Даниил Данин - Резерфорд

Вытянулась целая цепь атомных превращений.

Каждому сопутствовало испускание энергии. Рождались не обычные, а излучающие атомы.

Обычными казались в этой цепи атомы лишь тория, с которых все начиналось. Они казались обычными потому, что монреальцы, сумев отделить торий-X, приписали ему всю радиоактивность ториевых соединений. А на самом деле он уносил с собою только большую часть активности тория, но отнюдь не всю. Резерфорд и Содди это видели. Больше того — это их смущало. Но они полагали, что объяснение для такой неотделяемой радиоактивности позже найдется. Они даже построили две малоправдоподобные гипотезы (но не настаивали на них).

Между тем именно этот пункт ввел их в заблуждение. Пристать к уже открывшемуся берегу оказалось не так легко, как это позже думалось Расселу.

Если торий совсем лишен активности, естественно было предположить: излучению должно предшествовать превращение элементов. Атомы тория перестраиваются в атомы тория-X и отдают им весь громадный запас своей избыточной энергии. Атомы тория-X часть ее излучают. Потом они перестраиваются в атомы эманации, завещая им еще не растраченную часть энергии тория. Атомы эманации излучают долю этой части. А потом дают жизнь атомам «E. R.». Эти последние тоже не обездолены энергией — им достается в наследство от эманации все, что она не сумела излучить. Потому-то и эти атомы радиоактивны. Возможно, цепь превращений тут не обрывается и возникает еще один излучатель, пока, правда, не обнаруженный. Каждый излучатель в этой цепи теряет предназначенную ему долю энергии тория со своей скоростью. Так, атому эманации нужна всего одна минута, чтобы излучить половину того, что он вообще способен излучить, а атому тория-X на это требуется четыре дня.

Словом, радиоактивность представилась Резерфорду и Содди в виде некоего процесса постепенного истечения избыточной энергии из каждого атома, пережившего по неизвестной причине внутреннюю перестройку.

Совершенно уверенные в своей правоте и равно взволнованные решением проблемы, еще никому не давшейся в руки, они быстро закончили вторую статью под тем же скромным заглавием, что и первая, — «Радиоактивность соединений тория». Но в подзаголовке они уже позволили себе громкую ноту. «Причина и природа радиоактивности», — начертали они.

И снова зимняя почта унесла из Монреаля в Англию важные научные новости. И снова вместе с рукописью статьи ушло в Лондон письмо Резерфорда Круксу. Он просил у сэра Вильяма помощи, как сообщник: надо заставить редакцию «Трудов Химического общества» опубликовать эту работу тотчас.

Она действительно появилась в печати уже в апреле. И наверняка произвела бы неотразимое впечатление на физиков всего мира, если бы физики всего мира хоть изредка заглядывали в журналы химиков. (В апреле следующего года — 1903-го — Резерфорду пришлось обратиться в редакцию «Philosophical magazine» с полемическим письмом по поводу ряда неосновательных утверждений Беккереля и Пьера Кюри. Это издание физики всегда читали. В споре с Кюри речь шла о вещественной природе эманации радия и тория. И кроме всего прочего, Резерфорд вынужден был упрекнуть Пьера Кюри за то, что тот, «очевидно, не заметил недавнего сообщения» Резерфорда и Содди о сжижении эманации. А сообщение это было опубликовано в одном известном химическом журнале!)

Но и впрямь — нет худа без добра. Хотя до физиков Европы историческое исследование монреальцев дошло на полгода позже, зато оно досталось им в гораздо более совершенном виде, чем химикам. За это время Резерфорд и Содди успели радикально улучшить свои теоретические представления. Связь между радиоактивностью и трансмутацией предстала в новом свете. И коллеги Резерфорда не подозревали, какое глубокое заблуждение пришлось преодолеть ему вместе с Содди, прежде чем окончательно оформилась теория радиоактивного распада.

Произошло это летом 1902 года.

Они занимались, казалось, чисто литературным трудом: сочиняли для «Philosophical magazine» новый вариант уже опубликованных статей. Теперь подзаголовок второй стал общим громким заглавием обеих: «Причина и природа радиоактивности». Литературная работа не выглядела обременительной, и едва ли оба автора ожидали, что в один прекрасный день на них снизойдет внезапное озарение.

«Был сезон затишья, — пишет Альфред Ромер, — занятия окончились, большинство старых экспериментов было сделано, а новые еще не начаты. Ученые хорошо поработали и теперь отдыхали». Конечно, это было отдыхом: прохлада домашнего кабинета на улице Святого семейства, лениво вытянутые ноги, чистые листы бумаги на столе, макдональдовский табак и трубка Содди (под защитой оправдания — «Но, Мэри, это Фредерик курит!» — можно было и самому тайком потягивать трубку), довольно мирное обсуждение однажды уже написанных фраз, включение в текст новых деталей, никаких споров и — никакой спешки… Откуда снизойти озарению? А оно снизошло. И разумеется, внезапно. Да нет, подозрительна эта вечная внезапность: у нее всегда есть история — она только обнажает скрытую работу мысли, безучастной к каникулам и не дремлющей даже в часы праздности.

Им самим сначала показалось не слишком значительным то, к чему они вдруг пришли. «Взгляд, слегка отличный от прежней точки зрения… в некоторых отношениях предпочтителен», — так написали они в последней главке второй статьи. Но это «слегка» вело к глубоким последствиям.

Он решили: а что, если отбросить предположение, будто новый атом сперва рождается в недрах старого и лишь потом начинает постепенно излучать энергию? Есть иная возможность: излучение сопутствует трансмутации! Испускание луча — сигнал о совершившемся акте превращения атома. Это одновременные события. И потому-то радиоактивное излучение состоит из всплесков радиации. Каждый всплеск — знак того, что один из атомов претерпел превращение.

Многое, казавшееся дотоле непонятным или случайным, получило закономерное объяснение. И прежде всего экспонента затухания радиоактивности.

Вот образец, скажем, тория-X. Это скопление одинаковых атомов. Внутри каждого действуют одни и те же причины, вызывающие в конце концов его превращение в атом эманации. И каждый атом переживает свою судьбу совершенно независимо от других, иначе температура, давление и прочие внешние условия влияли бы на интенсивность излучения. Но если каждый атом претерпевает превращение сам по себе, то для этого процесса решительно неважно, сколько всего атомов участвует в игре. Важна только вероятность превращения. Опыт показывает: за четыре дня радиация тория-X убывает наполовину. Что это значит? Только одно: свойства атомов тория-X таковы, что на протяжении этого времени у каждого второго из них появляется шанс пережить перестройку — «дозреть до трансмутации». Было, допустим, 200 миллиардов атомов. За четыре дня 100 миллиардов претерпят превращение. За следующие четыре дня каждый второй из оставшейся половины, в свой черед, переживет трансмутацию: излучение затухнет еще наполовину… Словом, убывающая геометрическая прогрессия — 200, 100, 50, 25 миллиардов — тут возникает естественно. Каков бы ни был еще неизвестный механизм превращения атомов, статистический закон экспоненты появляется тут по необходимости, сам собой. А почему торию-X требуется четыре дня на то, на что эманации достаточно одной минуты, это уже другой вопрос. Когда-нибудь физика на него ответит. Но не раньше, чем проникнет в самые глубины атомов…