Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы
Шрифт:
В лабораториях по всему миру началось лихорадочное стремление открыть лучи с такими же завораживающими и уникальными свойствами, как у рентгеновских. Всего лишь через месяц после объявления об их открытии, 20 января 1896 года, икс-лучи были официально представлены в Париже президентом Французской академии наук Анри Пуанкаре. Выдающийся ученый указал на возможность связи между рентгеновскими лучами и фосфоресценцией, то есть на способность некоторых веществ излучать свет после того, как они были освещены. Среди французских исследователей, присутствовавших при этом, был Анри Беккерель, член династии, занимавшейся изучением явлений фосфоресценции.
Интерес семьи Беккерелей к этому явлению возник во время поездки в Венецию дедушки Анри, Антуана (1788–1878), где он был впечатлен фосфоресценцией моря. За исследования по электричеству Антуан стал членом английского Королевского общества, чем могли похвалиться очень немногие иностранцы. Он также был первым Беккерелем, который руководил лабораторией прикладной физики в Музее естественной истории во Франции, — должность, которую непрерывно занимали члены его семьи в течение почти сотни лет. Его сын, Александр Эдмон (1820–1891), продолжил изучать явления фосфоресценции и сменил своего отца на посту директора
* * *
ТРУБКИ КРУКСА, X-ЛУЧИ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
Английский химик сэр Уильям Крукс (1832–1919) изучал проводимость газов при крайне низком давлении и для этого разработал трубки, которые носят его имя. Ученый заметил, что если в концы трубки с вакуумом поместить два электрода, к которым приложить высокое напряжение, по трубке проходят лучи, испускаемые катодом (в связи с чем он назвал их «катодные лучи»), из-за чего светятся флуоресцентные экраны, на которые они направлены. Очевидность этих результатов привлекла внимание других исследователей. Так, 8 ноября 1895 года немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) заметил, что когда катодные лучи сталкиваются с металлической поверхностью анода в трубке Крукса, они производят другие лучи с уникальными свойствами: они невидимы, способны выходить из трубки, пересекать черный картон и освещать флуоресцентный экран. Он назвал их икс-лучами за их интригующие свойства, и через несколько недель после открытия (которое в итоге принесло Рентгену Нобелевскую премию по физике) они уже применялись в медицине, произведя революцию в методах диагностики и лечения. Любопытство, которое рентгеновские лучи вызвали у ученых, породило другие открытия, среди них — открытие радиоактивности. Никто не думал, что у них может быть другое применение, пока в 1912 году немецкий физик Макс фон Лауэ (1879–1960) не выяснил, что когда лучи пересекают кристаллы сульфата меди, то дают характерные точки на фотографической пластинке. В следующем году британский физик Уильям Генри Брэгг (1862–1942) и его сын Уильям Лоренс (1890–1971) открыли, что длина волны икс-лучей связана с расстоянием, разделяющим ряды атомов в кристалле (d), и с углом, который образуют лучи с кристаллом , математическим отношением, названным в их честь законом Брэгга: n = 2d•sin . Открытия Брэггов и фон Лауэ снабдили ученых очень мощным инструментом анализа структуры веществ любого типа, что способствовало пониманию множества физических, химических и биологических процессов.
Производство катодных лучей.
Схема трубки с x-лучами, охлаждаемой с помощью воды
* * *
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ И ПУДИНГ
В 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856–1940), директор лаборатории Кавендиша в Кембридже, доказал, что катодные лучи, производимые в трубках Крукса, были потоками частиц с отрицательным зарядом. Он изучал отклонения лучей в присутствии магнитных и электрических полей и из результатов сделал вывод, что масса частиц, которые их образуют, примерно в 1800 раз меньше, чем масса самого легкого известного атома — водорода. Кроме того, он заметил, что частицы общие для всех атомов, так что они должны быть их частью. В результате этого открытия оказалось, что модель атома Дальтона, согласно которой атомы неделимы, неверна. Томсон предложил новую модель атома, которую назвал «пудинг». Такое необычное название было очень подходящим, поскольку отсылало к предположению Томсона о том, что любой положительный заряд (и вместе с ним почти вся его масса) атома распределен равномерно, занимая весь объем (как тесто пудинга), а отрицательные заряды (электроны, то есть изюминки) размещены внутри. Естественно, речь шла об очень примитивном и далеком от реальности представлении, как мы знаем сегодня, но это было огромным шагом вперед к пониманию сложной природы атома. Томсон определил отношение заряд/масса частиц, которые образовывали катодные лучи, изучая, как они отклоняются электрическим и магнитным полями. Несколькими годами позже Томсон разработал технику химического анализа, масс-спектроскопию, с помощью которой его ученик Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) открыл изотопы, атомы с одинаковым числом протонов (атомным номером) ядра, но различным числом нейтронов, то есть другим массовым числом. Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за открытие того, что катодные лучи образованы частицами, названными электронами.
Катодные лучи (центральная линия) отклоняются из-за электрического поля (серый прямоугольник в центре).
БЕККЕРЕЛЬ И РАДИОАКТИВНОСТЬ
Анри Беккерель официально считается первооткрывателем радиоактивности, хотя он даже не дал ей названия — это сделала Мария — и на самом деле не открывал ее, поскольку это явление уже было обнаружено за несколько лет до него Ньепсом де Сен-Виктором (1805–1870),
французским исследователем, который в промежутке между 1856 и 1861 годами опубликовал несколько работ по излучению урановых солей. Однако следует учитывать, что для науки нормально признавать первооткрывателем не того, кто первым заметил явление. Чтобы открытие было признано и одобрено как часть научного знания, оно должно быть не просто опубликовано в престижном журнале, но и достоверно определено и принято научным сообществом. Так, например, дедушка Анри открыл пьезоэлектричество за 60 лет до Пьера и Жака, но ни он, ни его современники не смогли объяснить это явление и не нашли ему применения, поэтому оно было забыто. Нечто похожее, должно быть, произошло с открытием Ньепса.Продолжая работу отца и деда, Анри Беккерель изучал явления фосфоресценции, сосредоточившись на солях урана. Чтобы обнаружить их излучение, он пользовался фотографическими пластинками и солнцем в качестве источника света. Собираясь выступать в Академии наук в начале марта 1896 года, в конце февраля он приготовил соли урана на пластинке. Он использовал серебряную эмульсию, которую покрывал черной бумагой, чтобы она не засветилась под солнечным светом, а облучалась лишь лучами, испускаемыми солями. Но в среду 26 февраля и в четверг 27-го в Париже было пасмурно, и Беккерель хранил пластинку с солями в ящике. Несмотря на то что в следующие дни также не было солнца, исследователь решил проявить пластинку, столько дней пролежавшую без воздействия солнечного света. Ученый ожидал, что результат будет очень размытым. Однако оказалось, что оттиск на фотографической пластинке четкий. Он повторил эксперимент, чтобы подтвердить, что излучение имеет место без всякого осветительного процесса, который бы активизировал фосфоресценцию, и обнаружил: соли продолжают излучать, пролежав несколько дней в темноте. Беккерель представил результаты на следующем заседании Академии наук, к изумлению представителей европейских лабораторий. Исследователь тогда предположил, что это явление — фосфоресценция, но не обычная, которую до этого обнаруживали для солей урана, а «невидимая и долгосрочная».
Беккерель повторил свои эксперименты с помощью прибора, который зафиксировал бы излучение с большей скоростью и точностью, чем это можно было сделать с помощью фотографической пластинки. Чтобы проверить, ионизируют ли лучи воздух, то есть высвобождают ли они заряд и делают его проводником, он решил применить электроскоп — прибор, использованный в первых исследованиях по электростатике. Этот прибор, показанный на рисунке, состоит из стержня-проводника с пластинками из золота на конце, который помещается в сосуд. Чтобы узнать, содержит ли тело электрический заряд, надо лишь дотронуться им до верхнего конца стержня. Если тело заряжено, то заряд проходит через него к золотым пластинкам, которые отталкиваются из-за одноименного заряда. Чем больше заряд, тем больше угол отклонения.
Беккерель выяснил, что заряженный электроскоп разряжается из-за действия урановых лучей. Это говорило о том, что они ионизируют (заряжают) среду (воздух), в которой распространяются. Однако попытка количественно оценить излучение оказалась неудачной: удалось лишь установить связь между углом отклонения пластинки из золота от главной оси электроскопа и временем излучения. Но результаты не были воспроизводимыми, поскольку изменение угла было величиной, которая не предполагала точного измерения.
Далее он выяснил, что соли урана в растворе также дают излучение, а это означало, что оно не является исключительным свойством твердых тел. Хотя Беккерель настаивал на том, чтобы назвать новое явление «невидимой фосфоресценцией» (три семейных поколения, занимавшихся фосфоресценцией, должно быть, оказывали свое влияние), каждый раз было все более очевидно, что оно совсем не связано с тем, что изучали его отец и дед. На самом деле у них было больше схожести с рентгеновскими лучами, поэтому Беккерель решил проверить, подвержены ли урановые лучи, по аналогии с рентгеновскими, явлению рассеивания (изменению направления распространения при столкновении с препятствиями на своем пути) и поглощаются ли они различными веществами. Ученый заметил, что их поведение не похоже на поведение рентгеновских лучей (сегодня мы знаем, что «урановые лучи» включают в себя различные типы излучения, одно из которых похоже на рентгеновское, а другие нет; сложность урановых лучей была неизвестна Беккерелю).
Ученый также исследовал вопрос о том, что отвечает за излучение: химический элемент уран или одно из его соединений. Он заметил, что явление проявляется как у солей желтого цвета, для которых характерна фосфоресценция и в которых степень окисления урана +6 (то есть он потерял 6 электронов из оболочки), так и у зеленых солей со степенью окисления +4, для которых фосфоресценция нехарактерна. Затем Беккерель измерил излучение чистого урана, пользуясь фотографическим методом, с которого он начал свои исследования, и выяснил, что оно наиболее интенсивное из всех анализируемых. Это подтвердило то, что речь идет об атомном явлении, связанном с элементом — ураном.
В 1897 году Беккерель был избран ежегодным президентом Физического общества, что сопровождалось бюрократической и отчетной работой, поэтому он не продолжал свои эксперименты в этой области. Он сделал лишь один доклад, в котором резюмировал результаты своей работы, и объявил о разряжении электроскопа урановыми лучами. После этого Беккерель вернулся на знакомую территорию, к изучению «классической» фосфоресценции, оставив теорию урановых лучей в зачаточном состоянии.
Мы уже рассмотрели причины, из-за которых лучи, открытые Беккерелем, были забыты. Возможно, когда их сравнили с рентгеновскими и выяснили, что они дают намного менее четкий рисунок, они оказались не очень интересными. С другой стороны, их было не так просто получить, поскольку вместо вакуумных трубок и генераторов, необходимых для получения рентгеновских лучей, нужно было иметь соединения урана, которые были доступны не во всех лабораториях. Но самым главным фактором, вызвавшим прекращение их изучения, оказалось то, что это явление было выше понимания ученых того времени, и сколько бы экспериментов ни ставил Беккерель, он не мог ответить на самые простые вопросы о природе наблюдаемых лучей. Первый из них был связан с источником энергии процесса: поскольку не было необходимости в облучении, что же вызывало урановые лучи и откуда происходила их энергия? Было похоже, что она неистощима, поэтому само существование подобного явления, казалось, нарушает принцип сохранения энергии.