Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

Рентгенография применяется для диагностики

№ 68

Невидимая, удивительная, мощная. Открытие радиоактивности

Не всегда слово «радиация» следует воспринимать негативно. Радиация в широком смысле – это распространение в пространстве энергии в виде волн и частиц. Ведь само слово в переводе с латыни означает просто «сияние»! Обычное тепловое, ультрафиолетовое или световое излучение тоже, по большому счету, является «радиацией». Наиболее опасно так называемое ионизирующее радиоактивное излучение, которое вызывает разрушение белка, гибель клеток и их злокачественное перерождение. И в целом в науке и повседневной жизни принято называть «радиацией» именно ионизирующее излучение, хотя по сути это не совсем верно.

Радиоактивностью же именуется способность веществ источать ионизирующее излучение. Радиоактивность может быть естественной и искусственно созданной при помощи разнообразных реакций.

К категории ионизирующих излучений принято относить альфа-, бета-, гамма-излучение. Последнее наиболее опасно, и, что интересно, главным источником этого излучения является Солнце. Но от агрессии светила Землю защищает слой атмосферы – опасные лучи не достигают земной поверхности.

В 1898 году супружеская пара исследователей – Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) обнаружили особые свойства тория, а чуть позднее выделили новые химические элементы – полоний и радий. Их друг и единомышленник Антуан Беккерель (1852–1908) занимался исследованиями урана. Обнаруженную способность вещества быть источником излучения они и назвали радиоактивностью. Этому открытию было суждено сыграть огромную роль в истории ХХ века.

Мария Склодовская-Кюри стала первой и пока единственной женщиной – дважды Нобелевским лауреатом в истории

Чтобы получить 0,01 грамма радия, Мария Кюри за четыре года вручную перемыла 8 тонн урановой руды.

№ 69

Иногда они распадаются. Радиоактивный распад

Эрнест Резерфорд в ходе своих опытов предполагал, что радиоактивность связана с распадом атомов, если точнее – с распадом атомных ядер. Во время этого процесса происходит активный выброс излучения.

В начале ХХ века в Великобритании было проведено несколько исследований, которые приблизили человечество к пониманию того, что представляет собой процесс ядерного распада и какие страшные силы таятся в этом явлении, которое даже невозможно рассмотреть невооруженным глазом!

Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956) в своей статье «Теория радиоактивных превращений» заявили: даже если радиоактивный элемент на первый взгляд пребывает в покое и не подвергается никаким воздействиям, он может находиться в состоянии самопроизвольного распада. Свои умозаключения они зафиксировали в законе радиоактивного распада, который описывает зависимость интенсивности радиоактивного распада от количества радиоактивных атомов в образце и от протекшего времени. Причем все данные были добыты экспериментальным путем и представлены также в работах «Сравнительное излучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». Вскоре в научном обороте появились термины «время жизни атома» и «период полураспада».

Это исследование не только произвело переворот в науке (ведь на тот момент большинство ученых не сомневались в неделимости атома!), но и подтолкнуло к очередным исследованиям – уже в области ядерной физики. А там недалеко было и до использования ядерной энергии в военных целях.

На рубеже XIX–XX веков было установлено, что газ гелий может являться продуктом радиоактивного распада, то есть одни элементы «порождают» другие!

№ 70

Прирученный зверь. Ядерные реакции

Ядерная реакция происходит в том случае, если ядро атома сталкивается с какой-либо другой частицей. Уже в первой четверти ХХ века ученые, ставя опыты, «бомбардировали» разнообразными частицами ядра и получали весьма интересные результаты.

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган (1879–1968), Фриц Штрассман (1902–1980) и Лиза Мейтнер (1878–1968) проводили опыты по воздействию на ядро урана нейтронами. Они заметили, что в результате урановое ядро разделилось на два новых! Это явление было названо расщеплением. Но самым удивительным было то, что в ходе деления ядра также выделялось несколько новых нейтронов. Ученые заявили, что обнаружили «цепную ядерную реакцию». Суть ее в том, что вначале под воздействием нейтрона расщепляется урановое ядро и образуются новые нейтроны. Они, в свою очередь, вызывают деление еще двух ядер… И так далее. Очень важно было то, что в ходе подобных реакций выделялась колоссальная энергия.

Практически сразу стало понятно, что совершенное открытие может как поднять человечество на новый уровень, так и приблизить его к гибели. Ведь энергию ядерной реакции можно как поставить на службу человеку, так и создать на ее основе оружие массового уничтожения. Мы с позиции людей XXI века уже знаем, что, к сожалению, удержаться от искушения не удалось и «мирным атомом» дело не ограничилось. Сможет ли человечество вовремя остановиться на пути агрессивного использования ядерной энергии?

При расщеплении всего 0,5 грамма урана выделяется энергия, сопоставимая с той, которую можно получить при сгорании 150 литров нефти

№ 71

Мелочь пузатая: протоны и нейтроны

Надо сразу уточнить, что понятие «делимости-неделимости» того или иного элемента достаточно условно: атом тоже когда-то считался неделимым, но наука постоянно обогащает нас новыми открытиями.

Давайте познакомимся с составными частями атомного ядра: протонами и нейтронами.

Когда Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро, практически ни у кого из ученых не возникло сомнений, что оно, как и сам атом, скорее всего тоже имеет сложную структуру. И к 1919 году Резерфорд опытным путем доказал – атомное ядро тоже можно разложить на составляющие, одной из которых является протон (от греч. «первый», «основной»). Причем химически протон тождествен ядру атома водорода: ученый установил, что ядро атома водорода обнаруживается при расщеплении ядер множества других элементов.

Ученик Резерфорда, Джеймс Чедвик (1891–1974), в 1932 году открыл новую частицу, не обладающую электрическим зарядом, – нейтрон (его назвали так именно за его электрическую нейтральность). Вновь открытый «жилец» атомного ядра обратил на себя внимание именно тем, что никак не реагировал на электромагнитное поле. За это открытие ученый в 1935 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Интересно, что протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая почти в 1800 раз выше, чем масса электрона. Кстати, для обозначения сил, связывающих протоны и нейтроны в ядре, ввели особое понятие – «сильное взаимодействие». У него совсем небольшой радиус действия, но оно очень выражено.

Иногда протоны и нейтроны объединяют общим названием – нуклоны (от латинского «nucleus» – «ядро»)

№ 72

Новая «зверушка»: предположение о кварках

С развитием сложной техники у человека появилась возможность проникать все глубже и дальше в структуру частиц, о существовании которых раньше никто даже не подозревал. Становилось ясно, что электроны, протоны, нейтроны – это лишь небольшая часть всех тех удивительных явлений, которые принято объединять условным названием «мелкие частицы». И в 1960-х годах американский физик Марри Гелл-Манн (род. в 1929) ввел новую «точку отсчета» – кварк и упорядочил всю систему субатомных частиц (то есть тех, которые мельче атома и входят в его состав). Он предположил, что большинство составляющих атомного ядра можно разложить на комбинации из трех разных кварков. За это ученый в 1969 году был отмечен Нобелевской премией. Теория о кварках была подтверждена опытами его коллег, когда стало возможным сделать макроснимок протона.