16.2. Енергія атома

Досліди Беккереля показали, що уранові сполуки мають величезні запаси енергії, інтенсивність випромінювання якої залишається незмінною протягом довгих років. Виникало питання про те, звідки ці речовини одержують енергію. Безліч експериментів, метою яких було відділення радіоактивності від сполук урану, довели, що радіоактивність є властивістю атомів урану незалежно від того, в які молекулярні сполуки вони входять.

У січні 1899 року Е. Резерфорд, вивчаючи іонізацію газів урановими променями, виявив неоднорідність цього випромінювання: частину випромінювання, що легко поглинається, він назвав α-променями, а ту, що менш поглинається, – β-променями. У цьому ж році С. Мейєр і Е. Швейдлер та незалежно від них Ф. Гізель виявили властивість радіоактивного випромінювання відхилятись у магнітному полі. У 1900 році П. Війяр у Франції відкрив електромагнітне випромінювання радіоактивного походження – так звані γ-промені. У цьому ж році Резерфорд виявив  і випромінювання газоподібного радіоелементу – еманацію торію. Описуючи його властивості, Резерфорд ввів поняття періоду напіврозпаду.

Виділення солей радію у чистому вигляді вимагало широкомасштабних заводських операцій з використанням декількох тонн уранової смолки, оскільки вміст радію у мінералах був незначний (3·10^-6). У 1902 р. М. Кюрі встановила атомну масу радію, вона виявилась рівною 226. У праці «Радіоактивні перетворення» Ернест Резерфорд і Фредерік Содді торкнулись фундаментального питання щодо енергії радіоактивних перетворень. Підраховуючи енергію випромінюваних радієм α-частинок, автори дійшли по висновку, що «енергія радіоактивних перетворень принаймні в 20000 разів, а, можливо, і в мільйон разів перевищує енергію будь-якого молекулярного перетворення... Енергія, захована в атомі, у багато разів більша від енергії, що вивільняється при звичайному хімічному перетворенні». Енергія випромінювання радію, що спонтанно виділяється, була виміряна калориметром у 1903 році П’єром Кюрі та його співробітником Лабордом. За їх підрахунками вона склала 100 малих калорій на 1 г радію за 1 год (135 калорій при більш пізніх вимірюваннях).

Ернест Резерфорд (1871–1937) – англійський фізик, основоположник ядерної фізики, автор планетарної моделі атома, член Лондонського королівського товариства, член всіх академій світу, лауреат Нобелівської премії (1908 р.), творець великої наукової школи – був одним із 12 дітей в сім’ї колісного майстра та шкільної вчительки і народився на Південному острові Нової Зеландії 30 серпня 1871 року. Вже у роки навчання відкрились блискучі здібності Ернеста. Своїми успіхами в науці Резерфорд зобов’язаний працьовитості, наполегливості, самодисципліні – якостям, які він набув у сім’ї. Здатність працювати по 18 годин на добу, вміння вирішувати будь-які практичні справи дали йому можливість закінчити початкову школу першим учнем і одержати стипендію, яка відкрила перед ним двері середньої школи. Після закінчення останньої йому знову була призначена стипендія, завдяки якій він потрапив у Новозеландський університет, а премія, яку він одержав після закінчення університету, привела його у Кавендішську лабораторію Кембриджського університету в Англії. «Резерфорд був тигром у роботі», – говорив його учень Марсден.

«Безперервне виділення такої кількості теплоти, – писав П. Кюрі, – не можна пояснити звичайним хімічним перетворенням. Якщо шукати причину утворення теплоти в яких-небудь внутрішніх перетвореннях, то ці перетворення повинні мати більш складну природу і повинні викликатись якимись змінами самого атому радію». Таким чином, менш ніж за два дні радій виділяє енергії більше, ніж одержують в найактивніших реакціях – згоряння і вибуху, при однаковому масовому співвідношенні. Загальний вихід енергії у мільйон разів перевищує енергію, що одержується із рівної за масою кількості пального або вибухової речовини.

1903 рік в історії радіоактивності слід вважати роком відкриття радіоактивного перетворення атомів і нового виду енергії – атомної енергії, що виникає під час цих перетворень. На основі вивчення теорії і практики радіоактивних перетворень Резерфорд дійшов висновку, що при розпаді елементів відбувається виділення колосальної кількості енергії. Цей висновок, всю важливість якого людство змогло оцінити лише після вибуху атомних бомб, був зроблений Резерфордом у 1908 році. Ось що про це пише його колега по роботі Ф. Содді: «Первинне джерело енергії варто шукати в атомах – головному джерелі діяльності всесвіту. Головний інтерес нового явища полягає у довільному і постійному випромінюванні енергії. Всередині атому – величезні запаси енергії, втрачаючи які, атом перетворюється».

П’єр Кюрі вказав і на потенційну загрозу, яку являють собою радіоактивні речовини. У своїй Нобелівській лекції він говорив: «...Можна собі уявити і те, що у злочинних руках радій здатний бути дуже небезпечним і у зв’язку з цим варто поставити таке запитання: чи є пізнання таємниць природи корисним для людства, чи достатньо людство дозріло, щоб мати лише користь із нього, або ж це пізнання для нього шкідливе? Щодо цього досить характерний приклад з відкриттями Нобеля: потужні вибухові речовини дали можливість здійснювати дивовижні роботи. Але вони ж можуть стати страшним знаряддям руйнування в руках злочинних політичних діячів, які втягують народи у війни.

Я особисто належу до людей, мислячих, як Нобель, а саме, що людство здобуде із нових відкриттів більше блага, ніж зла». 

У 1910 році Ф. Содді у своїй книзі «Радій і його розгадка» задає запитання: чи володіють нерадіоактивні речовини запасом енергії подібно радіоактивним. І відповідає: «Цим внутрішнім запасом енергії, з яким ми вперше познайомились у зв’язку з радієм, в більшій чи меншій мірі володіють всі елементи взагалі, і цей запас енергії є особливістю їх внутрішньої будови». При перетворенні елементів відбувається виділення енергії. І далі: «Ми навряд чи можемо мати сумнів, що коли-небудь ми зможемо руйнувати і створювати елементи, як тепер ми руйнуємо і створюємо хімічні сполуки; світовий пульс заб’ється тоді з новою силою, так само незмірно перевищуючою всі сили, як ці останні, в свою чергу, перевищують собою природні ресурси дикуна».