(по Л. Мейтнер).
Свойства радия и других радиоактивных веществ вызвали такой переворот в основных представлениях физики и химии, что представляется чрезвычайно интересным показать, как в узких рамках лабораторной работы на основании немногих данных опыта, известных в микрокосмосе, мы можем глубже проникнуть в макрокосмос. Эту задачу выполнила Lise Meitner в "Zeitschrift für angewandte Chemie" (1923 г. 6 января, стр. 9). Приводим краткое содержание этой любопытной статьи.
Радиоактивные вещества отличаются от обыкновенных химических элементов, как известно, тем, что они не представляют собой неизменяющихся веществ, а являются примером превращения одного элемента в другой; все они происходят или из урана, или из тория, и в конечном итоге переходят в свинец. Уран после ряда промежуточных ступеней дает радий, а последний через ряд промежуточных продуктов превращается в свинец. Из одного килограмма урана приблизительно лишь в 10 миллионов лет образуется один грамм свинца. Так как атом урана значительно тяжелее атома свинца, то ясно, что это превращение связано с постоянной потерей массы. Уран, как и радий, и другие промежуточные продукты между ураном и свинцом, при своих превращениях выделяют быстро движущиеся, так называемые, α-лучи, рассматриваемые ныне, как атомы или, вернее, атомные ядра гелия. Таким образом, уран распадается на свинец и гелий, частички гелия отличаются от обыкновенных атомных ядер гелия лишь своей большой скоростью; α-лучи, т. е., быстро движущиеся частицы гелия, задерживаясь в своем движении различными субстанциями, нагревают последние. И, действительно, вскоре после открытия радия было замечено, что все препараты, содержащие радий, всегда обладают немного более высокой температурой, чем соответствующие элементы. Мы, таким образом, видим, что при распаде урана на другие радиоактивные вещества постоянно образуются свинец и гелий, и что при этом по мере того, как быстро движущиеся частицы гелия задерживаются, выделяется тепло.
Благодаря чувствительным радиоактивным методам, можно определить число частичек гелия, выделяемых одним граммом урана в течение года, а также скорость этих частичек и, таким образом, то количество гелия, которое в течение года производит один грамм урана, и выделяющееся количество теплоты. Таким образом, установили, что из одного грамма урана в течение 10 милл. лет образуется лишь один кубический сантиметр гелия и что количество выделяемой теплоты могло бы заставить кипеть 7 литров воды. Под таким углом зрения любой урановый минерал, содержащий все продукты распада урана, радий и некоторые количества свинца и гелия, представляет собою также и постоянный источник теплоты. Сказанное относится и к ториевым минералам.
Исследование самых различных горных пород показало, что в среднем в одном грамме породы содержится примерно ¹/200000 гр. урана и примерно втрое больше тория, а радия в миллион раз меньше. Как ни ничтожно малы эти количества, но в общем балансе массы земли они дают следующие цифры: если предположить, что распространение урана и тория внутри земли такое же, как и в исследуемых породах на поверхности, то общее количество урана составит 60 биллионов тонн, тория — 120 биллионов тонн, и даже редчайший элемент — радий (приготовлено во всем свете всего около 200 гр.) должен, если вычислить его общее содержание в земле, составить много миллионов тонн.
Из указанного выше количества теплоты, выделяемой в определенный период времени одним граммом урана, можно вычислить то количество теплоты, которое дают находящиеся в земле радиоактивные вещества в любой момент. С другой стороны, уже давно известно, что температура внутри земли значительно выше, чем на поверхности, и можно точно вычислить количество теплоты, излучаемой из внутренних слоев земли на ее поверхность и оттуда во внешнее пространство. Это количество теплоты, выделяемое землей, более чем в 100 раз меньше, чем теплота, выделяемая радиоактивными веществами, и поэтому, если бы радиоактивные вещества были распространены по всему земному шару таким же образом, как в поверхностных породах, то температура земли должна была бы постоянно повышаться; но геологические факты указывают, что температура земли более или менее стационарна, и отсюда приходится заключить, что содержание радиоактивных веществ уменьшается с глубиной. Многие ученые предполагают, что только на протяжении примерно около 16 километров содержание урана и тория такое же, как в поверхностных породах, и что внутренность земли не содержит радиоактивных веществ; другие, как например, Holmes, Rutherford, Joly предполагают и, может быть, это предположение вероятнее, что радиоактивные вещества, все уменьшаясь, встречаются и во внутренних слоях земли. По этому предположению температура внутри земли в среднем 1500°С. Эти данныя по крайней мере не противоречат цифрам, которые дают явления вулканические. Например: лава Этны имеет приблизительно температуру 1060°С. Из произведенных исследований глубинных пород от 10 до 860 метров нельзя было установить никакой зависимости содержания радия или урана от глубины залегания. Материал, полученный в Фрейбурге из глубины в 2 километра, дал среднее содержание, а с большей глубины полученный американский минерал дал большее. С этой точки зрения представляется особенно интересным метеорное железо, найденное в Ovifak’e, по поводу которого многие ученые предполагали, что оно происходит из внутренних слоев земли. Два различных анализа этого железа, произведенные Strutt’ом в Англии и Bücher’ом в Германии, дали совершенно различные результаты: в одном случае содержание урана было меньше среднего, в другом выше. В Симплонском туннеле наблюдались местные концентрации радиоактивных веществ в земле, вызывавшие местные повышения температуры. Исследования радиоактивных излучений в главном туннеле и в его различных ветвях показали, что их интенсивность различная. Joly на основании этих фактов пытался дать новую теорию образования гор: местным сжатием сильно радиоактивных пород вызывается местное повышение температуры, причем одновременно, вследствие налегания осадочных слоев, происходит меньшее выделение теплоты, сопротивляемость земной коры уменьшается и могут происходить поднятия и образования складчатых гор.
Указанные наблюдения показывают во всяком случае большое значение радиоактивных выделений теплоты, они особенно важны тем, что дают возможность определить возраст земли. Под возрастом понимают период, протекший с того времени, когда поверхность земли застыла и образовалась твердая кора. Из найденных в более глубоких слоях высоких температур и средней теплопроводности пород вычислили возраст земли примерно в 30 миллионов лет, но это число оказалось значительно меньшим, чем то, к которому привели геологические данныя. Тот факт, что в породах при помощи радиоактивных веществ постоянно выделяется теплота, показывает, что определение возраста земли на основании наблюденных разниц в температурах в более глубоких слоях неправильно, и вместе с тем эта радиоактивность пород дает другие методы для определения возраста, которые отличаются значительно большей надежностью. Мы уже указывали, что каждая урановая и ториевая эманация должна содержать некоторое количество газообразного гелия и твердого свинца, и нам точно известны те количества их, которые, например, производятся одним граммом урана в течение года. Отсюда следует, что, если в разных породах определить количество гелия и свинца, приходящиеся на один грамм урана, то можно исчислить тот период времени, который был необходим для образования этих количеств, т. е. можно определить возраст этих пород. Предпосылкой при этом, конечно, является, что радиоактивные процессы превращения во все времена оставались неизменяемыми, и если для определения возраста земли пользоваться найденным количеством гелия, то нужно сделать другую предпосылку, что со времени застывания породы, образовавшийся гелий целиком сохранился в породе, но так как несомненно по структуре породы, что немного гелия могло выделиться, то вычисленный из содержаня гелия возраст представляет лишь нижний предел, т. е. можно сказать, что порода наверное не моложе, но, вероятно, значительно старше, чем следует из найденного количества гелия.
Другой метод определения возраста минералов основан на следующих фактах: гелий, как уже упомянуто, выделяется из радиоактивных веществ в форме весьма быстро движущихся α-лучей. Лучи эти, встречая на своем пути различные предметы, как например, стекло, вызывают окрашивание, поэтому стеклянные трубки, в которых долгое время содержится радий, всегда окрашены в темно-синий или коричневый цвета; окраска зависит от состава стекла. Уже давно наблюдали, что сланцы в микроскопе показывают мелкие окрашенные, большею частию круглые зерна, образование которых минералоги не могли объяснить. Joly показал, что они радиоактивного происхождения. Если в минерал вкраплены ничтожно малые радиоактивные зернышки, рассылающие по всем направлениям α-лучи, то последние вызывают на своем пути, который в плотном минерале может быть лишь очень малым, такое окрашивание. Если далее, с одной стороны, известно число α-лучей, необходимое, чтобы вызвать определенное почернение в минерале, и число α-частиц, выделяемых вкрапленным зернышком, в единицу времени с другой, то можно вычислить, как долго это α-излучение должно было действовать, чтобы вызвать наблюдаемое окрашивание, т. е., опять-таки, получается примерный возраст соответствующего минерала. Эти вкрапления — большею частию из циркона, содержащего уран, конечно, ничтожно малы, диаметр уранового ядра — 0,01—0,02 мм., диаметр этих вкраплин — 0,025—0,035 мм.; максимальное число выделяющихся α-частиц — одна частица в течение 10 часов, но наблюдалось и выделение всего 80 частиц в течение года; действующее количество урана при этом составляет одну миллиардную часть грамма, т. е. количество, недоступное никакому химическому анализу, и все же оно позволяет нам изучить историю минерала и показывает, что эти ничтожные кусочки слюды в течение сотен миллионов лет сохранялись в той же форме.
Если пользоваться для определения возраста породы свинцом, то затруднение состоит в том, что при застывании породы мог выкристаллизоваться обыкновенный свинец, т. е., что порода содержит свинец, не только образовавшийся от превращения урана и тория, но и первоначально выделенный, и определение возраста поэтому может дать слишком большую величину. Здесь на помощь приходит то обстоятельство, что свинец, выделяющийся из урана, обладает немного меньшим атомным весом, чем образующийся из тория, или обыкновенный (атомный вес уранового свинца — 206, ториевого — 208, обыкновенного свинца — 207,1), поэтому для определения возраста нужно, с одной стороны, выбирать урановые минералы, не содержащие тория, с другой стороны, ториевые минералы, не содержащие урана. Определение атомного веса найденного свинца показывает с большой точностью, сколько свинца образовалось путем превращения и сколько выделилось обыкновенного свинца при застывании породы, и, таким образом, можно безошибочно определить возраст соответственной породы. Определение последнего без контроля атомного веса может дать верхний предел возраста.
Произведенные таким образом исследования обнаружили пригодность обоих методов. Оказалось, что гелий в значительном количестве фактически встречается только в радиоактивных породах и что геологически более старые породы всегда содержат больше гелия, чем более молодые. При этих исследованиях, конечно, старались выбирать минералы с более твердой и плотной структурой, чтобы избежать ошибок, происходящих от возможного выделения гелия. Высший возраст, определенный по этому методу, оказался равным 600 миллионов лет, он был найден по отношению к одному цирконовому минералу из древнейшего докембрийского периода. Как указано выше, эта величина представляет собой низший предел возраста породы. Произведенное по второму способу определение возраста из различных сланцев из девона дало цифру — 400 миллионов лет. По свинцовому методу было найдено, что минералы, геологически однородные, имеют одинаковое содержание урана и свинца и что существует тесная связь между относительным количеством свинца в породах и их геологическим возрастом. Самая высшая цифра, полученная для африканских цирконовых минералов из древнейших гранитов, составляет 1.500 миллионов лет, но так как при этом определении не был проверен атомный вес свинца, то эту величину следует рассматривать, как высший предел. Как и следовало ожидать, он значительно выше найденного из определения содержания гелия. Весьма тщательно был определен возраст ториевого минерала в б. немецкой восточной Африке. Был проверен атомный вес выделенного из породы свинца, причем оказалось, что он равен 206, т. е. весь свинец образовался из урана. Возраст породы был определен в 700 миллионов лет. Недавно в бельгийском Конго был найден урановый минерал, содержащий совершенно чистый урановый свинец, и в таких больших количествах, что возраст минерала был вычислен в 3.000 милл. лет. Из этих данных видно, что радиоактивные методы исследования позволяют заключить о гораздо более высоком возрасте земли, чем принимавшийся прежде. Отсюда некоторыми учеными было выведено заключение (Joly), что скорость распада урана в доисторические времена была гораздо большая, чем теперь, т. е. больше свинца образовывалось в меньшие промежутки времени, и отсюда происходят наши заблуждения относительно более высокого возраста пород. Но этот вопрос еще не разрешен окончательно.
Радиоактивные вещества встречаются не только на земле, но и на других небесных телах. Исследование внеземных метеоритов показало примерно одинаковое содержание урана, с другой стороны, в самых богатых железом метеоритах, происходящих по Vichert’y из внутренних слоев небесных тел, не найдено радия, и в этом некоторые видят косвенное подтверждение для указанной выше гипотезы о том, что внутренние слои земли не содержат радиоактивных веществ. Strutt предполагает, что может быть вулканические явления на луне можно объяснить тем сильным нагреванием ее внутренних слоев, которое должно произойти, если принять, что в ней такое же содержание урана и тория, как и на земной поверхности.
Попытка доказать при помощи спектрального анализа присутствие радия на солнце до сих пор не увенчалась успехом, с другой стороны, солнце, если оно происходит из того же первичного вещества, как и земля, должно содержать встречающиеся на земле радиоактивные элементы. Большое количество гелия, наблюдаемого на солнце (как известно, гелий впервые был найден спектральным анализом в составе солнца до того, как Рамзай его открыл в урановых минералах), говорит за нахождение радиоактивных веществ на солнце, и некоторые явления в атмосфере заставляют нас принять внеземную радиоактивность. Находящиеся на поверхности земли радиоактивные вещества посылают лучи, проникающие в окружающую атмосферу, как это доказано измерением ионизации; это излучение само собой должно уменьшаться с увеличением расстояния от поверхности земли, но исследования показали, что это уменьшение начинается лишь выше 700 метров над поверхностью земли и наступает сначала медленно, затем замечается более быстрое увеличение интенсивности излучений и уже на высоте 1.600 метров сила излучения та же, что и на земле, а с высотой 4.000 метров начинается очень быстрое увеличение излучения, которое наблюдается до высоты в 9.000 метров, на которой излучение почти в 6 раз больше, чем на поверхности земли. Ясно, что происхождение этих излучений, в 7 раз более сильных, чем γ-лучи известных нам радиоактивных элементов, не земного, а космического происхождения. Нернст указывает на то, что было бы чрезвычайно важно установить, распространены ли эти излучения в пространстве равномерно или по определенным направлениям, например, млечному пути, но для таких определений нужны еще особо тонкие методы измерения. Факт, что излучения на высоте более проникают, чем лучи известных нам радиоактивных элементов, можно объяснить или согласно Нернсту тем, что они происходят из более высокоатомных элементов, которые когда-то образовались в мировом пространстве, или же, что законы радиоактивных превращений, наблюдаемые нами на земле, не действительны для многих небесных тел, благодаря существующим в них температурным условиям. Впрочем, лабораторный опыт показал, что на радиоактивные процессы не влияют самые высокие температуры, и Нернст объяснил, что с энергетической точки зрения на скорость распада могла бы начать влиять температура лишь в 10.000 милл. градусов, которая значительно превосходит даже самые высокие температуры звезд, принимаемые астрономами. С другой стороны, Joly указывает, что, все-таки, возможно местное происхождение таких высоких температур, вызывающих радиоактивные процессы по иным законам, чем земные. При обыкновенном радиоактивном распаде из многих атомов распадается лишь определенная дробная часть, а при таком крайнем влиянии температуры распад всех атомов мог бы быть одинаковым; поэтому он предполагает возможность превращений атомов на подобие извержения вулканов.
Пытались применить радиоактивные процессы к объяснению солнечной энергии. Вопрос, происходит ли возмещение того колоссального количества энергии, которое постоянно теряет солнце в виде излучаемой теплоты, относится к стариннейшим проблемам. Все допускавшиеся источники энергии не обладали достаточным возрастом для солнца, но легко можно показать, что известные радиоактивные процессы не представляют достаточного источника энергии; даже, если допустить, что солнце состоит только из урана, количество энергии, выделяемое в единицу времени радиоактивным распадом, покрыло бы только половину тепловой энергии, излучаемой солнцем в то же время. Поэтому должен быть источник гораздо большей энергии, чем представляемый обыкновенным радиоактивным распадом.
Возможность такого источника энергии заключается странным образом в процессе, который представляет собою как раз явление, противоположное радиоактивному, а именно: не в распаде тяжелых атомов на более легкие, а наоборот в образовании тяжелых атомов иэ более легких. Как известно, удалось расщепить различные элементы, как азот, фосфор, алюминий, бомбардировкой этих элементов самыми быстрыми α-лучами радиоактивных веществ, которые вызывали как бы искусственное превращение этих элементов, причем во всех случаях при этом превращении выделялся водород. Однако, при гелии, который мы в настоящее время принимаем с большой вероятностью состоящим из 4-х частичек водорода, бомбардировка не удалась, и Rutherford отсюда заключил, что частички водорода в гелии соединены особенно прочно друг с другом. Это предположение подтверждается фактом так называемого "дефекта масс" (Massendefekt): атомный вес водорода равен 1,077, построенный из 4-х частичек водорода атом гелия должен был бы поэтому иметь атомный вес — 4,031, на самом же деле его атомный вес меньше и равен 4,00; в настоящее время известно, что, если при образовании комплексной системы из отдельных частичек выделяется некоторое количество энергии, масса образующейся системы должна быть меньше, чем сумма масс отдельных частиц, на величину, соответствующую этой энергии, и это уменьшение массы называется "дефектом масс". Дефект массы атома гелия по оношению к массе 4-х водородных атомов означает поэтому, что при образовании гелия из водорода выделилось соответствующее количество энергии и наоборот для того, чтобы расщепить гелий на водород, нужно затратить эту энергию. Вычисление дает, что энергия должна быть в 3 раза больше, чем та, которою обладают самые быстрые α-лучи, поэтому понятно, почему не удается бомбардировка гелия α-лучами. Если предположить, что при известных условиях возможно образование гелия из водорода, то при этом должна выделиться чрезвычайно большая энергия, и этой энергии было бы достаточно для того, чтобы сохранить современное излучение солнца в течение многих тысяч миллионов лет.
Возможен ли синтез сложных атомов в таком направлении, это вопрос, находящийся на границе наших познаний. Разум человека всемерно восстает против мысли о смерти вселенной, как бы далека эта воможность ни была, и упорно ищет возможности регенерации. Приведет ли распад и синтез материи к желанному результату, это вопрос, на который может ответить только будущее.
М. А. Блох.