Глава 31
Радиоактивность

Ломали ли вы когда-нибудь кость или, может быть, проглатывали что-нибудь по ошибке? Если так, то вы наверняка сталкивались с рентгеновскими лучами, с помощью которых врач может заглянуть в ваше тело, не вскрывая его.

В наши дни рентгеновский снимок – обычная вещь, но в конце девятнадцатого века Х-лучи стали сенсацией. Они оказались первым видом радиации, поставленным на службу человеку, еще до того как само слово «радиация» оказалось понято до конца. Радиоактивность и атомные бомбы пришли позже.

В Европе Х-лучи обычно именуют рентгеновскими по имени Вильгельма Рентгена (1845–1923). Он не был первым, кто увидел их проявления, но оказался первым, кто понял, с чем имеет дело. Наука часто выглядит подобным образом: недостаточно просто увидеть, вы должны еще и сообразить, что происходит на ваших глазах.

В 1890-х Рентген наряду со многими другими физиками (вспомните Томсона) работал с катодной трубкой, 8 ноября 1895 года он заметил, что фотографическая пластина, находившаяся на некотором расстоянии от его трубки, оказалась мистическим образом засвечена. От обычного света ее защищала черная бумага, и тогда ученые предполагали, что лучи из трубки не могут распространяться особенно далеко.

Рентген потратил следующие шесть недель, чтобы разобраться, что случилось. Другие ученые тоже наблюдали схожие эффекты, но ничего по этому поводу не предпринимали. Немецкий физик открыл – новые лучи распространяются по прямой, а магнитное поле на них не влияет. В отличие от света, они не могут быть отражены или искажены с помощью линз, зато эти лучи проникают через твердые тела, например через руку гомо сапиенса.

Первым человеком, ставшим моделью для рентгеновского снимка, оказалась жена ученого, точнее ее рука, и на снимке были видны кости и обручальное кольцо на пальце. Не зная в точности, с чем он имеет дело. Рентген назвал свое открытие Х-лучами, и после шести недель напряженной работы он объявил о нем миру.

Х-лучи в мгновение стали научным хитом.

Тут же все признали, что их можно использовать в медицине, чтобы обнаруживать переломы, оставшиеся в теле пули или другие посторонние предметы. Немногие открытия когда-либо так быстро становились объектом всеобщего внимания. Немедленно поступила в продажу непроницаемая для рентгеновских лучей одежда, физики пустились в горячие дебаты по поводу того, что это на самом деле.

После более чем десятилетнего изучения было показано, что Х-лучи – это радиация с необычайно короткой длиной волны и высокой энергией. Еще раньше люди, работавшие в лабораториях, заметили, что это излучение может повреждать человеческую плоть, вызывая нечто вроде ожогов, так что их использовали для уничтожения раковых клеток уже в 1896 году. Намного больше времени понадобилось людям, чтобы понять, насколько опасны Х-лучи, и некоторые из исследователей умерли от лучевой болезни или рака крови, называемого также лейкозом.

Рентгеновские лучи могли не только лечить рак, но и вызывать его.

В то время как Рентген возился со своими лучами, была открыта другая форма радиации, радиоактивность, и это событие произошло во Франции. Анри Беккерель (1852–1908) занимался изучением флуоресценции, феномена естественного свечения некоторых веществ. Он использовал соединение урана, обладающее этим свойством. Когда Беккерель обнаружил, что это соединение воздействует на фотографические пластины в точности так же, как Х-лучи, он предположил, что просто обнаружил другой их источник.

Но в 1896 году французский ученый понял, что его лучи ведут себя несколько иначе. Это был другой вид радиации, без очевидных драматических эффектов вроде возможности заглядывать внутрь тела, но тоже обладающий интересными свойствами.

Изучением феномена занялась обитавшая в Париже семейная пара. Пьер и Мария Кюри (1859–1906, 1867–1934). В 1898 году они стали обладателями тонны урановой смолы, грубого, похожего на гудрон вещества, содержащего некоторое количество урана. И пока они экстрагировали чистый уран из руды, радиоактивность обожгла их руки.

Кюри также открыли два новых радиоактивных элемента, назвав их торием и полонием, второй в честь родины Марии. Польши. Свойства этих элементов оказались во многом схожими с теми, что были у урана, и ученые по всему миру невольно начали заниматься новым видом излучения.

К тому времени были известны бета-лучи (потоки электронов), альфа-лучи (Резерфорд в 1899 году показал, что это атомы гелия без электронов, обладающие положительным зарядом) и гамма-лучи (без заряда, и позже ученые продемонстрировали, что электромагнитное излучение сходно с рентгеновским).

Кюри проявили настоящий героизм в своей преданности науке; после того как Пьер погиб после несчастного случая. Мария продолжила его работу, несмотря на то что у нее было двое детей.

Древние претензии алхимии, заявлявшей о превращении одного элемента в другой, почти воплотились в реальность с открытием радиоактивности. Почти, поскольку мечтания алхимиков заключались в том, чтобы превращать свинец и другие базовые металлы в золото, а радиоактивность позволяла трансмутировать уран в свинец, бесценный металл в дешевый!

Но все же природа в состоянии делать то, о чем алхимики едва мечтали.

Подобно рентгеновским лучам радиоактивность стала использоваться в медицине. Радий, один из радиоактивных элементов, открытых Марией Кюри, оказался особенно ценным, поскольку его лучи могут убивать раковые клетки. Но точно так же как и рентген, они могут и вызывать рак, если доза излучения окажется слишком большой.

Многие исследователи в начале прошлого века, включая ту же Кюри, умерли от последствий облучения до того, как были выработаны должные меры защиты. Ее дочь. Ирина, получила Нобелевскую премию за работу в той же самой области и умерла молодой от того же рака крови, что и ее мать.

Уран, торий, полоний и радий обладают естественной радиоактивностью, но что это значит? Эти элементы физики обычно именуют «тяжелыми», их ядра очень плотно заполнены и от этого являются нестабильными. Именно эту нестабильность мы фиксируем в качестве радиоактивных лучей, и она получила название «радиоактивный распад» по той причине, что, когда частицы теряются, элемент буквально распадается, превращается в другой элемент и занимает другое место в периодической таблице.

Изучение этого распада с должной осторожностью позволило продолжить жизненно важную работу по заполнению брешей в таблице Менделеева.

Используя тот же распад, ученые получили ценный инструмент, позволяющий датировать события земной истории, обычно его именуют «радиоуглеродным методом». Эрнест Резерфорд оказался пионером в этом деле, когда в 1905 году предположил, что подобная техника может помочь в определении возраста Земли.

Физики рассчитали, сколько времени понадобится половине атомов элемента с природной радиоактивностью (например, урана), чтобы распасться на конечные продукты (свинец в нашем случае). Этот отрезок времени часто именуют периодом полураспада. Период полураспада разных элементов может колебаться от нескольких секунд до миллионов лет.

И зная этот период, ученые могут датировать событие, изучая окаменелости или минералы (любой образец естественного происхождения) и определяя, насколько много в нем исходного элемента и сколько продуктов распада. Пропорция между первым и вторым скажет нам, каков возраст образца.

Одна из не самых распространенных форм углерода обладает естественной радиоактивностью, и ее период полураспада удобно использовать для того, чтобы датировать окаменевшие останки животных и растений, поскольку все живые существа в течение жизни накапливают углерод. Когда они умирают, этот процесс останавливается. Так что зная, сколько в останках радиоактивного углерода, можно сказать, когда они сформировались. Радиоуглеродный анализ точно так же используют для определения возраста горных пород, хотя там речь идет о куда больших периодах времени.

Эта техника перевернула всю науку об окаменелостях, поскольку стало возможным не только сравнивать, что моложе, а что старше, но и примерно оценивать возраст каждого образца.

Физики быстро увидели, насколько большое количество энергии выделяется при радиоактивном излучении. Элементы, обладающие естественной радиоактивностью, вроде урана или радиоактивные формы обычных элементов, как углерод, о котором мы говорили, встречаются редко. Но когда вы бомбардируете атомы альфа-частицами или нейтронами, вы можете заставить многие элементы искусственным образом испускать радиоактивные лучи. И это показывает, насколько много энергии скрыто в ядре атома. Попытки отыскать способы того, как можно использовать эту энергию, двигали учеными в последнюю сотню лет.

Когда вы бомбардируете атом и заставляете его выбросить из ядра альфа-частицу, вы разделяете атом, превращаете его в другой элемент. Происходит расщепление атома. Ядро теряет два протона. Альтернатива, ядерный синтез, случается, когда атом поглощает частицу и занимает другое место в периодической таблице.

И в том и в другом случае происходит высвобождение энергии.

Возможность ядерного синтеза была показана в конце тридцатых годов двадцатого века немецкими и австрийскими физиками, среди которых была Лиза Майтнер (1878–1968). Еврейка по рождению, она перешла в христианство, но все равно ей пришлось бежать из Германии в 1938 году.

Она изучала синтез двух атомов водорода, из которых возникал атом гелия, следующего элемента таблицы. К тому времени наблюдения за Солнцем и другими звездами подтвердили, что конвертация водорода в гелий может быть источником звездной энергии (гелий сначала открыли на Солнце, и лишь затем он был обнаружен на Земле: его атомы показывают характерную длину волны, если изучать их с помощью инструмента, именуемого спектроскопом). Эта реакция требовала очень высокой температуры, и в 1930-х она не могла быть достигнута в лаборатории. Но теория позволяла создать водородную бомбу (термоядерную бомбу), способную на высвобождение колоссального объема энергии.

В 30-х другая альтернатива, а именно атомная бомба, основанная на распаде, выглядела более реальной. По мере того как нацисты продолжали агрессию в Европе, мировая война становилась все более вероятной. Ученые в нескольких странах, включая Германию, втайне работали над изобретением этого опустошительного оружия.

Очень важными в этой «гонке со смертью» по направлению к глобальному конфликту оказались работы итальянца Энрико Ферми (1901-54). Ферми и его коллеги показали, что бомбардировка атома «медленными» нейтронами может вызвать желаемое деление ядра. Медленные нейтроны проходили через парафин (или иное сходное вещество) по пути к цели, скорость их падала, и тем самым возрастала вероятность попадания точно в ядро атома.

Ферми покинул Италию в 1938 году, убегая от фашистов, ставших союзниками Гитлера. Он отправился в Соединенные Штаты, и так же поступили многие выдающиеся ученые (а также писатели, художники, мыслители) того времени. Сегодня мы иногда говорим об «утечке мозгов», имея в виду то, что лучшие «мозги» покидают дома в поисках лучших условий для работы: большей оплаты, более просторной лаборатории, шансов прожить жизнь так, как хочется. Люди в конце 30-х – начале 40-х бежали, поскольку опасались за жизнь свою и близких.

Нацисты и фашисты совершили множество ужасных вещей, и еще они изменили лицо науки, ну а Британия и Соединенные Штаты смогли много выиграть от тогдашней утечки мозгов.

В США многие беглецы присоединились к совершенно секретному Манхэттенскому проекту. Одно из наиболее дорогостоящих научных предприятий за всю историю человечества было начато в исключительно драматических обстоятельствах.

В конце тридцатых многие ученые, глядя на быстрое развитие науки о радиоактивных элементах, уверились, что им по силам произвести ядерный взрыв. Сложность заключалась в том, чтобы сделать его контролируемым. Многие думали, что затея слишком опасна, что цепная реакция просто разорвет планету на куски.

Когда в 1939 году началась война, физики США и Британии верили, что ученые в Германии и Японии продолжают работу над атомной бомбой и что союзникам нужно делать то же самое. Большое количество писем с призывами было отправлено в адрес президента Франклина Рузвельта. Среди тех, кто писал, оказался и Альберт Эйнштейн, самый известный в мире ученый, тоже бежавший от нацистов.

Рузвельт в конечном счете согласился, и работы начались одновременно в Теннеси. Чикаго и Нью-Мексико. Управляли Манхэттенским проектом военные, ученым было запрещено публиковать результаты исследований, им пришлось на время отказаться от принципа научной открытости. Война изменила многие ценности, так что секрет не был даже доверен коммунистической России, ключевому союзнику США и Великобритании.

К 1945 году усилия немцев, японцев и русских по созданию собственной атомной бомбы не принесли результатов, несмотря на то что один из американских ученых передавал России всю информацию. Но результатом Манхэттенского проекта стали две бомбы, в одной использовался уран, в другой полоний, изготовленный людьми радиоактивный элемент. Тестовая бомба меньшего размера прошла испытания в одной из пустынь США, и она сработала.

Новое оружие оказалось готово к использованию.

Германия капитулировала 9 мая 1945 года, так что до Европы атомная бомба не добралась. Но война на Тихом океане еще продолжалась, и новый президент США. Гарри Трумэн, приказал сбросить урановый заряд на город Хиросима 6 августа того же года. Детонация произошла благодаря столкновению двух кусков радиоактивного металла. Япония не сдалась и после этого, так что по приказу Трумэна плутониевая бомба упала на другой город. Нагасаки, тремя днями позже, и эта акция фактически завершила войну.

Бомбы убили около трехсот тысяч человек, большей частью гражданских лиц. Всему миру стала очевидна чудовищная сила ядерной энергии, и мир после этого изменился навсегда. Многие ученые, которые участвовали в создании оружия массового поражения, верили, что их достижения помогли закончить ужасную войну, но беспокоились по поводу того, что именно они создали.

Невероятная сила атомной энергии продолжает сохранять важность и в наши дни, но не исчезла и опасность ее применения в военных целях. Недоверие между Россией и США продолжало существовать и после Второй мировой, когда десятилетиями тянулась так называемая холодная война. Обе стороны накопили огромные арсеналы ядерного или атомного оружия. К счастью, они так и не были пущены в ход ни в одном из кризисов, а в дальнейшем эти запасы сильно уменьшились благодаря международным соглашениям.

Зато число стран, обладающих ядерным оружием, выросло.

То, что физики узнали, работая над Манхэттенским проектом, позже было использовано и в мирных целях. Ядерная энергия может стать источником электричества, и при этом не выделяется парниковый газ, неизбежный спутник сжигания угля и другого ископаемого топлива. Франция получает почти три четверти своей энергии от АЭС. Япония – около четверти.

Опасность несчастных случаев и риск террористических атак вызывают беспокойство и страх по поводу ядерных технологий, несмотря на все их преимущества. Немногие явления в современной науке и технике могут стать лучшей иллюстрацией смеси политических и социальных факторов, чем наши знания и умения в области ядерной энергетики.