Опередивший время: как Николай Орлов подошел к открытию искусственной радиоактивности

В начале XX века, сразу после открытия радиоактивности и новых радиоактивных элементов, в эти исследования включились российские ученые. Одним из них был Николай Орлов, профессор Императорской военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге. Он близко подошел к открытию искусственной радиоактивности. Но слишком рано.

В 1903 году Николай Орлов проводил серию опытов с воздействием радия на разные материалы и, дойдя до алюминия, обнаружил явление, которое мы сейчас называем наведенной радиоактивностью.

Эксперимент был элементарным. Алюминиевый кружок (тонкая пластинка) на некоторое время помещался над препаратом радия, и поверхность пластинки менялась — ​появлялись выпуклости. Более того, алюминий сам становился радиоактивным — ​испускал излучение после удаления радия. Чтобы проверить, не связано ли это с осаждением солей радия, Орлов тщательно промывал пластинку спиртом и эфиром, кипятил в воде и даже нагревал до 320 °С, но активность не исчезала. При наложении кружка на фотопластинку самые черные участки на фотографическом слое проступали там, где на алюминии были выпуклости. Значит, эти места активно испускали лучи.

Детального объяснения «какому-то глубоко лежащему и сложному процессу» Орлов дать не смог. В то время уже было известно явление возбужденной радиоактивности: рядом с солями радия и тория на поверхностях осаждаются продукты распада. Но наш ученый не располагал средствами химического анализа следов и спектрометрии, чтобы отделить этот вклад и количественно зафиксировать периоды распада.

Первым в России и одним из первых в мире Николай Орлов начал исследовать и влияние лучей радия на органические вещества. Он наблюдал четко выраженное «разложение» под действием альфа-частиц радия у парафина, пальмитиновой и стеариновой кислот, воска и спермацета. Ученый рассматривал две гипотезы: окислительные процессы за счет кислорода воздуха и распад сложных молекул в результате застревания (торможения) альфа-частиц в веществе.

Спустя десятилетия одна догадка получила подтверждение: в 1946 году в журнале Science появилась заметка о разложении жирных кислот при бомбардировке альфа-частицами. Сообщалось, что жирные кислоты, включая пальмитиновую, дают жидкие продукты — ​высокомолекулярные углеводороды.

Вернемся к опыту с алюминием. В 1934 году произошло эпохальное событие: Ирен и Фредерик Жолио-Кюри экспериментально доказали возможность искусственной радиоактивности элементов. К тому времени наука сильно продвинулась. Была известна структура атома (ядро, электроны), открыты новые элементарные частицы и осуществлены первые искусственные ядерные превращения. Однако трансмутации не приводили к появлению новых радиоактивных элементов — ​продукты либо были стабильными, либо радиоактивность носила кратковременный характер только в присутствии источника.

Жолио-Кюри выбрали для опытов тот же элемент, что изучал Орлов. Они бомбардировали тонкую пластинку алюминия сильным потоком альфа-частиц от полониевого источника. В результате ядерных реакций в образцах стали возникать новые изотопы других элементов. 15 января 1934 года супруги направили во Французскую академию наук отчет: после облучения альфа-частицами алюминий продолжал испускать положительные электроны (позитроны) даже после того, как источник альфа-частиц был удален. Иными словами, алюминий превратился в новый радиоактивный элемент, излучающий позитроны. Интенсивность излучения спадала по экспоненциальному закону — ​период полураспада составлял около трех минут. Это означало, что в алюминии возник атом с нестабильным ядром, которое распадается за считаные минуты.

Супруги правильно интерпретировали результат: ядро алюминия поглотило альфа-частицу, в результате образовался нестабильный изотоп нового элемента. Алюминий (Al, атомный номер 13) поглощает ядро 4He (два протона и два нейтрона) и превращается в ядро с атомным номером 15 — ​то есть фосфор. Был получен искусственный радиоактивный изотоп фосфора 30P, который распадается, испустив позитрон, и превращается в стабильный кремний 30Si. Аналогичные результаты Жолио-­Кюри получили с бором (10B + альфа-излучение дает 13N, радиоактивный азот) и магнием (дает нестабильные изотопы Si и Al).

Весной 1934 года были опубликованы знаменитые статьи «О продуцировании новых радиоактивных элементов» и «Химическое доказательство превращения элементов». В частности, для доказательства рождения фосфора из алюминия Жолио-Кюри провели химический анализ: облученную алюминиевую фольгу растворили и обнаружили в растворе радиоактивный фосфор, который удалось отделить химически. Это было прямым подтверждением трансмутации элемента. Открытие стало мировой сенсацией: искусственная радиоактивность — ​мощный инструмент получения новых радиоизотопов. Год спустя Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию по химии «за синтез новых радиоактивных элементов».

Впоследствии авторы исторических обзоров задавались вопросом, не наблюдал ли кто-то подобное явление раньше. Иногда (например, в статьях 1930‑х годов о становлении ядерной химии) отмечали опыт Николая Орлова как курьезно ранний пример наведенной активности. Но прямого влияния на открытие позитрона или синтез новых элементов его работы не оказали.

Говоря о заре ядерной физики, историки подчеркивают, что Николай Орлов мог получить искусственную радиоактивность раньше всех, что видел явление, но не понял его природу. Классический пример того, что научное открытие требует и наблюдательности экспериментатора, и зрелости научной парадигмы. Великие открытия делают гении, но тогда, когда созрели условия: теоретические знания, экспериментальная техника и научное мировоззрение. Орлов опередил время, но время не дало ему шанса совершить открытие.