Савельєва Ф.Н., к.т.н.
Радіоактивні речовини
Потрапляючи на стінки скляної трубки, катодні промені викликають там флуоресценцію; флуоресціюючих частина трубки є джерелом рентгенівських променів. Чи пов'язані між собою ці два явища, що збігаються в часі і в просторі, - флуоресценція і випускання рентгенівських променів? Це питання навіть не виникло б, якби рентгенівські промені були з самого початку отримані в трубці типу «фокус». Але оскільки, як повідомив Рентген у своїй першій роботі, вони виходять в простій розрядній трубці, таке питання цілком закономірний.
Це питання поставив перед собою Анрі Беккерель (1832-1108), один зі славної династії видатних фізиків, до якої належали його дід Антуан Сезар (1788-1878), батько Едмонд (1820 -1891) і син Жан (1878-1953). Флуоресценція і фосфоресценція були, так би мовити, «сімейною справою» Беккерелем. Батько Анрі Беккереля-Едмон Беккерель - дійсно багато займався спектроскопічними дослідженнями фосфоресценції, і зокрема фосфоресценції урану, а Анрі з 1882 по 1892 р. продовжував ці дослідження.
Як тільки Анрі Беккерель дізнався про досліди Рентгена, йому негайно здалося, що вони мають відношення до того, чим він займається, і відразу ж тобто на початку 1896 р., він задався питанням, чи не можуть рентгенівські промені випускати фосфоресцирующим тілами, зазнали тривалого опромінення сонячним світлом. Серед досліджених фосфоресцентних речовин були і солі урану. Беккерель помістив лусочки солі урану на фотопластинку, загорнуту щільною чорним папером, і піддав їх протягом декількох годин сильному впливу сонячних променів. Після прояви фотопластинки на ній були виявлені контури лусочок, які були до неї притиснуті. Цей результат говорив на користь прийнятої робочої гіпотези і змушував продовжувати дослідження. Було очевидно, що уранова сіль випускає якесь випромінювання, що проходить через чорний папір і засвічує фотопластинку. Чи пов'язане воно з фосфоресценції, тобто перетвориться Чи в урановій мінералі сонячна енергія в це випромінювання?
Щасливий випадок дозволив Беккереля незабаром відповісти на це питання. 26 і 27 лютого 1896 р. був підготовлений досвід, кілька відрізнявся від початкового, але виконати його не вдалося, так як день був хмарний і сонце показувалося лише на короткий час. Тому вся установка (на фотопластинці в рамці з чорної тканини, прикритої алюмінієвої платівкою, спочивав тонкий мідний хрест, над яким розташовувався препарат з подвійним сульфатом калію та урану) була замкнена в ящику столу. Проявивши 1 березня ці платівки, Беккерель несподівано виявив на них вельми чіткий контур хреста. Йому відразу ж спало на думку, що дія випромінювання відбувалося і в темряві, і нові, спеціально зроблені досліди підтвердили це припущення. Таким чином, для одержання фотографічного ефекту не було необхідності попередньо висвітлювати уранову сіль сонцем. Більш того, це явище на інших фосфоресцентних речовинах не спостерігалося, але спостерігалося на інших солях урану, що не володіють фосфоресценції. Всього цього було достатньо, щоб прийти до висновку, що тут мова йде про новий мимовільному явище, інтенсивність якого помітно не убуває в часі, як це доводили досліди з урановими солями, приготованими задовго до постановки досвіду.
Саме в цей час в Париж прийшли відомості про те, що багатьма фізиками помічена витік заряду з зарядженого тіла, що опромінюється рентгенівськими променями. Беккерель поставив аналогічний досвід з новим випромінюванням і прийшов до того ж результату. Він продовжив дослідження двома методами: методом фотопластинок, чисто якісним, і електричним методом, придатним для відносних чисельних вимірювань. Як це не дивно, близько двох років Беккерель був єдиним фізиком, який займався цими дослідженнями. Пізніше, в 1898 р., до нього підключилися подружжя Кюрі, а після відкриття радію до кінця сторіччя число дослідників відразу жахливо розрослося. Серед них були Резерфорд, Дебьерн, Ельстер, Гейтель, Гізель, Кауфман, Крукс, Рамзай, Содді. Напрямок, прийняте Беккерелем, послужило, природно, відправною точкою для подальших досліджень. Одним з основних фактів, встановлених Беккерелем, був наступний: всі солі урану, фосфоресціюючі і нефосфоресцірующіе, у вигляді кристала і у вигляді порошку, в сухому вигляді і в розчині, незалежно від свого походження - все випускають випромінювання однієї і тієї ж природи, інтенсивність якого залежить тільки від кількості урану, що міститься в солі. Таким чином, ця здатність виявляється атомним властивістю, властивою елементу урану. Це підтверджувалося тим фактом, що металевий уран володів 3 ½ рази більшою активністю, що застосовувалися в перших дослідах солі урану. Ці результати, природно, ставили питання про пошуки інших речовин, які можуть володіти аналогічними властивостями.
У 1898 р. майже одночасно Марія Кюрі-Склодовська (1867-1934) у Франції і Ерхард Карл Шмідт (1865-1949) у Німеччині виявили, що торій володіє аналогічними властивостями. Марія Кюрі зробила систематичне вивчення мінералів, що містять уран і торій, і помітила, що деякі мінерали виявилися активніше урану. Марія Кюрі і її чоловік П'єр Кюрі прийшли до висновку, що в цих мінералах повинен міститися елемент, ще більш активний, ніж уран. Саме в цей час, в 1898 р. подружжя Кюрі ввели термін радіоактивність для позначення властивості речовини випускати «промені Беккереля», як називалася тоді випромінювання, що випускається ураном і торієм. Подружжя Кюрі спробували виділити цей гіпотетичний елемент, більш активний, ніж уран, з уранової смоляної руди. Хімічний аналіз мінералу і вимірювання радіоактивності поступово відділяються фракцій підтвердили, що дійсно знайдено проста речовина, більш радіоактивне, ніж уран. Вони назвали його полонієм на честь батьківщини Марії Кюрі. Пізніше був знайдений ще один елемент, значно більш радіоактивний, названий ними радієм. Два роки по тому, в 1900 р., Андре Дебьерн, учень Марії Кюрі, відкрив третє радіоактивну речовину, названу ним актиній.
Дослідження нових випромінювань
Після того як виріс список відомих радіоактивних речовин - уран, торій, полоній, радій, актиній - і число вчених, що займаються їх вивченням, почалася друга, більш фізична фаза дослідження, під час якої основна увага була звернена на вивчення характерних властивостей нових явищ. На перших зразках полонію і радію, отриманих від подружжя Кюрі, Беккерель виявив, що випускається радієм випромінювання має значно більшу проникаючу здатність, ніж випромінювання полонію. Випромінювання радію після проходження алюмінієвої та слюдяної платівок впливає на фотопластинки, тоді як промені полонію не могли проникнути навіть крізь картонні стінки коробки, в якій зберігався препарат. Таким чином, радіоактивне випромінювання різнорідно. Це отримало нове експериментальне підтвердження в кінці 1899 р., коли Беккерель і незалежно від нього Гізель виявили, що якщо пучок променів Беккереля проходить магнітне поле, то частина променів відхиляється в одному напрямку, а інша - у протилежному. Досвід дослідження катодних променів негайно підказав вченим інтерпретацію цього експериментального результату: значить, промені Беккереля неоднорідні і мають корпускулярну природу, переносячи електричний заряд. До того ж висновку і в той же час прийшов на основі вивчення проникаючої здатності променів новозеландський фізик Ернест Резерфорд, який починав свою наукову роботу під керівництвом Джозефа Томсона в Кавендішської лабораторії і присвятив все життя виключно досліджень радіоактивності. На закінчення свого дослідження він пише: «Ці досліди показують, що випромінювання урану є складним і складається принаймні з двох різних видів: одне, дуже швидко поглинається, назвемо для зручності α - випромінюванням; інше, більш проникаюче, назвемо β - випромінюванням» .
Через три роки Поль Війяр (1860-1934) показав, що є і третя складова випромінювання, про яку раніше не підозрювали, вона не відхиляється магнітним полем, а отже, подібна по природі з рентгенівськими променями. За аналогією з двома іншими складовими вона була названа γ - випромінюванням.
Беккерель показав, що β - промені, що випускаються різними радіоактивними речовинами, мають різні швидкості і відхиляються електричним полем. Подружжя Кюрі встановили, що ці промені несуть з собою негативний заряд, а Вальтер Кауфман (1871-1947), визначивши за методом Томсона одночасно відхилення в електричному і магнітному полях, знайшов ставлення e / m і виявив, що воно є функцією швидкості v частинки. Цей факт наштовхнув Кауфмана на думку, що маса електрона відповідно до висунутої Максом Абрагамом (1875-1922) гіпотезою має, принаймні частково, електромагнітне походження, тобто є проявом реакції електромагнітного поля. Звідси беруть початок теорії електромагнітної природи матерії, що зробили великий вплив на фізиків першої чверті нашого століття.
Енергія радіоактивних випромінювань
Але всі ці та інші властивості радіоактивного випромінювання, про які можна сьогодні дізнатися в будь-якому, навіть елементарному курсі фізики, як би важливі вони не були самі по собі, відходять на другий план у порівнянні з головною проблемою, яку ці досліди поставили перед першими експериментаторами. У радіоактивних явищах виділяється енергія: енергія хімічного дії, енергія елементарних зарядів, енергія руху частинок. Звідки вона береться?
Марія Кюрі висунула дві гіпотези в 1899 і в 1900 рр.. Згідно з першою, радіоактивні речовини вловлюють зовнішнє випромінювання, не сприймається нашими приладами, а потім назад його випускають. Іншими словами, вони не генератори, а трансформатори енергії. За другою гіпотезою, навпаки, передбачається, що радіоактивні тіла мимовільно генерують енергію, повільно змінюючись при цьому, хоча ми (поки що) не помічаємо їх змін. Обидві ці гіпотези представлялися в рівній мірі можливими або, якщо завгодно, в рівній мірі необгрунтованими.
Гострота цієї проблеми ще більше зросла, коли в 1903 р. П'єр Кюрі зробив дуже важливе відкриття, виявивши, що солі урану безперервно виділяють тепло, причому в такій кількості, яка при зіставленні з малою масою радіоактивного препарату представляється величезним. У своєму першому якісному досвіді, проведеному спільно з А. Лаборд, П. Кюрі встановив виділення теплоти за допомогою термопари, один спай якої був оточений радіоактивним хлористим барієм, а інший - чистим хлористим барієм. Було виявлено, що різниця температур обох місць спаїв становить близько 1,5 ° С, що значно перевершувало можливі експериментальні помилки. Натхнені цим першим позитивним результатом, Кюрі і Лаборд виробили безпосереднє вимірювання виділилася теплоти, користуючись двома різними методами. У першому методі кількість тепла, отримане металевим блоком, всередину якого містилося певну кількість радіоактивної речовини, прирівнювалося кількості тепла, виділеного розігрівається струмом металевою спіраллю, поміщеної всередину блоку замість радіоактивного зразка і викликає такий же розігрів металевого блоку. У другому методі в калориметр Бунзена вводилася ампула з радіоактивним хлористим барієм і з чистим хлористим радієм та безпосередньо визначалося кількість виділеного тепла. Обидва методи давали достатньо узгоджуються результати: у перерахунку на 1 г радію виходило 100 кал на годину (подальші вимірювання зменшили цю цифру приблизно до 25,5 кал).
Чи може бути така велика енергія просто перехопленої радієм? Невже Всесвіт пронизується такими інтенсивними потоками енергії, які ми ніяк не можемо виявити, окрім як через ці радіоактивні явища? Подібні елементарні міркування штовхали фізиків до того, щоб відмовитися від першої гіпотези Кюрі на користь другої. Але припустити, що радіоактивні речовини, будучи джерелами енергії, відчувають при цьому якісь повільні зміни, більш глибокі, ніж звичайні хімічні зміни, означало знову піддати обговорення всі основи атомістики.
Щоб зрозуміти, наскільки радикальним і революційним був такий новий погляд, сучасний читач повинен уявити собі образ мислення фізиків початку нашого століття, їх світогляд, так би мовити, отримане з молоком матері і що було предметом гордості науки того часу. Атомарна структура матерії, незмінність атомів, сталість маси, збереження енергії - такими були основні принципи, які багатьом представлялися вже не гіпотезами, а самоочевидними істинами. У кого ж вистачить сміливості зазіхнути на ці положення науки, підтверджені сторіччям безперервних успіхів?
Знайшлися два таких сміливця - ми скажемо про них пізніше.
Радіоактивність негайно знайшла численні застосування у фізиці, хімії, геології, метеорології, медицини. Смертоносну дію радіоактивного випромінювання на тваринні організми справило сильне враження на громадську думку, і знову було піднято питання про користь наукових досліджень. За рік до своєї трагічної загибелі в Парижі у вуличній катастрофі П'єр Кюрі на закінчення своєї лекції в 1905 р. у зв'язку з присудженням йому Нобелівської премії за 1903 р. говорив: «У злочинних руках радій може стати дуже небезпечним, і ми можемо тепер поставити собі питання, чи виграє людство від знання секретів природи, чи досить воно дозріло, щоб користуватися ними, чи не принесе йому шкоди це знання. Приклад відкриття Нобеля вельми характерний. Наявність потужних вибухових речовин зробило можливим проведення грандіозних робіт. Але разом з тим вибухові речовини є страшним засобом руйнування в руках злочинців, які залучають народи у війну. Я схильний дотримуватися точки зору Нобеля, що людство одержить від нових відкриттів більше хорошого, ніж поганого ».