Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович

(2,66∙1021)/(3,7∙1010)∙Ln(2)=5∙1010 c

А так как год составляет 3,16∙107 с, то, чтобы узнать, через сколько лет данное количество атомов радия уменьшится ровно вдвое, нужно разделить 5∙1010 на 3,16∙107. Ответ гласит: через 1600 лет.

Этот необыкновенно важный результат, полученный таким простым способом, сразу объясняет, почему физики, открывшие радий, сочли его неиссякаемым источником энергии, каким-то «вечным двигателем», никогда не устающим отдавать всё новые и новые запасы энергии. В действительности радий устаёт, энергия его иссякает, но только всё это происходит очень медленно. Радон (эманация радия) распадается наполовину в течение четырёх дней (точнее говоря, за 3,85 дня), и поэтому уменьшение его радиоактивности было сразу замечено. Но радий распадается наполовину в течение 1600 лет, значит, в течение самой долгой человеческой жизни данный препарат радия останется почти таким же, каким он был. Но всё же радий не вечен. Если бы вавилонский царь Хаммураби, царствовавший семь тысяч лет тому назад, положил в свою сокровищницу один грамм радия, то в наше время, даже если бы сокровищница не была разграблена, в ней осталось бы радия не больше чем несколько десятков миллиграммов.

Не бесконечен, хотя и очень велик, тот запас энергии, который радий растрачивает, превращаясь в радон. Измерения показали, что один грамм радия испускает в час 140 калорий тепла. Это количество тепла испускается, однако же, не одним лишь чистым радием, но также и теми радиоактивными продуктами распада радия, которые всегда присутствуют в радиевом препарате и тоже испускают лучи Беккереля, нагревая все окружающие предметы. Немецкий физик Гесс (в 1912 году) попробовал измерить теплоту, испускаемую препаратом чистого радия, из которого были удалены все продукты распада. Оказалось, что один грамм чистого радия даёт всего лишь 25 калорий в час, т. е. 6,9∙10−8 калорий в секунду. А мы знаем, что за секунду распадается часть радия, равная 1,4∙10−11. Значит, когда распадётся весь грамм радия, то выделенная им энергия (при превращении в радон) будет равна

(6,9∙10−8)/(1,4∙10−11)=2,05∙109 Дж.

Четыреста девяносто миллионов калорий — вот сколько энергии отдаёт грамм радия, превращаясь в радон! И это ещё не вся заключённая в нём энергия: ведь и радон распадается дальше, отдавая энергию ещё и ещё (в дальнейшем мы увидим, сколько энергии выделяется во всей длинной цепи радиоактивных превращений, в которой превращение радия в радон является лишь одним из звеньев). Для того чтобы понять, как велика эта энергия, заметим, что при горении грамма водорода (а это одна из самых энергичных химических реакций) выделяется 34000 калорий тепла, т. е. приблизительно в 10 тысяч раз меньше, чем при превращении грамма радия в грамм радона. Ещё эффективнее получится сравнение, если энергию пересчитать на атомы. Энергия, выделяющаяся при превращении одного атома радия: Ra→Rn+He, оказывается (как показывает простенький расчёт) в полтора миллиона раз больше, чем энергия, освобождающаяся при образовании одной молекулы воды из водорода и кислорода. Всё это показывает, что радиоактивные явления — действительно нечто совершенно несравнимое по масштабу с обычными явлениями химии.

Ещё более интересные цифры получаются для продолжительности жизни[19] урана. Количество альфа-частиц, испускаемых ураном, было сосчитано таким же способом, как и количество частиц, испускаемых радием. Отсюда можно было вычислить и продолжительность жизни урана. Оказалось, что данное количество урана должно распасться наполовину в течение четырёх с половиной миллиардов лет. Это огромная цифра даже по сравнению с продолжительностью жизни радия. Четыре с половиной миллиарда лет! Трудно даже представить себе такой огромный промежуток времени. Отсюда следует, что радиоактивность куска урановой руды не могла бы заметно уменьшиться не только за краткий срок человеческой жизни, но даже и за промежуток времени, сравнимый со всей историей человечества. Радиоактивность урана почти бессмертна. В этом смысле, как совершенно справедливо замечает Содди, уран, в сущности говоря, гораздо чудеснее и замечательнее, чем радий: из всех известных нам вещей на земле кусок урановой руды больше всего напоминает «вечный двигатель» — заветную мечту изобретателей. Беда в том, что этот «вечный» или, лучше сказать, «почти вечный» двигатель имеет такую маленькую мощность.

Тот факт, что уран не является «вечным двигателем» на самом деле и что с ним, как с радием, происходит изменение, хотя гораздо более медленное, может быть доказан посредством прямого опыта: из урана постепенно, хотя и весьма медленно, выделяется гелий. Это обнаружил на опыте Содди. Мы приводим из его книжки «Радий и строение атома» рисунок, изображающий прибор, который он использовал, и описание этого прибора. Это описание может служить хорошей иллюстрацией к словам того же Содди о том, что современная физика уже не может утверждать, что «её величайшие открытия делаются при помощи очень простых приборов, сооружённых из проволоки и сургуча», как с гордостью утверждала старинная наука. Радиоактивные измерения требуют сложных приборов и тончайшей экспериментальной техники. Но дадим слово самому Содди:

«На фотоснимке представлен прибор, использовавшийся в моей лаборатории. Это семь совершенно одинаковых аппаратов, стоящих рядом, но независимых и не сообщающихся друг с другом.

Каждый аппарат состоит из большой колбы, вмещающей значительное количество исследуемого материала в виде раствора. Колбы снабжены кранами с ртутным затвором особой формы, который, совершенно изолируя на определённый срок содержимое колб от окружающей атмосферы, в то же время может быть открыт в любой момент путём отсасывания книзу столба ртути в барометрических трубках, так что накопившиеся в колбе газы могут быть без всякого впуска воздуха извлечены для испытания на гелий. Присутствие воздуха крайне вредно. Пузырёк воздуха величиной с булавочную головку, остававшийся во всём объёме большой колбы или в растворе или же проникавший в колбу в период накопления газа, обычно совершенно губил опыт. Большинство приспособлений имеет целью предварительное тщательное удаление воздуха из приборов до начала опытов. Методы испытания на гелий также совершенно новы. Они основаны на открытом мной свойстве металла кальция поглощать, при нагревании в безвоздушном пространстве до очень высокой температуры, все следы газов, за исключением газов типа гелия и аргона. Таким образом, ничтожное количество полученного гелия (обычно не более одной тысячной доли кубического миллиметра) является совершенно свободным от следов водяного пара и других газов. Наконец, его переводят при помощи ртути в самую маленькую спектроскопическую трубочку, какая только может существовать, и рассматривают его спектр. Как показали многочисленные специальные опыты, жёлтая спектральная линия гелия может быть замечена при наличии одной миллионной части кубического сантиметра гелия (или, что то же самое, одной пятимиллиардной доли грамма). Это, конечно, наименьшее количество какого бы то ни было химического элемента, которое может быть обнаружено спектроскопом.

Повторяя опыт много раз, можно для каждого сосуда определить продолжительность периода накопления гелия до того момента, когда его можно заметить в выделяющихся газах, и таким образом установить его количество. Я неоднократно получал таким способом гелий из солей урана и, как оказывалось, именно в таком количестве, какое может быть заранее вычислено из теории распада. На каждую тысячу тонн урана получается около двух миллиграммов гелия в год».

Рис. 18. Прибор Содди для доказательства возникновения гелия из урана.

Что же получается в результате этого медленного радиоактивного превращения урана? Выше мы уже говорили о том, что радий должен быть одним из продуктов распада урана (хотя и не обязательно непосредственным продуктом). Это заключение мы основывали на том, что радий встречается всегда в рудах, которые содержат уран. Покажем теперь, что, зная продолжительность жизни урана и радия, можно подвергнуть это заключение ещё и некоторому количественному испытанию. Для того чтобы понять, в чём заключается это испытание, вдумаемся в следующее рассуждение.