Биография

Американский химик Уиллард Франк Либби родился в Гранд-Валли (штат Колорадо), в семье Оура Эдварда Либби, фермера с трехклассным образованием, и Ивы Мэй (Риверс) Либби. Кроме Уилларда, у четы Либби было еще два сына и две дочери. Когда мальчику исполнилось 5 лет, его семья переехала на ранчо неподалеку от Севастополя в северной части Калифорнии.

Сайт: Электронная библиотека НиТ

Либби посещал сначала разместившуюся в двух комнатках начальную школу, а в 1926 г. окончил среднюю. Он мечтал о карьере горного инженера и, получив родительское благословение, поступил в Калифорнийский университет в Беркли, чтобы приобрести необходимую специальность. Начав учебу в университете, он, однако, изменил детской мечте, решив, что химия значительно интереснее. Изучив химию, физику и математику, Л. в 1931 г. получил степень бакалавра по химии. Два года спустя, после окончания аспирантуры, где он под руководством физикохимиков Гилберта Н. Льюиса и Уэнделла М. Латимера исследовал радиоактивные ядра с низкой энергией, Л. была присуждена докторская степень и он был назначен преподавателем химии.

Изотопы представляют собой разновидности химического элемента с одним и тем же атомным номером (поскольку в их ядрах содержится одинаковое число протонов), но с разной атомной массой, т.е. с разным числом нейтронов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами, но немного отличаются друг от друга по физическим свойствам. Радиоактивные изотопы имеют нестабильные ядра, которые распадаются, испуская альфа-, бета- и гамма-лучи. Радиоактивные ядра в качестве изотопных индикаторов химических реакций впервые применил химик Георг (Дьёрдь) де Хевеши. Для точного измерения малого числа радиоактивных ядер радиацию, испускаемую этими ядрами в ходе анализа, необходимо изолировать как от фоновой космической радиации, так и от излучения радиоактивных ядер в окружающей среде. Немецкий физик Вальтер Боте разработал метод совпадений, при котором многочисленные электрические детекторы подсчитывают происходящие одновременно радиоактивные излучения. В созданном Л. методе несовпадений, который представляет собой вариант метода Боте, в измерительной камере находятся детекторы и внутренней и внешней радиации. Этот метод позволил значительно снизить влияние фоновой радиации на измерения очень низких уровней радиации. Еще будучи аспирантом, Л. сделал приблизительно в то же время, что и Хевеши, открытие, обнаружив, что элемент самарий обладает небольшой радиоактивностью.

В 1941 г. Л., который к этому времени занимал должность адъюнкт-профессора, взял годичный отпуск и провел его, ведя исследования в Принстонском университете на стипендию Гуггенхейма. В декабре 1941 г. США вступили во вторую мировую войну, и Л. в качестве участника Манхэттенского проекта – предпринятых США усилий по разработке ядерного оружия – присоединился к Гарольду К. Юри, который тогда работал в Колумбийском университете. В рамках этого проекта Л. разрабатывал технологию газовой диффузии для разделения изотопов урана, что было необходимо для создания атомной бомбы. В конце второй мировой войны он стал полным профессором химического факультета Чикагского университета, где, кроме того, проводил изыскания в университетском Институте ядерных исследований.

В 1939 г. Серж Корф, работающий в Нью-Йоркском университете, обнаружил, что, когда космические лучи пронизывают атомы в верхних слоях атмосферы, они вызывают поток нейтронов. Другие факты указывали на то, что азот, из которого приблизительно на 80 процентов состоит атмосфера, легко поглощает нейтроны и затем распадается на радиоактивный углерод, называемый также радиоуглеродом, или углеродом-14. Л. выдвинул теорию, согласно которой бомбардировка космическими лучами вызывает превращение атмосферного азота в радиоактивный углерод. Он быстро окисляется в воздухе до диоксида углерода (углекислого газа) и поглощается растениями путем фотосинтеза. Любой организм, потребляющий эти растения, поглощает вместе с ними радиоактивные атомы углерода. Л. предположил, что радиоактивный углерод генерируется с постоянной скоростью и что, однажды попав в молекулу, он в ней остается. Отсюда ученый пришел к заключению, что все живые существа обладают постоянным уровнем радиоактивности, который падает после смерти организма. Продолжительность жизни радиоактивного изотопа определяется периодом его полураспада – отрезком времени, необходимым для распада половины данного количества вещества. Как установил в 1940 г. Мартин Кеймен, период полураспада углерода-14 равен 5730 годам – довольно короткий промежуток времени по сравнению с возрастом Земли, однако достаточно долгий для установления равновесия в процессе образования и распада углерода-14. Л. пришел к выводу, что «должна существовать возможность путем измерения оставшейся радиоактивности измерять время, которое прошло с момента смерти, если она произошла в период от 500 до 30 тыс. лет тому назад».

Для проверки своей гипотезы Л. сконструировал счетчик Гейгера, стенки которого были утолщены двадцатисантиметровым слоем железа для поглощения земной радиации. Такой счетчик Гейгера регистрирует космические лучи, проникающие через утолщенные стенки. Как и при проведении исследований в ходе подготовки докторской диссертации, гейгеровский счетчик с утолщенными стенками регистрировал проникающие частицы, центральный же счетчик для измерения радиоактивности анализируемого образца включался на одну тысячную доли секунды. Максимальная чувствительность к радиоактивности, испускаемой датируемым образцом, достигается путем помещения чистого углерода (в виде сажи) на внутреннюю стенку чувствительного детектора. Позднее Л. обнаружил, что чувствительность детектора при этом методе еще больше повышается, если углерод берется в виде газа – либо углекислого газа, либо ацетилена. В одном триллионе атомов углерода обнаруживается приблизительно один радиоактивный атом. Л. проверил точность этого метода, измерив радиоактивность образцов красного дерева и пихты, точный возраст которых был установлен путем подсчета годовых колец. Он также подверг экспериментальному анализу извлеченные при археологических раскопках предметы, возраст которых был уже известен, – такие, как кусок дерева от погребальной лодки египетского фараона, взятый в Чикагском музее естественной истории. Л. получил блестящее подтверждение своей теории, и изобретенный им метод датирования стал широко применяться в археологии и геологии.

Проверяя на радиоактивность останки животных и растений, получаемые со всего мира – от Северного полюса до Южного, Л. обнаружил некоторое расхождение в данных, связанное с географической широтой, на которой были найдены образцы. Среди археологических находок, уже тщательно датированных с помощью метода Л., были: кусочки льняной ткани, которыми были перевязаны манускрипты, найденные в районе Мертвого моря, хлеб из дома в Помпеях, погребенных под вулканическим пеплом в 79 г. н.э., древесный уголь со стоянки древних людей в Стоунхендже (Англия) и кочерыжка кукурузного початка из пещеры в Нью-Мехико. Л. также установил, что последний ледниковый период в Северной Америке окончился 10 тыс. лет назад, а не 25 тыс., как было ранее подсчитано геологами. Метод углеродного датирования быстро получил признание в качестве основного способа установления дат событий, которые произошли в последние 70 тыс. лет.

Воздействие космических лучей на верхние слои атмосферы ведет также к образованию небольшого количества трития – радиоактивного изотопа водорода, ядро атома которого содержит 1 протон и 2 нейтрона, а период полураспада равен 12 годам. Таким образом, концентрация трития может использоваться в качестве изотопного индикатора атмосферной влажности и гидрологической системы Земли. С помощью трития Л. исследовал круговорот воды в природе, состав океанических вод и возраст вин.

Ученый был включен президентом Дуайтом Д. Эйзенхауэром в состав Комиссии по атомной энергии США. В ней с 1954 по 1959 г. Л. занимался проблемами выпадения радиоактивных осадков в результате взрыва атомных бомб и участвовал в осуществлении международных программ применения ядерной технологии в мирных целях, таких, как «За мирный атом». После ухода из Комиссии по ядерной энергии в 1959 г. он стал работать на химическом факультете Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а 3 года спустя был назначен директором Института геофизики и физики планет. Эту должность ученый совмещал со своей работой в Калифорнийском университете вплоть до ухода в отставку в 1976 г. Сфера его научных интересов расширилась, включив геохимию, проблемы атмосферы планет, исследование лунной поверхности, контроль над состоянием окружающей среды, защиту от землетрясений и гражданскую оборону.

В 1960 г. Л. была присуждена Нобелевская премия по химии «за введение метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки». В своей Нобелевской лекции Л. сказал: «Сам по себе предложенный мною метод датирования требует осторожности, но его может применять тщательно обученный персонал, соблюдающий чистоту, аккуратность, серьезный подход и обладающий соответствующими практическими навыками». «При таких условиях метод радиоуглеродного датирования... действительно может помочь перелистать назад страницы истории и рассказать человечеству несколько больше о его предшественниках, а значит, – заключил он, – и о его будущем».

В 1940 г. Л. женился на учительнице Леоноре Льюсинде Хики. У супругов родились две дочери-двойняшки. В 1966 г. этот брак распался, и Л. соединил свою судьбу с Леоне Вудс Маршалл, профессором по проблемам окружающей среды Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Ученый был человеком высокого роста, крепко сложен. Гленн Т. Сиборг описывал его как «кропотливого, терпеливого и способного преподавателя», чья «профессиональная карьера вследствие его огромной любознательности отличалась чрезвычайной многосторонностью и широтой интересов». Л. умер в Лос-Анджелесе 8 сентября 1980 г. от пневмонии и тромба в легком. Помимо Нобелевской премии, Л. был награжден медалью Чарльза Фредерика Чендлера Колумбийского университета (1954), медалью Элиота Крессона Франклиновского института (1957), медалью Уилларда Гибба Американского химического общества (1958) и медалью Дея Американского геологического общества (1961). Он был членом американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, Американского философского общества, Гейдельбергской академии наук, Боливийского антропологического общества и Шведской королевской академии наук.