизвестному, а именно с испусканием позитронов:

В результате превращался с периодом полураспада около 3 мин в стабильный изотоп . Исследователи подтвердили сделанные выводы посредством химических операций. Облученную алюминиевую фольгу растворяли в соляной кислоте. Выделявшийся водород обнаруживал позитронную активность, поскольку содержал следы фосфористого водорода PH₃, образовавшегося при растворении фольги. Наличие фосфора подтверждалось и другими химическими реакциями. Продуктами реакций -частиц с бором и магнием являлись соответственно радиоактивные изотопы ¹⁵N и ²⁷Si.
Так впервые было установлено существование радиоактивных изотопов у стабильных элементов. Иными словами, «сфера действия» радиоактивности начала распространяться на всю периодическую систему. Как замечали Жолио-Кюри, «эти эксперименты дали первое химическое доказательство возможности искусственного превращения, а также доказательство того, что при этих реакциях происходит захват -частицы». Хотя продукт реакции и получался в исчезающе малых количествах, за его участием в химических реакциях можно было проследить благодаря радиоактивности.
Жолио-Кюри предложили использовать приставку «радио» для названий нестабильных изотопов соответствующих элементов: радиофосфор, радиоазот, радиокремний. Это предложение не получило широкого распространения, и ныне подобные термины почти не употребляются. Все же они представляются практически удобными, особенно если к ним добавлять массовое число изотопа, например «радиофосфор-30» или «радиокремний-27».
Формулировка присуждения Нобелевской премии, которой Ирен и Фредерик были удостоены в 1935 г., гласила: «За совместно выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Она не отличалась точностью: ведь были получены не новые радиоактивные элементы, а радиоактивные изотопы известных стабильных элементов.
Само явление получило название «искусственная радиоактивность». Жолио-Кюри замечали, что «выражения “искусственная радиоактивность” и “наведенная радиоактивность”, часто применяемые для обозначения нового явления, представляют собой удобные, но недостаточно точные термины. Действительно, явление состоит не в том, что ядро искусственно делают радиоактивным, а в том, что это ядро превращается в другое ядро, которое по своей природе неустойчиво. В результате искусственным путем получают радиоэлемент. Для удобства обозначения этого явления применяют указанные термины. До сих пор терпели неудачу все попытки изменить устойчивость атомов, будь то атомы стабильных или же радиоактивных веществ».
В самом деле никакой принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью не существует. Свойства любого изотопа совершенно не зависят от способа его образования. Поэтому радиоактивный изотоп, полученный посредством ядерной реакции, ничем не отличается от того же самого изотопа, существующего в природе.
«По быстроте, с какой было получено такое большое количество новых результатов по искусственной радиоактивности, можно судить, какое развитие ожидает эту новую область исследования… Мы можем надеяться на значительное расширение наших знаний в области физики ядра» – эти слова авторы открытия написали в конце 1934 г. (к тому времени было получено около 70 искусственных радиоактивных изотопов).
Открытие искусственной радиоактивности фактически и означало смену периодов в истории учения о радиоактивности – завершался классический и начинался современный.
Именно обилие искусственных радиоактивных изотопов послужило материалом для многих фундаментальных достижений.
В первых исследованиях по искусственной радиоактивности Ирен и Фредерику приходилось иметь дело с невесомыми количествами новых активностей; в свое время Мария и Пьер Кюри находились в более выгодном положении. Однако за 30 с лишним лет радиохимические методы достигли высокого совершенства, а сам феномен радиоактивности получил прочную теоретическую интерпретацию. Разумеется, несравненно более широкими стали возможности экспериментов. Этим и объясняется быстрота, с которой, по словам Жолио-Кюри, было получено такое большое количество новых результатов. Естественно, исследователь в столь «тонкой» области должен был обладать одинаковым умением проводить физические и химические операции. Видный французский радиохимик Моисей Гайсинский вспоминал: «…Ф.Жолио, блестящий физик, в крупнейших открытиях века в области ядерной физики никогда не отказывался от использования химических методов. Умелый экспериментатор, с богатым воображением, этот ученый обладал пытливым умом, с трудом принимавшим условные разграничения: физика, химия, позднее – биология… И.Жолио-Кюри, еще меньше, чем ее муж, в своей деятельности делала различия между физикой и химией. Начиная с докторской диссертации и вплоть до последней неоконченной работы… она изучала проблемы ядерной физики и радиохимии с одинаковым желанием, с одинаковой настойчивостью…»

Ирен Кюри вместе с ассистентом Павле Савичем были близки к тому, чтобы правильно истолковать механизм процессов, происходящих при бомбардировке урана медленными нейтронами. Среди продуктов облучения они обнаружили радиоактивный изотоп со свойствами элемента лантана. Если бы исследователи не остановились на полпути, им, вероятно, принадлежала бы честь открытия деления урана. Но инициативу перехватили немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассманн… Однако Ф.Жолио вскоре восстановил «фамильную честь»: он одним из первых обосновал возможность цепной ядерной реакции деления.
Искусственная изменяемость (превращения) атомов достигается с помощью ядерных реакций различных типов. Под ядерными реакциями принято понимать процессы изменения атомных ядер, обусловленные взаимодействием последних с элементарными частицами (протон, нейтрон) или друг с другом (когда в качестве бомбардирующих частиц выступают -частицы, ядра тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития, ядра гелия-3 или многозарядные ионы с Z > 2). Форма записи ядерных реакций аналогична той, которая применяется в химии для бимолекулярных реакций:

А + a = В + b,

где А – ядро элемента – мишени, а – бомбардирующая частица, В – результирующий продукт,
b – вылетающая частица. Обычно же применяется сокращенная запись А (а, b) В, предложенная в 1935 г. Г.Бёте.
На фоне громадного изобилия химических реакций, затрагивающих электронную конфигурацию атомов, число типов ядерных реакций относительно невелико. Это объясняется ограниченным набором легких бомбардирующих частиц перечисленных выше, а также несравненно более жесткими энергетическими условиями. Особую важность представляют ядерные реакции на тяжелых многозарядных ионах (Z > 2). Посредством таких реакций было получено большое количество изотопов элементов, начиная с менделевия (Z = 101).

ЛИТЕРАТУРА

Учение о радиоактивности. История и современность. М.: Наука, 1973;
Старосельская-Никитина О.А. История радиоактивности и возникновение ядерной физики.
М.: Изд-во АН СССР, 1963.
Трифонов Д.Н. Радиоактивность вчера, сегодня, завтра. М.: Атомиздат, 1966.

Д.Н.ТРИФОНОВ