Нобелови лауреати – 1960 година

Уилърд Ф. Либи (Willard F. Libby)

17 декември 1908 г. – 8 септември 1980 г.

Нобелова награда за химия

(За метода му за използване на въглерод-14 за датиране в археологията, геологията, геофизиката и други клонове на науката.)

Американският химик Уилард Франк Либи е роден в Гранд Вали (щат Колорадо) в семейството на Ора Едуард Либи, фермер с третокласно образование, и Ива Мей (Ривърс) Либи. Освен Уилард, семейство Либи има още двама синове и две дъщери. Когато момчето става на пет години, семейството му се премества в ранчо близо до Себастопол в северната част на Калифорния. Либи посещава отначало разположено в две стаи малко начално училище, а през 1926 г. завършва средно. Той мечтае за кариерата на минен инженер и като получава благословията на родителите си, постъпва в Калифорнийския университет в Бъркли, за да придобие необходимата специалност. Когато започва да учи в университета обаче, изменя на детската си мечта, като решава, че химията е значително по-интересна. Като учи химия, физика и математика, той получава през 1931 г. степента бакалавър по химия. Две години по-късно, след завършване на аспирантура, по време на която под ръководството на физикохимиците Гилбърт Н. Луис и Уендър М. Латимър изследва радиоактивните ядра с ниска енергия, Либи получава докторска степен и е назначен за преподавател по химия.

Изотопите са разновидност на химичните елементи с един и същ атомен номер (защото в ядрата им се съдържат еднакъв брой протони), но с различна атомна маса, иначе казано – с различен брой неутрони. Те имат еднакви химични свойства, не се различават незначително по физическите си свойства. Радиоактивните изотопи имат нестабилни ядра, които се разпадат, изпускайки алфа-, бета- и гама-лъчи. Радиоактивни ядра за изотопни индикатори на химични реакции използва за първи път химикът Дьорд де Хевеши. За точното измерване на малкото на брой радиоактивни ядра при радиацията, излъчвана от тези ядра в процеса на анализа, е необходимо да се изолира както фоновата космическа радиация, така и излъчването на радиоактивни ядра в околната среда. Немският физик Валтер Боте разработва метода за съвпаденията, при който многобройни електрически детектори засичат протичащите едновременно радиоактивни излъчвания. В създадения от Либи метод за несъвпаденията, който е вариант на метода на Боте, в измерителната камера се намират детектори и за вътрешната, и за външната радиация. Този метод позволява да се снижи значително влиянието на фоновата радиация върху измерването на много ниски радиационни равнища. Още като аспирант Либи прави приблизително по едно и също време с Хевеши откритието, че елементът самарий притежава малка радиоактивност.

През 1941 г. Либи, който заема по това време длъжността адюнкт-професор, си взема една година отпуска и я прекарва, като прави изследвания в Принстънския университет със стипендията Гугенхайм. През декември 1941 г. САЩ влизат във Втората световна война и Либи като участник в Манхатънския проект – предприетите от САЩ усилия да разработят ядрено оръжие – се присъединява към Харолд К. Юри, който по това време работи в Колумбийския университет. В рамките този проект Либи разработва технологията на газовата дифузия за разделяне на изотопите на урана, което е необходимо за създаването на атомна бомба. В края на Втората световна война той става професор в химическия факултет на Чикагския университет, като, едновременно с това, прави изследвания и в университетския Институт за ядрени изследвания.

През 1939 г. Серж Корф, който работи в Нюйоркския университет, открива, че когато космическите лъчи преминават през атомите в горните слоеве на атмосферата, предизвикват поток от неутрони. Други факти сочат, че азотът, от който 80 процента се намират в атмосферата, поглъща лесно неутроните и след това се разпада на радиоактивен въглерод, наричан също така радиовъглерод или въглерод-14. Либи предлага теория, според която бомбардировката на космическите лъчи предизвиква превръщането на атмосферния азот в радиоактивен въглерод. Той се окислява бързо във въздуха до въглероден двуокис и се поглъща от растенията чрез фотосинтезата. Всеки организъм, който употребява тези растения, поглъща заедно с тях радиоактивните атоми на въглерода. Либи предполага, че радиоактивният въглерод се генерира с постоянна скорост и че като попадне веднъж в молекулите, остава в тях. Оттук ученият стига до извода, че всички живи същества имат постоянно равнище на радиоактивност, което намалява след смъртта на организма. Продължителността на съществуването на радиоактивните изотопи се определя от периода на тяхното полуразпадане – времето, необходимо за разпадане на половината от даденото количество вещество. Както установява през 1940 г. Мартин Кеймън, периодът на полуразпадане на въглерод-14 е 5730 години – доста кратък промеждутък от време в сравнение с възрастта на Земята, но достатъчно дълъг за установяване на равновесието при процеса на образуването и разпадането на въглерод-14. Либи стига до извода, че „че трябва да има възможност чрез измерване на останалата радиоактивност да се измерва времето, което е изминало от момента на смъртта, ако тя е настъпила в периода преди 500 до 30 хиляди години“.

За да провери своята хипотеза Либи конструира гайгеров брояч, чиито стени са удебелени с двадесетсантиметров слой желязо за поглъщане на земната радиация. Такъв гайгеров брояч регистрира космическите лъчи, проникващи през удебелените стени. Както и при проведените изследвания в процеса на подготовката на докторската дисертация на Либи, гайгеровият брояч с удебелени стени регистрира проникващите частици, а централен брояч за измерване на радиоактивността на анализирания образец се включва за една хилядна част от секундата. Максималната чувствителност към радиоактивността, излъчвана от датирания образец, се постига чрез поместване на чист въглерод (във вид на сажди) във вътрешните стени на чувствителния детектор. По-късно Либи открива, че чувствителността на детектора при този метод се повишава още повече, ако въглеродът е във вид на газ – или въглероден двуокис, или ацетилен. В един от трилион атоми въглерод се открива приблизително един радиоактивен атом. Либи проверява точността на този метод, като измерва радиоактивността на образци от махагон и ела, точната възраст на които е установена с преброяване на годишните пръстени. Той също така подлага на експериментален анализ намерени при археологически разкопки предмети, чиято възраст вече е известна – такива като парче дърво от погребална лодка на египетски фараон, взето от Чикагския музей по естествена история. Либи получава блестящо потвърждение на своята теория и изобретеният от него метод за датиране започва да се прилага широко в археологията и геологията.

Проверявайки радиоактивните останки на животни и растения, получени от цял свят – от Северния полюс до Южния, Либи открива известно разминаване в данните, свързани с географската ширина, на която са намерени образците. Сред археологическите находки, вече прецизно датирани с помощта на метода на Либи, са: парчета ленена тъкан, с която са били подвързани манускрипти, намерени в района на Мъртво море, хляб от къщите в Помпей, погребани под вулканичната пепел през 79 г. пр. н. е., дървесни въглени от обиталище на древни хора в Стоунжендж (Англия) и царевичен кочан от пещера в Ню Мексико. Либи установява също така, че последният ледников период в Северна Америка е свършил преди 10 хиляди години, а не преди 25 хиляди, както е изчислено преди това от геолозите. Методът на въглеродното датиране получава бързо признание като основен метод за установяване на датите на събития, които са станали през последните 70 хиляди години.

Въздействието на космическите лъчи върху повърхностните слоеве на атмосферата води също така до образуването на малко количество тритий – радиоактивен изотоп на водорода, чието ядро съдържа един протон и два неутрона, а периодът му на полуразпадане е 12 години. Така концентрацията на тритий може да се използва като изотопен индикатор на атмосферната влажност и на хидрологичната система на Земята. С помощта на трития Либи изследва кръговрата на водата в природата, състава на океанските води и възрастта на вината.

Ученият е включен от президента Дуайт Айзенхауер в състава на Комисията по атомна енергия на САЩ. В нея от 1954 до 1959 г. Либи се занимава с проблемите на радиоактивните валежи в резултат от взривове на атомни бомби и участва в осъществяването на международни програми за използване на ядрената технология за мирни цели, такива като „За мирен атом“. След напускането на Комисията през 1959 г. той започва да работи в химическия факултет на Калифорнийския университет в Лос Анжелос, а след три години е назначен за директор на Института по геофизика и физика на планетата. Тази длъжност ученият съвместява с работата си в Калифорнийския университет до пенсионирането си през 1976 г. Сферата на научните му интереси се разширява, като включва геохимия, проблеми на атмосферата на планетата, изследване на лунната повърхност, контрол на състоянието на околната среда, защита от земетресения и гражданска отбрана.

През 1940 г. Либи се жени за учителката Леонор Хики. Семейството има две дъщери-близначки. В 1966 г. бракът се разпада и Либи свързва съдбата си с Леона Уудс Маршал, професор по проблемите на околната среда в Калифорнийския университет в Лос Анжелес. Ученият е човек с висок ръст и здраво тяло. Глен Т. Сиборг го описва като „усърден, търпелив и способен преподавател“, чиято „професионална кариера в резултат от неговата огромна любознателност се отличава с извънредна многостранност и широта на интересите“. Либи умира в Лос Анжелос от пневмония и тромба в белите дробове.

Освен с Нобелова награда Либи е награден с медала Чарлз Фредерик Чандлър на Колумбийския университет (1954 г.), с медала Елиът Кресон на Франклиновия институт (1957 г.), с медала Уилърд Гиб на Американското химическо дружество (1958 г.) и с медала Дея на Американското геологично дружество (1961 г.). Член е на американската Национална академия на науките, на Американската академия на науките и изкуствата, на Американското философско дружество, на Хайделбергската академия на науките, на Боливийското антропологично дружество и на Шведската кралска академия на науките.

Превод от руски: Павел Б. Николов