Радиоактивные явления. Марио Льоцци: из истории физики

Савельева Ф.Н., к.т.н.
Радиоактивные вещества
Попадаяна стенки стеклянной трубки, катодные лучи вызывают там флуоресценцию;флуоресцирующая часть трубки является источником рентгеновских лучей. Связаныли между собой эти два явления, совпадающие во времени и в пространстве,—флуоресценция и испускание рентгеновских лучей? Этот вопрос даже не возник бы,если бы рентгеновские лучи были с самого начала получены в трубке типа «фокус».Но поскольку, как сообщил Рентген в своей первой работе, они получаются впростой разрядной трубке, такой вопрос вполне закономерен.
Этотвопрос поставил перед собой Анри Беккерель (1832—1108), один из славнойдинастии выдающихся физиков, к которой принадлежали его дед Антуан Сезар (1788—1878),отец Эдмонд (1820 —1891) и сын Жан (1878—1953). Флуоресценция и фосфоресценциябыли, так сказать, «семейным делом» Беккерелей. Отец Анри Беккереля— ЭдмонБеккерель — действительно много занимался спектроскопическими исследованиямифосфоресценции, и в частности фосфоресценции урана, а Анри с 1882 по 1892 г. продолжал эти исследования.
Кактолько Анри Беккерель узнал об опытах Рентгена, ему тотчас показалось, что ониимеют отношение к тому, чем он занимается, и сразу же т. е. в начале 1896 г., он задался вопросом, не могут ли рентгеновские лучи испускаться фосфоресцирующими телами,подвергшимися длительному облучению солнечным светом. Среди исследованныхфосфоресцирующих веществ были и соли урана. Беккерель поместил чешуйки солиурана на фотопластинку, завернутую плотной черной бумагой, и подверг их втечение нескольких часов сильному воздействию солнечных лучей. После проявленияфотопластинки на ней были обнаружены контуры чешуек, которые были к нейприжаты. Этот результат говорил в пользу принятой рабочей гипотезы и заставлял продолжатьисследования. Было очевидно, что урановая соль испускает какое-то излучение,проходящее через черную бумагу и засвечивающее фотопластинку. Связано ли оно сфосфоресценцией, т. е. преобразуется ли в урановом минерале солнечная энергия вэто излучение?
Счастливыйслучай позволил Беккерелю вскоре ответить на этот вопрос. 26 и 27 февраля 1896 г. был подготовлен опыт, несколько отличавшийся от первоначального, но выполнить его не удалось,так как день был облачный и солнце показывалось лишь на короткое время. Поэтомувся установка (на фотопластинке в рамке из черной ткани, прикрытой алюминиевойпластинкой, покоился тонкий медный крест, над которым располагался препарат сдвойным сульфатом калия и урана) была заперта в ящике стола. Проявив 1 мартаэти пластинки, Беккерель неожиданно обнаружил на них весьма четкий контуркреста. Ему тотчас же пришла в голову мысль, что действие излучения происходилои в темноте, и новые, специально предпринятые опыты подтвердили это предположение.Таким образом, для получения фотографического эффекта не было необходимостипредварительно освещать урановую соль солнцем. Более того, это явление надругих фосфоресцирующих веществах не наблюдалось, но наблюдалось на другихсолях урана, не обладающих фосфоресценцией. Всего этого было достаточно, чтобыприйти к выводу, что здесь речь идет о новом самопроизвольном явлении,интенсивность которого заметно не убывает во времени, как это доказывали опытыс урановыми солями, приготовленными задолго до постановки опыта.
Именнов это время в Париж пришли сведения о том, что многими физиками замечена утечказаряда с заряженного тела, облучаемого рентгеновскими лучами. Беккерельпоставил аналогичный опыт с новым излучением и пришел к тому же результату. Онпродолжил исследования двумя методами: методом фотопластинок, чистокачественным, и электрическим методом, пригодным для относительных численныхизмерений. Как это ни странно, около двух лет Беккерель был единственнымфизиком, который занимался этими исследованиями. Позднее, в 1898 г., к нему подключились супруги Кюри, а после открытия радия к концу столетия числоисследователей сразу чудовищно разрослось. Среди них были Резерфорд, Дебьерн,Эльстер, Гейтель, Гизель, Кауфман, Крукс, Рамзай, Содди. Направление, принятоеБеккерелем, послужило, естественно, отправной точкой для последующихисследований. Одним из основных фактов, установленных Беккерелем, былследующий: все соли урана, фосфоресцирующие и нефосфоресцирующие, в виде кристаллаи в виде порошка, в сухом виде и в растворе, независимо от своего происхождения— все испускают излучение одной и той же природы, интенсивность которогозависит только от количества урана, содержащегося в соли. Таким образом, этаспособность оказывается атомным свойством, присущим элементу урану. Этоподтверждалось тем фактом, что металлический уран обладал в 3½ разабольшей активностью, чем применявшиеся в первых опытах соли урана. Этирезультаты, естественно, ставили вопрос о поисках других веществ, которые могутобладать аналогичными свойствами.
В 1898 г. почти одновременно Мария Кюри-Склодовская (1867—1934) во Франции иЭрхард Карл Шмидт (1865—1949) в Германии обнаружили, что торий обладаетаналогичными свойствами. Мария Кюри предприняла систематическое изучениеминералов, содержащих уран и торий, и заметила, что некоторые минералыоказались активнее урана. Мария Кюри и ее муж Пьер Кюри пришли к выводу, что вэтих минералах должен содержаться элемент, еще более активный, чем уран. Именнов это время, в 1898 г., супруги Кюри ввели термин радиоактивность дляобозначения свойства вещества испускать «лучи Беккереля», как называлось тогдаизлучение, испускаемое ураном и торием. Супруги Кюри попытались выделить этотгипотетический элемент, более активный, чем уран, из урановой смоляной руды.Химический анализ минерала и измерение радиоактивности постепенно отделяемыхфракций подтвердили, что действительно найдено простое вещество, болеерадиоактивное, чем уран. Они назвали его полонием в честь родины Марии Кюри.Позже был найден еще один элемент, значительно более радиоактивный, названныйими радием. Два года спустя, в 1900 г., Андре Дебьерн, ученик Марии Кюри,открыл третье радиоактивное вещество, названное им актинием.
Исследование новых излучений
Послетого как вырос список известных радиоактивных веществ — уран, торий, полоний,радий, актиний — и число ученых, занимающихся их изучением, началась вторая,более физическая фаза исследования, во время которой основное внимание былообращено на изучение характерных свойств новых явлений. На первых образцахполония и радия, полученных от супругов Кюри, Беккерель обнаружил, чтоиспускаемое радием излучение обладает значительно большей проникающейспособностью, чем излучение полония. Излучение радия после прохожденияалюминиевой и слюдяной пластинок воздействует на фотопластинки, тогда как лучиполония не могли проникнуть даже сквозь картонные стенки коробки, в которойхранился препарат. Таким образом, радиоактивное излучение разнородно. Этополучило новое экспериментальное подтверждение в конце 1899 г. , когда Беккерель и независимо от него Гизель обнаружили, что если пучок лучей Беккереляпроходит магнитное поле, то часть лучей отклоняется в одном направлении, адругая — в противоположном. Опыт исследования катодных лучей тотчас подсказалученым интерпретацию этого экспериментального результата: значит, лучиБеккереля неоднородны и имеют корпускулярную природу, перенося электрическийзаряд. К тому же выводу и в то же время пришел на основе изучения проникающейспособности лучей новозеландский физик Эрнест Резерфорд, начинавший своюнаучную работу под руководством Джозефа Томсона в Кавендишской лаборатории ипосвятивший всю жизнь исключительно исследованиям радиоактивности. В заключениесвоего исследования он пишет: «Эти опыты показывают, что излучение уранаявляется сложным и состоит по крайней мере из двух различных видов: одно, оченьбыстро поглощаемое, назовем для удобства α — излучением; другое, болеепроникающее, назовем β — излучением».
Черезтри года Поль Вийяр (1860—1934) показал, что имеется и третья составляющаяизлучения, о которой раньше не подозревали; она не отклоняется магнитным полем,а следовательно, сходна по природе с рентгеновскими лучами. По аналогии с двумядругими составляющими она была названа γ — излучением.
Беккерельпоказал, что β — лучи, испускаемые различными радиоактивными веществами,имеют разные скорости и отклоняются электрическим полем. Супруги Кюриустановили, что эти лучи несут с собой отрицательный заряд, а Вальтер Кауфман(1871—1947), определив по методу Томсона одновременно отклонение вэлектрическом и магнитном полях, нашел отношение e/m и обнаружил, что оно являетсяфункцией скорости v частицы. Этот факт натолкнул Кауфмана на мысль, что массаэлектрона в соответствии с выдвинутой Максом Абрагамом (1875—1922) гипотезойимеет, по крайней мере частично, электромагнитное происхождение, т. е. являетсяпроявлением реакции электромагнитного поля. Отсюда берут начало теорииэлектромагнитной природы материи, оказавшие большое влияние на физиков первойчетверти нашего столетия.
Энергия радиоактивных излучений
Новсе эти и другие свойства радиоактивного излучения, о которых можно сегодняузнать в любом, даже элементарном курсе физики, как бы важны они ни были самипо себе, отходят на второй план по сравнению с главной проблемой, которую этиопыты поставили перед первыми экспериментаторами. В радиоактивных явленияхвыделяется энергия: энергия химического действия, энергия элементарных зарядов,энергия движения частиц. Откуда она берется?
МарияКюри выдвинула две гипотезы в 1899 и в 1900 гг. Согласно первой, радиоактивныевещества улавливают внешнее излучение, не воспринимаемое нашими приборами, азатем обратно его испускают. Иными словами, они не генераторы, а трансформаторыэнергии. По второй гипотезе, наоборот, предполагается, что радиоактивные теласамопроизвольно генерируют энергию, медленно изменяясь при этом, хотя мы (пока)не замечаем их изменений. Обе эти гипотезы представлялись в равной меревозможными или, если угодно, в равной мере необоснованными.
Остротаэтой проблемы еще более возросла, когда в 1903 г. Пьер Кюри сделал весьма важное открытие, обнаружив, что соли урана непрерывно выделяют тепло,причем в таком количестве, которое при сопоставлении с малой массойрадиоактивного препарата представляется огромным. В своем первом качественномопыте, проведенном совместно с А. Лабордом, П. Кюри установил выделение теплотыс помощью термопары, один спай которой был окружен радиоактивным хлористымбарием, а другой — чистым хлористым барием. Было обнаружено, что разницатемператур обоих мест спаев составляет около 1,5° С, что значительно превосходиловозможные экспериментальные ошибки. Воодушевленные этим первым положительнымрезультатом, Кюри и Лаборд произвели непосредственное измерение выделившейсятеплоты, пользуясь двумя различными методами. В первом методе количество тепла,полученное металлическим блоком, внутрь которого помещалось определенноеколичество радиоактивного вещества, приравнивалось количеству тепла,выделенному разогреваемой током металлической спиралью, помещенной внутрь блокавместо радиоактивного образца и вызывающей такой же разогрев металлическогоблока. Во втором методе в калориметр Бунзена вводилась ампула с радиоактивнымхлористым барием и с чистым хлористым радием и непосредственно определялоськоличество выделенного тепла. Оба метода давали достаточно согласующиеся результаты:в пересчете на 1 г радия получалось 100 кал в час (последующие измеренияуменьшили эту цифру примерно до 25,5 кал).
Можетли быть столь большая энергия просто перехваченной радием? Неужели Вселеннаяпронизывается такими интенсивными потоками энергии, которые мы никак не можемобнаружить, кроме как через эти радиоактивные явления? Подобные элементарныесоображения толкали физиков к тому, чтобы отказаться от первой гипотезы Кюри впользу второй. Но предположить, что радиоактивные вещества, являясь источникамиэнергии, испытывают при этом какие-то медленные изменения, более глубокие,нежели обычные химические изменения, означало вновь подвергнуть обсуждению всеосновы атомистики.
Чтобыпонять, насколько радикальным и революционным был такой новый взгляд,современный читатель должен представить себе образ мышления физиков началанашего столетия, их мировоззрение, так сказать, полученное с молоком матери иявлявшееся предметом гордости науки того времени. Атомарная структура материи,неизменность атомов, постоянство массы, сохранение энергии — таковы былиосновополагающие принципы, которые многим представлялись уже не гипотезами, асамоочевидными истинами. У кого же хватит смелости посягнуть на эти положениянауки, подтвержденные столетием непрерывных успехов?
Нашлисьдва таких смельчака — мы скажем о них позже.
Радиоактивностьнемедленно нашла многочисленные применения в физике, химии, геологии,метеорологии, медицине. Смертоносное действие радиоактивного излучения на животныеорганизмы произвело сильное впечатление на общественное мнение, и вновь былподнят вопрос о пользе научных исследований. За год до своей трагической гибелив Париже в уличной катастрофе Пьер Кюри в заключение своей лекции в 1905 г. в связи с присуждением ему Нобелевской премии за 1903 г. говорил: «В преступных руках радий может стать весьма опасным, и мы можем теперь задать себе вопрос, выигрываетли человечество от знания секретов природы, достаточно ли оно созрело, чтобыпользоваться ими, не принесет ли ему вред это знание. Пример открытия Нобелявесьма характерен. Наличие мощных взрывчатых веществ сделало возможнымпроведение грандиозных работ. Но вместе с тем взрывчатые вещества являются страшнымсредством разрушения в руках преступников, вовлекающих народы в войну. Ясклонен придерживаться точки зрения Нобеля, что человечество извлечет из новыхоткрытий больше хорошего, чем плохого».
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.portal-slovo.ru