16.2. Энергия атома

Опыты Беккереля показали, что урановые соединения обладают большими запасами энергии, интенсивность излучения которой остаётся постоянной в течение долгих лет. Возникал вопрос о том, откуда эти вещества получают энергию. Множество экспериментов, которые ставили целью убрать радиоактивность из соединений урана, показали, что радиоактивность является свойством атомов урана вне зависимости от того, в какие молекулярные соединения они входят.

В январе 1899 г. Э. Резерфорд, изучая ионизацию газов урановыми лучами, обнаружил неоднородность этого излучения: легко поглощаемую часть излучения он назвалα-лучами, менее поглощаемую –β-лучами. В том же году С. Мейер и Э. Швейдлер и независимо от них Ф. Гизель обнаружили способность радиоактивного излучения отклоняться в магнитном поле. В 1900 г. П. Вийяр во Франции открыл электромагнитное излучение радиоактивного происхождения – так называемыеγ-лучи. В том же году Резерфорд обнаружил испускание газообразного радиоэлемента – эманацию тория. Описывая его свойства, Резерфорд ввел понятие периода полураспада.

Выделение солей радия в чистом виде потребовало крупномасштабных заводских операций с использованием нескольких тонн урановой смолки, поскольку содержание радия в минералах было ничтожным (3·10^-6). В 1902 г. М. Кюри установила атомную массу радия, она оказалась равной 226. В работе «Радиоактивное превращение» Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди коснулись фундаментального вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радиемα-частиц, авторы сделали вывод, что «энергия радиоактивных превращений по крайней мере в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения… Энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Выделяющаяся самопроизвольно энергия излучения радия была измерена калориметром в 1903 г. Пьером Кюри и его сотрудником Лабордом. По их подсчетам она составила 100 малых калорий на 1 г радия в 1 час (135 калорий при более поздних измерениях).

Эрнест Резерфорд (1871–1937) – английский физик, основоположник ядерной физики, автор планетарной модели атома, член Лондонского королевского общества, член всех академий мира, лауреат Нобелевской премии (1908 г.), создатель большой научной школы – был одним из 12 детей в семье колесного мастера и школьной учительницы и родился на Южном острове Новой Зеландии 30 августа 1871 года. Уже в годы учебы обнаружились блестящие способности Эрнеста. Своими успехами в науке Резерфорд обязан трудолюбию, настойчивости, самодисциплине – качествам, которые он приобрел в доме отца. Способность трудиться по 18 часов в сутки, умение решать любые практические дела дали ему возможность окончить начальную школу первым учеником и получить стипендию, открывшую перед ним двери средней школы. После окончания последней ему опять назначили стипендию, благодаря которой он попал в Новозеландский университет. Премия, полученная при выпуске из университета, привела его в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета в Англии.«Резерфорд был тигром в работе»,– говорил его ученик Марсден.

«Непрерывное выделение такого количества тепла, – писал П. Кюри, – не может быть объяснено обычным химическим превращением. Если искать причину образования тепла в каких-то внутренних превращениях, то эти превращения должны быть более сложной природы и должны быть вызваны какими-то изменениями самого атома радия». Таким образом, менее чем за два дня радий выделяет энергии больше, чем получают в самых активных химических реакциях – сгорания и взрыва, при одинаковом массовом соотношении. Общий выход энергии в миллион раз превышает энергию, получаемую из равного по массе горючего или взрывчатого вещества.

Пьер Кюри указал и на потенциальную опасность, которую представляют радиоактивные вещества. В своей Нобелевской лекции он говорил:«…Можно себе представить и то, что в преступных руках радий способен быть очень опасным, и в связи с этим следует задать такой вопрос: является ли познание тайн природы выгодным для человечества, достаточно ли человечество созрело, чтобы извлекать из него только пользу, или же это познание для него вредоносно? В этом отношении очень характерен пример с открытиями Нобеля: мощные взрывчатые вещества дали возможность производить удивительные работы. Но они же оказываются страшным орудием разрушения в руках преступных политических деятелей, которые вовлекают народы в войны.

Я лично принадлежу к людям, мыслящим, как Нобель, а именно, что человечество извлечет из новых открытий больше блага, чем зла».

1903 год следует считать в истории радиоактивности годом открытия радиоактивного превращения атомов и нового вида энергии – атомной энергии, возникающей при этих превращениях. На основании изучения теории и практики радиоактивных превращений Резерфорд пришел к выводу, что при распаде элементов происходит выделение колоссального количества энергии. Этот вывод, всю важность которого человечество смогло оценить только после взрыва атомных бомб, был сделан Резерфордом в 1908 году. Вот что об этом пишет его коллега по работе Содди: «Первичный источник энергии нужно искать в атомах – главном источнике деятельности вселенной. Главный интерес нового явления заключается в произвольном и постоянном излучении энергии. Внутри атома – большие запасы энергии, теряя которые, атомы превращаются».

В 1910 г. Ф. Содди в своей книге «Радий и его разгадка» задаёт вопрос: обладают ли нерадиоактивные элементы запасом энергии подобно радиоактивным. И отвечает:«Этим внутренним запасом энергии, с которым мы впервые познакомились в связи с радием, в большей или меньшей степени обладают все элементы вообще, и этот запас энергии является особенностью их внутреннего строения».При превращении элементов происходит выделение энергии. И далее:«Мы едва ли можем сомневаться, что когда-нибудь мы сможем разрушать и создавать элементы, как теперь мы разрушаем и создаём химические соединения; мировой пульс забьётся тогда с новой силой, также неизмеримо превосходящей все силы, как эти последние, в свою очередь, превосходят собой естественные ресурсы дикаря».