«Время рождения мира и другие научные эссе»

230

вправе сделать вывод, что другие редкие элементы аналогичным образом широко распространены, но остаются необнаружимыми из-за своих более стабильных свойств.

Не следует думать, что недоэкспонированное гало — это недавнее творение. Отнюдь нет. Все они старые, пугающе старые; и в одной и той же породе все они, вероятно, одного или почти одного возраста. Недоэкспонированность просто обусловлена меньшим количеством радиоактивных элементов в ядре. Короче говоря, они недоэкспонированы не из-за меньшей продолжительности воздействия, а из-за недостаточного действия; как если бы при фотосъемке диафрагма была недостаточно открыта для времени экспозиции.

Гало до сих пор говорило нам, что закон аддитивности соблюдается в твердых средах и что повышенная ионизация, сопровождающая замедление луча, наблюдаемая в газах, также имеет место в твердых телах; в противном случае гало не начинало бы свое развитие как сферическая оболочка или конверт. Но здесь мы узнаем, что, вероятно, существует определенное различие в ходе событий, сопровождающих непосредственное прохождение луча в газе и в твердом теле. В первом случае начальная рекомбинация может скрыть интенсивную ионизацию вблизи конца пробега. Мы можем обнаружить истинные конечные эффекты только путем искусственного разделения ионов сильной электрической силой. Если бы эта рекомбинация происходила в минерале, у нас не было бы таких четко определенных концентрических сфер, какими мы их видим. Что же тогда препятствует начальной рекомбинации в твердом теле? Ответ, вероятно, заключается в том, что вновь образованный

231

ион мгновенно расходуется в новой химической комбинации. И он не свободен менять свое место, как в газе. Просто возникает новое равновесие, вызванное его внезапным появлением. Таким образом, условия в сложном молекулярном строении биотита, турмалина и т. д. могут быть столь же эффективны в предотвращении начальной рекомбинации, как и самая эффективная электрическая сила, которую мы могли бы применить. Конечный результат заключается в том, что мы находим кривую Брэгга, наиболее точно воспроизведенную в тонкой штриховке колец, составляющих идеально экспонированное гало.

То, что штриховка колец воспроизводит форму кривой Брэгга, спроецированную, так сказать, на линию продвижения луча и воспроизведенную в глубине штриховки, показывает, что еще в одной особенности альфа-луч ведет себя почти так же в твердом теле, как и в газе. Тщательное изучение внешнего края кругов всегда выявляет резкое, но не внезапное прекращение действия луча. Гейгер исследовал и доказал существование рассеяния альфа-лучей твердыми телами. Поэтому мы можем с большой долей вероятности предположить, что такое же рассеяние происходит внутри минерала вблизи конца пробега. Тяжелый атом железа в биотите, несомненно, в основном ответственен за это в гало биотита. Я могу заметить, что эта штриховка внешней ограничивающей поверхности сферы действия обнаруживается независимо от того, насколько мало центральное ядро. В случае ядра значительного размера вступает в действие другой эффект, который имеет тенденцию создавать усиленную штриховку. Это

232

произойдет, если лучи исходят с разной глубины в ядре. Если бы ядро было той же плотности и атомного веса, что и окружающая слюда, эффект был бы незначительным. Но его плотность и молекулярный вес, как правило, больше, следовательно, замедление больше, и лучи, исходящие из глубины ядра, испытывают большее замедление, чем те, которые исходят из точек вблизи поверхности. Расстояния, достигаемые лучами в слюде, будут варьироваться соответственно, и поэтому будет происходить постепенное прекращение эффектов лучей.

Результат нашего изучения гало можно суммировать в утверждении, что почти во всех деталях мы имеем явления, которые были измерены и наблюдались в газе, воспроизведенные в микроскопическом масштабе в гало. Начальная рекомбинация, однако, по-видимому, отсутствует или ее эффективность уменьшена; вероятно, из-за новой стабильности, мгновенно приобретаемой ионизированными атомами.

Один из самых интересных моментов относительно гало еще предстоит упомянуть. Гало всегда равномерно затемнено по всей окружности и является идеально сферическим. Срезы, взятые как в плоскости спайности слюды, так и поперек нее, показывают одну и ту же точно круглую форму и один и тот же радиус. Конечно, если бы было какое-либо заметное увеличение пробега вдоль или поперек спайности, форма гало на срезе поперек спайности должна была бы быть эллиптической. Тот факт, что нет измеримой эллиптичности, является, я думаю, тем, чего при первом рассмотрении можно было бы не ожидать.

233

Ибо каковы условия, сопровождающие прохождение луча в такой среде, как слюда? Согласно кристаллографическим представлениям, мы имеем здесь упорядоченное расположение молекул, единицы, составляющие кристалл, одинаковы по массе, геометрически расположены и поляризованы в отношении притяжений, которые они оказывают друг на друга. Слюда, в частности, обладает явлением спайности, развитым до степени, которая превосходит его развитие в любом другом известном веществе. Мы можем расщеплять ее снова и снова, пока ее чешуйки не поплывут в воздухе, и мы можем продолжать расщеплять ее специальными средствами, пока чешуйки перестанут отражать видимый свет. И не менее примечательна одноплоскостная природа ее спайности. Спайность почти отсутствует в любой плоскости, кроме одной, хотя легко показать, что молекулы в плоскости чешуйки расположены упорядоченно и легче разделяются в одних направлениях, чем в других. В такой среде, более чем в любой другой, мы должны с удивлением смотреть на идеальную сферу, очерченную альфа-лучами, потому что кажется несомненным, что спайность обусловлена меньшим притяжением и, вероятно, большим расстоянием между молекулами в направлении, перпендикулярном спайности.

Может оказаться, что расстояние между молекулами будет мало влиять на среднее число молекул на единицу расстояния, встречаемых лучами, движущимися по расходящимся путям. Если это так, мы, по-видимому, должны сделать вывод, что, несмотря на неравные и поляризованные притяжения, существует равное замедление и равная ионизация в молекуле, с какой бы стороны к ней ни приближались.

234

Или, опять же, если столкновения действительно различаются по количеству, то должен существовать какой-то компенсирующий эффект, при котором направление меньшей линейной плотности влечет за собой большую тормозную способность в встреченной молекуле, и наоборот.

Природа изменений, производимых альфа-лучами, неизвестна. Но формирование гало, по крайней мере на его ранних стадиях, не сопровождается разрушением кристаллографических и оптических свойств среды. Оптические свойства не меняются по своей природе, но увеличиваются по интенсивности. Это применимо до тех пор, пока гало не станет настолько темным, что свет больше не будет проходить в условиях толщины, принятых в шлифах горных пород. Хорошо известно, что в биотите наблюдается максимальное поглощение плоскополяризованного светового луча, когда плоскость колебаний совпадает с плоскостью спайности. Срез поперек спайности тогда показывает максимальную степень поглощения. Гало, видимое на этом срезе, просто производит этот эффект в более интенсивной степени. Это хорошо показано на табл. XXIII (нижний рисунок) на части сферы гало. Описательное название «Плеохроичное гало» произошло от этого факта. Мы должны сделать вывод, что эффект ионизации, обусловленный альфа-лучами, не привел к фундаментальному изменению условий, которые вызывают оптические свойства среды. Увеличенное поглощение, вероятно, связано с некоторым изменением химического состояния присутствующего железа. Гало, я полагаю, не встречаются в минералах, из которых этот

235

элемент отсутствует. Одно можно сказать наверняка. Окрашивание не обусловлено накоплением атомов гелия, т. е. отработанных альфа-лучей. Доказательства этого убедительны. Если бы гелий был ответственен за это, у нас были бы гало, образующиеся во всех видах бесцветных минералов. Теперь мы иногда видим цирконы в полевых шпатах, кварце и т. д., но ни в одном таком случае гало не образуется. А сферы гало, сформированные внутри и достаточно близко к краю кристалла слюды, резко обрываются соседними областями полевого шпата или кварца, хотя мы знаем, что лучи должны свободно проходить через границу. Опять же, легко показать, что даже в самых старых гало количество вовлеченного гелия настолько мало, что можно было бы сказать, что сфера гало является довольно хорошим вакуумом в отношении гелия. Наконец, нет никаких оснований полагать, что захваченный гелий проявлял бы такое окрашивание или, действительно, какое-либо вообще.

Я уже упоминал о великом возрасте гало. Гало не встречаются в более молодых изверженных породах. Вероятно, гало моложе миллиона лет никогда не наблюдалось. Это, prima facie, указывает на чрезвычайно медленную скорость формирования. И наши расчеты вполне подтверждают выводы о том, что рост гало, если он был равномерным, происходит со скоростью почти невообразимой медленности.

Давайте рассчитаем количество альфа-лучей, которые могли пойти на формирование гало в девонском граните Ленстера.

236

Обычно в этом граните встречаются гало, развитые идеально и имеющие ядро из циркона диаметром менее 5 x 10^-4 см. Объем циркона составляет 65 x 10^-12 куб. см, а масса 3 x 10^-10 г; и если бы в этом цирконе было 10^-8 г радия на грамм (количество примерно в пять раз превышающее наибольшее количество, измеренное Страттом), масса вовлеченного радия составляет 3 x 10^-18 г. Исходя из этого и из факта, установленного Резерфордом, что количество альфа-лучей, испускаемых граммом радия в секунду, составляет 3,4 x 10^10, мы находим, что три луча вылетают из ядра за год. Если теперь геологическое время с девонского периода составляет 50 миллионов лет, то 150 миллионов лучей построили гало. Если геологическое время с девонского периода составляет 400 миллионов лет, то 1200 миллионов альфа-лучей участвуют в его генезисе. Количество вовлеченных ионов, конечно, значительно превышает эти числа. Один альфа-луч, выпущенный из радия C, произведет 2,37 x 10^5 ионов в воздухе.

Но можно найти гало, вполне четко определенные и довольно темные вплоть до пробега луча эманации и происходящие из гораздо меньших количеств радиоактивных материалов. Так, ядро из циркона диаметром всего 3,4 x 10^-4 см сформировало гало, сильно затемненное внутри и показывающее радий A и радий C в виде четких дымчатых колец. Такое ядро, исходя из сделанного выше предположения о содержании радия, испускает один луч в год. Но, опять же, наблюдаются гало с менее почерневшими центрами и со слабым кольцом, обусловленным радием C, сформированные вокруг ядер

237

диаметром чуть менее 2 x 10^-4 см. Такие ядра испускали бы один луч за пять лет. И даже меньшие ядра будут генерировать в этих старых породах гало с четко развитыми ранними характерными признаками. В случае самых мелких ядер, если мое предположение о содержании урана верно, альфа-луч испускается, вероятно, не чаще одного раза в столетие; и, возможно, через еще более длительные интервалы.

Равновесное количество радия, содержащееся в некоторых ядрах, может составлять всего несколько атомов. Даже в случае более крупных ядер и более совершенно развитых гало количество вовлеченного радия во много миллионов раз меньше, чем наименьшее количество, которое мы можем распознать любыми другими средствами. Но тонкость наблюдения не вполне раскрыта в этом утверждении. Мы можем не только определить природу радиоактивного семейства, с которым имеем дело; но мы можем распознать присутствие некоторых из его составляющих членов. Я могу сказать, что не вероятно, чтобы цирконы были богаче радием, чем я предположил. Мое предположение включает около 3 процентов урана. Мне не известны анализы, приписывающие циркону такое большое количество урана. Было обнаружено, что разновидность циртолит содержит примерно половину этого количества. Но даже если бы мы удвоили нашу оценку содержания радия, поразительный характер наших выводов едва ли уменьшился бы.

Может показаться странным, что вечно интересный вопрос о возрасте Земли должен найти разъяснение при

238

изучении гало. Тем не менее, эти предметы тесно связаны. Обстоятельства следующие. Геологи оценивали возраст Земли с момента начала денудации путем измерения интегральных эффектов денудации. Эти методы сходятся в указании возраста около 10^8 лет. С другой стороны, были проведены измерения накопления в минералах радиоактивных остатков — гелия и свинца — и получены результаты, которые, хотя и не очень хорошо согласуются между собой, сходятся в присвоении породам гораздо большего возраста. Если радиоактивная оценка верна, то мы сейчас живем в то время, когда денудационные силы Земли примерно в восемь или девять раз активнее, чем они были в среднем в прошлом. Такое положение вещей абсолютно необъяснимо. И тем более необъяснимо, что, исходя из всего, что мы знаем, мы ожидали бы несколько меньшей скорости растворяющей денудации по мере того, как мир становится старше, а суша все больше и больше нагружается вымытыми материалами горных пород.

Оба упомянутых метода определения возраста предполагают принцип единообразия. Геолог настаивает на единообразии на протяжении всей физической истории Земли. Физик утверждает то же самое для скоростей изменения радиоактивных элементов. Теперь изучение горных пород позволяет нам сделать некоторые выводы о прошлой истории нашего земного шара. С другой стороны, ничего не известно относительно происхождения урана или тория — материнских радиоактивных тел. И, не ставя под сомнение закон

239

и регулярность, которые, несомненно, преобладают в периодах полураспада членов радиоактивных семейств, мне кажется допустимым спросить, была ли скорость изменения урана всегда такой, какой мы ее сейчас считаем. Это сводится примерно к тому же, что и предположение, что атомы, обладающие более быстрой скоростью изменения, когда-то были связаны с ним, будучи способными отдавать породам как гелий, так и свинец. Такие атомы могли быть коллатеральными по происхождению с ураном от некоторого предшествующего элемента. Подобно гелию, свинец может быть производным от более чем одной последовательности радиоактивных изменений. В нынешнем состоянии наших знаний возможности многочисленны. Известно, что скорость изменения связана с пробегом альфа-луча, испускаемого трансформирующимся элементом; и соответствие гало нашим существующим знаниям о пробегах является основанием для предположения, что, каково бы ни было происхождение более активного соседа урана, он проходил через аналогичные элементарные изменения в процессе своего распада. Однако могли быть различия в пробегах, которые гало не выявило бы. Примечательно, что уран в настоящее время, по-видимому, ответственен за два альфа-луча с очень разными пробегами. Если они исходят из разных элементов, один должен иметь более быструю скорость изменения, чем другой. Некоторое руководство может еще появиться из изучения более неясных проблем радиоактивности.

Теперь не невероятно, что гало может внести прямой вклад в эту дискуссию. Мы можем, очевидно, воздействовать

240

на биотит известным количеством альфа-лучей и определить, сколько их требуется для получения определенной интенсивности потемнения, соответствующей таковой у гало с ядром измеримых размеров. На определенных допущениях, которые верны в определенных пределах, мы можем рассчитать, как я сделал выше, количество лучей, участвующих в формировании гало. При этом мы принимаем некоторое значение возраста гало. Давайте возьмем максимальное радиоактивное значение. Гало, возникшее в девонские времена, может достичь определенного центрального почернения от эффектов, скажем, 10^8 лучей. Но теперь предположим, что мы обнаружим, что не можем произвести ту же степень почернения с этим количеством лучей, примененным в лаборатории. К какому выводу мы должны прийти? Я думаю, что нам открыт только один вывод: что в прошлом существовал какой-то другой источник альфа-лучей или более быстрая скорость их поставки. И этот вывод объяснил бы отсутствие гало в более молодых породах; что, ввиду огромного диапазона эффектов, возможных при развитии гало, в противном случае объяснить нелегко. Очевидно, что эксперимент на биотите имеет прямое отношение к обоснованности радиоактивного метода оценки возраста горных пород. Сейчас он проводится профессором Резерфордом в надежных условиях.

Наконец, есть один очень верный и ценный факт, который можно узнать из гало. Гало установило крайнюю редкость радиоактивности как атомного явления. Все без исключения спекуляции о

241

медленном распаде более распространенных элементов могут быть отброшены. Гало показывает, что слюда горных пород радиоактивно чувствительна. Фундаментальным критерием радиоактивного изменения является испускание альфа-луча. Молекулярная система слюды и многих других минералов нестабильна в присутствии этих лучей, точно так же, как фотопластинка нестабильна в присутствии света. Более того, минерал интегрирует радиоактивные эффекты таким же образом, как фотосоль интегрирует эффекты света. В обоих случаях самые слабые активности в конечном итоге становятся доступными для нашего осмотра. Мы видели, что один луч в каждый год с девонского периода построит полностью сформированное гало: объект, не похожий ни на какое другое явление в горных породах. И мы смогли отнести все исследованные до сих пор гало к тому или иному из известных радиоактивных семейств. Мы, очевидно, оправданы в убеждении, что если бы другие элементы были радиоактивны, мы должны были бы либо найти характерные гало, произведенные ими, либо обнаружить полное потемнение слюды. Самые слабые альфа-лучи, испускаемые относительно огромными количествами преобладающих элементов, действующие в течение всей продолжительности геологического времени — и следует помнить, что гало, которые мы изучали, сравнительно молоды — должны были зарегистрировать свои эффекты на чувствительных минералах. И таким образом мы можем с уверенностью заключить, что обычные элементы, и, действительно, многие, которые были бы названы редкими, обладают степенью стабильности, которая сохранила их не

242

измененными с начала геологического времени. Каждая нетронутая чешуйка слюды является, таким образом, неопровержимым доказательством факта, который, если бы не гало, вероятно, навсегда остался бы вне нашего познания.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИЯ В МЕДИЦИНЕ [1]

Для прогресса радиоактивного лечения заболеваний было неудачным то, что его методы и претензии включают многое от чудесного. До недавнего времени, действительно, значительная часть радиоактивной терапии могла быть описана только как граничащая с оккультизмом. Неудивительно, что когда в дополнение к ее оккультным и чудесным характеристикам от ее имени выдвигались претензии, которые во многих случаях не могли быть подтверждены, многие врачи стали относиться к ней с определенной долей подозрения.

Сегодня, я полагаю, мы находимся в лучшем положении. Я думаю, что возможно приписать рациональную научную основу ее законным претензиям и показать, по сути, что в радиоактивном лечении мы преследуем методы, которые уже были широко опробованы и признаны имеющими определенную ценность; и что новые методы отличаются от старых главным образом своей мощностью и доступностью, а не по существу.

Давайте кратко рассмотрим основы этой науки. Радий — это металлический элемент, химически напоминающий барий. Он

[1] Лекция для аспирантов-медиков в связи с основанием Дублинского радиевого института, прочитанная в Школе физики в Ирландии, Тринити-колледж, 2 октября 1914 года

244

обладает, однако, замечательным свойством, которого нет у бария. Его атомы не одинаково стабильны. В данном количестве радия определенный очень малый процент от общего числа присутствующих атомов распадается в секунду. Под «распадом» мы подразумеваем их трансмутацию в другой элемент. Радий, который при обычных условиях является твердым элементом, дает начало путем трансмутации газообразному элементу — эманации радия. Новый элемент является тяжелым газом при обычных температурах и, подобно другим газам, может быть сжижен при экстремальном холоде. Необычайное свойство трансмутации является полностью автоматическим. Никакое влияние, которое химик или физик может применить, не может повлиять на скорость трансформации.

Эманация наследует свойство нестабильности, но в ее случае нестабильность более выражена. Относительно большая доля ее атомов трансмутирует в секунду в твердый элемент, обозначенный как Радий A. В свою очередь, это новое поколение атомов распадается — даже быстрее, чем эманация — становясь еще одним элементом со специфическими химическими свойствами. И так далее для целой последовательности трансмутаций, пока, наконец, не образуется стабильное вещество, идентичное обычному свинцу по химическим и физическим свойствам, но обладающее немного меньшим атомным весом.

Генеалогия радиевого ряда элементов показывает, что радий не является отправной точкой. Он обладает предками, которые были прослежены до элемента урана.

Какое же отношение имеет эта серия трансмутаций

245

к медицинской науке? Радий или эманация и т. д. не входят в Фармакопею, как, скажем, мышьяк или висмут. Вся лечебная ценность этих элементов заключается в очень удивительных явлениях их излучений. Они излучают в процессе трансмутации.

Изменяющийся атом может излучать часть своей собственной массы. «Альфа»-луч (a-луч) — это такой материальный луч. Это электризованный атом гелия, выброшенный из материнского атома с огромной скоростью — такой скоростью, которая перенесла бы его, если бы не было препятствий, вокруг земли за две секунды. Все альфа-лучи — это положительно электризованные атомы элемента гелия, который тем самым оказывается неотъемлемой составляющей многих элементов. Альфа-луч не представляет большой ценности для медицинской науки, ибо, несмотря на свою огромную скорость, он вскоре останавливается при столкновении с другими атомами. Он может проникнуть лишь на ничтожную долю миллиметра в обычные мягкие ткани. Мы не будем рассматривать его далее.

Трансмутирующие атомы испускают также материальные лучи другого рода: ß-лучи. ß-луч по массе составляет лишь очень малую долю даже атома водорода. Его скорость может приближаться к скорости света. Будучи выброшенным радиоактивными элементами, он начинает движение со скоростями, которые варьируются в зависимости от элемента и могут составлять от одной трети до девяти десятых скорости света. ß-луч отрицательно электризован. Он давно известен науке как электрон. Он также идентичен катодному лучу вакуумной трубки.

246

Другой и совершенно иной вид излучения испускается многими трансмутирующими элементами: — y-луч. Это не материальное, это эфирное излучение. Сейчас с уверенностью известно, что y-луч по своей природе идентичен свету, но имеет гораздо более короткую длину волны, чем даже крайний ультрафиолетовый свет солнечного спектра. y-луч испускается трансмутирующим атомом вместе с ß-лучом. Он идентичен по характеру рентгеновскому лучу, но имеет еще более короткую длину волны.

Существует очень интересная связь между y-лучом и ß-лучом, которую важно понять врачу — насколько это возможно при наших нынешних знаниях.

Когда y-лучи или рентгеновские лучи падают на вещество, они порождают ß-лучи. Механизм этого процесса неизвестен, но, возможно, это результат резонанса атома или его частей на короткие световые волны. И примечательно, что y-лучи, которые, как мы видели, являются более короткими и более проникающими волнами, чем рентгеновские лучи, порождают ß-лучи, обладающие большей скоростью и проникающей способностью, чем ß-лучи, возбуждаемые рентгеновскими лучами. Действительно, ß-лучи, порожденные y-лучами, могут достигать скорости, почти приближающейся к скорости света и такой же большой, как у любых ß-лучей, испускаемых трансмутирующими атомами. Опять же, существуют доказательства того, что ß-лучи, падающие на вещество, могут порождать y-лучи. Самая замечательная демонстрация этого видна в рентгеновской трубке. Здесь рентгеновские лучи возникают там, где поток ß- или катодных лучей

247

задерживается на аноде. Но первое отношение в настоящее время наиболее важно для нас — т. е. что y- или рентгеновские лучи порождают ß-лучи.

Это отношение дает нам дополнительные доказательства идентичности физических эффектов y-, рентгеновских и световых лучей — используя термин световые лучи в обычном смысле спектральных лучей. Ибо давно известно, что световые волны освобождают электроны из атомов. Было обнаружено, что эти электроны обладают определенной начальной скоростью, которая тем больше, чем короче длина волны света, участвующего в их освобождении. Вся наука «фотоэлектричества» сосредоточена вокруг этого явления. Действие света на фотопластинку, а также многие другие физические и химические явления находят объяснение в этом освобождении электрона световой волной.

Здесь, таким образом, у нас есть спектральные световые волны, освобождающие электроны — т. е. очень мелкие отрицательно заряженные частицы, и мы обнаруживаем, что по мере использования более коротких световых волн начальная скорость этих частиц увеличивается. Опять же, у нас есть рентгеновские лучи, которые имеют гораздо меньшую длину волны, чем спектральный свет, освобождающие гораздо более быстрые отрицательно электризованные частицы. Наконец, у нас есть y-лучи — самые короткие из всех волн — освобождающие отрицательные частицы с самой высокой известной скоростью. Очевидно, что вся серия явлений непрерывна.

Теперь мы можем внимательнее рассмотреть действия, участвующие в терапевтическом влиянии различных лучей, и таким

248

образом также увидеть далее корреляцию между тем, что можно назвать фототерапией и радиоактивной терапией.

ß-луч, получаем ли мы его непосредственно от трансформирующегося радиоактивного атома или в результате эффектов y- или рентгеновских лучей на атом, является ионизирующим агентом удивительной силы. Что это означает? В физическом аспекте это означает, что атомы, через которые он проходит, приобретают свободные электрические заряды; некоторые становятся положительными, некоторые отрицательными. Это может быть обусловлено только потерей электрона затронутым атомом. Потеря малого отрицательного заряда, переносимого электроном, оставляет атом положительно электризованным или создает положительный ион. Фиксация блуждающего электрона на нейтральном атоме создает отрицательный ион. Прежде чем рассматривать важность явления ионизации, мы должны зафиксировать в нашем сознании, что агентом, который вызывает это, является ß-луч. Мало доказательств того, что y-луч может непосредственно создавать ионы в значительной степени. Но действие освобождения высокоскоростных ß-лучей приводит к созданию многих тысяч ионов каждым освобожденным ß-лучом. Как агент в руках врача мы должны рассматривать y-луч как световую волну чрезвычайно проникающего характера, которая создает высокоскоростные ß-лучи в тканях, которые она проникает, причем эти ß-лучи являются наиболее мощными ионизирующими агентами. ß-лучи, непосредственно полученные от радиоактивных атомов, помогают в работе ионизации. ß-лучи не

249

проникают далеко от своего источника. Самые быстрые из них, вероятно, не проникли бы на один сантиметр в мягкие ткани.

Теперь мы должны вернуться к явлению ионизации. Ионизация наиболее заметно проявляется при наблюдении, когда она происходит в газе. + и - электрические заряды на частицах газа наделяют его свойствами проводника электричества, при этом + ионы свободно движутся в одном направлении, а - ионы — в противоположном под действием электрического потенциала. Но есть эффекты, вызванные ионизацией, более важные для врача, чем этот. Химик давно пришел к признанию того, что в ионе он имеет дело с внутренним механизмом большого числа химических явлений. Ибо с электризацией атома возникают силы притяжения и отталкивания. Мы можем непосредственно показать химические эффекты ионизирующих ß-лучей. Вода, подвергнутая их бомбардировке, расщепляется на водород и кислород. И, опять же, разделенные атомы могут быть частично рекомбинированы под влиянием излучения. Аммиак расщепляется на водород и азот. Углекислый газ образует углерод, окись углерода и кислород; соляная кислота образует хлор и водород. В этих случаях также рекомбинация может быть частично осуществлена лучами.

Мы можем быть вполне уверены, что внутри сложной структуры живой клетки ионизирующие эффекты, которые повсюду сопровождают ß-лучи, должны оказывать глубокое влияние. Последовательность химических событий, которые пока кажутся

250

вне познания науки и которые вовлечены в метаболизм, не могут не быть затронуты. И неудивительно, что в результате эксперимента обнаружено, что излучения являются агентами, которые могут быть использованы либо для стимуляции естественных событий роста, либо для фактического разрушения клетки. Легко видеть, что слабое излучение должно производить один эффект, сильное — другой. Подобным образом умеренным световым стимулом мы создаем латентное изображение на фотопластинке; интенсивным светом мы снова разрушаем это изображение. Внутренний механизм в этом последнем случае может быть логически изложен.[1]

_Здесь, очевидно, есть истинная физическая основа для эффективности радиоактивного лечения, и, что более того, мы обнаруживаем при ее изучении, что она по своей природе не отличается от той, которая лежит в основе лечения спектральными излучениями. Но по степени она очень отличается, и здесь кроется причина особой важности радиоактивности как терапевтического агента._ Свет Финзена способен влиять на мягкие ткани только на небольшую глубину. Причина в том, что длина волны используемого света слишком велика, чтобы проходить без быстрого поглощения через ткани; и, кроме того, электроны, которые он порождает — т. е. ß-лучи, которые он освобождает — слишком медленно движутся, чтобы быть очень эффективными ионизаторами. Рентгеновские лучи проникают в некоторых случаях довольно свободно и порождают гораздо более быстрые и мощные ß-лучи

[1] См. «Латентное изображение», стр. 202.

251

чем свет Финзена. Но гораздо более проникающими, чем рентгеновские лучи, являются y-лучи, испускаемые при некоторых радиоактивных изменениях. Они порождают ß-лучи, имеющие скорость, приближающуюся к скорости света.

y-лучи, следовательно, являются очень проникающими и мощно ионизирующими световыми волнами; световыми волнами, которые совершенно невидимы для глаза и могут пронизывать ткани тела. Только мысленному взору они видимы. И очень удивительную картину они создают. Мы видим, как трансмутирующий атом вспыхивает этим светом на невообразимо короткий миг, выбрасывая ß-луч. И «так далеко эта маленькая свеча бросает свои лучи» в сложную систему клеток, так далеко атомы, потрясенные лучами, посылают ß-лучи; эти, в свою очередь, бросаются на другие атомные системы; возникают новые разделения электронов, возникают новые притяжения и отталкивания, и происходят самые важные химические изменения. Наша ментальная картина может претендовать лишь на то, чтобы быть диаграмматической по отношению к реальности. Тем не менее, мы здесь имеем дело с признанными физическими и химическими явлениями, и их описание как «оккультных» в уничижительном смысле, безусловно, не оправдано.

Теперь, кратко рассмотрев природу лучей, возникающих в радиоактивных веществах, и обоснование их влияния, мы должны перейти к более практическим соображениям.

Таблица, приведенная напротив, показывает, что сам радий ответственен только за a- и ß-лучи. Случается, что

252

Период, в течение которого ½ элемента трансформируется.

УРАН 1 & 2 { a } 6 x 10^9 лет.

УРАН X { ß } 24,6 дня.

ИОНИЙ { a } 8 x 10^4 лет.

РАДИЙ { a } 2 x 10^3 лет.

ЭМАНАЦИЯ { a } 8,85 дня.

РАДИЙ A { a } 3 минуты.

РАДИЙ B { ß y } 26,7 минуты.

РАДИЙ C { a ß y } 13,5 минуты.

РАДИЙ D { ß } 15 лет.

РАДИЙ E { ß y } 4,8 дня.

РАДИЙ (Полоний) F { a } 140 дней.

Таблица, показывающая последовательные поколения элементов семейства урана-радия, характер их излучений и их долговечность.

253

ß-лучи, испускаемые радием, очень «мягкие» — т. е. медленные и легко поглощаемые. a-луч ни в коем случае не пригоден для чего-либо, кроме простого поверхностного применения. Следовательно, мы видим, что, вопреки общепринятому мнению, сам радий имеет мало прямой терапевтической ценности. Не является таковым и следующее тело в последовательности — эманация, ибо она дает только a-лучи. Фактически, если быть кратким, только когда мы доходим до Радия B, достигаются ß-лучи относительно высокого проникающего качества; и только когда мы доходим до Радия C, получаются высокопроникающие y-лучи.

Именно вокруг этого элемента, Радия C, сосредоточено главное медицинское значение радиоактивного лечения этим семейством радиоактивных тел. Мало того, что ß-лучи Радия C очень проникающие, но y-лучи, возможно, являются самыми энергичными лучами известного рода. Далее в списке нет особого медицинского интереса.

Теперь, как мы можем получить запас этого ценного элемента Радия C? Мы можем получить его из самого радия. Ибо даже если радий был лишен своей эманации (что легко сделать путем нагревания или перевода его в раствор), через несколько недель мы получаем обратно Радий C. В одном моменте здесь мы должны быть ясны. С данным количеством радия будет ассоциироваться только определенное, строго ограниченное количество Радия C, или эманации, или любого другого производного тела. Почему это так? Ответ заключается в том, что несколько последовательных элементов сами распадаются — т. е. превращаются один в другой. Атомный про-

254

цент каждого из них, который распадается в секунду, является фиксированной величиной, которую мы не можем изменить. Теперь, если мы представим радий, который был полностью лишен своей эманации, снова накапливающий путем автоматической трансмутации свежий запас этого элемента, мы должны помнить: (1) что скорость создания эманации радием практически постоянна; и (2) что абсолютное количество эманации, распадающейся в секунду, увеличивается по мере увеличения запаса эманации. Наконец, когда количество накопленной эманации увеличилось до такой степени, что число атомов эманации, трансмутирующих в секунду, становится точно равным числу, генерируемому в секунду, количество присутствующей эманации не может увеличиваться. Это называется равновесным количеством. Если пятнадцать членов постоянно избираются каждый год в недавно основанное общество, число членов будет увеличиваться в течение первых нескольких лет; наконец, когда потери от смерти членов равны примерно пятнадцати в год, общество не может стать больше. Оно достигло равновесного числа членов.

Это относится к каждому из последовательных элементов. Требуется двадцать один день для формирования равновесного количества эманации в радии, который был полностью освобожден от эманации; и требуется 3,8 дня для формирования половины равновесного количества. Опять же, если мы начнем с запаса эманации, потребуется всего три часа для формирования равновесного количества радия C.

255

Мы, очевидно, можем получать радий C либо из самого радия, либо из эманации радия. Если мы используем трубку с радием, у нас присутствует почти идеально постоянное количество радия C, поскольку по мере того, как радий C и промежуточные элементы распадаются, радий, количество которого уменьшается очень медленно, восполняет потерю. Но если мы начнем с трубки с эманацией, у нас не будет постоянного запаса радия C, потому что эманация распадается довольно быстро, и нет радия, чтобы восполнить ее потерю. За 3,8 дня трансмутирует около половины эманации, и радий C уменьшается пропорционально, и, конечно, вместе с радием C уменьшаются и ценные излучения. Еще через 3,8 дня — то есть примерно через неделю с начала — радиоактивная ценность трубки падает до одной четверти от ее первоначального значения.

Но, несмотря на непостоянный характер трубки с эманацией, существует много причин предпочесть ее использование трубке с радием. Главная из них заключается в том, что мы можем хранить драгоценный радий в безопасности в лаборатории, не подвергая его тысяче и одному риску, существующему в больнице. Во-вторых, эманация, будучи газом, очень удобна для разделения на большое количество очень маленьких трубок в соответствии с требуемой дозировкой.

На самом деле объем эманации чрезвычайно мал. Количество эманации, находящееся в равновесии с одним граммом радия, называется кюри, а с одним

256

миллиграммом — милликюри. Так вот, объем кюри составляет лишь немногим более половины кубического миллиметра. Следовательно, имея дело с эманацией от двадцати или сорока миллиграммов радия, мы имеем дело с очень малыми объемами.

Как можно получить эманацию? В умелых и опытных руках этот процесс прост. Соль радия — обычно бромид или хлорид — переводится в кислый раствор. Это заставляет эманацию свободно выделяться по мере ее образования. Через определенные промежутки времени мы откачиваем ее ртутным насосом.

Давайте посмотрим, сколько милликюри мы сможем в будущем производить за неделю в нашем новом Дублинском радиевом институте.[1] У нас будет около 130 миллиграммов радия. За 3,8 дня мы получаем из этого 65 милликюри — т. е. половину равновесного количества в 130 милликюри. Следовательно, за неделю у нас будет около 130 милликюри.

Это немного. Многие эксперты считают, что этого едва хватает на одну трубку. Но здесь, в Дублине, мы используем эманацию более экономным и эффективным способом, чем это принято в других местах; согласно методу, который был разработан и усовершенствован в нашем собственном Радиевом институте. Экономия достигается за счет очень простого приема — дробления дозы на мелкие части. Система, принятая повсеместно, заключается в лечении опухоли путем введения в нее одной или двух очень активных

[1] Тогда недавно основанном Королевским дублинским обществом.

257

трубок, содержащих, возможно, до 200 милликюри или даже больше на трубку. Теперь эти сильно заряженные трубки дают излучение, настолько интенсивное в точках, близких к трубке, из-за большей плотности лучей вблизи трубки, а также из-за действия более мягких и легче поглощаемых лучей, что было признано необходимым остановить эти более мягкие лучи — как гамма-, так и бета-лучи — обернув трубку свинцом или платиной. В этом свинце или платине около тридцати процентов или более лучей поглощается и, конечно, тратится впустую. Но при отсутствии экрана происходит обширный некроз тканей вблизи трубок.

Если, однако, вместо одной или двух таких трубок мы используем десять или двадцать, каждая из которых содержит одну десятую или одну двадцатую дозы, мы можем с пользой использовать более мягкие лучи вокруг каждой трубки. Таким образом, предотвращаются потери. Более того, достигается более равномерное «освещение» тканей, точно так же, как мы можем осветить зал более равномерно с помощью множества меньших источников света, чем с помощью одного интенсивного центра излучения. Также мы получаем то, что называется «перекрестным излучением», которое оказывается полезным. Хирург гораздо лучше понимает, что он делает, используя этот метод. Таким образом, можно организовать воздействие так, чтобы оно было приблизительно равномерным по всей опухоли, вместо того чтобы быстро меняться вокруг центральной точки, или — и это может быть очень важно — эффекты могут быть легко сконцентрированы локально.

Наконец, не последним преимуществом является простая техника этого нового метода. Количества

258

используемой эманации могут поместиться в тончайшие капиллярные стеклянные трубки, а волосовидные трубки, в свою очередь, могут быть помещены в тонкие исследовательские иглы. Введение этих игл доставляет пациенту сравнительно мало неудобств, и существует самый совершенный контроль дозировки по количеству и силе этих трубок, а также по продолжительности воздействия.[1]

Первый Радиевый институт в Ирландии уже проделал хорошую работу по облегчению человеческих страданий. У него, я надеюсь, большое будущее, ибо я осмеливаюсь, с некоторой робостью, придерживаться мнения, что с углублением исследований применение и возможности радиоактивного лечения будут возрастать.

[1] Подробности о новой технике и о некоторых уже выполненных работах см. в статьях д-ра Уолтера К. Стивенсона, British Medical Journal, 4 июля 1914 г. и 20 марта 1915 г.

259

КАТАНИЕ НА КОНЬКАХ [1]

Прошло уже много лет с тех пор, как я, будучи студентом, присутствовал на университетской лекции, прочитанной неким ученым профессором на тему трения. На этой лекции возникла дискуссия из вопроса, адресованного нашему учителю: «Почему мы можем кататься на коньках по льду и ни по какому другому веществу?»

Ответ последовал без колебаний: «Потому что лед такой гладкий».

Тут же последовало возражение: «Но ведь можно кататься на коньках по льду, который не является гладким».

Это поставило профессора в затруднительное положение. Очевидно, дело не в гладкости льда. Кусок полированного листового стекла гораздо гладче, чем поверхность льда после того, как она изрезана за день катания. Тем не менее, на исцарапанной и изорванной ледяной поверхности катание все еще вполне возможно; на гладком листовом стекле, как мы знаем, мы кататься не смогли бы.

Через некоторое время после этой дискуссии мне пришла в голову связь между катанием на коньках и довольно абстрактным фактом физической науки. Поскольку сам этот факт сыграл свою роль в геологической истории Земли,

[1] Лекция, прочитанная в Королевском дублинском обществе в 1905 году.

260

и роль немаловажную, тема катания на коньках, благодаря которой она, пожалуй, лучше всего доходит до каждого, заслуживает нашего пристального внимания. Пусть же название этой лекции не вводит читателя в заблуждение относительно важности ее предмета.

Прежде чем перейти к объяснению удивительной свободы движений конькобежца, я хочу проверить то, что я вывел относительно большой разницы в скользкости стекла и скользкости льда. Вот плита полированного стекла. Я могу поднять ее под любым углом, который мне нравится, так что в конце концов этот латунный груз весом 250 граммов просто соскальзывает вниз, если его слегка подтолкнуть. Угол, как видите, составляет около 12½ градусов. Теперь я переношу груз на эту большую ледяную плиту, которую я предварительно быстро высушил мягким льном. Заметьте, что груз соскальзывает с ледяной поверхности под гораздо меньшим углом. Это действительно очень малый угол: я определяю его как угол между 4 и 5 градусами. Из этого эксперимента мы видим, что существует большая разница между скользкостью двух поверхностей, измеренная тем, что называется «углом трения». В этом эксперименте стекло также обладает гораздо более гладкой поверхностью, хотя я стер более глубокие неровности со льда, сгладив его стеклянной поверхностью. Несмотря на это, его поверхность испещрена мелкими полостями из-за пузырьков и несовершенств. Несомненно, если бы стекло было таким же шероховатым, его угол трения по отношению к латунному грузу был бы выше.

261

У нас, однако, есть еще один сравнительный эксперимент. Я, как вы видели, определил угол, при котором этот груз весом 250 граммов только начинал скользить по льду. Нижняя поверхность груза, часть, которая давит на лед, состоит из легкого латунного кольца для штор. Его можно отсоединить. Его масса составляет всего 6½ граммов, так как кольцо для штор, по сути, полое и сделано из очень тонкого металла. Таким образом, у нас есть очень маленький груз, который представляет ту же самую поверхность снизу, что и груз весом 250 граммов. Вы видите теперь, что этот легкий груз не будет скользить по льду при наклоне в 5 или 6 градусов, а начинает делать это только при угле около 10 градусов.

Это очень важный эксперимент для нашего текущего исследования. Лед, по-видимому, обладает более чем одним углом трения в зависимости от того, используется ли тяжелый или легкий груз для давления на него. Мы проделаем тот же эксперимент с пластиной стекла. Вы видите, что разница в угле трения латуни по стеклу при прижатии поверхностей друг к другу тяжелым или легким грузом невелика или отсутствует вовсе. Легкий груз требует того же наклона в 12½ градусов, чтобы заставить его скользить.

Этот последний результат соответствует законам трения. Мы говорим, что когда твердое тело давит на твердое, для каждой пары веществ, прижатых друг к другу, существует постоянное отношение между силой, необходимой для поддержания движения одного по другому, и силой, прижимающей твердые тела друг к другу. Это отношение называется «коэффициентом трения». Коэффициент, по сути, постоянен или приблизительно

262

таков. Я могу определить коэффициент трения по углу трения, взяв тангенс угла. Тангенс угла трения — это коэффициент трения. Если, следовательно, коэффициент постоянен, то, конечно, и угол трения должен быть постоянным. Мы видели, что это так в случае металла по стеклу, но не так в случае металла по льду. Этот любопытный результат показывает, что со скользкостью льда что-то не так.

Эксперименты, которые мы до сих пор проводили, можно упрекнуть в том, что поверхность льда, вероятно, влажная из-за тепла воздуха, соприкасающегося с ней. У меня есть здесь средство для работы с поверхностью холодного, сухого льда. Этот неглубокий медный резервуар длиной около 18 дюймов (45 см) и шириной 4 дюйма (10 см) заполнен охлаждающей смесью, циркулирующей через него из сосуда большего размера, содержащего лед, тающий в соляной кислоте при температуре около -18° C. Это поддерживает температуру резервуара ниже точки плавления льда. Верхняя поверхность резервуара снабжена приподнятыми краями, так что ее можно залить водой. Вода теперь заморожена, и ее температура ниже 0° C. Она составляет около -10° C. Я могу поместить поверх льда крышеобразное покрытие, сделанное из двух наклонных плит толстого листового стекла. Это служит для того, чтобы не пропускать теплый воздух и исключить любую возможность того, что поверхность льда будет влажной от воды, оттаявшей изо льда. Весь резервуар вместе с его стеклянной крышей можно установить под любым углом, а шкала на

263

поднятом конце резервуара показывает угол наклона в градусах. Груз, помещенный на лед, легко виден через стеклянную крышку.

Груз, который мы будем использовать, состоит из очень легкого кольца из алюминиевой проволоки, которое становится хорошо заметным благодаря прикрепленному сверху шарику для пинг-понга. Груз покоится сейчас на медной пластине, предусмотренной для этой цели на верхнем конце резервуара. Поскольку пластина находится в прямом контакте снизу с охлаждающей смесью, мы уверены, что алюминиевое кольцо не горячее льда. Легкого рывка достаточно, чтобы стряхнуть груз на поверхность льда.

Мы обнаруживаем, что это кольцо, нагруженное только шариком для пинг-понга и имеющее общий вес 2,55 грамма, не скользит при малых углах. У меня поверхность льда под углом чуть более 13½ градусов, и только постоянным постукиванием по аппарату его можно заставить соскользнуть вниз. Это коэффициент 0,24, что сравнимо с коэффициентом твердых и гладких тел друг по отношению к другу. Теперь я заменяю пустой шарик для пинг-понга на аналогичный шарик, наполненный свинцовой дробью. Общий вес теперь составляет 155 граммов. Вы видите, что угол скольжения упал до 7°.

Каждый, кто проводил эксперименты по трению, знает, насколько они часто бывают неудовлетворительными и противоречивыми. Мы можем обсуждать только значимые величины и общие результаты, если не проявлять самую добросовестную заботу об устранении ошибок. Чистый результат здесь заключается в том, что лед при температуре около -10° C под давлением очень легкого груза обладает

264

коэффициентом трения, сравнимым с обычными коэффициентами твердых тел по твердым, но при увеличении давления коэффициент падает примерно до половины этого значения.

Следующая таблица содержит некоторые результаты, полученные при изучении трения льда и стекла с использованием методов, которые я вам показал. Я добавляю некоторые из более тщательно определенных коэффициентов других исследователей.

Вес в граммах | На листовом стекле | На льду при 0° C | На льду при -10° C

Алюминий 2,55: 12½° 0,22 | 12° 0,21 | 13½° 0,24. Тот же 155: 12½° 0,22 | 6° 0,11 | 7° 0,12. Латунь 6,5: 12½° 0,22 | 10° 0,17 | 10½° 0,18. Тот же 107: 12½° 0,22 | 5° 0,09 | 6° 0,10

Сталь по стали (Морен) — 0,14. Латунь по чугуну (Морен) — 0,19. Сталь по чугуну (Морен) — 0,20. Коньки по льду (Дж. Мюллер) — 0,016—0,032. Лучшие смазанные поверхности (Перри) — 0,03—0,036

Вы видите из таблицы, что в то время как трение латуни или алюминия по стеклу совершенно не зависит от используемого веса, трение латуни или алюминия по льду каким-то образом зависит от веса и падает в очень значительной степени, когда вес велик. Теперь я думаю, что если бы мы искали какую-либо аномалию в трении твердых веществ по льду, мы бы скорее ожидали изменения в

265

другом направлении. Мы, возможно, ожидали бы, что тяжелый груз вызовет большее трение. Теперь я перехожу к объяснению этого необычайного результата.

Вы знаете, что для превращения льда в воду требуется затрата тепла, причем полученная вода имеет ту же температуру, что и лед, т. е. 0° C, из которого она получена. Тепло, необходимое для изменения состояния льда из твердого в жидкое, — это скрытая теплота плавления воды. Мы принимаем за единицу количества тепла то, которое требуется для нагревания 1 килограмма воды на 1° C. Тогда, если мы расплавим 1 килограмм льда, мы должны сообщить ему 80 таких единиц тепла. Пока идет плавление, изменения температуры не происходит, если эксперимент проводится тщательно. Тающий лед и вода, получающаяся из него, остаются при 0° C на протяжении всей операции, и ни термометр, ни ваши собственные ощущения не скажут вам о количестве тепла, которое поступало. Тепло является скрытым или спрятанным в полученной жидкости и пошло на совершение молекулярной работы внутри вещества. Заметьте, что если мы сообщим только 40 тепловых единиц, мы получим только половину расплавленного льда. Если сообщается только 10 единиц, то мы получим только одну восьмую килограмма воды, и ни больше, ни меньше.

Я рискнул напомнить вам эти общеизвестные научные факты, прежде чем рассматривать способ плавления льда, который менее известен и который не требует от вас затрат тепла. Этот метод требует для своего

266

понимания тщательного рассмотрения тепловых свойств воды в твердом состоянии.

Должно быть, очень давно было замечено, что вода расширяется при замерзании. Иначе лед не плавал бы на воде; и, что, пожалуй, важнее в ваших глазах, ваши водопроводные трубы не лопались бы зимой, когда в них замерзает вода. Но хотя важный факт расширения воды при замерзании так долго был предметом наблюдения человечества, только почти в середине прошлого века Джеймс Томсон, одаренный ирландец, предсказал многие важные последствия, вытекающие из факта расширения воды при переходе в твердое состояние. Принципы, которые он сформулировал, являются совершенно общими и применимы к каждому случаю изменения объема, сопровождающего изменение состояния. Мы здесь рассматриваем только случай воды и льда.

Джеймс Томсон, следуя ходу мыслей, который мы не можем здесь проследить, предсказал, что из-за факта расширения воды при переходе в твердое состояние давление будет понижать точку плавления льда или точку замерзания воды. Обычно, как вы знаете, эта температура составляет 0° C или 32° F. Томсон сказал, что это будет точкой замерзания только при атмосферном давлении. Он рассчитал, насколько она будет меняться при изменении давления. Он предсказал, что точка замерзания будет падать на 0,0075 градуса Цельсия на каждую дополнительную атмосферу давления, приложенную к воде. Предположим,

267

например, наша Земля обладала бы атмосферой, настолько тяжелой, что оказывала бы давление в тысячу раз больше существующей атмосферы, тогда вода замерзала бы не при 0° C, а при -7,5° C или около 18° F. Опять же, в вакууме, то есть когда давление было снижено до относительно малого давления паров воды, точка замерзания выше 0° C, т. е. при 0,0075° C. В некоторых частях океанских глубин давление намного превышает тысячу атмосфер. Пресная вода оставалась бы там жидкой при температурах намного ниже 0° C.

Будет достаточно очевидно, даже для тех, кто не обладает научной проницательностью Джеймса Томсона, что следует ожидать чего-то подобного. Однако легко быть мудрым после события. Нам кажется в общем виде, что, поскольку вода расширяется при замерзании, давление будет стремиться противодействовать превращению ее в лед. Вода будет пытаться оставаться жидкой в ответ на давление. Поэтому для того, чтобы заставить ее стать льдом, потребуется более низкая температура.

Джеймс Томсон оставил свой тезис как предсказание. Но он предсказал именно то, что его выдающийся брат, сэр Уильям Томсон — позже лорд Кельвин — обнаружил, когда дело было подвергнуто экспериментальной проверке. Мы должны рассмотреть эксперимент, проведенный лордом Кельвином.

Согласно взглядам Томсона, если сжать некоторое количество льда и воды, должно произойти падение температуры. Суть его аргумента заключается в следующем:

268

Пусть лед и вода находятся ровно при 0° C для начала. Затем предположим, что мы прикладываем, скажем, давление в одну тысячу атмосфер. Точка плавления льда понижается до -7,5° C. То есть потребуется температура -7,5° C, чтобы сохранить его в твердом состоянии. Поэтому он сразу же начнет таять, ибо, как мы видели, его фактическая температура не -7,5° C, а более высокая температура, т. е. 0° C. Другими словами, он на 7,5° выше своей точки плавления. Но как только он начинает таять, он также начинает поглощать тепло, чтобы восполнить 80 тепловых единиц, которые, как мы знаем, требуются для превращения каждого килограмма льда в воду. Откуда он может взять это тепло? Мы предполагаем, что мы не даем ему ничего. У него есть только два источника: лед может забирать тепло у самого себя, и он может забирать тепло у воды. В этом случае он делает и то, и другое, и температура как льда, так и воды падает. Они падают в температуре, пока не будет достигнуто -7,5°. Тогда лед достиг своей точки плавления под давлением в одну тысячу атмосфер, или, как мы можем выразиться, вода достигла своей точки замерзания. Больше таяния быть не может. Вся масса опустилась до -7,5° C и останется там, если мы не допустим притока или оттока тепла из сосуда. Теперь в сосуде больше воды и меньше льда, чем когда мы начинали, и температура упала до -7,5° C. Падение температуры до величины, предсказанной теорией, было подтверждено лордом Кельвином.

Предположим, теперь мы внезапно снимаем давление; что произойдет? У нас есть вода и лед при -7,5° C

269

и при нормальном давлении. Вода при -7,5° и при нормальном давлении, конечно, превращается в лед. Поэтому вода мгновенно замерзнет в сосуде, и весь процесс пойдет в обратном направлении. При замерзании вода отдаст свою скрытую теплоту, и это нагреет всю массу, пока снова не будет достигнуто 0° C. Тогда замерзания больше не будет, ибо снова лед находится в своей точке плавления. Это замечательная серия событий, которую предсказал Джеймс Томсон. И это те события, которые лорд Кельвин с помощью деликатной серии экспериментов подтвердил во всех отношениях.