Jak powstała bomba atomowa

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

Polanyi podkreśla, że „taka sieć jest siedliskiem naukowej opinii, na którą składają się tysiące odrębnych ocen przedstawianych przez mnóstwo osób, przy czym każda akceptuje opinię innych, tworząc w ten sposób łańcuch aprobaty łączący jednostki zajmujące się pokrewnymi dziedzinami”[23]. Nauka, wskazywał, działa jak gigantyczny mózg złożony z inteligencji poszczególnych osobników. Jest to źródło skumulowanej i pozornie niezwyciężonej mocy nauki. Jak jednak nie omieszkali podkreślić Polanyi i Feynman, za tę moc należy zapłacić dobrowolnym ograniczeniem stosowalności nauki. Dzięki poważnemu ograniczeniu kompetencji nauka z powodzeniem utrzymuje sieć kontaktów między ludźmi różniącymi się pochodzeniem i uznawanymi wartościami, a także wypełnia zadanie jeszcze trudniejsze – odkrywa zasady partii szachów, którą rozgrywają bogowie. „Fizyka – przypominał kiedyś Eugene Wigner swoim kolegom – nawet nie próbuje dać nam wyczerpujących informacji o zachodzących wokół nas wydarzeniach, daje tylko wiedzę o korelacjach między nimi”[24].

Rodzi się jednak pytanie, jakie mierniki stosują uczeni w ocenie wkładu pracy kolegów. Osiągnięcie naukowe, oryginalna praca zawsze wykraczają poza ukształtowaną opinię, nigdy nie zgadzają się z ortodoksją. Jak w takim razie może ją sprawiedliwie ocenić ortodoks?

Polanyi podejrzewał, że istniejący w nauce układ mistrzów i uczniów chroni ją przed skostnieniem. Uczeń przejmuje od swego mistrza surowe mierniki oceny, a zarazem nabiera zaufania do własnego sądu; uczy się, że istnieje możliwość i konieczność wyrażenia niezgody. Z książek i wykładów można nauczyć się zasad, mistrzowie uczą kontrolowanego sprzeciwu, choćby na przykładzie własnej oryginalnej – a w tym znaczeniu wywrotowej – pracy.

Uczniowie przyswajają sobie trzy podstawowe kryteria naukowej oceny[25]. Pierwszym jest prawdopodobieństwo, które eliminuje szalone pomysły i oszustwa. Kryterium to może spowodować odrzucenie (i czasami do tego dochodzi) pomysłów wyjątkowo oryginalnych, nie do przyjęcia dla ortodoksów, ale by nauka mogła egzystować, musi akceptować to ryzyko. Drugim kryterium jest wartość naukowa, czyli dokładność, znaczenie dla całej dziedziny nauki oraz znaczenie danego zagadnienia. Trzecim jest oryginalność. Rzecznicy patentowi oceniają oryginalność wynalazku według zaskoczenia, jakie budzi on u specjalistów danej branży. Uczeni podobnie oceniają nowe teorie i odkrycia. Prawdopodobieństwo i wartość naukowa są ortodoksyjnymi miernikami jakości pomysłu, oryginalność jest miarą odstępstwa od ortodoksji.

Przedstawiony przez Polanyiego model otwartej republiki nauki, w której każdy naukowiec ocenia pracę kolegów, opierając się na wspólnie uzgodnionych zasadach, wyjaśnia, dlaczego atom z takim trudem przebijał się do fizyki XIX wieku. Jego istnienie było prawdopodobne, przedstawiało znaczną wartość naukową, szczególnie ze względu na porządkującą rolę, ale nikt jeszcze nie dokonał żadnego zaskakującego odkrycia dotyczącego atomu, a w każdym razie żadnego dostatecznie przekonującego dla międzynarodowej siatki uczonych, która liczyła w 1895 roku zaledwie około tysiąca osób uważających się za fizyków i liczniejszych od nich chemików[26].

Czas atomu się zbliżał. Chemia była dziedziną, w której w XIX wieku dokonano zaskakujących wielkich odkryć. W pierwszej połowie XX wieku do wielkich osiągnięć naukowych doszło w fizyce.

Gdy w 1895 roku młody Ernest Rutherford wyruszał z antypodów, by studiować fizykę w Laboratorium Cavendisha, myślał o zdobyciu sławy. Jego rodzinna Nowa Zelandia była nadal dzikim pograniczem. W latach czterdziestych XIX wieku na tym górzystym, wulkanicznym archipelagu osiedlali się brytyjscy rzemieślnicy, rolnicy oraz garstka awanturniczej szlachty, wypierając polinezyjskich Maorysów, którzy odkryli te wyspy pięć wieków wcześniej. Maorysi stawiali zacięty opór; krwawej walki zaniechali dopiero po kilkudziesięciu latach, w 1871 roku. W tymże roku urodził się Rutherford. Chodził do niedawno otwartej szkoły, pędził krowy na udój, polował konno w buszu na dzikie gołębie obsiadające pełne owoców gałęzie drzew miro, pomagał ojcu w młynie nad Brightwater, w którym Rutherfordowie uzyskiwali włókna i paździerze, zmiękczając, międląc i wyczesując dziki len wycinany na bagnach. Dwaj młodsi bracia Ernesta utonęli; rodzina całymi miesiącami przeszukiwała brzeg Pacyfiku w pobliżu domu.

Rutherford miał trudne dzieciństwo, uwieńczone jednak zdobytymi stypendiami, najpierw do skromnego Nelson College w pobliskim mieście Nelson na Wyspie Południowej, potem na studia na Uniwersytecie Nowozelandzkim. Mając dwadzieścia dwa lata, uzyskał na nim tytuł M.A. [Master of Art] z dwoma wyróżnieniami za pierwsze miejsce w matematyce i fizyce. Był uparty, zdolny i pełen zapału; właśnie te cechy doprowadziły go na szczyty brytyjskiej nauki. Bystrość wiejskiego chłopaka połączona z głęboką naiwnością pioniera pomogła mu dokonać niezliczonych odkryć w fizyce. Jak powiedział jego uczeń James Chadwick, wyróżniającą cechą Rutherforda była „jego genialna zdolność do dziwienia się”[27]. Zachował ją mimo wszystkich niebezpieczeństw związanych z sukcesami, a także mimo dobrze skrywanej, ale czasem chorobliwej niepewności[28] będącej skutkiem kolonialnego pochodzenia.

Pierwsza okazja do ujawnienia geniuszu zdarzyła się na Uniwersytecie Nowozelandzkim; w 1893 roku Rutherford postanowił pozostać na uczelni, by zdobyć stopień B.Sc. [Bachelor of Science, bakałarz]. W 1887 roku Heinrich Hertz odkrył „fale elektryczne”, czyli – według obecnej terminologii – fale radiowe. Odkrycie to zrobiło na Rutherfordzie wielkie wrażenie, podobnie jak na wielu młodych ludziach na całym świecie. Rutherford chciał zająć się badaniem tych fal, zbudował zatem (w wilgotnej szatni w piwnicy) oscylator Hertza – elektrycznie naładowane metalowe gałki umieścił tak, by między metalowymi płytkami przeskakiwała iskra. Szukał tematu swej pierwszej samodzielnej pracy naukowej.

Nie musiał długo szukać. W tym czasie większość fizyków, wśród nich również Hertz, uważała, że prąd zmienny o wysokiej częstotliwości, taki jaki powstaje w oscylatorze Hertza – gdy między elektrodami przeskakuje iskra i jest emitowane promieniowanie – nie powoduje namagnesowania żelaza. Rutherford sądził, że jest inaczej, i w pomysłowy sposób dowiódł swojej racji. Praca ta przyniosła mu stypendium fundacji Wystawy Światowej w 1851 roku na studia w Cambridge. Gdy przyniesiono telegram z tą wiadomością, właśnie kopał ziemniaki w rodzinnym ogrodzie. Matka przekazała mu nowinę; zaśmiał się, odrzucił motykę i wykrzyknął z tryumfem: „To jest ostatni ziemniak, jaki wykopałem!”[29] (trzydzieści trzy lata później, gdy nadano mu tytuł Baron Rutherford of Nelson, wysłał matce telegram: „Teraz lord Rutherford to bardziej twój zaszczyt niż mój”)[30].

Praca Magnetization of Iron by High-Frequency Discharges[31] [Magnesowanie żelaza przez wyładowania wysokiej częstotliwości] powstała dzięki dokładnej obserwacji i była odważnym odstępstwem od przyjętych sądów. Jeszcze bardziej zaskakujące było spostrzeżenie, że gdy poddamy działaniu prądu o wysokiej częstotliwości namagnesowane stalowe igły, następuje proces odwrotny: przepływ prądu powoduje zmniejszenie namagnesowania. Genialna zdolność Rutherforda do dziwienia się została pobudzona. Szybko sobie uświadomił, że do wzbudzenia prądu wysokiej częstotliwości w wiązce namagnesowanych igieł można zastosować fale radiowe odbierane za pomocą odpowiedniej anteny i doprowadzone do cewki. Zmianę namagnesowania igieł można wykryć, obserwując zmianę wychylenia igły kompasu.

Zanim Rutherford przybył we wrześniu 1895 roku do Cambridge (podróżował za pożyczone pieniądze), by podjąć pracę w Laboratorium Cavendisha pod kierunkiem znanego dyrektora laboratorium, zbudował aparat do wykrywania fal radiowych – był to pierwszy prymitywny radioodbiornik. We Włoszech, w posiadłości ojca, Guglielmo Marconi wciąż jeszcze trudził się nad doskonaleniem swej pierwszej wersji radioodbiornika i przez kilka miesięcy rekord odległości w wykrywaniu transmisji radiowych należał do młodego Nowozelandczyka[32].

Eksperymenty Rutherforda zachwyciły wybitnych naukowców brytyjskich, którzy dowiedzieli się o nich od Josepha Johna Thomsona. Szybko przyjęli Rutherforda do swego grona, a nawet pewnego wieczoru posadzili go na honorowym miejscu, przy profesorskim stole w King’s College. Rutherford powiedział, że czuł się tam „jak osioł w skórze lwa”[33], ale snobi z Laboratorium Cavendisha zzielenieli z zazdrości. Thomson wspaniałomyślnie postarał się, aby zdenerwowany, lecz rozradowany Rutherford przedstawił swoją trzecią pracę naukową A Magnetic Detector of Electrical Waves and Some of Its Applications [Magnetyczny detektor fal elektrycznych i pewne jego zastosowania][34] na zgromadzeniu Londyńskiego Towarzystwa Królewskiego [Royal Society of London], najpoważniejszego towarzystwa naukowego w świecie. Wykład odbył się 18 czerwca 1896 roku; Marconi doszedł do wyników Rutherforda dopiero we wrześniu[35].

Rutherford nie miał pieniędzy. Był zaręczony z Mary Newton, córką swojej gospodyni z okresu studiów na Uniwersytecie Nowozelandzkim, ale musiał odłożyć ślub, do czasu aż poprawi się jego sytuacja finansowa. Pracował, by to osiągnąć; w połowie zimy, gdy prowadził intensywne badania, napisał do narzeczonej: „Zajmuję się pilnie tym tematem [wykrywaniem fal radiowych], ponieważ ma on znaczenie praktyczne. [...] Jeśli doświadczenia w przyszłym tygodniu pójdą tak pomyślnie, jak się spodziewam, widzę możliwość szybkiego zrobienia pieniędzy w przyszłości”[36].

Kryje się w tym jakaś tajemnica. Wiadomo, że Rutherford miał surowe zasady w sprawie funduszy na badania; nie chciał przyjmować pomocy finansowej od instytucji przemysłowych ani od prywatnych ofiarodawców, ponieważ był przekonany, że sukces można osiągnąć, posługując się tylko drutem i lakiem (do uszczelniania aparatury). Przeciwstawiał się ostro komercjalizacji badań naukowych; na przykład swemu rosyjskiemu uczniowi Piotrowi Kapicy, gdy ten otrzymał z przemysłu propozycję konsultacji, powiedział: „Nie można jednocześnie służyć Bogu i mamonie”[37]. Tajemnica ta ma zapewne związek z poglądem, który C.P. Snow określa jako „osobliwy wyjątek” w „niezawodnej” intuicji Rutherforda, dodając przy tym, że „żaden naukowiec nie popełnił mniej błędów”[38]. Tym osobliwym wyjątkiem było przekonanie Rutherforda, że z atomu nie można uzyskać energii przydatnej do celów praktycznych. To właśnie ta wypowiedź tak bardzo zirytowała Leo Szilarda w 1933 roku. „Sądzę, iż obawiał się, że jego ukochana fizyka jądrowa zostanie najechana przez niewiernych, którzy zrujnują ją, wykorzystując do celów komercyjnych” – takie domysły snuł inny uczeń Rutherforda Mark Oliphant[39]. A jednak w styczniu 1896 roku Rutherford myślał o wykorzystaniu wynalazku, jakim było radio, do zdobycia pieniędzy. Co spowodowało tę dramatyczną i trwającą całe życie zmianę?

 

Relacje są niejasne, ale sugestywne. Zgodnie z długą tradycją angielską nauka była zajęciem dżentelmenów. Powszechnie pogardzano patentami i wszelkimi prawnymi i komercjalnymi ograniczeniami, które zagrażały nieskrępowanemu rozpowszechnianiu wyników badań naukowych. W praktyce to strzeżenie swobody naukowej mogło się przekształcić w snobistyczną odrazę do „wulgarnego komercjalizmu”. Ernest Marsden, fizyk ze szkoły Rutherforda i jego wnikliwy biograf, słyszał, że „w początkowym okresie w Cambridge niektórzy mówili, że Rutherford nie jest kulturalnym człowiekiem”[40]. Być może taka opinia zrodziła się z pogardy dla jego chęci uzyskania korzyści finansowych z radia.

Wydaje się, że wmieszał się w to J.J. Thomson. Niespodziewanie pojawił się wspaniały temat nowej pracy. 8 listopada 1895 roku, miesiąc po przybyciu Rutherforda do Cambridge, niemiecki fizyk Wilhelm Roentgen odkrył promienie X przenikające z fluoryzującej szklanej ścianki lampy katodowej. Roentgen ogłosił swoje odkrycie w grudniu i zadziwił nim cały świat. Nieznane promieniowanie wytyczyło w nauce nowy punkt rozwoju i Thomson niemal natychmiast rozpoczął badania. Jednocześnie nadal prowadził doświadczenia z promieniami katodowymi, które w 1897 roku doprowadziły do wykrycia, jak to nazwał, „ujemnej cząstki” – tj. elektronu, pierwszej zidentyfikowanej cząstki atomowej. Thomson potrzebował pomocy. Na pewno rozumiał także, jak niezwykłą okazję do oryginalnych badań daje praca nad promieniowaniem młodemu, tak niezwykle uzdolnionemu eksperymentatorowi jak Rutherford.

Jak mówi Marsden, aby „przed kuszeniem Rutherforda do zajęcia się nowym tematem”[41] wyjaśnić sprawę, Thomson zwrócił się do seniora brytyjskiej nauki lorda Kelvina (mającego wówczas siedemdziesiąt dwa lata) z prośbą o opinię o możliwości wyciągnięcia korzyści materialnych z radia. Niezależnie od tego, czym się kierował – wulgarnym komercjalizmem czy nie – Kelvin był jednak twórcą transoceanicznego kabla telegraficznego. „Wielki człowiek odpowiedział, że aby wypromować radio, opłaci się założyć kompanię o kapitale 100 tysięcy funtów, ale nie więcej”.

24 kwietnia Rutherford już widział wyjście. Napisał wtedy do Mary Newton: „Mam nadzieję związać jakoś koniec z końcem, ale muszę się pogodzić z tym, że pierwszy rok będzie trudny [...] Moja praca naukowa posuwa się na razie powoli. W tym semestrze pracuję z profesorem nad promieniami Roentgena. Mam trochę dosyć mojego starego tematu i jestem zadowolony ze zmiany. Spodziewam się, że na odmianę praca z profesorem przyniesie mi pożytek. Zbadałem już jeden problem, by dowieść, że potrafię pracować samodzielnie”[42]. Ton listu jest powściągliwy i zdradza brak przekonania autora, tak jakby przez Rutherforda przemawiał do narzeczonej ojcowski duch Thomsona. Rutherford miał jeszcze przed sobą wykład w Towarzystwie Królewskim [Royal Society], a gdy tam mówił, na pewno nie „miał trochę dosyć” swego tematu. Ale zmiana nastąpiła. Od tej pory zdrowa ambicja Rutherforda kierować go będzie ku zaszczytom naukowym, a nie ku korzyściom materialnym.

Można sobie wyobrazić, że Thomson usadowił pełnego zapału młodego Ernesta Rutherforda w wyłożonych ciemną boazerią pokojach neogotyckiego Laboratorium Cavendisha, które założył Clerk Maxwell, w uniwersytecie, w którym Newton pisał swe wielkie Principia, i uprzejmie mu poradził, by nie służył jednocześnie Bogu i mamonie. Można sobie wyobrazić, iż wiadomość o tym, że szacowny dyrektor Cavendisha napisał do zasiadającego na olimpie lorda Kelvina o materialnych ambicjach nieokrzesanego Nowozelandczyka, wstrząsnęła Rutherfordem do tego stopnia, że wyszedł ze spotkania z uczuciem, że zachował się groteskowo, niczym parweniusz. Nigdy więcej nie popełnił takiego błędu, nawet gdy oznaczało to pozbawianie laboratorium funduszy i zmuszało jego najlepszych uczniów do odejścia – do czego w ostateczności doszło. Nawet gdy oznaczało, że wykorzystanie energii jego hołubionego atomu nie mogło być niczym więcej niż bzdurą. Jeżeli jednak Rutherford przedłożył świętą naukę nad bogactwo, to w tym wypadku wygrał atom. To on odkrył i nazwał jego części składowe. Za pomocą drutu i laku wprowadził atom do rzeczywistości.

Lak do pieczęci miał krwistoczerwoną barwę i z tej racji był „najbardziej widocznym” wkładem Banku Anglii do nauki; brytyjscy eksperymentatorzy stosowali bankowy lak do uszczelniania szklanych rur[43]. Pierwsza praca Rutherforda na temat atomu, podobnie jak doświadczenia Thomsona z promieniami katodowymi, była kontynuacją zapoczątkowanych w XIX wieku badań efektów, które pojawiły się, gdy po usunięciu powietrza ze szklanej rury z wtopionymi z obu stron metalowymi płytkami i uszczelnionej lakiem płytki te podłączano do baterii lub cewki indukcyjnej. Pod wpływem napięcia w pustej rurze pojawiało się jarzenie. Poświata wyłaniała się z ujemnie naładowanej płytki – katody – i znikała na dodatnio naładowanej płytce – anodzie. Za pomocą cylindrycznej anody umieszczonej pośrodku rury można było skierować jarzącą się wiązkę – promienie katodowe – przez ten cylinder na drugi koniec rury, naprzeciwko katody. Jeżeli energia wiązki była wystarczająco duża, to promienie uderzały w szklaną ściankę i szkło zaczynało świecić. Rura katodowa, odpowiednio zmodyfikowana, ze spłaszczonym szklanym końcem pokrytym fosforem w celu zwiększenia fluorescencji, to obecny telewizyjny kineskop.

Wiosną 1897 roku Thomson wykazał, że wiązka żarzącej się materii w rurze katodowej nie składa się z fal świetlnych, jak to miało być (pisał sucho) zgodnie z „prawie jednomyślną opinią niemieckich fizyków”. Promienie katodowe to strumień ujemnie naładowanych cząstek wydzielanych z ujemnej katody i przyciąganych do dodatniej anody. Pole elektryczne i pole magnetyczne powodują zmianę prędkości cząstek. Cząstki są dużo lżejsze od atomów wodoru i zachowują się w taki sam sposób, bez względu na to, „przez jaki gaz przechodzi wyładowanie”[44]. Skoro są lżejsze niż wszystkie znane rodzaje materii i identyczne, niezależnie od rodzaju materii, z której powstają, to muszą być jakimś podstawowym składnikiem materii; jeżeli są częścią, to musi również istnieć całość. Skoro istniał rzeczywisty, fizyczny elektron, to musiał również istnieć rzeczywisty atom, a zatem korpuskularna teoria budowy materii została po raz pierwszy przekonująco potwierdzona empirycznie. Na dorocznym obiedzie w Laboratorium Cavendisha śpiewano na cześć sukcesu Thomsona[45]:

The corpuscle won the day

And in freedom went away

And became a cathode ray.[1*]

Thomson wiedział również z innych doświadczeń, że to, co zostaje z atomu po oddzieleniu się elektronów, ma dużo większą masę i dodatni ładunek elektryczny. Przez następne dziesięć lat pracował nad budową modelu atomu, który nazwał modelem „ciasta z rodzynkami”. Atom Thomsona składał się z „wielu cząstek z ujemnym ładunkiem elektrycznym, zamkniętych w jednorodnej, dodatnio naelektryzowanej kuli” jak rodzynki w cieście[46]. Model ten był hybrydą; składał się z cząstek – elektronów – i bezpostaciowej reszty. Model Thomsona okazał się pożyteczny, albowiem był matematycznym dowodem na to, że elektrony w atomie mogą tworzyć stabilne układy, które pozwalają wyjaśnić podobieństwa i powtarzające się własności pierwiastków chemicznych, jakie ujawnia układ okresowy Mendelejewa. Było oczywiste, że elektrony decydują o powinowactwie chemicznym pierwiastków i że u podstaw chemii leży elektryczność.

W 1894 roku Thomson przeoczył promieniowanie X[47]. W krążącej po Oksfordzie legendzie nie uchodził jednak za takiego pechowca jak fizyk Frederick Smith, który stwierdził, że płyty fotograficzne trzymane obok rury katodowej zmętniały, i po prostu kazał asystentowi przenieść je na inne miejsce[48]. Thomson zauważył wprawdzie, że szklane rury znajdujące się „w odległości kilku stóp od rury katodowej”[49] świecą tak samo jak ścianki samej rury katodowej bombardowanej promieniami, ale był zbyt pochłonięty badaniem promieni, by zastanawiać się nad tym zjawiskiem. Roentgen wyizolował je: owinął rurę katodową czarnym papierem, ale mimo to leżący w pobliżu ekran z fluoryzującego materiału nadal świecił. Zrozumiał wówczas, że czynnik, który powoduje świecenie ekranu, przechodzi przez papier i warstwę powietrza. Gdy wsunął dłoń między owiniętą rurę a ekran, świecenie ekranu nieco osłabło, za to na ekranie pojawił się cień kości dłoni.

Odkrycie Roentgena zaintrygowało innych badaczy poza Thomsonem i Rutherfordem. Francuz Henri Becquerel, fizyk w trzecim pokoleniu, tak jak jego ojciec i dziadek, był profesorem fizyki w Muzeum Historii Naturalnej [Musée d’Histoire Naturelle] w Paryżu i podobnie jak oni specjalizował się w fosforescencji i fluorescencji, z tym że interesował się przede wszystkim uranem. O odkryciu Roentgena usłyszał na cotygodniowym spotkaniu w Akademii Nauk [Académie des Sciences] 20 stycznia 1896 roku[50]. Gdy dowiedział się, że promienie X wyłaniają się z fluoryzującego szkła, natychmiast pomyślał, że powinien sprawdzić, czy przypadkiem inne materiały fluoryzujące nie emitują tych samych promieni. Przez dziesięć dni pracował bez powodzenia; 30 stycznia przeczytał artykuł o promieniach X i zachęcony do dalszej pracy postanowił zbadać sól uranu, siarczan uranylowo-potasowy.

Pierwsze doświadczenie było udane – stwierdził, że sól uranu emituje promieniowanie – ale wprowadziło go to w błąd. Owinął płytę fotograficzną czarnym papierem, spryskał papier solą uranu i „wystawił całość na kilka godzin na słońce”. Po wywołaniu płyty „na negatywie zobaczyłem czarny zarys substancji fosforescencyjnej”[51]. Becquerel wyciągnął z tego błędny wniosek, że przyczyną zjawiska było światło słoneczne, tak jak pod wpływem promieni katodowych następuje emisja promieni Roentgena ze szkła.

Historia o przypadkowym, szczęśliwym odkryciu Becquerela, jest dobrze znana. 26 i ponownie 27 lutego chciał powtórzyć doświadczenie, ale niebo nad Paryżem było zachmurzone. Odłożył przygotowaną, spryskaną solą uranu płytę fotograficzną do ciemnej szuflady. 1 marca postanowił wrócić do doświadczenia i wywołał płytę; „spodziewałem się, że uzyskany obraz będzie mało widoczny, tymczasem zarys był bardzo intensywny. Pomyślałem natychmiast, że proces może przebiegać w ciemności”[52]. Silne, przenikliwe promieniowanie pochodziło z materii niepobudzonej ani promieniami, ani światłem. Teraz Rutherford miał już nowy temat badań, mieli go również Maria i Piotr Curie, którzy podjęli mozolne próby wydzielenia czystych pierwiastków emitujących promieniowanie.

Między rokiem 1898, kiedy to Rutherford zainteresował się zjawiskiem odkrytym przez Henriego Becquerela, które Marie Curie nazwała promieniowaniem, a rokiem 1911, w którym dokonał najważniejszego odkrycia w swoim życiu, młody nowozelandzki fizyk prowadził systematyczne badania atomu.

Rutherford badał promieniowanie emitowane przez uran i tor i stwierdził, że występuje ono w dwóch rodzajach: „Istnieją co najmniej dwa różne rodzaje promieniowania – jedno, które łatwo ulega absorpcji, nazwiemy promieniowaniem α [alfa], a drugie, mające bardziej przenikliwy charakter, nazwiemy promieniowaniem β [beta]”[53]. (Francuz P.V. Villard odkrył później trzeci rodzaj promieniowania: promieniowanie rentgenowskie o dużej energii, które, zgodnie ze schematem Rutherforda, nazwano promieniowaniem γ [gamma])[54]. Rutherford przeprowadził te badania w Laboratorium Cavendisha, a zostały one opublikowane w 1899 roku, gdy miał dwadzieścia siedem lat. W tym czasie był już profesorem Uniwersytetu McGilla w Montrealu. Pewien kanadyjski kupiec tytoniowy sfinansował budowę laboratorium i zapewnił środki na pensje kilku profesorów, między nimi Rutherforda. „Uniwersytet McGilla ma dobrą opinię – pisał Rutherford do matki – 500 funtów to niezłe [uposażenie], a ponieważ laboratorium fizyczne jest najlepsze w świecie, nie mogę narzekać”[55].

 

W 1900 roku Rutherford ogłosił odkrycie promieniotwórczego gazu emanującego z toru[56], jednego z pierwiastków promieniotwórczych. Maria i Piotr Curie odkryli niebawem, że rad (który w 1898 roku wyodrębnili z rudy uranu) również wydziela gaz promieniotwórczy. Rutherford potrzebował teraz dobrego chemika, który pomógłby mu stwierdzić, czy „emanacja” toru jest torem czy czymś innym. Szczęśliwym trafem udało mu się zwabić do McGilla wielki talent, młodego absolwenta Oksfordu Fredericka Soddy’ego, przyszłego laureata Nagrody Nobla. „Na początku zimy [1900 roku] – wspomina Soddy – Ernest Rutherford, profesor nadzwyczajny fizyki, odwiedził mnie w laboratorium i opowiedział o swoich odkryciach. Właśnie wracał z Nowej Zelandii z niedawno poślubioną żoną [...] a przed wyruszeniem z Kanady w tę podróż odkrył, jak to nazwał, emanację toru [...] Oczywiście, bardzo się tym zainteresowałem i zasugerowałem, że należałoby zbadać chemiczny charakter [substancji]”[57].

Okazało się, że gaz jest chemicznie obojętny. Jak mówi Soddy: „nasuwał się zaskakujący i nieunikniony wniosek, że tor powoli i samorzutnie przekształca się w gaz szlachetny argon!”[58]. Soddy i Rutherford zaobserwowali samorzutny rozpad pierwiastków promieniotwórczych; było to jedno z największych odkryć w fizyce XX wieku. Zaczęli śledzić przebieg przemian, jakim ulegają uran, rad i tor po utracie części swojej masy na skutek wypromieniowania cząstek alfa i beta. Odkryli, że każdy promieniotwórczy produkt przemiany ma charakterystyczny „czas połowicznego rozpadu”, to jest czas, po którym natężenie promieniowania zmniejsza się dwukrotnie. W tym czasie połowa atomów danego pierwiastka przekształca się w atomy innego lub w fizycznie inną postać tego samego pierwiastka, czyli w izotop – ten termin wprowadził później Soddy[59]. Pomiar czasu połowicznego rozpadu stał się sposobem na wykrywanie obecności i identyfikowanie tworzących się substancji – „produktów rozpadu” – powstających w tak małych ilościach, że nie można ich wykryć metodami chemicznymi. Czas połowicznego rozpadu uranu wynosi 4,5 miliarda lat, radu – 1620 lat, jednego z produktów rozpadu toru – 22 minuty, a innego – 27 dni. Pewne produkty rozpadu pojawiają się i ulegają przemianie w ciągu niewielkiego ułamka sekundy – w mgnieniu oka. Badania te miały olbrzymie znaczenie dla fizyki, otwierały coraz to inne pola zaskakujących obserwacji i „przez ponad dwa lata – jak wspominał później Soddy – naukowe życie miało gorączkowe tempo rzadko spotykane w życiu pojedynczego człowieka, a może nawet w historii instytucji”[60].

W toku tych prac Rutherford zbadał promieniowanie emitowane przez pierwiastki promieniotwórcze w trakcie przemiany. Wykazał, że promieniowanie beta jest strumieniem elektronów o wysokiej energii, „pod każdym względem podobnych do promieni katodowych”[61]. Przypuszczał i później, w Anglii, dowiódł tego jednoznacznie, że cząstki alfa są dodatnio naładowanymi atomami helu powstającymi w czasie rozpadu promieniotwórczego. Hel znajdowano w kryształach rud uranu i toru; teraz wiedział dlaczego.

W ważnej pracy Radioactive Change [Przemiana promieniotwórcza] z 1903 roku, napisanej wspólnie z Soddym, można znaleźć pierwsze rzeczowe i wiarygodne oszacowanie energii wyzwalanej podczas rozpadu promieniotwórczego:

Można zatem stwierdzić, że całkowita energia promieniowania w czasie rozpadu jednego grama radu nie może być mniejsza niż 108 [tj. 100 000 000] gramokalorii, a może wynosić od 109 do 1010 gramokalorii. [...] W reakcji wodoru z tlenem następuje uwolnienie w przybliżeniu 4 × 103 [tj. 4000] gramokalorii na gram powstającej wody, a reakcja ta wyzwala więcej energii w stosunku do ciężaru niż inne znane reakcje chemiczne. Energia przemiany promieniotwórczej musi być zatem co najmniej 20 tysięcy razy, a może i milion razy większa niż energia jakiejkolwiek przemiany molekularnej.[62]

To stwierdzenie pochodziło z opublikowanej pracy naukowej, nieoficjalnie natomiast Rutherford skłaniał się do eschatologii. W tym samym roku (1903) jego kolega z Cambridge, pisząc artykuł o promieniotwórczości, zastanawiał się, czy zacytować „żartobliwą sugestię [Rutherforda], że gdyby dało się znaleźć odpowiedni detonator, można by sobie wyobrazić zainicjowanie fali rozpadów atomowych w materii, a wtedy nasz stary świat rzeczywiście ulotniłby się z dymem”[63]. Rutherford z upodobaniem żartował, że „jakiś głupiec w laboratorium mógłby nieświadomie wysadzić w powietrze cały wszechświat”[64]. Jeśli nawet energia atomowa nie miała nigdy stać się użyteczna, wiadomo, że może być niebezpieczna.

Po powrocie do Anglii w 1903 roku Soddy zbadał ten problem dokładniej. W wykładzie na temat radu, wygłoszonym w 1904 roku w Królewskim Korpusie Inżynieryjnym [Corps of Royal Engineers], przedstawił różne możliwości wykorzystania energii atomowej:

Prawdopodobnie cała ciężka materia ma – utajoną i związaną w strukturze atomu – podobną energię, jaką ma rad. Gdyby można było ją wykorzystać i kontrolować, jakiż to byłby czynnik w kształtowaniu losów świata! Człowiek, który położyłby rękę na dźwigni, za pomocą której oszczędna natura tak zazdrośnie reguluje strumień z tego magazynu energii, posiadłby oręż, którym, gdyby zechciał, mógłby zniszczyć ziemię.[65]

Soddy nie sądził, by to było możliwe: „Fakt, że istniejemy, jest dowodem, że nie zdarzają się [procesy, w których następuje wyzwolenie wielkiej energii]; a [fakt], że się to nie zdarzyło, jest najlepszą gwarancją, że nigdy nie nastąpi. Możemy ufać Naturze, że ustrzeże swoją tajemnicę”.

Gdy H.G. Wells przeczytał podobne stwierdzenie w książce Soddy’ego Interpretation of Radium z 1909 roku, uznał, że Natura nie jest godna takiego zaufania. „Pomysł zaczerpnąłem z Soddy’ego” – pisał o powieści The World Set Free. Określał swoje dzieło jako „jedną ze starych, dobrych powieści naukowych”[66]; uważał je jednak za tak ważne, że przerwał pisanie powieści społeczno-obyczajowych. A zatem wypowiedzi Rutherforda i Soddy’ego o przemianach promieniotwórczych przyczyniły się do powstania fantastycznonaukowej powieści, która z kolei pobudziła Leo Szilarda do myślenia o reakcjach łańcuchowych i bombach atomowych.

Latem 1903 roku Rutherfordowie odwiedzili Marię i Piotra Curie w Paryżu. W dniu ich wizyty pani Curie otrzymała tytuł doktora nauk przyrodniczych; przyjaciele zorganizowali przyjęcie z tej okazji. „Po bardzo ożywionym wieczorze – wspominał Rutherford – około godziny jedenastej udaliśmy się do ogrodu, a profesor Curie przyniósł tam rurę częściowo pokrytą siarczkiem cynkowym i zawierającą dużą ilość radu w roztworze. W ciemności luminescencja była wspaniała i było to znakomite zakończenie tego niezapomnianego dnia”. Widoczna w ciemnościach paryskiego wieczoru biała fluorescencja warstwy siarczku cynkowego świadczyła o obecności cząstek o dużej energii, wypromieniowywanych z radu przy przemianach w dół okresowego układu pierwiastków – od uranu do ołowiu. Światło było na tyle jasne, że Rutherford zobaczył ręce Piotra Curie „bardzo zaognione i obolałe na skutek naświetlania promieniami radu”[67]. Ręce spuchnięte, poparzone promieniowaniem, były kolejnym przykładem działania energii materii.

W 1905 roku do laboratorium Rutherforda w Montrealu przyjechał dwudziestosześcioletni niemiecki chemik z Frankfurtu Otto Hahn. Hahn odkrył nowy „pierwiastek” radiotor – jak się później okazało – jeden z dwunastu izotopów toru. Hahn i Rutherford wspólnie badali promieniowanie toru; stwierdzili, że cząstki alfa emitowane przez tor mają taką samą masę jak cząstki alfa emitowane przez rad i aktyn – jeszcze jeden pierwiastek promieniotwórczy. Wynikał z tego wniosek, że cząstki alfa rozmaitego pochodzenia są prawdopodobnie identyczne. Był to kolejny krok na drodze do dowodu podanego przez Rutherforda w 1908 roku, że cząstki alfa są zjonizowanymi atomami helu. Hahn wrócił do Niemiec w 1906 roku i rozpoczął świetną karierę odkrywcy izotopów i pierwiastków. Leo Szilard spotkał go w latach dwudziestych w Berlinie; Hahn pracował tam w Instytucie Chemii Cesarza Wilhelma razem z Lise Meitner.