СавельеваФ.Н., к.т.н.
Радиоактивныевещества
Попадая настенки стекляннойтрубки, катодныелучи вызываюттам флуоресценцию; флуоресцирующаячасть трубкиявляется источникомрентгеновскихлучей. Связаныли между собойэти два явления, совпадающиево времени ив пространстве,—флуоресценцияи испусканиерентгеновскихлучей? Этотвопрос дажене возник бы, если бы рентгеновскиелучи были ссамого началаполучены втрубке типа«фокус». Нопоскольку, каксообщил Рентгенв своей первойработе, ониполучаютсяв простой разряднойтрубке, такойвопрос вполнезакономерен.
Этот вопроспоставил передсобой АнриБеккерель(1832—1108), один изславной династиивыдающихсяфизиков, к которойпринадлежалиего дед АнтуанСезар (1788—1878), отецЭдмонд (1820 —1891) исын Жан (1878—1953).Флуоресценцияи фосфоресценциябыли, так сказать,«семейнымделом» Беккерелей.Отец Анри Беккереля—Эдмон Беккерель— действительномного занималсяспектроскопическимиисследованиямифосфоресценции, и в частностифосфоресценцииурана, а Анрис 1882 по 1892 г. продолжалэти исследования.
Как только АнриБеккерель узналоб опытах Рентгена, ему тотчаспоказалось, что они имеютотношение ктому, чем онзанимается, и сразу же т.е. в начале 1896 г., он задалсявопросом, немогут ли рентгеновскиелучи испускатьсяфосфоресцирующимителами, подвергшимисядлительномуоблучениюсолнечнымсветом. Средиисследованныхфосфоресцирующихвеществ былии соли урана.Беккерельпоместил чешуйкисоли урана нафотопластинку, завернутуюплотной чернойбумагой, и подвергих в течениенесколькихчасов сильномувоздействиюсолнечныхлучей. Послепроявленияфотопластинкина ней былиобнаруженыконтуры чешуек, которые былик ней прижаты.Этот результатговорил в пользупринятой рабочейгипотезы изаставлялпродолжатьисследования.Было очевидно, что урановаясоль испускаеткакое-то излучение, проходящеечерез чернуюбумагу и засвечивающеефотопластинку.Связано ли онос фосфоресценцией, т. е. преобразуетсяли в урановомминерале солнечнаяэнергия в этоизлучение?
Счастливыйслучай позволилБеккерелювскоре ответитьна этот вопрос.26 и 27 февраля 1896г. был подготовленопыт, несколькоотличавшийсяот первоначального, но выполнитьего не удалось, так как деньбыл облачныйи солнце показывалосьлишь на короткоевремя. Поэтомувся установка(на фотопластинкев рамке из чернойткани, прикрытойалюминиевойпластинкой, покоился тонкиймедный крест, над которымрасполагалсяпрепарат сдвойным сульфатомкалия и урана)была запертав ящике стола.Проявив 1 мартаэти пластинки, Беккерельнеожиданнообнаружил наних весьмачеткий контуркреста. Емутотчас же пришлав голову мысль, что действиеизлученияпроисходилои в темноте, иновые, специальнопредпринятыеопыты подтвердилиэто предположение.Таким образом, для полученияфотографическогоэффекта не былонеобходимостипредварительноосвещать урановуюсоль солнцем.Более того, этоявление надругих фосфоресцирующихвеществах ненаблюдалось, но наблюдалосьна других соляхурана, не обладающихфосфоресценцией.Всего этогобыло достаточно, чтобы прийтик выводу, чтоздесь речь идето новом самопроизвольномявлении, интенсивностькоторого заметноне убывает вовремени, какэто доказывалиопыты с урановымисолями, приготовленнымизадолго допостановкиопыта.
Именно в этовремя в Парижпришли сведенияо том, что многимифизиками замеченаутечка зарядас заряженноготела, облучаемогорентгеновскимилучами. Беккерельпоставил аналогичныйопыт с новымизлучениеми пришел к томуже результату.Он продолжилисследованиядвумя методами: методом фотопластинок, чисто качественным, и электрическимметодом, пригоднымдля относительныхчисленныхизмерений. Какэто ни странно, около двух летБеккерель былединственнымфизиком, которыйзанимался этимиисследованиями.Позднее, в 1898 г., к нему подключилисьсупруги Кюри, а после открытиярадия к концустолетия числоисследователейсразу чудовищноразрослось.Среди них былиРезерфорд, Дебьерн, Эльстер, Гейтель, Гизель, Кауфман, Крукс, Рамзай, Содди.Направление, принятое Беккерелем, послужило, естественно, отправнойточкой дляпоследующихисследований.Одним из основныхфактов, установленныхБеккерелем, был следующий: все соли урана, фосфоресцирующиеи нефосфоресцирующие, в виде кристаллаи в виде порошка, в сухом видеи в растворе, независимоот своегопроисхождения— все испускаютизлучение однойи той же природы, интенсивностькоторого зависиттолько от количестваурана, содержащегосяв соли. Такимобразом, этаспособностьоказываетсяатомным свойством, присущим элементуурану. Этоподтверждалосьтем фактом, чтометаллическийуран обладалв 3½ разабольшей активностью, чем применявшиесяв первых опытахсоли урана. Этирезультаты, естественно, ставили вопросо поисках другихвеществ, которыемогут обладатьаналогичнымисвойствами.
В 1898 г. почтиодновременноМария Кюри-Склодовская(1867—1934) во Франциии Эрхард КарлШмидт (1865—1949) вГермании обнаружили, что торий обладаетаналогичнымисвойствами.Мария Кюрипредприняласистематическоеизучение минералов, содержащихуран и торий, и заметила, чтонекоторыеминералы оказалисьактивнее урана.Мария Кюри иее муж ПьерКюри пришлик выводу, чтов этих минералахдолжен содержатьсяэлемент, ещеболее активный, чем уран. Именнов это время, в1898 г., супруги Кюриввели терминрадиоактивностьдля обозначениясвойства веществаиспускать «лучиБеккереля», как называлосьтогда излучение, испускаемоеураном и торием.Супруги Кюрипопыталисьвыделить этотгипотетическийэлемент, болееактивный, чемуран, из урановойсмоляной руды.Химическийанализ минералаи измерениерадиоактивностипостепенноотделяемыхфракций подтвердили, что действительнонайдено простоевещество, болеерадиоактивное, чем уран. Ониназвали егополонием вчесть родиныМарии Кюри.Позже был найденеще один элемент, значительноболее радиоактивный, названный имирадием. Двагода спустя, в 1900 г., Андре Дебьерн, ученик МарииКюри, открылтретье радиоактивноевещество, названноеим актинием.
Исследованиеновых излучений
После того каквырос списокизвестныхрадиоактивныхвеществ — уран, торий, полоний, радий, актиний— и число ученых, занимающихсяих изучением, началась вторая, более физическаяфаза исследования, во время которойосновное вниманиебыло обращенона изучениехарактерныхсвойств новыхявлений. Напервых образцахполония и радия, полученныхот супруговКюри, Беккерельобнаружил, чтоиспускаемоерадием излучениеобладает значительнобольшей проникающейспособностью, чем излучениеполония. Излучениерадия послепрохожденияалюминиевойи слюдянойпластиноквоздействуетна фотопластинки, тогда как лучиполония немогли проникнутьдаже сквозькартонныестенки коробки, в которой хранилсяпрепарат. Такимобразом, радиоактивноеизлучениеразнородно.Это получилоновое экспериментальноеподтверждениев конце 1899 г., когдаБеккерель инезависимоот него Гизельобнаружили, что если пучоклучей Беккереляпроходит магнитноеполе, то частьлучей отклоняетсяв одном направлении, а другая — впротивоположном.Опыт исследованиякатодных лучейтотчас подсказалученым интерпретациюэтого экспериментальногорезультата: значит, лучиБеккерелянеоднородныи имеют корпускулярнуюприроду, переносяэлектрическийзаряд. К томуже выводу и вто же времяпришел на основеизучения проникающейспособностилучей новозеландскийфизик ЭрнестРезерфорд, начинавшийсвою научнуюработу подруководствомДжозефа Томсонав Кавендишскойлабораториии посвятившийвсю жизньисключительноисследованиямрадиоактивности.В заключениесвоего исследованияон пишет: «Этиопыты показывают, что излучениеурана являетсясложным и состоитпо крайней мереиз двух различныхвидов: одно, очень быстропоглощаемое, назовем дляудобства α- излучением; другое, болеепроникающее, назовем β- излучением».
Через три годаПоль Вийяр(1860—1934) показал, что имеетсяи третья составляющаяизлучения, окоторой раньшене подозревали; она не отклоняетсямагнитнымполем, а следовательно, сходна по природес рентгеновскимилучами. По аналогиис двумя другимисоставляющимиона была названаγ — излучением.
Беккерельпоказал, чтоβ — лучи, испускаемыеразличнымирадиоактивнымивеществами, имеют разныескорости иотклоняютсяэлектрическимполем. СупругиКюри установили, что эти лучинесут с собойотрицательныйзаряд, а ВальтерКауфман (1871—1947), определив пометоду Томсонаодновременноотклонениев электрическоми магнитномполях, нашелотношение e/m иобнаружил, чтооно являетсяфункцией скоростиv частицы. Этотфакт натолкнулКауфмана намысль, что массаэлектрона всоответствиис выдвинутойМаксом Абрагамом(1875—1922) гипотезойимеет, по крайнеймере частично, электромагнитноепроисхождение, т. е. являетсяпроявлениемреакции электромагнитногополя. Отсюдаберут началотеории электромагнитнойприроды материи, оказавшиебольшое влияниена физиковпервой четвертинашего столетия.
Энергиярадиоактивныхизлучений
Но все эти идругие свойстварадиоактивногоизлучения, окоторых можносегодня узнатьв любом, дажеэлементарномкурсе физики, как бы важныони ни былисами по себе, отходят навторой планпо сравнениюс главной проблемой, которую этиопыты поставилиперед первымиэкспериментаторами.В радиоактивныхявлениях выделяетсяэнергия: энергияхимическогодействия, энергияэлементарныхзарядов, энергиядвижения частиц.Откуда онаберется?
Мария Кюривыдвинула двегипотезы в 1899и в 1900 гг. Согласнопервой, радиоактивныевещества улавливаютвнешнее излучение, не воспринимаемоенашими приборами, а затем обратноего испускают.Иными словами, они не генераторы, а трансформаторыэнергии. Повторой гипотезе, наоборот, предполагается, что радиоактивныетела самопроизвольногенерируютэнергию, медленноизменяясь приэтом, хотя мы(пока) не замечаемих изменений.Обе эти гипотезыпредставлялисьв равной меревозможнымиили, если угодно, в равной меренеобоснованными.
Острота этойпроблемы ещеболее возросла, когда в 1903 г. ПьерКюри сделалвесьма важноеоткрытие, обнаружив, что соли урананепрерывновыделяют тепло, причем в такомколичестве, которое присопоставлениис малой массойрадиоактивногопрепаратапредставляетсяогромным. Всвоем первомкачественномопыте, проведенномсовместно сА. Лабордом, П.Кюри установилвыделениетеплоты с помощьютермопары, одинспай которойбыл окруженрадиоактивнымхлористымбарием, а другой— чистым хлористымбарием. Былообнаружено, что разницатемпературобоих местспаев составляетоколо 1,5° С, чтозначительнопревосходиловозможныеэкспериментальныеошибки. Воодушевленныеэтим первымположительнымрезультатом, Кюри и Лабордпроизвелинепосредственноеизмерениевыделившейсятеплоты, пользуясьдвумя различнымиметодами. Впервом методеколичествотепла, полученноеметаллическимблоком, внутрькоторого помещалосьопределенноеколичестворадиоактивноговещества, приравнивалоськоличествутепла, выделенномуразогреваемойтоком металлическойспиралью, помещеннойвнутрь блокавместо радиоактивногообразца и вызывающейтакой же разогревметаллическогоблока. Во второмметоде в калориметрБунзена вводиласьампула с радиоактивнымхлористымбарием и с чистымхлористымрадием и непосредственноопределялоськоличествовыделенноготепла. Оба методадавали достаточносогласующиесярезультаты: в пересчетена 1 г радияполучалось100 кал в час (последующиеизмеренияуменьшили этуцифру примернодо 25,5 кал).
Может ли бытьстоль большаяэнергия простоперехваченнойрадием? НеужелиВселеннаяпронизываетсятакими интенсивнымипотоками энергии, которые мыникак не можемобнаружить, кроме как черезэти радиоактивныеявления? Подобныеэлементарныесоображениятолкали физиковк тому, чтобыотказатьсяот первой гипотезыКюри в пользувторой. Нопредположить, что радиоактивныевещества, являясьисточникамиэнергии, испытываютпри этом какие-томедленныеизменения, более глубокие, нежели обычныехимическиеизменения, означало вновьподвергнутьобсуждениювсе основыатомистики.
Чтобы понять, насколькорадикальными революционнымбыл такой новыйвзгляд, современныйчитатель долженпредставитьсебе образмышления физиковначала нашегостолетия, ихмировоззрение, так сказать, полученноес молоком материи являвшеесяпредметомгордости наукитого времени.Атомарнаяструктураматерии, неизменностьатомов, постоянствомассы, сохранениеэнергии — таковыбыли основополагающиепринципы, которыемногим представлялисьуже не гипотезами, а самоочевиднымиистинами. Укого же хватитсмелости посягнутьна эти положениянауки, подтвержденныестолетиемнепрерывныхуспехов?
Нашлись дватаких смельчака— мы скажем оних позже.
Радиоактивностьнемедленнонашла многочисленныепримененияв физике, химии, геологии, метеорологии, медицине.Смертоносноедействиерадиоактивногоизлучения наживотные организмыпроизвелосильное впечатлениена общественноемнение, и вновьбыл поднятвопрос о пользенаучных исследований.За год до своейтрагическойгибели в Парижев уличной катастрофеПьер Кюри взаключениесвоей лекциив 1905 г. в связи сприсуждениемему Нобелевскойпремии за 1903 г.говорил: «Впреступныхруках радийможет статьвесьма опасным, и мы можем теперьзадать себевопрос, выигрываетли человечествоот знания секретовприроды, достаточноли оно созрело, чтобы пользоватьсяими, не принесетли ему вред этознание. Примероткрытия Нобелявесьма характерен.Наличие мощныхвзрывчатыхвеществ сделаловозможнымпроведениеграндиозныхработ. Но вместес тем взрывчатыевещества являютсястрашным средствомразрушенияв руках преступников, вовлекающихнароды в войну.Я склоненпридерживатьсяточки зренияНобеля, чточеловечествоизвлечет изновых открытийбольше хорошего, чем плохого».