С
Открытие закона радиоактивных превращений
момента открытия радиоактивности
тория Резерфорд уделял много внимания
исследованиям этого элемента. В 1898 году
в большой статье, посвященной урану,
он, между прочим, отметил, что радиоактивность
тория изменяется со временем, тогда как
радиоактивность урана практически
постоянна. К тому времени, когда
статья была опубликована (январь 1899
года) Резерфорд уже стал профессором
Макдональдовской кафедры физики в
университете Мак-Гилла в Монреале
(Канада). Там он и предпринял тщательное
исследование излучения тория. Его
основным сотрудником в этих исследованиях
был демонстратор кафедры химии английский
физико-химик Фредерик Содди.
Исследование началось с курьезного факта – обнаружения непостоянства излучения тория. Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая по ионизирующему воздействию, «оказалась чрезвычайно непостоянной, и это непостоянство было обусловлено слабыми потоками воздуха, всегда имеющимися в открытой комнате. Когда аппаратура была помещена в закрытый сосуд, исключающий заметное движение воздуха, интенсивность практически стала постоянной». Исходя из этих фактов, Резерфорд предположил, что соединения тория кроме обычного радиоактивного излучения, включающего -частицы, «непрерывно испускают какие-то радиоактивные частицы, сохраняющие радиоактивные свойства в течение нескольких минут». Резерфорд назвал эти частицы «эманацией».
Откачивая воздух из ампулы, содержащей соединения тория, Резерфорд и Содди исследовали его свойства и показали, что «эманация проходит сквозь пробку из ваты, нисколько не теряя свою радиоактивную способность», а кроме того, «эманация» не вступает ни в какие химические реакции даже в присутствии катализатора.
Учитывая, что «ион
не может пройти сквозь пробку из ваты,
не потеряв своего заряда», Резерфорд и
Содди пришли к выводу, что «эманация»
представляет собой некий инертный газ,
обладающий радиоактивными свойствами.
Оказалось, что активность этого газа
(в отличие от активности тория, урана и
радия) очень быстро убывает со временем.
Каждую минуту активность убывала
примерно вдвое, и через десять минут
она практически становилась равной
нулю. Впоследствии газ был назван радоном
и помещен в таблицу Менделеева под
порядковым номером 86.
Исследуя способность соединений тория испускать «эманацию», Резерфорд и Содди химическими способами выделили из гидроокиси тория активный компонент, «обладающий специфическими химическими свойствами и активностью, по меньшей мере, в 1000 раз большей активности вещества, из которого он был выделен». Следуя примеру Крукса, обозначившего через UX выделенный им в 1900 году из урана активный компонент, Резерфорд и Содди выбрали для выделенного ими из тория компонента обозначение ThX. Более подробные исследования показали, что «эманацию» образует не торий, а именно ThX: «Постоянная радиоактивность тория поддерживается образованием ThX с постоянной скоростью … , ThX в свою очередь подвергается дальнейшему изменению, одним из продуктов которого является газ, который, будучи в радиоактивном состоянии, представляет собой эманацию, образующуюся в соединениях тория». Другими словами, Резерфорд и Содди открыли цепочку радиоактивных превращений:
.
Вывод Резерфорда и Содди, касающийся радиоактивности ториевого препарата, таков: «Радиоактивность тория в любой момент есть радиоактивность двух противоположных процессов:
-
образования с постоянной скоростью соединением тория нового активного вещества;
-
уменьшения со временем излучающей способности активного вещества.
Нормальная или постоянная радиоактивность тория есть равновесное состояние, при котором скорость роста радиоактивности, обусловленная образованием нового активного вещества, уравновешивается скоростью уменьшения радиоактивности уже образовавшегося вещества».
Отсюда следовал самый общий, решающий вывод: «… радиоактивность есть атомное явление, одновременно сопровождаемое химическими изменениями, в результате которых появляются новые типы вещества, причем эти изменения должны протекать внутри атома, а радиоактивные элементы должны испытывать спонтанные превращения».
В 1903 году вышли в свет новые работы Резерфорда и Содди: «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». В них авторы, подытоживая все предыдущие наблюдения, сформулировали закон радиоактивных превращений: «Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии». Отсюда следовало, что активность уменьшается со временем по экспоненциальному закону:
,
(15.9)
или что «скорость превращения все время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению»:
.
(15.10)
Другими словами, «… относительное количество радиоактивного вещества, превращающегося в единицу времени, есть величина постоянная». Эту постоянную Резерфорд и Содди назвали радиоактивной постоянной; сегодня мы называем ее постоянной распада.
В своей работе Резерфорд и Содди подсчитали энергию испускаемых радием -частиц и пришли к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения». Эти оценки касались лишь энергии излучения, а не внутренней энергии атома, т.к. внутренняя энергия продуктов распада оставалась неизвестной.
В том же 1903 году в Париже Пьер Кюри, поместив ампулу с хлоридом радия в калориметр, определил, что в процессе распада один грамм радия выделяет за 1 час около 582 Дж энергии.
Резерфорд и Содди высказали мысль, что огромная энергия, скрытая в атоме, должна учитываться «при объяснении явлений космической физики», в частности, постоянство потока солнечной энергии можно объяснить, предположив, что «на Солнце идут процессы субатомного превращения».
Таким образом, 1903 год вошел в историю физики как год открытия закона радиоактивного распада и нового вида энергии – атомной энергии.