Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит

АЛХИМИЯ

В ходе исследований настал момент, когда Содди воскликнул: "Резерфорд, ведь это же трансмутация: торий распадается и трансмугирует в газ группы аргона". На что Резерфорд ответил: "Содди, не называйте это трансмута- цией! Они снимут нам головы, как алхимикам".

В ту эпоху в сознании людей возникало много псевдонаучных идей на тему трансмутации элементов. Существовала масса ассоциаций, журналов и конгрессов алхимиков, которым научное сообщество не оказывало никакой поддержки. Поэтому факт, что один из многообещающих ученых ступил на путь алхимии, вызвал потрясение. Пока Резерфорд работал над теорией радиоактивного распада, многие коллеги выражали свои опасения, будто гипотеза о спонтанной трансмутации материи "может дискредитировать Макгилл". На совещании Резерфорду предложили перепроверить и уточнить данные и выводы до публикации своего открытия. Ученый был известен своей точностью и практически не допускал ошибок в экспериментах, он выслушал рекомендации с горечью и яростью, осознавая, сколь беспочвенной была эта критика.

Алхимическая лаборатория, из книги "История алхимии и начал химии" шотландского химика и писателя Μ. M. Паттисома Муира (1848- 1931).

Открытие природы альфа-лучей позволило утверждать следующее:

" Распад атома и испускание тяжелых заряженных частиц, имеющих массу, сравнимую с атомом водорода, делает систему более облегченной, чем раньше; ее химические и физические характеристики разнятся с первоначальным элементом. Процесс дезинтеграции проходит уровень за уровнем за измеримые для каждого случая промежутки времени".

Альфа- и бета-излучение, открытые Резерфордом ранее, понимались теперь как следствие внутренней дезинтеграции материи, основополагающей нестабильности атомов радиоактивных элементов. Их стали рассматривать не как излучение, а как частицы, "убегавшие" из атомов, менявшие структуру и природу этих атомов. Происходила спонтанная трансмутация атомов из одного элемента в другой.

История человечества выражается и определяется имеющимся количеством энергии.

Фредерик Содди

Резерфорд и Содди ввели новые термины для этих элементов: "родительскими" они называли радиоактивные элементы, и "дочерними" — атомы после трансформации и распада.

РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА

Открытия, сделанные на тот период, позволяли составить общее мнение о радиации. Радиоактивные материалы существовали с момента формирования Земли. Такие элементы, как торий и уран, на самом деле не высокорадиоактивны, то есть они не очень стабильны по сравнению с другими радиоактивными элементами, время их распада продолжительнее. Однако в ходе их дезинтеграции возникали другие значительно более активные вещества. Дезинтеграция происходила естественным путем, это было случайное явление, определить количественные характеристики которого можно только статистическим путем. При испускании альфа-частиц, то есть ядер гелия, первоначальный атом уже не существовал как тот же элемент, на его месте формировалось новое, менее стабильное вещество, как правило, имевшее большую радиоактивность. Годы спустя выяснилось, что бета-излучение также является следствием фундаментальных трансформаций атома, а точнее его ядра, так как электроны и излучение появляются, когда нейтрон распадается на один протон и один электрон, но на том этапе Резерфорд еще не открыл внутреннее строение атома.

В 1904 году Резерфорд с помощью этих диаграмм представил все имеющиеся на тот момент знания о радиоактивных последовательностях для разных элементов. Они выглядели как цели испускания лучей и трансформации первоначального элемента в другие.

Нестабильность вторичного продукта распада предполагает, что он должен превратиться в третий продукт, также нестабильный. Был ли конец у такой цепи? Становилось все очевиднее, что большое количество разных радиоактивных веществ должны иметь связи между собой, формируя семейства.

На сегодняшний день известны три семейства естественных радиоактивных элементов: семейства тория, урана и актиния (см. рисунок на предыдущей странице), в которых процесс распада заканчивается, когда образуется нерадиоактивный и стабильный элемент — свинец. Согласно представлению Резерфорда, во главе семейства находился "отец", родительский элемент с высоким атомным весом. Потомки "отца", дочерние элементы, проходят через превращения до получения природного стабильного элемента. Когда радиоактивность наблюдалась впервые, Беккерель использовал один из изотопов урана, которые при испускании альфа-излучения превращаются в торий. Изотопы — атомы одного химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов, составляющих ядро; соответственно, их атомная масса отлична, но число протонов и электронов совпадает. Механизм был окончательно понят благодаря Эрнесту Резерфорду и его помощнику Фредерику Содди (см. Приложение. Альфа- и бета-распад).

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА, ИЛИ ПОЛУЖИЗНИ

С первых исследований в этой области Резерфорд понял, что со временем радиоактивные излучения затухают. В некоторых элементах радиоактивность исчезала через несколько секунд, в других — могла длиться днями и месяцами. Если вначале казалось, что только самые активные элементы обладают таким свойством, после возникновения теории радиоактивного распада стало понятно: при радиации количество первоначальных атомов постепенно уменьшается, пока не исчезнет бесследно.

Резерфорд также обратил внимание, что сама продолжительность жизни радиоактивного элемента, как дактилоскопический след, позволяет идентифицировать его. Некоторые элементы имеют более длительный период полураспада, который мог продолжаться тысячи лет (например, уран), в то время как период полураспада других элементов длится несколько секунд (в настоящий момент возможно синтезировать элементы, радиоактивность которых проявляется доли секунды).

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРИОДА ПОЛУРАСПАДА

Хотя Резерфорд был прежде всего экспериментатором, распад (и полураспад) он пытался также выразить математически, с помощью формул, чтобы показать зависимость количества атомов от времени. Затухание атомного распада носит экспоненциальный характер, и математическая формула, выражающая его сущность, должна иметь нижеследующий вид. Если No — количество атомов радиоактивного материала в первоначальный момент, N — количество атомов в заданный момент, то

N = No · e-λt,

где λ — постоянная радиоактивного распада для заданного элемента, а е — математическая константа, число Эйлера (иррациональное число, величина которого равна приблизительно 2,718...). Чтобы определить скорость радиоактивного распада атомов, предыдущее выражение в зависимости от времени преображается как: