В эпоху открытия радия, на рубеже двух веков и в первые годы XX века, представления об атомах были еще очень смутными. Именно исследование радиоактивного распада в основном дало ключ к разгадке строения атома. К моменту начала первой мировой войны в итоге большой работы ученых Франции, Англии и других стран вырисовалась подтверждаемая опытом теория: атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов. Заряд ядра равен атомному номеру в таблице Менделеева.
Кюри наметили, Резерфорд и другие продолжили и доказали: радиоактивность — это распад атомного ядра. Самопроизвольно, без каких бы то ни было внешних причин ядро взрывается, из него вылетает альфа-частица (ядро атома гелия) или бета-частица (электрон), и одновременно излучаются электромагнитные волны — гамма-лучи. Меняется заряд ядра — возникает новый химический элемент. Почему распадается именно этот, а не другой атом? Это неизвестно и поныне.
В первое десятилетие XX века было открыто и изучено много реакций естественного радиоактивного распада. Оказалось, что естественная радиоактивность — свойство всех атомов, находящихся в конце таблицы Менделеева: полония, радия, урана, радона, актиния и других.
Постепенно начали привыкать к новым представлениям о строении вещества: атомы не неизменны, не вечны. Они могут меняться, вызывая превращения элементов. Это была революция в науке, а первое десятилетие XX века было периодом ее закрепления и становления.
Все более ясной становилась новая идея: должно быть, все ядра построены из одинаковых простейших частиц; вернее всего, что в состав любого ядра входят протоны, то есть атомные ядра самого легкого элемента — водорода. А может быть, в ядре есть и какие-либо еще частицы? Чтобы решить это, надо проникнуть внутрь атомного ядра.
Конечно, наибольшее внимание привлекала основная особенность радиоактивного распада: выделение энергии. Энергия выделяется при каждом распаде ядра. Нельзя ли ее использовать?
Прежде всего выяснилось, что нет никакой возможности ускорить или замедлить процесс естественного радиоактивного распада. Нет никакой возможности предсказать, распадется или не распадется данный атом. Уже Пьер Кюри указал, что энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде, огромна. Один, только один грамм урана, распадаясь, даст столько же энергии, сколько можно получить, сжигая в топках котлов три тонны угля. Заманчиво использовать эту энергию!
Но… Если у вас есть грамм урана, вам придется подождать полторы тысячи лет, пока распадется половина грамма. В следующие полторы тысячи лет распадется половина оставшейся половины, и так далее.
Этот закон радиоактивного распада установили все те же английские ученые: сын новозеландского фермера, плотный, широкоплечий Резерфорд и подвижный, изобретательный Содди. Они доказали, что каждое радиоактивное вещество характеризуется периодом полураспада. Нельзя угадать, который атом распадется раньше или позже, но можно точно определить, что за время, равное периоду полураспада, распадется половина наличного количества атомов. Времена эти очень разнообразны: радий распадается наполовину за 1590 лет, а полоний — за миллионную долю секунды.
Радий выделяет тепло. Если бы грамм радия распался целиком, выделилось бы около 2 тысяч миллионов калорий, в 360 тысяч раз больше, чем дало бы сгорание грамма угля. Но пройдет история человечества, от падения Римской империи до наших дней, пока грамм радия распадется наполовину! Можно ли пользоваться таким источником энергии?
Как же все-таки овладеть энергией атомного ядра? Очевидно, надо не ждать, пока ядро распадется само, а научиться его разбивать. Но как? Ведь все попытки вмешаться в процесс радиоактивного распада неизменно кончались неудачей. Мысль о проникновении внутрь атомного ядра казалась смелой фантастикой.
«Мы находимся теперь в положении первобытного человека, — писал в те годы один из авторов теории радиоактивного распада, Фредерик Содди. — Первобытный человек пользовался для жизни только солнечным светом, прежде чем он научился добывать огонь. Первым шагом на долгом пути, пройденном человеком от варварства к цивилизации, было, по-видимому, искусство получать огонь». Первобытный дикарь научился готовить пищу на костре, но мог ли он мыслить о будущем огня — о топках паровых машин, о паровозах и пароходах?! Он видел только естественное проявление огня, то есть пламя. Так и… «мы знаем о существовании внутренних запасов энергии в веществе только на основании естественных проявлений ее в радиоактивности».
Энергия, нужная нам для самого нашего существования, которой природа снабжает нас лишь неохотно и совсем не щедро по сравнению с нашими нуждами, действительно содержится в виде громадных запасов в окружающей нас материи, но управление ею и использование ее еще не в наших руках. «Когда мы научимся превращать элементы по желанию из одного в другой, тогда, и только тогда, ключ от этой сокровищницы природы будет в наших руках».
1919 год принес весть о новой победе человека над природой: Резерфорду впервые удалось искусственно разбить атомное ядро.
Чтобы разбить неприступную твердыню, Резерфорд произвел бомбардировку, а «снаряды», разрушавшие атомное ядро, были диаметром в стотысячные части миллиардных долей сантиметра (10-13 сантиметра). В качестве снарядов Резерфорд применил альфа-частицы.
Представьте себе стрелка, стоящего очень далеко от мишени размером в сто гектаров (один квадратный километр). На мишени нарисована цель: кружочек диаметром в один сантиметр. Именно так относятся друг к другу размеры атома и атомного ядра: ядро меньше атома в сто тысяч раз.
Каково стрелять в такую цель даже и самому искусному стрелку? Но задача Резерфорда была еще сложнее: представьте себе, что стрелку к тому же завязали глаза и он должен стрелять вслепую. Ведь атомы и их ядра невидимы.
Резерфорду удалось поставить опыт так, что альфа-частицы попадали в ядро атома азота и разбивали его. При этом из ядра азота вылетали протоны, и азот превращался в кислород. Это была первая искусственная реакция превращения элементов, осуществленная человеком.
От слепого стрелка Резерфорд отличался тем, что на его мишени была не единственная цель: в веществе множество ядер, и, не попав в одно ядро, снаряд может попасть в другое. К тому же у Резерфорда был не один снаряд, он бомбардировал азот громадным количеством альфа-частиц. В ядро азота попадали очень немногие частицы: единицы из миллионов.
Англичанин Блеккет, который вслед за Резерфордом занимался бомбардировкой атомных ядер, снял и изучил двадцать три тысячи фотографий. На них были видны пятьсот тысяч следов альфа-частиц, но лишь в восьми случаях Блеккет обнаружил то, что искал: след попадания альфа-частицы в ядро.
