Рис. 18. Прибор Содди для доказательства возникновения гелия из урана.
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 определенный срок содержимое колб от окружающей атмосферы, в то же время может быть открыт в любой момент путем отсасывания книзу столба ртути к барометрических трубках, так что накопившиеся в колбе газы могут быть без всякого впуска воздуха извлечены для испытания на гелий. Присутствие воздуха крайне вредно. Пузырек воздуха величиной с булавочную головку, остававшийся во всем объеме 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, желтая спектральная линия гелия может быть замечена при наличии одной миллионной части кубического сантиметра гелия (или, что то те 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».
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 еще и некоторому количественному испытанию. Для того чтобы понять, в чем заключается это испытание, вдумаемся в следующее рассуждение.
Продолжительность жизни радия составляет всего лишь 1600 лет - огромный срок по сравнению с продолжительностью человеческой жизни, но все же совершенно ничтожный по сравнению с продолжительностью существования земного шара. Ясно, что имеющееся на Земле количество радия должно все время восстанавливаться из какого-то источника: иначе оно давным-давно пришло бы к концу задолго до того, как на Земле появилось поколение физиков, которое оказалось способным открыть радий и изучить его свойства. Отсюда мы заключаем, что радий беспрерывно возникает вновь из какого-то другого радиоактивного элемента, являющегося его предком. Предположим, что таким предком, т. е. не обязательно отцом, а, может быть, прадедом или прапрадедом, является, как это весьма вероятно, уран.
Как должны мы представлять себе процесс рождения и смерти радия?
Если мы возьмем некоторое количество урана и предоставим этот уран самому себе, то атомы урана будут постепенно распадаться, превращаясь в атомы какого-то другого химического элемента; эти последние будут распадаться в свою очередь, превращаясь снова во что-то другое, и т. д., и т. д., пока, наконец, в качестве одной из ступеней этого последовательного процесса, не появятся атомы радия, превращающиеся затем в атомы радона, и т. д. Из всего этого следует, что если данное количество урана, например килограмм, предоставлено самому себе, то через некоторое время в нем должно оказаться какое-то количество радия. Это количество радия сперва равнялось пулю, затем оно начало расти, по, спрашивается, будет ли оно расти все время? Ясно, что все время расти оно не будет и что должна быть какая-то граница этого роста. Эта граница определяется, разумеется, не только тем, что из первоначально взятого килограмма урана не может получиться сколько угодно большого количества радия (если бы радий был конечным продуктом превращения и не подвергался дальнейшему превращению, то из килограмма урана не могло бы получиться больше чем 225,97/238,14 килограмма радия, так как атомная масса радия составляет именно такую дробь от атомной массы урана).
Граница роста радия установится еще раньше, потому что атомы радия распадаются, а не являются конечным продуктом. Количество радия перестает расти в тот самый момент, когда число атомов радия, распадающихся в секунду, станет равно числу атомов радия, возникающих в секунду из радиоактивного элемента, являющегося непосредственным предшественником («отцом») радия. Когда этот момент наступит, то в дальнейшем количество радия уже расти не будет. Оно начнет уменьшаться, хотя и необычайно медленно, следуя за постепенным уменьшением запасов самого урана - родоначальника всей этой династии превращающихся друг в друга радиоактивных элементов. Но так как уран распадается настолько медленно, что по сравнению с радием его можно считать почти бессмертным, то мы пренебрежем этим медленным уменьшением количества радия и убудем считать количество радия практически постоянным. Наступило «радиоактивное равновесие»: число уничтожающихся в секунду атомов радия равно числу рождающихся в секунду атомов того же радия.
Такое радиоактивное равновесие наступило не только для радия, но и для всех промежуточных элементов (между радием и ураном). Мы пока не знаем, каковы эти элементы и даже сколько их; обозначим их попросту номерами (1, 2, 3,..., n). Наступившее для этих элементов (из которых 1-й является «сыном» урана, а n-й - «отцом» радия) радиоактивное равновесие означает следующее: число ежесекундно распадающихся атомов урана или, что то же, число ежесекундно возникающих атомов элемента 1 равно числу ежесекундно распадающихся атомов того же элемента 1, так как он находится в радиоактивном равновесии. Но ведь это число есть не что иное, как число ежесекундно возникающих атомов элемента 2, и оно, в силу радиоактивного равновесия элемента 2, равно числу ежесекундно распадающихся атомов элемента 2, т. е., что то же, числу ежесекундно возникающих атомов элемента 3. Таким образом, мы получаем длинную цепь равенств: одно число равно другому, другое - третьему и т. д.
В самом конце цепи стоит число ежесекундно распадающихся атомов элемента n или, что то же, число возникающих атомов радия, которое, в силу радиоактивного равновесия радия, равно числу распадающихся ежесекундно атомов радия. Но всякому известно, что если мы имеем цепь равенств, где а = b =c ... = у = z, то мы всегда можем, если хотим, зачеркнуть все промежуточные члены и написать просто a=z.
То те происходит и здесь: в начале цепи стоит число ежесекундно распадающихся атомов урана, в конце цепи - число ежесекундно распадающихся атомов радия. Поэтому мы можем утверждать, что, когда наступит равновесие, число ежесекундно распадающихся атомов урана будет попросту равно числу ежесекундно распадающихся атомов радия. Замечательный результат! Ведь мы вывели его с математической строгостью, совершенно ничего не зная о том, сколько есть промежуточных радиоактивных элементов между ураном и радием и каковы их свойства. А из этого результата сейчас же вытекает другой, еще более замечательный. Ведь мы знаем, что из заданного количества атомов радия ежесекундно распадается доля, равная дроби 1,4*10-11. А из заданного количества атомов урана ежесекундно распадается доля, равная дроби 5 *10-18. Поэтому, когда наступило радиоактивное равновесие, то наличное количество атомов радия, умноженное на 1,4*10-11, должно равняться наличному количеству атомов урана, умноженному на 5*10-13 . Иными словами, число атомов радия должно равняться числу атомов урана, умноженному на 3,5*10-7. Таким образом, мы получаем чисто теоретически, из теории радиоактивного распада Резерфорда и Содди, следующий результат: